一种基于冠醚的轮烷分子机器及制备方法

摘要

本发明涉及分子机器领域，为了克服现有分子机器结构设计不合理，分子内不同结构之间作用效果有限；检测方法不直观，不够准确的不足，公开一种基于冠醚的轮烷分子机器及制备方法。根据酸性和碱性条件下冠醚结构在链分子上的位置的差异以及根据体系内酸碱性变化产生的冠醚结构的运动，从而导致萘酰亚胺荧光强度的变化，来对酸碱性进行检测。另外，本发明的分子机器的三联吡啶结构还可与金属离子发生配位效应，而配位效应导致的内滤效应又可进一步对萘酰亚胺的荧光进行淬灭，根据不同金属离子对荧光淬灭能力的不同，还可以对金属离子进行识别检测。

权利要求

1.一种基于冠醚的轮烷分子机器，其特征在于，所述基于冠醚的轮烷分子机器在酸性条件下得到的结构式如式Ⅰ所示；碱性条件下得到的结构式如式Ⅱ所示：其中，n的值为6；m的值为10；p的值为4；所述A的结构式如式Ⅲ所示；D的结构如式Ⅳ所示；R的结构如式Ⅴ所示：

2.一种如权利要求1所述的基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在惰性气体保护下，将中间体1

与中间体2 

溶 解 搅 拌 ，加 入 中 间 体 3 

和亚铜离子催化剂反应，分离得

产物

3.根据权利要求2所述的一种基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法，其特征在于，所述亚铜离子催化剂为[Cu(CH3CN)4]PF6，所述中间体1与中间体2的摩尔比为1:2～2.5，中间体1与中间体2的反应温度为20～40℃，反应时间为0.5～2小时；所述中间体1与中间体3的摩尔比为1:2～2.5，中间体1与亚铜离子催化剂的摩尔比为1:3～4，加入中间体3和亚铜离子催化剂后的反应温度为20～40℃，反应时间为40～50小时。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法，其特征在于，所述中间体1的制备方法包括以下步骤：(1)将4‑卤代‑1，8‑二萘酸酐、吗啉溶解在溶剂中，加入亚铜离子催化剂，升温反应，分离得到4‑吗啉‑1，8‑二萘酸酐；

(2)将步骤(1)得到的4‑吗啉‑1，8‑二萘酸酐与N‑叔丁氧羰基己二胺溶解在溶剂中，惰性气氛保护下反应，分离得化合物1(3)将化合物1溶解于溶剂中，加入脱Boc试剂反应，分离得化合物2(4)将化合物2与缚酸剂加入到无水溶剂中，再加入 惰

性气氛保护下升温反应，分离得化合物3

(5)将化合物3溶于溶剂中，加入质子化试剂，搅拌反应，分离后加入NH4PF6溶液，搅拌反应，分离得中间体1

5.根据权利要求4所述的一种基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，4‑卤代‑1，8‑二萘酸酐为4‑溴‑1，8‑二萘酸酐，亚铜离子催化剂为碘化亚铜，4‑卤代‑1，8‑二萘酸酐：吗啉：亚铜离子催化剂的摩尔比为1：2～4：0.1～0.2，反应温度为110～120℃，反应时间为6～8小时；

所述步骤(2)中，4‑吗啉‑1，8‑二萘酸酐与N‑叔丁氧羰基己二胺的摩尔比为1：1～1.5，反应温度为60～80℃，反应时间为4～6小时；

所述步骤(3)中，所述脱Boc试剂为TFA(三氟乙酸)，每克化合物1的TFA用量为1～2mL，反应温度为20～40℃，反应时间为12～16小时；

所述步骤(4)中，化合物2： 缚酸剂的摩尔比为1：1～

1.2：1.2～2，反应温度为50～70℃，反应时间为24～48小时；

所述步骤(5)中，所述质子化试剂为盐酸，加入质子化试剂后的反应温度为20～40℃，反应时间为2～4h，分离后加入NH4PF6的用量为每克化合物3加入50～60mL的NH4PF6的饱和水溶液，加入NH4PF6后的反应温度为20～40℃，反应时间为12～16小时。

6.根据权利要求2或3所述的一种基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法，其特征在于，所述中间体2的制备方法包括以下步骤：(6)将4‑卤代甲基二苯并24‑冠‑8 对酚羟基三联吡

啶 缚酸剂溶解在溶剂中，惰性气氛保护下反应，分离得中间体2。

7.根据权利要求6所述的一种基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述4‑卤代甲基二苯并24‑冠‑8为4‑氯甲基二苯并24‑冠‑8；所述缚酸剂为碳酸钾；4‑氯甲基二苯并24‑冠‑8：对酚羟基三联吡啶：缚酸剂的摩尔比为1：1～1.2：1.5～2；反应温度为140～170℃；反应时间为20～28小时。

