Кукурбитурил - Cucurbituril

Компьютерные модели CB [5], CB [6] и CB [7]. Верхний ряд - это вид в полость, а нижний - вид сбоку.

Кукурбитурилы находятся макроциклические молекулы сделано из гликолурил (= C4ЧАС2N4О2=) мономеры связаны метиленовые мостики (-CH2-). Атомы кислорода расположены по краям полосы и наклонены внутрь, образуя частично закрытую полость. Название происходит от сходства этой молекулы с тыква семьи Тыквенные.

Кукурбитурилы обычно записываются как тыквенный [п] урил, куда п количество единиц гликолурила. Двумя общими сокращениями являются CB [п], или просто CBп.

Эти соединения особенно интересны химикам, поскольку они являются подходящими хозяевами для множества нейтральных и катионных частиц. Считается, что режим связывания происходит посредством гидрофобных взаимодействий, а также, в случае катионных гостей, посредством катион-дипольных взаимодействий. Размеры кукурбитурилов обычно находятся в масштабе ~ 10 Å. Например, полость кукурбит [6] урила имеет высоту ~ 9,1 Å, внешний диаметр ~ 5,8 Å и внутренний диаметр ~ 3,9 Å.[1]

Кукурбитурилы были впервые синтезированы в 1905 г. Роберт Беренд, путем конденсации гликолурила с формальдегид,[2] но их структура не была выяснена до 1981 года.[3] Поле расширилось, поскольку CB5, CB7 и CB8 были обнаружены и изолированы Ким Кимун в 2000 году.[4] На сегодняшний день выделены кукурбитурилы, состоящие из 5, 6, 7, 8, 10 и 14 повторяющихся единиц.[5][6] которые имеют объемы внутренней полости 82, 164, 279, 479 и 870 Å.3 соответственно. Кукурбитурил, состоящий из 9 повторяющихся единиц, еще предстоит выделить (по состоянию на 2009 г.). Другие распространенные молекулярные капсулы, которые имеют схожую молекулярную форму с кукурбитурилами, включают: циклодекстрины, каликсарены, и пилларены.

Синтез

Синтез кукурбитурила

Кукурбитурилы - это амидалы (менее точно аминалы ) и синтезирован из мочевина 1 и диальдегид (например., глиоксаль 2) через нуклеофильное присоединение дать промежуточный гликолурил 3. Это промежуточное звено конденсированный с формальдегидом, чтобы дать гексамер тыквенный [6] урил выше 110 ° C. Обычно многофункциональные мономеры, такие как 3 подвергнется ступенчатая полимеризация это дало бы распределение продуктов, но из-за благоприятного напряжение и обилие водородная связь, гексамер является единственным продуктом реакции, выделенным после осаждения.[5]

Снижение температуры реакции до 75-90 ° C может быть использовано для получения кукурбитурилов других размеров, включая CB [5], CB [7], CB [8] и CB [10]. CB [6] по-прежнему остается основным продуктом; кольца других размеров образуются с меньшим выходом. Выделение размеров, отличных от CB [6], требует фракционной кристаллизации и растворения. CB [5], CB [6], CB [7] и CB [8] в настоящее время коммерчески доступны. Большие размеры являются особенно активной областью исследований, поскольку они могут связывать более крупные и более интересные гостевые молекулы, тем самым расширяя их потенциальные применения.

Кристаллическая структура комплекса CB [10] • CB [5], включающая анион хлора.[7]

Кукурбит [10] урил особенно сложно выделить. Впервые он был обнаружен Дэй и его коллегами в 2002 году как комплекс включения содержащие CB [5], путем фракционной кристаллизации реакционной смеси кукурбитурила.[7] CB [10] • CB [5] был однозначно идентифицирован с помощью рентгеноструктурного анализа монокристалла, который показал, что комплекс похож на молекулярный гироскоп. В этом случае свободное вращение CB [5] внутри полости CB [10] имитирует независимое вращение маховик в кадре гироскопа.

Выделение чистого CB [10] не может быть выполнено методами прямого разделения, так как соединение имеет такое высокое сродство к CB [5]. Сильное сродство связывания с CB [5] можно понять, поскольку он имеет дополнительный размер и форму полости CB [10]. Чистый CB [10] был выделен Isaacs и соавторами в 2005 году путем введения более прочно связывающегося меламин диамин-гость, способный вытеснять CB [5].[8] Затем меламиндиамин-гость был отделен от CB [10] реакцией с уксусный ангидрид который превращает положительно заряженные аминогруппы в нейтрально заряженные амиды. Кукурбитурилы сильно связывают катионные гости, но за счет удаления положительного заряда с гостя меламинового диамина снижает константу ассоциации до такой степени, что ее можно удалить промыванием метанол, ДМСО, и вода. CB [10] имеет необычно большой резонатор (870 Å3), который является бесплатным и способен связывать чрезвычайно больших гостей, включая катионный Каликс [4] арен.

