功能化扩展型环带分子的合成、结构与应用

自1954年，Heilbronner首次将锯齿形碳纳米带（下文称作锯齿形环带烃）分子作为一种假想的分子提出，1983年，由Vögtle将其定义为极具挑战性的目标合成分子后，该类由苯环首尾相连的环带芳烃的合成探索吸引了很多化学家和材料学家的兴趣（图1的A结构，J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 4576，点击阅读详细）。若将环带烃中的部分六元环更换为非六元环，我们可称作扩展型环带烃，例如[6, 7]_n（图1的B结构，J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 1196, 点击阅读详细）、[6, 5]₆（图1的C结构）和 [6, 8]₃（图1的D结构）等。扩展型环带分子不仅具有优美的结构，还可能存在独特的理化性质，有关其合成、结构及性能的探索一直倍受关注。

图1. 结构各异的扩展性锯齿环带烃。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在近十年的时间中，虽然这类环带分子的合成已经具有了很大的突破和进展，但是有关它们的性质尤其是主客体识别和手性超分子性能依然鲜有报道。最近，清华大学化学系的王梅祥教授和佟硕副教授在扩展型环带烃的合成取得突破性进展，利用实验室发展的“跨湾筑桥”策略，通过四重傅克酰基化反应合成得到了具有C₄对称性的含苯并八元环辛三烯酮单元手性环带烃[6, 8]₄（图1的E结构）。该类扩展型环带分子不仅具有优良的手性光物理性能，其发光不对称因子（|g_lum|）高达0.01，而且还能够选择性识别铯离子，为铯离子的选择新提取提供了一类新的思路。该研究成果近期发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）杂志上。

首先，该团队从之前报道的四酯基取代雷琐[4]芳烃衍生物1a-b出发，通过四重取代基定位的芳香亲电取代反应引入碘原子得到化合物2a-b；再通过钯催化的Suzuki-Miyaura反应，将芳基硼酸3a-f与杯芳烃2a-b成功偶联，以高收率得到四芳基产物4a-j。随后采用“跨湾筑桥”策略，除化合物4h的由于立体电子效应难以环化外，其余底物均能通过分子内四重傅克酰基化反应，以较高的收率得到四羰化的环带分子5a-j（图2）。

图2. 四羰化环带分子5a-j的合成路线。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

接下来，该团队对四羰化环带分子5进行了后续的转化（图3）。以环带分子5e为例，大位阻的炔锂试剂能够从环外进攻5e的羰基，可得到立体选择性加成产物6a-b。使用小位阻的氢化锂铝进攻环带分子5e，可以得到优势构型产物7，可继续衍生化获得四甲氧基产物8。

图3. 含有不同官能团的环带分子6a-b、7、8的合成路线。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该团队成功培养了环带分子5e、7和8的单晶（图4）。晶体结构表明，该类环带分子的八元环均采用了船式-船式构象以缓解环张力，下沿的丙氧基均指向环外。环带分子5e和7的晶体趋近于C₄对称的结构，然而环带分子8可能由于甲氧基之间的排斥，导致晶体结构呈现略微扭曲的结构。此外，这类扩展性环带分子都具有一定体积的空腔，而且官能团均指向环带分子的顶侧，为后续的主客体识别提供了良好的条件。

图4. 环带分子5e（左）、7（中）和8（右）的晶体结构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该团队通过手性HPLC高效地拆分了外消旋样品 (±)-5e，并确定了环带分子的绝对构型 S_ic-(+)-5e 和 R_ic-(-)-5e，并将手性化合物5e进行了类似的转化，得到手性化合物6a-b和7。随后该团队对该系列分子的手性光学性能进行了研究（图5）。在二氯甲烷溶剂中，与四羰基环带分子5e相比，官能化后的环带分子6-8的紫外吸收波长都有一定程度蓝移。在圆二色光谱 (CD) 中，手性化合物5e和6b展现出了较强的科顿效应（Cotton effect）；而对于圆偏振发光（CPL）而言，手性化合物6和7均有不同程度的圆偏振发光响应，尤其是化合物6b的发光不对称因子（|g_lum|）可以达到0.01。

图5. 室温下二氯甲烷溶液中5e、6a-b、7的CD光谱（左上）和紫外-可见光吸收光谱（左下）；6a-b, 7的CPL发射光谱（右上）和荧光发射光谱（右下）。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该团队在研究过程中发现，环带分子6-8在不添加外来铯源下，能够在MALDI质谱中意外发现和铯离子结合的分子离子峰。鉴于此现象，该团队尝试并成功培养出了环带分子7和8与CsNTf₂的复合物晶体（图6）。晶体结构表明，环带分子7和铯离子的结合模式为2:1，铯离子和主体的羟基存在阳离子-孤对电子的作用，以及铯离子与主体骨架苯环的阳离子-π作用。而环带分子8和铯离子的结合模式为1:1，存在铯离子与主体甲氧基的阳离子-孤对电子的作用模式。

图6. （上）环带分子7与CsNTf₂的复合物晶体结构（每个铯离子的占有率为0.5）；（下）环带分子8与CsNTf₂的复合物晶体结构（阴离子已略去）。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该团队通过紫外-可见光滴定，进一步探究了环带分子6-8对CsNTf₂的结合能力。实验结果表明，在二氯甲烷和乙腈的混合溶剂中（体积比为1:1），环带分子6a和7与铯离子的识别模式为2:1，结合常数分别为K_2:1(6a)= (1.47 ± 0.07) ×10⁸ M^-2和K_2:1(7) = (1.71 ± 0.33) × 10¹¹ M^-2；而环带分子8与铯离子的识别模式为1:1，结合常数为K_1:1(8) = (1.50 ± 0.16) × 10⁶ M^-1。

该团队还通过核磁滴定，将环带分子6a和部分碱金属（Li⁺、Na⁺、K⁺、Cs⁺）和核废水中常见元素（La³⁺和Sr²⁺）进行了核磁滴定测试（图7）。结果表明，氘代丙酮作为溶剂下，环带分子6a和铯离子作用后，主体骨架上的芳基氢均向低场发生不同程度的偏移，而6a和其他金属离子作用，核磁氢谱信号均没有明显的变化。说明环带分子6a具有选择性识别铯离子的能力，为核废水中铯离子的选择性提取提供了一种新型的思路。

图7. 室温下氘代丙酮中环带化合物6a与金属离子结合的核磁共振氢谱对比。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

总之，该团队沿用“跨湾筑桥”策略，以雷琐[4]芳烃衍生物为原料，通过四重傅克酰基化反应，成功合成具有C₄对称性的八元环辛三烯酮单元的扩展性环带烃，并对其进行了衍生化，丰富了该类环带烃的种类。该类环带化合物经手性拆分后，能够在有机溶剂中呈现出优良的圆偏振发光（CPL）性质，其不对称因子(|g_lum|)可达0.01。此外，该类环带化合物能够通过改变官能团，以不同的主客体模式结合铯离子、甚至具有选择性识别铯离子的潜力，为铯离子的选择性提取提供了新的思路。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章第一作者是清华大学博士生彭一，通讯作者是王梅祥教授和佟硕副教授。本项目得到国家自然科学基金和清华大学笃实专项的资助。

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Functionalized Hydrocarbon Belts: Synthesis, Structure and Properties

Yi Peng, Shuo Tong*, Yang Zhang, Mei-Xiang Wang*

Angew. Chem. Int. Ed. 2023, DOI: 10.1002/anie.202302646

导师介绍

王梅祥

https://www.x-mol.com/groups/wangmx