王海英 趙紅霞

摘 ? ? ?要：柱[5]芳烴是通過亞甲基橋在五個對苯二酚苯環(huán)對位連接而成的一類高度對稱的大環(huán)分子。該分子為五棱柱形，這種空間排列和由此產(chǎn)生的非平面構(gòu)象賦予了柱[5]芳烴固有手性。綜述了手性柱[5]芳烴的合成及拆分方法，并重點(diǎn)介紹了手性轉(zhuǎn)換及其在金屬有機(jī)骨架（MOF）和不對稱合成中的應(yīng)用。

關(guān) ?鍵 ?詞：柱[5]芳烴;固有手性;手性轉(zhuǎn)換;金屬有機(jī)骨架;不對稱合成

中圖分類號：TQ 460.1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號：1671-0460（2020）02-0384-05

Abstract： Pillar[5]arenes， a class of highly-symmetric macrocycles that resemble pentagonal prisms， consist of five hydroquinone units linked by methylene bridges on para-positions. On account of this spatial arrangement and the resulting non-planar conformations， pillar[5]arenes are inherently chiral. In this paper， the syntheses and resolution of chiral pillar[5]arenes were summarized. Their chiral switching behavior， as well as applications in metal-organic framework （MOF） and asymmetric synthesis， was also highlighted.

Key words： Pillar[5]arenes; Inherent chirality; Chiral switch; Metal-organic framework; Asymmetric synthesis

柱芳烴[1，2]是由對苯二酚或?qū)Ρ蕉用淹ㄟ^亞甲基橋在苯環(huán)的對位連接而成的類似柱狀的大環(huán)主體分子。自2008年柱芳烴[3]首次被報導(dǎo)以來，柱芳烴以其特異的骨架結(jié)構(gòu)，良好的可修飾性和對客體分子的包結(jié)性能引起了化學(xué)工作者的廣泛關(guān)注，已被廣泛應(yīng)用于自組裝、主客體化學(xué)以及機(jī)械互鎖分子等各領(lǐng)域。手性柱芳烴是柱芳烴研究的重要組成部分，同時也成為目前超分子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。研究表明：柱芳烴分子具有固有手性，其兩個互為對映異構(gòu)的構(gòu)象在溶液中通過芳環(huán)翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)快速交換，因而柱芳烴分子表現(xiàn)為外消旋化合物。通過外界的刺激，可改變不同構(gòu)象間的動態(tài)平衡使柱芳烴表現(xiàn)手性特性，或通過引入大位阻基團(tuán)和機(jī)械鍵，阻止異構(gòu)體間的轉(zhuǎn)換，由此產(chǎn)生了一對可分離的對映異構(gòu)體。

由于柱[5]芳烴具有相對穩(wěn)定的構(gòu)象，并且相比于柱[6-10]芳烴具有較高的合成產(chǎn)率，因此柱芳烴的手性研究多集中于柱[5]芳烴。本文系統(tǒng)地綜述了柱芳烴的構(gòu)象特征、合成拆分、手性轉(zhuǎn)換及其在有機(jī)金屬框架和不對稱催化領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 ?柱芳烴結(jié)構(gòu)與構(gòu)象

1.1 ?固有手性柱芳烴

柱芳烴是一種高度對稱的剛性環(huán)狀寡聚物[2]，由對位上的亞甲基橋連接多個（5～10）對苯二酚單元組成。母體柱芳烴存在天然手性：位于亞甲基架橋鄰位的1， 4-取代基使柱芳烴不再具有對稱面或反轉(zhuǎn)中心而呈現(xiàn)固有手性。固有手性[4]化合物沒有手性中心、Cn （n> 2）對稱軸和螺旋軸，不同于一般的中心手性、軸手性和螺旋手性，它是由對稱面缺失引起的特殊平面手性，對手性識別和不對稱催化具有很大的意義。

1.2 ?固有手性柱芳烴絕對構(gòu)型的確定

固有手性柱芳烴可以用P/M來定義其手性（如圖1）[4]：根據(jù)Cahn-Ingold-Prelog順序規(guī)則確定芳環(huán)上緣取代基的優(yōu)先順序，如果組序列按照順時針排列，則認(rèn)為該柱芳烴絕對構(gòu)型為P型（P為positive，順時針）;相反，如果組序列按照逆時針排列，則為M型（M為minus，逆時針）。

1.3 ?柱芳烴構(gòu)象異構(gòu)

