柱芳烃固有手性研究进展

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　　摘      要：柱[5]芳烃是通过亚甲基桥在五个对苯二酚苯环对位连接而成的一类高度对称的大环分子。该分子为五棱柱形，这种空间排列和由此产生的非平面构象赋予了柱[5]芳烃固有手性。综述了手性柱[5]芳烃的合成及拆分方法，并重点介绍了手性转换及其在金属有机骨架（MOF）和不对称合成中的应用。
　　关  键  词：柱[5]芳烃;固有手性;手性转换;金属有机骨架;不对称合成
　　中图分类号：TQ 460.1       文献标识码： A       文章编号：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]是由对苯二酚或对苯二酚醚通过亚甲基桥在苯环的对位连接而成的类似柱状的大环主体分子。自2008年柱芳烃[3]首次被报导以来，柱芳烃以其特异的骨架结构，良好的可修饰性和对客体分子的包结性能引起了化学工作者的广泛关注，已被广泛应用于自组装、主客体化学以及机械互锁分子等各领域。手性柱芳烃是柱芳烃研究的重要组成部分，同时也成为目前超分子领域的研究热点之一。研究表明：柱芳烃分子具有固有手性，其两个互为对映异构的构象在溶液中通过芳环翻转实现快速交换，因而柱芳烃分子表现为外消旋化合物。通过外界的刺激，可改变不同构象间的动态平衡使柱芳烃表现手性特性，或通过引入大位阻基团和机械键，阻止异构体间的转换，由此产生了一对可分离的对映异构体。
　　由于柱[5]芳烃具有相对稳定的构象，并且相比于柱[6-10]芳烃具有较高的合成产率，因此柱芳烃的手性研究多集中于柱[5]芳烃。本文系统地综述了柱芳烃的构象特征、合成拆分、手性转换及其在有机金属框架和不对称催化领域的应用。
　　1  柱芳烃结构与构象
　　1.1  固有手性柱芳烃
　　柱芳烃是一种高度对称的刚性环状寡聚物[2]，由对位上的亚甲基桥连接多个（5～10）对苯二酚单元组成。母体柱芳烃存在天然手性：位于亚甲基架桥邻位的1， 4-取代基使柱芳烃不再具有对称面或反转中心而呈现固有手性。固有手性[4]化合物没有手性中心、Cn （n> 2）对称轴和螺旋轴，不同于一般的中心手性、轴手性和螺旋手性，它是由对称面缺失引起的特殊平面手性，对手性识别和不对称催化具有很大的意义。
　　1.2  固有手性柱芳烃绝对构型的确定
　　固有手性柱芳烃可以用P/M来定义其手性（如图1）[4]：根据Cahn-Ingold-Prelog顺序规则确定芳环上缘取代基的优先顺序，如果组序列按照顺时针排列，则认为该柱芳烃绝对构型为P型（P为positive，顺时针）;相反，如果组序列按照逆时针排列，则为M型（M为minus，逆时针）。
　　1.3  柱芳烃构象异构
　　构造不变情况下化合物单键旋转后，原子或者原子团相对位置发生改变，在空间产生不同的排列方式，被称为构象异构。与三级胺RR’R”N或二级RR’HN胺的“氮反转”过程类似，柱芳烃具备流变构象与手性翻转性质，柱芳烃苯环绕亚甲基桥翻转，使两个手性柱芳烃异构体之间快速交换。柱[5]芳烃[5]在翻转后形成8个构象异构体，均为对映异构体;柱[6]芳烃[6]形成13个构象异构体：五种非对映异构体、五种对映异构体和三种内消旋体。
　　柱[5]芳烃大环的手性翻转，会受到多种因素的影响，Ogoshi等在这方面做了大量的研究。2010年，他们合成了一系列不同长度烷基链修饰的柱[5]芳烃[7]，通过动态核磁研究证明：随着烷基取代基长度的增加，柱[5]芳烃构象翻转所需克服的能垒也逐渐增加，当烷基取代基为十二烷基（1）时（如图2a），其转换能垒达到63.2 kJ/mol。由此可知：引入大位阻基团可以控制柱芳烃母体上苯环的转动，增加其翻转所需克服的能垒。
