Каликсарен

Кольцевая молекула в форме корзины, способная хранить внутри себя другие молекулы.

Каликсарен представляет собой макроцикл или циклический олигомер на основе метилен - связанных фенолов . Обладая гидрофобными полостями, которые могут удерживать более мелкие молекулы или ионы, каликсарены принадлежат к классу кавитандов , известных в химии хозяин-гость . ^[1]

Номенклатура

Номенклатура каликсаренов проста и включает подсчет количества повторяющихся звеньев в кольце и включение его в название. Каликс[4]арен имеет в кольце 4 звена, а каликс[6]арен — 6. К названию добавляется заместитель в мезоположении R _b ^{с приставкой С-, как в С-метилкаликс[6]арене [ 2]} Слово каликсарен происходит от греческого слова «чашечка» или « чаша» , поскольку молекулы этого типа напоминают вазу (или чашку), а также от слова « арен» , которое относится к ароматическому строительному блоку.

Определение ИЮПАК каликсарена

Синтез

Каликсарены обычно получают путем конденсации двух компонентов: богатого электронами ароматического соединения, классически 4-замещенного фенола, и альдегида, классически формальдегида. ^{[3] [4]}

• Область применения ароматического компонента весьма разнообразна. Ключевым признаком является восприимчивость к гидроксиалкилированию . Родственные резорцинарены и пирогаллоларены получают из резорцина и пирогаллола соответственно.
• Наиболее часто используемым альдегидом является формальдегид , в то время как более крупные альдегиды, такие как ацетальдегид , обычно требуются в реакциях конденсации с резорцином и пирогаллолом, чтобы облегчить образование симметричной вазовой конформации C _4v . Кроме того, для придания дополнительных функциональных групп боковым группам резорцинаренов и пирогаллоларенов можно использовать замещенные альдегиды и некоторые гетероциклы (например, фуран ). ^{[5] [6]}

Каликсарены может быть сложно синтезировать, вместо этого образуются сложные смеси линейных и циклических олигомеров. При точно подобранных исходных материалах и условиях реакции синтез также может быть удивительно эффективным. Каликсарены в качестве исходных соединений плохо растворимы и имеют высокие температуры плавления. ^[7]

слева направо: 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.

Состав

Каликсарены характеризуются трехмерной формой корзины, чашки или ведра. В каликс[4]аренах внутренний объем составляет около 10 кубических ангстрем. Каликсарены характеризуются широким верхним краем , узким нижним краем и центральным кольцом . При использовании фенола в качестве исходного материала 4 гидроксильные группы расположены внутри кольца на нижнем ободе. В резорцин[4]арене 8 гидроксильных групп расположены внекольцево в верхнем кольце. Каликсарены существуют в различных химических конформациях , поскольку вращение вокруг метиленового мостика не затруднено. В каликс[4]арене существуют 4 конформации вверх-вниз: конус ( точечная группа C _2v ,C _4v ), частичный конус C _s , 1,2 чередующийся C _2h и 1,3 чередующийся D _2d . 4 гидроксильные группы взаимодействуют посредством водородных связей и стабилизируют конформацию конуса. Эта конформация находится в динамическом равновесии с другими конформациями. Конформации могут быть зафиксированы с помощью соответствующих заместителей, заменяющих гидроксильные группы, которые увеличивают вращательный барьер . Альтернативно размещение объемистого заместителя на верхнем ободе также фиксирует конформацию. Каликсарен на основе п-трет-бутилфенола также представляет собой конус. ^[8] Каликсарены структурно родственны столбаренам .

История

В 1872 году Адольф фон Байер смешал различные альдегиды, в том числе формальдегид, с фенолами в сильнокислом растворе. Полученные смолы не поддавались никаким характеристикам; но представлял собой типичные продукты полимеризации фенола и формальдегида. Лео Бэкеланд обнаружил, что эти смолы можно превратить в хрупкое вещество, которое он продавал как « бакелит ». Этот полимер был первым коммерческим синтетическим пластиком.

Успех бакелита стимулировал научные исследования химии реакции фенол/формальдегид. Одним из результатов стало открытие, сделанное в 1942 году Алоисом Зинке, что п-алкилфенолы и формальдегид в сильноосновном растворе образуют смеси, содержащие циклические тетрамеры. Одновременно Джозеф Нидерл и Х. Дж. Фогель получили аналогичные циклические тетрамеры в результате кислотно-катализируемой реакции резорцина и альдегидов, таких как бензальдегид. Несколько лет спустя Джон Корнфорт показал, что продукт п-трет-бутилфенола и формальдегида представляет собой смесь циклического тетрамера и другого неоднозначного цикломера. Его интерес к этим соединениям заключался в туберкулостатических свойствах их оксиэтилированных производных.

