胡曉鈞，彭永標，吳 昊

（沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110044）

杯［4］芳烴衍生物的合成及其晶體結構

胡曉鈞，彭永標，吳 昊

（沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110044）

通過向杯［4］芳烴下沿引入不同基團，合成得到四種杯［4］芳烴衍生物（2，3，4和5），并采用NMR、ESI－MS和EA對所合成的化合物進行結構表征.同時培養(yǎng)得到化合物2，3和4的單晶，解析出晶體結構，發(fā)現(xiàn)在化合物3和4的晶體中同時存在杯［4］芳烴的兩種主要構象：錐型和部分錐型.通過分析研究，把產生這種現(xiàn)象的原因歸結為：當下沿的保護基團具有適度大的尺寸時，就能夠阻止苯環(huán)的翻轉，并且提供足夠的空間.當杯芳烴從溶液中析出時，第四個苯環(huán)隨機地定位，從而使得兩種構象并存于同一晶體中.

杯［4］芳烴；構象；晶體結構；構象異構體

杯芳烴［1－2］（圖1）是由對位取代的苯酚與甲醛反應得到的齊聚物，被認為是繼冠醚、環(huán)糊精之后的新一代大環(huán)主體分子化合物的代表.杯芳烴具有多樣性的空間結構.與環(huán)糊精的剛性結構以及冠醚的平面二維結構不同，杯芳烴分子的杯環(huán)屬柔性骨架，作為連接橋的亞甲基與苯環(huán)間以旋轉勢壘很小的C—C單鍵相連接，分子內熱運動會使得苯環(huán)單元繞以相鄰的兩個橋聯(lián)亞甲基形成的軸發(fā)生翻轉，從而導致多種構象并存.如杯［4］芳烴在溶液中一般可呈現(xiàn)錐型（cone）、部分錐型（partial cone）、1，2－交替型（1，2－alternative）和1，3－交替型（1，3－alternative）四種構象［3］.在熱運動下不同構象之間存在著動態(tài)平衡，并受到取代基團以及介質環(huán)境和溫度的影響.例如，四羥基杯［4］芳烴下沿的四個酚羥基能形成穩(wěn)定結構的分子內氫鍵，導致錐型構象在多數(shù)有機溶劑如氯仿、甲苯中占絕對優(yōu)勢［4］.當下沿的酚羥基被尺寸較小的基團所取代時，分子內的環(huán)形氫鍵隨之消失，苯環(huán)可以自由翻轉，各種構象之間存在動態(tài)的轉化.而當取代基團的尺寸大于或等于丙基時，這種翻轉因為位阻的存在被限定，構象與構象之間的轉化隨之被禁止［5］.在晶體中，由于杯芳烴分子構象被固定，不存在構象之間的轉換，因此往往只表現(xiàn)出幾種構象中較為穩(wěn)定的一種構象.

圖1 化合物結構式Fig.1 The molecular structure

近期，在對杯［4］芳烴的超分子化學性質研究過程中合成得到一種下沿由兩種不同基團保護的杯［4］芳烴衍生物4，并培養(yǎng)得到其單晶，解析出其晶體結構.但令我們感到意外的是，發(fā)現(xiàn)在此種杯芳烴衍生物單晶中出現(xiàn)了兩種杯［4］芳烴的主要構象：錐式和部分錐式構象.為了探求產生這種現(xiàn)象的原因，合成了一系列此類化合物（圖1），并培養(yǎng)出單晶，解析出它們的晶體結構.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

母體5，17－二溴－25，27－二甲氧基－26，28－二羥基杯［4］芳烴（1）按照文獻方法合成［6］.對－叔丁基酚，甲醛，二苯醚等實驗所需化學試劑和藥品購于國藥集團化學試劑有限公司（均為分析純）.實驗用水為去離子水.

1.2 實驗儀器

1H－NMR譜圖采用JEOL JNM－ECA－600核磁共振波譜儀測定，質譜采用Bruker 1100和Finnigan LTQ質譜儀測定，元素分析采用EAI CE－440元素分析儀測定，晶體數(shù)據(jù)采用Bruker P4晶體衍射儀收集，并采用SHELXTL程序解析出晶體結構.

