Cucurbituril - Cucurbituril

Počítačové modely CB [5], CB [6] a CB [7]. Horní řada je pohled do dutiny a spodní je boční pohled

Cucurbiturily jsou makrocyklické molekuly vyroben z glykoluril (= C.4H2N4Ó2=) monomery propojeno uživatelem methylenové můstky (-CH2-). Atomy kyslíku jsou umístěny podél okrajů pásu a jsou nakloněny dovnitř a tvoří částečně uzavřenou dutinu. Název je odvozen od podobnosti této molekuly s a dýně rodiny Cucurbitaceae.

Cucurbiturily jsou běžně psány jako cucurbit [n] uril, kde n je počet jednotek glykolurilu. Dvě běžné zkratky jsou CB [n]nebo jednoduše CBn.

Tyto sloučeniny jsou zvláště zajímavé pro chemiky, protože jsou vhodnými hostiteli pro řadu neutrálních a kationtových druhů. Předpokládá se, že k vazebnému režimu dochází prostřednictvím hydrofobních interakcí a v případě kationtových hostů také prostřednictvím interakcí kation-dipól. Rozměry cucurbiturilů jsou obvykle na stupnici velikosti ~ 10 Å. Například dutina kykurbitového [6] urilu má výšku ~ 9,1 Å, vnější průměr ~ 5,8 Å a vnitřní průměr ~ 3,9 Å.[1]

Cucurbiturily byly poprvé syntetizovány v roce 1905 autorem Robert Behrend kondenzací glykolurilu s formaldehyd,[2] ale jejich struktura byla objasněna až v roce 1981.[3] Pole se rozšířilo, protože CB5, CB7 a CB8 byly objeveny a izolovány Kim Kimoon v roce 2000.[4] K dnešnímu dni byly izolovány cucurbiturily složené z 5, 6, 7, 8, 10 a 14 opakujících se jednotek,[5][6] které mají objemy vnitřní dutiny 82, 164, 279, 479 a 870 Á3 resp. Cucurbituril složený z 9 opakujících se jednotek ještě musí být izolován (od roku 2009). Mezi další běžné molekulární kapsle, které sdílejí podobný molekulární tvar s cucurbiturily, patří cyklodextriny, calixarenes, a pillararenes.

Syntéza

Syntéza Cucurbiturilu

Cucurbiturily jsou amidály (méně přesně aminals ) a syntetizovány z močovina 1 a a dialdehyd (např., glyoxal 2) přes a nukleofilní adice dát meziprodukt glykoluril 3. Tento meziprodukt je zhuštěný s formaldehydem dát hexamer cucurbit [6] uril nad 110 ° C. Obvykle se používají multifunkční monomery, jako např 3 podstoupí a kroková růstová polymerace to by poskytlo distribuci produktů, ale kvůli příznivému kmen a hojnost vodíkové vazby, hexamer je jediný reakční produkt izolovaný po vysrážení.[5]

Snížení teploty reakce na 75 až 90 ° C lze použít pro přístup k dalším velikostem cucurbiturilů, včetně CB [5], CB [7], CB [8] a CB [10]. CB [6] je stále hlavním produktem; ostatní velikosti prstenů jsou vytvářeny v menších výtěžcích. Izolace jiných velikostí než CB [6] vyžaduje frakční krystalizaci a rozpouštění. CB [5], CB [6], CB [7] a CB [8] jsou v současné době komerčně dostupné. Větší velikosti jsou obzvláště aktivní oblastí výzkumu, protože mohou vázat větší a zajímavější hostující molekuly, a tak rozšiřovat své potenciální aplikace.

Krystalová struktura komplexu CB [10] • CB [5] včetně aniontu chloru.[7]

Cucurbit [10] uril je obzvláště obtížné izolovat. Poprvé byl objeven Dayem a spolupracovníky v roce 2002 jako inkluzní komplex obsahující CB [5] frakční krystalizací reakční směsi cucurbiturilu.[7] CB [10] • CB [5] byl jednoznačně identifikován rentgenovou strukturní analýzou monokrystalů, která odhalila, že komplex připomínal molekulární gyroskop. V tomto případě volná rotace CB [5] v dutině CB [10] napodobuje nezávislé otáčení a setrvačník v rámci gyroskopu.

