8.2.3 螺芳烃
大环芳烃是一类由羟基取代的芳环通过亚甲基或次甲基桥连而形成的大环主体，包括杯芳烃、雷锁酚、环三藜芦烃、柱芳烃等。近几十年来，手性大环芳烃由于在手性识别和组装等领域的广泛应用，引起了人们极大的关注与兴趣。一般来说，手性大环芳烃可以通过在大环骨架中引入手性辅助基团来获得。固有手性是构建手性大环芳烃的另一种策略，但它们的合成过程烦琐，大环空腔难以运用，这在一定程度上限制了它们的实际应用。最近，Ogoshi等基于柱芳烃报道了一种新型的具有平面手性的大环芳烃。然而，由手性分子基块直接构筑手性大环芳烃一直没有文献报道。2016年，我们基于手性三蝶烯基元，设计合成了首例具有螺旋手性空腔的大环芳烃。该大环芳烃具有类似于螺母的手性空腔结构，因此我们将其命名为螺芳烃（helicarenes）。
1.合成与结构
如图8-33所示，我们从商业化原料2，6-二甲氧基蒽93出发，经过3步反应得到了含有手性三蝶烯片段的大环前体（±）-95。然后经过Lewis酸催化的傅克反应，以15%的收率得到了甲氧基取代的大环芳烃（±）-96。之后经过BBr3脱甲基反应，以98%的高收率得到了作为母体的大环芳烃（±）-97[37]。在外消旋的（±）-97上引入手性辅助基团，通过柱层析法很容易得到了两个非对映异构体98a和98b。随后经过水解，可以成功得到一对对映异构体（+）-97和（-）-97。从其CD谱中可见，它们呈现完全镜像的关系，同时比旋光值也基本一致。最近，我们成功将大环前体（±）-95在高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）手性柱中手性拆分为（+）-95和（-）-95，从而可以克级制备手性螺芳烃（+）-96和（-）-96（图8-34）[38]。
图8-33 （±）-97的合成与分离
图8-34 对映异构体（+）-96和（-）-96的合成
通过（±）-96与Br2反应，能够以88%的收率得到溴代产物（±）-99；之后经过BBr3脱甲基反应，能够以95%的收率得到六溴取代的螺芳烃衍生物（±）-100；随后经过Suzuki偶联反应，能够以55%～71%的收率得到一系列芳基取代的螺芳烃衍生物（±）-101a～f。同理，分别以（+）-96与（-）-96为原料，还可以便捷地合成（+）-100和（-）-100，再通过Suzuki偶联反应，便可以直接得到对映异构体（+）-101与（-）-101（图8-35）[38]。
图8-35 芳基取代的螺芳烃衍生物的合成
如图8-36所示，螺芳烃（±）-97具有C3对称性结构。变温核磁共振氢谱显示，在-40～120℃内，亚甲基质子信号没有明显变化，表明大环在溶液中构象固定，这与典型的杯芳烃和柱芳烃有明显的不同。通过向螺芳烃（±）-97的丙酮溶液中扩散乙腈蒸气，我们成功得到了螺芳烃（±）-97的单晶。经研究我们发现，六个苯环形成了一个六边形的空腔，与对面苯环的距离分别为9.20 Å、9.14 Å和8.99 Å，这个空腔大小与α-环糊精、葫芦[7]脲和柱[6]芳烃的空腔直径比较一致。同时，三个三蝶烯片段之间的夹角分别为112°、112°和114°，大于经典的sp3杂化的碳碳键夹角，说明大环存在一定的张力。三个三蝶烯片段连接时存在一定的倾斜角，因此大环的高度比单独的三蝶烯片段要高，可以达到5.28 Å。有趣的是，螺芳烃（±）-97的固态堆积图显示，其两种构型呈现手性自分类现象[37]。
图8-36 螺芳烃（±）-97的晶体结构
（a）俯视图；（b）侧视图
同手性的大环采用交替堆积的方式排列成蜂窝状的双分子层，而在c轴方向上，紧挨着的双分子层是完全相反的另外一种构象。根据CIP（Cahn-Ingold-Prelog）顺序规则，我们首先将对映异构体（+）-97与（-）-97的绝对立体构型分别定义为P构型和M构型（图8-37）。然后，通过98a的晶体结构，我们可以很容易地确定其大环骨架的绝对主体构型为P构型。此外，我们还得到了（-）-P-100的晶体结构，进一步证实了螺芳烃对映异构体的绝对立体构型[38]。
图8-37 对映异构体P-97和M-97的结构
2.识别与组装
由于（+）-97与（-）-97含有富电子空腔和六个羟基，我们推断它们可以通过多种非共价相互作用有效地、选择性地与手性有机铵盐配合。因此，我们测试了手性主体与三对手性客体102～104（图8-38）之间的配合作用，发现即使没有任何修饰，手性大环对这些手性客体也表现出明显的对映选择性识别。尤其是对1-吲哚胺的甲基化衍生物102来说，对映选择性非常高[37]。(https://www.daowen.com)
图8-38 手性客体102～104的结构
