技術領域：
本發明涉及一種亞甲基橋葫蘆脲的制備方法，尤其涉及以金屬離子為模板合成亞甲基橋葫蘆[4]脲及葫蘆[5]脲的方法。
背景技術：
葫蘆脲是由苷脲與甲醛在酸性條件下環合而成的一系列環狀化合物，其兩端是具有親水性的羰基群，而內腔則是疏水的。葫蘆脲作為繼冠醚、環糊精和杯芳烴后出現的新型人工合成的環狀化合物，具有穩定性好、結構剛性等優點，可以包結很多小分子及帶正電荷物質，因此在超分子、分子機器、新材料、催化反應乃至生命醫學等領域都有著重要的應用。但是葫蘆脲及其類似物在合成上或多或少存在一些問題。比如以苷脲為單元合成葫蘆脲時，經常是許多同系物一起生成，往往導致分離步驟較復雜；以取代苷脲合成葫蘆脲衍生物時由于取代基團對成環影響大，目前為止成功的案例只有甲基、環戊基或環己基取代的葫蘆脲，多數情況下取代苷脲只能與苷脲一起進行搭配成環，而這也常常導致要么反應步驟復雜，要么產物復雜分離純化難度高。于是已經有研究人員轉而利用苷脲類似物，即二甲基或環戊基取代的亞甲基橋苷脲與甲醛進行酸性縮合也成功合成出葫蘆[4]脲及葫蘆[5]脲類似物。這類葫蘆脲類似物同樣具有高穩定的優點，并顯示出選擇性結合氣體小分子或金屬離子的特性，在離子及氣體分離領域顯示出了良好的應用前景。但是這類葫蘆脲類似物的合成同樣中間體成本高，成環產率極低的缺點，顯然會阻礙其進一步應用。不加修飾的亞甲基橋苷脲則直接可由1,1,3,3-四甲氧基丙烷與尿素縮合而得，如能將其與甲醛縮合進一步以較高產率合成亞甲基橋葫蘆脲，則具備工藝路線簡單，成本低的優點，有望為其進一步實際應用打下良好基礎。但是研究表明亞甲基橋苷脲在酸性條件下穩定性差，雖然也有研究者嘗試將其與甲醛進行酸性縮合成環，但是分析表明產物中副產物，亞甲基橋葫蘆脲產率極低，無法從產物中分離出來。
技術實現要素：
針對現有技術的缺陷，本發明利用鋇離子以及鈣離子作為模板試劑，將亞甲基橋苷脲與多聚甲醛在酸性條件下縮合，利用金屬離子與亞甲基橋苷脲的配位作用，有效降低其酸性條件下的分解，同時高選擇性制備亞甲基橋葫蘆[4]脲及葫蘆[5]脲。反應具有收率高、分離純化簡便等優點。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種亞甲基橋葫蘆脲的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
(1)制備亞甲基橋苷脲：將1,1,3,3-四甲氧基丙烷和脲素在1.8m的硫酸中加熱，于80°下攪拌6小時，反應后冷卻至室溫，將所得固體投入飽和的碳酸鈉溶液中，攪拌，過濾，洗滌，得到亞甲基橋苷脲；其中，1,1,3,3-四甲氧基丙烷：脲素：硫酸摩爾比為1：2-3：0.3；
(2)將亞甲基橋苷脲、多聚甲醛和金屬鹽一起投入至水和鹽酸的混合溶液中進行反應，并回流；其中，所述金屬鹽為鈣鹽或者鋇鹽，亞甲基橋苷脲與多聚甲醛的質量比為1：(0.4-1)，水和鹽酸的體積比例為1：(1-3)，亞甲基橋苷脲的質量與鹽酸的體積比為1：1～3，亞甲基橋苷脲與鈣鹽的質量比＝1：0.05～0.4，亞甲基橋苷脲與鋇鹽的質量比＝1：0.1～0.3；
(3)反應結束后冷卻，抽濾，將所得產物用體積比為1:4的水和丙酮混合溶劑洗滌；當金屬鹽為鈣鹽時，得到亞甲基橋葫蘆[4]脲，當金屬鹽為鋇鹽時，得到亞甲基葫蘆[5]脲；
上述鈣鹽為氯化鈣，硝酸鈣，鋇鹽為氯化鋇，硝酸鋇，多聚甲醛的平均分子量為30。
本發明步驟(2)中，反應的回流溫度為80-120℃。
本發明步驟(2)中，反應的回流時間為6-12h。
優選地，所述的鈣鹽為氯化鈣，所述的鋇鹽為氯化鋇。
優選地，所述的鹽酸和水的體積比為3：1；亞甲基苷脲和多聚甲醛的質量比為2：1；亞甲基橋苷脲質量和鹽酸體積的比例為1：1.5，亞甲基橋苷脲和氯化鈣的質量比為10：1；亞甲基橋苷脲和氯化鋇的質量比為5：1。
本發明的具有以下優勢：
本發明能夠大大降低亞甲基橋苷脲在酸性條件中的分解；亞甲基橋苷脲制取簡便，成本低廉，大大降低了亞甲基橋葫蘆脲的制取成本；利用金屬鹽作為模板定向合成亞甲基橋葫蘆[4]脲和亞甲基橋葫蘆[5]脲，使得反應大大簡化，并且提純過程簡單，產率明顯提高。
具體實施方式：
亞甲基橋苷脲：
將1,1,3,3-四將氧基丙烷(100ml，610mmol)緩慢滴加進含有脲素(84g，1400mmol)的1.8m(110ml)的硫酸溶液中，在80℃下攪拌6小時。反應結束之后冷卻至室溫，抽出固體。所得固體投入飽和碳酸鈉溶液中(100ml)，攪拌0.5h，過濾得到白色粉末。最后用丙酮和水的混合液(3：1)洗濾餅，即為亞甲基橋苷脲。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,dmso,ppm)δ:7.07(d,4h),4.50(s,2h)，1.96(s,2h).