Izolace čistého CB [10] nemohla být provedena přímými separačními metodami, protože sloučenina má tak vysokou afinitu k CB [5]. Silnou vazebnou afinitu pro CB [5] lze pochopit, protože má doplňkovou velikost a tvar k dutině CB [10]. Čistý CB [10] izolovali Isaacs a spolupracovníci v roce 2005 zavedením silnější vazby melamin diaminový host, který je schopen vytlačit CB [5].[8] Melaminový diaminový host byl poté oddělen od CB [10] reakcí s anhydrid kyseliny octové které převáděly kladně nabité aminové skupiny na neutrálně nabité amidy. Cucurbiturily silně váží kationtové hosty, ale odstraněním pozitivního náboje z melaminového diaminu host snižuje asociační konstantu do té míry, že jej lze odstranit promytím methanolu, DMSO a vodu. CB [10] má neobvykle velkou dutinu (870 Å3), který je zdarma a je schopen pojmout mimořádně velké hosty včetně kationického calix [4] arene.

Aplikace

Cucurbiturily chemici používali pro různé aplikace, včetně dodávek léčiv, asymetrické syntézy, molekulárního přepínání a ladění barviv.

Supramolekulární hostitelské molekuly

Krystalová struktura a komplex host – host s p-xylylendiamonium vázané v urkulovém cucurbit [6][9]

Cucurbiturily jsou účinné hostitelské molekuly molekulární rozpoznávání a mají zvláště vysokou afinitu ke kladně nabitým nebo kationtovým sloučeninám. Vysoké asociační konstanty s pozitivně nabitými molekulami jsou připisovány karbonylovým skupinám, které lemují každý konec dutiny a mohou interagovat s kationty podobným způsobem jako korunové ethery. Afinita cucurbiturilů může být velmi vysoká. Například afinitní rovnovážná konstanta kururbit [7] urilu s pozitivně nabitým 1-aminoadamantan hydrochloridem se experimentálně stanoví při 4,23 * 1012.[10]

Interakce hostitele s hostitelem také významně ovlivňují chování rozpustnosti cucurbiturilů. Cucurbit [6] uril se špatně rozpouští téměř v jakémkoli rozpouštědle, ale rozpustnost se výrazně zlepšuje v roztoku hydroxid draselný nebo v kyselé řešení. The kavitand tvoří kladně nabitý inkluzní sloučenina s draselným iontem, respektive hydroniovým iontem, které mají mnohem větší rozpustnost než neutrální molekula bez komplexu.[11]

CB [10] je dostatečně velký, aby pojal další molekulární hostitele, jako je a kalixaren molekula. S hostem calixarene jiný chemické konformace (kužel, 1,2-alternativní, 1,3-alternativní) jsou v rychlé rovnováze. Allosteric ovládání je zajištěno, když adamantan molekula nutí kónickou konformaci s inkluzním komplexem kalixaren - adamantan v molekule CB [10].

Makrocykly rotaxanu

Vzhledem k jejich vysoké afinitě k tvorbě inkluzních komplexů byly jako makrocykly složka a rotaxan. Po vytvoření supramolekulární sestava nebo závitový komplex s hostující molekulou, jako je hexamethylen diamin dva konce hosta mohou reagovat s objemnými skupinami, které pak budou působit jako zarážky zabraňující disociaci dvou samostatných molekul.[12]

V jiném rotaxanovém systému s CB [7] kolem je nápravou 4,4'-bipyridinium nebo viologen podjednotka se dvěma karboxylová kyselina ukončené alifatické N-substituenty na obou koncích.[13] Ve vodě při koncentraci vyšší než 0,5 mM je komplexace kvantitativní bez nutnosti použití zátek. Na pH = 2 karboxylová skupina koncové skupiny jsou protonizovány a kolo se pohybuje mezi nimi, jak dokazuje přítomnost pouhých dvou aromatických viologenových protonů v protonová NMR spektrum. Při pH = 9 je kolo zajištěno kolem středu viologenu. Více nedávno, rotaxan[14] s CB [8] kolo bylo syntetizováno. Tento rotaxan může vázat neutrální molekuly hosta.

Vozidla na dodávku drog

Vlastnosti Cucurbiturilu pro hostitele a hosty byly prozkoumány u vozidel dodávajících léky. Potenciál této aplikace byl prozkoumán pomocí cucurbit [7] urilu, který tvoří inkluzní sloučenina s důležitým lékem proti rakovině oxaliplatina. CB [7] byl použit navzdory skutečnosti, že je obtížnější jej izolovat, protože má mnohem větší rozpustnost ve vodě a jeho větší velikost dutiny může pojmout molekulu léčiva. Bylo zjištěno, že výsledný komplex má zvýšenou stabilitu a větší selektivitu, což může vést k menšímu počtu vedlejších účinků.[15]