8.根据权利要求2或3所述的一种基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法，其特征在于，所述中间体3的制备方法包括以下步骤：(7)将1‑卤甲基‑3，5‑二甲苯、NaN3分散到溶剂中，升温反应，分离得化合物4(8)低温搅拌下将四甘醇、炔丙基卤代物加入到无水溶剂中，加入缚酸剂后升温反应，分离得化合物5(9)将化合物4、化合物5、亚铜离子催化剂、缚酸剂加入到溶剂中，搅拌反应，分离得化合物6(10)将化合物6加入到甲基化试剂中，搅拌反应，分离粗品溶解，加入NH4PF6，搅拌反应，分离得中间体3

9.根据权利要求8所述的一种基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述1‑卤甲基‑3，5‑二甲苯为3，5二甲基苄溴，1‑卤甲基‑3，5‑二甲苯与NaN3的摩尔比为1:3～5，反应温度为60～70摄氏度，反应时间为18～30小时；

所述步骤(8)中，所述炔丙基卤代物为炔丙基溴，所述缚酸剂为氢氧化钾，四甘醇与炔丙基卤代物的摩尔比为1:2～3，搅拌温度为‑5～5℃，缚酸剂加入后的反应温度为30～40℃，反应时间为40～50小时；

所述步骤(9)中，所述亚铜离子催化剂为碘化亚铜，所述缚酸剂为N，N‑二异丙基乙胺，化合物4：化合物5：亚铜离子催化剂：缚酸剂的摩尔比为1：1.5～2：0.05～0.2：1～2.5，反应温度为20～40℃，反应时间为12～16小时；

所述步骤(10)中，所述甲基化试剂为碘甲烷，加入甲基化试剂后的反应时间为40～50小时，反应温度为20～40℃，NH4PF6的用量为每克化合物6加入NH4PF6的饱和溶液50～60mL，加入NH4PF6的反应温度为20～40℃，反应时间为1～3小时。

说明书

一种基于冠醚的轮烷分子机器及制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于分子机器技术领域，尤其涉及一种基于冠醚的轮烷分子机器及制备方法。

背景技术

[0002] 根据生物体内的ATP酶内的蛋白质分子通过转动合成ATP，肌肉纤维内肌动蛋白和肌球蛋白之间的相互移动实现肌肉收缩等现象的启发，化学家们合成了各种人工分子机器。其中，基于轮烷或索烃的机械互锁结构分子(MIMs)是最近20年来的研究热点之一，其潜在的应用价值引起了科学家门的广泛关注。轮烷是一种典型的机械互锁结构，通过哑铃型的轴和环状分子组合而成。通过外界刺激(调控)，可以改变环状组分在轴上穿梭的位置，并且由于封端基团的存在，环状组分不会从轴上脱落，从而实现分子机器的可控运动。

[0003] 但是由于分子机器合成复杂且步骤多，报道的分子机器并不多，结构新颖且具有应用前景的分子机器更是少之又少。目前，大多数研究还集中在单分子水平上，在纳米尺度范围内，研究机械互锁结构分子内相应组分之间的位置关系及性能。在机械互锁结构分子单元内引入多功能基团，展示更高级水平的性能，特别是在更大尺度上组装超分子结构的研究仍然缺乏。利用“bottom‑up”技术，将单个分子水平的分子机器进一步组装成更大的聚集体，实现从微观到介观甚至宏观尺度的跨度，并研究他们的刺激响应行为，为将来构筑更高级的功能组装材料，在模拟细胞生命活动、药物运输、催化等领域具有潜在的应用价值。

[0004] 中国专利公开号CN103539790A，公开了一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器及基于其的pH计，其结构式为

[0005]其不足之处在于：结构上，亚胺结构同时位于两个苄位上，苄基的电子效应会将低季铵阳离子与冠醚结构的络合作用；同时，亚胺结构两边的苄基会提供较大的空间位阻，进一步降低季铵阳离子与冠醚结构的络合作用；应用上，在对酸碱性的检测中，需要分子机器在金电极表面完成自组装，分子机器的自组装机制不明确；同时，检测方法为计时电流法，通过化学能向电信号的转变完成检测，检测方法不直观；且在能量转换过程中不可避免的产生能量的损失，降低了检测的准确性。