亞甲基橋葫蘆[4]脲：
對比例1：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)置于反應瓶中，加入10ml水和20ml鹽酸，攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基橋葫蘆[4]脲，烘干后得0.96g，產率為8.3％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.36(d,8h,j＝16),5.23(s,8h)，4.19(d,8h,j＝16)，2.32(s，8h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為:m/zcalculatefor[c28h32n16o8+h+]:721.26,found:721.26.
對比例2：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)和氯化鈉(1g,17mmol)置于反應瓶中，加入10ml水和20ml鹽酸，攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基橋葫蘆[4]脲，烘干后得1.76g，產率為15.3％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.36(d,8h,j＝16),5.23(s,8h)，4.19(d,8h,j＝16)，2.32(s，8h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為:m/zcalculatefor[c28h32n16o8+h+]:721.26,found:721.26.
實施例1：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)和氯化鈣(0.5g，4.5mmol)置于反應瓶中，加入5ml水和15ml鹽酸，攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基橋葫蘆[4]脲，烘干后得3.61g，產率為31.3％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.36(d,8h,j＝16),5.23(s,8h)，4.19(d,8h,j＝16)，2.32(s，8h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為:m/zcalculatefor[c28h32n16o8+h+]:721.26,found:721.26.
實施例2:
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)和氯化鈣(1g，9mmol)置于反應瓶中，加入5ml水和15ml鹽酸，攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基橋葫蘆[4]脲，烘干后得烘干后得6.22g，產率為54.08％
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.36(d,8h,j＝16),5.23(s,8h)，4.19(d,8h,j＝16)，2.32(s，8h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為:m/zcalculatefor[c28h32n16o8+h+]:721.26,found:721.26.
實施例3：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)和硝酸鈣(1.5g，9mmol)置于反應瓶中，加入5ml水和15ml鹽酸，攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基橋葫蘆[4]脲，烘干后得3.22g，產率為28％
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.36(d,8h,j＝16),5.23(s,8h)，4.19(d,8h,j＝16)，2.32(s，8h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為:m/zcalculatefor[c28h32n16o8+h+]:721.26,found:721.26.
