8.2.1 大三环聚醚
大三环聚醚是一类重要的穴醚主体，通常由两个简单冠醚通过单线双桥链连接而形成。其具有两个侧环空腔和一个中心环空腔（图8-4），其在结构和功能上的可塑性使其在生物模拟等领域中的功能与应用研究引起了人们极大的兴趣。1987年，Lehn报道了一种新型的含有卟啉基元的大三环聚醚1，该大环主体分子能够同时配合Zn2+和有机双铵盐离子。2005年，Gibson等发现大三环聚醚2能够与对甲基联吡啶盐形成1∶2的准[3]轮烷（图8-5）。
图8-4 圆柱状大三环聚醚的结构
图8-5 冠醚桥联圆柱状大三环聚醚的结构
通过把刚性的三蝶烯基元和柔性的冠醚结构有机地结合，我们设计合成了一系列由双点四桥链连接的新型圆柱状大三环聚醚主体分子（图8-6）。这类新型的大环主体分子具有显著的结构与功能特点：① 刚性的三蝶烯基元有利于大环主体保持其固有空腔，而柔性的冠醚结构则有助于根据包结的客体来调整主体分子的结构，换句话说，这是一类刚柔并济的大三环聚醚主体分子；② 由于含有一个中心的富电子空腔与两个侧链的冠醚空腔，该类大环主体分子能够对一种客体显示协同的配合作用或者与多种客体形成配合物；③ 多样的配合性质使得基于该类大环主体分子的主客体体系易于对多种外部刺激产生响应，从而有助于进行进一步功能超分子体系的设计与构筑。
1.合成与结构
三蝶烯衍生的大三环聚醚主体由三蝶烯基元与冠醚结构片段有机结合而成，通过在适当的模板下将三蝶烯与相应的冠醚部分连接起来，便可以得到相应的大三环聚醚主体。如图8-7所示，我们以2，3，6，7-四羟基三蝶烯10为原料，经过2步反应得到了大三环聚醚前体15～17。在高稀释的反应溶液中，大三环聚醚前体15～17分别以Cs＋或K＋作为模板与2，3，6，7-四羟基三蝶烯10反应，得到了大三环聚醚主体3～5[7-9]。大三环聚醚前体16与9，10-二甲基-2，3，6，7-四氢氧蒽14在Cs2CO3存在的条件下反应得到了大三环聚醚主体6[10]，与化合物18在CsOH存在的条件下反应得到了大三环聚醚主体7和8[11]。以大三环聚醚主体6为原料，经过3步反应，可以以32%的总收率得到双大三环聚醚主体9[12]。
图8-6 新型圆柱状大三环聚醚的结构
大三环聚醚主体的结构表明[6-12]，两个三蝶烯基元与四个乙二醇链相连，形成两个二苯并冠醚空腔和一个中心空腔。这些刚柔并济的大三环聚醚主体在CHCl3和CH2Cl2中均表现出良好的溶解性。通过对这些主体的氢-1核磁共振波谱（1H nuclear magnetic resonance spectrum，1H NMR，又称核磁共振氢谱）进行分析，我们发现三蝶烯与冠醚部分都只出现一组信号峰，证明大三环聚醚主体具有对称结构。由于冠醚链缩短，大三环聚醚主体3更为刚性，该主体的构象不易改变。而具有较长冠醚链的大三环聚醚主体4和5更具弹性。大三环聚醚主体6[10]含有蒽片段，其在中心空腔内提供了一个π-共轭平面，可以通过π-π相互作用更好地结合一些客体，这为研究其超分子性质提供了一种思路。此外，大三环聚醚主体7[11]也具有三维结构，而且四硫富瓦烯（TTF）单元近似平面，其氧化还原电位E1/2（ox1）=0.53V、E1/2（ox2）=0.84V。
图8-4 大三环聚醚主体3～9的合成路线
2.识别与组装