发明内容

[0006] 本发明是为了克服现有分子机器结构设计不合理，分子内不同结构之间作用效果有限；检测方法不直观，不够准确的不足，提供一种分子内不同结构之间作用效果更显著；依靠荧光变化即可完成pH检测，且还可识别不同金属离子的基于冠醚的轮烷分子机器；

[0007] 本发明的另一目的在于提供一种基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法；

[0008] 为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

[0009] 一种基于冠醚的轮烷分子机器，基于冠醚的轮烷分子机器在酸性条件下得到的结构式如式Ⅰ所示；碱性条件下得到的结构式如式Ⅱ所示：

[0010]

[0011] 其中，A为荧光基团；D为给体基团；R为N保护基；n为1～8的整数；m为4～12的整数；p为1～6的整数。

[0012] 基于冠醚的轮烷分子机器在酸性氛围中，亚胺N原子质子化成季铵阳离子，而甲基三氮唑上季铵阳离子由于p‑π共轭效应存在，甲基三氮唑上季铵阳离子的正电荷小于亚胺N原子所形成的季铵阳离子上正电荷，亚胺N原子形成的季铵阳离子优先与冠醚内部的O原子络合，给体基团D与荧光基团A在空间上相互接近，给体基团D的HOMO轨道内孤对电子向荧光基团A的HOMO轨道内跃迁，激发态的荧光基团A的LUMO轨道内电子无法直接跃迁至HOMO轨道，通过Dexter作用机制产生PET效应导致了荧光淬灭。而在碱性氛围中，亚胺N原子无法接受质子，甲基三氮唑结构上的季铵阳离子优先与冠醚内部O原子络合，给体基团D在空间上远离电子荧光基团A，荧光基团A的LUMO轨道内电子可以跃迁回HOMO轨道内，给体基团D的PET作用减弱，荧光基团A恢复荧光发射。因此，本发明的基于冠醚的轮烷分子机器可以通过调节pH使冠醚结构环分子在链分子上往复运动，以实现荧光基团的荧光发射和淬灭，当待检测底物的浓度变化时，荧光强度会相应的增强或减弱，从而达到对pH进行灵敏性检测的能力。另外，本发明的分子机器除了可以通过Dexter作用机制淬灭荧光外，发明人在对金属离子的检测中发现，通过三联吡啶结构与金属离子的配位作用，配合物的吸收波长与萘酰亚胺结构的发射波长发生重叠，而由于配合物的内滤效应导致三联吡啶配合物结构可以吸收荧光但无法发射荧光，因此淬灭了萘酰亚胺的荧光发射。由于不同金属离子的淬灭能力有差异，因此本发明的分子机器在金属离子检测领域也有着较好的应用价值。

[0013] 进一步的，基于冠醚的轮烷分子机器中，n的值为6；m的值为10；p的值为4；A的结构式如式Ⅲ所示；D的结构如式Ⅳ所示；P的结构如式Ⅴ所示：

[0014]

[0015] 基于冠醚的轮烷分子机器的制备方法，包括以下步骤：

[0016] 在惰性气体保护下，将中间体1与中间体2
溶解搅拌，加入中间体3
和亚铜离子催化剂反应，分离得
产物

[0017] 进一步的，亚铜离子催化剂为[Cu(CH3CN)4]PF6，中间体1与中间体2的摩尔比为1：2～2.5，中间体1与中间体2的反应温度为20～40℃，反应时间为0.5～2小时；中间体1与中间体3的摩尔比为1：2～2.5，中间体1与亚铜离子催化剂的摩尔比为1：3～4，加入中间体3和亚铜离子催化剂后的反应温度为20～40℃，反应时间为40～50小时。

[0018] 进一步的，中间体1的制备方法包括以下步骤：

[0019] (1)将4‑卤代‑1，8‑二萘酸酐、吗啉溶解在溶剂中，加入亚铜离子催化剂，升温反应，分离得到4‑吗啉‑1，8‑二萘酸酐；

[0020] (2)将步骤(1)得到的4‑吗啉‑1，8‑二萘酸酐与N‑叔丁氧羰基己二胺溶解在溶剂中，惰性气氛保护下反应，分离得化合物1

[0021] (3)将化合物1溶解于溶剂中，加入脱Boc试剂反应，分离得化合物2

[0022] (4)将化合物2与缚酸剂加入到无水溶剂中，再加入惰性气氛 保护下 升温反应 ，分离得 化合物 3

[0023] (5)将化合物3溶于溶剂中，加入质子化试剂，搅拌反应，分离后加入NH4PF6溶液，搅拌反应，分离得中间体1

[0024] 进一步的，步骤(1)中，4‑卤代‑1，8‑二萘酸酐为4‑溴‑1，8‑二萘酸酐，亚铜离子催化剂为碘化亚铜，4‑卤代‑1，8‑二萘酸酐：吗啉：亚铜离子催化剂的摩尔比为1：2～4：0.1～0.2，反应温度为110～120℃，反应时间为6～8小时；