В начале 1970-х годов К. Дэвид Гутше осознал форму чашечки циклического тетрамера и подумал, что она может предоставить структуру для создания ксенолога фермента. Он инициировал исследование, которое длилось три десятилетия. Его внимание к этим соединениям возникло после знакомства с коммерческими деэмульгаторами компании Petrolite , полученными путем этоксилирования до сих пор неоднозначных продуктов из п-алкилфенолов и формальдегида. Он ввел название «каликсарен»: от «каликса», греческого названия чаши, и «арена», обозначающего наличие арильных групп в циклическом ряду. Он также определил структуру циклического тетрамера, гексамера и октамера, а также методы получения этих материалов с хорошими и отличными выходами. Затем он установил процедуры прикрепления функциональных групп как к верхнему, так и к нижнему ободу и нанес на карту конформационные состояния этих гибких молекул. Кроме того, он доказал, что циклический тетрамер можно заморозить до конформации конуса путем добавления измеримо больших заместителей к нижнему «ободу» формы чашечки.

Параллельно с работой Гутше сотрудничали Герман Кеммерер и Фолькер Бёмер. Они разработали методы поэтапного синтеза каликсаренов. Химики Пармского университета Джованни Андреетти, Рокко Унгаро и Андреа Почини первыми разрешили рентгеновские кристаллографические изображения каликсаренов. В середине 1980-х к области химии каликсаренов присоединились и другие исследователи. Оно стало 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, а также обширное обсуждение химии каликсаренов можно найти в монографии Гутче.

Взаимодействие с гостями хоста

Водорастворимые каликсарены, такие как пара-сульфонтокаликс[4]арен, были исследованы на предмет доставки лекарств. ^[9] Каликсарены используются в коммерческих целях в качестве натрий-селективных электродов для измерения уровня натрия в крови. Каликсарены образуют также комплексы с кадмием , свинцом , лантанидами и актинидами . Каликс[5]арен и фуллерен С ₇₀ в п -ксилоле образуют шаровидный супрамолекулярный комплекс. ^[10] Каликсарены также образуют экзо-каликс-аммониевые соли с алифатическими аминами, такими как пиперидин . ^[11] Производные или гомологи каликс[4]арена проявляют высокоселективное связывание с анионами (особенно с галогенными анионами) с изменениями оптических свойств, такими как флуоресценция . ^[12]

Каликсарены в целом и, более конкретно, каликс[4]арены широко исследовались в качестве платформ для катализаторов. Некоторые комплексные соединения активны в гидролитических реакциях. ^{[13] [14]}

Каликсарены представляют интерес в качестве миметиков ферментов, компонентов ионно-чувствительных электродов или сенсоров, селективных мембран, нелинейной оптики ^[15] и в стационарных фазах ВЭЖХ . Кроме того, в нанотехнологиях каликсарены используются в качестве негативного резиста для электронно-лучевой литографии высокого разрешения . ^[16]

Обнаружено, что тетратиа[4]арен имитирует некоторые свойства белков аквапоринов . ^[17] Этот каликсарен принимает 1,3-альтернативную конформацию (метоксигруппы занимают нижнее кольцо), и вода не содержится в корзине, а захватывается двумя противоположными трет-бутильными группами на внешнем ободе в клещи. Непористые и гидрофобные кристаллы вымачивают 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 сочетания эффекта локальной концентрации и полярной стабилизации переходного состояния . Установлено , что удлиненный резорцин[4]арен- кавитанд ускоряет скорость реакции Меншуткина между хинуклидином и бутилбромидом в 1600 раз. ^[18]

В гетерокаликсаренах фенольные звенья заменены гетероциклами , ^[19] например, фуранами в каликс[n]фуранах и пиридинами в каликс[n]пиридинах. Каликсарены использовались в качестве макроциклической части ротаксана , и две молекулы каликсарена, ковалентно соединенные вместе нижними ободками, образуют карцеранды .