Приложения

Кукурбитурилы использовались химиками для различных целей, включая доставку лекарств, асимметричный синтез, переключение молекул и настройку красителя.

Супрамолекулярные молекулы-хозяева

Кристаллическая структура хост-гость комплекс с п-ксилилендиаммоний, связанный с тыквенным [6] урилом[9]

Кукурбитурилы являются эффективными молекулами-хозяевами в молекулярное распознавание и обладают особенно высоким сродством к положительно заряженным или катионным соединениям. Высокие константы ассоциации с положительно заряженными молекулами приписываются карбонильным группам, которые выстилают каждый конец полости и могут взаимодействовать с катионами аналогично краун-эфирам. Сродство кукурбитурилов может быть очень высоким. Например, константа равновесия сродства курурбит [7] урила с положительно заряженным гидрохлоридом 1-аминоадамантана экспериментально определено при 4,23 * 1012.[10]

Взаимодействие с гостями-хозяевами также значительно влияет на растворимость кукурбитурилов. Кукурбит [6] урил плохо растворяется практически в любом растворителе, но растворимость значительно улучшается в растворе гидроксид калия или в кислый решение. В кавитанд образует положительно заряженный соединение включения с ионом калия или ионом гидроксония, соответственно, которые обладают гораздо большей растворимостью, чем несложная нейтральная молекула.[11]

CB [10] достаточно велик, чтобы удерживать другие молекулярные хозяева, такие как каликсарен молекула. С каликсаренским гостем разные химические конформации (конус, 1,2-альтернатива, 1,3-альтернатива) находятся в быстром равновесии. Аллостерический контроль предоставляется, когда адамантан Молекула форсирует конформацию конуса с комплексом включения каликсарен-адамантан в молекуле CB [10].

Макроциклы ротаксана

Учитывая их высокое сродство к образованию комплексов включения, кукурбитурилы использовались в качестве макроциклы компонент ротаксан. После формирования супрамолекулярная сборка или ниточный комплекс с гостевой молекулой, такой как гексаметилендиамин два конца гостя могут вступать в реакцию с объемными группами, которые затем будут действовать как стопоры, предотвращающие диссоциацию двух отдельных молекул.[12]

В другой ротаксановой системе с колесом CB [7] ось представляет собой 4,4'-бипиридиний или виологен подразделение с двумя карбоновая кислота алифатические N-заместители с концевыми группами на обоих концах.[13] В воде с концентрацией выше 0,5 мМ комплексообразование является количественным без использования пробок. В pH = 2 карбоновая конечные группы протонированы, и колесо перемещается между ними, о чем свидетельствует присутствие всего двух ароматических протонов виологена в протонный ЯМР спектр. При pH = 9 колесо заблокировано вокруг центра виологена. Совсем недавно ротаксан[14] с колесом CB [8]. Этот ротаксан может связывать нейтральные гостевые молекулы.

Средства доставки наркотиков

Свойства хозяина и гостя Кукурбитурила были исследованы для средств доставки лекарств. Потенциал этого применения был исследован с помощью кукурбит [7] урила, который образует соединение включения с важным лекарством от рака оксалиплатин. CB [7] использовался, несмотря на то, что его труднее выделить, так как он имеет гораздо большую растворимость в воде, а его полость большего размера может вместить молекулу лекарства. Было обнаружено, что полученный комплекс обладает повышенной стабильностью и большей избирательностью, что может приводить к меньшему количеству побочных эффектов.[15]

Супрамолекулярные катализаторы

Кукурбитурилы также были исследованы как супрамолекулярные катализаторы. Более крупные кукурбитурилы, такие как кукурбит [8] урил, могут связывать несколько гостевых молекул. CB [8] образует комплекс 2: 1 (гость: хозяин) с (E) -диаминостильбен дигидрохлоридом, который вмещается в больший внутренний диаметр CB [8], равный 8,8. ангстрем и высота 9,1 ангстрем.[16] Непосредственная близость и оптимальная ориентация гостевых молекул внутри полости увеличивает скорость фотохимический циклизация дать циклобутан димер со стереоселективностью 19: 1 для конфигурации syn при привязке к CB [8]. В отсутствие CB [8] реакция циклизации не происходит, а происходит только изомеризация транс-изомер к цис-изомер наблюдается.[17][18]

Настройка красителя

В последние годы исследователи изучали способность кукурбитурилов регулировать окраску.[19][20][21][22] В целом было обнаружено, что ограниченная среда с низкой полярностью, обеспечиваемая кукурбитурилами, приводит к повышенной яркости, повышенной фотостабильности, увеличению времени жизни флуоресценции и сольватохромизму, совместимому с перемещением в среду с более низкой полярностью.