[0025] 步骤(2)中，4‑吗啉‑1，8‑二萘酸酐与N‑叔丁氧羰基己二胺的摩尔比为1：1～1.5，反应温度为60～80℃，反应时间为4～6小时；

[0026] 步骤(3)中，脱Boc试剂为TFA(三氟乙酸)，每克化合物1的TFA用量为1～2mL，反应温度为20～40℃，反应时间为12～16小时；

[0027] 步骤(4)中，化合物2： 缚酸剂的摩尔比为1：1～1.2：1.2～2，反应温度为50～70℃，反应时间为24～48小时；

[0028] 步骤(5)中，质子化试剂为盐酸，加入质子化试剂后的反应温度为20～40℃，反应时间为2～4h，分离后加入NH4PF6的用量为每克化合物3加入50～60mL的NH4PF6的饱和水溶液，加入NH4PF6后的反应温度为20～40℃，反应时间为12～16小时。

[0029] 进一步的，中间体2的制备方法包括以下步骤：

[0030] (6)将4‑卤代甲基二苯并24‑冠‑8 对酚羟基三联吡啶 缚酸剂溶解在溶剂中，惰性气氛保护下反应，分离得中间
体2。

[0031] 进一步的，步骤(6)中，4‑卤代甲基二苯并24‑冠‑8为4‑氯甲基二苯并24‑冠‑8；缚酸剂为碳酸钾；4‑氯甲基二苯并24‑冠‑8：对酚羟基三联吡啶：缚酸剂的摩尔比为1：1～1.2：1.5～2；反应温度为140～170℃；反应时间为20～28小时。

[0032] 进一步的，中间体3的制备方法包括以下步骤：

[0033] (7)将1‑卤甲基‑3，5‑二甲苯、NaN3分散到溶剂中，升温反应，分离得化合物4[0034] (8)低温搅拌下将四甘醇、炔丙基卤代物加入到无水溶剂中，加入缚酸剂后升温反应，分离得化合物5

[0035] (9)将化合物4、化合物5、亚铜离子催化剂、缚酸剂加入到溶剂中，搅拌反应，分离得化合物6

[0036] (10)将化合物6加入到甲基化试剂中，搅拌反应，分离粗品溶解，加入NH4PF6，搅拌反应，分离得中间体3

[0037] 进一步的，步骤(7)中，1‑卤甲基‑3，5‑二甲苯为3，5‑二甲基苄溴，1‑卤甲基‑3，5‑二甲苯与NaN3的摩尔比为1：3～5，反应温度为60～70摄氏度，反应时间为18～30小时；

[0038] 步骤(8)中，炔丙基卤代物为炔丙基溴，缚酸剂为氢氧化钾，四甘醇与炔丙基卤代物的摩尔比为1：2～3，搅拌温度为‑5～5℃，缚酸剂加入后的反应温度为30～40℃，反应时间为40～50小时；

[0039] 步骤(9)中，亚铜离子催化剂为碘化亚铜，缚酸剂为N，N‑二异丙基乙胺，化合物4：化合物5：亚铜离子催化剂：缚酸剂的摩尔比为按摩尔比1：1.5～2：0.05～0.2：1～2.5，反应温度为20～40℃，反应时间为12～16小时；

[0040] 步骤(10)中，甲基化试剂为碘甲烷，加入甲基化试剂后的反应时间为40～50小时，反应温度为20～40℃，NH4PF6的用量为每克化合物6加入NH4PF6的饱和溶液50～60mL，加入NH4PF6的反应温度为20～40℃，反应时间为1～3小时。

[0041] 由于采用以上的技术方案，本发明具有这样的有益效果：增长与亚胺结构相连的碳链的长度，降低冠醚结构在接近于亚胺结构时的空间位阻，使亚胺结构形成的季铵盐与冠醚结构络合的更稳定；依靠荧光基团荧光行为的变化来表征冠醚基团在链分子上的运动，通过荧光检测即可对体系的酸碱性进行检测；并且还可以根据在不同金属离子的溶液中分子机器荧光强度的不同，对单一金属离子进行识别检测，且检测方法灵敏、可靠。

