-
环仿化学
（
Cyclophane
Chemistry
）
环仿化合物（
[m.n]cyclophane
）
(
Scheme 1.1
中
1
、
2
和
3
)
是指由两个或者更
多芳环组成的一个更大的环状体系，
是研究分子张力的良好载体。
由于其环状体
系构象的简单性及
其独特的环状几何结构使其成为研究跨环立体效应和电子效
应的优良载体
[1]
。
从一个苯环到另一个苯环的离域作用使得研究
芳环上的取代效
应是一件很有意义的事情。
苯环之间桥的长度以
及连接点的不同使一个苯环相对
另一个苯环的旋转受到不同程度的限制。具有较小
m
，
n
值环仿的热力
学及光解
效应的降低引起了化学家们研究的极大兴趣。
环仿及其
衍生物的分子对称性使其
具有较高的研究及应用价值，同时也是研究反应机理的有效手段
[2]
。
Scheme 1.1
环仿类衍生物
1.2
[2.2]
环仿及其衍生物
环仿类衍生物，其代表化合物是
[2.2]
环仿
（
Scheme 1.2
中
4
）
，是主
-
客体化<
/p>
学
（
host-guest chemi
stry
）
创始人、
1987
年度诺贝尔化学奖得主
Cram
二十余年的
研究对象
[3]
。由于芳环被两个碳原子桥连起来，使得两个芳环的
π
电子云互
相重
叠而形成一个更大的
π
电子体系。
新形成的电子体系的最高已占分子轨道
（
HOMO
）
与最低未占分子轨道
（
L
UMO
）
的能级差别比单个芳环的要大，
同时
造成了原平面芳环的变形弯曲，使其表现出独特的光、电、磁性能
[4]
。自从母体
化合物被
B
rown
和
Farthing
在
1949
年被分离出来，并且第一次在
195
1
年被
Cram
合
成出来
[5]
，包含独特
[2.2
]
环仿（
PCP
）的分子结构的化合物
引起的兴趣从没有下
降过
[6]
。
[2.2]
环仿衍生物具有各种各样的应用。环仿衍生物作为功能材
料现已被
应用于有机导电材料、
液晶材料、
非线性光学材料和具有生物活性的分子导线
[7]
。
环仿的另一个显著特点是具有面不对称性，
作为手性源，
越来越引起化学家的浓
厚兴趣
[8]
。通过引入膦、氮、氧、硫等杂原子而制得的手性配体（
Scheme 1.2
中
5
和
6
）
，与过渡金属形成配合物后，催化不对称合成反应，已显示出良好
的催化
活性和立体选择性
[9]
。
Scheme 1.2
[2.2]
环仿衍生物
[2.2]<
/p>
环仿类配体与二茂铁类
[10]
、芳烃金
属络合物类
[11]
等平面手性配体以及
轴手性的联萘配体
[12]
相比，既具有平面手性又具有以下
几个特点：
（
1
）平面手
性的引入较为方便，在其骨架的苯环上只需引入一个取代基就可形成平面手性，
而在二茂铁类或羰基金属络合物类中必须至少引入两个不同的取代基才能形成
平面手性
；
（
2
）这类化合物的基本骨架对光、
热、酸、碱、氧化剂以及还原剂等
具有较高的化学稳定性
[13
]
；（
3
）骨架不易消旋化（一般在<
/p>
200°
C
附近才发生消
旋化）
[2]
；（
4
）由于受分子内张力限制，
[2.2]
环仿骨架
具有高刚性
[14]
。
同时，
由于
[2.2]
环仿
骨架的一个苯环的对映面被分子中另一个苯环所屏蔽，使得手性
[2.2]
环仿化合物在参与反应时同样有可能提供有效的不对称环境，
从而能得到较<
/p>
好的不对称诱导效果
[15]
。
近些年来，
[2.2]
环仿衍生物在不对称催化
中的应用引起
化学家们的极大兴趣，
这一领域也得到了较快的发
展，
下面简单介绍一下这方面
的研究进展。
1.3
面手性
