有机化学课程专题讲座 环蕃化学 Cyclophane Chemistry.

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1 有机化学课程专题讲座 环蕃化学 Cyclophane Chemistry

2 第一节 环蕃化合物的定义、命名和结构 第二节 小环环蕃化合物的合成 第三节 小环环蕃化合物的化学性质 第四节 四氮杂环蕃的合成 第五节 四氮杂环蕃酶催化作用的模拟

3 第一节 环蕃化合物的定义、命名和结构 1.1 环蕃化合物的定义和命名
第一节 环蕃化合物的定义、命名和结构 1.1 环蕃化合物的定义和命名 环蕃( Cyclophane, 简称CP )最初的定义是指桥联的苯环化合物。 [2.2] (1,4) 环蕃 [2.2] (1,4) Cyclophane

4 环蕃(Cyclophane)化合物

5 环蕃(Cyclophane)化合物

6 环蕃(Cyclophane)化合物的命名
[2.2] (1,4)环蕃 ([2.2](1,4)CP） [2.2] (1,2)环蕃 ([2.2](1,2)CP） syn- [2.2] (1,3)环蕃 （[2.2](1,3)CP） anti - [2.2] (1,3)环蕃 （[2.2](1,3)CP） 名称中，方括号里的数字分别表示每个桥上的原子数， 圆括号里的数字表示芳环上的取代位置。 有的环蕃化合物存在顺反异构体。

7 环蕃(Cyclophane)化合物的命名
[26] (1,2,3,4,5,6)环蕃 三层结构的环蕃 [2.2](2,5)呋喃环蕃 [2.2](2,5)噻吩对环蕃 连接苯环的桥的数目可以是2个，也可以是3-6个。 如果环蕃分子中每个桥的原子数相同，可以表示为[Mn]， 其中M代表桥原子数，n代表桥的个数。 桥联的苯环可以是两个，也可以是多个。 除桥联苯环外，还有桥联的杂环非苯芳香族化合物。

8 环蕃(Cyclophane)化合物的命名
[2.2](1,4)环蕃（[2.2](1,4)CP） 1,8,22,29-四氮杂[ ]对环蕃(CP66) 根据分子内空腔的大小，环蕃化合物可分为小环环蕃和大环 环蕃。 桥原子除碳原子以外，也可以是其它杂原子，常见的有N、S、 O等杂原子。

9 1. 2 环蕃化合物的结构特征 小环环蕃的结构特征之一：小环环蕃两个苯环的π电子体系互相重叠交盖，形成一个新的完整的π电子体系，即小环环蕃有一种跨环电子效应。 [2.2] (1,4) 环蕃

10 小环环蕃的结构特征之二：小环环蕃的苯环不同程度地发生了变形。由单晶χ射线分析证实，[2
小环环蕃的结构特征之二：小环环蕃的苯环不同程度地发生了变形。由单晶χ射线分析证实，[2.2](1,4)环蕃分子中，两个苯环不再保持平面构型，而变成船式构象。 Side profile views of [22](1,4)cyclophane, as determined by single crystal, x-ray analysis (Bickelhaupt, F., Pure Appl. Chem., 1990, 62:373).

11 大环环蕃的结构特征：大环环蕃化合物分子中有相当大小的分子内空腔。这个结构特征给予大环环蕃一个显著而重要的性质，即一个外来的分子能够进入大环环蕃的分子内空腔而形成一个包结络合物，从而使大环环蕃具有酶的某些性质。 1,8,22,29-四氮杂[ ]对环蕃(CP66)

12 第二节 小环环蕃化合物的合成 2.1 Wurtz合成法
第二节 小环环蕃化合物的合成 2.1 Wurtz合成法 Wurtz偶合反应是用于制备环蕃化合物最早的方法。例如Cram等合成的[2.2](1,4)环蕃：

13 2.2 Hofmann消除法 CH3CH2CH2N+(CH3)3 OH CH3CH = CH N(CH3)3 +H2O 原子利用率不高。

14 Hofmann类型的1,6-消除反应广泛用于各种环蕃化合物的合成。

15 Multilayered cyclophanes, with up to six layers, have been prepared and show considerable π-electron delocalization throughout the molecule .

16 2.3 二卤代烃与二硫醇偶合法 这一方法也可以用来合成多桥联的硫杂环蕃：
二卤代烃与二硫醇在碱的作用下偶合环化，可以得到二硫杂环蕃，二硫杂环蕃脱硫转变为环蕃化合物，是合成环蕃化合物的一种简便方法。 这一方法也可以用来合成多桥联的硫杂环蕃：

17 2.4 环加成法 具有6桥联结构的环蕃化合物(1,2,3,4,5,6)环蕃经过10步反应合成成功：

18 总收率为4％

19 第三节 小环环蕃化合物的化学性质 3.1 环张力和桥的自由基裂解 [2n]环蕃的许多化学性质是与张力能的作用有关的。

20 3.2 Diels-Alder反应 一般的苯环是不能作为双烯体系与亲双烯体系发生Diels-Alder反应的，而[2n]环蕃化合物中的苯环却可以作为双烯体系发生Diels-Alder反应，反应的结果使环蕃的环张力减小。

