張來新，趙衛(wèi)星，楊瓊，馮國棟

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工系，陜西 寶雞 721013)

蓬勃發(fā)展的冠醚化學(xué)*

張來新，趙衛(wèi)星，楊瓊，馮國棟

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工系，陜西 寶雞 721013)

簡要介紹了冠醚的結(jié)構(gòu)、性能，冠醚化學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用。重點介紹了:①新型冠醚及其金屬配合物的合成;②新型冠醚的選擇性絡(luò)合及其自組裝;③新型冠醚的絡(luò)合作用及催化作用。并展望了其廣闊的應(yīng)用前景。

冠醚;配合物;應(yīng)用

1967年美國杜邦公司的佩德森(Pedorson)教授首次合成并發(fā)現(xiàn)的大環(huán)化合物結(jié)構(gòu)酷似西方國家國王戴的王冠，故俗稱王冠醚，后叫冠醚。由于這類大環(huán)化合物的環(huán)可大可小，可為球狀窩穴體，因之賦予其選擇性絡(luò)合分子離子的能力。并具有使無機(jī)鹽溶于有機(jī)溶劑及類似酶功能的特性，故在動物植物體內(nèi)有傳送離子的特性，使其與天然離子載體有著驚人的相似性。四十余年來，科學(xué)家不僅對這類化合物的合成及特性進(jìn)行了廣泛深入的研究，而且對它在有機(jī)合成、高分子合成、分析化學(xué)、配位化學(xué)、萃取化學(xué)、金屬及同位素分離、光學(xué)異構(gòu)體的拆分、酶模擬、生物化學(xué)、生物物理、原子能化學(xué)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)及國防建設(shè)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛而深入的研究［1］，并在同位素分離和酶模擬等方面已取得了可喜的研究成果。目前已成為一門蓬勃發(fā)展的新興邊緣性科—冠醚化學(xué)。因此冠醚化學(xué)作為一門植根深遠(yuǎn)的新興邊緣學(xué)科，亦是許多新興領(lǐng)域，諸如主客—體化學(xué)、包合物化學(xué)、離子載體、環(huán)糊精化學(xué)、離子對萃取、相轉(zhuǎn)移催化等方面的主體化合物［2］。在進(jìn)入21世紀(jì)以后，由于冠醚化學(xué)研究的迅猛發(fā)展，現(xiàn)今已滲透到熱點領(lǐng)域環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等重要學(xué)科。

1 新型冠醚及其金屬配合物的合成

1.1 苯并噻唑基修飾的開鏈冠醚的設(shè)計與合成

開鏈冠醚與環(huán)狀冠醚性質(zhì)類似，對各種金屬離子也有配位作用，但開鏈冠醚的合成克服了環(huán)狀冠醚合成困難、產(chǎn)率低、成本高、毒性大等缺點，并在金屬的富集、萃取分離、化學(xué)傳感器、不對稱催化以及在有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)藥學(xué)和農(nóng)業(yè)等方面彰顯出了優(yōu)越的性能，是當(dāng)今化學(xué)中嶄新而十分活躍的領(lǐng)域之一。河北工業(yè)大學(xué)的楊林等人以一縮二乙二醇、二縮三乙二醇、香草醛、氨基苯硫酚等物質(zhì)為原料，合成了兩種苯并噻唑基修飾的開鏈冠醚［3］，期望能在分析分離科學(xué)、化學(xué)傳感器及不對稱催化等方面得到應(yīng)用。

1.2 錳9－冠－3金屬冠醚的合成

近年來，金屬冠醚已成為配位化學(xué)研究的熱點。金屬冠醚是在結(jié)構(gòu)和功能上與有機(jī)冠醚類似的一類金屬大環(huán)化合物，但金屬冠醚還具有有機(jī)冠醚所沒有的一些特性，如:光學(xué)性質(zhì)、磁性、生物活性等。楊杰等人用水楊醛肟與Mn(OAc)2·4H2O反應(yīng)制得了金屬冠醚［Mn6O2(Sao)6(N3)2(CH3OH)3(H2O)］2CH3OH·H2O【4】。并通過紅外光譜和 χ—射線單晶衍射等表征，證明分子間通過C—H…O之間的相互作用形成二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該研究將給力于材料科學(xué)和生命科學(xué)的應(yīng)用研究中。

1.3 噸酮冠醚類配體稀土配合物的合成

噸酮冠醚是近年來化學(xué)家發(fā)現(xiàn)和研究的冠醚新成員和熱點。其原因不僅是噸酮衍生物天然產(chǎn)物的優(yōu)勢使其具有良好的生理活性和藥理效能，而且噸酮母環(huán)具有良好的共軛性和平面性，可作為熒光發(fā)色團(tuán)，使其有可能敏化稀土發(fā)光，作為熒光傳感器用于識別金屬離子的研究。為了得到結(jié)構(gòu)新奇且熒光性能優(yōu)良的稀土配合物，何文杰等人設(shè)計合成了新型噸酮冠醚類配體 L1、L2及其稀土(Pr3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+)和高氯酸鹽(在腈或者DMF中)形成的配合物［5］，期望能在材料科學(xué)和生命科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.4 氮雜冠醚Schiff堿的合成