Родственные соединения

Кукурбитурилы инвертированные или же яCB [x] - аналоги CB с одним гликолурилом повторяющийся блок перевернутый.[23] В этом блоке метин протоны на самом деле направлены в полость, и это делает полость менее просторной. Инвертированные кукурбитурилы образуются в качестве побочного продукта в реакциях образования CB с выходами от 2 до 0,4%. Выделение этого типа соединения CB возможно, потому что сложнее образовать соединения включения, которые обычно образуются с обычными CB. Считается, что инвертированные кукурбитурилы кинетически управляемый продукты реакции из-за нагрева яCB [6] в кислой среде приводит к смеси CB [5], CB [6] и CB [7] в соотношении 24: 13: 1.

Кукурбитурил, разрезанный пополам вдоль экватора, называется гемикукурбитурил.

Систематическое название

Кукурбит [6] урилс систематическое название Додекагидро-1H, 4H, 14H, 17H-2, 16: 3, 15-диметано-5H, 6H, 7H, 8H, 9H, 10H, 11H, 12H, 13H, 18H, 19H, 20H, 21H, 22H, 23H , 24H, 25H, 26H-2, 3, 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a, 10a, 11a, 12a, 13a, 15, 16, 17a, 18a, 19a, 20a, 21a, 22a, 23a, 24a , 25a, 26a-тетракозаазабиспенталено [1 '' ', 6' '': 5 '', 6 '', 7 ''] циклоокти [1 '', 2 '', 3 '': 3 ', 4'] пенталено (1 ', 6': 5, 6, 7) -циклоокта (1, 2, 3-gh: 1 ', 2', 3'-g'h ') cycloocta (1, 2, 3-cd: 5, 6, 7-c'd ') дипентален-1, 4,6, 8, 10, 12, 14, 17, 19, 21, 23, 25-додекон.[24]

