一种阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃及其合成方法
阅读说明：本技术 一种阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃及其合成方法 (Cationic water-soluble inclined column [6] arene and synthetic method thereof ) 是由 唐浩 高兵兵 程健 曹德榕 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃及其合成方法,属于有机化学合成技术领域。该方法包括：首先通过1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯先进行三步衍生得到倾斜柱[6]芳烃单体1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯；随后以氯仿作为溶剂、三氯化铁作为催化剂,对1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯进行聚合,以较高的产率得到了溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃；最后,经过成盐反应得到阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃。该路线的优势在于对单体进行修饰后进行成环,避免了基团过于拥挤引起的反应位阻较大的影响,因而合成产率较高,是阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃的一种高效的合成方法。(The invention discloses a cationic water-soluble inclined column [6] arene and a synthesis method thereof, belonging to the technical field of organic chemical synthesis. The method comprises the following steps: firstly, carrying out three-step derivatization on 1, 4-bis (2, 5-dihydroxybenzyl) benzene to obtain an inclined column [6] aromatic hydrocarbon monomer 1, 4-bis (2, 5-dibromoethoxybenzyl) benzene; then, chloroform is used as a solvent, ferric trichloride is used as a catalyst, 1, 4-bis (2, 5-dibromoethoxybenzyl) benzene is polymerized, and bromoethoxy inclined column [6] arene is obtained with high yield; finally, the cation type water-soluble inclined column [6] arene is obtained through salt forming reaction. The method has the advantages that the monomer is modified and then cyclized, so that the influence of larger reaction steric hindrance caused by overcrowding of a group is avoided, the synthetic yield is higher, and the method is an efficient synthetic method of the cationic water-soluble inclined column [6] arene.)
技术领域
本发明属于有机化学合成技术领域，具体涉及一种阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃及其合成方法。
背景技术
柱芳烃作为公认的第五代大环主体，由于丰富的衍生方式以及优异的主客体性能获得了广泛的关注并得到了全面且深入的研究。2018年杨英威课题组(Desymmetrizedleaning pillar[6]arene.Angew Chem Int Ed Engl[J].2018,57(31):9853-9858)首次报道了一种和柱芳烃结构非常相似的大环芳烃即倾斜柱[6]芳烃，由于倾斜柱[6]芳烃结构中具有两个不含取代基的苯环，这两个苯环旋转时所受到的位阻远小于其他带有取代基的苯环。因此这种大环分子不仅拥有和常规柱[6]芳烃同样大小的空腔，同时由于两个未取代苯环的灵活性，使得倾斜柱[6]芳烃的空腔展现出了一定的适应性，在络合客体分子时，其空腔可以根据客体分子的结构进行一定程度的微调，实现和客体分子最大强度地结合。由于具有高度自适应性的空腔以及其他不逊于柱[6]芳烃的优异的性能，倾斜柱[6]芳烃被广泛应用于异构体分离、分析物监测、药物运输等领域。
然而美中不足的是，由于现有技术中阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃的合成步骤较多，同时先成环后进行修饰的合成路线也导致了较低的总合成收率(1.5％)，这也成为了限制阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃开展广泛研究的一个重要因素。因此，开发出一条高效的倾斜柱[6]芳烃的合成方法就成了当务之急。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃及其合成方法。
为了解决阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃收率较低的问题，本发明另辟蹊径，开发了一种新的合成方法，从相同的起始原料1，4-二乙氧基苯开始，通过对单体先进行若干步骤修饰后进行成环反应的方法，有效地规避了现有技术中由于对起始原料先进行成环后再进行修饰从而导致位阻过大不利于衍生的问题，高效地合成了阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃(总收率为13.4％)，该方法目前没有报道，同时涉及的所有合成的单体都没有报道，具有很好的新颖性。
本发明的目的之一在于提供阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃。
