CN111533741B - 一种具有疏水性内腔的大环化合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有疏水性内腔的大环化合物及其制备方法，属于轻型化工技术领域。本发明所述的大环化合物的具体制备方法为：双酸化合物酰氯化后，与双胺化合物在缚酸剂的作用下制备得到式1所示的具有疏水性内腔的大环化合物。本发明通过对反应单体的设计制备出的大环化合物具有立体空腔结构，对于Pb²⁺和Cu²⁺具有特异性选择螯合，对Pb²⁺的去除率达到98％以上，对于Cu²⁺的去除率达到89％以上，对于其他的金属离子去除率很低，而且产率高，合成方法简便易行。

Description

一种具有疏水性内腔的大环化合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有疏水性内腔的大环化合物及其制备方法，属于轻型化工技术领域。

背景技术

大环化合物对客体具有较好的络合能力和选择性使其在催化、分子识别、分子器件、医药卫生、重金属分离、离子选择性输送等方面有着广阔的应用前景。目前大环化学迅猛发展，已成为最有活力和前景的化学前沿领域之一。超分子化合物的研究已经从冠醚、环糊精发展到杯芳烃、柱芳烃以及葫芦脲等化合物。其中环糊精、杯芳烃大环化合物因具有特定孔径的疏水性内腔的而可以选择性的结合金属离子以及有机化合物而受到了人们的关注，被广泛应用到药物缓释剂、异构体和对映体分离、以及异味去除等领域。

然而目前大环化合物的结构较为单一，而且一般合成大环化合物为平面结构，与客体结合效果差。

文献(Size-dependent patterned recognition and extraction of metalions by a macrocyclicaromatic pyridone pentamer，DOI:10.1039/c4cc05197a)提及了一种大环芳香族吡啶酮五聚物，但是其对于很多种金属离子都具有结合性能，不具有选择性。

发明内容

为了解决上述至少一个问题，本发明提供了一种大环化合物，具有立体空腔结构，对于Pb²⁺和Cu²⁺具有特异性选择结合，而且产率高，合成方法简便易行。

本发明的第一个目的是提供一种大环化合物，其结构式如式1所示：

其中，R₁为C_xH_y，x＝5～16，y＝5～33；R₂为C_xH_y，x＝5～16，y＝5～33。

在一种实施方式中，R₁＝C₈H₁₇,C₁₂H₂₅，C₁₆H₃₃中的一种。

在一种实施方式中，R₂＝C₈H₁₇,C₁₂H₂₅，C₁₆H₃₃中的一种。

在一种实施方式中，R₁＝C₈H₁₇,R₂＝C₁₆H₃₃。

在一种实施方式中，所述化合物的合成路线如下：

本发明的第二个目的是本发明所述的大环化合物的合成方法。

在一种实施方式中，所述化合物的合成方法，包括：

式2所示结构的双酸化合物酰氯化后，与式3所示结构的双胺化合物在缚酸剂的作用下制备得到式1所示的大环化合物。

在一种实施方式中，其中，R₁为C_xH_y，x＝5～16，y＝5～33；R₂为C_xH_y，x＝5～16，y＝5～33。

在一种实施方式中，R₁＝C₈H₁₇，C₁₂H₂₅，C₁₆H₃₃中的一种。

在一种实施方式中，R₂＝C₈H₁₇，C₁₂H₂₅，C₁₆H₃₃中的一种。

在一种实施方式中，所述酰氯化反应中采用的酰化试剂为草酰氯或氯化亚砜中的一种。

在一种实施方式中，所述的缚酸剂为无水碳酸钾、无水碳酸钠、三乙胺中的一种。

在一种实施方式中，所述的式2的双酸化合物的制备方法为：在溶剂N,N-二甲基甲酰胺中加入化合物4,6-二羟基间苯二甲酸乙酯和卤代烷，在碳酸钾存在下反应；反应结束后将产物溶于热甲醇，滴加NaOH，回流反应后加HCl调节溶液pH至3，过滤得双酸化合物。

