Каликсарены : Первоначально макроциклические соединения, способные принимать форму корзины (или «каликса»). Они образуются из п-гидрокарбилфенолов и формальдегида. Термин теперь применяется к различным производным путем замещения углеводорода цикло{олиго(1,3-фенилен)метилен}. [1]
Каликсарен — это макроцикл или циклический олигомер на основе метиленовых фенолов . С гидрофобными полостями , которые могут удерживать более мелкие молекулы или ионы, каликсарены относятся к классу кавитандов, известных в химии хозяин-гость . [2]
Номенклатура каликсаренов проста и включает подсчет числа повторяющихся единиц в кольце и включение его в название. Каликс[4]арен имеет 4 единицы в кольце, а каликс[6]арен — 6. Заместитель в мезо-положении R b добавляется к названию с префиксом C-, как в C-метилкаликс[6]арен [3] Слово каликсарен происходит от греческого calix или chalice, поскольку этот тип молекулы напоминает вазу (или чашу), и от слова arene , которое относится к ароматическому строительному блоку.
Каликсарены обычно получают путем конденсации двух компонентов: богатого электронами ароматического соединения, классически 4-замещенного фенола, и альдегида, классически формальдегида. [4] [5]
Каликсарены могут быть сложными для синтеза, производя вместо этого сложные смеси линейных и циклических олигомеров. При тонко настроенных исходных материалах и условиях реакции синтез также может быть удивительно эффективным. Каликсарены труднорастворимы в качестве исходных соединений и имеют высокие температуры плавления. [8]
![слева направо с n = 4 каликс[4]арен, резорцин[4]арен, пирогаллол[4]арен. Ra — алкильный заместитель, Rb — водород с формальдегидом или фенил с бензальдегидом, Rc — водород в исходных соединениях](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bd/Calixarene-schema.png/1280px-Calixarene-schema.png)
Каликсарены характеризуются трехмерной формой корзины, чашки или ведра. В каликс[4]аренах внутренний объем составляет около 10 кубических ангстрем. Каликсарены характеризуются широким верхним ободом и узким нижним ободом , а также центральным кольцом . При использовании фенола в качестве исходного материала 4 гидроксильные группы располагаются внутрикольцево на нижнем ободе. В резорцин[4]арене 8 гидроксильных групп располагаются внекольцево на верхнем кольце. Каликсарены существуют в различных химических конформациях, поскольку вращение вокруг метиленового мостика не затруднено. В каликс[4]арене существует 4 конформации вверх-вниз: конус ( точечная группа C2v , C4v ) , частичный конус Cs , 1,2-альтернатива C2h и 1,3-альтернатива D2d . 4 гидроксильные группы взаимодействуют посредством водородных связей и стабилизируют конформацию конуса. Эта конформация находится в динамическом равновесии с другими конформациями. Конформации могут быть зафиксированы на месте с помощью соответствующих заместителей, заменяющих гидроксильные группы, которые увеличивают вращательный барьер . Альтернативно, размещение объемного заместителя на верхнем ободе также фиксирует конформацию. Каликсарен на основе п-трет-бутилфенола также является конусом. [9] Каликсарены структурно связаны с пиллараренами .
В 1872 году Адольф фон Байер смешал различные альдегиды, включая формальдегид, с фенолами в сильнокислом растворе. Полученные смолы не поддавались описанию, но представляли собой типичные продукты полимеризации фенола/формальдегида. Лео Бакеланд обнаружил, что эти смолы можно отверждать в хрупкое вещество, которое он продавал как « Бакелит ». Этот полимер был первым коммерческим синтетическим пластиком.
Успех бакелита подстегнул научные исследования в области химии реакции фенола/формальдегида. Одним из результатов стало открытие, сделанное в 1942 году Алоисом Цинке, что п-алкилфенолы и формальдегид в сильнощелочном растворе дают смеси, содержащие циклические тетрамеры. Одновременно Джозеф Нидерл и Х. Дж. Фогель получили аналогичные циклические тетрамеры из катализируемой кислотой реакции резорцина и альдегидов, таких как бензальдегид. Несколько лет спустя Джон Корнфорт показал, что продукт из п-трет-бутилфенола и формальдегида представляет собой смесь циклического тетрамера и другого неоднозначного цикломера. Его интерес к этим соединениям был связан с туберкулостатическими свойствами их оксиэтилированных производных.
