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荧光型柱[5]芳烃主客体超分子体系：设计、合成与性能的深度剖析

一、绪论

1.1主客体超分子概述

主客体超分子化学是超分子化学领域中的重要研究方向，其基本概念源于分子间的非共价相互作用。超分子通常是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用，如氢键、范德华力、π-π堆积作用、静电作用和疏水作用等结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体，并保持一定的完整性使其具有明确的微观结构和宏观特性。在主客体超分子体系中，主体分子具有特定的空腔结构或结合位点，能够选择性地与客体分子通过上述非共价相互作用形成稳定的复合物，这种主客体相互作用具有高度的选择性和特异性，类似于锁和钥匙的关系。

主客体超分子的发展历程可追溯到20世纪30年代中期，当时超分子这一术语首次被提出。而超分子化学的概念和术语在1973年被正式提出，1987年诺贝尔化学奖获得者法国科学家J.M.Lehn首次提出“超分子化学”，指出其是基于分子组装体和分子间键而存在的化学领域，分子间的相互作用是超分子化学的核心。此后，主客体超分子化学得到了迅猛发展，科学家们不断合成和研究各种新型的主体分子和客体分子，深入探索主客体相互作用的机制和规律。

在化学领域，主客体超分子具有举足轻重的地位。它为化学研究开辟了全新的视角，从传统的共价键分子化学拓展到基于分子间非共价相互作用的超分子体系。在材料科学中，利用主客体超分子的自组装特性，可制备具有特殊结构和性能的功能材料，如光电器件、传感器材料等；在药物传递领域，主客体超分子可作为药物载体，实现药物的靶向递送和控制释放，提高药物的疗效和降低毒副作用；在催化领域，主客体超分子体系能够提供独特的反应微环境，实现对反应的选择性催化，促进化学反应的高效进行。主客体超分子化学的发展极大地推动了化学及相关学科的进步，为解决众多实际问题提供了创新的方法和途径。

1.2柱芳烃的结构与特性

1.2.1柱芳烃化学结构解析

柱[5]芳烃是一类具有独特结构的大环主体分子，其化学结构呈现出高度对称的柱状形态。它由五个对苯二酚单元通过亚甲基桥在苯环的对位连接而成，形成了一个具有一定尺寸空腔的环状骨架。这种环状骨架赋予柱[5]芳烃特殊的物理和化学性质。

从空间结构上看，柱[5]芳烃的空腔具有一定的尺寸和形状，能够容纳大小和形状匹配的客体分子。其空腔尺寸相对固定，这使得柱[5]芳烃在主客体识别中具有一定的选择性，只能与特定大小和结构的客体分子形成稳定的主客体复合物。例如，一些尺寸较小的有机分子或离子，如果其大小与柱[5]芳烃的空腔相适配，就能够进入空腔内部，通过非共价相互作用与柱[5]芳烃结合。

连接亚甲基桥的存在不仅将五个对苯二酚单元连接在一起形成稳定的环状结构，还对柱[5]芳烃的整体性质产生影响。亚甲基桥的柔性使得柱[5]芳烃在一定程度上能够发生构象变化，这种构象变化在主客体相互作用过程中起着重要作用。当客体分子进入柱[5]芳烃的空腔时，柱[5]芳烃的构象可能会发生适应性改变，以更好地与客体分子相互作用，增强主客体复合物的稳定性。此外，亚甲基桥的化学性质相对稳定，保证了柱[5]芳烃整体结构的稳定性，使其在不同的化学环境中能够保持其基本的结构和功能。

1.2.2柱芳烃的水溶性修饰策略

柱芳烃由于其本身的疏水性，在水中的溶解度较低，这在一定程度上限制了其在水相体系中的应用。为了拓展柱芳烃的应用范围，增加其水溶性，研究者们采用了多种修饰策略，主要是通过引入亲水基团来实现。

引入磺酸基是一种常见的方法。磺酸基（-SO?H）是强亲水基团，将其引入柱芳烃分子结构中，能够显著提高柱芳烃的水溶性。例如，在柱[5]芳烃的苯环上通过化学反应引入磺酸基，磺酸基在水中能够电离出氢离子，使柱[5]芳烃带有负电荷，从而增加了其与水分子之间的静电相互作用，提高了在水中的溶解度。研究表明，随着磺酸基引入数量的增加，柱[5]芳烃的水溶性逐渐增强。但是，引入过多的磺酸基可能会影响柱[5]芳烃的主客体识别性能，因为磺酸基的存在可能会改变柱[5]芳烃空腔的电子云分布和空间结构，进而影响其对客体分子的选择性和结合能力。

引入羧基（-COOH）也是有效的修饰方式。羧基具有一定的酸性和极性，能够与水分子形成氢键，从而提高柱芳烃的水溶性。当在柱[5]芳烃上引入羧基时，羧基可以通过与水分子的氢键作用，使柱[5]芳烃更好地分散在水中。而且，羧基还可以参与一些化学反应，为柱[5]芳烃的进一步功能化提供了可能。比如，可以利用羧基与氨基之间的反应，将具有特定功能的分子连接到柱[5]芳烃上，构建具有多功能的超分子体系。不过，羧基的引入位置也会对柱[5]芳烃的水溶性和其他性能产生影响。如果羧基引入在靠近柱[5]芳