1.3 杯芳烴衍生物的合成

5，17－二溴－25，2726，28－四甲氧基杯［4］芳烴（2）：將0.98 g（1.6 mmol）化合物1、1 g氫化鈉、10 m L二甲基甲酰胺和100 m L四氫呋喃混合攪拌，緩慢加入10 g碘甲烷，加熱回流4 h后，冷卻至室溫.蒸去溶劑，加入氯仿和稀鹽酸，攪拌溶劑，分得下層有機相，干燥.蒸去大部分氯仿，加入甲醇，析出白色沉淀，過濾得白色粉末0.88 g，產率86%.1H－NMR （600 MHz，CDCl3）∶6.45～7.40 （m，10H，Ar H），2.92～4.32 （m，20H，Ar CH2Ar and Ar OCH3）.MS（ESI，m／z）：［M＋Na］＋，659.3（65%），661.3（100%），663.3（55%）.

5，17－二溴－25，27–二甲氧基－26，28－二丙氧基杯［4］芳烴（3）：將1.1 g（1.8 mmol）化合物1、1.5 g氫化鈉、5 m L二甲基甲酰胺和100 m L四氫呋喃混合攪拌，緩慢加入7 g碘丙烷，加熱回流24 h后，冷卻至室溫.蒸去溶劑，加入氯仿和稀鹽酸，攪拌溶劑，分得下層有機相，干燥.蒸去大部分氯仿，加入甲醇，析出白色沉淀，過濾得白色粉末1 g，產 率 81%.1H－NMR （CDCl3）cone conformation：δ1.07（t，J7.6，6 H），1.83（m，4H），3.15（d，J13.1，4H），3.66 （t，J6.9，4 H），3.89 （s，6H），4.31 （d，J13.1，4H），6.38（s，4H），6.99（t，J7.6，2H），7.14（d，J7.6，4 H）；partial－cone conformation：δ1.14（t，J7.6，6 H），1.88（m，4H），2.96（s，3 H），3.08（d，J13.7，2H），3.54 （m，2H），3.58（d，J13.1，2H），3.65（d，J13.1，2H），3.73（s，3H），3.79 （m，2H），4.01 （d，J13.7，2 H），6.47（br s，2H），6.91（t，1 H），6.92（t，1H），7.07（d，J7.6，2H），7.09（br s，2H），7.25（d，J7.6，2 H）.MS（ESI／MeOH）717.4（M＋Na）.

5，17－二溴－25，27－二甲氧基－26，28－二丁氧基杯［4］芳烴（4）：將1 g（1.64 mmol）化合物1、1.5 g氫化鈉、5 m L二甲基甲酰胺和100 m L四氫呋喃混合攪拌，緩慢加入12 g溴丁烷，加熱回流24 h后，冷卻至室溫.蒸去溶劑，加入氯仿和稀鹽酸，攪拌溶劑，分得下層有機相，干燥.蒸去大部分氯仿，加入甲醇，析出白色沉淀，過濾得白色粉末0.87 g，產 率 74%.1H－NMR （CDCl3） cone conformation：δ1.00（m，6 H），1.61（m，4H），1.85（m，4H），3.15（d，J13.1，4 H），3.70（t，J6.5，4 H），3.88（s，6 H），4.31（d，J13.1，4H），6.37（s，4 H），6.99（t，J7.6，2 H），7.14（d，J7.6，4H）；partial－cone conformation：δ1.00（m，6 H），1.52（m，4 H），1.82（m，4 H），2.95（s，3 H），3.08（d，J13.8，2 H），3.59（d，J13.1，2 H），3.59（m，2 H），3.66（d，J13.1，2H），3.74（s，3 H），3.81（m，2 H），4.01（d，J13.8，2 H），6.47 （br s，2 H），6.91 （t，1 H），6.92（t，1 H），7.07（d，J7.6，2 H），7.09（br s，2 H），7.25 （d，J7.6，2 H）.MS （ESI／MeOH）745.3（M＋Na）.Anal.Calcd.for C38H42Br2O4：C，63.17；H，5.86；Found：C，62.93；H，5.58.