本发明的目的之二在于提供该阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃的合成方法。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃，具有以下的结构式(5)：
其中，R为三甲胺的溴盐、三乙胺的溴盐等中的一种以上。
本发明提供的阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃的制备方法中，化学反应方程式如下所示：
其中：R为三甲胺、三乙胺等的溴盐。
本发明提供的制备阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃的方法，包括如下步骤：
(1)将1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯和溴乙酸乙酯在碱性条件下反应，得到单体A；
(2)将步骤(1)所述单体A以无水四氢呋喃作为溶剂，通过氢化铝锂还原得到单体B；
(3)将步骤(2)所得的单体B溶解在乙腈溶剂中，通过Appeal反应得到1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体；
(4)以氯仿作为溶剂、三氯化铁作为催化剂，通过聚合步骤(3)中得到的1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体和多聚甲醛，得到溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃；
(5)以乙醇作为溶剂，将步骤(4)中得到的溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃和胺类物质(三甲胺、三乙胺等)进行回流，得到所述阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃。
步骤(1)所述1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯和溴乙酸乙酯在碱性条件下反应的化学方程式如下所示：
进一步地，步骤(1)所述1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯和溴乙酸乙酯在碱性条件下反应，具体包括：
在氮气氛围下将无水乙腈、1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯单体、无水碳酸钾加入容器中，搅拌反应，然后加入溴乙酸乙酯和作为催化剂的碘化钾，回流反应，冷却至室温，抽滤取滤液，浓缩滤液，经柱色谱分离得到单体A。
进一步地，所述1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯单体与无水碳酸钾的摩尔比为10:1～30:1；所述无水碳酸钾与无水乙腈的摩尔体积比为1:2～1:5mol/L；所述搅拌反应的时间为30～50min；所述溴乙酸乙酯与1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯单体的摩尔比为5:1～20:1；所述碘化钾与无水碳酸钾的摩尔比为1:100～1：200；所述回流反应的温度为80～90℃，回流反应的时间为36～72h；所述单体A的结构式如下所示：
优选地，所述1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯和溴乙酸乙酯在碱性条件下反应的过程中，所述搅拌反应的时间为40min。
优选地，步骤(1)所述1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯和溴乙酸乙酯在碱性条件下反应，具体包括：
在150mL两口烧瓶中，加入100mL无水乙腈，氮气氛围下依次加入1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯单体、无水碳酸钾(10eq)，室温下搅拌四十分钟，加入溴乙酸乙酯(10eq)和催化量的碘化钾(0.05eq)，回流至反应完全，冷却至室温，抽滤并用洗涤滤饼，浓缩滤液，经柱色谱分离得到单体A。
步骤(2)所述将单体A以无水四氢呋喃作为溶剂，通过氢化铝锂还原得到单体B的化学方程式如下所示：
进一步地，步骤(2)所述将单体A以无水四氢呋喃作为溶剂，通过氢化铝锂还原得到单体B，具体包括：
在氮气氛围和搅拌状态下将四氢呋喃和单体A加入容器中，在冰浴的状态下加入氢化铝锂，恢复至常温，搅拌处理，然后回流反应，冷却至室温，在冰浴状态下加入氢氧化钠溶液淬灭反应至反应液无气泡产生，得到粘稠状物质；将粘稠状物质用四氢呋喃溶解并抽滤，取滤液，旋干后将所得固体洗涤，烘干，得到单体B；所述单体A与四氢呋喃的摩尔比为1:8～1:10mol/L；所述氢化铝锂与单体A的摩尔比为20:1～30:1；所述搅拌处理的时间为4～12h；所述回流反应的温度为60～80℃，回流反应的时间为3～6h；所述单体B的结构式如下所示：
优选地，在将单体A以无水四氢呋喃作为溶剂，通过氢化铝锂还原得到单体B的过程中，所述搅拌处理的时间为6h。
优选地，在将单体A以无水四氢呋喃作为溶剂，通过氢化铝锂还原得到单体B的过程中，所述回流反应的时间为4h。
优选地，在将单体A以无水四氢呋喃作为溶剂，通过氢化铝锂还原得到单体B的过程中，具体步骤为：
在250mL两口反应瓶中，加入100mL重蒸的四氢呋喃，氮气氛围下，搅拌并加入单体A，冰浴至0℃，缓慢分批次加入氢化铝锂(20eq)，加完后恢复室温搅拌6h，回流4h，冷却至室温后，冰浴条件下用浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液淬灭至反应液无气泡产生；将所得粘稠状物质用四氢呋喃溶解并抽滤，并用足量四氢呋喃洗涤滤饼，滤液旋干后将所得固体用水洗涤，将产物烘干后得到单体B。
步骤(3)所述将单体B溶解在无水乙腈溶剂中，通过Appeal反应得到1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体的化学方程式如下所示：
进一步地，步骤(3)所述将单体B溶解在无水乙腈溶剂中，通过Appeal反应得到1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体，具体包括：
将单体B加入无水乙腈中，然后在冰浴状态下加入三苯基膦和四溴化碳，进行反应，得到反应液；将所述反应液倾倒至冰水中，抽滤取滤饼，洗涤，烘干，得到所述1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体；所述单体B与无水乙腈的摩尔体积比为1:75～1:100mol/mL；所述三苯基膦与四溴化碳的摩尔比为1:1～1:1.5；所述单体B与三苯基膦的摩尔比为1:10～1:15；反应的时间为3～5h；所述1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体的结构式如下所示：
