Столбы
Пилларарены представляют собой макроциклы, состоящие из гидрохиноновых или диалкоксибензольных единиц (от 5 до 10), связанных в пара- положении метиленовыми мостиками . Они структурно подобны кукурбитурилам и каликсаренам , которые играют важную роль в химии хозяин-гость . Первым столбареном был пятичленный диметоксипиллар[5]арен. [ 1 ] [ 2 ]
История
[ редактировать ]О 1,4-диметоксипиллар[5]арене, первом столбарене, сообщили в 2008 году Томоки Огоши и др. Они катализировали конденсацию и 1,4-диметоксибензола параформальдегида с использованием кислоты Льюиса с получением 1,4-диметоксипиллар[5]арена (DMpillar[5]арена). Затем метоксигруппы DMpillar [5]арена были сняты с защиты с помощью трибромида бора и удалены с получением пиллар[5]арена. Огоши и Канаи решили назвать новое семейство макроциклов -хозяев «пиллараренами», поскольку они имеют цилиндрическую или столбчатую форму и состоят из ароматических или «ареновых» фрагментов. 1 Химики часто называют их «пилларенами». [ 3 ] устно, так как это легче произнести и запомнить. Уместно упомянуть, что Ратор и Кочи [ 4 ] впервые наблюдал столбарены в 1995 году, но не смог их охарактеризовать и сообщил, что они представляют собой полимероподобный материал, образующийся вместе с диарилметанами во время трансформации эфира бис (метоксиметил)-п - гидрохинона. [ 5 ]
Структура
[ редактировать ]Пилларарены состоят из гидрохиноновых звеньев, связанных метиленовыми мостиками в пара-положениях. Он имеет симметричную архитектуру колонн с двумя одинаковыми полыми воротами. Пиллар[5]арен является наиболее конформационно стабильным представителем этого семейства. Из-за непосредственной близости многих богатых электронами гидрохинонов полости столбаренов способны образовывать прочные ассоциативные комплексы с бедными электронами частицами. Кроме того, производные столбаренов можно получить путем модификации гидроксильных групп во всех положениях или выборочно в одном или двух положениях. [ 6 ]
Планарная хиральность
[ редактировать ]
Ориентация атомов кислорода гидрохинона на обоих краях столбарена позволяет макроциклу проявлять плоскую хиральность . Когда заместитель в кислороде гидрохинона достаточно мал, чтобы пройти через полость столбарена, что позволяет кислороду вращаться через кольцо, происходит рацемизация . Если этот заместитель достаточно велик, чтобы предотвратить вращение, можно выделить оптически активные пиларреновые макроциклы. [ 7 ] [ 8 ]
Макроцикл пиллар[н]арена с n гидрохиноновыми звеньями имеет n плоскостей хиральности. DMpillar[5]арен имеет пять плоскостей хиральности, которые «синхронизированы» в конформационном изомере с самой низкой энергией из-за неблагоприятных стерических взаимодействий между метоксигруппами соседних 1,4-диметоксифениленовых звеньев. Абсолютное стереохимическое обозначение этих плоскостей хиральности в пилларреновых структурах можно определить, следуя модифицированным правилам приоритета Кана-Ингольда-Прелога . Пилотным атомом одной из пяти плоскостей хиральности в пиллар[5]арене назначен атом с наивысшим приоритетом, не находящийся в хиральной плоскости, - первый атом углерода соседнего фениленового звена. Затем присваиваются три соседних атома в плоскости, начиная с углерода метилена, присоединенного к пилотному атому, как приоритет 1, непосредственно связанного углерода фенилена как приоритета 2, а атома углерода, связанного с метоксигруппой, как приоритета 3. Если смотреть со стороны стороне пилотного атома, если три атома образуют направление по часовой стрелке , если следовать в порядке приоритета, молекуле присваивается R (p), в противном случае ему присваивается значение S (p). [ 9 ] [ 10 ]
Синтез
[ редактировать ]Гомопилларарены
[ редактировать ]Для получения пиллараренов в основном используются три стратегии (схема 1). [ 11 ] Все три стратегии используют кислоту в качестве катализатора .
