Каликсарен
каликсарены : первоначально макроциклические соединения, способные принимать конформацию в форме корзины (или «чашечки»). Они образуются из п-гидрокарбилфенолов и формальдегида. Этот термин теперь применяется к множеству производных путем замещения углеводорода цикло{олиго(1,3-фенилен)метилена}. [1]
Каликсарен макроцикл представляет собой 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 . [2]
Номенклатура
[ редактировать ]каликсаренов Номенклатура 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. заместитель в мезоположении R b с приставкой С-, как в С-метилкаликс[6]арене. К названию добавляется [3] 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.
Синтез
[ редактировать ]Каликсарены обычно получают путем конденсации двух компонентов: богатого электронами ароматического соединения, классически 4-замещенного фенола, и альдегида, классически формальдегида. [4] [5]
- 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 . замещенные альдегиды и некоторые гетероциклы (например, фуран ). Кроме того, для придания дополнительных функциональных групп боковым группам резорцинаренов и пирогаллоларенов можно использовать [6] [7]
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. [8]
![слева направо: n = 4 каликс[4]арен, резорцинол[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/700px-Calixarene-schema.png)
Структура
[ редактировать ]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 -бутилфенол также представляет собой конус. [9] Каликсарены структурно родственны столбаренам .
 |  |
| Каликс[4]арен с пара - трет -бутильными заместителями | 3D-изображение конформации конуса |
История
[ редактировать ]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 Petrolite компании коммерческими деэмульгаторами , 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.
Одновременно с работой Гутше работали Герман Кеммерер и Фолькер Бёмер. Они разработали методы ступенчатого синтеза каликсаренов. Химики Пармского университета Джованни Андреетти, Рокко Унгаро и Андреа Почини были первыми, кто разрешил рентгеновские кристаллографические изображения каликсаренов. В середине 1980-х годов 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 производные соединения « кавитандами » и « карцерандами ». Точную и подробную историю каликсаренов, а также обширное обсуждение химии каликсаренов можно найти в монографии Гутче.
Медицинское использование
[ редактировать ]Водорастворимые каликсарены, такие как пара-сульфонтокаликс[4]арен, исследовались не только с точки зрения доставки лекарств. [10] но и за их потенциал как самих фармацевтических препаратов, непосредственно борющихся с болезнями. [11] Например, было показано, что каликс[6]арен ингибирует везикул биогенез внеклеточных при раке поджелудочной железы . В свою очередь, это ухудшает высвобождение ферментов матриксных металлопротеаз в микроокружении опухоли , что, в свою очередь, замедляет метастазирование заболевания. [12] Таким образом, в сочетании с низкой токсичностью они считаются перспективными средствами борьбы с онкологическими заболеваниями. [13]
Взаимодействие с гостями хоста
[ редактировать ]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 . С 70 Каликс[5]арен и фуллерен в п- ксилоле образуют шаровидный супрамолекулярный комплекс. [14] Каликсарены также образуют экзо-каликс-аммониевые соли с алифатическими аминами, такими как пиперидин . [15] Производные или гомологи каликс[4]арена демонстрируют высокоселективное связывание анионов (особенно анионов галогенов ) с изменениями оптических свойств, такими как флуоресценция . [16]
Каликсарены в целом и, более конкретно, каликс[4]арены широко исследовались в качестве платформ для катализаторов. Некоторые комплексные соединения активны в гидролитических реакциях. [17] [18]
Каликсарены представляют интерес как миметики ферментов, компоненты ионно-чувствительных электродов или сенсоров, селективных мембран, нелинейной оптики. [19] и в стационарных фазах ВЭЖХ . Кроме того, в нанотехнологиях каликсарены используются в качестве негативного резиста высокого разрешения для электронно-лучевой литографии . [20]
Обнаружено, что тетратиа[4]арен имитирует некоторые свойства белков аквапоринов . [21] Этот каликсарен принимает 1,3-альтернативную конформацию (метоксигруппы занимают нижнее кольцо), и вода не удерживается 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 между реакции Меншуткина хинуклидином и бутилбромидом в 1600 раз. [22]
В гетерокаликсаренах фенольные звенья заменены гетероциклами . [23] 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 .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «каликсарены» . Золотая книга . ИЮПАК. дои : 10.1351/goldbook.C00783 . Проверено 1 апреля 2024 г.