構(gòu)造不變情況下化合物單鍵旋轉(zhuǎn)后，原子或者原子團(tuán)相對位置發(fā)生改變，在空間產(chǎn)生不同的排列方式，被稱為構(gòu)象異構(gòu)。與三級胺RRR”N或二級RRHN胺的“氮反轉(zhuǎn)”過程類似，柱芳烴具備流變構(gòu)象與手性翻轉(zhuǎn)性質(zhì)，柱芳烴苯環(huán)繞亞甲基橋翻轉(zhuǎn)，使兩個手性柱芳烴異構(gòu)體之間快速交換。柱[5]芳烴[5]在翻轉(zhuǎn)后形成8個構(gòu)象異構(gòu)體，均為對映異構(gòu)體;柱[6]芳烴[6]形成13個構(gòu)象異構(gòu)體：五種非對映異構(gòu)體、五種對映異構(gòu)體和三種內(nèi)消旋體。

柱[5]芳烴大環(huán)的手性翻轉(zhuǎn)，會受到多種因素的影響，Ogoshi等在這方面做了大量的研究。2010年，他們合成了一系列不同長度烷基鏈修飾的柱[5]芳烴[7]，通過動態(tài)核磁研究證明：隨著烷基取代基長度的增加，柱[5]芳烴構(gòu)象翻轉(zhuǎn)所需克服的能壘也逐漸增加，當(dāng)烷基取代基為十二烷基（1）時（如圖2a），其轉(zhuǎn)換能壘達(dá)到63.2 kJ/mol。由此可知：引入大位阻基團(tuán)可以控制柱芳烴母體上苯環(huán)的轉(zhuǎn)動，增加其翻轉(zhuǎn)所需克服的能壘。

同年，他們發(fā)現(xiàn)[5]：分子內(nèi)氫鍵也可降低柱芳烴母體上苯環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度。他們通過低溫核磁實(shí)驗(yàn)證明分子內(nèi)氫鍵影響了柱[5]芳烴苯環(huán)翻轉(zhuǎn)的速度：-90 ℃時，十甲氧基取代柱[5]芳烴（2）在氘代丙酮中沒有峰的裂分;-60 ℃時，全羥基取代柱[5]芳烴（3）在氘代丙酮中有峰的裂分。同時，受分子內(nèi)氫鍵作用影響，全羥基取代柱[6]芳烴（4）處于最穩(wěn)定狀態(tài)時（如圖2b）：間隔位的苯環(huán)取向相同，兩個取向的苯環(huán)交替存在[6]。Stoddart等人[8]進(jìn)一步證實(shí)了該結(jié)論：A1/A2-對羥基取代柱[5]芳烴（5）的單晶衍射結(jié)構(gòu)（如圖2c）表明其處于最穩(wěn)定的狀態(tài)時，羥基與相鄰分子形成分子內(nèi)氫鍵，羥基取代苯環(huán)與其余所有甲氧基取代苯環(huán)方向相反。Ogoshi等[9]在A1/B2-羥基取代柱[5]芳烴（6）單晶結(jié)構(gòu)（如圖2d）中發(fā)現(xiàn)同樣現(xiàn)象。

除此之外，Ogoshi等[5]還證明柱芳烴空腔絡(luò)合客體分子后，在一定程度上會使其苯環(huán)翻轉(zhuǎn)能壘升高，從而抑制翻轉(zhuǎn)。客體分子正辛基聯(lián)吡啶與十甲氧基柱[5]芳烴（2）形成準(zhǔn)輪烷復(fù)合物，低溫核磁實(shí)驗(yàn)表明：在-30 ℃以下柱芳烴苯環(huán)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動變緩慢，在-60 ℃以下幾乎無變化，苯環(huán)翻轉(zhuǎn)被抑制。

2 ?固有手性柱芳烴的拆分

手性柱芳烴的拆分一直都是科學(xué)工作者關(guān)注的課題。受之前工作的啟發(fā)，Ogoshi等[10]在柱[5]芳烴母環(huán)上引入大位阻基團(tuán)：環(huán)己基甲基，得到十環(huán)己基甲基柱[5]芳烴（7）外消旋體（如圖3a）。

采用手性色譜柱法，首次實(shí)現(xiàn)了柱[5]芳烴對映體的分離，得到兩個對映異構(gòu)體。隨后，他們[11]又使用偶聯(lián)反應(yīng)合成了A1/A2-二聯(lián)噻吩柱[5]芳烴（8）外消旋體（如圖3a），同樣采用手性色譜柱法，拆分得到P型和M型單一構(gòu)型的異構(gòu)體。