由三蝶烯基元与冠醚结构组成的大三环聚醚主体具有富电子空腔，因而能够结合不同类型的缺电子客体，例如联吡啶盐、吡啶盐、π延展的吡啶盐、铵盐等。另外，鉴于大三环聚醚主体所具有的特殊结构，因而使其显示出丰富的配合模式。
（1）与联吡啶盐、吡啶盐及π延展的吡啶盐衍生物的配合性质
联吡啶盐与吡啶盐衍生物是非常常见的客体分子，其在主客体化学中得到了广泛的应用。与联吡啶盐与吡啶盐衍生物相比，具有共轭结构的π延展的吡啶盐衍生物具有更加丰富的物理性质和化学性质，同样被用于构建不同类型的互锁分子。联吡啶盐、吡啶盐及π延展的吡啶盐衍生物的结构如图8-8所示。
经过多年研究，我们发现大三环聚醚主体可以与联吡啶盐、吡啶盐及π延展的吡啶盐衍生物形成1∶1、1∶2的配合物或者超分子聚合物。如图8-9所示，对于1∶1的配合物，存在以下三种配合模式：① 一个客体分子位于大三环聚醚主体的中心，两个N-取代基位于或穿过两个二苯并冠醚空腔[图8-9（a）]；② 一个客体分子穿过大三环聚醚主体的中心空腔，两个N-取代基位于空腔外，形成对称的复合体[图8-9（b）]；③ 一个客体分子穿过大三环聚醚主体的中心空腔，仅位于空腔的一侧[图8-9（c）]。对于1∶2的配合物，只存在一种配合模式，即两个客体分子穿过大三环聚醚主体的中心空腔，两个N-取代基位于空腔外，形成对称的准[2]轮烷配合物[图8-9（d）]。而对于超分子聚合物，则是形成阶梯状超分子聚准[3]轮烷[图8-9（e）]。
我们发现，大三环聚醚主体4～6可以与N-烷基取代联吡啶盐形成1∶1的配合物，其配合模式如图8-9（a）所示[6，7，10]。配合物的晶体结构进一步表明，客体分子包含在大三环聚醚主体的中心，而两个甲基则位于两个二苯并冠醚空腔内，这与溶液中的结果是一致的。此外，联吡啶盐的甲基质子与大三环聚醚主体冠醚区的氧原子之间的氢键在配合物的形成中起到非常重要的作用。这与以前报道的配合物完全不同。对于配合物4·21，我们发现其在室温下是慢速配合的，并测定了它们之间的稳定常数为4×105M-1，这是这些配合物中最大的。对于大三环聚醚主体5与质子化的联吡啶盐35[13]、π延展的吡啶盐49和52所形成的配合物，也是采取图8-9（a）所示的配合模式，这与分子间的氢键作用是息息相关的。有意思的是，对于主体5与客体53形成1∶1的配合物，我们发现在同一个晶胞中存在两种不同的配合模式，一种是采取图8-9（a）所示的配合模式，一种是采取图8-9（b）所示的配合模式，这在文献中从来没有被报道过[14]。对于主体3，由于空腔较小，其与联吡啶盐衍生物都能形成1∶1的配合物，其配合模式如图8-9（b）所示[8]。更有意思的是，在固态下，主体3可以形成一个假的空腔，通过多个π-π堆积作用及C—H…π作用结合两分子的N-丙基取代或N-羟乙基取代的联吡啶盐分子。由于含有蒽单元，主体6与客体39、45和47可以形成非常稳定的1∶1的配合物，其稳定常数大于105 M-1。配合物的晶体结构表明，主客体之间的π-π堆积作用对稳定配合物的形成起到重要的作用[15]。
图8-8 联吡啶盐、呲啶盐及π延展的呲啶盐衍生物的结构
图8-9 大三环聚醚主体与客体的配合模式