附图说明

[0042] 图1是在碱性条件下得到的本发明分子机器的结构式。

[0043] 图2是图1中分子机器的核磁氢谱图。

[0044] 图3是本发明的分子机器对不同浓度的DBU(1,8‑二氮杂双环[5.4.0]十一碳‑7‑烯)检测的荧光光谱图。

[0045] 图4是本发明的分子机器对不同浓度的TFA(三氟乙酸)检测的荧光光谱图。

[0046] 图5是本发明的分子机器对Fe2+的荧光响应的荧光光谱图。

[0047] 图6是本发明的分子机器对Fe2+、Cu2+、Zn2+检测的荧光光谱图。

具体实施方式

[0048] 下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

[0049] 一种如图1所示的分子机器，由中间体1、中间体2、中间体3制备得到，合成方法如下：

[0050] 4‑吗啉‑1，8‑二萘酸酐的合成

[0051] 在100mL圆底烧瓶中，氮气保护下，将4‑溴‑1，8‑二萘酸酐(0.5g，1.80mmol)，溶于10mL乙二醇甲醚溶液中，加入50mg碘化亚铜、吗啡啉(0.47g，5.41mmol)，回流反应7h，过滤，用乙醇洗涤数次，得黄色固体化合物4(0.29g，58％)。TLC(展开剂：石油醚：乙酸乙酯/1：1/v：v)Rf＝0.39，1H NMR(400MHz，CDCl3)δ8.60(d，J＝8.4Hz，1H)，8.54(d，J＝8.1Hz，1H)，8.47(d，J＝8.5Hz，1H)，7.79‑7.72(m，1H)，7.27‑7.25(d，J＝8.3Hz，1H)，4.02(d，J＝4.7Hz，4H)，
3.35‑3.28(m，4H)。

[0052] 化合物1的合成

[0053] 氮气保护下，在干燥的100mL三口烧瓶中，加入4‑吗啉‑1，8‑二萘酸酐(1g，3.5mmol)、N‑叔丁氧羰基乙二胺(0.85g，5.3mmol)和30mL无水乙醇，回流搅拌反应5h，反应结束，旋蒸除去溶剂得到黄色固体粗产物，粗产物中加入20ml乙腈加热到45℃，然后置于冰水中冷却，产物析出完全后过滤，得黄色固体化合物1(1.6g，97％)，TLC(二氯甲烷：甲醇＝
10：1)Rf＝0.72，1H NMR(500MHz，CDCl3)δ8.58(dd，J＝7.2，1.0Hz，1H)，8.53(d，J＝8.0Hz，
1H)，8.42(dd，J＝8.4，1.0Hz，1H)，7.70(dd，J＝8.3，7.4Hz，1H)，7.23(d，J＝8.1Hz，1H)，
4.20‑4.12(m，2H)，4.06‑3.98(m，4H)，3.29‑3.22(m，4H)，3.10(d，J＝6.1Hz，2H)，1.78‑1.68(m，2H)，1.63(d，J＝2.7Hz，3H)，1.48(d，J＝6.9Hz，2H)，1.43(s，14H)。

[0054] 化合物2的合成

[0055] 在100mL圆底烧瓶中，加入化合物1(3g，6.2mmol)、25mL二氯甲烷和5mL三氟乙酸，室温搅拌过夜，旋蒸除去溶剂，加入适量二氯甲烷将粗产物溶解，然后加入2M Na2CO3溶液调节PH至7‑8，用饱和食盐水洗涤有机相，无水Na2SO4干燥，过滤，溶剂旋干，得黄色固体化合物2(2.3g，96％)。TLC(二氯甲烷：甲醇＝10：1)Rf＝0.23，1H NMR(400MHz，CDCl3)δ8.52(s，1H)，
8.46(d，J＝8.0Hz，1H)，8.35(s，1H)，7.65(s，1H)，7.18(s，1H)，4.09(m，2H)，3.99(m，4H)，
3.22(m，4H)，2.95(m，2H)，1.69(m，4H)，1.48‑1.36(m，4H)。