Рекомендации

1. Гучче, К. Дэвид (1989). Каликсарены . Кембридж: Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85186-385-6.
2. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (1995) «Каликсарены». дои :10.1351/goldbook.C00783
3. Дж. Х. Мунк, CD Gutsche (1990). « п - трет -Бутилкаликс[8]арен». Органические синтезы . 68 : 243. дои : 10.15227/orgsyn.068.0243.
4. CD Gutsche, М. Икбал (1990). « п - трет -Бутилкаликс[4]арен». Органические синтезы . 68 : 234. дои : 10.15227/orgsyn.068.0234.
5. Тиммерман, Питер; Вербум, Виллем; Рейнхудт, Дэвид (1996). «Резорцинарены». Тетраэдр . 52 (8): 2663–2704. дои : 10.1016/0040-4020(95)00984-1.
6. Дж. Х. Джордан; Британская Колумбия Гибб (2017). «1.16 Водорастворимые кавитанды». В Этвуде, Джерри (ред.). Комплексная супрамолекулярная химия II . Оксфорд: Эльзевир. стр. 387–404. ISBN 978-0-12-803199-5.
7. МакМахон Дж; О'Мэлли С; Нолан К; Даймонд Д (2003). «Важные производные каликсарена - их синтез и применение». Аркивок . Часть (vii): 23–31. дои : 10.3998/ark.5550190.0004.704 . hdl : 2027/spo.5550190.0004.704 . ISSN  1551-7012 . Проверено 10 октября 2011 г.
8. Ван Динст, Э.; Баккер, Висконсин Ивема; Энгберсен, JFJ; Вербум, В.; Рейнхудт, Д.Н. (1993). «Каликсарены, химические хамелеоны». Чистая и прикладная химия . 65 (3): 387–392. дои : 10.1351/pac199365030387 . S2CID  97287177.
9. Гу, Алиса; Уит, Ниал (2021). «Макроциклы как вспомогательные вещества, усиливающие действие лекарственных препаратов, в фармацевтических препаратах». Журнал явлений включения и макроциклической химии . 100 (1–2): 55–69. дои : 10.1007/s10847-021-01055-9. S2CID  233139034.
10. Этвуд, Джерри Л.; Барбур, Леонард Дж.; Небеса, Майкл В.; Растон, Колин Л. (1 сентября 2003 г.). «Ассоциация и ориентация C70 при комплексообразовании с каликс[5]ареном». Химические коммуникации (18): 2270–2271. дои : 10.1039/B306411P. ПМИД  14518869 . Проверено 10 октября 2011 г.
11. Нахтигаль ФФ, Лаццаротто М, Браз ФН (2002). «Взаимодействие каликс[4]арена и алифатических аминов: комбинированное ЯМР, спектрофотометрическое и кондуктиметрическое исследование». Журнал Бразильского химического общества . 13 (3): 295–299. дои : 10.1590/S0103-50532002000300002 .
12. Джин, Джехёк; Пак, Джи Ён; Ли, Юн Соп (27 октября 2016 г.). «Оптическая природа и энергетика связи флуоресцентного фторидного сенсора бис(бора)каликс[4]арена и стратегии создания его гомологов». Журнал физической химии C. 120 (42): 24324–24334. doi : 10.1021/acs.jpcc.6b06729. ISSN  1932-7447.
13. Каччапалья, Роберта (2013). «Реакционная способность карбонильных и фосфорильных групп по отношению к каликсаренам». Супрамолекулярная химия . 25 (9–11): 537–554. дои : 10.1080/10610278.2013.824578. S2CID  96940268.
14. Ребилли, Жан-Ноэль (2014). «Каликсарены и резорцинарены как каркасы для супрамолекулярной мимикрии металлоферментов». Супрамолекулярная химия . 26 (7–8): 454–479. дои : 10.1080/10610278.2013.877137. S2CID  95769878.
15. Генрих, Гюнтер; Мурильо, М. Тереза; Прадос, Пилар; Сонг, Кай; Ассельбергс, Инге; Клейс, Коэн; Персоны, Андре; Бенет-Бухгольц, Хорди; де Мендоса, Хавьер (7 июля 2005 г.). «Тетраалкинилкаликс[4]арены с улучшенными свойствами NLO». Химические коммуникации (21): 2747–2749. дои : 10.1039/B502045J. ПМИД  15917941 . Проверено 10 октября 2011 г.
16. Фудзита Дж., Ониси Ю., Отиаи Ю., Мацуи С. (5 августа 1998 г.). «Сверхвысокое разрешение каликсаренового негативного резиста в электронно-лучевой литографии». Письма по прикладной физике . 68 (9): 1297–1299. дои : 10.1063/1.115958.
17. Таллапалли ПК, Ллойд ГО, Этвуд Дж.Л., Барбур Л.Дж. (20 июня 2005 г.). «Диффузия воды в непористом гидрофобном кристалле». Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 44 (25): 3848–3851. дои : 10.1002/anie.200500749. ПМИД  15892031.
18. Кошелек, ЧБ; Гиссо, А; Ребек младший, Дж (2005). «Глубокий кавитанд обеспечивает структурированную среду для реакции меншуткина» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 127 (32): 11222–11223. дои : 10.1021/ja052877+. PMID  16089433. S2CID  38364784.
19. Субодх Кумар; Дхарам Пол; Харджит Сингх (2006). «Синтез, структура и взаимодействие гетерокаликсаренов» (PDF) . Аркивок . 05-1699LU: 17–25.