双柱[5]芳烃的研究进展

李顺顺

（天津大学 药物科学与技术学院，天津 300072）

柱芳烃[1]是Ogoshi 等人在2008 年报道的一种新的大环化合物，由对苯二酚或对苯二酚醚在对位通过亚甲基桥连接组成，呈现出圆柱形或柱状结构，首个报道合成的柱芳烃是通过1,4-二甲氧基苯与甲醛的缩合反应制得的1,4-二甲氧基柱[5]芳烃（DMP5）。柱[5]芳烃具有富电子空腔，容易与贫电子客体结合，作为主体分子在主客体化学中有着重要的作用，同时，独特的柱状结构和易于功能化使得柱[5]芳烃在超分子自组装体系中具有独特的吸引力。在过去的十年中，双柱[5]芳烃因其具有两个结合位点，可控的自组装性能，以及组装成复杂的超分子结构的应用引起了人们极大的兴趣和关注。双柱[5]芳烃的连接体可分为两类，刚性和柔性，刚性的连接体可将双柱[5]芳烃的两个空腔扩展为一个更深的空腔，使其具有协同效应从而增强与客体分子的结合力，柔性的连接体则使两个空腔展现出相对独立的性质，各自可以结合客体分子。此外，可以在连接体上引入带有特殊性质的官能团，例如，具有光响应性，氧化还原响应性以及荧光性的基团等可以用来调控双柱[5]芳烃的性能，这种类型的双柱[5]芳烃具有极高的应用价值，通过与客体分子结合形成超分子聚合物体系，可用作多重刺激响应性的材料，载药系统，人工光捕获系统，荧光传感器，离子检测器。当柔性连接体穿过双柱[5]芳烃的空腔时，还可以构建高精度的机械互锁结构，如索烃，轮烷。

1 双柱[5]芳烃的构建

鉴于单个连接体桥联的双柱[5]芳烃的构建相对容易，迄今为止，现有的绝大多数双柱[5]芳烃都属于这一类型。一般来说，单连接体桥联的双柱[5]芳烃有3 种常见的合成策略，（1）由两种单体通过寡聚化形成双柱[5]芳烃，例如，黄飞鹤等[2]在2011 年报道的利用1,6-双（4-丁氧基苯氧基）己烷与1,4-二甲氧基苯聚合形成的脂肪链连接的双柱[5]芳烃（图1a），该双柱[5]芳烃的产率仅有8%，原因是两种不同的单体在环化的过程中会出现错配的情况，1,4-二甲氧基苯会自身聚合生成大量的DMP5，而不是与1,6-双（4-丁氧基苯氧基）己烷生成相应的双柱[5]芳烃；（2）由两个单功能化的柱[5]芳烃通过连接体键合而成，例如，Ogoshi 等[3]在2011 年报道的对二甲苯基连接的双柱[5]芳烃，是由两分子单羟基化的柱[5]芳烃和一分子的1,4-二溴对二甲苯缩合而成（图1b）；（3）由两个单功能化的柱[5]芳烃直接相连生成双柱[5]芳烃，例如，巯基修饰的单功能化柱[5]芳烃经氧化生成双柱[5]芳烃[4]（图1c）。

图1 双柱[5]芳烃的3 种合成策略Fig.1 Three synthetic strategies of bis-pillar[5]arene

2 功能性的双柱[5]芳烃

引入带有特殊性质的官能团的连接体，例如具有光响应性，氧化还原响应性以及荧光性的基团等可以用来调控双柱[5]芳烃的性能，极大地扩展了双柱[5]芳烃在功能性材料方面的应用。

2.1 具有刺激响应性的双柱[5]芳烃

2.1.1 光响应的双柱[5]芳烃 偶氮苯是典型的光响应基团，其顺式反式构型会在紫外可见光照射下进行可逆转化。在2013 年，Ogoshi 等通过引入偶氮苯基团得到了具有光响应性质的双柱[5]芳烃[5]，通过紫外和可见光的照射可以调控双柱[5]芳烃与客体分子的组装和解组装，当双柱[5]芳烃经过可见光照射时，偶氮苯会从顺式构型转换为反式构型，两个柱[5]芳烃的空腔在空间位置上产生变化，导致与客体分子形成的超分子聚合物解聚，当反式构型的偶氮苯经过紫外光照射后转变为顺式构型，相应地双柱[5]芳烃与客体分子重新形成超分子聚合物。

2.1.2 氧化还原响应的双柱[5]芳烃 在2015 年，第一个对γ 射线辐射响应的线性超分子经由含二硒键的双柱[5]芳烃的主客体聚合物被成功构建[6]，该超分子聚合物可被γ 射线破坏，此外，由于二硒键可通过添加过氧化物或具有还原性的谷胱甘肽进行破坏，使得这种超分子聚合物表现出相应的氧化还原响应性。在2017 年，杨英威[7]等在含二硒键的双柱[5]芳烃的基础上，引入具有聚集诱导发光性质的四苯乙烯单元的客体分子，所形成的超分子聚合物显示出荧光，加入还原剂后导致双硒键断裂，使得双柱[5]芳烃解聚，聚集诱导效应消失，荧光被淬灭。

