通过葫芦[6] uril介导的叠氮化物 - 炔烃环加成合成高效的catenane

我们在这里报告了一系列[3] catenanes的有效合成，其特征在于使用葫芦[6] uril同时介导机械和共价键形成。通过将机械互锁与共价大环化偶联，消除了拓扑异构体的形成，并且[3] catenanes仅以良好的收率形成。对这些[3] catenanes的有效访问和其他识别单元的存在使它们成为构建其他高阶互锁结构的有希望的构建块。

关键词： 叠氮化物 - 炔烃环加成; 索烃; 点击化学; 葫芦[6]脲; 机械结合

Catenanes是具有机械互锁大环的拓扑非平凡分子。互锁大环化合物之间灵活但强大的机械结合为开发catenanes作为分子机器或具有不寻常机械性能的新材料提供了独特的机会[1-9]。多年来，已经开发了不同的模板和闭环反应以形成互锁的大环化合物，但是大多数报道的catenanes仅限于Hopf链接（即最简单的[2] catenane，具有两个交叉）[9]。具有更多互锁大环和/或更多交叉点的其他高级链癸烷的合成仍然具有挑战性，并且尚未实现对于catenanes的更一般的合成策略[10-12]。[ n ] catenane合成中的主要挑战是大环的共价形成及其机械互锁的精确时空控制。否则，将形成各种拓扑异构体，例如非互锁产物或低级catenanes，这对合成效率有害并且使纯化过程复杂化[13-19]。

克服这一挑战的一种策略是在一个步骤中耦合机械键和共价键形成。如果通过可逆相互作用（其将导致机械互锁）的结构单元预组织对于共价键形成也是必需的，则将抑制非互锁前体的共价捕获并且将确保大环的机械互锁。一个例子是使用活性金属模板，其中大环化是由金属配位大环的空腔内的金属离子介导的[20]。葫芦[6]脲（CB [6]）也被证明与含铵叠氮化物和炔烃结合，并在CB [6]腔内介导它们的环加成[21,22]。然而，这些策略主要局限于基于轮烷的互锁系统的合成[23]，可能是因为与catenane合成中的大环化有关的额外挑战。以前，我们已经报道了[6] catenane合成的初步研究，该研究以CB [6]介导的叠氮化物 - 炔烃环加成（CBAAC）为基础，使用基于菲咯啉的结构单元[24]。为了进一步探索CBAAC在机械互锁分子构建中的适用性和一般性，我们在此报道了由不同叠氮化物和炔烃结构单元的组合有效合成一系列[3] catenanes。通过简单的纯化步骤以良好的收率（> 85％）获得这些[3] catenanes。CBAAC与这些不同结构单元的良好相容性和[3] catenanes的良好产率可通过其他非共价相互作用引入额外的大环化合物作为其他高级[ n ] 链烯的入口点。

本研究中使用的双（氨基炔）和双（氨基氮）结构单元在方案1中总结。仲胺被设计成在酸性条件下通过离子 - 偶极相互作用形成与CB [6]强烈结合的铵。在与CB [6]形成包合物时，CB [6]腔内的叠氮化物和炔烃官能团将被放置得非常接近，并且将促进它们的环加成。由于环加成之前是CB [6]结合，因此三唑形成将确保CB的互锁[6]。然后，二叠氮和二炔的[1 + 1]大环化将导致[3] catenane的排他性形成而没有其他拓扑异构体。

结构单元含有中心六乙二醇（HEG）单元或衍生自1,5-二氧萘（DN），萘二酰亚胺（NDI），2,9-菲咯啉（Phen）或4,4'-联苯（BP）核它可以参与额外的非共价相互作用，例如金属 - 配体配位，电荷转移，π-堆积和疏水相互作用，以便稍后互连其他大环以产生更高级的[ n ] 链烯醇。按照前面描述的类似程序合成新的构建模块[24]。

由CBAAC合成的Catenane

[3] catenanes的合成

首先使用二氧萘构建单元DN-N3和DN-CC研究CBAAC介导的[3] catenane合成。与以前报道的[3] catenane Cat-0不同，后者来自DN-N3和Phen-CC [24]，DN-N3和DN-CC均含有末端叠氮化物和炔烃基团之间的柔性乙二醇接头，因此任何其他可能的预组织效应，除了铵结合CB [6]，可以消除，以研究CBAAC在catenane形成的效率。在我们的第一次试验中，DN-N3，DN-CC的1：1：2混合物将在0.2M HCl中的CB [6]加热至70℃，并通过LC-MS分析反应混合物。加热1小时后，虽然可以观察到对应于[1 + 1]环化产物的峰，其中m / z值与[3] catenane Cat-1一致，但也发现了一些未反应的结构单元和未鉴定的产物。进一步将反应时间延长至3,5或8小时，得到相似的色谱图，但没有显着改善Cat-1的产率。在CBAAC介导的轮烷合成中已经报道了类似的观察结果，并且已经使用其他模板与CB [6]与构建块上的铵结合积极配合以提高CBAAC的效率[23]。。鉴于CB [6]的低溶解度和可能导致不完全环加成和其他副产物的未结合的结构单元的热辅助叠氮化物 - 炔烃环加成的可能性，我们决定首先组装假[3]轮烷在将其他结构单元引入反应混合物之前，CB [6]与叠氮化物或炔烃结构单元络合。通过在2当量的CB [6]在0.2M HCl水溶液中存在下加热DN-N3溶液2小时，形成澄清溶液，其表明CB [6]溶解并形成包合复合物。一个相当于DN-CC加入并将混合物在70℃下进一步加热。反应混合物的LC-MS分析显示，加热1小时后，结构单元完全消耗，并且粗混合物含有[3] catenane Cat-1作为主要产物，产率> 85％（方案2）。使用DN-CC首先形成假[3]轮烷CB [6]络合物不影响CBAAC的效率，并且以相似的产率获得Cat-1。这些结果表明，假轮烷复合物的初始形成通过避免CB [6]腔外的任何环加成来帮助CBAAC，并且CBAAC可以是用于catenane合成的有效策略。