　　同年，他们发现[5]：分子内氢键也可降低柱芳烃母体上苯环的旋转速度。他们通过低温核磁实验证明分子内氢键影响了柱[5]芳烃苯环翻转的速度：-90 ℃时，十甲氧基取代柱[5]芳烃（2）在氘代丙酮中没有峰的裂分;-60 ℃时，全羟基取代柱[5]芳烃（3）在氘代丙酮中有峰的裂分。同时，受分子内氢键作用影响，全羟基取代柱[6]芳烃（4）处于最稳定状态时（如图2b）：间隔位的苯环取向相同，两个取向的苯环交替存在[6]。Stoddart等人[8]进一步证实了该结论：A1/A2-对羟基取代柱[5]芳烃（5）的单晶衍射结构（如图2c）表明其处于最稳定的状态时，羟基与相邻分子形成分子内氢键，羟基取代苯环与其余所有甲氧基取代苯环方向相反。Ogoshi等[9]在A1/B2-羟基取代柱[5]芳烃（6）单晶结构（如图2d）中发现同样现象。 　　除此之外，Ogoshi等[5]还证明柱芳烃空腔络合客体分子后，在一定程度上会使其苯环翻转能垒升高，从而抑制翻转。客体分子正辛基联吡啶与十甲氧基柱[5]芳烃（2）形成准轮烷复合物，低温核磁实验表明：在-30 ℃以下柱芳烃苯环翻转运动变缓慢，在-60 ℃以下几乎无变化，苯环翻转被抑制。
　　2  固有手性柱芳烃的拆分
　　手性柱芳烃的拆分一直都是科学工作者关注的课题。受之前工作的启发，Ogoshi等[10]在柱[5]芳烃母环上引入大位阻基团：环己基甲基，得到十环己基甲基柱[5]芳烃（7）外消旋体（如图3a）。
　　采用手性色谱柱法，首次实现了柱[5]芳烃对映体的分离，得到两个对映异构体。随后，他们[11]又使用偶联反应合成了A1/A2-二联噻吩柱[5]芳烃（8）外消旋体（如图3a），同样采用手性色谱柱法，拆分得到P型和M型单一构型的异构体。
　　除通过上述在柱芳烃母体上直接修饰实现手性柱芳烃的拆分，还可以利用片段缩合法制备柱芳烃，再通过柱层析得到单一构型的柱芳烃。近来，Mohamod等[12]以不对称（1-苄氧基-4-环己基甲氧基）苯和1，4-双（环己基甲氧基）苯为原料制备了单苄基取代柱[5]芳烃，之后采用钯/碳催化加氢脱保护，得到单羟基官能化的柱[5]芳烃（9）。该化合物与手性化合物衍生后生成非对映异构体混合物，通过柱层析法分离两个非对映异构体，去除手性基团后即可得到两个单一构型的异构体（如图3b）。
　　以柱芳烃为骨架，通过主客体相互作用形成轮烷，从而确定柱芳烃的绝对立体化学结构，也成为了制备其对映体纯化合物的一种策略。Ogoshi等[13]于2012年以柱芳烃为轮、吡啶衍生物为轴，利用柱芳烃与吡啶盐的主客体作用，同时采用点击反应封端合成了[2]轮烷和[3]轮烷（如图4）。
　　[2]轮烷是外消旋体，对乙氧基取代柱[5]芳烃环为（P）型（10）或者均为（M）型（11）。[3]轮烷包括三种异构体：柱芳烃环为（P+P）型（12），（P+M或M+P）型（13），（M+M）型（14）。最后，采用手性色谱柱法，他们成功地分离了[2]轮烷、[3]轮烷的对映异构体。
　　以索烃为基础的机械互锁模型同样可被应用于柱芳烃手性拆分。刘育等[14]使用经典的酰胺化反应，一步高效地由双功能化柱[5]芳烃准轮烷合成机械自锁分子，并成功分离得到准[1]索烃单体（如图5a）和二聚类索烃（如图5b）。由于柱[5]芳烃的固有手性，使得索烃单体亦具有固有手性。二聚类索烃由两个酰胺链穿接两个柱[5]芳烃形成：当两个柱[5]芳烃为相反构象（P+M）时，二聚索烃成为内消旋体，没有手性信号;而当两个柱[5]芳烃构象为（P+P）或者（M+M）时，二聚索烃也获得固有手性。这种手性拓扑结构的获得，将极大地促进这类复杂手性结构在超分子和材料科学技术中的实际应用。
　　3  柱芳烃的手性转换
　　很多主客体络合物，通过改变外界的条件可以调控其组装形态，而柱芳烃主客体组装形态的改变可进一步实现柱芳烃分子手性的转换。目前，利用柱芳烃自身连接的烷基长链或冠醚类长链作为客体，通过溶剂、温度、离子响应的方式调控其组装形态，实现了柱芳烃异构体间的转换（如图6）。