客体28、33、34、45和46可以穿过主体的中心空腔与主体4形成1∶1的配合物[16，17]。有意思的是，客体分子只占据主体中心空腔的一侧，而剩余的空间就给我们提供了通过包结另一分子从而构建三元复合物的机会。主体4可以与2，2′-联吡啶盐形成稳定的1∶1配合物。由于存在剩余的空间，我们选用一系列富电子分子54～56作为客体（图8-10），以考察它们之间的配合模式。通过核磁、质谱和单晶X射线衍射等手段，我们成功地证明了这个圆柱状大三环聚醚主体可以与2，2′-联吡啶盐和富电子客体构成比较稳定的1∶1∶1的三元复合物体系，该体系是由富电子客体与缺电子客体之间电荷转移、主客体之间π-π堆积作用而形成的[18]。这些工作为构建更高级、可调控的内锁型分子奠定了基础。
图8-10 三种富电子客体的结构
大三环聚醚主体4和5可以与N-β-羟乙基联吡啶盐25形成稳定的1∶2配合物[16，19]。在固态下，两个客体分子穿过主体的中心空腔，两个N-β-羟乙基则位于空腔的外部，这与溶液中的结果是一致的，而且主体与客体之间的π-π堆积作用和C—H…π作用以及两个客体之间的C—H…π作用为形成1∶2的配合物打下了很好的基础。更值得一提的是，对于配合物5·252，我们发现两个客体分子之间还通过阴离子-π相互作用包结一分子的PF-6，这与主体4与客体25形成的配合物是不同的。主体5与联吡啶盐衍生物41、42和45也可以形成稳定的1∶2的配合物。由于冠醚链的增长，主体5与联吡啶盐衍生物45可以形成稳定的1∶2的配合物，而主体4只能与联吡啶盐衍生物45形成1∶1的配合物。由于冠醚链的增长及主体柔性的增加，大三环聚醚主体的构型可以随着包结客体的不同来调节[20]。主体5还可以与客体35、36和37形成稳定的1∶2的配合物。通过单晶X射线衍射实验，我们发现两个客体分子以头尾相接的方式结合于大三环聚醚主体的中心空腔，这也为我们构筑高级组装体打下了基础[13]。此外，我们还发现主体5具有更大的空腔，可以在固态下与两分子的联吡啶盐衍生物29及一分子的多环芳烃57～60（图8-11）通过多个π-π堆积作用、C—H…π作用和C—H…O氢键作用形成类似于“俄罗斯套娃”的四元复合物，配合物还可以自组装成线性超分子阵列和二维网格结构[21]。
图8-11 四种多环芳烃的结构
最近，我们发现大三环聚醚主体5可以与π延展的吡啶盐衍生物48和50形成阶梯状超分子聚合物，其配合模式如图8-9（c）所示。相邻两个客体分子两端的羟基之间存在C—H…O氢键作用，在超分子聚合物的形成中起到重要的作用[22]。
（2）与铵盐的配合性质
大三环聚醚主体4和5含有两个二苯并冠醚空腔，两个铵盐客体分子61～65（图8-12）可以对称地穿过这两个冠醚空腔，形成稳定的1∶2配合物[7，23]。对于配合物4·622，两个二级铵盐对称地穿过二苯并-24-冠-8空腔的中心，其中两个蒽片段置于冠醚空腔外形成类似于翅膀的结构。然而，对于具有更大空腔的主体5与客体62形成的1∶2的配合物5·622，由于两个蒽片段与主体之间存在一对C—H…π作用，两个蒽片段位于主体空腔内，这与配合物4·622完全不同。我们发现，配合物5·622可以作为高选择性地检测Ba2+的超分子荧光探针。荧光滴定及核磁滴定发现，Ba2+对该配合物中客体的取代是分步进行的。此外，我们还发现，树枝状铵盐63～65也可以与主体4形成一种新的准[3]轮烷配合物。
图8-12 铵盐客体的结构
（3）与其他客体的识别性质(https://www.daowen.com)