5，17－二溴－25，27－二甲氧基－26，28－二己氧基杯［4］芳烴（5）：將1 g（1.64 mmol）化合物1、1.5 g氫化鈉、5 m L二甲基甲酰胺和100 m L四氫呋喃混合攪拌，緩慢加入6.18 g溴己烷，加熱回流24 h后，冷卻至室溫.蒸去溶劑，加入氯仿和稀鹽酸，攪拌溶劑，分得下層有機相，干燥.蒸去大部分氯仿，加入甲醇，析出白色沉淀，過濾得白色粉末0.93 g，產 率 73%.1H－MR （CDCl3）cone conformation：δ0.91（br s，6 H），1.36 （br s，8H），1.49（m，4H），1.82 （m，4H），3.15（d，J13.1，4 H），3.69 （t，J5.9，4H），3.89（s，6 H），4.31（d，J13.2，4H），6.37 （s，4H），6.99（t，J7.2，2H），7.15（d，J7.3，4H）；partial－one conformation：δ0.91（br s，6H），1.36 （br s，8H），1.58 （m，4H），1.86（m，4H），2.95（s，3H），3.08（d，J13.8，2H），3.57 （m，2H），3.59（d，2 H），3.65（d，J13.4，2 H），3.73 （s，3 H），3.80（m，2H），4.01（d，J13.8，2H），6.47（br s，2H），6.90（t，1 H），6.92（t，1 H），7.07（d，J6.8，2H），7.09（br s，2H），7.25（d，2H）.MS（ESI／MeOH）801.4（M＋Na）.

5，17－溴－25，27–二甲氧基－26－甲?；?8－基杯［4］芳烴（6）：將0.9 g（0.9 mol）化合物1溶于25 L吡啶，在冰水浴中攪拌下，緩慢加入5 L苯甲酰氯，反應72 h后，停止攪拌.過濾得到白色沉淀，用蒸餾水和甲醇清洗數(shù)次.將白色粉末用層析柱分離，以石油醚／丙酮為流動相，收集前一組分，用氯仿／甲醇重結晶得白色粉末0.2 g，產率31%.

5，17－溴－5，27－甲氧基－6，28－甲?；?］芳烴（7）：上面反應后，柱分離收集第二組分，用氯仿／甲醇重結晶得白色粉末0.35 g，產率48%.1H－MR（CDCl3）：δ2.83～4.03（m，14 H），6.31～7.22（m，7 H），7.26～4.43 （m，13 H）.MS（ESI／MeOH）841.1（M＋Na）.

1.4 杯芳烴衍生物單晶培養(yǎng)

通過在氯仿／甲醇混合液中，緩慢揮發(fā)溶劑的方法，分別培養(yǎng)得到化合物2、3、4的單經X射線衍射得到以下晶體結構數(shù)據(jù)：七種化合物在CCDC 的 注 冊 號 碼 分 別 是：2（274950），3（286075），4（263620）.

2 結果與討論

首先培養(yǎng)得到化合物4的晶體，并解析其單晶結構.X射線衍射的結果表明，在化合物4的晶體中存在著兩種不同的杯［4］芳烴構象異構體：錐式和部分錐式，兩種構象異構體出現(xiàn)的概率之比為1∶1，也就是說兩者在晶體中有相同的穩(wěn)定性.如果把兩種構象疊加在一起，就得到了圖2所示圖形.

圖2 化合物4兩種晶體構象的疊加圖Fig.2 The overlapped molecular structure of the cone and partial－cone conformational isomers of 4 in solid state

從圖2中可以看出，錐式構象和部分錐式構象中的三個苯環(huán)（A、B和C）幾乎完全重合，而唯一的區(qū)別就在第四個苯環(huán)（D和D′）的位置.兩個相對的苯環(huán)A和B處于兩個幾乎相互平行的平面，平面之間的夾角為12.8°.在錐式構象中，苯環(huán)C與苯環(huán)D的夾角為65.6°，而在部分錐式構象中苯環(huán)C與苯環(huán)D′的夾角為107.9°，苯環(huán)D與D′之間的夾角為137.6°.細致觀察可以發(fā)現(xiàn)，苯環(huán)D的C（23）與苯環(huán)D′的C（23）正好重合，就好像是苯環(huán)D繞由C（21）、C（23）和C（28）構成的虛擬軸旋轉137.6°到達苯環(huán)D′.