我们还发现，（±）-96在溶液中和固态下可以与乙酰胆碱105a和硫酰胆碱105b形成1∶1的配合物。与（±）-96相比，没有修饰的（±）-97与客体显示出更强的结合能力，这可能是由于（±）-97上的羟基与客体之间存在多种非共价相互作用。因此，我们又测试了（±）-97与不同种类的季铵盐105c～105m（图8-39）之间的配合作用，发现（±）-97对这些客体具有明显的配合作用[39]。此外，（±）-96和（±）-97还可以与不同种类的N-杂环盐39、47、106，甚至TCNQ（107）在溶液中和固态下形成1∶1的配合物。
图8-39 客体105～107的结构
在溶液中，（±）-96和（±）-97还可以与卓
离子108形成1∶1的配合物。溶液的颜色变化与紫外-可见吸收光谱中新吸收带的形成表明了配合物中存在电荷转移。特别的是，通过氧化还原刺激可以有效调控客体的包结和释放（图8-40），而通过溶液的颜色变化可以直观地观察到这一反应过程。对于（±）-96与卓鎓
离子108形成的配合物，氧化还原调控可重复至少10次；对于（±）-97与卓
离子108形成的配合物，也发生了类似的现象，并且氧化还原调控至少可以重复5次[40]。
图8-40 螺芳烃与卓
离子客体的识别与调控
此外，我们还设计合成了水溶性的2，6-螺[6]芳烃109。结构表征显示，其在水溶液中具有高度对称的结构及固定的构象。我们通过核磁、质谱及量热滴定等方法研究了其对于季膦盐客体110a～c的识别性能，发现其在水溶液中与这类客体之间的稳定常数可以高达105M-1，同时配合物的形成与解离过程可以受到pH调控。这是首例在水溶液中以主客体相互作用识别季膦盐及基于季膦盐形成的刺激响应主客体配合物（图8-41）[41]。
图8-41 螺芳烃与季膦盐客体的识别与调控
通过核磁共振氢谱、高分辨质谱、核磁滴定及DFT理论计算等方法，我们研究了质子化叔铵盐客体111a～h[图8-42（a）]与螺[6]芳烃（±）-96的配合作用。通过研究我们发现[42]，在溶液中，这类客体都可以与（±）-96通过阳离子-π相互作用、C—H…π相互作用及氢键形成稳定的1∶1配合物。对于质子化芳香叔铵盐客体，其与大环之间的稳定常数与氨基对位基团的吸电子能力和客体N原子上的取代基位阻有关，吸电子能力越强，取代基位阻越小，稳定常数越大。通过向主客体配合物溶液中加入酸和碱，实现了对这类配合模式的pH调控[图8-42（c）]。通过加入氯离子和钠离子，实现了阴离子调控的主客体的配合和解配合[图8-42（d）]。通过设计相应的线性轴分子，以及利用异氰酸酯与羟基的缩合反应，我们还合成了首例基于（±）-96的[2]轮烷[图8-40（b）]。
图8-42 （a）质子化叔铵盐客体111a～h的结构；（b）[2]轮烷的合成；（c）配合物的pH调控过程；（d）配合物的阴离子调控过程
（±）-96与质子化吡啶盐客体114a～c[图8-43（a）]也可以形成1∶1的配合物[43]。利用加酸及加碱的方式，可以可逆地调控主客体配合物的形成与解离。有趣的是，我们发现由于稳定常数大小适中，（±）-96与2-苯基吡啶盐客体形成的配合物可以在光酸1-MEH的存在下通过420nm的光照进行可逆的调控[图8-43（b）]。通过这种方式，我们建立了利用光刺激来调控非光响应的主客体体系。进一步地，我们合成了3个基于螺芳烃（±）-96与2-苯基吡啶盐的[2]轮烷115～117[图8-43（c）]，发现在光酸的存在下，通过光诱导质子转移（photoinduced proton transfer，PIPT）策略，（±）-96在质子化的吡啶位点与烷基链位点之间的运动可以被可见光有效地调控[图8-43（d）]。该过程可以重复超过50次[图8-43（e）]，这也是第一例非光响应互锁分子机器的光调控，为分子机器领域提供了更多的调控模式[44]。
图8-43 （a）质子化吡啶盐客体114a～c的结构；（b）配合物的调控过程；（c）[2]轮烷的结构；（d）115在光调控下的穿梭运动；（e）光控运动的重复性
亚碘酰苯（PhIO）可以和三氟乙酸反应生成二（三氟乙酰基）碘苯（BTAIB）。BTAIB可以与TEMPO将醇类催化氧化为醛或酮。因此，向三氟乙酸、TEMPO及醇的混合溶液中加入PhIO，可以引发其与体系中酸的反应而产生BTAIB，随后启动醇的氧化反应并释放出被吸收的酸。不难发现，该反应是一个pH振荡的过程。将这一连续反应与基于螺芳烃（±）-96和吡啶盐的[2]轮烷的pH可控运动相结合，我们可以利用该连续反应具有pH振荡的特点，实现自动驱动的分子机器的运动和复位，而整个过程只需人为加入一次PhIO即可（图8-44）。与传统的需要手动加入两次刺激信号的分子机器系统相比，其提高了操作的便捷性与能量的利用效率[45]。
图8-44 亚碘酰苯引发的连续反应调控[2]轮烷运动