Schiff堿過渡金屬配合物作為生物載體的模型分子，能可逆地鍵合和富集O2。將功能分子冠醚化，設(shè)計合成性能更為優(yōu)異的人工酶模型，是近年來仿生化學(xué)和冠醚化學(xué)研究的熱點之一。將冠醚引入Schiff堿配體，利用氮雜冠醚的空間構(gòu)型和更為靈活多變的鍵連方式，能更有效地提高活性中心的載氧能力和仿酶催化性能。為此李建章等人用氮雜冠醚取代的水楊醛衍生物在N2保護(hù)下與乙二胺或鄰苯二胺作用，合成了氮雜冠醚取代雙Schiff堿［6］，期望能在仿生化學(xué)、分子催化、材料科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.5 二茂鐵大環(huán)冠醚的合成

作為第一代超分子主體的冠醚化合物則以其對金屬離子的選擇性絡(luò)合和分子自組裝方式在超分子領(lǐng)域凸顯出廣闊的應(yīng)用前景。近年來，具有氧化還原活性中心的大環(huán)配體性質(zhì)的研究已取得實質(zhì)性進(jìn)展。這一體系可以通過活性中心以外的部分和客體絡(luò)合物而影響氧化還原中心的電子性質(zhì)，以達(dá)到檢測分子絡(luò)合能力的目的。也可以用電化學(xué)手段改變氧化還原中心性質(zhì)而達(dá)到調(diào)節(jié)分子與客體的絡(luò)合。王偉等人以1，1－二茂鐵二甲醇和鄰苯二酚多元醚為原料合成了含有二茂鐵的大環(huán)冠醚［7］，期望能在材料科學(xué)和生命科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.6 三碟烯三冠醚的模板大環(huán)的合成

模板合成大環(huán)化合物一直是超分子化學(xué)研究的熱點。而三碟烯由于其高度對稱、剛性的結(jié)構(gòu)特點很適合作為模板來合成大環(huán)物。中科院的張超等人首先利用三碟烯醚與二芐胺鹽作用生成三－2－準(zhǔn)輪烷，然后通過烯烴復(fù)分解反應(yīng)高效的得到了假［4］索烴。再后將假［4］－索烴用三溴化硼將冠醚水解，高產(chǎn)率得到由三個二芐胺鹽片段構(gòu)成的用其它方法難以直接合成的新型大環(huán)化合物［8］。該研究將在合成一些新型大環(huán)化合物中得到應(yīng)用。

2 新型冠醚選擇性絡(luò)合及其自組裝研究

2.1 新型含吡啶基冠醚的合成及與百草枯絡(luò)合研究

自從Peclerson于1967年首次合成冠醚并發(fā)現(xiàn)它能選擇性與堿金屬配合后，主客體化學(xué)得到了蓬勃發(fā)展，尤其是那些能夠自組裝形成互鎖結(jié)構(gòu)的識別體系。冠醚類主體已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于超分子自組裝和機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的制備。但到目前為止，能夠有效地用于制備機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的超分子體系較為有限。故發(fā)展新型主體和有效地識別機(jī)理仍是一項長期而艱巨的任務(wù)。為此李世軍等人以2，6－雙(對甲苯磺酰氧甲基)吡啶與二甘醇在四氫呋喃中且在NaH作用下直接進(jìn)行2+2關(guān)環(huán)反應(yīng)得到一個新型吡啶基冠醚－雙吡啶基30－冠－10(DP30C30)【9】，并研究了它與百草枯衍生物的絡(luò)合自組裝作用，期望能在生命科學(xué)、農(nóng)藥、環(huán)境科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)上得到應(yīng)用。

2.2 苯并18－冠－6修飾的二萘嵌苯的堆積及其離子鍵合作用

苝酰亞胺衍生物由于其獨特的性質(zhì)，特別是可以通過強(qiáng)的π－π堆積作用自組裝形成納米超分子組裝體而備受關(guān)注。冠醚作為一類重要的超分子大環(huán)主體，由于其易修飾性及其對陽離子客體獨特的鍵合能力而備受青睞。江山等人設(shè)計合成了苯并18-冠-6修飾的二萘嵌苯衍生物(苝亞胺衍生物類)［10］，并研究了它在不同溶劑中的堆積行為及其對金屬離子的選擇性鍵合行為，期望能在環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.3 卟啉修飾冠醚環(huán)的合成及自組裝