- ^ Гучче, К. Дэвид (1989). Каликсарены . Кембридж: Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85186-385-6 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (1995) « Каликсарены ». doi : 10.1351/goldbook.C00783
- ^ Дж. Х. Мунк, CD Gutsche (1990). « п - трет -Бутилкаликс[8]арен». Органические синтезы . 68 : 243. дои : 10.15227/orgsyn.068.0243 .
- ^ CD Gutsche, М. Икбал (1990). « п - трет -Бутилкаликс[4]арен». Органические синтезы . 68 : 234. дои : 10.15227/orgsyn.068.0234 .
- ^ Тиммерман, Питер; Вербум, Уильям; Рейнхудт, Дэвид (1996). «Вы воскреснете» . Тетраэдр . 52 (8): 2663–2704. дои : 10.1016/0040-4020(95)00984-1 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Кордейру Х.Г., Азеведо-Мартинс Х.М., Фариа А.В., Роча-Брито К.Дж., Милани Р., Пеппеленбош М., Фюлер Г., де Фатима А., Феррейра-Хальдер К.В. (апрель 2024 г.). «Каликс[6]арен разрушает биогенез внеклеточных везикул и металлопротеиназ, поддерживая признаки рака поджелудочной железы». Сотовая сигнализация . 119 : 111174. doi : 10.1016/j.cellsig.2024.111174 . ПМИД 38604340 .
- ^ Кордейру Х.Г., Азеведо-Мартинс Х.М., Фариа А.В., Роча-Брито К.Дж., Милани Р., Пеппеленбош М., Фюлер Г., де Фатима А., Феррейра-Хальдер К.В. (апрель 2024 г.). «Каликс[6]арен разрушает биогенез внеклеточных везикул и металлопротеиназ, поддерживая признаки рака поджелудочной железы». Сотовая сигнализация . 119 : 111174. doi : 10.1016/j.cellsig.2024.111174 . ПМИД 38604340 .
- ^ Пол С., Джеяпракаш Р.С., Пай А., Венкатачалам Х., Джаяшри Б.С. (июль 2023 г.). «Каликсарены и их значение в разработке противораковых препаратов». Мед Хим . 19 (10): 939–945. дои : 10.2174/1573406419666230703114605 . ПМИД 37403386 .
- ^ Этвуд, Джерри Л.; Барбур, Леонард Дж.; Небеса, Майкл В.; Растон, Колин Л. (1 сентября 2003 г.). «Ассоциация и ориентация C 70 при комплексообразовании с каликс[5]ареном» . Химические коммуникации (18): 2270–2271. дои : 10.1039/B306411P . ПМИД 14518869 . Проверено 10 октября 2011 г.
- ^ 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 .
- ^ 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. дои : 10.1021/acs.jpcc.6b06729 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Каччапалья, Роберта (2013). «Реакционная способность карбонильных и фосфорильных групп к каликсаренам» . Супрамолекулярная химия . 25 (9–11): 537–554. дои : 10.1080/10610278.2013.824578 . S2CID 96940268 .
- ^ 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 .
- ^ Генрих, Гюнтер; Мурильо, М. Тереза; Прадос, Пилар; Сонг, Кай; Ассельбергс, Инге; Клейс, Коэн; Персонас, 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.
- ^ Фудзита Дж., Ониши 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 .
- ^ Таллапалли П.К., 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 .
- ^ 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+ . ПМИД 16089433 . S2CID 38364784 .
- ^ Субодх Кумар; Дхарам Пол; Харджит Сингх (2006). «Синтез, структура и взаимодействие гетерокаликсаренов» (PDF) . Архив 05-1699RU: 17–25.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
