一种水溶性四氢吡喃基分子杯大环主体化合物及其制备和应用

本发明属于超分子化学中大环主体设计和主客体识别，尤其是涉及一种水溶性四氢吡喃基分子杯大环主体化合物及其制备和应用。

背景技术：

1、作为第三代大环超分子化学主体，杯芳烃的合成和应用一直是超分子化学及其相关领域的研究热点。间苯二酚杯[4]芳烃是该类大环主体中重要的一种，它是通过间苯二酚与醛在酸性条件下缩合形成的环状四聚体。其可通过上边缘的酚羟基与下边缘的桥连次甲基进一步衍生化，并利用其富电子的空腔，在分子识别、超分子自组装、化学传感、仿酶催化、离子捕获等方面表现出了广泛的应用前景。

2、天然酶参与的生命体系过程与阳离子的识别息息相关，且均在水相中进行。功能化深穴杯芳烃即分子杯在有机相中可选择性识别阳离子特别是有机阳离子，而水溶性基团的引入，使得其在水中实现对有机阳离子的识别成为可能，基于此，水溶性功能化分子杯的构筑及其分子识别引起了广泛的研究。

3、无机碱金属离子，由于其良好的水溶性，同样广泛存在于生命体系中。例如，钾离子在维持细胞内外电解质平衡、调节肌肉功能、维持心律稳定等方面，表现出至关重要的作用，但过高浓度的钾离子会导致肌肉无力、心律失衡、致死等。

4、目前，随着超分子化学的发展，大环超分子主体冠醚类衍生物由于其氧原子与阳离子之间的静电作用，实现了在有机溶剂中对阳离子的捕获，但在水相中对无机碱金属离子的捕获报道较少，且由于冠醚在水相中的氧原子并未同时朝向环的内部限制了其对碱金属离子的结合能力，其选择性识别非常受限。

5、水溶性分子杯可通过功能化上边缘，构筑出空腔上部具有氧原子的羟甲基分子杯主体，但一方面其构筑上边缘氧原子的反应时间较长，长达72个小时，且最终以较低的收率得到目标分子杯；另一方面其上边缘羟甲基过于柔性并不易控制其氧原子同时朝向空腔内部，不利于在水相中实现对碱金属离子的捕获。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水溶性四氢吡喃基分子杯大环主体化合物及其制备和应用，本技术的方法以较短的反应时间和较高的收率制备出水溶性四氢吡喃基分子杯大环主体化合物，解决了常用于在水中识别碱金属离子的冠醚类衍生物中氧原子朝向的问题，基于四氢吡喃修饰的分子杯主体上边缘氧原子的这种静电作用，并且实现了高结合常数捕获碱金属离子。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供了一种水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物，具有如式1所示的结构：

4、

5、其中，r选自以下式2或式3所示结构：

6、

7、进一步的，所述化合物在水中存在c4v对称的“花瓶”构象和c2v对称的“风筝”构象，且两者间存在动态平衡。

8、本发明又提供了一种水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物的制备方法，包括以下步骤：

9、以雷琐酚杯[4]芳烃为骨架，依次通过芳香壁的加深、上缘四氢吡喃基及下缘水溶性基团的引入，得到水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物。

10、进一步的，当r选自式2时，包括以下合成步骤：

11、s1，混合中间体1和四氢吡喃-4-甲醛并在有机溶剂内加热反应，冷却、减压旋蒸、过滤、洗涤得到中间体2；

12、s2，在冰浴条件下将中间体2、氢氧化钠依次加入至有机溶剂，搅拌加热反应、过滤、洗涤、真空干燥后加入丙酮，加热回流，冷却、离心、洗涤、真空干燥后得到水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物；

13、其中，所述中间体1和中间体2分别如以下式4和式5所示结构：

14、

15、更进一步的，步骤s1中，所述有机溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺。

16、步骤s1中，中间体1和四氢吡喃-4-甲醛之间的摩尔比为(0.8～1.2)：4.4；

17、步骤s1中，加热反应的条件为：在空气氛围下加热至60～100℃，反应18～30小时。

18、更进一步的，步骤s2中，所述有机溶剂包括体积比为(0.8～1.2)：1的无水乙醇和四氢呋喃；

19、步骤s2中，中间体2和氢氧化钠之间的摩尔比为(0.8～1.2)：10；

20、步骤s2中，搅拌加热反应的条件为：在氮气保护下加热至50～90℃，反应18～30小时；

21、步骤s2中，加热回流的条件为：在氮气保护下加热至50～90℃，反应18～30小时。

22、进一步的，当r选自式3时，包括以下合成步骤：

23、z1，混合中间体3和四氢吡喃-4-甲醛并在有机溶剂内加热反应，冷却、减压旋蒸、过滤、洗涤、真空干燥得到中间体4；

24、z2，混合中间体4和n-甲基咪唑并于室温下搅拌至固体完全溶解，一次加热回流，接着冷却后将反应液滴加至丙酮中至有白色固体析出，离心，再加入丙酮，二次加热回流，冷却、离心、真空干燥得到水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物；

25、其中，所述中间体3和中间体4分别如以下式6和式7所示结构：

26、

27、更进一步的，步骤z1中，所述有机溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺；

28、步骤z1中，中间体3和四氢吡喃-4-甲醛之间的摩尔比为(0.8～1.2)：4.4；

29、步骤z1中，加热反应的条件为：在空气氛围下加热至60～100℃，反应18～30小时。

30、更进一步的，步骤z2中，一次加热回流的具体条件为：加热至70～110℃，搅拌反应18～30小时；

31、步骤z2中，二次加热回流的具体条件为：在氮气保护下加热至50～90℃，反应18～30小时。

32、本发明再提供了一种如上述的水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物在识别带有三甲基季铵盐类客体分子、捕获碱金属离子的应用。

33、进一步的，当r选自式2时，水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物通过静电作用、阳离子-π作用协同选择性识别带有三甲基季铵盐类客体分子；

34、当r选自式3时，水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物通过配位静电作用实现对碱金属离子的捕获。

35、更进一步的，当r选自式3时，水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物用于在水中选择性捕获钾离子。

36、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

37、1、本发明的合成路线工艺简便，反应时间极大缩短，仅为类似的羟甲基分子杯反应时间的三分之一，且产率较高。

38、2、本发明的水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物结构新颖，主体上缘的四氢吡喃基团的结构较为固定，表现为“船式”构象，四个氧原子均朝向空腔内部，提供了丰富的静电作用位点，更有利于对客体分子的结合。而具有类似结构的羟甲基修饰的分子杯上边缘的羟甲基过于柔性，与客体的结合不够稳定。且使用胆碱类分子比较了上边缘氧原子的静电作用强弱；

39、3、本发明的水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物能够用于在水中识别污染物环己烷后实现再次利用，继续用于捕获碱金属离子，这是已报道的杯芳烃未具有的性能。捕获四种碱金属离子，对分子杯中的环己烷客体进一步封装，使其结合更稳定。

40、4、虽然已有的冠醚类衍生物对碱金属离子的捕获大多在有机溶剂中实现，而对于水相中的碱金属离子捕获报道较少。本发明的水溶性四氢吡喃分子杯大环主体化合物实现了在水中对钾离子的选择性捕获且与钾离子的结合常数高达7.510×105m-1，与已报道的冠醚类衍生物在水相中捕获钾离子的结合相比属于前列。