冠醚化合物作為第一代主體化合物，特別是二芳基冠醚由于其結(jié)構(gòu)中具有負(fù)電子的芳基單元和容易形成氫鍵的烷氧基單元而被廣泛用于自組裝領(lǐng)域，近年來該領(lǐng)域的研究一直方興未艾。多種帶有特殊功能團(tuán)結(jié)構(gòu)的冠醚化合物已被合成，并應(yīng)用于構(gòu)筑輪烷、類輪烷、聚輪烷和索烴等分子體系。卟啉類化合物作為電活性或光活性基團(tuán)被引入到分子機(jī)器中，大多數(shù)都被當(dāng)做阻擋基團(tuán)，很少用于構(gòu)成大環(huán)化合物。曹晶晶等人分別采用無金屬卟啉和金屬鋅配位的卟啉對苯并24－冠－8進(jìn)行修飾而合成了一類(2種)新型冠醚大環(huán)化合物，光譜分析表明經(jīng)過修飾后的冠醚分子具備卟啉獨特的光電性質(zhì)，即具有優(yōu)良的光電性質(zhì)。采用含有4，4’－聯(lián)吡啶和二茂鐵單元的客體分子與之組裝形成了類輪烷體系［11］，期望能在材料科學(xué)、生命科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.4 兩親性冠醚化合物的合成及其自組裝

冠醚化合物可根據(jù)其醚環(huán)的空穴大小和環(huán)上取代基的差異，選擇性地絡(luò)合不同直徑的金屬離子，通過冠醚化合物的改性可以制成對特定離子有識別功能的選擇器。隨著對冠醚識別金屬離子性能研究的深入，將冠醚類物質(zhì)與高分子聚合物結(jié)合，合成能自組裝形成兩親性冠醚化合物，并制得具有特殊離子識別性能的離子通道膜已成為新的研究熱點。為了模擬生物膜中離子通道的功能，唐橙橙等人采用4－羥基苯并15冠5、沒食子酸甲酯和1－溴十二烷等物質(zhì)為原料，制備了一種兩親性冠醚化合物［12］，這種兩親性化合物能夠以苯并15冠5結(jié)構(gòu)為自組裝中心，形成帶有離子通道的柱狀結(jié)構(gòu)。研究表明Na+可以在其自組裝形成的柱狀通道中跳躍性的運輸，呈現(xiàn)出與生物體內(nèi)細(xì)胞膜雙磷脂層上Na+離子通道類似的功能和驚人的相似性。將這種冠醚化合物接枝到聚碳酸酯核孔膜的表面，可構(gòu)筑一種新型仿生Na+離子通道膜，該仿生離子通道膜有望應(yīng)用于金屬鹽溶液提純、離子選擇電極和化學(xué)傳感器的制備，在環(huán)境科學(xué)、分析化學(xué)以及生命科學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

3 新型冠醚的絡(luò)合作用及催化作用

3.1 新型水溶性杯［4］-1，3-氮雜冠醚衍生物的合成及其催化性能研究

杯芳烴是繼環(huán)糊精和冠醚之后的第三代超分子主體化合物，與環(huán)糊精和冠醚相比，杯芳烴更易于進(jìn)行化學(xué)修飾，衍生出各種具有特異功能的衍生物，故在化學(xué)物質(zhì)的分離萃取、毛細(xì)管電泳、色譜分析、模擬酶及催化方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。由于水溶性杯芳烴衍生物可以在水溶液體系中與客體相互作用，故在有機(jī)物分離、污水處理、相轉(zhuǎn)移催化等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。為此，張筱逸等人以杯［4］芳烴與N’N-亞乙基雙(2-氯乙酰胺)反應(yīng)制得了杯［4］-1，3-氮雜冠醚衍生物，后經(jīng)濃硫酸磺化合成了新型水溶性杯［4］-1，3-氮雜冠醚衍生物，研究表明其水溶性氮雜冠醚衍生物作為反相轉(zhuǎn)移催化劑對氯化芐和硫氰酸鉀親核取代反應(yīng)有一定的催化活性［13］。

3.2 新型固載化冠醚二苯并-18-冠-6在苯甲酸丁酯合成反應(yīng)中的相轉(zhuǎn)移催化作用

冠醚的固載化已有報道，但將固載化冠醚用于相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)的報道較少。由于小分子冠醚化合物有毒性，而冠醚的大分子化可消除其毒性，因此，從提高相轉(zhuǎn)移催化劑的效率和降低其毒性方面考慮，冠醚的大分子固載化顯得尤為重要。王世偉等人在交聯(lián)聚乙烯醇(CPVA)微球表面固載冠醚二苯并-18-冠-6(DB18C6)，從而制得了三相相轉(zhuǎn)移催化劑DB18C6-CPVA，研究表明此三相相轉(zhuǎn)移催化劑對苯甲酸鉀與溴代正丁烷的酯化反應(yīng)有優(yōu)良的催化活性［14］。且此催化劑可循環(huán)使用8次。故該催化劑的優(yōu)點是:①安全環(huán)保;②催化活性高;③成本消耗低。

