cone partial cone

1,2-alternate 1,3-alternate Conf ormation

圖三 圖三 圖三

圖三、、、芳杯亞甲基架橋之氫與碳核磁共振光譜。、

¹⁰

而當芳杯進行醚化或酯化時，決定構形及產率的因素有：取代基 的大小、鹼的共軛金屬離子大小、鹼的強弱、溶劑的極性等。

¹¹

利用

p-tert-butylcalix[4]arene 與溴乙酸乙酯反應所得產物構形分布，如表一

所示，

¹²

稱之為金屬模板效應(metal template effect)。以鈉離子為金屬

模板時，多半會形成 cone 構形，而改用銫離子則會產生 partial cone 構形為主。此外，選用不同強度、不同當量的鹼，亦會得到下緣不同 取代數目的產物。

表一 表一 表一

表一、、、、 p-tert-Butylcalix[4]arene 與溴乙酸乙酯反應產物構形分布。

¹²

產物構形 (%) 鹼 (當量數) 溶劑 溫度

(℃)

時間 (小時)

產率

(%) Cone Partial cone 氫化鈉 (16) THF 67 1 96 100 0 碳酸鋰 (20) DMF 70 45 22 100 0 碳酸鈉 (20) DMF 70 6 100 88 12 碳酸鉀 (20) DMF 70 8 100 84 16 碳酸銫 (20) DMF 70 3 100 27 73 碳酸鋰 (20) 丙酮 56 45 0 0 0 碳酸鈉 (20) 丙酮 56 22 59 100 0 碳酸鉀 (20) 丙酮 56 22 99 96 3 碳酸銫 (20) 丙酮 56 1 100 0 100

1.3 芳杯在主客化學上的應用芳杯在主客化學上的應用芳杯在主客化學上的應用 芳杯在主客化學上的應用

芳杯(calixarene)是繼冠醚和環糊精之後的第三代超分子化學的主 體分子，因為其具有獨特三維的立體孔洞結構。經過多年針對其合成 與衍生化方法的研究後，最近幾年逐漸發展具有特定功能的超分子系 統。例如用以辨識陽離子、陰離子和一些有機小分子為基礎的化學感

測器、或是以芳杯為基本構造的人工仿酵素體系以及分子組裝等。其 中最被廣為討論及應用的特性為其抓取客體分子的種類選擇性，即所 謂“分子辨識”。分子辨識是為超分子化學中重要的一環，在超分子 的主客體系中，主體分子能夠有選擇性的辨識客體分子，並和客體分 子產生配位形成化合物。而影響到主體是否能夠有效的辨別各種客體 分子的因素可分為幾種：主體分子本身孔洞的大小、孔洞的形狀、配 位數等。因此可以列出下列幾種可能的關係：

一、 主體分子的孔洞大小與客體分子大小相當，此時能夠產生較強 作用力，而有良好的辨識效果。

二、 主體分子的孔洞小於客體分子，此時，對於該客體分子的作用 力可能較差，導致辨識效果不佳。

三、 主體分子的孔洞大小大於客體分子，如此一來一個主體分子有 可能鍵結一個以上的客體，而產生一對多的錯合物。

因此，主體的立體結構以及所衍生的官能基團皆會對客體辨識產生影 響。其中，最常見的客體分子主要有陽離子、陰離子以及掌性分子。

1.3.1 陽離子之偵測陽離子之偵測陽離子之偵測陽離子之偵測

芳杯對於金屬陽離子的偵測與篩選性，最直接的用途即為金屬離 子的分離，最早的一篇相關專利發表在 1984 年，以對位第三丁基取

討 利 用 芳 杯 分 離 核 廢 料 中 的 鈾 或 鈽 離 子 。 Shinkai

¹³

以 水 溶 性 的

p-sulfonatocalix[5]arene 和 p-sulfonatocalix[6]arene 作一系列的探討發

現就算存在其他干擾離子時(如：鎳、鋅、銅離子)，仍可以選擇性的 與二氧化鈾離子產錯合，如表二所示。

表二表二

表二表二、、、、芳杯與二氧化鈾等離子的結合常數(logK

_assoc

)