- Кислота Льюиса [ 12 ] или катализируемая трифторметансульфоновой кислотой конденсация 1,4-диалкоксибензола и параформальдегида при комнатной температуре.
- Конденсация 1,4-диалкокси-2,5бис(алкоксиметил)бензола, катализируемая п-толуолсульфоновой кислотой .
- Циклоолигомеризация 2,5-диалкоксибензиловых спиртов или 2,5-диалкоксибензилбромидов с использованием подходящей кислоты Льюиса в качестве катализатора.
Копилларарены [ 13 ]
[ редактировать ]В 2010 году Фейхэ Хуан и др. [ 14 ] представил три новых способа синтеза копиллараренов, состоящих из разных повторяющихся звеньев. Копилларарены легче выборочно функционализировать, что помогает генерировать интересные физические свойства, конформации и взаимодействия связывания хозяин-гость. Существует два возможных способа получения копиллараренов: избирательно модифицировать повторяющиеся мономеры гомопиллараренов или использовать два разных мономера для проведения соолигомеризации.
Механизм
[ редактировать ]Пилларарены традиционно образуются посредством термодинамически контролируемой циклоолигомеризации Фриделя-Крафтса . [ 15 ] Была также разработана практичная и эффективная стратегия циклоолигомеризации, катализируемой трифторметансульфоновой кислотой (TfOH), для синтеза функционализированных пиллар[n]аренов и копиллярных[5]аренов из 1,4-диалкоксибензолов с параформальдегидом в мягких условиях реакции, а также механизм реакции Каталитический синтез пиларренов в растворной фазе исследован методами ЭПР- спектроскопии Х-диапазона при комнатной температуре, масс-спектроскопии, ЯМР и контрольные эксперименты, предполагающие первоначально свободнорадикальный процесс и процесс алкилирования Фриделя-Крафтса на последующей стадии связывания и замыкания кольца. [ 16 ]
Селективный синтез пиллар[6]арена
[ редактировать ]Пиллар[6]арен можно рассматривать как основной продукт циклоолигомеризации Фриделя-Крафтса , используя объемистые алкоксигруппы на мономере, переключая Льюиса . кислотный катализатор [ 17 ] или с помощью объемного хлорированного растворителя. Огоши и его коллеги сообщили [ 18 ] синтез пиллар[6]арена с звеньями 1,4-бис(метилциклогексилового эфира)фениленовых с выходом 87% с использованием хлорциклогексана в качестве растворителя. Было предложено, чтобы объемистый хлорированный растворитель служил матрицей для образования более крупного столба [н]арена.
Высший Столб[н]арены
[ редактировать ]Высшие гомологи пиллар[n]арена, пиллар[6-15]арена, были синтезированы путем расширения кольца пиллар[5]арена. [ 19 ]
Биомедицинские приложения
[ редактировать ]
Хотя нативные пиллар[н]арены не растворяются в воде и, следовательно, непригодны для биомедицинских применений, сообщалось о ряде водорастворимых пиллар[н]аренов, которые находят применение при доставке лекарств. [ 20 ] В частности, водорастворимые карбоксилированные пиллар[n]арены (где n = 6 или 7) уже показали потенциал как для доставки лекарств, так и для биодиагностики, поскольку они хорошо растворимы, образуют комплексы «хозяин-гость» с рядом лекарств и соединения на лекарственной основе и кажутся относительно нетоксичными. [ 21 ] Полость карбоксилированного пиллар[5]арена слишком мала, чтобы вместить большинство молекул лекарства, и поэтому бесполезна для доставки лекарства. Для образования комплекса «хозяин-гость» с пиллар[н]аренами препарат должен иметь катионный заряд; его способность образовывать водородные связи с пиллар[n]аренами менее важна. Две плоские молекулы красителя, такие как профлавин, могут быть одновременно инкапсулированы в полость одного карбоксилированного столбика[7]арена. Поскольку инкапсуляция внутри полости карбоксилированного столбчатого [6]арена тушит флуоресценцию профлавина, это приводит к появлению состояний «включено» и «выключено» красителя, которые могут найти применение в биодиагностике.