21 3.3 亲电取代反应 Cram等人对[2.2](1,4)环蕃的反应做了广泛的研究，发现一些典型的亲电取代反应，如溴化、硝化、Friedel-Crafts酰化反应都容易发生。

22 3.4 还原反应 Cram等人发现，[2.2](1,4)CP催化加氢非常容易，可以在室温下进行：

23 [2.2]环蕃的Birch还原反应也非常容易发生。[2.2](1,4)环蕃的Brich还原产物具有交叉二烯结构：

24 3.5 卡宾加成 [2n]环蕃化合物用重氮甲烷处理，可发生卡宾加成反应。

25 3.6 过渡金属络合物 Cram等人发现[2.2](1,4)环蕃容易与六羰基铬作用生成络合物：

26 Bennett等人制备得到多种环蕃-钌络合物：

27 The preparation of cyclophane-metal complexes.
这样的络合物出现后，人们试图以环蕃作为单体，用过渡金属络合，得到一种环蕃聚合物。但实验发现，两分子的环蕃金属络合物容易得到，而三分子以及三分子以上的环蕃络合物不容易得到。 环蕃金属聚合物

28 环蕃金属聚合物的合成路线

29 第四节 四氮杂环蕃的合成 The synthesis of tetraazacyclophanes
第四节 四氮杂环蕃的合成 The synthesis of tetraazacyclophanes Macrocyclic tetraazacyclophane is a unique class of compounds found in the studies of host-guest chemistry. A considerable variation of cyclophane's structure makes it easy to prepare modified macrocyclic host molecules for very specific interaction with certain guest molecules. 1,8,22,29-tetraaza[ ]paracyclophane(CP66) The modification to these compounds, e.g., adjustment of the macroring's shape and size or introduction of active groups may provide ideal model for enzyme-like catalysis.

30 CP66的1H NMR和13C NMR实验数据：1H NMR(δ): 6. 92-6. 48 (q,16H,芳环H),3
CP66的1H NMR和13C NMR实验数据：1H NMR(δ): (q,16H,芳环H),3.74 (s,4H, 2ArCH2Ar),3.07 (t,8H, 4NCH2), 1.58(m，8H，4 NC-CH2 )，1.39 (m，8H，4NC-C-CH2 )。 13C NMR (δ)：146.5(C-9)，130.8(C-11)，129.5(C-12)，112.9(C-10)，43.9(C-2)，40.1(C-15)，29.1 (C-3)，26.4(C-4)。 4.1 四氮杂环蕃化合物(CPnn)的合成 6 L的三口烧瓶，DMF 4.5 L、碳酸钾0.4 mol、1,6-二溴己烷0.1 mol、N,N‘-二对甲苯磺酰基-4,4＇-二氨基二苯甲烷0.1 mol，室温搅拌72 h。两步产率34.8％。

31 High dilution techniques
Macrocycle synthesis reactions carried out at high dilution favour cyclization over polymerization and can produce high yields of macrocyclic products. Scheme 2.1 Cryptands are synthesized using high dilution techniques.

32 High dilution techniques:
At high concentration polymerization reactions dominate. The probability of a molecule meeting a second molecule decreases as the concentration decreases; therefore, the more dilute the solution, the better the ratio of macrocycle to polymer. The high dilution method is used in the synthesis of macrocyclic compounds. Typical high dilution reactions involve milligrams or tens of milligrams of reactants in solvent volumes of the order of litres. In a typical high dilution synthesis, solutions of each component are slowly added dropwise to a large volume of solvent, keeping the concentration of the intermediate low.

33 4.2 四氮杂环蕃化合物的修饰

34 The synthesis of ferrocenesulfonyl tetraazacyclophanes
二茂铁磺酰基四氮杂对环蕃的合成 The synthesis of ferrocenesulfonyl tetraazacyclophanes 环蕃仿酶体系中引进了二茂铁磺酰基，通过对环蕃化合物的修饰，实现其对底物的多部位包结和多重识别，更好地模拟酶的识别和催化功能，提供高效率和高选择性的桥联环蕃模拟酶新模型。

35 4.3 桥联四氮杂环蕃的合成 Synthesis of dibridged macrocyclic tetraazacyclophanes
4.3 桥联四氮杂环蕃的合成 Synthesis of dibridged macrocyclic tetraazacyclophanes Shi Zhen, Synthetic Communications, 1997, 27 (13): 2235～2239

36 具有网状桥联结构的四氮杂环蕃化合物 Shi Zhen, 2nd International Symposium on Macrocyclic Ligands for the Design of New Materials, Argentina, 1994,