Рекомендации

  1. ^ Обзор: Семейство Кукурбит [n] урил Джейсон Лагона, Притам Мукхопадхьяй, Шрипарна Чакрабарти, Лайл Айзекс Angewandte Chemie International Edition Том 44, выпуск 31, страницы 4844 - 4870 2005 Абстрактный
  2. ^ Ueber Condensationsproducte aus Glycoluril und Formaldehyd, Роберт Беренд, Эберхард Мейер, Франц Руше, Annalen der Chemie Юстуса Либиха 1905, 339, 1–37. Дои:10.1002 / jlac.19053390102
  3. ^ Кукурбитурил В. А. Фриман, В. Л. Мок, Н.-Й. Ши Варенье. Chem. Soc., 1981, 103, 7367. Статья
  4. ^ Ким, Джахон; Юнг, Ин-Сан; Ким, Су-Ён; Ли, Ынсунг; Кан, Джин-Ку; Сакамото, Сигэру; Ямагути, Кентаро; Ким, Кимун (2000). «Новые гомологи кукурбитурила: синтезы, выделение, характеристика и рентгеновские кристаллические структуры кукурбит [n] урила (n = 5, 7 и 8)». Журнал Американского химического общества. 122 (3): 540–541. Дои:10.1021 / ja993376p.
  5. ^ а б Гомологи и производные кукурбитурила: новые возможности супрамолекулярной химии. Chem. Рес., 36 (8), 621-630, 2003. ссылка
  6. ^ Ченг, Сяо-Цзе и др. «Витой Кукурбит [14] урил». Angewandte Chemie International Edition 52.28 (2013): 7252–7255. Интернет. Дои:10.1002 / ange.201210267
  7. ^ а б Гироскан на основе кукурбитурила: новая супрамолекулярная форма AnthonyI. Дэй, Родни Дж. Бланч, Алан П. Арнольд, Сьюзан Лоренцо, Гарет Р. Льюис и Ян Дэнс Энгью. Chem. Int. Эд.; 2002; 41 (2) pp 275-277.
  8. ^ Кукурбит [10] урил Симин Лю, Питер Ю. Завалий и Лайл Айзекс Варенье. Chem. Soc.; 2005; 127 (48), стр. 16798–16799; (Коммуникация) Дои:10.1021 / ja056287n Абстрактный
  9. ^ Фриман, Уэйд А. (1984). "Структуры п-ксилилендиаммонийхлорид и гидросульфат кальция аддукты кавитанда «кукурбитурил», C36ЧАС36N24О12". Acta Crystallogr B. 40 (4): 382–387. Дои:10.1107 / S0108768184002354.
  10. ^ Лю, Симин; Руспический, христианский; Мухопадхьяй, Притам; Чакрабарти, Шрипарна; Завалий, Петр Юрьевич .; Айзекс, Лайл (2005). «Семейство Cucurbit [n] uril: основные компоненты для систем самосортировки». Журнал Американского химического общества. 127 (45): 15959–67. Дои:10.1021 / ja055013x. PMID  16277540.
  11. ^ Патент США 6365734
  12. ^ Комплексное образование a, w-дикарбоновых кислот и a, w-диолов с кукурбитурилом и a-циклодекстрином. первый шаг к образованию ротаксанов и полиротаксенов полиэфирного типа Ханс-Юрген Бушманн, Клаус Янсен, Экхард Шоллмайер Acta Chim. Слов. 1999, 46 (3), с. 405-411 Статья
  13. ^ Синделар, Владимир; Сильви, Серена; Кайфер, Ангел Э. (2006). «Включение и выключение молекулярного челнока: простые псевдоротаксаны с регулируемым pH на основе тыквенного [7] урила». Химические коммуникации (20): 2185–7. Дои:10.1039 / b601959e. PMID  16703149. S2CID  8649596.
  14. ^ В. Рамалингам и А. Р. Урбах, Org. Lett., 2011, 13, 4898
  15. ^ Пшеница, Ниал; Лиманторо, Кристина (2016). «Кукурбит [п] урилы как вспомогательные вещества в фармацевтических лекарственных формах ». Супрамолекулярная химия. 28 (9–10): 849–856. Дои:10.1080/10610278.2016.1178746. HDL:2123/15770.
  16. ^ Простая стереоселективная [2 + 2] фотореакция, опосредованная тыквенным [8] урилом. Сан Ён Джон, Ён Хо Ко, Сан Хён Пак, Хи-Джун Ким и Кимун Ким Химические коммуникации, 2001, (19), 1938 - 1939 DOI Аннотация
  17. ^ Матричная фотодимеризация транс-1,2-бис (н-пиридил) этиленов и стильбазолов в воде Махеш Паттабираман, Арункумар Натараджан, Раджа Калиаппан, Джоэл Т. Маг и В. Рамамурти Химические коммуникации, 2005, (36), 4542 - 4544 DOI Аннотация Полная статья
  18. ^ Maddipatla, Murthy V.S.N .; Kaanumalle, Lakshmi S .; Натараджан, Арункумар; Паттабираман, Махеш; Рамамурти, В. (2007). «Преориентация олефинов в сторону единственного фотодимера: кукурбитурил-опосредованная фотодимеризация протонированных азастильбенов в воде». Langmuir. 23 (14): 7545–54. Дои:10.1021 / la700803k. PMID  17539667.
  19. ^ Конер Л. и др., Supramolec. Chem. 2007, 19, 55-66.
  20. ^ Нау В. М. и др., Int. J. Photoenergy 2005, 7, 133-141.
  21. ^ Монтес-Навахас П. и др., Chem. Phys. Chem. 2008, 9, 713-720.
  22. ^ Шейх Дж. И др., Photochem. & Photobiol. Sci. 2008, 7, 408-414.
  23. ^ Айзекс, Лайл; Парк, Санг-Кю; Лю, Симин; Ко, Ён Хо; Сельвапалам, Нараянан; Ким, Ёнгук; Ким, Хёнук; Завалий, Петр Юрьевич .; и другие. (2005). "Семья перевернутых тыкв [n] урил". Журнал Американского химического общества. 127 (51): 18000–1. Дои:10.1021 / ja056988k. PMID  16366540.
  24. ^ Моно-, олиго- и полиротаксан с кукурбитурилом и гемисхентом полиротаксан с кукурбитурилом и альфа-циклодекстрином мителами Selbstorganisation Клаудиа Мешке 1999 В сети[постоянная мертвая ссылка ] немецкий язык