双杯[4]芳烃衍生物的合成及对金属离子的作用研究

汤伟强，周俊生，张晓梅

（安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南 232001）

杯芳烃作为第三代超分子主体，其功能化研究不断深入，双杯芳烃的研究是目前杯芳烃化学的热点之一。双杯芳烃由两个杯芳烃单元通过化学键联结而成，与单杯芳烃相比，双杯芳烃结构更复杂，性质也更为丰富多彩。双杯芳烃研究最为深入的一类是双杯[4]芳烃，按照桥联位置的不同，可将双杯[4]芳烃分成三类:上缘-上缘桥联双杯[4]芳烃；下缘-下缘桥联双杯[4]芳烃和上缘-下缘桥联双杯[4]芳烃。按照桥联基团个数可分为:单桥联双杯[4]芳烃、双桥联双杯[4]芳烃、三桥联双杯[4]芳烃及四桥联双杯[4]芳烃。双杯[4]芳烃具有两个相同或不相同的结合部位，可同时络合两个相同或不相同的底物，表现出特殊的协同作用和更强的络合能力，在分子识别、包结、萃取、荧光探针等方面具有更广阔的应用。Beer P D等以2，6-二（溴甲基）-4-苯甲酸甲酯为桥联剂，与修饰后的杯[4]芳烃衍生物反应，研究结果发现，该化合物能够选择性地萃取UO。Budka J 等以14%收率合成了一种对Ag和K有很好识别能力的新双杯[4]芳烃化合物。林梁斌等以“2+2”的反应模式合成了三种大共轭芳香基桥联的双杯[4]芳烃化合物。液液两相萃取实验表明，此类化合物对染料分子OI 和VB 具有很强的萃取能力。目前报道的双杯[4]芳烃大部分都是通过两个杯[4]芳烃单元与两个双官能团基团进行“2+2”缩合反应得到，该反应过程中往往伴随着“1+1”缩合、聚合等副反应，分离较为困难，产率较低。

本文以自制对叔丁基杯[4]芳烃为原料，经多步反应得双氨基（化合物3，4）及双甲酰基（化合物5）杯[4]芳烃衍生物，采用“1+1”高度稀释合成法，通过氨基与甲酰基的缩合反应，获得两个新双杯[4]芳烃偶联化合物6、7，利用HNMR、CNMR、FT-IR和MS（Maldi-tof）等表征手段证实化合物的结构（见图1）。初步研究了11 种金属离子对化合物6、7的紫外光谱影响。

图1 合成路线Fig.1 Synthetic roadmap

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

氯乙酸乙酯；碘化钠；无水三氯化铝；水合肼，80%；三氟乙酸；冰醋酸；六次甲基四胺；无水碳酸钾；浓硝酸；氢氧化钠；N，N-二甲基甲酰胺；硝酸钠；硝酸钾；硝酸镁；硝酸铝；硝酸锌；硝酸铜；硝酸镍；硝酸铅；硝酸铬（III）；硝酸镉；硝酸钴（II）；硝酸镧（III）；以上均为分析纯。5，11，17，23-四叔丁基-25，26，27，28-四羟基-杯[4]芳烃（化合物1），自制；去离子水，自制。

DPX 300 超导傅立叶数字化核磁共振谱仪，瑞士BRUKER 公司；MALDI-TOF-MS 型 Autoflex Ⅲ 飞行时间质谱仪，德国BRUKER 公司；UV-2550型双光束紫外可见分光光度计，日本岛津公司；pHs-3C pH meter酸度计，上海宵盛仪器制造有限公司。