實施例4：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)和氯化鈣(4g,36mmol)置于反應瓶中，加入10ml水和20ml鹽酸，攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基橋葫蘆[4]脲，烘干后得2.06g，產率為18％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.36(d,8h,j＝16),5.23(s,8h)，4.19(d,8h,j＝16)，2.32(s，8h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為:m/zcalculatefor[c28h32n16o8+h+]:721.26,found:721.26.
實施例5：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)和硝酸鈣(1.5g，9mmol)置于反應瓶中，加入5ml水和15ml鹽酸，攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基橋葫蘆[4]脲，烘干后得3.72g，產率為32％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.36(d,8h,j＝16),5.23(s,8h)，4.19(d,8h,j＝16)，2.32(s，8h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為:m/zcalculatefor[c28h32n16o8+h+]:721.26,found:721.26.
亞甲基葫蘆[5]脲：
對比例1：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)置于反應瓶中，加入10ml水和20ml鹽酸，攪拌升溫至100℃，反應10h，無白色固體析出，經過后處理，得到產物亞甲基葫蘆[5]脲，烘干后得0.23g，產率為2.0％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.45(d,10h,j＝15.0),5.27(s,10h)，4.17(d,10h,j＝15.0)，2.31(s，10h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為：m/zcalculatefor[c35h40n20o10+na+]:923.3155,found:923.3134.
對比例2：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)和氯化銫(2g，12mmol)置于反應瓶中，加入5ml水和15ml鹽酸，攪拌升溫至100℃，反應10h，無白色固體析出，經過后處理，未得到產物亞甲基葫蘆[5]脲。
實施例1：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)置于反應瓶中，加入5ml水和15ml鹽酸，加入氯化鋇(1g，4.8mmol)，攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基葫蘆[5]脲，烘干后得1.96g，產率為17.0％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.45(d,10h,j＝15.0),5.27(s,10h)，4.17(d,10h,j＝15.0)，2.31(s，10h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為：m/zcalculatefor[c35h40n20o10+na+]:923.3155,found:923.3134.
實施例2：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)置于反應瓶中，加入5ml水和15ml鹽酸，加入氯化鋇(2g，9.6mmol)攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基葫蘆[5]脲，烘干后得4.97g，產率為43.2％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.45(d,10h,j＝15.0),5.27(s,10h)，4.17(d,10h,j＝15.0)，2.31(s，10h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為：m/zcalculatefor[c35h40n20o10+na+]:923.3155,found:923.3134.
實施例3：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)置于反應瓶中，加入5ml水和15ml鹽酸，加入氯化鋇(3g，7.2mmol)，攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基葫蘆[5]脲，烘干后得2.34g，產率為20.3％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.45(d,10h,j＝15.0),5.27(s,10h)，4.17(d,10h,j＝15.0)，2.31(s，10h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為：m/zcalculatefor[c35h40n20o10+na+]:923.3155,found:923.3134.
實施例4：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)置于反應瓶中，加入10ml水和20ml鹽酸，加入硝酸鋇(1g，3.8mmol)攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基葫蘆[5]脲，烘干后得1.58g，產率為13.7％。
1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.45(d,10h,j＝15.0),5.27(s,10h)，4.17(d,10h,j＝15.0)，2.31(s，10h).
tofmses-:m/zcalculatefor[c35h40n20o10+na+]:923.3155,found:923.3134.
實施例5：
將亞甲基橋苷脲(10g，64mmol)，多聚甲醛(5g，167mmol)置于反應瓶中，加入5ml水和15ml鹽酸，加入氯化鋇(4g，19.2mmol)攪拌升溫至100℃，反應8h，有白色固體析出，過濾，得到產物亞甲基葫蘆[5]脲，烘干后得1.57g，產率為13.6％。
核磁譜圖中該產物的化學位移值為：1hnmr(400mhz,d2o,ppm)δ:6.45(d,10h,j＝15.0),5.27(s,10h)，4.17(d,10h,j＝15.0)，2.31(s，10h).
高分辨質譜得到的化合物分子量為：m/zcalculatefor[c35h40n20o10+na+]:923.3155,found:923.3134。