除通過上述在柱芳烴母體上直接修飾實(shí)現(xiàn)手性柱芳烴的拆分，還可以利用片段縮合法制備柱芳烴，再通過柱層析得到單一構(gòu)型的柱芳烴。近來，Mohamod等[12]以不對稱（1-芐氧基-4-環(huán)己基甲氧基）苯和1，4-雙（環(huán)己基甲氧基）苯為原料制備了單芐基取代柱[5]芳烴，之后采用鈀/碳催化加氫脫保護(hù)，得到單羥基官能化的柱[5]芳烴（9）。該化合物與手性化合物衍生后生成非對映異構(gòu)體混合物，通過柱層析法分離兩個非對映異構(gòu)體，去除手性基團(tuán)后即可得到兩個單一構(gòu)型的異構(gòu)體（如圖3b）。

以柱芳烴為骨架，通過主客體相互作用形成輪烷，從而確定柱芳烴的絕對立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，也成為了制備其對映體純化合物的一種策略。Ogoshi等[13]于2012年以柱芳烴為輪、吡啶衍生物為軸，利用柱芳烴與吡啶鹽的主客體作用，同時采用點(diǎn)擊反應(yīng)封端合成了[2]輪烷和[3]輪烷（如圖4）。

[2]輪烷是外消旋體，對乙氧基取代柱[5]芳烴環(huán)為（P）型（10）或者均為（M）型（11）。[3]輪烷包括三種異構(gòu)體：柱芳烴環(huán)為（P+P）型（12），（P+M或M+P）型（13），（M+M）型（14）。最后，采用手性色譜柱法，他們成功地分離了[2]輪烷、[3]輪烷的對映異構(gòu)體。

以索烴為基礎(chǔ)的機(jī)械互鎖模型同樣可被應(yīng)用于柱芳烴手性拆分。劉育等[14]使用經(jīng)典的酰胺化反應(yīng)，一步高效地由雙功能化柱[5]芳烴準(zhǔn)輪烷合成機(jī)械自鎖分子，并成功分離得到準(zhǔn)[1]索烴單體（如圖5a）和二聚類索烴（如圖5b）。由于柱[5]芳烴的固有手性，使得索烴單體亦具有固有手性。二聚類索烴由兩個酰胺鏈穿接兩個柱[5]芳烴形成：當(dāng)兩個柱[5]芳烴為相反構(gòu)象（P+M）時，二聚索烴成為內(nèi)消旋體，沒有手性信號;而當(dāng)兩個柱[5]芳烴構(gòu)象為（P+P）或者（M+M）時，二聚索烴也獲得固有手性。這種手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的獲得，將極大地促進(jìn)這類復(fù)雜手性結(jié)構(gòu)在超分子和材料科學(xué)技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用。

3 ?柱芳烴的手性轉(zhuǎn)換

很多主客體絡(luò)合物，通過改變外界的條件可以調(diào)控其組裝形態(tài)，而柱芳烴主客體組裝形態(tài)的改變可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)柱芳烴分子手性的轉(zhuǎn)換。目前，利用柱芳烴自身連接的烷基長鏈或冠醚類長鏈作為客體，通過溶劑、溫度、離子響應(yīng)的方式調(diào)控其組裝形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了柱芳烴異構(gòu)體間的轉(zhuǎn)換（如圖6）。

2013年，Ogoshi等[15]合成了一類由柱[5]芳烴與長鏈烷烴構(gòu)筑的新型雙環(huán)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)[1]索烴，同時利用溶劑效應(yīng)對主客體包結(jié)行為的影響以及主客體絡(luò)合能力的差異，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)[1]索烴手性轉(zhuǎn)換：利用己二氰或者烷基鏈銨鹽在氯仿或甲醇中與柱芳烴結(jié)合能力與二氯乙烷或乙腈中不同，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)[1]索烴由in-P型轉(zhuǎn)變?yōu)閛ut-M型;同時利用冠醚、柱[5]芳烴與烷基鏈銨鹽包結(jié)能力的不同，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)[1]索烴由in-M型向out-P型，再向in-M型的轉(zhuǎn)變。