1.2 化合物的合成

1.2.1 杯[4]芳烃衍生物的合成

根据文献[12-14]合成化合物2，3 及化合物4；根据文献[15]合成化合物5。以上化合物经过熔点或HNMR确证。

1.2.2 四叔丁基双杯[4]偶联物化合物6的合成

将 0.11 g（0.15 mmol） 化 合 物 3 和 0.10 g（0.15 mmol）化合物5 置于三口烧瓶中，依次加入50 mL 氯仿和50 mL 无水甲醇，搅拌下加热回流48 h，TLC 监测反应进程。反应结束后，蒸出大部分溶剂，加入适量甲醇，析出大量白色固体，抽滤，用适量二氯甲烷洗涤，干燥得0.14 g白色固体，收率66.7%。H NMR（400 MHz，CDCl）δ 8.17（s，2H，H-C=N）；7.50（s，2H，CONH，可交换）；7.31～7.42（m，4H，ArOH），6.82～7.13（m，18H，Ar-H）；4.57～4.68（m，8H，O-CH），4.22～4.35（m，12H，ArCHAr+CHCH）；3.40～3.51（m，8H，ArCHAr）；1.30（m，24H，-CH），0.98（m，18H，-CH）。CNMR（126MHz，DMSO- d） δ 169.20，164.58，154.39，151.72，133.47，129.69，128.13，126.32，72.40，61.59，33.79，31.84，31.34，14.03。IR（KBr）:1 680 cm，1 740 cm，1 608 cm。分子式：CHON；caculated：1 408；MS（Maldi-Tof）m/z：1 431[M+Na]；m/z：1 447.4[M+K]。

1.2.3 四氢基双杯[4]偶联物化合物7的合成

将0.12 g（0.2 mmol）化合物4和0.14 g（0.2 mmol）化合物5 置于三口烧瓶中，依次加入50 mL 氯仿和50 mL无水甲醇，搅拌下加热回流48 h，TLC 检测反应进程。反应结束后，蒸出大部分溶剂，加入适量甲醇，析出大量白色固体，抽滤，用适量二氯甲烷洗涤，干燥得0.18 g白色固体，收率85.7%。H NMR（400 MHz，CDCl）8.22（s，2H，H-C=N）；7.52（2H，CONH，可交换）；6.71～7.13（m，22H，Ar-H）；4.69～4.76（m，8H，OCH）；4.33～4.57（m，12H，ArCHAr+CHCH），3.47～3.56（m，8H，ArCHAr），1.32（t，6H，CH）。CNMR（126 MHz，DMSO-d），δ 169.16，164.52，155.52，152.69，134.05，133.08，129.61，128.61，125.93，125.49，119.99，72.82，61.56，31.09，14.45。IR（KBr）∶1 685 cm，1 740 cm，1 610 cm。分子式∶CHON；caculated：1 186；MS（Maldi-Tof）m/z:1 187[M+H]。

1.3 化合物6，化合物7与部分金属离子的作用

1.3.1 化合物6和化合物7 的紫外光谱

分别配制0.1 mmol/L 化合物6 和化合物7 的DMF溶液，待用。用去离子水和硝酸分别配制4.0 mmol/L的KNO、Mg（NO）、A（lNO）、Zn（NO）、Cu（NO）、Co（NO）、N（iNO）、Cd（NO）、C（rNO）、Pb（NO）和La（NO）溶液，待用。

将浓度为0.1 mmol/L 化合物6 和化合物7 的DMF溶液用少量HNO和NaOH溶液分别调整成pH 1～12的浓度为0.01 mmol/L 的溶液，25℃下恒温振荡5 h，用紫外-可见分光光度计分别测定化合物6和7在不同pH体系中的紫外吸收光谱。

1.3.2 化合物6和化合物7对11种金属离子的作用

分别将等体积的浓度为4.0 mmol/L 的11 种金属离子溶液与浓度为0.1 mmol/L 的化合物6 的DMF 溶液混合，而后混合液在25℃下恒温振荡5 h，用紫外-可见分光光度计测定溶液的紫外吸收光谱。这些金属离子对化合物7的作用研究方法同上。

2 结果与讨论

2.1 化合物6和化合物7的合成

论文首先设计合成了具有双活性官能团的杯[4]芳烃衍生物，即含双氨基的化合物3、4和含双甲酰基的化合物5。利用甲酰基和氨基可形成稳定席夫碱结构的性质，分别将化合物3、4的双氨基与化合物5的双甲酰基以分子间“1+1”环合形式形成具有亚胺结构的双杯[4]芳烃偶联物，化合物6、7的收率分别为66.7%和85.7%。由于化合物3、4 和化合物5 都是双官能团分子，在反应过程中，除按预期进行双分子“1+1”关环偶联外，还可形成链状高分子副产物。本文采用高度稀释法，最终在氯仿/甲醇体系中得到中等以上收率的预期产物。

2.2 化合物6和化合物7的结构表征

用核磁共振（HNMR，CNMR）、红外吸收光谱（FT-IR）及质谱（Maldi-tof）等手段对化合物6、7进行了结构表征。

化合物 6、7 的H NMR 和C NMR 分别见图 2（a）（b）和图3（a）（b）。

图2 （a）化合物6的1H NMR（CDCl3）；（b）化合物7的′H NMR（CDCl3）Fig.21H NMR（CDCl3）of compound 6（a）and compound（7）