大三环聚醚主体6与中性客体66没有明显的配合作用[10]。其单晶结构显示，客体66位于主体6的空腔外，与两个主体分子形成三明治结构。在上述体系中加入锂盐后，随着溶液颜色由黄色变为蓝色，形成了一种新型的配合物6·66·2Li+。对于另一种中性客体67，它也可以在钾离子存在下形成稳定的配合物6·67·2K+。对于含有TTF单元的主体7，它可以在金属离子（如Sc3+、Pb2+、Zn2+等）存在下形成稳定的配合物。吸收光谱和电子自旋共振光谱清楚地表明，在某些金属离子存在下，TTF单元在主体7与客体68之间发生分子间电子转移[11]。此外，由于主体5具有更大的空腔，其可以与自折叠的客体69与70在溶液中或固态下形成1∶1的配合物[24]。上述客体的结构如图8-13所示。
图8-13 其他客体的结构
（4）调控与组装
由于大三环聚醚主体含有二苯并冠醚空腔，其与铵盐形成配合物的结合与解离过程均可以通过pH进行调控（图8-14），其对pH有很好的刺激响应性。一般来说，大三环聚醚主体与联吡啶盐或者吡啶盐形成配合物的结合与解离过程是不能通过pH调控的。但是我们发现，大三环聚醚主体5与质子化的联吡啶盐和吡啶盐可以形成1∶1或者1∶2的配合物，当加入碱时，客体去质子化导致客体从主体空腔脱离；当加入酸时，客体重新质子化使得配合物生成。因此，通过调节pH，我们实现了对主体与质子化联吡啶盐和吡啶盐形成配合物的结合与解离过程的控制。
一方面，由于配合物力不同，大三环聚醚主体优先配合具有更强配合力的客体。例如，我们发现主体4与二苄基铵盐61之间的配合力强于主体4与丙基取代的联吡啶盐衍生物23[23]，因此在4与23形成的配合物中加入61后，4与23发生了解离。此外，通过向体系中添加三氟乙酸（TFA）和三丁胺（TBA），还可以对主体4和这两个不同客体之间的交换过程进行化学控制[20]。
图8-14 大三环聚醚主体与客体的pH调控过程示意图
另一方面，冠醚与金属离子有很好的配合作用。大三环聚醚主体含有冠醚片段，其可以与若干金属离子配合；与此同时，静电排斥作用使得大三环聚醚主体与阳离子铵盐或者联吡啶盐等客体形成的配合物解离。大三环聚醚主体6在锂离子存在下对均苯四甲酰亚胺衍生物的识别作用最好，在钾离子存在下对蒽醌的识别作用最好。因此，我们利用锂离子、钾离子和它们对应的简单冠醚实现了三个可逆的离子调控过程，如图8-15所示[10]。
图8-15 大三环聚醚主体与客体的离子调控过程示意图
经研究我们发现，大三环聚醚主体可以与钾离子配合，而其配合物可以进一步对中性客体进行串联式配合。我们将蒽醌衍生出四条端基含有叠氮的烷基链，以钾离子为模板，利用1，3-偶极加成反应高效合成了三种含有不同大小封端基团的[2]轮烷。通过剥离它们的钾离子，可以观察到封端基团的大小不同，[2]轮烷的响应也不同，因此对封端基团大小与大三环聚醚主体中心空腔的匹配性有了更深刻的认识（图8-16）[25]。
图8-16 三种[2]轮烷在被剥离钾离子后的变化示意图
2010年，我们设计合成了基于三蝶烯的双大三环聚醚主体9（图8-17）[12]。由于包含8条冠醚链，这个双大三环聚醚主体可以包结4 eq.的二苄铵盐。基于这个结果，我们设计合成了含有两个二苄胺盐的客体71，通过双大三环聚醚主体9与两分子的客体71作用，从而构筑了一个类似于分子手铐的组装体。更有意思的是，这个手铐的开与关还可以通过pH来进行调控（图8-18）。
