Кукурбитурилы. Презентация 9 2021 (2). Лекция 9. Кавитанды Кукурбитурилы Структура и свойства кукурбитnурилов
 Скачать 1.8 Mb.
|
ЛЕКЦИЯ №9.Кавитанды: Кукурбитурилы Структура и свойства кукурбит[n]урилов В 1905 году одновременно с первой публикацией Ф. Шардингера по циклодекстринам появляется публикация Р. Беренда с сотрудниками, в которой описано, что при взаимодействии гликольурила (ацетиленмочевины) с формальдегидом в концентрированной соляной кислоте образуется плохо растворимое в разбавленных кислотах и основаниях высоко гигроскопичное белое полимерное соединение, известное как полимер Беренда. Путём перекристаллизации из концентрированной серной кислоты удалось выделить в кристаллическом виде с хорошим выходом (40-70%) соединение, отвечающее формуле C18H18N12O6. В 1981 группой исследователей под руководством доктора В. Л. Мока было установлено, что соединение имеет удивительную макроциклическую структуру, в которой шесть гликольурильных фрагментов связаны двенадцатью метиленовыми мостиками. Соединение было названо кукурбитурилом из-за сходства формы его молекулы с формой тыквы. По современной номенклатуре это соединение называется кукурбит[6]урил и обозначается CB[6], а его гомологи, включающие n фрагментов гликольурила, принято, соответственно, называть кукурбит[n]урилами (CB[n]). Кукурбит[n]урилы — тривиальное название органических макроциклических кавитандов состава (C6H6N4O2)n, построенных из нескольких (5⩽n⩽10) гликолурильных фрагментов, соединенных через метиленовые мостики. Получение гомологов кукурбитурила из гликольурила 1 и формальдегида в кислых условиях при нагревании Особого успеха в синтезе кукурбитурилов и их производных достигла группа под руководством доктора Л. Айзакса в университете Мэриленда (США), где были разработаны и подробно описаны методы синтеза как основных представителей ряда кукурбитурилов CB[5] – CB[8], так и многих аналогов и производных Кукурбитурил — бесцветное кристаллическое вещество, труднорастворимое в воде или органических растворителях, но хорошо растворимое в некоторых минеральных (HCl, H2SO4, CF3SO3H) и карбоновых кислотах (например, HCOOH), в водных растворах солей многих металлов. Уникальное строение, простота в получении, термическая устойчивость (не разлагается при нагревании до 400 °C) делают его удобным для синтеза разнообразных супрамолекулярных соединений. В настоящее время кукурбитурил легко доступен и, в частности, включен в каталог фирмы «Merck». Кристаллическая структура кукурбитурилов по данным PCA Геометрические параметры и физические свойства кукурбит[n]урилов и циклодекстринов Размеры внутренней полости молекулы кукурбитурила (высота 6 Å, внутренний диаметр 5,5 Å) позволяют включать небольшие органические молекулы или ионы (образуя комплексы гость—хозяин), а образованные карбонильными группами порталы (диаметры порталов составляют 4 Å) способны связывать катионы металлов. Определение строения кукурбитурила дало импульс широкому исследованию этого соединения как макроциклического кавитанда. Сходный по размерам полости с α-циклодекстрином и 18-краун-6-эфиром, кукурбитурил имеет более высокий отрицательный заряд на донорных атомах кислорода, что повышает стабильность его аддуктов с положительно заряженными ионами. Ещё одним отличием кукурбитурила от других кавитандов, например, каликсаренов, является его структурная «жёсткость» — он практически не изменяет свою форму при включении различных молекул-гостей и, следовательно, проявляет более высокую селективность при образовании соединений включения. Образование таких соединений включения доказано кристаллографически, а также различными физико-химическими методами — абсорбционные, флуоресцентные и ЯМР-спектры молекул-гостей изменяются при переходе его из окружения растворителя (как правило, слабо кислые водные растворы) в гидрофобную полость кукурбитурила. Кукурбитурил образует стабильные соединения включения с аминами и диаминами, алкил- и бензиламмониевыми ионами, молекулами красителей. Из особенностей представителей семейства CB[n] можно отметить следующие: 1) коммерческую доступность 4 основных представителей ряда, имеющих разные размеры; 2) способность к связыванию молекул-гостей с чрезвычайно высокими