图3 （a）化合物6的13C NMR（DMSO-d6）；（b）化合物7的13C NMR（DMSO-d6）Fig.313C NMR（DMSO-d6）of compound 6（a）and compound 7（b）

因化合物6、7 结构中含有局部对称性，同时，还因部分质子化学环境相差不大，造成该部分质子的H NMR信号峰相互重叠，不利于共振峰的归属。不过，由于化合物6和7的结构中仅相差四个叔丁基，两分子中许多质子具有相近的化学位移值。在低场，图2（a）和图2（b）中化学位移值分别在δ8.17（2H）及δ8.22（2H）的单峰归属为结构中的亚胺（H-C=N）质子；图2（a）和图2（b）中δ7.50（2H）及δ7.52（2H）的单峰为-CONH 的质子，该质子经DO交换后消失。图2（a）和图2（b）中δ 6.82～7.13（18H）及δ6.71～7.13（22H）的多组多重峰归属为芳质子（ArH）。在高场区，在图2（a）和图2（b）中化学位移处于δ3.40～4.76 都出现了三类的亚甲基质子（OCH、ArCHAr 和CHCH）的信号；尤其是，图2（a）出现δ1.30 和 δ0.98 两种甲基质子信号峰，而图2（b）中只在δ1.32出现CHCH中CH质子的三重峰，说明化合物6 中含有叔丁基和与亚甲基相邻的甲基，而化合物7 中只含有与亚甲基相邻的甲基。

类似地，由于化合物6、7 的结构含有局部对称性，同时，还有部分碳原子的化学环境相差不大，造成分子中部分碳原子的C NMR 信号峰相互重叠，化合物6、7的C NMR 信号峰的数目低于相应化合物中碳原子应出峰的数目。

在图3（a）和图3（b）中，δ164.6-169.2的共振峰归属为化合物6 和7 中的酯羰基（-C=O）和酰胺羰基（-CONH）碳；图3（a）中δ126.3～153.3 的六个峰归属为化合物6 中的 Csp碳（Ar-C，C=N）的共振峰；图3（b）中δ 120.0～153.5的九个峰归属为化合物7中的 Csp碳（Ar，C=N）的共振峰。此外，图3（a）和图3（b）都出现δ 约72及δ 约 61 的ArO-C 和乙氧基（OCHCH）中与氧相邻碳原子的共振峰。在高场，图3（a）在δ 约31～33.8出现三个峰，分别归属为亚甲基（ArCHAr）和叔丁基中的甲基碳，δ14.03 为乙氧基（OCHCH）中的甲基碳，而图3（b）在此区域仅出现亚甲基（ArCHAr）和δ14.45 的乙氧基（OCHCH）中的甲基碳，这进一步表明，化合物7与6结构类似，但分子中没有叔丁基。

对化合物6、7 进行了红外光谱（FT-IR）表征，结构表明，化合物 6 和 7 分别在 1 741 cm、1 740 cm出现归属为酯C=O 的特征吸收峰，分别在1 680 cm、1 685 cm出现归属为酰胺羰基C=O 吸收峰，还分别在1 608 cm、1 610 cm出现归属为席夫碱中C=N 的特征吸收峰。因此，化合物5中甲酰基与化合物3、4中的酰肼氨基转化成了亚氨基。

为进一步确证化合物6和7的结构，对它们进行了质谱（Maldi-tof）表征。结果表明，在化合物6的MS图中出现了m/z 1 431.4[M+Na]和m/z 1 447.4[M+K]的准离子峰；在化合物7的MS（Maldi-tof）中出现m/z 1 187.4的准分子离子峰[M+H]。以上结果表明，化合物6和7为预期结构。

2.3 化合物6、化合物7对金属离子的识别性能研究

2.3.1 化合物6和化合物7的紫外吸收及其与pH的关系

众所周知，席夫碱（亚胺）对酸敏感，而多数金属离子在酸性条件下才可避免形成金属氢氧化物沉淀。由于化合物6及7结构中存在亚胺，本文研究了化合物6、7在不同pH体系中的紫外吸收光谱（UV 谱），结果见图4（a）和图4（b）。

图4 （a）化合物6和（b）化合物7在不同pH体系中的紫外吸收光谱（C=0.01 mmol·L-1）Fig.4 UV spectra of compound 6（a）and 7（b）at different pH（C=0.01 mmol·L-1）