Supramolekulární katalyzátory

Cucurbiturily byly také prozkoumány jako supramolekulární katalyzátory. Větší cucurbiturily, jako například cucurbit [8] uril, mohou vázat více molekul hosta. CB [8] tvoří komplex 2: 1 (host: hostitel) s (E) -diaminostilben-dihydrochloridem, který je přizpůsoben většímu vnitřnímu průměru CB [8] 8,8 angstrom a výška 9.1 angstrom.[16] Blízká blízkost a optimální orientace molekul hosta v dutině zvyšuje rychlost fotochemické cyklizace dát cyklobutan dimer se stereoselektivitou 19: 1 pro konfiguraci syn při vazbě na CB [8]. Při absenci CB [8] nedochází k cyklizační reakci, ale pouze k izomerizaci trans izomer do cis izomer je pozorován.[17][18]

Ladění barviv

Vědci v posledních letech zkoumali možnosti vyladění barviva cucurbiturily.[19][20][21][22] Obecně bylo zjištěno, že omezené prostředí s nízkou polaritou poskytované cucurbiturily vede ke zvýšení jasu, zvýšení fotostability, prodloužení životnosti fluorescence a solvatochromismu v souladu s přechodem do prostředí s nižší polaritou.

Související sloučeniny

Obrácené cucurbiturily nebo iCB [x] jsou analogy CB s jedním glykolurilem opakující se jednotka obráceně.[23] V této jednotce methinu protony skutečně směřují do dutiny, a tím je dutina méně prostorná. Invertované cucurbiturily se tvoří jako vedlejší produkt při reakcích tvořících CB s výtěžky mezi 2 a 0,4%. Izolace tohoto typu sloučeniny CB je možná, protože je obtížnější vytvořit inkluzní sloučeniny, které se obvykle tvoří s běžnými CB. Invertované cucurbiturily jsou považovány za kineticky řízené reakční produkty, protože ohřev iVýsledkem CB [6] v kyselém prostředí je směs CB [5], CB [6] a CB [7] v poměru 24: 13: 1.

Cucurbituril snížený na polovinu podél rovníku se nazývá a hemicucurbituril.

Systematický název

Cucurbit [6] uril systematické jméno je Dodecahydro-1H, 4H, 14H, 17H-2, 16: 3, 15-dimethano-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-tetracosaazabispentaleno [1 '' ', 6' '': 5 '', 6 '', 7 ''] cyklookty [1 '', 2 '', 3 '': 3 ', 4'] pentaleno (1 ', 6': 5, 6, 7) -cyklookta (1, 2, 3-gh: 1 ', 2', 3'-g'h ') cyklookta (1, 2, 3-cd: 5, 6, 7-c'd ') dipentalen-1, 4,6, 8, 10, 12, 14, 17, 19, 21, 23, 25-dodekon.[24]