¹³

R n UO

2

2+

Mg

²⁺

Ni

²⁺

Zn

²⁺

Cu

²⁺

H 4 3.2 - - - - CH

2

CO

2

H 4 3.1 - - - - H 5 18.9 + 0.6 - - - - CH

2

CO

2

H 5 18.4 + 0.1 - - - - H 6 19.2 + 0.1 small 2.2 5.5 8.6 CH

2

CO

2

H 6 18.7 + 0.1 small 3.2 5.6 6.7 Me 6 3.2 + 0.2 - - - -

此外，本實驗室也曾發表多篇以 calix[4]arene 為基底並針對金屬 陽離子偵測之文獻，像是 2007 年所發表的 1,3-alternate 的化合物 3，

14

在芳杯一端及另一端分別修飾上了冠醚與蒽三唑官能基團，並發現 此化合物對鉛離子產生螢光淬息效果，而且更進一步的討論鉀離子與 鉛離子在此結構中所產生的變構性效應(allsoteric effect)，這也是首例 在芳杯下緣修飾蒽三唑取代基來當作螢光發色基團的金屬感測研 究，如圖四所示。

圖四 圖四 圖四

圖四、、、、化合物 3 與 K

⁺

及 Pb

²⁺

的錯合模型。

¹⁴

而在 2005 年發表的文獻中

¹⁵

，合成了一系列偶氮芳杯 4a-c，修 飾上的偶氮官能基除了可以當作發色基團之外，在此也被利用來當作 與金屬錯合的官能基。研究結果發現對位甲氧基取代偶氮芳杯 4a 對 汞二價離子有很好的錯合能力，並提出了其可能的錯合模型，如圖五 所示。文章中也探討了偶氮酚與醌-苯腙的互變異構化，如式圖二所 示。

圖五 圖五 圖五

圖五、、、、雙丙烯基取代偶氮芳杯 4a-c 及 4a 與 Hg

²⁺

可能錯合模式。

¹⁵

式圖二 式圖二式圖二

式圖二、、、偶氮酚與醌-苯腙的互變異構化。、

¹⁵

1.3.2 陰離子之偵測陰離子之偵測陰離子之偵測陰離子之偵測

文獻中也有關於探討陰離子感測器的芳杯合成，用以研究自然界 中負電荷在生物系統的作用。然而陰離子的篩選比起陽離子的篩選困 難許多，其原因主要有：陰離子通常大於金屬陽離子，陰離子在結構 上的多變性(球形結構的鹵素離子 X

^-

、線形結構的疊氮離子 N

3

-

與 OCN

^-

、平面結構的 NO

3

-

與羧酸根離子 RCOO

^-

、正四面體結構的 SO

4

2-

,

ClO

4

-

及 PO

4

2-

與正八面體結構的 M(CN)

6

n-

，較大的溶劑溶合自由能 (free energies of solvation)，且錯合情形受到酸鹼值的影響極大。

¹⁶

.

最早開始研究陰離子偵測的 Beer，利用了上緣有鈷錯合物修飾的 芳杯 5 來辨識氯、溴、鄰酸根等陰離子。

¹⁷

而後期的陰離子偵測研究 則著重於使用醯胺基修飾的芳杯 6，主要是因為其能藉由氫鍵作用來 穩定錯合物生成。此外，也含尿素或硫脲(thiourea)類似結構的芳杯 7，對於陰離子也有不錯的偵測效果。

¹⁸

2007 年，Kim 等合成 1,3-alternate 構形且含有醯胺結構的螢光芳 杯化合物 8，

¹⁹

此化合物加入氟離子後，在紫外/可見光光譜有紅位移 的現象產生( λ

max

由 346 nm 變成 400 nm)；在螢光光譜中，化合物 8 具 有兩個放光波帶，分別是 385 nm 的單體放光(monomer)與 482 nm 的 動態激態雙體放光(dynamic excimer：單一個芘在光的激發下，由基 態躍遷至激發態，由於分子間的作用力，激發的芘會吸引另一個基態 的芘，當一對芘的π軌域重疊而產生激態雙體，此種方式稱為動態的 激態雙體)，如圖六所示。初期加入了氟離子後，單體所放出的螢光

