楊軼浠, 張 玨, 邱 露， 郭曉強(qiáng)

(1.成都大學(xué) 海外教育學(xué)院， 四川 成都 610106; 2.成都大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

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芘番化學(xué)合成研究進(jìn)展

楊軼浠1, 張 玨2, 邱 露2， 郭曉強(qiáng)2

(1.成都大學(xué) 海外教育學(xué)院， 四川 成都 610106; 2.成都大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

芘番是環(huán)番的一種類型，其不僅具有芘的理化性質(zhì)，同時(shí)也具有環(huán)番的理化性質(zhì).對于芘番的合成，國內(nèi)鮮有報(bào)道.就芘番的定義、結(jié)構(gòu)、合成和應(yīng)用進(jìn)行了介紹，通過對已知芘番合成路線的描述，對具有光物理、光化學(xué)活性的，能應(yīng)用于熒光探針、分子識別等功能的芘番合成提供借鑒.

環(huán)番;芘番;合成

0 引 言

芘具有非常有效的光化學(xué)和光物理性質(zhì)，當(dāng)環(huán)番的芳香部分特定為芘的時(shí)候，此類型的化合物被稱為芘番.芘番是環(huán)番類化合物的一種類型，它同時(shí)具有芘和環(huán)番的化學(xué)、物理性質(zhì).本研究綜述了目前已知芘番的合成方法，對芘番的概念、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)作了詳細(xì)的介紹，并對芘番類化合物光物理、光化學(xué)活性，熒光探針和分子識別功能的相關(guān)研究進(jìn)行了探討，可進(jìn)一步拓展人們對芘番類化合物新的合成方法的認(rèn)識.

1 芘的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1.1 芘的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)性質(zhì)

1871年，科研人員在煤焦油中首次分離出了芘[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.芘作為最小的迫位稠合的多環(huán)芳香烴化合物開始進(jìn)入了人們的視野.同苯相比，芘的化學(xué)反應(yīng)相對局限.然而芘富含p電子，所以它在進(jìn)行芳香烴的親電取代反應(yīng)有相對活性.從最高被占用分子軌道來看，芘的1,3,6和8位具有非常高的軌道系數(shù)，此說明芘類化合物對于芳香烴的親電取代反應(yīng)在這些位置上具有很高的選擇性[2].例外的是，當(dāng)芘發(fā)生付—克異丁基化反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)只會(huì)發(fā)生在芘的2位和7位上(見圖2).這主要是因?yàn)檐胖挥?位和7位是不受空間位阻效應(yīng)影響的迫位[3].另外，芘還可以發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化后生成4,5-二酮化合物5或4,5,9,10-四酮化合物6(見圖3)[4].

圖1 芘的結(jié)構(gòu)及其編號

圖2 芘的付—克異丁基化反應(yīng)

圖3 芘的氧化反應(yīng)

1.2 芘的光物理與光化學(xué)性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)證明，芘具有非常有效的光物理與光化學(xué)活性.芘的第一單重激發(fā)態(tài)(S1)有相當(dāng)長的壽命，與基態(tài)(S0)相比，其第一單重激發(fā)態(tài)(S1)具有不同的結(jié)構(gòu)[5].同時(shí),芘有很高的熒光量子產(chǎn)率(Fem=0.65)，非常容易形成激發(fā)態(tài)聚合物.另外,不論是熒光量子產(chǎn)率還是激發(fā)態(tài)聚合物對所處環(huán)境都非常敏感.

基于芘的光物理和光化學(xué)特性，一些相關(guān)的熒光探針可根據(jù)它的激發(fā)二聚體/單體的發(fā)射光譜和長熒光壽命來進(jìn)行設(shè)計(jì)[6].一些分子聚合體當(dāng)其含有芘結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)有一定的識別功能，比如三氮唑連接二茂鐵芘二分體7可以選擇性的識別磷酸陰離子(見圖4)[7].