在一种实施方式中，N,N-二甲基甲酰胺的用量为30mL，4,6-二羟基间苯二甲酸乙酯的用量为5mmol，卤代烷的用量为20mmol，碳酸钾的用量为30mmol，热甲醇的用量为40mL，NaOH的浓度为0.5M，NaOH的用量为25mL，反应条件为100℃反应2天，回流反应的时间为30-40min。

在一种实施方式中，所述的卤代烷为1-溴辛烷。

在一种实施方式中，所述的酰氯化过程为：将双酸化合物溶于无水二氯甲烷中，滴加无水N,N-二甲基甲酰胺DMF，在冰浴条件下加入过量草酰氯搅拌反应，之后升温至室温继续反应，反应结束后减压蒸馏得到双酰氯。

在一种实施方式中，双酸的用量为0.5mmol，无水二氯甲烷的用量为10mL，无水N,N-二甲基甲酰胺DMF的用量为两滴，草酰氯的用量为20mmol，搅拌反应时间为30min，升温至室温继续反应的时间为1h。

在一种实施方式中，所述的大环化合物的制备具体为：将3,5-二氨基-N-烷基吡啶酮溶于无水二氯甲烷，加入缚酸剂三乙胺后于-20℃下加入滴加双酰氯的二氯甲烷溶液，之后升温至室温，搅拌反应后回流；反应结束后去除溶剂，得到的固体经甲醇、水、丙酮充分洗涤后干燥得到大环化合物。

在一种实施方式中，所述的3,5-二氨基-N-烷基吡啶酮为,5-二氨基-1-十六烷基吡啶酮。

在一种实施方式中，3,5-二氨基-1-十六烷基吡啶酮的用量为0.5mmol，无水二氯甲烷的用量为10mL，缚酸剂三乙胺的用量为0.5mL，升温至室温搅拌反应的时间为4-6h，回流时间为24h。

本发明的第三个目的是本发明所述的大环化合物在选择性识别领域中的应用。

本发明的第四个目的是本发明所述的大环化合物在金属离子选择性识别中的应用。

在一种实施方式中，所述的金属离子为Pb²⁺、Cu²⁺中的一种或两种。

本发明的第五个目的是本发明所述的大环化合物在结合铵离子中的应用。

在一种实施方式中，所述的铵离子为西吡氯铵。

本发明的第六个目的是一种金属离子螯合剂，采用本发明所述的大环化合物。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过对反应单体的设计制备出的大环化合物具有立体空腔结构，对于Pb²⁺和Cu²⁺具有特异性选择结合，对Pb²⁺的去除率达到98％以上，对于Cu²⁺的去除率达到89％以上，对于其他的金属离子去除率很低，而且产率高，合成方法简便易行。

(2)本发明的大环化合物可以选择性结合西吡氯铵，对西吡氯铵的去除率达到53％以上。

附图说明

图1为实施例1的核磁共振氢谱图。

图2为实施例1的质谱图。

图3为对照例1的质谱图。

图4为对照例2的质谱图。

图5为对照例3的质谱图。

图6为对照例4的质谱图。

图7为对照例5的质谱图。

图8为实施例1的化合物与铵盐作用后的核磁共振氢谱图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

实施例1：

一种具有疏水性内腔的大环化合物的制备方法，包括如下步骤：

(1)在溶剂N,N-二甲基甲酰胺(30mL)中加入化合物4,6-二羟基间苯二甲酸乙酯(5mmol)和1-溴辛烷(20mmol)，在碳酸钾(30mmol)存在下于100℃反应2天，产物溶于热甲醇(40mL)，滴加0.5M NaOH(25mL)，回流反应30-40min后加HCl调节溶液pH至3，过滤得双酸。

(2)双酸(0.5mmol)溶于无水二氯甲烷(10mL)中，滴加两滴无水DMF，在冰浴条件下加入过量草酰氯(20mmol)搅拌反应30min，升温至室温继续反应1h后减压蒸馏得到双酰氯；

(3)称取3,5-二氨基-1-十六烷基吡啶酮(0.5mmol)，溶于无水二氯甲烷(10mL)，加入缚酸剂三乙胺(0.5mL)后于-20℃下加入滴加双酰氯的二氯甲烷溶液，升温至室温搅拌4-6h后回流24h。反应结束后去除溶剂，得到的固体经甲醇、水、丙酮充分洗涤后干燥得到最终产物。