优选地，在所述将单体B溶解在无水乙腈溶剂中，通过Appeal反应得到1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体的过程中，反应的时间为3h。
优选地，所述将单体B溶解在无水乙腈溶剂中，通过Appeal反应得到1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体的过程，具体为：
在250mL两口反应瓶中，加入100mL无水乙腈，搅拌下加入单体(2)，冰浴至0℃，加入三苯基膦(10eq)和四溴化碳(10eq)，反应3h后将反应液倾倒至大量冰水中，抽滤得白色滤饼，用大量甲醇洗涤滤饼，将所得滤饼烘干即可得到1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体。
所述以氯仿作为溶剂、三氯化铁作为催化剂，通过聚合1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体和多聚甲醛，得到溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃过程的化学方程式如下所示：
进一步地，步骤(4)所述以氯仿作为溶剂、三氯化铁作为催化剂，通过聚合1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体和多聚甲醛，得到溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃，具体包括：
将1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体与多聚甲醛混合，然后在氮气氛围下加入氯仿，搅拌反应，得到反应液，往所述反应液中加入三氯化铁进行聚合反应，接着用水淬灭反应，静置分层，取有机相，色谱柱分离，得到所述溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃。
进一步地，所述1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体与多聚甲醛的摩尔比为1:3～1:4；所述多聚甲醛与氯仿的摩尔体积比为1:250～1:300mol/L；所述搅拌反应的时间为0.3～0.5h；所述三氯化铁与多聚甲醛的摩尔比为1:15～1:20；所述聚合反应的时间为0.5～3h；所述溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃的结构式如下所示：
优选地，在所述以氯仿作为溶剂、三氯化铁作为催化剂，通过聚合1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体和多聚甲醛，得到溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃的过程中，所述搅拌反应的时间为0.5h。
优选地，在所述以氯仿作为溶剂、三氯化铁作为催化剂，通过聚合1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体和多聚甲醛，得到溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃的过程中，所述聚合反应的时间为40min，可使用TLC小板监测反应。
优选地，在所述以氯仿作为溶剂、三氯化铁作为催化剂，通过聚合1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体和多聚甲醛，得到溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃的过程，具体为：
在250mL两口瓶中，加入溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃以及多聚甲醛(3eq)，对固体进行抽换氮气后，在氮气氛围下加入150mL氯仿，搅拌反应液0.5h，氮气氛围下加入三氯化铁(0.2eq)，用TLC小板监测反应，约40min后原料基本消失，产物点最浓，用200mL水淬灭反应，用分液漏斗萃取得到有机相，旋干后经色谱柱分离，得到溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃。
步骤(5)所述以乙醇作为溶剂，将溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃和胺类进行回流，得到所述阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃过程的化学方程式如下所示：
进一步地，步骤(5)所述以乙醇作为溶剂，将溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃和胺类进行回流，得到所述阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃，具体包括：
将所述溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃溶于无水乙醇中，在氮气气氛下加入胺类溶液，然后进行回流反应，冷却至室温，得到反应液，将所述反应液旋干，将所得固体用水溶解后抽滤，取滤液，将滤液干燥，得到所述阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃。
进一步地，所述胺类溶液的浓度为1～1.5mol/L；所述胺类为三甲胺、三乙胺中的一种以上；所述胺类溶液的溶质与溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃的摩尔比为80:1～100:1；所述回流反应的温度为80～100℃，回流反应的时间为24～36h。
优选地，在所述以乙醇作为溶剂，将溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃和胺类进行回流，得到所述阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃的过程中，所述回流反应的时间为24h。
优选地，在所述以乙醇作为溶剂，将溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃和胺类进行回流，得到所述阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃的过程中，所述胺类溶液的溶质与溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃的摩尔比为90：1。
