8.2.2 三蝶烯三冠醚
通过把具有独特三维结构的三蝶烯基元与冠醚结构进行有机结合，我们还设计构筑了一类具有特殊D3h对称性的三蝶烯三冠醚主体分子。单晶X射线衍射实验表明，该主体分子含有三个位于不同方向的冠醚空腔，同时显示含有三个具有柔性镊型结构的空腔。
三蝶烯三冠醚主体81含有三个DB24C8单元（图8-25），因而可与三分子的二苄铵盐82结合[32]。如图8-26所示，由于主体分子具有独特的结构，在客体分子与主体分子结合后，其双键末端相互接近。采用二代Grubbs催化剂进行三重关环烯烃复分解反应，还原氢化后能够以高达82%的收率得到了[2]（3）索烃85。这一高收率可以归因于在反应条件下，形成组装体83的高效性及关环烯烃复分解反应的可逆性允许生成热力学稳定的关环产物84。这种通过关环烯烃复分解反应高效合成[2]（3）索烃的方法为合成其他高级功能化索烃提供了新颖的思路。
图8-25 三蝶烯三冠醚主体81的结构
图8-26 三重关环烯烃复分解反应高效合成[2]（3）索烃85
基于关环烯烃复分解反应的可逆性，我们还利用含有双键的环状三铵盐客体87，在含有三蝶烯三冠醚主体和环状客体的反应体系中成功得到了[2]（3）索烃85[33]。魔术环法合成[2]（3）索烃85的形成机理如图8-27所示。环状客体分子在催化剂的作用下经历开环、配合、再关环的历程，最终形成索烃结构。以上结果表明，结合三蝶烯三冠醚主体分子的结构特点和识别性能，利用可逆的关环烯烃复分解反应，可以高效构筑具有复杂、高级结构的互锁体系。
图8-27 魔术环法合成[2]（3）索烃85的形成机理
我们还进一步发展了基于手性联萘二酚的三蝶烯三冠醚。利用与合成[2]（3）索烃85类似的策略，我们得到了基于手性三蝶烯三冠醚主体的[2]（3）索烃（图8-28）[34]。我们发现，用三乙胺、三叔丁胺、二异丙基乙胺均不能使索烃88中的铵盐去质子化。在DMSO中利用强碱DBU，我们实现了互锁分子中铵盐的去质子化，得到的新的中性手性分子是进一步功能化的重要前体。通过后续反应，我们合成了一系列[2]（3）索烃衍生物89～91。通过比较手性主体与[2]（3）索烃衍生物的圆二色（CD）谱，我们发现与主体分子相比，互锁分子中的联萘发色团在241nm处的Cotton效应显著降低，而索烃分子在248nm处出现了正的Cotton效应。这可能是由于联萘单元向主体分子手性转移的原因。
图8-28 利用手性三蝶烯三冠醚主体合成一系列[2]（3）索烃衍生物(https://www.daowen.com)
基于三蝶烯三冠醚主体，我们通过click反应对准轮烷组装体进行封端，得到了特殊[2]轮烷，进行三唑甲基化后得到了[P-H3][6PF6]。核磁共振实验表明，在酸性条件下，主体分子的三个冠醚环均与铵盐位点结合；在加入碱后，主体分子的冠醚环与三唑位点结合（图8-29）。由于客体分子的运动轨道是由主体分子上三个冠醚环组成的弯曲空间，客体分子的运动兼具普通[2]轮烷和[2]索烃中线性穿梭运动和转动的特点。在这样的体系中，可以实现客体分子运动方向约180°的改变，该功能常见于广泛应用的机械装置——滑轮[35]。
图8-29 （a）[P-H3][6PF6]在pH刺激下的结构；（b）类滑轮运动的卡通示意图，箭头指示客体分子作为“绳索”沿着“冠醚”轨道的运动轨迹
为了将更多识别位点引入客体分子中，从而得到功能化的索烃，我们希望构筑具有更加延展结构的三蝶烯三冠醚主体，使其相邻的DB24C8环之间有更大的自由体积，这将会更加满足合成索烃的位阻需求。因而，我们设计了吡嗪延展的三蝶烯三冠醚主体92，其合成如图8-30所示。我们从未取代的简单三蝶烯出发，依次进行硝基化反应、还原反应得到了六氨基三蝶烯盐酸盐。其随后与草酸二乙酯进行缩合反应得到了六羟基三蝶烯化合物93。93在DMF中与二氯亚砜反应得到了六氯代三蝶烯化合物94。在碳酸铯存在的条件下，以苄基三乙基氯为相转移催化剂，通过94与二醇95在乙腈和二氯甲烷的混合溶剂中于70℃下反应2天，能够以61%的收率得到三蝶烯三冠醚化合物92，其为白色粉末状固体。相比于我们之前合成三蝶烯三冠醚主体的方法，该方法最后一步的反应条件更加温和、收率更高，同时反应时间大大缩短。通过在二氯甲烷和甲醇的混合溶液中重结晶92，可以得到适合于单晶X射线衍射实验的晶体。其单晶结构显示，92在固态下具有D3h对称性的构象。在固态下，层与层之间进行交错堆积，每层中的冠醚有60°的夹角，在相邻的二苯并-24-冠-8之间有一个半径为11.4 Å、夹角为120°的扇形区域[36]。
图8-30 吡嗪延展的三蝶烯三冠醚主体92的合成
我们进一步利用吡嗪延展的三蝶烯三冠醚主体92，通过烯烃复分解反应高效合成了双组分、三重贯穿的新型功能化的[2]（3）索烃C-H3·6PF6（图8-31）。该索烃分子中存在多种相互作用，通过加入酸或碱，可以在两个位点之间进行调控，从而使索烃产生一种步进的运动模式（图8-32）。通过核磁滴定实验对涉及的4种系统构象的鉴别和定量分析，我们对此运动模式进行了强有力的证明。利用指示剂法，我们首次确定了pH驱动的互锁分子开关的电离平衡常数，这使得对pH驱动系统由环境酸度改变引起的动态变化的准确定量分析变得可行[36]。
图8-31 烯烃复分解反应合成新型功能化的[2]（3）索烃C-H3·6PF6
图8-32 [2]（3）索烃分子开关在pH驱动下的步进运动