具体的合成路线如下：

最终产物的核磁共振氢谱结果：

¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ10.61(s,6H),9.12(s,3H),9.10(s,6H),6.59(s,3H),4.31(s,12H),3.94(s,6H),2.25–2.22(m,12H),1.91(s,6H),1.41(s,6H),1.39(s,12H),1.37–1.25(m,120H),0.87(t,J＝6.7Hz,9H),0.81(t,J＝6.6Hz,18H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ162.6,162.2,160.7,137.3,126.9,115.3,96.3,70.1,59.1,31.9,31.2,29.8,28.9,28.7,26.3,22.6,14.1.MALDI-TOF-HRMS(m/z)calcd.For C₁₃₅H₂₂₀N₉O₁₅ ⁺[M+H]⁺2208.6757,found[M+H]⁺2208.0945.

从图1和图2可以看出：实施例1合成了具有疏水性内腔的大环化合物。

对照例1(将实施例1中的1-溴辛烷替换为碘甲烷，3,5-二氨基-1-十六烷基吡啶酮替换为3,5-二氨基-1-苄基基吡啶酮)

(1)在溶剂N,N-二甲基甲酰胺(30mL)中加入化合物4,6-二羟基间苯二甲酸乙酯(5mmol)和碘甲烷(20mmol)，在碳酸钾(30mmol)存在下于100℃反应2天，产物溶于热甲醇(40mL)，滴加0.5M NaOH(25mL)，回流反应30-40min后加HCl调节溶液pH至3，过滤得双酸。

(2)双酸(0.5mmol)溶于无水二氯甲烷(10mL)中，滴加两滴无水DMF，在冰浴条件下加入过量草酰氯(20mmol)搅拌反应30min，升温至室温继续反应1h后减压蒸馏得到双酰氯；称取3,5-二氨基-1-苄基基吡啶酮(0.5mmol)，溶于无水二氯甲烷(10mL)，加入缚酸剂三乙胺(0.5mL)后于-20℃下加入滴加双酰氯的二氯甲烷溶液，升温至室温搅拌4-6h后回流24h。反应结束后去除溶剂，得到的固体经甲醇、水、丙酮充分洗涤后干燥产物非常复杂，难以分离。

具体的合成路线如下：

最终得到的产物里面包含以下结构式(4、4a、5a)的物质，成分复杂，难以分离。

对照例2(将实施例1中的1-溴辛烷替换为碘甲烷)

(1)在溶剂N,N-二甲基甲酰胺(30mL)中加入化合物4,6-二羟基间苯二甲酸乙酯(5mmol)和碘甲烷(20mmol)，在碳酸钾(30mmol)存在下于100℃反应2天，产物溶于热甲醇(40mL)，滴加0.5M NaOH(25mL)，回流反应30-40min后加HCl调节溶液pH至3，过滤得双酸。

(2)双酸(0.5mmol)溶于无水二氯甲烷(10mL)中，滴加两滴无水DMF，在冰浴条件下加入过量草酰氯(20mmol)搅拌反应30min，升温至室温继续反应1h后减压蒸馏得到双酰氯；称取3,5-二氨基-1-十六烷基吡啶酮(0.5mmol)，溶于无水二氯甲烷(10mL)，加入缚酸剂三乙胺(0.5mL)后于-20℃下加入滴加双酰氯的二氯甲烷溶液，升温至室温搅拌4-6h后回流24h。反应结束后去除溶剂，得到的固体经甲醇、水、丙酮充分洗涤后干燥产物非常复杂，难以分离。

具体合成路线如下：

最终得到的产物里面包含以下结构式(3、4、6)的物质，成分复杂，难以分离。

对照例3(将实施例1中的1-溴辛烷替换为溴代叔丁烷)

(1)在溶剂N,N-二甲基甲酰胺(30mL)中加入化合物4,6-二羟基间苯二甲酸乙酯(5mmol)和溴代叔丁烷(20mmol)，在碳酸钾(30mmol)存在下于100℃反应2天，产物溶于热甲醇(40mL)，滴加0.5M NaOH(25mL)，回流反应30-40min后加HCl调节溶液pH至3，过滤得双酸。