[0056] 化合物3的合成

[0057] 氮气保护下，在干燥的100mL三口烧瓶中加入化合物2(1.5g，3.9mmol)、15mL无水DMF和K2CO3(0.8g，5.9mmol)， (1.4g，3.9mmol)溶于15mL无水DMF后倒入滴液漏斗，缓慢滴加到体系中，滴加1.5h，60℃搅拌36h，旋蒸除溶剂，加入50mL水和50mL CH2Cl2静止分液，CH2Cl2(3×50mL)萃取水相，合并有机相，加入100mL饱和食盐水洗涤分液，无水Na2SO4干燥过夜，过滤，旋干。粗产物用柱层析纯化，得黄色固体化合物3(0.8g，
36％)。TLC(二氯甲烷：甲醇＝10：1)Rf＝0.3，1H NMR(500MHz，CDCl3)δ8.58(dd，J＝7.3，
1.1Hz，1H)，8.53(d，J＝8.0Hz，1H)，8.42(dd，J＝8.4，1.1Hz，1H)，7.70(dd，J＝8.4，7.3Hz，
1H)，7.23(d，J＝8.1Hz，1H)，4.19‑4.11(m，2H)，4.05‑3.97(m，4H)，3.25(ddd，J＝10.8，6.4，
4.3Hz，7H)，2.61(dd，J＝14.9，7.6Hz，4H)，1.73(dt，J＝15.0，7.4Hz，3H)，1.61‑1.56(m，
3H)，1.53(dd，J＝15.3，7.7Hz，4H)，1.47‑1.39(m，5H)，1.38‑1.32(m，3H)，1.26(d，J＝
15.0Hz，15H)。

[0058] 中间体1的合成

[0059] 在100mL圆底烧瓶中，加入化合物3(0.2g，0.36mmol)、10mL二氯甲烷和10mL 2M HCl溶液搅拌2h，加入去离子水分液，有机层用去离子水洗3次。合并有机相，旋掉部分二氯甲烷，加入10mL饱和NH4PF6水溶液，室温搅拌过夜，加入去离子水分液，有机层用去离子水洗3次，合并有机相，无水Na2SO4干燥过夜，过滤，旋干。粗产物用柱层析纯化，得黄色固体中间体1(0.24g，95％)。TLC(二氯甲烷：甲醇＝10：1)Rf＝0.3，1H NMR(500MHz，CDCl3)δ8.58‑8.54(m，1H)，8.50(d，J＝8.0Hz，1H)，8.42(dd，J＝8.4，0.9Hz，1H)，7.70(dd，J＝8.3，7.4Hz，1H)，
7.24(dd，J＝6.8，3.2Hz，1H)，4.18‑4.11(m，2H)，4.06‑3.99(m，4H)，3.32‑3.20(m，6H)，2.95(s，4H)，1.75(dd，J＝14.4，7.1Hz，6H)，1.61‑1.53(m，2H)，1.44(dd，J＝12.6，6.2Hz，4H)，
1.31(dt，J＝29.5，9.4Hz，14H)。

[0060] 中间体2的合成

[0061] 在100mL三颈烧瓶中，氮气保护条件下，将对酚羟基三联吡啶(65mg，0.2mmol)溶解于DMF(20mL)中，然后加入4‑氯甲基二苯并24‑冠‑8(100mg，0.2mmol)和K2CO3(55.2mg，0.4mmol)。加热回流24小时。反应混合物旋除溶剂，加入CH2Cl2(50mL)和H2O(50mL)，分液，水相用CH2Cl2(3×50mL)萃取。合并有机相，用Na2SO4干燥过夜，过滤，溶剂旋干。粗产物用柱层析纯化，得白色固体中间体2(0.48g，60％)。TLC(乙酸乙酯：三乙胺＝40：1)Rf＝0.4，1H NMR(400MHz，CDCl3)δ8.75(s，4H)，8.69(d，J＝7.9Hz，2H)，7.91(t，J＝7.8Hz，2H)，7.42‑7.35(m，2H)，7.09(d，J＝8.7Hz，2H)，6.98(d，J＝7.4Hz，5H)，5.03(s，2H)，4.22‑4.11(m，8H)，
3.92(dd，J＝8.0，4.1Hz，8H)，3.84(d，J＝1.5Hz，8H)。

[0062] 化合物4的合成

[0063] 将3，5二甲基苄溴(2g，10mmol)，NaN3(2.6g，40mmol)，DMF(100mL)加入到250mL圆底烧瓶中，65℃条件，搅拌下加热24h。旋蒸除去溶剂，CH2Cl2和水加入静置分液，水相用CH2Cl2(3×50mL)萃取，合并有机相，100mL饱和食盐水洗涤，Na2SO4干燥过夜，过滤，旋干。粗产物用柱层析纯化，得淡黄色油状化合物4(1.54g，95％)。TLC(石油醚：乙酸乙酯＝10：1)Rf＝0.81。

