葫芦脲的研究进展_杨辉

收稿:2008年3月,收修改稿:2008年5月 *国家自然科学基金项目(No.20674045)资助**通讯联系人 e -mail:ybtan@葫芦脲的研究进展*杨 辉 谭业邦**黄晓玲 王月霞(山东大学化学与化工学院 济南250100)摘 要 近几年葫芦脲和其衍生物由于其特殊的结构与性质已引起密切关注。

本文综述了葫芦脲的最新研究进展,包括葫芦脲及其衍生物的分子设计与合成,与聚电解质形成主链(准)聚轮烷和侧链(准)聚轮烷,与其他有机客体分子相互作用形成轮烷和准轮烷,以及葫芦脲分子及其衍生物在囊泡、二维聚合物、色谱固定相、生物体以及药物缓释方面的最新应用。

关键词 葫芦脲 自组装 轮烷 有机客体分子中图分类号:O631;O641.3;O626 文献标识码:A 文章编号:1005-281X(2009)01-0164-10Research Progress of CucurbiturilYang Hui Tan Yebang **Huang Xiaoling Wang Yuexia(School of Chemistry and Chemical Engineering,Shandong University,Jinan 250100,China)Abstract In recent years,cucurbituril(CB [n ])and its derivatives have attracted considerable attentions because of their special structures and properties.In this paper,the new development of cucurbituril is sum marized,including the design and synthesis of cucurbituril and their derivatives,forming the main -chain (pseudo)polyrota xanes and side -c hain (pseudo )polyrotaxane with the polyelectrolyte,and forming (pseudo )rotaxane with other organic guest molecules.Applications of cucurbituril are also revie wed including vesicles,2D polymers,stationary phases in chromatography,organism and drug release.Key words cucurbituril;sel-f assembly ;rotaxane;organic guest molec ulesContents1 Synthesis1.1 Synthesis of CB[n ]analogues and congeners 1.2 Functionalization of CB[n ]1.2.1 Fully substituted CB[n ]using substituted glyco -luril1.2.2 Partially substituted CB [n ]using substitutedglycoluril1.2.3 Direct substituented CB[n ]2 Structure and characteristic of CB[n ]3 The formation of (pseudo)rotaxane by assembly of CB[n ]with other molecules3.1 Synthesis of polyrotaxanes using CB[n ]as the cat -alyst by organic polymerization reaction 3.2 Side -chain polyrotaxane containing CB[n ]3.3 Interaction between CB[n ]and other organic guestmolecules 4 Applications 4.1 Vesicles 4.2 2D polymers4.3 Applications of CB[n ]in chromatography 4.4 The development of CB[n ]in organism and c on -trolled drug delivery 5 Conclusions and outlook第21卷第1期2009年1月化 学 进 展PROGRESS I N C HE MISTRYVol.21No.1 Jan.,2009自1987年Lehn提出超分子化学的概念后,超分子化学得到迅速发展,特别是分子组装和分子识别,取得了令人瞩目的成就。

超分子化学的基础和核心是分子识别。

所谓分子识别是指主体(或受体)与客体(或底物)通过非共价键相互作用,选择性结合并产生某种特定功能的过程,是组装及组装功能的基础。

在分子识别和组装等方面研究中,往往只有具有特殊和有效识别部位或基团的分子,才能成为理想的超分子受体。

葫芦脲家族因其特殊的结构特征,已经成为国内外的研究热点,特别是近5年,葫芦脲分子自组装形成轮烷或准轮烷在分子开关、分子梭、信息存储等方面,以及葫芦脲主客体化学在生物体以及药物缓释等方面都具有潜在的价值。

国内外已有专著对葫芦脲做过介绍[1)12],如Kim、Isaacs、刘育、吴成泰、杨频等[2,3,6,9,12]都对葫芦脲研究进展进行过综述。

本文在此基础上主要综述了近几年葫芦脲的合成和功能化作用,葫芦脲与聚电解质、有机分子相互作用形成轮烷和准轮烷,以及其在囊泡、二维聚合物、色谱固定相、生物体和药物缓释方面应用的新进展。

1合成1.1葫芦脲家族的合成1905年Behrend等[13]报道了由甘脲和甲醛反应得到一种新型大环化合物,认为其化学式为C10H112 N7O4#4H2O。

直至1976年,Freeman等[14]重新研究了这个反应,利用X射线衍射测定其晶体结构重新确定了该大环化合物的结构,因其形状与葫芦类似,故用葫芦脲(cucurbit[n]uril,CB[n])来命名这种大环化合物。