图4（a）表明，化合物6的UV谱在pH为1～12范围内基本不受影响；图4（b）则表明，化合物7的UV谱在pH为1～10范围内也基本不受溶液pH影响，但过高的pH，如pH＞10，其UV谱的峰形和峰位（λ）出现明显变化，λ出现明显红移，分析原因，可能是由于化合物7 的游离酚羟基形成酚氧负离子，存在烯酮共振杂化体造成的（见图5）。

图5 pH＞10溶液中的化合物7分子Fig.5 A compound 7 molecule in solution with pH＞10

2.3.2 化合物6、化合物7对11种金属离子的识别

在化合物6 和7 的DMF 溶液中加入所研究的11 种金属离子并在25℃下恒温振荡5 h 后，它们的UV 谱见图6（a）和图6（b）。

图6 部分金属离子对化合物6（a）和7（b）紫外吸收光谱的影响Fig.6 Effects of metal ions on UV spectra of compounds 6 and 7

图6（a）表明，与11 种金属离子作用后，化合物6 的UV曲线的峰形和峰位无明显变化，但吸收强度都明显降低。与化合物6 在λ处的吸收强度相比，化合物6 与Cd、Pb和Mg作用后，吸收强度下降约50%。由图6（b）可知，与各金属离子作用后，化合物7的UV谱峰形无明显变化，吸收强度都明显降低。与化合物6不同的是，化合物7与K、Mg、Zn、Cd、Cu、Ni、Pb、Co和La等金属离子作用后，其λ红移了15～20 nm。以上结果表明，化合物6和7与所研究的金属离子之间具有较强的相互作用，推测化合物6和7结构中存在多个空腔及多个可与正离子结合的位点如含氧的羟基、羰基，含氮的亚胺、酰肼氨基等。不同离子半径及带有不同电荷的金属离子都能“找到”适合自己的结合位点，这样，化合物6和7就丧失了对特定金属离子的识别选择性，却提高了它们与众多金属离子作用的广谱性。因此，化合物6和化合物7可作为金属离子萃取剂，用于富集低浓度的金属离子。

2.3.3 化合物7对Cd的作用

以上研究表明，化合物7 与某些金属离子作用后，其UV 谱的吸收强度降低且λ发生红移。为了解λ红移的情况，本文以Cd为例，研究化合物7（0.05 mmol/L）与浓度分别为0.002～2.0 mmol/L 的Cd作用后，UV谱的变化，结果见图7（a）。图7（a）表明，当Cd浓度为0.002 mmol/L 和 0.02 mmol/L 时，其 UV 谱与化合物 7 母体的吸收曲线重合；当 Cd浓度为0.2 mmol/L 时，λ处吸收强度明显降低，而当Cd浓度为2.0 mmol/l 时，λ发生红移且吸收强度也略低于前者。分析认为，在浓度低于0.02 mmol/L 的Cd中，化合物7与Cd基本无相互作用，或作用力弱；当Cd浓度提高到0.2 mmol/L 及以上，化合物7与Cd的相互作用充分显示出来。

为进一步了解浓度在0.02～0.2 mmol/L范围内Cd对化合物7的UV谱影响，研究了化合物7（0.05 mmol/L）与浓度在0.02～0.2 mmol/L范围内的Cd作用后，UV谱的变化，结果见图7（b）。图7（b）显示，在所研究的Cd浓度区间内，UV谱与化合物7母体的吸收曲线峰形及峰位相同，仅λ的吸收强度随Cd浓度升高而逐步降低。由此推测，在浓度0.02～0.2 mmol/L范围内，化合物7与Cd的作用位点相同；当Cd的浓度继续升高到0.2 mmol/L以上，化合物7中因结合Cd致使吸收强度降低的位点基本饱和，Cd则结合到另一可造成UV谱中λ红移的位点上。化合物7与Cd的作用位点的相关信息，还有待于进一步研究。

图7 不同浓度Cd2+对化合物7紫外光谱的影响Fig.7 Effect of concentrations of Cd2+on UV spectra of compounds 7

3 结论

（1）本文设计合成的双氨基及双甲酰基杯[4]芳烃衍生物经分子间缩合，获得两个新的双杯[4]芳烃衍生物化合物6和化合物7。

（2）体系pH 为 1～12 时不影响化合物6 的紫外吸收光谱，但化合物7 的紫外吸收光谱在pH＞10 时出现明显变化。

（3）在化合物6、7 中存在多个可与11 种金属离子作用的活性位点，对这些金属离子都具有相互作用，但没有识别选择性，可作为金属离子萃取剂，用于富集低浓度的多种金属离子。