(2)双酸(0.5mmol)溶于无水二氯甲烷(10mL)中，滴加两滴无水DMF，在冰浴条件下加入过量草酰氯(20mmol)搅拌反应30min，升温至室温继续反应1h后减压蒸馏得到双酰氯；称取3,5-二氨基-1-十六烷基吡啶酮(0.5mmol)，溶于无水二氯甲烷(10mL)，加入缚酸剂三乙胺(0.5mL)后于-20℃下加入滴加双酰氯的二氯甲烷溶液，升温至室温搅拌4-6h后回流24h。反应结束后去除溶剂，得到的固体经甲醇、水、丙酮充分洗涤后干燥产物非常复杂，难以分离。

具体合成路线如下：

对照例4(将3,5-二氨基-1-十六烷基吡啶酮替换为3,5-二氨基-1-十二烷基吡啶酮)

(1)在溶剂N,N-二甲基甲酰胺(30mL)中加入化合物4,6-二羟基间苯二甲酸乙酯(5mmol)和1-溴辛烷(20mmol)，在碳酸钾(30mmol)存在下于100℃反应2天，产物溶于热甲醇(40mL)，滴加0.5M NaOH(25mL)，回流反应30-40min后加HCl调节溶液pH至3，过滤得双酸。

(2)双酸(0.5mmol)溶于无水二氯甲烷(10mL)中，滴加两滴无水DMF，在冰浴条件下加入过量草酰氯(20mmol)搅拌反应30min，升温至室温继续反应1h后减压蒸馏得到双酰氯；称取3,5-二氨基-1-十二烷基吡啶酮(0.5mmol)，溶于无水二氯甲烷(10mL)，加入缚酸剂三乙胺(0.5mL)后于-20℃下加入滴加双酰氯的二氯甲烷溶液，升温至室温搅拌4-6h后回流24h。反应结束后去除溶剂，得到的固体经甲醇、水、丙酮充分洗涤后干燥产物非常复杂，难以分离。

具体合成路线如下：

对照例5(将3,5-二氨基-1-十六烷基吡啶酮替换为3,5-二氨基-1-正癸烷基吡啶酮)

(1)在溶剂N,N-二甲基甲酰胺(30mL)中加入化合物4,6-二羟基间苯二甲酸乙酯(5mmol)和1-溴辛烷(20mmol)，在碳酸钾(30mmol)存在下于100℃反应2天，产物溶于热甲醇(40mL)，滴加0.5M NaOH(25mL)，回流反应30-40min后加HCl调节溶液pH至3，过滤得双酸。

(2)双酸(0.5mmol)溶于无水二氯甲烷(10mL)中，滴加两滴无水DMF，在冰浴条件下加入过量草酰氯(20mmol)搅拌反应30min，升温至室温继续反应1h后减压蒸馏得到双酰氯；称取3,5-二氨基-1-正癸烷基吡啶酮(0.5mmol)，溶于无水二氯甲烷(10mL)，加入缚酸剂三乙胺(0.5mL)后于-20℃下加入滴加双酰氯的二氯甲烷溶液，升温至室温搅拌4-6h后回流24h。反应结束后去除溶剂，得到的固体经甲醇、水、丙酮充分洗涤后干燥产物非常复杂，难以分离。

具体合成路线如下：

实施例2(实施例1的化合物的应用：金属离子的选择性结合)

实施例1得到的大环化合物与金属离子的选择性结合能力通过氯仿-水的两相萃取实验进行测试。

具体的测试方法为：将体积为2mL浓度为1.8mM的大环化合物氯仿溶液加入到浓度分别为0.1mM的含有Cs⁺，Ba²⁺，K⁺，Rb⁺，Ag⁺，Na⁺，Hg²⁺，Pb²⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Li⁺，Mg²⁺，Al³⁺，Mn²⁺，Fe³⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cr⁺20种金属离子的混合溶液水中。室温搅拌24小时，水相中金属离子的残留浓度通过ICP-MS进行测试，并据此计算该大环化合物对金属离子的去除效率，检测结果如表1所示。

对照例6

按照文献(Size-dependent patterned recognition and extraction of metalions by a macrocyclicaromatic pyridone pentamer，DOI:10.1039/c4cc05197a)制备得到大环化合物，具体结构如下所示：