Reference

  1. ^ Recenze: Rodina Cucurbit [n] uril Jason Lagona, Pritam Mukhopadhyay, Sriparna Chakrabarti, Lyle Isaacs Angewandte Chemie International Edition Svazek 44, vydání 31, strany 4844-4870 2005 Abstraktní
  2. ^ Ueber Condensationsproducte aus Glycoluril und FormaldehydRobert Behrend, Eberhard Meyer, Franz Rusche, Justnal Liebig's Annalen der Chemie 1905, 339, 1–37. doi:10,1002 / jlac.19053390102
  3. ^ Cucurbituril W. A. ​​Freeman, W. L. Mock a N.-Y. Shih J. Am. Chem. Soc., 1981, 103, 7367. Článek
  4. ^ Kim, Jaheon; Jung, na slunci; Kim, Soo-Young; Lee, Eunsung; Kang, Jin-Koo; Sakamoto, Shigeru; Yamaguchi, Kentaro; Kim, Kimoon (2000). „Nové homology Cucurbiturilu: Syntézy, izolace, charakterizace a rentgenové krystalové struktury Cucurbit [n] urilu (n = 5, 7 a 8)“. Journal of the American Chemical Society. 122 (3): 540–541. doi:10.1021 / ja993376p.
  5. ^ A b Cucurbituril homology a deriváty: Nové příležitosti v supramolekulární chemii Acc. Chem. Res., 36 (8), 621 - 630, 2003. ref
  6. ^ Cheng, Xiao-Jie a kol. „Zkroucený Cucurbit [14] uril.“ Angewandte Chemie International Edition 52.28 (2013): 7252–7255. Web. doi:10.1002 / ange.201210267
  7. ^ A b Gyroscane na bázi cucurbiturilu: nová supramolekulární forma Anthony I. Day, Rodney J. Blanch, Alan P. Arnold, Susan Lorenzo, Gareth R. Lewis a Ian Dance Angew. Chem. Int. Vyd.; 2002; 41 (2), str. 275-277.
  8. ^ Cucurbit [10] uril Simin Liu, Peter Y. Zavalij a Lyle Isaacs J. Am. Chem. Soc.; 2005; 127 (48), str. 16798 - 16799; (Sdělení) doi:10.1021 / ja056287n Abstraktní
  9. ^ Freeman, Wade A. (1984). "Struktury p-xylylendiamoniumchlorid a adukty hydrogensíranu vápenatého kavitandu 'cucurbituril', C36H36N24Ó12". Acta Crystallogr B. 40 (4): 382–387. doi:10.1107 / S0108768184002354.
  10. ^ Liu, Simin; Ruspic, Christian; Mukhopadhyay, Pritam; Chakrabarti, Sriparna; Zavalij, Peter Y .; Isaacs, Lyle (2005). „Rodina Cucurbit [n] uril: Prime Components for Self-sorting Systems“. Journal of the American Chemical Society. 127 (45): 15959–67. doi:10.1021 / ja055013x. PMID  16277540.
  11. ^ Americký patent 6 365 574
  12. ^ Komplexní tvorba a, w-dikarboxylových kyselin a a, w-diolů s cucurbiturilem a a-cyklodextrinem. první krok k tvorbě rotaxanů a polyrotaxenů polyesterového typu Hans-Jürgen Buschmann, Klaus Jansen, Eckhard Schollmeyer Acta Chim. Slov. 1999, 46 (3), str. 405-411 Článek
  13. ^ Sindelar, Vladimir; Silvi, Serena; Kaifer, Angel E. (2006). „Zapnutí a vypnutí molekulárního raketoplánu: Jednoduché, pH řízené pseudorotaxany založené na cucurbit [7] urilu“. Chemická komunikace (20): 2185–7. doi:10.1039 / b601959e. PMID  16703149. S2CID  8649596.
  14. ^ V. Ramalingam a A. R. Urbach, Org. Lett., 2011, 13, 4898
  15. ^ Wheate, Nial; Limantoro, Christina (2016). „Cucurbit [n] urily jako pomocné látky ve farmaceutických dávkových formách ". Supramolekulární chemie. 28 (9–10): 849–856. doi:10.1080/10610278.2016.1178746. hdl:2123/15770.
  16. ^ Jednoduchá, stereoselektivní [2 + 2] fotoreakce zprostředkovaná cucurbitem [8] uril Sang Yong Jon, Young Ho Ko, Sang Hyun Park, Hee-Joon Kim a Kimoon Kim Chemická komunikace, 2001, (19), 1938 - 1939 DOI abstrakt
  17. ^ Šablona zaměřená fotodimerizace trans-1,2-bis (n-pyridyl) ethylenů a stilbazolů ve vodě Mahesh Pattabiraman, Arunkumar Natarajan, Raja Kaliappan, Joel T. Mague a V. Ramamurthy Chemická komunikace, 2005, (36), 4542 - 4544 DOI abstrakt Celý článek
  18. ^ Maddipatla, Murthy V. S. N .; Kaanumalle, Lakshmi S .; Natarajan, Arunkumar; Pattabiraman, Mahesh; Ramamurthy, V. (2007). „Preorientace olefinů na jediný fotodimer: fotodimerizace protonovaných azastilbenů ve vodě zprostředkovaná cucurbiturilem“. Langmuir. 23 (14): 7545–54. doi:10.1021 / la700803k. PMID  17539667.
  19. ^ Koner L. a kol., Supramolec. Chem. 2007, 19, 55-66.
  20. ^ Nau W. M. a kol., Int. J. Fotoenergie 2005, 7, 133-141.
  21. ^ Montes-Navajas P. a kol., Chem. Phys. Chem. 2008, 9, 713-720.
  22. ^ Shaikh J. a kol., Photochem. & Photobiol. Sci. 2008, 7, 408-414.
  23. ^ Isaacs, Lyle; Park, Sang-Kyu; Liu, Simin; Ko, Young Ho; Selvapalam, Narayanan; Kim, Youngkook; Kim, Hyunuk; Zavalij, Peter Y .; et al. (2005). „Obrácená rodina Cucurbitů [n] urilů“. Journal of the American Chemical Society. 127 (51): 18000–1. doi:10.1021 / ja056988k. PMID  16366540.
  24. ^ Mono-, oligo- a polyrotaxan mit cucurbituril a gemischte Polyrotaxane mit cucurbituril a alfa-cyklodextrin mittels Selbstorganisation Claudia Meschke 1999 Online[trvalý mrtvý odkaz ] německý jazyk