优选地，所述以乙醇作为溶剂，将溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃和胺类进行回流，得到所述阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃的过程，具体为：
在100mL两口反应瓶中，用50mL无水乙醇溶解溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃，抽换氮气后，加入胺类(三甲胺、三乙胺等)(其中胺的量是溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃的80倍)，密闭条件下回流24h，冷却至室温，将反应液旋干，将所得固体用水溶解后抽滤，将滤液旋干后烘干即可得到阳离子型水溶性倾斜柱[6]芳烃(水溶性季铵盐倾斜柱[6]芳烃)。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明提供的制备方法中，采用的先修饰后成环的合成路线非常高效，节约能源，成环反应中所用的三氯化铁催化剂廉价易得并且无挥发毒性，绿色环保。这种高效的合成线路有利于推广倾斜柱[6]芳烃的广泛应用。
附图说明
图1为实施例1中单体(1)的核磁氢谱图。
图2为实施例1中单体(2)的核磁氢谱图。
图3为实施例1中单体(3)的核磁氢谱图。
图4为实施例1中溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃(4)的核磁氢谱图。
图5为实施例1中水溶性季铵盐倾斜柱[6]芳烃(5)的核磁氢谱图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
实施例1
a.单体(1)的合成：在150mL两口烧瓶中，加入100mL无水乙腈，氮气氛围下依次加入4g(12.4mmol)1,4-双(2,5-二羟基苄基)苯单体、17.2g无水碳酸钾(124.2mmol)，室温下搅拌四十分钟，加入15.2mL溴乙酸乙酯(124.2mmol)和245mg催化量的碘化钾(1.48mmol)，回流至反应完全，冷却至室温，抽滤并用洗涤滤饼，浓缩滤液，经柱色谱分离得到单体(1)。制备产物6.6g，产率为80％，单体(1)的核磁氢谱如图1。核磁氢谱数据：1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.16(d,J＝3.5Hz,4H),6.73(d,J＝5.8Hz,2H),6.71–6.57(m,4H),4.54(dd,J＝11.6,3.6Hz,8H),4.35–4.09(m,8H),3.99(d,J＝3.7Hz,4H),1.29(t,J＝6.8Hz,12H)。
b.单体(2)的合成：在250mL两口反应瓶中，加入100mL重蒸的四氢呋喃，氮气氛围下，搅拌并加入4.0g(6mmol)单体(1)，冰浴至0℃，分批次加入4.6g氢化铝锂(120mmol)，加完后恢复室温搅拌6h，回流4h，冷却至室温后，冰浴条件下用浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液淬灭至反应液无气泡产生。将所得粘稠状物质用四氢呋喃溶解并抽滤，用足量四氢呋喃洗涤滤饼，滤液旋干后将所得固体用水洗涤，将产物烘干后得到单体(2)。制备产物2.7g，产率为89％，单体(2)的1H NMR谱图如图2。核磁氢谱数据：1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ7.15(s,4H),6.86(d,J＝8.6Hz,2H),6.70(d,J＝12.8Hz,4H),4.78(q,J＝5.6Hz,4H),4.06–3.77(m,12H),3.68(dt,J＝19.7,5.1Hz,8H)。
c.单体(3)的合成：在250mL两口反应瓶中，加入100mL无水乙腈，搅拌下加入1g(2mol)单体(2)，冰浴至0℃，加入5.3g三苯基膦(20mmol)和6.64g四溴化碳(20mmol)，反应3h后将反应液倾倒至3L冰水中，抽滤得白色滤饼，用大量甲醇洗涤滤饼，将所得滤饼烘干即可得到1,4-双(2,5-二溴乙氧基苄基)苯单体(3)。制备产物0.8g，产率55％，单体(3)的1HNMR谱图如图3。核磁氢谱数据：1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.15(d,J＝3.9Hz,4H),6.78(d,J＝8.6Hz,2H),6.72(d,J＝9.3Hz,4H),4.22(t,J＝6.1Hz,8H),3.95(s,4H),3.59(dt,J＝12.1,6.3Hz,8H)。
d.单体(4)的合成：在250mL两口瓶中，加入690mg(1mmol)单体(3)以及90mg多聚甲醛(3mmol)，对固体进行抽换氮气后，在氮气氛围下加入150mL氯仿，搅拌反应液0.5h，氮气氛围下加入33mg三氯化铁(0.2mmol)，用TLC小板监测反应，40min后原料基本消失，产物点最浓，用200mL去离子水淬灭反应，用分液漏斗得到有机相，旋干后经色谱柱分离，得到溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃(4)。制备产物106mg，产率35％，溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃(4)的1H NMR谱图如图4。核磁氢谱数据：1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.04(s,8H),6.86(s,4H),6.63(s,4H),4.21(d,J＝6.8Hz,8H),4.13(d,J＝7.1Hz,8H),3.91(d,J＝11.4Hz,12H),3.62(d,J＝7.0Hz,8H),3.44(d,J＝7.1Hz,8H)。
e.单体(5)的合成：在100mL两口反应瓶中，用50mL无水乙醇溶解380mg(0.25)溴乙氧基倾斜柱[6]芳烃(4)，抽换氮气后，加入4mL三甲胺乙醇溶液(20mmol)，密闭条件下回流24h，冷却至室温，将反应液旋干，将所得固体用水溶解后抽滤，将滤液旋干后烘干即可得到水溶性季铵盐倾斜柱[6]芳烃(5)。制备产物489mg，产率为98％，水溶性季铵盐倾斜柱[6]芳烃(5)的1H NMR谱图如图5。核磁氢谱数据：1H NMR(400MHz,D2O):δ7.15(s,8H),7.02(s,4H),6.75(s,4H),4.48(s,8H),4.30(d,J＝6.1Hz,8H),3.89(d,J＝16.2Hz,12H),3.72(d,J＝5.5Hz,8H),3.53(d,J＝5.8Hz,8H),3.10(s,36H),2.87(s,36H)。(R为三甲胺的溴盐)。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。
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