按照实施例2的测试方式进行性能测试，具体结果如下表1所示：

表1实施例2和对照例6的测试结果

从表1可以看出：实施例1的化合物对于Pb²⁺和Cu²⁺具有特异性选择螯合的作用，而采用对照例6的化合物进行金属离子检测，对于很多种离子都具备很好的螯合作用，不具备特异性选择螯合。

实施例3(实施例1的化合物的应用：铵离子的选择性结合)

在水体中，季铵盐阳离子(比如西吡氯铵)对藻类、鱼类、贝类、轮虫、海星和虾等水生生物均具有较高的毒性，EC50/LC50(半数有效/半数致死)一般在mg/L级甚至更低。

所以提供一种对西吡氯铵具有选择性螯合的螯合剂是非常重要的。

利用核磁共振氢谱对实施例1得到的大环化合物(Macrocycle 3)与N-甲基吡啶溴化物(a)、百草枯(b)、苯甲地那铵(c)以及西吡氯铵(d)等铵盐的主-客体行为进行研究。

具体的实验方法为：将加入1摩尔当量的铵盐加入大环化合物的氘代氯仿溶液中。从图8可以看出：加入1摩尔当量的铵盐后，只有西吡氯铵使得大环化合物上质子峰化学位移向高场方向发生移动，可以说明主客体之间发生了相互作用。

在此基础上通过氯仿-水的两相萃取实验测试大环化合物与铵盐的选择性结合能力。具体的测试方法为：将体积为2mL浓度为2.0mM的大环化合物氯仿溶液加入到浓度分别为0.5mM的含有N-甲基吡啶溴化物(a)、百草枯(b)、苯甲地那铵(c)以及西吡氯铵(d)4种铵盐的混合溶液(水溶液)中。室温搅拌24小时，水相中铵盐的残留浓度通过紫外-可见分光光谱进行测试，并据此计算该大环化合物对铵盐的去除效率，测试结果如表2所示：

表2实施例3的测试结果

铵盐	去除效率(％)
		N-甲基吡啶溴化物	12
百草枯	8
		西吡氯铵	53
苯甲地那铵	15

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种大环化合物，其特征在于，其结构式如式1所示：

其中，R₁为C₈H₁₇；R₂为C₁₆H₃₃。

2.权利要求1所述的大环化合物的合成方法，其特征在于，合成路线如下：

其中，R₁为C₈H₁₇；R₂为C₁₆H₃₃。

3.权利要求2所述的大环化合物的合成方法，其特征在于，所述的合成方法包括如下步骤：式2所示结构的双酸化合物酰氯化后，与式3所示结构的双胺化合物在缚酸剂的作用下制备得到式1所示的大环化合物。

4.根据权利要求3所述的合成方法，其特征在于，式2所示结构的双酸化合物的制备方法为：在溶剂N,N-二甲基甲酰胺中加入化合物4,6-二羟基间苯二甲酸乙酯和卤代烷，在碳酸钾存在下反应；反应结束后将产物溶于热甲醇，滴加NaOH，回流反应后加HCl调节溶液pH至3，过滤得到双酸化合物。

5.根据权利要求3所述的合成方法，其特征在于，所述的酰氯化过程为：将双酸化合物溶于无水二氯甲烷中，滴加无水N,N-二甲基甲酰胺DMF，在冰浴条件下加入过量草酰氯搅拌反应，之后升温至室温继续反应，反应结束后减压蒸馏得到双酰氯。

6.根据权利要求3所述的合成方法，其特征在于，所述的大环化合物的具体合成方法为：将3,5-二氨基-N-烷基吡啶酮溶于无水二氯甲烷，加入缚酸剂后于-20℃下加入滴加双酰氯的二氯甲烷溶液，之后升温至室温，继续搅拌反应后回流；反应结束后去除溶剂，得到的固体经甲醇、水、丙酮充分洗涤后干燥得到大环化合物。

7.权利要求1所述的大环化合物在金属离子去除中的应用。

8.权利要求1所述的大环化合物在结合铵离子中的应用。

9.权利要求1所述的大环化合物在金属离子螯合试剂中的应用。

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