圖4 7和8的識別系統(tǒng)

目前,已知的芘衍生物應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥和電致發(fā)光器等，并且芘衍生物作為一類較特殊結(jié)構(gòu)的化合物，其開發(fā)與利用將有很大的空間及前景，如水溶性芘類衍生物8展現(xiàn)了分子識別的能力,由于其空腔大小為0.46×0.95×1.31 ?，這種大小的空腔可以用于識別陰性芳香烴化合物或者核酸[8].

2 芘番及其合成

2.1 芘 番

芘番是環(huán)番(Cyclophane)的一種類型，當(dāng)環(huán)番的芳香烴部分特定為芘時(shí)，則稱之為芘番(見圖5).芘番是通過由線型的且各種不同數(shù)目原子所形成的橋鏈將芘上兩個(gè)不相鄰的原子連接起來的化合物.芘番所含的線型橋鏈或芘的數(shù)目可以為一個(gè)也可以為多個(gè)[9].芘番不僅具有芘的化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)也具有環(huán)番的化學(xué)性質(zhì).

圖5 環(huán)番和芘番的關(guān)系

另外，從芘的結(jié)構(gòu)上來看，其具有13種不相鄰碳原子兩兩配對的形式，這些是潛在的芘番橋鏈連接方式，如，(1,3)、(1,4)、(1,5)、(1,6)、(1,7)、(1,8)、(1,9)、(2,4)、(2,5)、(2,6)、(2,7)、(4,9)和(4,10)(見圖1).而目前僅有(1,3)、(1,6)、(1,8)、(2,4)、(2,7)和(4,9)相連接的方式被發(fā)現(xiàn),其主要原因是合成具有對應(yīng)取代基團(tuán)的芘較為困難.

2.2 芘番的合成

2.2.1 (1,3)芘番的合成.

1993年，Yamato等[3]報(bào)道了(1，3)芘番的合成(見圖6).當(dāng)芘的7位被叔丁基取代時(shí)，1,3-雙取代的芘9較為容易被合成，這主要是因?yàn)槭宥』幱谲诺?位時(shí)可以阻礙6位和8位的取代反應(yīng).二溴化合物9和二巰基化合物10a在極稀釋濃度的條件下可以發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)生成(1,3)芘番11.而當(dāng)二溴化合物9和二巰基化合物10b發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)時(shí)，由于10b化合物在二巰基之間有一個(gè)甲基取代，以至于只能生成反式構(gòu)型的化合物12.另外，硫化物11和12發(fā)生氧化反應(yīng)后生成砜類化合物，其構(gòu)型保持不變.然而，經(jīng)過高壓高溫分解，順式構(gòu)型的硫化物11和反式構(gòu)型的硫化物12都將生成反式構(gòu)型的氧化產(chǎn)物(1,3)芘番13和(1,3)芘番14.其(1,3)芘番13和(1,3)芘番14的反式構(gòu)型可通過對芘的2位氫的化學(xué)位移的測定(d順式11=6.85,d反式12=5.85,d反式13=5.09,d反式14=4.53)來進(jìn)行證明[10-12].

2.2.2 (1,6)芘番的合成.

2004年，Inouye等[8]對一系列的具有聚陽離子和兩親性功能的大環(huán)(1，6)芘番的合成進(jìn)行了報(bào)道，這些(1,6)芘番的合成主要利用的是交叉偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)(見圖7).丁二炔15與1,6-二碘芘發(fā)生Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)后生成二碘化合物17，中間化合物17可以通過Stille交叉偶聯(lián)反應(yīng)與二錫烷16(二錫烷16從化合物15反應(yīng)制得)反應(yīng)生成(1,6)芘番18.各式R基團(tuán)，比如ω-乙縮醛，被引入來增加大環(huán)化合物的溶解度，以便進(jìn)一步增強(qiáng)大環(huán)化合物的功能性.同時(shí)，Misumi等[13]在1978年也合成了[2.2](1,6)芘番并伴隨著[2.2](2,7)芘番的生成.

2.2.3 (1,8)芘番的合成.