Другие потенциальные применения
[ редактировать ]Было показано, что пиллар[n]арены имеют потенциальное применение в молекулярной технике. [ 22 ] ощущение, [ 23 ] синтез наночастиц , [ 24 ] [ 25 ] искусственные трансмембранные каналы , [ 26 ] в качестве компонентов сложных супрамолекулярных контролируемых доставки лекарств , систем [ 27 ] [ 28 ] создание пористых материалов для поглощения газа/гостей, [ 29 ] [ 30 ] органические светоизлучающие материалы, [ 31 ] [ 32 ] и ионные жидкости . Связывание с диброалканами. [ 33 ]
исследователи из Цзилиньского университета. Об этом сообщили [ 34 ] что перкарбоксилированное производное пиллар[5]арена ингибирует сборку вируса папилломы человека .
Pillar[5]arene перспективен в преодолении развития устойчивости к противомикробным препаратам и образования биопленок, а также в снижении токсичности бактериальных эндотоксинов (липополисахаридов). [ 35 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Огоши, Т.; Канаи, С.; Фудзинами, С.; Ямагиси, Т.; Накамото, Ю. (2008). «Парамостиковые симметричные арены столба 5: их синтез, катализируемый кислотой Льюиса, и свойство хозяин-гость». Дж. Ам. хим. Соц . 130 (15): 5022–5023. дои : 10.1021/ja711260m . ПМИД 18357989 .
- ^ Цао, Д.; Коу, Ю.; Лян, Дж.; Чен, З.; Ван, Л.; Мейер, Х.; Простое и эффективное получение пиллараренов и пиллархинона. Энджью. хим. Межд. Эд. 2009, 48, 9721-9723.
- ^ Тан, Л.-Л.; Чжан, Ю.; Ли, Б.; Ван, К.; Чжан, SX-A.; Тао, Ю.; Ян, Ю.-В. Селективное распознавание молекул «растворителя» в растворе и твердом состоянии 1,4-диметоксипиллар[5]ареном под действием сил притяжения. Нью Дж. Хим. 2014, 38, 845-851.
- ^ Ратор, Р.; Кочи, Дж. К. Катион-радикальный катализ в синтезе дифенилметанов посредством деалкилативного сочетания бензиловых эфиров. Дж. Орг. хим. 1995, 60, 7479–7490.
- ^ Иванов, М.В.; Ван, Д.; Навале, ТС; Линдеман, С.В.; Ратор, Р. От внутримолекулярной (циркулярной) в изолированной молекуле к межмолекулярной делокализации дырок в двумерной твердотельной сборке: случай пилларена. Энджью. хим. Межд. Эд. 2018, 57, 2144-2149.
- ^ Стратт, Нидерланды; Форган, РС; Спруэлл, Дж. М.; Ботрос, ГГ; Стоддарт, Дж. Ф. Монофункционализированный столб[5]арен как хозяин для алкандиаминов. Дж. Ам. хим. Соц. 2011, 133, 5668-5671.
- ^ Огоши, Т.; Сига, Р.; Ямагиши, Т.-а.
- ^ Стратт, Н.Л., Файрен-Хименес, Д.; Иель, Дж.; Лалонд, МБ; Снурр, RQ; Фарха, ок; Хапп, Дж. Т.; Стоддарт, JFJ Am. хим. Соц. 2012, 134, 17436.
- ^ Стратт, Н.Л., Шнебели, С.Т.; Стоддарт, Дж. Ф. Стереохимическая инверсия в дифункционализированных пиллар[5]аренах. Супрамол. хим., 2013, 25, 596–608.
- ^ Ке, Дж.; Стратт, Нидерланды; Ли, Х.; Хоу, X.; Хартлиб, К.; МакГонигал, PR; Ма, З.; Иель, Дж.; Стерн, CL; Ченг, К.; Чжу, З.; Вермюлен, Северная Каролина; Мид, Ти Джей; Ботрос, ГГ; Стоддарт, Дж. Ф. Столб[5]арен как сопутствующий фактор в формировании темплата ротаксана. Дж. Ам. хим. Соц. 2013, 135, 17019-17030.