[2.2]
环仿衍生物的合成及催化研究进展
1.3
.1
单取代的面手性
[2.2]
环仿衍
生物的合成及催化应用
单取代的面手性
[2.2]
环仿衍生物的合成相对简单，
其拆分主要是用传统
的重
结晶方法
(Scheme 1.3)
。
该类化合物已经用于催化二异丙基锌对醛的不对称加成、
不
对称环丙烷化以及不对称环氧化等反应。
这些开创性的研究取得了较好的产率
及立体选择性。
Soai
等
[23]
研究了用配体
10a-c
催化
二异丙基锌与醛的不对称加成反应
(Scheme 1.4)
。
当用光学纯度超过
99%
的
S
p
-(+)-4-
羧基
[2.2]
环仿
10a
作配体时，
得
到的产物具有
95%ee,
同时收率达到
91%
；
而且该反应具有自催化作用，
使用光
学纯度低的
9
时仍然能以较高收率得到具有较高对映体过量值
（
ee
）
的催化产物。
< br>
用
S
p
-(+)-4-
乙酰基
[2.2]
环
仿
10b
和
S
p
-(+)-4-
乙酸甲酯基
[2.2
]
环仿
10c
催化该反应
都达到了很高的收率和
ee
值。作为该反应的连续性
研究，最近有文献报道烃基
单取代的
[2.2]
环仿对该反应也有基本相当的催化效果
[11]
。
Resolution,
Ref.19<
/p>
(
R)
-(-)-(alpha)-
methylbenzylamine
CHO
8
CHO
S
p
-(+)-8
+
OHC
R
p
-(-)-8
AlCl
3
,
CH
3
O
CHCl
3
Ref.19
AcCl,<
/p>
AlCl
3
70%,
Ref.16
Resolution
a.
< br>HPLC,
Ref.17
b.
S
AMP,
Ref.18
COCH
3
COCH
3
S
p<
/p>
-(+)-7
+
H
3
COC
R
p
-(-)-7
4
Fe,
Br
2
82%
Ref.20
7
Br
2
,
K
OH
90%,
Ref.
a.
i.
Mg;
ii.
CO<
/p>
2
,
98%,
R
ef.21
b.
i
n
< br>BuLi,
ii.
CO
2
63%,
Ref.22
Resolution
,
Ref.22
(
S)
-(-)-(alpha)-
(
p
-nitrophenyl)ethylamine
COOH
S
p
-(+)-9
+
Br
COOH
9
HOOC
R
p
-(-)-9
Scheme 1.3
几种主要面手性单取代
[2.2]
环仿衍生物的合成
CHO
N
t
N
+
i
Pr
Zn
2
0.24-4.8%
10a-c
toluene,
21h
t
N
N
Bu
OH
Bu
S
p
-10
a
R
=
COOH
S
p
-10b
R
=
Ac
S
p
-10c
R
=
COOMe
R
Scheme
1.4
面手性单取代
[2.2]
环仿
衍生物催化二异丙基锌与醛的不对称加成
Glatzhofer
等
[24]
检验了席夫碱
N-
邻羟苯亚甲基
-4-
氨基
[2.2
]
环仿在
Cu(
Ⅱ
)
催
化一系列苯乙烯的不对称环丙烷化反应中的催化效能。
研究发现当采用顺式或者
反式构象的苯乙烯时得到的催化产物具
有不同的光学纯度。
这说明该环仿衍生物
有大量的构象存在，<
/p>
导致它并不能将其手性构象传递给催化底物。
所以第二代席
夫碱类配体在苯酚的邻位和对位引入了叔丁基，
这样做的设想是在金属
中心附近
引入大的空间阻碍，以形成一个有效的“手性口袋”
。
实验取得了更好的立体选
择性，证实了当初设想的正确性。
<
/p>
CO
2
Bu
t<
/p>
+
N
2
CHCO
2
Bu
t
0.