双硫键因其温和的生成条件，极高的产率，以及氧化还原响应的性能，引起了研究人员极大的关注，杨清正课题组在这方面做了很多工作。在2016 年，杨清正报道了双硫键键合的双柱[5]芳烃[4]，可与带有荧光基团的客体分子形成超分子聚合物，可在水溶液中形成纳米球，在此基础上，杨清正于2018 年构建了人工光捕获系统[8]，客体分子作为能量的供体与受体，双柱[5]芳烃作为能量传递的载体。此外，双硫键具有氧化还原刺激响应性，随着还原剂的加入，双硫键断裂形成巯基，加入氧化剂后，双硫键会再次形成，在2019 年，杨清正和王瑞兵等人将双硫键键合的双柱[5]芳烃作为载药系统运送抗癌药物，肺癌细胞中丰富的精胺和谷胱甘肽可使双硫键断裂，从而实现药物的精准释放[9]。

2.2 基于双柱[5]芳烃与客体分子构筑的荧光传感器

2013 年，王乐勇报道了双柱[5]芳烃与正辛基吡嗪鎓阳离子之间形成的假轮烷及其聚假轮烷用于选择性检测卤素离子的新型荧光传感器[10]，在分别添加Cl-，Br-和I-（四丁基铵盐）时，会发生假轮烷及其聚假轮烷的分解过程，使得它们的荧光恢复，两种体系的荧光增强程度按I-< Br-

3 基于双柱[5]芳烃构筑的机械互锁分子

双柱[5]芳烃具有平面手性，呈现出两种构型，当取代基按照顺时针方向排列时，将该绝对构型称为P 型（positive，顺时针），反之，当取代基按照逆时针方向排列时，该绝对构型称为M 型（minus，逆时针）（图2a）。当连接体穿过柱[5]芳烃的空腔进行桥连时，双柱[5]芳烃就会形成索烃或者轮烷，受双柱[5]芳烃固有手性的影响，索烃或轮烷会形成相应的立体异构体。2015 年，刘育等通过一步酰胺化来制备称为“双子索烃”的双柱[5]芳烃[14]，“双子索烃”具有3 个立体异构体，包括一对PP 型和MM 型的对映异构体，以及一个PM 型的内消旋体（图2b），其中两个柱[5]芳烃的空腔被两条脂肪胺链以不同的拓扑方式穿入。2018 年，颜朝国等由二硫脲桥连的双柱[5]芳烃成功构建双-[1]轮烷[15]，其中二硫脲链进入柱[5]芳烃的两个腔中，形成独特双-[1]轮烷结构。2020年，颜朝国等报道了新型的双[1]轮烷[16]，两个丙烯二氨基单元插入双柱[5]芳烃的两个空腔中，并通过Salen 桥连接（图2c）。

图2 基于双柱[5]芳烃的机械互锁分子Fig.2 Mechanically interlocked molecules based on bis-pillar[5]arene

4 双柱[5]芳烃的发展趋势与展望

由单个连接体键合的双柱[5]芳烃已经得到了广泛的关注和深入的研究，然而由5 个连接体相连的双柱[5]芳烃鲜少报道，一方面由于上下缘不同的柱[5]芳烃合成产率极低，2018 年苏纪豪等人报道了导向合成法后才解决了这个问题[17]，另一方面，进行五重连接时很容易出现错位的情况，从而形成大量的多聚体，直到2020 年，Ogoshi 等人合成了首个五重连接的双柱[5]芳烃[18]，由两个上下缘不同的羧基修饰的柱[5]芳烃，通过羧基与水分子之间的氢键连接形成，并且通过单晶结构证明，它们形成的二聚体产生了一对具有螺旋结构的对映异构体，与此同时，他们还报道了柱[5]芳烃三聚体，由一个全季铵盐修饰的柱[5]芳烃和两个上下缘不同的羧基修饰的柱[5]芳烃组成，通过羧基和季铵盐之间的静电作用维持柱状结构。

氢键是弱相互作用力，由氢键相连的双柱[5]芳烃结构不够稳定，不利于进行更多相关的研究以及应用，在未来的研究中，可以通过金属键，共价键等更强的相互作用力进行五重连接的双柱[5]芳烃的合成，从而得到结构更加稳定的二聚体，在这种更深的空腔中研究相应的主客体化学特性，并且可对双柱[5]芳烃的对映异构体进行拆分，得到相应的手性双柱[5]芳烃，同时，五重连接的柱[5]芳烃三聚体，四聚体，五聚体甚至多聚体的合成也是一项充满挑战的工作。