- ^ Сюэ, М.; Ян, Ю.; Чи, X.; Чжан, З.; Хуанг Ф. Пилларарены, новый класс макроциклов для супрамолекулярной химии. Акк. хим. Рез. 2012, 45 (8), 1294–1308.
- ^ Лю, Л.; Цао, Д.; Джин, Ю.; Тао, Х.; Коу, Ю.; Мейер, Х., Эффективный синтез копиллярных[5]аренов и их свойств хозяин-гость с дибромалканами. Орг. Биомол. хим. 2011, 9, 7007-7010.
- ^ Лю, Л.; Цао, Д.; Джин, Ю.; Тао, Х.; Коу, Ю.; Мейер, Х., Эффективный синтез копиллярных[5]аренов и их свойств хозяин-гость с дибромалканами. Орг. Биомол. хим. 2011, 9, 7007-7010.
- ^ Чжан, З .; Ся, Б.; Хан, К.; Ю, Ю.; Хуанг, Ф. Синтез копиллярных[5]аренов путем совместной олигомеризации различных мономеров, Organic Letters, 2010, 12, 3285-3287.
- ^ Холлер, М.; Алленбах, Н.; Сонет, Дж.; Ниренгартен, Ж.-Ф. Высокопродуктивный синтез пиллар[5]аренов в условиях Фриделя-Крафтса объясняется образованием динамических ковалентных связей. хим. Коммун. 2012, 48, 2576.
- ^ Ван, К.; Тан, Л.-Л.; Чен, Д.-Х.; Песня, Н.; Си, Г.; Чжан, SX-A.; Ли, К.; Ян, Ю.-В. Однореакторный синтез пиллар[n]аренов, катализируемый минимальным количеством TfOH, и исследование механизма фазы растворения. Орг. Биомол. хим. 2012, 10, 9405-9409.
- ^ Синтез и свойства хозяин-гость пиллар[6]аренов. наук. Китайская хим. 2012, 55, 223–228.
- ^ Темплатное влияние растворителей на синтез с высоким выходом, социклизацию пиллар[6]аренов и взаимное превращение пиллар[5]- и пиллар[6]аренов. хим. Коммун. 2014, 50, 5774-5777.
- ^ Томоки Огоши, Наосукэ Уэсима, Фумиясу Сакакибара, Тада-аки Ямагиси и Такехару Хайно. Превращение пиллар[5]аренов в пиллар[6–15]арены путем расширения кольца и инкапсуляции C60 пиллар[n]аренами с наноразмерными полостями. Орг. Летт. 2014, 16, 2896-2899. два : 10.1021/ol501039u .
- ^ 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 .
- ^ Уит, Ниал ; Диксон, Кристи-Энн; Ким, Рён Рэ; Нематоллахи, Алиреза; Маккар, Рене; Кайзер, Вейсел; Ю, Гокан; Черч, В. Брет; Марш, Дебора (2016). «Комплексы хозяин-гость карбоксилированных пиллар[н]аренов с лекарственными средствами». Журнал фармацевтических наук . 105 (12): 3615–3625. дои : 10.1016/j.xphs.2016.09.008 . ПМИД 27776769 .
- ^ Хоу, X.; Ке, Дж.; Ченг, К.; Песня, Н.; Блэкберн, АК; Сарджант, А.А.; Ботрос, ГГ; Ян, Ю.-В.; Стоддарт, Дж. Ф. Эффективный синтез гетеро[4]ротаксанов на основе пиллар[6]аренов с использованием стратегии совместного захвата. хим. Общий. 2014, 50, 6196-6199.
- ^ Тейлор, Эндрю Дж.; Уилмор, Джейми Т.; Бир, Пол Д. (2024). «Галогенная связь, столбик[5]арен с добавлением BODIPY для оптического обнаружения дикарбоксилатов и имитатора боевого отравляющего вещества» . Химические коммуникации . дои : 10.1039/D4CC03748K .
- ^ Ли, Х.; Чен, Д.-Х.; Сан, Ю.-Л.; Чжэн, Ю.Б.; Тан, Л.-Л.; Вайс, PS; Ян, Ю.-В. Виологен-опосредованная сборка и зондирование карбоксилатопиллар[5]арен-модифицированных наночастиц Au. Дж. Ам. хим. Соц. 2013, 135, 1570-1576.