1%
Cu(II),
11
Benzen
e,
5.5h
N
HO
< br>S
p
-11
Scheme 1.5
面手性单取代
[2.2]
环仿衍生物催化苯乙烯的不对称环丙烷化反应
Bolm
和
Kuhn
[25]
合成了一类基于
N-
羟基
[2.2]
环仿
-4-
羧基氨基化合物的钒
类化合物，
并用其催化烯丙基醇的不对
称环氧化反应。
该小组研究了诸多影响反
应的因素，发现要想获
得较好的立体选择性需要采用较低的配体
/
金属比。这与
Sharpless
[26]
以及
Yamamoto
[27]
的发现相反。
5
mol%
VO(O
i
Pr)
3
Ph
OH
+
M
e
C(CH
3
)
2
OOH
7.5
mol%
12
toluene,
3d
Ph
O
OH
Me
O
HO
N
R
R
p
-(-)-12
Scheme
1.6
面手性单取代
[2.2]
环仿衍
生物催化烯丙基醇的不对称环氧化
1.3.2
双取代的
[2.2]
环仿系列化合物在不对称催化反
应中的应用
1.3.2.1
两个取
代基在一个苯环上的
[2.2]
环仿系列化合物的合成及应用<
/p>
两个取代基在一个苯环上的面手性双取代
[2.2]
环仿系列化合物的合成有两
种途径，一是以光学纯
的单取代衍生物为原料合成（
Scheme 1.7
）
[28]
；二是合成
出混旋的目标化合物之后再
拆分（
Scheme 1.8
）
[29
]
。
NaH,
MOMCl
95%
HO
R
p
-(+)-13
MOMO
i.
n
BuLi,
TMEDA
ii.
DMF,
40%
HO
CHO
R
p
-(+)-14
Scheme 1.7
面手性双取代
[2.2]
环仿化合物的合成
Na
i
Pr
Na
O
OH
i
H
2
N
O
Cu(ClO
4
)
2
,
HO
CHO
1314
Pr
O
Cu
O
O
N
N
i
i
PrONa
i
Pr
+
i
Pr
N
Cu
N
i<
/p>
O
Pr
O
O
O
Pr
+
HO
CHO
OHC
OH
R
p
-(+)-14
S
p
-(-)-14
S
chem
e 1.8
面手性双取代
[2.2]
环
仿化合物的拆分
两个取代基在一个苯环上的手性双取代
[2.2]
环仿类配体已经应用在不对称
催化
醛和亚胺的加成反应、
钯催化烯丙基烷基化反应以及硫醚的氧化反应等反应
中，都表现出了良好的收率和较高的立体选择性。
Dahmen
和
Br?
se
利用面手性
N
，
O
环仿配体不对称催化二乙基锌对芳香醛
及脂肪醛的加成反应
[30]
，实验证实反应产物的构型是由催化剂配体的面手性所
决定的。
该小组进一步研究了二乙基锌对亚胺的加成反应，
再次印证了产物构型
是由配体的面手性决定的，
但是其
数值大小并不完全依赖面手性，
增加空间阻碍
能提高其立体选择
性
[31]
。
OH
CHO
+
Et
< br>2
Zn
1
mol%
15
or
16
toluen
e/hexane
O
HN
R
SO
2
Tol
+
Et
2
Zn
1-2
mol%
15
or
16
hexane,
16-36h
HN
O
R
Et
<
/p>
HO
N
HO
N<
/p>
(
S
,
R
p
)-15
(
S
,
R
p
)-16<
/p>
Scheme 1.9
面手性双取代
[2.2]
环仿化合物不对称催化二乙基锌对醛及亚胺的
加成反应
Belkon
小组
[32]
研究了一种新型钛配合物催化二乙基锌对苯甲
醛的不对称加
成反应。采用
0.15-0.25
当量的原位法生成的配合物能有效催化该反应（转化率
37-100%
）
，但是立体选择性较差，只有
22-36%e
e
。
OH
C
HO
+
Et
2
Zn
0.15-0.25
equiv
1
7
toluene,
15h
1.8eq
uiv
i
PrO
O
Ti
O
i
Pr
O
C
H
2
17
Scheme 1.10
面手性
双取代
[2.2]
环仿化合物不对称催化二乙基锌对苯甲醛的加
成
1.3.2.2
两个取代基分别在两个苯环上的
[2.2]
环仿系列化
合物的合成及应用
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