采用類似的策略，楊成等[16]證明了溫度對長鏈烷烴雙環(huán)柱[5]芳烴和不同長度冠醚鏈雙環(huán)手性柱[5]芳烴對映體轉(zhuǎn)化有不同程度的影響：相對于長鏈醚鏈雙環(huán)手性柱[5]芳烴而言，短冠醚鏈柱[5]芳烴的手性更易隨溫度的改變發(fā)生轉(zhuǎn)換，隨著溫度的降低，冠醚鏈柱[5]芳烴會由in-M型轉(zhuǎn)變?yōu)閛ut-P型;長鏈烷烴雙環(huán)柱[5]芳烴的構(gòu)型隨著溫度的降低會由out-P型轉(zhuǎn)變?yōu)閕n-M型。2018年，文珂等[17]同樣發(fā)現(xiàn)己二腈客體與柱芳烴的主客體相互作用可引起準(zhǔn)[1]索烴手性轉(zhuǎn)換，并且其手性轉(zhuǎn)換取決于索烴長鏈中自包含的雙（吡嗪-2-氧基）烷烴鏈長度，研究證明：只有烷烴鏈長度適當(dāng)時，手性轉(zhuǎn)換才能發(fā)生。

同樣的， Lee等[18]合成了硫雜冠醚柱[5]芳烴，并利用其與不同汞鹽組裝模式不同以實(shí)現(xiàn)柱芳烴構(gòu)型的轉(zhuǎn)換：當(dāng)柱[5]芳烴上的硫原子與高氯酸汞鹽exo-配位時，該硫雜冠醚柱[5]芳烴為out-M型;當(dāng)加入碘化汞或者加入碘離子置換氯離子后，硫原子與汞形成endo-配位，該硫雜冠醚柱[5]芳烴轉(zhuǎn)換為in-P型。

除利用柱芳烴自身連接的烷基長鏈或冠醚類長鏈作為客體外，引入獨(dú)立的客體分子也能實(shí)現(xiàn)柱芳烴的構(gòu)象翻轉(zhuǎn)。2019年，Jung等[19]合成了母環(huán)構(gòu)象分別為P型和M型的D/L-丙氨酸取代柱[5]芳烴，并研究了客體分子烷基鏈長短對其手性轉(zhuǎn)換的影響。當(dāng)長鏈烷基吡啶或長鏈烷基咪唑作為客體分子時，柱

[5]芳烴手性發(fā)生轉(zhuǎn)換;當(dāng)吡啶鹽作為客體分子時，柱[5]芳烴手性保持不變;而當(dāng)短鏈烷基咪唑分子作為客體時，柱芳烴變?yōu)橥庀w混合物。該研究證明：客體分子烷基鏈長短對柱[5]芳烴手性變化有很大影響，長鏈客體分子更有利于構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。

這些固有手性研究為手性控制系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一種新的策略，同時也為柱狀芳烴中影響手性轉(zhuǎn)換的客體分子的系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。

4 ?應(yīng)用與展望

固有手性柱芳烴在手性分離、催化等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。Stoddart課題組[20]將P型和M型A1/A2-苯甲酸柱[5]芳烴分別與Zn4O簇連接在一起，形成了包含活性域的同手性金屬有機(jī)框架化合物（MOF），這些活性域能夠吸收大量吡啶陽離子和對二硝基苯。通過MOF上富π電子柱[5]芳烴和缺電子客體分子之間的高特異性電荷轉(zhuǎn)移作用，可以實(shí)現(xiàn)客體分子的有序分布?；谥鵞5]芳烴良好的理化性質(zhì)，此類MOF未來還可用作固定相載體應(yīng)用到手性分離領(lǐng)域。

Ogoshi等[21]使用環(huán)己基甲氧基修飾的柱[5]芳烴衍生物和二苯基膦修飾的柱[5]芳烴衍生物為手性配體進(jìn)行了鈀催化的不對稱硅氫加成反應(yīng)。P型和M型異構(gòu)體均表現(xiàn)出催化活性，產(chǎn)物的對映體過量值分別為20%和19%。這是固有手性柱[5]芳烴作為配體在過渡金屬催化不對稱反應(yīng)中的首例應(yīng)用。

綜上所述，隨著柱芳烴手性研究不斷深入，一系列具有新型結(jié)構(gòu)的固有手性柱芳烴被設(shè)計、合成出來，極大豐富了分子手性的內(nèi)涵。由于固有手性柱芳烴易官能化、理化性質(zhì)優(yōu)良，其在手性光學(xué)材料、刺激響應(yīng)材料、手性傳感器、手性催化劑、手性載體和手性納米材料等領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展空間和研究意義。

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