- ^ Яо, Ю.; Сюэ, М.; Чи, X.; Может.; Он, Дж.; Аблиз, З.; Хуанг, Ф. Новый водорастворимый опорный [5]арен: синтез и применение при получении наночастиц золота. хим. Коммун. 2012, 48, 6505−6507.
- ^ Си, В.; Чен, Л.; Ху, Х.-Б.; Тан, Г.; Чен, З.; Хоу, Ж.-Л.; Ли, З.-Т. Селективные искусственные трансмембранные каналы для протонов путем образования водяных проводов. Энджью. хим. Межд. Эд. 2011, 50, 12564–12568.
- ^ Сан, Ю.-Л.; Ян, Ю.-В.; Чен, Д.-Х.; Ван, Г.; Чжоу, Ю.; Ван, К.-Ю.; Стоддарт, Дж. Ф. Механизированные кремнеземные наночастицы на основе пиллар[5]аренов для высвобождения грузов по команде. Малый 2013, 9, 3224-3229.
- ^ Дуань, К.; Цао, Ю.; Ли, Ю.; Ху, Х.; Сяо, Т.; Лин, К.; Пан, Ю.; Ван, Л. pH-зависимые супрамолекулярные везикулы на основе водорастворимого пиллар[6]арена и производного ферроцена для доставки лекарств. Дж. Ам. хим. Соц. 2013, 135, 10542–10549.
- ^ Стратт, Нидерланды; Файрен-Хименес, Д.; Иель, Дж.; ЛаЛонд, МБ; Снурр, RQ; Фарха, ок; Хапп, Дж. Т.; Стоддарт, Дж. Ф. Включение A1/A2-дифункционализированного пиллар[5]арена в металлоорганический каркас. Дж. Ам. хим. Соц. 2012, 134, 17436—17439
- ^ Тан, Л.-Л.; Ли, Х.; Тао, Ю.; Чжан, SX-A.; Ван, Б.; Ян, Ю.-В. Супрамолекулярные органические каркасы на основе пилларена для высокоселективного хранения углекислого газа в условиях окружающей среды. Адв. Иметь значение. 2014, 26, 7027–7031.
- ^ Сонг, Н.; Чен, Д.-Х.; Цю, Ю.-Дж.; Ян, X.-Y.; Сюй, Б.; Тиан, В.; Ян, Ю.-В. Стимул-отзывчивые синие флуоресцентные супрамолекулярные полимеры на основе пиллар[5]аренового тетрамера. хим. Общий. 2014, 50, 8231–8234.
- ^ Сонг, Н.; Чен, Д.-Х.; Ся, М.-К.; Цю, X.-L.; Ма, К.; Сюй, Б.; Тиан, В.; Ян, Ю.-В. Желтая эмиссия 9,10-дистирилантрацен-мостиковых бис(пиллар[5]аренов), индуцированная супрамолекулярной сборкой. хим. Общий. 2014, два : 10.1039/C4CC08205B .
- ^ Лю, Л.; Цао, Д.; Джин, Ю.; Тао, Х.; Коу, Ю.; Мейер, Х., Эффективный синтез копиллярных[5]аренов и их свойств хозяин-гость с дибромалканами. Орг. Биомол. хим. 2011, 9, 7007-7010.
- ^ Чжэн, Д.-Д.; Фу, Д.-Ю.; У, Ю.-Ц.;* Вс, Ю.-Л.; Тан, Л.-Л.; Чжоу, Т.; Ма, С.-К.; Жа, Х.; Ян, Ю.-В. Эффективное ингибирование образования пентамера L1 вируса папилломы человека 16 с помощью карбоксилатопилларена и п-сульфонатокаликсарена. хим. Общий. 2014, 50, 3201-3203.
- ^ Йонкергау К., Бейех Н.К., Осмехина Э. и др. Перепрофилирование химии «гость-хозяин» для секвестрации вирулентности и уничтожения биопленок у Pseudomonas aeruginosa и Acinetobacter baumannii с множественной лекарственной устойчивостью. Nat Commun 14, 2141 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37749-6