37 新型桥联仿酶环蕃化合物的合成 Synthesis of new bridged tetraazacyclophanes

38 桥联仿酶环蕃化合物的合成路线

39 桥联仿酶环蕃化合物的合成路线

40 立方形环蕃 的合成 Urushigawa,T.I.,Yoshino,T., Bull.Chem.Soc. Jpn., 1971,44: 2546

41 第五节 四氮杂环蕃酶催化作用的模拟 5.1 四氮杂环蕃的包合作用
第五节 四氮杂环蕃酶催化作用的模拟 酶催化反应具有极高的效率和高度的选择性。酶催化作用的模拟，是一个富有挑战性的研究领域，激发着化学家尤其是生物有机化学家浓厚的兴趣。 5.1 四氮杂环蕃的包合作用 水溶性四氮杂环蕃分子中的两个苯环和亚甲基可以形成疏水的空腔. Computer-optimized structure of the cyclophane(CP66)

42 Computer-optimized structure of the cyclophane(CP66) and most probable inclusion complex geometry(B), (C) with naphthalene as representative substrate for pseudoequatorial inclusion.

43 The first example of inclution within a cyclophane cavity was obtained by Koga and co-workers. Durene was deeply included within the cyclophane cavity. Binding studies were carried out in acidic aqueous solution. Cyclophane binds apolar guests such as 1,2,4,5-tetramethylbenzene (durene) CP44的均四甲苯包结物的晶体结构

44 四甲基-2,11,20,29-四氮杂[3.3.3.3]对环蕃与有机分子，如苯、氯仿、二氯甲烷等可以形成1:1的固体主-客络合物.

45 立方环蕃可以与有机溶剂分子，例如氯仿和苯形成稳定的1:1的主-客络合物。与氯仿形成的络合物很稳定，在100℃/13
立方环蕃可以与有机溶剂分子，例如氯仿和苯形成稳定的1:1的主-客络合物。与氯仿形成的络合物很稳定，在100℃/13.33 Pa条件下加热4h，氯仿也不挥 发。

46 Diederich等人合成了环蕃型的水溶性大环主体，可以对稠环芳烃作选择性分离，具有分子识别能力:

47 无苯合成时产率仅为4％，苯存在时为23％。影响产率的原因是苯可以形成包结物，对合成具有模板效应。

48 5.2 环蕃化合物的酶模拟 催化苯基丙酮酸转变为相应的α-氨基酸的反应速度是吡哆胺的31倍，对疏水性较强的苯基丙酮酸有选择性，催化活性比相应的β-CD还高。

49 环蕃化合物的酶模拟 胰凝乳蛋白酶是哺乳类动物胰腺分泌的一种蛋白水解酶，环蕃模拟胰凝乳蛋白酶的研究已有报道。 一些功能化的环蕃化合物可以使酯的水解得到加速，实现了酶催化酯水解过程的模拟。 一些环蕃化合物在水溶液中，可以形成维生素B12全酶模型，加快反应速度。 环蕃化合物在模拟转氨酶、细胞色素P-450酶等方面的研究工作也有报道，已经成功地对这些酶进行了部分模拟，显示出了比较好的催化活性。

50 参考文献 1.Bickelhaupt,F., Pure Appl. Chem., 1990, 62:373
2.Schneider, H.J., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1991,30:1417 3.Urushigawa,T.I.,Yoshino,T., Bull.Chem.Soc. Jpn., 1971,44: 2546 4.Odashima,K.,Itai,A.,Iitaka,Y., J. Am. Chem. Soc., 1980,102: 2504～2505 5Murakami,Y.,Kikuchi, J., Pure and Appl. Chem. Soc., 1980, 60: 549～554 6.Diederich,F., J. Chem. Ed., 1990, 67:813 7.Diederich,F.,Dick,K., J. Am.Chem.Soc., 1984, 106: 8024～8036 8.Saigo,K., Lin,R., Kubo,M., J. Am. Chem. Soc., 1986, 108: 1996 9.Breslow,R.,Czarnik,A.W.,Lauer,M.,J. Am.Chem.Soc.,1986, 108:1969 10.Cram, D.J.,Steinberg, H.J., J.Am.Chem.Soc., 1951,73: 5691 11.Otsubo,T.,Tozuka,Z.,Mizogami,S., Tetrahedron Lett., 1972: 2927 12.Mizogami,S., Otsubo,t., Sakata,Y., Tetrahedron Lett., 1971: 2791 13.Bruhin,J.,Jenny,W., Tetrahedron Lett., 1973:1215 14.Adams,S.P.,Whitlock, J. J. Am. Chem. Soc., 1982,104:1602 15.Hopf,H., Lenich,F.T., Chem. Ber., 1974, 107:1891 16.Gray,R.,Harruff,L.G.,Krymowski,J.,J. Am.Chem.Soc.,1978, 100:2892 17.Sekine,Y., Boekelheide,V., J. Am. Chem. Soc., 1981, 103: 1777 18.Gorham,W.F., J. Polym. Sci., Part A-1, 1966,4:3027