[0064] 化合物5的合成：

[0065] 在250mL的圆底烧瓶中，加入60mL无水DMF，再加入四甘醇(5.8g，5.16mL，30mmol)，溴丙炔(7.5g，4.73mL，61mmol)，置于0℃条件下搅拌，然后分批加入KOH(1.275g，22.8mmol)，0℃搅拌30min，反应混合物在35℃加热搅拌48h，旋蒸除去溶剂，残留物溶于
100mL CH2Cl2与100mL水中，分液，水相用CH2Cl2(2×100mL)萃取，合并有机相，用100mL饱和食盐水洗涤，Na2SO4干燥过夜，过滤，旋干。粗产物用柱层析纯化，得淡黄色油状化合物5(6.89g，85％)。TLC(石油醚：乙酸乙酯＝1：4)Rf＝0.63，1H NMR(400MHz，CDCl3)δ4.18(d，J＝
2.4Hz，2H)，3.69‑3.64(m，8H)，2.41(t，J＝2.4Hz，1H)。

[0066] 化合物6的合成

[0067] 在100mL圆底烧瓶中，将化合物4(0.2g，1.24mmol)，CuI(47mg，0.25mmol)，N，N‑二异丙基乙胺(0.32g，2.48mmol)和化合物5(0.67g，2.48mmol)加入到20mL的THF溶液中，室温搅拌过夜，当反应结束后，旋除THF，残渣溶解于30mL的CH2Cl2，抽滤掉不溶物，滤液加入30mL水静置分液，合并有机相，Na2SO4干燥过夜，过滤，旋干。粗产物用柱层析纯化，得淡黄色油状化合物6(0.21g，51％)。TLC(石油醚：乙酸乙酯＝1：10)Rf＝0.37，1H NMR(400MHz，CDCl3)δ7.48(s，1H)，6.97(s，1H)，6.88(s，2H)，5.42(s，2H)，4.66(s，2H)，4.18(d，J＝2.4Hz，2H)，
3.69‑3.61(m，16H)，2.41(t，J＝2.4Hz，1H)，2.29(s，6H)。

[0068] 中间体3的合成

[0069] 在干燥的50mL圆底烧瓶中，加入化合物6(0.2g，0.46mmol)和2mLCH3I室温搅拌反应2天，反应结束旋除过量的碘甲烷，粗产物用二氯甲烷溶解，加入饱和的六氟磷酸铵溶液，剧烈搅拌2h，反应结束加入去离子水分液，有机层用去离子水洗3次。合并有机相，然后Na2SO4干燥过夜，过滤，旋干。粗产物用柱层析纯化得淡黄色中间体3(0.08g，30％)。TLC(二氯甲烷：甲醇＝10：1)Rf＝0.58，1H NMR(400MHz，CDCl3)δ8.34(s，1H)，7.05(d，J＝7.0Hz，3H)，5.56(s，2H)，4.80(s，2H)，4.31(s，3H)，4.14(d，J＝2.4Hz，2H)，3.72(d，J＝8.5Hz，2H)，
3.63(d，J＝12.6Hz，10H)，3.57(s，4H)，2.42(t，J＝2.4Hz，1H)，2.33(s，6H)。

[0070] 基于冠醚的轮烷分子机器的合成

[0071] 在100mL三口烧瓶中，N2保护下，将中间体1(50mg，0.07mmol)、中间体2(111mg，0.14mmol)溶于干燥的CH2Cl2，室温搅拌1h后加入中间体物3(63mg，0.14mmol)、[Cu(CH3CN)4]PF6(78mg，0.21mmol)，室温搅拌2天。在EDTA水溶液中加入NaOH，调pH至10左右，将该溶液与粗产物混合，水相用CH2Cl2萃取；得到的有机相再加入到2M NaOH溶液中，室温搅拌
1h，分液，水相用CH2Cl2萃取；有机相合并后加入到饱和NH4PF6水溶液中，室温搅拌1h，水相用CH2Cl2萃取，合并有机相，旋除溶剂，得到黄色化合物(35mg，25％)，TLC(二氯甲烷：甲醇＝
10：1)Rf＝0.33，结构式如图1所示，核磁氢谱图如图2所示。1H NMR(500MHz，CDCl3)δ＝8.72(d，J＝4.0，2H)，8.66(d，J＝7.9，2H)，8.62(s，2H)，8.52(dd，J＝7.2，1.0，1H)，8.44(d，J＝
8.0，1H)，8.39(s，1H)，8.36‑8.32(m，1H)，7.87(dd，J＝10.9，4.5，2H)，7.72(d，J＝8.6，2H)，
7.69‑7.64(m，2H)，7.38‑7.33(m，2H)，7.14(d，J＝8.1，1H)，7.03(s，2H)，7.00(d，J＝5.8，
4H)，6.96(d，J＝8.8，3H)，6.89(s，1H)，6.86(q，J＝4.4，5H)，6.73(s，2H)，5.52(s，2H)，5.29(s，3H)，4.97(s，2H)，4.77(s，2H)，4.56(s，2H)，4.31‑4.26(m，6H)，4.21‑4.11(m，11H)，3.91(tt，J＝21.1，12.2，18H)，3.74‑3.65(m，13H)，3.63‑3.49(m，19H)，3.25(s，5H)，3.18‑3.12(m，4H)，2.28(s，6H)，1.87‑1.80(m，3H)，1.50‑1.38(m，8H)，1.26(d，J＝15.1，19H)，1.17‑
1.03(m，16H)，0.86(ddd，J＝9.2，8.2，6.2，7H)。