这个俗名已被广泛接受,国内又称该大环化合物为瓜环,为表明环中的结构单元数,采用类似于杯芳烃的命名规则,可称为葫芦[n]脲(CB[n])。

葫芦脲一般通过乙二醛和尿素在酸性条件下反应制得甘脲,然后甘脲与过量甲醛在酸性条件下缩合环化制得[13,14]。

Buschmann等[15]优化了合成路线,可以安全经济地制备CB[6]。

一直到1995年,对于CB[6]的自组装结构、超分子实体以及应用研究才开始有了快速的发展。

特别是随着Anthony和Kim几乎同时发现五、七、八等其他多元葫芦脲,从而形成了葫芦[5,6,7,8]脲家族。

这一研究结果为葫芦脲的理论及应用研究拓展了研究空间和应用领域。

Kim等[16]发现了CB[5)11],并分离得到了CB [5,7,8],即分别含有5,7,8个甘脲单元的葫芦脲。

毕强等[17]根据各元葫芦脲在水和盐酸两种溶剂中溶解度的不同,提出了通过水-盐酸两步分离混合葫芦脲的方法,使CB[5]、CB[6]、CB[7]和CB[8]的分产率分别达到7819%、9210%、8810%和7510%,为多元葫芦脲的分离提纯提出了一个新的方法。

Buschmann等[18]在稀盐酸中回流合成提纯得到了CB[5],而Day等[19]在研究葫芦脲的合成条件时,意外的得到CB[5]@CB[10],并在CB[10]的空腔内扑捉到了CB[5],进一步壮大了葫芦脲家族,为葫芦脲在分子器件上的应用提供了条件。

Isaac s 等[20]成功地从CB[5]@CB[10]分离出了CB[10],他们利用三聚氰胺二元胺代替CB[5],然后酰基化,再用过量的水冲洗出新客体,得到了CB[10]。

Kim等[21]发明了利用微波协助合成葫芦脲的方法,该方法能够有效快速地合成出葫芦脲混合物,这为以后葫芦脲的规模生产提供了一个有效途径。

最近,葫芦脲新添了一类化合物,即反向葫芦脲(i CB[n]),反向葫芦脲包括一个反向的甘脲单元。

Kim和Isaacs等[22]从甘脲和甲醛反应产生的混合物中分离提纯了i CB[6]和i CB[7],其产率分别为210%和014%。

该反向甘脲单元的亚甲基氢质子指向葫芦脲的空腔内部,该特殊结构使得反向葫芦脲与其相应正常葫芦脲相比较,空腔变小、对称性变差,他们又通过在浓盐酸中加热i CB[6]得到CB[5]、CB[6]、CB[7]的实验,证明了反向葫芦脲是动力学控制产物。

Isaacs等[23]研究发现在酸的水溶液中加热i CB [6]和i CB[7]可以分别转换成CB[5]和CB[6],更有趣的是,在无水酸中加热i CB[6]可以转化成CB[6]。

研究认为其转化机理为具有Mobius几何学的CB[6]的非对映异构体作为中间态的反应机理,这为葫芦脲的合成提供了一个改良路线。

Isaacs等[24]通过两个三聚甘脲和两个甲醛合成出一个葫芦脲家族的新成员,)个手性的非闭联CB [6]即(?)-bis-nor-seco-CB[6],并通过对逐步生长聚合的研究,加深了对葫芦脲形成机理的认识,又通过1H NMR研究了该手性分子与手性胺的非对称选择性络合作用,预测了(?)-bis-nor-seco-CB[7,8,10]和功能化胺的衍生物会有更高的非对称选择性,并且有希望通过互变选择性分子设计扩大非手性葫芦脲的应用范围。

112葫芦脲的功能化虽然葫芦脲化学随着葫芦脲同系物的发现而得#165#第1期杨辉等葫芦脲的研究进展到了一定的发展,但是葫芦脲的应用却一直受到限制,主要原因有两点:一是葫芦脲在水和普通有机溶剂中溶解性很差;二是相对于冠醚、环糊精、杯芳烃等主体化合物来说,直接在其表面引入官能团很困难。

理论上有3种方法能够在其外围引入官能团:一是取代甘脲与甲醛反应制备取代葫芦脲;二是取代甘脲与取代乙醛反应制备取代葫芦脲;三是在葫芦脲上直接引入取代基[25]。

本文将对这3种合成路线进行综述。

11211 用取代甘脲制备全取代葫芦脲衍生物同甘脲和过量甲醛在酸性条件下制备葫芦脲一样,取代甘脲和过量甲醛在酸性条件下合成在葫芦脲中间/赤道0有取代基的葫芦脲,其中取代基包括甲基、乙基、苯基等。

1992年,Stoddart 等[26]研究发现了环状五聚体,经X 射线衍射分析确定为十甲基葫芦[5]脲(见图1)。