化合物21是現(xiàn)在所知的惟一的(1,8)芘番(見圖8)，二硫環(huán)番20是從化合物19通過4步化學(xué)反應(yīng)而生成，硫化基團(tuán)可以通過P(OEt)3來除去，通過使用DDQ的脫氫化反應(yīng)可以生成反式化合物21.其中反式構(gòu)型可以通過對Ha和Hb向高場移動(dòng)的化學(xué)位移數(shù)值所證明(dHa=6.55,dHb=8.03)[13].

圖6 (1,3)芘番13和14的合成

圖7 (1,6)芘番18的合成

圖8 (1,8)芘番21的合成

2.2.4 (2,4)芘番的合成.

2000年，Meier等[5]合成了三芘[2,3,4-abc:2,3,4-ghi:2,3,4-mno][18]環(huán)輪烯32，實(shí)際上它也可以被看作為(2,4)芘番的一種(見圖9)[5].該合成沒有直接以芘作為起始原料，而是采用了2個(gè)起始模塊結(jié)構(gòu)24和25，這2個(gè)模塊結(jié)構(gòu)分別是從化合物22和23合成得到的，并且2個(gè)起始模塊可以通過Horner-Wadsworth-Emmons反應(yīng)生成(E/Z)26.接著，光化學(xué)的環(huán)化脫氫反應(yīng)可以生成菲的衍生物27.這時(shí)通過甲?；疻itting反應(yīng)乙烯基被引入到化合物結(jié)構(gòu)29中.第二次的環(huán)化脫氫反應(yīng)生成具有完整芘結(jié)構(gòu)的化合物30.其中它的溴化基團(tuán)通過兩步化學(xué)反應(yīng)被轉(zhuǎn)化為N-苯胺，同時(shí)通過三重高度(E)-選擇性的Siegrist反應(yīng)最終生成(2,4)芘番32.從結(jié)構(gòu)上來看，[18]環(huán)輪烯很容易在化合物32上識別出來，但是化合物32確實(shí)也是由3個(gè)芘通過橋鏈連接而成，因此屬于芘番的范疇.目前，Meier等合成的(2,4)芘番化合物是惟一已知合成的(2,4)芘番.

圖9 (2,4)芘番32a和32b的合成

2.2.5 (2,7)芘番的合成.

Bodwell研究團(tuán)隊(duì)合成了一些列的[n](2,7)芘番，這些芘番一般都采用較為固定的合成策略(見圖10).在這個(gè)合成路線中，異構(gòu)化反應(yīng)/脫氫反應(yīng)(VID)是最為關(guān)鍵的反應(yīng)步驟，可將橋鏈[2.2]間環(huán)番-1,9-二烯生成完整的芘結(jié)構(gòu).當(dāng)橋鏈的長度足夠短時(shí)，芘的結(jié)構(gòu)可以被彎曲，并且當(dāng)橋鏈的長度越短，芘結(jié)構(gòu)的彎曲度越大[14].這種非平面性的芘可以對其彎曲度進(jìn)行量化，并用彎曲度θ來表示.彎曲度θ為芘結(jié)構(gòu)上C1-C2-C3 3個(gè)碳原子構(gòu)成的平面與C6-C7-C8 3個(gè)碳原子構(gòu)成的平面間所形成的最小夾角.現(xiàn)所測得芘番中最大的彎曲度θ是1,7-二氧[7](2,7)芘番34(X=1)的彎曲度，其數(shù)值為109.2 °.根據(jù)DFT計(jì)算，化合物36和37中芘結(jié)構(gòu)的彎曲度分別為，93.6 °和95.8 °[15].