图8-17 双大三环聚醚主体9的结构
图8-18 双大三环聚醚主体9与客体71在pH调控下的互变过程示意图
之后，我们又设计合成了两个带有枝杈的联吡啶盐72与73[26]。这两个客体可以在溶液中与双大三环聚醚主体9有很好的配合作用，而且我们还发现它们可以在溶液中通过[3+2]与[4+2]自组装成为新型的超分子笼（图8-19）。该超分子笼的形成通过氢-1核磁共振波谱（1H NMR）、二维核磁共振谱（2D NMR）、电喷雾电离质谱（electrospray ionization mass spectrometer，ESI-MS）进行了证实，并且这两个超分子笼的流体力学半径与计算结果是一致的。这些研究结果可以为进一步设计和构筑新型的自组装有机容器、具有潜在应用价值的纳米材料及基于超分子化学的分子机器提供了机会。
图8-19 基于双大三环聚醚主体9的新型的超分子笼的构筑
由于轮烷在超分子化学中具有很重要的意义，我们基于大三环聚醚主体4可以与二苄胺盐类客体配合形成准[3]轮烷结构，进一步构筑了一种新颖的[3]轮烷结构。首先我们合成了官能团化的二苄铵盐74，74与大三环聚醚主体4形成2∶1的准轮烷；之后用3，5-二甲基苯甲酸酐在三叔丁基膦催化下对配合物进行封端，顺利得到[3]轮烷化合物75；最后75先通过Cu+催化的1，3-偶极加成反应、再与双叠氮化合物反应得到最终产物聚轮烷76（图8-20），其平均聚合度为14[27]。在此工作基础上，我们又合成了含有两个作用位点的[3]轮烷分子机器77。研究发现，通过DBU和TFA可以实现[3]轮烷分子机器内的相对运动（图8-21）[28]。
图8-20 [3]轮烷聚合物的合成
图8-21 pH调控的[3]轮烷分子机器示意图
我们基于含蒽单元的大三环聚醚主体6的识别性质，设计合成了含有蒽醌、均四甲酰二胺和甲基三唑盐三个位点的三稳态分子梭（图8-22）[29]。当存在钾离子、锂离子或不存在金属离子时，大三环聚醚主体6可分别与轮烷轴部分的上述三个位点结合。综合的化学刺激可以使大环位置在三个位点之间进行可逆转换。通过模块环合成策略，得到了寡聚的三稳态轮烷，并成功实现了对其中大环位置的调控。这证明了三稳态分子开关的控制运动可以拓展到寡聚分子水平。由于结构和大环运动方式上的相似性，寡聚轮烷被形象地称作“分子缆车”，它们代表了一类复杂而精巧的分子机械。
图8-22 [4]轮烷的结构及大环位置的可逆转换示意图
大三环聚醚主体3与π延展的吡啶盐在高浓度的溶液中及固态下可形成梯状的超分子聚合物[30]，这个结果已经经过了单晶X射线衍射及MALDI-TOF质谱的确定。最近，我们基于大三环聚醚主体4与共聚物78通过主客体相互作用得到了一种超分子凝胶（图8-23）。该超分子凝胶具有明确的多孔结构，而且可以通过pH和热的变化实现可逆的凝胶-溶胶转变。此外，大三环聚醚主体4和共聚物78形成的超分子凝胶还可用于方菁酸染料的包结与可控释放。
图8-23 超分子凝胶的形成示意图
在乙腈或1∶1的乙腈/氯仿溶液中，一种具有响应性的有机凝胶通过自补偿单体79形成（图8-24）[31]。在pH和热的刺激下，该凝胶可以实现凝胶-溶胶的可逆转变。对于模型分子80，由于“客体部分”中末端基团的空间位阻，则不能形成凝胶。
图8-24 自补偿单体79与模型分子80的结构