В начале 1970-х годов C. David Gutsche распознал форму чашечки циклического тетрамера и подумал, что она может предоставить структуру для построения ферментного ксенолога. Он инициировал исследование, которое длилось три десятилетия. Его внимание к этим соединениям пришло из знакомства с коммерческими деэмульгаторами компании Petrolite , изготовленными путем этоксилирования все еще неоднозначных продуктов из p-алкилфенолов и формальдегида. Он ввел название «каликсарен»: от «calix», греческого названия чаши, и «arene» для присутствия арильных групп в циклическом массиве. Он также определил структуры для циклического тетрамера, гексамера и октамера, а также процедуры для получения этих материалов с хорошими или отличными выходами. Затем он установил процедуры для присоединения функциональных групп как к верхнему, так и к нижнему ободу и составил карту конформационных состояний этих гибких молекул. Кроме того, он доказал, что циклический тетрамер можно заморозить в конформацию конуса, добавив достаточно большие заместители к нижнему «ободку» чашечковой формы.
Параллельно с работой Гутше работали Герман Кеммерер и Фолькер Бёмер. Они разработали методы поэтапного синтеза каликсаренов. Химики из Университета Пармы Джованни Андреетти, Рокко Унгаро и Андреа Покини были первыми, кто рассмотрел рентгеновские кристаллографические изображения каликсаренов. В середине 1980-х годов другие исследователи присоединились к области химии каликсаренов. Она стала важным аспектом супрамолекулярной химии и привлекает внимание сотен ученых по всему миру. Циклические тетрамеры Нидерля из резорцина и альдегидов были подробно изучены Дональдом Дж. Крамом , который назвал полученные соединения « кавитандами » и « карцерандами ». Точную и подробную историю каликсаренов вместе с обширным обсуждением химии каликсаренов можно найти в монографии Гутше.
Водорастворимые каликсарены, такие как пара-сульфонтокаликс[4]арен, были исследованы не только на предмет доставки лекарств, [10] но и на предмет их потенциала в качестве самих фармацевтических препаратов, напрямую борющихся с болезнями. [11] Например, было показано, что каликс[6]арен ингибирует биогенез внеклеточных везикул при раке поджелудочной железы . В свою очередь, это нарушает высвобождение ферментов матриксной металлопротеазы в микросреде опухоли , что в свою очередь замедляет метастазирование заболевания. [12] Таким образом, в сочетании с их низкой токсичностью они считаются перспективными агентами для борьбы с онкологическими заболеваниями. [13]
Каликсарены используются в коммерческих приложениях в качестве натрий-селективных электродов для измерения уровня натрия в крови. Каликсарены также образуют комплексы с кадмием , свинцом , лантаноидами и актиноидами . Каликс[5]арен и фуллерен C70 в п- ксилоле образуют супрамолекулярный комплекс типа «шар и гнездо». [14] Каликсарены также образуют экзокаликсовые аммониевые соли с алифатическими аминами, такими как пиперидин . [15] Производные или гомологи каликс[4]арена демонстрируют высокоселективное связывающее поведение по отношению к анионам (особенно галогеновым анионам) с изменениями оптических свойств, такими как флуоресценция . [16]
Каликсарены в целом, и в частности каликс[4]арены, были широко исследованы в качестве платформ для катализаторов. Некоторые комплексные соединения активны для гидролитических реакций. [17] [18]
Каликсарены представляют интерес как ферментные миметики, компоненты ионно-чувствительных электродов или сенсоров, селективных мембран, нелинейной оптики [19] и в стационарных фазах ВЭЖХ . Кроме того, в нанотехнологиях каликсарены используются как негативный резист для электронно-лучевой литографии высокого разрешения . [20]
Обнаружено, что тетратиа[4]арен имитирует некоторые свойства белков аквапоринов . [21] Этот каликсарен принимает 1,3-альтернативную конформацию (метоксигруппы заполняют нижнее кольцо), и вода не содержится в корзине, а захватывается двумя противоположными трет-бутильными группами на внешнем ободе в клещи. Непористые и гидрофобные кристаллы замачиваются в воде в течение 8 часов, за это время соотношение каликсарен:вода тем не менее приобретает значение единицы.
Каликсарены ускоряют реакции, происходящие внутри вогнутости, за счет комбинации локального эффекта концентрации и полярной стабилизации переходного состояния . Установлено, что расширенный резорцин[4]ареновый кавитанд ускоряет скорость реакции Меншуткина между хинуклидином и бутилбромидом в 1600 раз. [22]
В гетерокаликсаренах фенольные единицы заменяются гетероциклами , [23] например, фуранами в каликс[n]фуранах и пиридинами в каликс[n]пиридинах. Каликсарены использовались в качестве макроциклической части ротаксана , а две молекулы каликсарена, ковалентно соединенные нижними ободами, образуют карцеранды .