大量的淬息，激態雙體的放光產生藍位移。加入超過 600 當量的氟離 子後，單體與激態雙體的放光都淬息，而在 470 nm 產生一個新的放 光，並且隨著加入的氟離子越多放光越強。經過拉曼光譜的證實後，

這 是 因 為 結 構 中 芘 (pyrene) 與 氟 離 子 發 生 光 誘 導 電 荷 轉 移 作 用 (photoinduced charge transfer) ， 而 產 生 了 靜 態 激 態 雙 體 9 (static excimer ： 一 對 芘 在 基 態 時 靠 近 而 成 為 具 有 物 理 作 用 的 二 聚 體 (dimer)，在光的激發下，直接躍遷形成此二聚體的激發態，此時激態 雙體能階較高，因此會進行結構重組而轉變成能階較低的激態雙體，

此種方式稱為靜態的激態雙體)，如圖七所示。

圖六 圖六 圖六

圖六、、、、化合物 8 加入 F

^-

、Cl

^-

、Br

^-

、I

^-

、CH

³

CO

2

-

、HSO

^{4 -}

與 H

2

PO

4

-的 (a) 紫外/可見光光譜 (b) 螢光光譜 (c) 化合物 8 對加入不同

當量的 F

^-

後的螢光變化光譜。(溶劑為乙腈)

¹⁹

圖圖

圖圖七七七、七、、化合物 8 與氟離子錯合生成之途徑。、

¹⁹

1.3.3 掌性分掌性分掌性分掌性分子之偵測子之偵測子之偵測 子之偵測

自然界中，在分子與超分子層次上都充分的利用掌性來發展出多 種不同結構的酵素，並與生物體內受體的辨識與催化作用來達到各種 不同的生命功能，而天然的酵素能夠利用其化學選擇性與立體選擇性 的不同，來展現各式各樣的功能。因此，要使芳杯扮演良好的人工酵 素，不單是需要合適的官能基來展現其化學選擇性，還要使芳杯具有 掌性，以達到高度的立體選擇性。所以，研究掌性芳杯是芳杯化學及 超分子化學發展的重要階段與目標，對於生物化學和藥物化學領域也 會產生影響。

因此，設計具有掌性的芳杯(chiral calixarene)來辨識掌性分子是很 重要的發展趨勢。而設計合成掌性芳杯主要有兩種方法：一是芳杯上

直接利用共價鍵來連接掌性分子，是最簡單且快速地得到光學純的掌 性芳杯的方法，其主要特色有幾點：就掌性而言，並沒有利用到芳杯 分子本身所具有的非平面孔洞結構；原則上可以利用所有的掌性基團 與芳杯作共價鍵連結，因此可合成多種芳杯衍生物；不需要經過拆分 就可以得到光學純的掌性芳杯。另一種則是利用改變芳杯本身對稱 性，以達到使芳杯本身具有掌性性質。

前者，直接利用共價鍵連結掌性分子到芳杯上的方法是目前為止 較多人使用的方法。早在 1979 年 Gutshe

²⁰

就曾利用具有掌性的樟腦 衍生物在芳杯上進行酯化修飾，使得芳杯分子具有掌性。而後在 1996 年，Kubo

²¹

利用具有掌性的發色團(BINOL)合成芳杯 10，藉由錯合前 後顏色的變化來辨識鏡像分子，其錯合常數整理於表三，由表三可以 得知，化合物 10 只和(R)-11、(S)-11 有效應，且產生錯合之後，由 原來的紅色轉變為藍紫色，可以很容易的藉由肉眼觀察得知產生錯合 與否。

表三 表三 表三

表三、、、、 芳杯與鏡像分子之結合常數

^a

。

²¹

K assoc

(M

^-1

)

K assoc

(M

^-1

)

在文檔中 (1) 固有掌性芳杯螢光感測器之合成與光學純化及其掌性分子辨識 (2) 下緣鄰位蒽三唑及酯基取代芳杯螢光感測器之合成及其金屬離子辨識 (頁 35-45)