　　2013年，Ogoshi等[15]合成了一类由柱[5]芳烃与长链烷烃构筑的新型双环结构准[1]索烃，同时利用溶剂效应对主客体包结行为的影响以及主客体络合能力的差异，实现了准[1]索烃手性转换：利用己二氰或者烷基链铵盐在氯仿或甲醇中与柱芳烃结合能力与二氯乙烷或乙腈中不同，可实现准[1]索烃由in-P型转变为out-M型;同时利用冠醚、柱[5]芳烃与烷基链铵盐包结能力的不同，实现了准[1]索烃由in-M型向out-P型，再向in-M型的转变。
　　采用类似的策略，杨成等[16]证明了温度对长链烷烃双环柱[5]芳烃和不同长度冠醚链双环手性柱[5]芳烃对映体转化有不同程度的影响：相对于长链醚链双环手性柱[5]芳烃而言，短冠醚链柱[5]芳烃的手性更易随温度的改变发生转换，随着温度的降低，冠醚链柱[5]芳烃会由in-M型转变为out-P型;长链烷烃双环柱[5]芳烃的构型随着温度的降低会由out-P型转变为in-M型。2018年，文珂等[17]同样发现己二腈客体与柱芳烃的主客体相互作用可引起准[1]索烃手性转换，并且其手性转换取决于索烃长链中自包含的双（吡嗪-2-氧基）烷烃链长度，研究证明：只有烷烃链长度适当时，手性转换才能发生。
　　同样的， Lee等[18]合成了硫杂冠醚柱[5]芳烃，并利用其与不同汞盐组装模式不同以实现柱芳烃构型的转换：当柱[5]芳烃上的硫原子与高氯酸汞盐exo-配位时，该硫杂冠醚柱[5]芳烃为out-M型;当加入碘化汞或者加入碘离子置换氯离子后，硫原子与汞形成endo-配位，该硫杂冠醚柱[5]芳烃转换为in-P型。
　　除利用柱芳烃自身连接的烷基长链或冠醚类长链作为客体外，引入独立的客体分子也能实现柱芳烃的构象翻轉。2019年，Jung等[19]合成了母环构象分别为P型和M型的D/L-丙氨酸取代柱[5]芳烃，并研究了客体分子烷基链长短对其手性转换的影响。当长链烷基吡啶或长链烷基咪唑作为客体分子时，柱
　　[5]芳烃手性发生转换;当吡啶盐作为客体分子时，柱[5]芳烃手性保持不变;而当短链烷基咪唑分子作为客体时，柱芳烃变为外消旋体混合物。该研究证明：客体分子烷基链长短对柱[5]芳烃手性变化有很大影响，长链客体分子更有利于构型翻转。
　　这些固有手性研究为手性控制系统的构建提供了一种新的策略，同时也为柱状芳烃中影响手性转换的客体分子的系统设计提供了依据。
　　4  应用与展望
　　固有手性柱芳烃在手性分离、催化等方面显示出广阔的应用前景。Stoddart课题组[20]将P型和M型A1/A2-苯甲酸柱[5]芳烃分别与Zn4O簇连接在一起，形成了包含活性域的同手性金属有机框架化合物（MOF），这些活性域能够吸收大量吡啶阳离子和对二硝基苯。通过MOF上富π电子柱[5]芳烃和缺电子客体分子之间的高特异性电荷转移作用，可以实现客体分子的有序分布。基于柱[5]芳烃良好的理化性质，此类MOF未来还可用作固定相载体应用到手性分离领域。 　　Ogoshi等[21]使用環己基甲氧基修饰的柱[5]芳烃衍生物和二苯基膦修饰的柱[5]芳烃衍生物为手性配体进行了钯催化的不对称硅氢加成反应。P型和M型异构体均表现出催化活性，产物的对映体过量值分别为20%和19%。这是固有手性柱[5]芳烃作为配体在过渡金属催化不对称反应中的首例应用。
　　综上所述，随着柱芳烃手性研究不断深入，一系列具有新型结构的固有手性柱芳烃被设计、合成出来，极大丰富了分子手性的内涵。由于固有手性柱芳烃易官能化、理化性质优良，其在手性光学材料、刺激响应材料、手性传感器、手性催化剂、手性载体和手性纳米材料等领域的应用具有广阔的发展空间和研究意义。
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