3.3 金屬銅配合物Cu(Ⅱ)噸酮冠醚的體外抗腫瘤作用

金屬配合物順式二氯二氨合鉑自1969年通過實驗確定具有抗腫瘤活性，故在1978年被批準(zhǔn)用于臨床治療睪丸腫瘤和卵巢癌，現(xiàn)已成為世界上癌癥治療應(yīng)用最為廣泛的3種抗癌藥物之一。但由于鉑類配合物的嚴(yán)重毒性和耐藥性，以及銅配合物的良好抗腫瘤活性，金屬銅配合物成為無機(jī)抗癌配合物的研究熱點。白巖張小郁等人以銅為核心合成了一系列金屬銅配合物，他們的研究表明，其中合成的Cu(Ⅱ)噸酮冠醚在體外有較好抗腫瘤活性，特別對卵巢癌有較高的選擇性，有望成為治療卵巢癌的特效藥［15］。

綜上所述，冠醚化學(xué)作為一門新興的邊緣學(xué)科在21世紀(jì)的研究中得到了日新月異的蓬勃發(fā)展，目前已滲透并廣泛應(yīng)用于21世紀(jì)的熱點學(xué)科:生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)及藥物學(xué)。我們堅信，隨著世界科學(xué)家對其研究的日益深入，冠醚化學(xué)必將為人類文明進(jìn)步再創(chuàng)輝煌。

［1］小田良平，莊野利之，田伏巖夫編，楊季秋，彭第基譯.王冠醚化學(xué)［M］.北京，原子能出版社，1985:1－10.

［2］吳成泰，盛懷禹，黃樞，等著.冠醚化學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，1992，1－5.

［3］楊林，楊延琴，段中余.苯并噻唑基修飾的開鏈冠醚的設(shè)計與合成［J］.全國第十五屆大環(huán)化學(xué)暨第七屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集，重慶西南大學(xué)，2010年10月:7－8.

［4］楊杰，李大成，竇建民，等.錳9－冠－3金屬冠醚的合成與晶體結(jié)構(gòu)［J］.全國第十五屆大環(huán)化學(xué)暨第七屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集，重慶西南大學(xué)，2010年10月:5－6.

［5］何文杰，潘效波，姚利輝，等.噸酮冠醚類配體稀土配合物的合成、結(jié)構(gòu)及熒光性質(zhì)研究［J］.全國第十五屆大環(huán)化學(xué)暨第七屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集，重慶西南大學(xué)，2010年10月:3－4.

［6］李建章，楊柱柱，魏磊，等.氮雜冠醚Schiff堿的合成與表征［J］.全國第十五屆大環(huán)化學(xué)暨第七屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集，重慶西南大學(xué)，2010年10月:14－16.

［7］王偉，田霞，甄小麗，等.二茂鐵大環(huán)冠醚的合成［J］.全國第十五屆大環(huán)化學(xué)暨第七屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集，重慶西南大學(xué)，2010年10月:20－21.

［8］張超，陳傳峰.基于三碟烯三冠醚的模板大環(huán)合成［J］.全國第十五屆大環(huán)化學(xué)暨第七屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集，重慶西南大學(xué)，2010年10月:24－25.

［9］李世軍，翁官歡，鄭波，等.新型含吡啶基冠醚的合成及與百草枯絡(luò)合研究［J］.全國第十五屆大環(huán)化學(xué)暨第七屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集，重慶西南大學(xué)，2010年10月:32－33.

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［11］曹晶晶，馬驤.卟啉修飾冠醚環(huán)的合成、性能及自組裝應(yīng)用［J］.化學(xué)通報，2011，74(1):78－81.

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Flourishing Development of Crown Ether Chemistry

ZHANG Lai-xin，ZHAO Wei-xing，YANG Qiong，F(xiàn)ENG Gou-dong
(Chemistry＆ Chemical Engineering Department，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，Shanxi，China)

This paper introduces generation，recent development，and applications in crown ether chemistry.The structure features and characteristics of various new-type crown ethers are reviewed emphasizing on the subjects of synthesis，metal complex synthesis，selective complexation，self-assembly，complexation，and catalysis.Future applications are prospected with the expectation of more significant developments.

crown ether;complex;application

O643

2011－05－26

陜西省植物化學(xué)重點實驗室基金資助課題(09JS066);陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助課題(04JK147);寶雞文理學(xué)院自然科學(xué)基金資助課題(zk1017)