[0072] 将酸性条件下得到的分子机器溶于乙腈中制得10‑5M的探针试剂溶液，取5μL的探针试剂溶液加入体积相同，浓度分别为500μM，50μM，20μM，10μM，1μM的DBU溶液中，如图3所示，本发明所得的基于冠醚的轮烷分子机器对于不同浓度的碱性体系有着良好的响应。这是由于在酸性条件下得到的分子机器，冠醚结构上的三联吡啶基团在空间上与萘酰亚胺结构彼此靠近，三联吡啶作为电子给体基团，其HOMO轨道内孤对电子向作为电子受体的萘酰亚胺结构上的HOMO轨道内跃迁，激发态的荧光基团上的LUMO轨道内电子无法直接跃迁至HOMO轨道，导致荧光淬灭，因此酸性条件下得到的分子机器不具有荧光响应。而在对碱性溶液的检测中，原来的亚胺N原子去质子化由季铵阳离子恢复成亚胺结构，冠醚结构内部由于呈现出一定的电负性，与甲基三氮唑结构上的季铵阳离子相互吸引，冠醚结构在链分子上运动向甲基三氮唑结构，甲基三氮唑结构上的季铵阳离子与冠醚内部O原子络合，作为电子给体基团的三联吡啶结构在空间上远离萘酰亚胺结构，萘酰亚胺结构上LUMO轨道内电子可以直接跃迁回HOMO轨道内，三联吡啶基团PET作用减弱，萘酰亚胺结构的荧光发射恢复。由图3可知，本发明的分子机器对浓度体系中碱浓度变化有着良好的响应性，根据碱浓度的大小相应的发生荧光强度的改变，对0.5μM的DBU溶液仍具有良好的检测能力。因此本发明的分子机器对碱性检测有着较好的应用价值。

[0073] 将碱性条件下得到的分子机器溶于乙腈中制得10‑5M的探针试剂溶液，取5μL的探针试剂溶液加入体积相同，浓度分别为200μM，20μM，2μM的TFA溶液中，如图4所示，本发明所得的基于冠醚的轮烷分子机器对于不同浓度的酸性体系有着良好的响应。因此本发明的分子机器对酸性检测有着较好的应用价值。

[0074] 将碱性条件下得到的分子机器溶于乙腈中制得10‑5M的探针试剂溶液，此时溶液呈浅绿色，取5μL加入等体积相同浓度的三氟甲磺酸亚铁后，溶液肉眼可见的立刻变为浅紫2+
色，表明本发明的分子机器还可用于肉眼检测Fe 。如图5所示，通过荧光发射光谱进一步表征，探针试剂溶液在525nm波长处呈现很强的荧光发射，此时的冠醚结构应该是远离荧光基
2+
团的，三联吡啶结构无法通过Dexter能量转移机制淬灭荧光。而在加入Fe 后荧光发生大幅
2+
度淬灭，这是由于三联吡啶与Fe 发生金属配位作用形成配合物，配合物的吸收波长与萘酰亚胺结构的发射波长发生重叠，而由于配合物的内滤效应导致三联吡啶配合物可以吸收荧
2+
光但无法发射荧光，因此淬灭了萘酰亚胺的荧光发射。由于Fe 在碱性体系中往往以沉淀的形式存在，溶解度有限。而本发明所得的分子机器在碱性条件中具有稳定的结构，也可以对
2+ 2+
低浓度的Fe 进行检测，同样具备在碱性环境中检验Fe 的能力。

[0075] 将碱性条件下得到的分子机器溶于乙腈中制得10‑5M的探针试剂溶液，取5μL的探针试剂溶液加入体积、浓度相同的不同金属离子的氯化物溶液中，如图6所示，本发明所得2+ 2+ 2+
的基于冠醚的轮烷分子机器对Fe ，Cu ，Zn 的响应性有着显著差异，表明本发明的分子机
2+
器不仅对Fe 的检测有良好的响应性，对不同金属离子也有着良好识别效应，可用于单一金
2+
属离子溶液的检测识别，其中Fe 对本发明的分子机器的淬灭能力最强。因此本发明的分子机器对金属离子检测有着较好的应用价值。