車輪烷分子的合成策略

圖2 (a) 車輪烷與 (b) 交環烷卡通示意圖。

1.3 車輪烷分子的合成策略

1.3.1 早期車輪烷分子的合成

早期合成出車輪烷的方法主要有兩種，「統計法」 (statistical approach) 和「直 接合成法」 (Directed Syntheses)。統計法簡單來說是指長鏈分子環化或是前後鎖 上大型取代基時，在隨機的狀況下正巧穿入另一個大環分子中，而產生出內鎖型 分子。直接合成法則是先直接以共價鍵的形態做出車輪烷前軀物，再切斷大環分 子與啞鈴形分子之間的共價鍵來得到車輪烷，但此兩種方法產率皆低或是需要精 細的合成設計，過程複雜且冗長，難以被廣泛運用。

第一個合成車輪烷的例子，是在 1976 年由 Harrison 教授利用統計法合成

[13]，首先將環形分子修飾在樹脂上，並將樹脂填裝於管柱中，用含有 1,10-癸二 醇 (decane-1,10-diol) 和三苯基氯甲烷 (triphenylmethyl chloride) 的有機溶劑沖 洗管柱數十次，最後再將環形分子從樹脂上水解下來，經管柱層析純化可能到產 率6%的[2]車輪烷 (流程 1)。

(a)  (b) 

流程1 利用統計法合成車輪烷

1.3.2 模版導引法

隨著超分子化學領域的進步，許多高效率、較簡易的合成車輪烷方法逐一被 開發出來。像是在 1981 年 Ogino 教授即使用了超分子化學法合成出[2]車輪烷

[14]，其方法是使用一些已被發展研究的特殊大環分子，如冠醚 (crown ether)、環 糊精 (cyclodextrins) 等，作為主體可與特定的客體進行辨識，形成輪 (wheel) 與 軸 (axle) 的幾何構形—準車輪烷 (pseudorotaxne) 結構，接著再將軸的兩端共價 鍵結大型取代基，封鎖住大環分子，即可合成出車輪烷。相較於傳統的方式，超 分子化學大幅地提高了車輪烷的合成產率及應用性。

在現行最常使用的方法是「模版導引法」 (Template-Directed approach) (流

程2)，此方法運用非共價鍵作用力以及自組裝的概念，讓內鎖分子的前驅物彼此

間藉由分子辨識系統，預排列 (preorganize) 形成一個能量相對穩定的空間結 構，再進一步形成共價鍵鎖住該分子。由於是使用非共價鍵作用力作為分子間排 列的驅動力，因此在反應中即可利用各種特殊的辨識系統，來產生預期中的立體 化學結構，一般常用到的非共價鍵作用力，如氫鍵、π-π 疊合、疏水力、陰離子 及陽離子模版等等。

利用模版導引法合成車輪烷的策略有相當多種，例如穿透後末端封鎖法^[15]

(threading-followed-by-stoppering)、夾鎖法^[16] (clipping)、滑套法^[17] (slippage) 以

及本實驗室發展出的穿透後末端膨脹法^[18] (threading-followed-by-swelling)、穿 透後縮環法^[19] (threading-followed-by-shrinking) (流程 2)。

流程 2 車輪烷模板導引法之合成策略

1. 穿透後末端封鎖法：

以非共價作用力讓一個大環分子與桿狀分子進行辨識，形成熱力學穩定的準 車輪烷結構，此時再加入大型封鎖基團將桿狀分子末端封住，使大環分子鎖 於其中，即可得到車輪烷分子。

2. 夾鎖法：

使用一個環型分子前軀物，讓其於反應中與啞鈴型分子辨識，在大環分子前 軀物固定在啞鈴型分子中間時進行合環反應，便可將大環分子鎖於其中，形 成車輪烷，而由於反應中大環分子前軀物像是夾子一般，夾住啞鈴型分子，

因此命名為夾鎖法。

3. 滑套法：

此方法利用動力學穩定來形成車輪烷。當啞鈴型分子的封鎖基團尺寸適當 時，大環分子可以在較高的溫度環境下，可逆性的穿過封鎖基團與啞鈴型分 子的辨識中心做結合，此時因為產生非共價鍵作用力，使大環分子要脫離啞 鈴型分子的活化能大幅提高，並且當溫度下降後，大環分子便幾乎無法離開 啞鈴型分子，因此可視為穩定的車輪烷結構。

4. 穿透後末端膨脹法：

將大環分子穿透桿狀分子錯合，形成穩定準車輪烷，接著在桿狀分子較小的 末端基團上，於不額外加入其他試劑或原子情況下，做分子骨架重排，形成 尺寸足夠大的封鎖基團，封鎖住大環形成車輪烷。

5. 穿透後縮環法：

先以一個尺寸能自由穿透封鎖基團的大環分子與啞鈴型分子進行錯合形成 準車輪烷後，再將大環分子反應縮小，讓其不能通過封鎖基團，即可得到車 輪烷。