歸結產生兩種主要構象同時出現(xiàn)在同一杯芳烴單晶中這一新現(xiàn)象的原因，我們做如下分析.在圖2中，錐式構象中的第四個苯環(huán)D及其所接甲氧基與部分錐式構象中的苯環(huán)D′及其所接甲氧基幾乎處在同樣的空間位置，這就使得錐式構象和部分錐式構象在分子的尺寸和形狀上幾乎沒有太大的差異.而且由于杯芳烴下沿的兩個正丁基的尺寸較大，從而抑制住苯環(huán)A和苯環(huán)B跨越橋聯(lián)亞甲基平均平面的翻轉，并使得自身分子與相鄰分子保持一定空間距離，為第四個苯環(huán)D的自由定位提供了足夠的空間，因而可以按照溶液中的構象比例析出.通過分析化合物4在氯仿中的核磁共振氫譜，得知化合物4在溶液中也存在著兩種構象（錐式和部分錐式），兩種構象的比例也是1∶1，這也印證了我們的推論.

為了證明對這一新現(xiàn)象歸因的正確性，將下沿的兩個正丁基用尺寸稍小的正丙基取代，從而制得化合物3.化合物3在氯仿中的核磁共振氫譜顯示了和化合物4同樣的結果，即化合物3在溶液同樣存在錐式和部分錐式兩種構象（表1），并且二者的比例接近1∶1，說明尺寸稍小一些的丙基在溶液中也能阻止苯環(huán)A和苯環(huán)B的翻轉.利用揮發(fā)溶劑的方法培養(yǎng)出化合物3的晶體，并解出其單晶結構.單晶衍射測試的結果與我們的預期相吻合，在化合物3的單晶中也存在著錐式和部分錐式兩種構象，但兩者比例接近7∶3.

比較圖3和圖2可以看出，化合物3和化合物4在單晶中的兩種構象的形狀非常相似，兩種構象的第四個苯環(huán)及所接甲氧基也同樣處在幾乎相同的空間位置，并且苯環(huán)D與苯環(huán)D′之間的夾角比化合物4中的稍小，為136.6°.唯一較明顯的區(qū)別就是下沿的取代基差異，化合物4中為正丁基，而化合物3中為正丙基.這也進一步證實本研究對這一新現(xiàn)象歸納原因的正確性.雖然，在溶液中，由于含甲氧基的苯環(huán)可較自由地翻轉，使錐式和部分錐式兩種構象按近似1∶1的比例存在；而在晶體中由于杯芳烴下沿的兩個正丙基的有適度大的尺寸，從而抑制住苯環(huán)A和苯環(huán)B跨越橋聯(lián)亞甲基平均平面的翻轉，并使得自身分子與相鄰分子保持一定空間距離，但正丙基的尺寸所能提供的空間只能滿足第四個苯環(huán)以70%概率處在正立位置D，即錐式構象，而以30%的概率處在翻轉位置D′，即部分錐式構象.

圖3 化合物3兩種晶體構象的疊加圖Fig.3 The overlapped molecular structure of the cone and partial－cone conformational isomers of 3 in solid state

表1 幾種化合物在溶液中的存在構象比例Table 1 Distribution of conformational isomers of the calix［4］arene derivatives in solution %

當把下沿的取代基從丙基進一步減小到甲基，就得到了化合物2.同樣也培養(yǎng)得到化合物2的晶體，并解出其單晶結構.同樣和預期的結果相符，在化合物2的單晶中沒有出現(xiàn)兩種主要構象共存的現(xiàn)象，只有一種部分錐式構象被觀察到.這也證實了我們的推測，由于甲基的尺寸較小，不能阻止苯環(huán)的翻轉，也就不可能為第四個苯環(huán)隨機性地定位提供有效的空間，為了能最緊密堆積，所以化合物2在從溶液中析出時只采用了穩(wěn)定的部分錐式構象.而化合物2的核磁共振氫譜則表明，化合物2在溶液中同樣存在兩種構象（錐式和部分錐式）.圖4顯示了化合物2的晶體構象，與3和4不同，為了使分子內空間位阻最小，兩個帶有溴原子的苯環(huán)處于反式位置，苯環(huán)平面之間的夾角為47.9°.而另外兩個相對苯環(huán)則處在順式位置，兩個苯環(huán)平面幾乎平行，呈13.5°夾角.四個甲氧基為減小空間位阻而伸向空腔外測.