константами комплексообразования; 3) высокую селективность связывания; 4) возможность синтетического контроля за размером, формой и положением в молекуле функциональных групп; 5) высокую структурную целостность и жёсткость; 6) растворимость в водных и органических растворах; 7) возможность кинетического контроля процессов ассоциации и диссоциации; 8) возможность управления процессами молекулярного распознавания с помощью электрохимического, фотохимического или химического воздействия. Электростатический потенциал на порталах и в полости кукурбит[7]урила (б) значительно более отрицательный, чем у β-циклодекстрина (а). Эта разница в потенциале играет определяющую роль в процессах молекулярного распознавания: кукурбит[n]урилы связываются предпочтительно с катионными гостями, в то время как циклодекстрины – с нейтральными или анионными гостями. Межмолекулярные взаимодействия Закономерности процессов комплексообразования и распознавания молекул-гостей кукурбит[n]урилами I. Кукурбит[n]урилы способны связывать широкий ряд катионов различной природы как в растворах, так и в газовой фазе. II. Кукурбитурилы способны инкапсулировать широчайший ряд органических молекул-гостей, и в большинстве случаев термодинамические параметры комплексообразования могут быть определены методами оптической спектроскопии, изотермическим калориметрическим титрованием и методами 1Н ЯМР-спектроскопии III. Экстремально высокая прочность связывания кукурбитурилов обусловлена: (1) возможностью молекул-гостей и их располагающихся близко к порталам заместителей (особенно положительно заряженных) вытеснять в процессе связывания (процесс является и энтальпийно и энропийно предпочтительным) в свободный объем раствора максимально возможное количество связанных молекул воды, (2) жёсткостью макроцикла и некоторых молекул-гостей, (3) минимальными потерями энергии сольватации при инкапсуляции ; (4) предпочтительными ион-дипольными взаимодействиями положительно заряженных заместителей с порталами кукурбитурилов, так же как и многочисленными водородными связями. Кукурбитурилы являются идеальными хозяевами для связывания положительно заряженных амфифильных гостей, в которых положительные заряды взаимодействуют с карбонильными порталами по принципам ион-дипольной стабилизации, а гидрофобный фрагмент располагается внутри полости молекулы. Ансамбль «хозяин-гость». «Хозяин» — это супермолекула, закрытая с двух сторон «крышками», а «гость» — включенная в полость молекула пиридина (зеленые шары). а) оптимизированная структура тройного комплекса между CB[10], 47 (показан коричневым и фиолетовым) и 1-адамантанаммонием 3b (показан зелёным). б) конформеры производного 48 и структура комплекса а,а,а,а-48∩CB[10] [233] по данным РСА. Красные стрелки направлены к фениленовым фрагментам. Комплексы 49 и 50 могут быть инкапсулированы CB[10]. Б. Д. Вагнер, А. Е. Кайфер и Л. Айзакс также показали, что порфирины (свободные или координированные Zn(II), Mn(III) и Fe(III)), имеющие 4 метилпиридиниевых заместителя, также образуют комплексы включения с CB[10] Теоретическое и практическое применение кукурбит[n]урилов
. Показано, что цитотоксичность биоактивных соединений может быть модулирована при инкапсуляции CB[7] 4. Образование на поверхности наночастиц золота полимера, стабилизированного за счет процессов переноса заряда в полости CB[8] Варьирование длины и угла линкерных групп должно сделать возможным получение молекулярных ожерелий разных размеров, форм и с различным количеством CB[n] бусин 5. Молекулярные переключатели на основе комплексов кукурбитурилов В случае если под действием каких-либо внешних стимулов: изменения рН, температуры, фотооблучения, происходит перестройка изначальной архитектуры в новую хорошо организованную структуру или детектируется изменение какого-либо отклика системы, сама система приобретает механизм молекулярного переключателя. За последние годы количество публикаций по созданию новых типов переключателей, включающих CB[n], значительно возросло. Основными внешними стимулами, используемыми для переключателей, являются температура, кислотность раствора, электрохимическое окисление/восстановление, облучение видимым и УФ-светом, действие ферментов. Литература.
|