圖10 部分合成的[n](2,7)芘番

2003年，Bodwell等[16]報(bào)道了合成(2,7)芘番的方法.以1,10-二氧[10](2,7)芘番43為例(見圖11)，該方法首先通過Williamson醚合成法，二酯38同1,8-二溴辛烷反應(yīng)生成四酯化合物39.四酯基團(tuán)與LiAlH4的還原反應(yīng)所得到粗產(chǎn)物直接再跟HBr/H2SO4作用生成四溴化合物40，2步反應(yīng)的收率為55%.此時(shí)，2個(gè)苯基除了橋鏈外，可以通過41與Na2S/Al2O3反應(yīng)將1,3位側(cè)鏈連接起來進(jìn)一步生成二噻環(huán)番41化合物.通過使用(MeO)2CHBF4(Borch試劑)對二噻環(huán)番41S-甲基化后再進(jìn)行Stevens重排生成一系列不易分離的縮環(huán)異構(gòu)混合物.第二次的S-甲基化反應(yīng)和Hofmann消除反應(yīng)最終生成了關(guān)鍵中間體順式-[2.2]間環(huán)番二烯42,4步反應(yīng)的總產(chǎn)率為65%.通過氫核磁共振波譜法測定分析后發(fā)現(xiàn)，約一半數(shù)量的順式-[2.2]間環(huán)番二烯42可以直接轉(zhuǎn)化為終產(chǎn)物43.然而化合物41和42并不容易能夠分離，它們的混合物通過與DDQ反應(yīng)過后，最終生成芘番43.同時(shí)，VID反應(yīng)也被證明了是對于合成非平面性的芘非常有用的反應(yīng).

圖11 1,10-二氧[10](2,7)芘番43的合成

2.2.6 (4,9)芘番的合成.

2005年，Tsuge等[17]通過傳統(tǒng)的環(huán)番合成方法成功的合成了(4,9)芘番(見圖12)，并且這個(gè)化合物是惟一的現(xiàn)今所知的(4,9)芘番.其方法是，雙氯甲基芘44同雙氫硫甲基苯45在Cs2CO3作用下在極稀濃度的溶液中可以制得二噻芘番46，如果將苯環(huán)上的硝基取代還原為氨基，這樣還可以用于研究氨基和芘的NH-π相互作用.

圖12 (4,9)芘番46的合成

3 結(jié) 語

本研究綜述了芘番的光化學(xué)和光物理特性及其合成方法.目前，僅(1,3)、(1,6)、(1,8)、(2,4)、(2,7)與(4,9)類型的芘番被科研人員合成出來.通過對已知芘番合成路線的研究，親核取代反應(yīng)生成硫化物后再進(jìn)行脫巰基氧化反應(yīng)生成芘番是常采用的合成方法.另外，利用交叉偶聯(lián)反應(yīng)或Siegrist反應(yīng)也是合成芘番強(qiáng)有力的工具之一.在芘番結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，引入一些側(cè)鏈的R基團(tuán)亦可增加芘番的溶解性，有利于芘番的合成.這些合成策略對于新類型芘番的合成和設(shè)計(jì)將有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義.同時(shí)，隨著新類型芘番的合成，更多的芘番或芘番衍生物的應(yīng)用將被人們開發(fā)出來.

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Research Advances on Synthesis of Pyrenophanes

YANGYixi1,ZHANGJue2,QIULu2，GUOXiaoqiang2

(1.School of Oversea Education, Chengdu University, Chengdu 610106, China;2.School of Pharmacy and Bioengineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

Pyrenophane is referred as one type of cyclophane,which obtains not only the physical and chemical properties of pyrene,but also the physical and chemical properties of cyclophane.However,the synthesis of this compound is rarely reported in China.In this paper,the definition,structures,synthesis and applications are briefly reviewed.Based on the description of the synthetic routes for the already known pyrenophanes,the paper provides reference for the pyrenophanes synthesis with photophysical and photochemical properties that will be applied in fluorescent probes and molecule recognition.

cyclophane;pyrenophane;synthesis

1004-5422(2017)02-0125-06

2017-03-02.

成都大學(xué)?？萍及l(fā)展基金(2014XJZ03)資助項(xiàng)目.

楊軼浠(1984 — )， 女， 碩士， 助理研究員， 從事有機(jī)合成研究.

O625.8

A