圖4 化合物2的晶體構象圖Fig.4 The molecular structure of 2 in solid state

為了再一次證明我們的推論和歸因的正確性，將下沿的取代基由正丁基改換為較大的正己基，就得到化合物5.培養(yǎng)出化合物5的晶體外形很規(guī)整，但遺憾的是雖然做了X射線衍射測試，可能是由于正己基長鏈的柔性引起的不確定性太大，沒能解出其單晶結構.但是化合物.5在溶液中的核磁共振氫譜告訴我們，同樣存在著錐式和部分錐式兩種構象，而且兩者比例也是接近1∶1.并且在化合物3、4和5三者的核磁共振氫譜上，苯環(huán)氫、橋聯(lián)亞甲基氫和甲氧基氫的化學位移值及積分值都非常接近，而高場部分的峰形的不同是由于不同長度烷基取代基而引起的差異（圖5）.化合物5下沿接的取代基為長度更長的正己基，也能夠為第四個苯環(huán)的隨機性定位提供足夠的空間，因此有理由相信在化合物5的晶體中同樣存在著錐式和部分錐式兩種構象.

圖5 化合物3、4和5的核磁共振氫譜Fig.5 The 1 H－NMR spectra of 3，4 and 5 in CDCl3

3 結 論

通過更換不同取代基團，合成了4種新的杯［4］芳烴衍生物，并培養(yǎng)出其中3種新化合物的晶體，解出其單晶結構.其中發(fā)現(xiàn)一種新的現(xiàn)象：兩種不同的杯［4］芳烴主要構象并存于晶體中.通過實驗數(shù)據(jù)分析，我們把產生這種現(xiàn)象的原因歸結為：當下沿的保護基團具有適度大的尺寸時，就能夠阻止苯環(huán)的翻轉，并且提供足夠的空間，在杯芳烴從溶液中析出時，讓第四個苯環(huán)隨機地定位，從而使得兩種構象并存于同一晶體中.

［1］ Gutsche C D.Calixarenes，Monograph in Supramolecular Chemistry［M］.London：The Royal Society of Chemistry，1989：124.

［2］ Gutsche C D.Calixarenes，a Versatile Class of Macrocyclic Compounds［M］.Dordrecht：Kluwer，1991：55.

［3］ Iqbal M，Mangiafico T and Gutsche C D.Calixarenes 21：The conformations and structures of the products of aroylation of the，calix［4］arenes［J］.Tetrahedron，1987，43（21）：4917－4930.

［4］ Gutsche C D，Levine J A.Calixarenes.6.Synthesis of a functionalizable calix［4］arene in a conformationally rigid cone conformation［J］.Journal of the American Chemistry Society，1982，104（9）：2652－2653.

［5］ Koji I，Koji A，Seiji S.Conformations and structures of tetra－O－alkyl－p－tert－butylcalix ［4］arenas. How is the conformation of calix［4］arenes immobilized？［J］.Journal of Organic Chemistry，1991，56（16）：4955－4962.

［6］ Van Loon J D，Arduini A，Coppi L，et al.Selective functionalization of calix［4］arenes at the upper rim ［J］.Journal of Organic Chemistry，1990，55（21）：5639－5646.

Syntheses and Crystal Structures of Calix［4］Arenas Derivatives

HUXiaojun，PENGYongbiao，WUHao
（Key Laboratory of Regional Environment and Eco－Remediation （Ministry of Education），Shenyang University，Shenyang 110044，China）

A novel phenomenon about calix［4］arenes was observed that there were two discrete conformational isomers observed in single crystals of tetra－O－alkylated calix［4］arenes.Four calix［4］arene derivatives（2，3，4 and 5）were synthesized with 1 as the precursor，and their single crystals were prepared to disclose reasons for this novel phenomenon.It was found that the introduced alkyl groups inhibited the oxygen－through－the－annulus rotation of phenyl rings，and there was enough space for the forth phenyl ring to randomly position in cone conformation or upside down in partial－cone conformation，leading to the coexistence of two discrete conformational isomers in single crystals of calix［4］arenes.

calix［4］arene；conformation；crystal structure；conformational isomer

O 62

A

1008－9225（2012）02－0035－05

2011－12－18

國家科技支撐計劃課題（2011BAJ06B02）.

胡曉鈞（1977－），男，浙江淳安人，沈陽大學教授，博士后研究人員.

王 穎】