Cucurbituril
I 2− ) värd -gästkemi är cucurbiturils makrocykliska molekyler gjorda av glykoluril ( =C 4 H 2 N 4 O 2 = ) monomerer sammanlänkade med metylenbryggor ( −CH . Syreatomerna ligger längs kanterna på bandet och lutar inåt och bildar en delvis sluten hålighet ( cavitand ). Namnet kommer från likheten mellan denna molekyl och en pumpa från familjen Cucurbitaceae .
Cucurbiturils skrivs vanligtvis som cucurbit[ n ]uril , där n är antalet glykolurilenheter. Två vanliga förkortningar är CB[ n ] , eller helt enkelt CB n .
Dessa föreningar är särskilt intressanta för kemister eftersom de är lämpliga värdar för en rad neutrala och katjoniska arter. Bindningsmoden tros ske genom hydrofoba interaktioner och, i fallet med katjoniska gäster, även genom katjon-dipol-interaktioner. Dimensionerna av gurkgrön är i allmänhet på ~10 Å storleksskalan. Till exempel har håligheten i cucurbit[6]uril en höjd ~9,1 Å, en yttre diameter ~5,8 Å och en innerdiameter ~3,9 Å.
Cucurbiturils syntetiserades först 1905 av Robert Behrend , genom att kondensera glykoluril med formaldehyd , men deras struktur klargjordes inte förrän 1981. Fältet expanderade när CB5, CB7 och CB8 upptäcktes och isolerades av Kimoon år 2000. sammansatta av 5, 6, 7, 8, 10 och 14 upprepade enheter har alla isolerats, vilka har inre kavitetsvolymer på 82, 164, 279, 479 respektive 870 Å3 . En cucurbituril som består av 9 upprepade enheter har ännu inte isolerats (från och med 2009). Andra vanliga molekylära kapslar som delar en liknande molekylform med cucurbiturils inkluderar cyklodextriner , calixarener och pillararener .
Syntes
Cucurbituriler är amidaler (mindre exakt aminaler ) och syntetiseras från urea 1 och en dialdehyd (t.ex. glyoxal 2 ) via en nukleofil addition för att ge mellanprodukten glykoluril 3 . Denna mellanprodukt kondenseras med formaldehyd för att ge hexamer cucurbit[6]uril över 110 °C. Vanligtvis skulle multifunktionella monomerer såsom 3 genomgå en stegvis tillväxtpolymerisation som skulle ge en fördelning av produkter, men på grund av gynnsam spänning och ett överflöd av vätebindning är hexameren den enda reaktionsprodukten som isoleras efter utfällning.
Att sänka reaktionstemperaturen till mellan 75 och 90 °C kan användas för att komma åt andra storlekar av cucurbiturils inklusive CB[5], CB[7], CB[8] och CB[10]. CB[6] är fortfarande huvudprodukten; de andra ringstorlekarna bildas i mindre utbyten. Isoleringen av andra storlekar än CB[6] kräver fraktionerad kristallisation och upplösning. CB[5], CB[6], CB[7] och CB[8] är alla kommersiellt tillgängliga för närvarande. De större storlekarna är ett särskilt aktivt forskningsområde eftersom de kan binda större och mer intressanta gästmolekyler och därmed utöka deras potentiella tillämpningar.
Cucurbit[10]uril är särskilt svår att isolera. Det upptäcktes först av Day och medarbetare 2002 som ett inklusionskomplex innehållande CB[5] genom fraktionerad kristallisering av cucurbituril-reaktionsblandningen. CB[10]·CB[5] identifierades otvetydigt av enkristallröntgenstrukturanalys som visade att komplexet liknade ett molekylärt gyroskop . I detta fall efterliknar den fria rotationen av CB[5] i CB[10]-håligheten den oberoende rotationen av ett svänghjul inom ramen för ett gyroskop.
Isolering av ren CB[10] kunde inte åstadkommas med direktseparationsmetoder eftersom föreningen har så hög affinitet för CB[5]. Den starka bindningsaffiniteten för CB[5] kan förstås eftersom den har en komplementär storlek och form till CB:s hålighet[10]. Pure CB[10] isolerades av Isaacs och medarbetare 2005 genom att introducera en starkare bindande melamindiamingäst som kan ersätta CB[5]. Melamindiamingästen separerades sedan från CB[10] genom reaktion med ättiksyraanhydrid som omvandlade de positivt laddade amingrupperna till neutralt laddade amider. Cucurbiturils binder starkt katjoniska gäster, men genom att ta bort den positiva laddningen från melamindiamingästen minskar associationskonstanten till den grad att den kan avlägsnas genom att tvätta med metanol , DMSO och vatten. CB[10] har en ovanligt stor hålighet (870 Å 3 ) som är fri och kapabel att binda extraordinärt stora gäster inklusive en katjonisk calix[4]arene .
Ansökningar
Cucurbiturils har använts av kemister för olika tillämpningar, inklusive läkemedelstillförsel, asymmetrisk syntes, molekylär omkoppling och färgjustering.
Supramolekylära värdmolekyler
Cucurbiturils är effektiva värdmolekyler för molekylär igenkänning och har en särskilt hög affinitet för positivt laddade eller katjoniska föreningar. Höga associationskonstanter med positivt laddade molekyler tillskrivs karbonylgrupperna som kantar varje ände av kaviteten och kan interagera med katjoner på ett liknande sätt som kronetrar. Affiniteten för cucurbiturils kan vara mycket hög. Till exempel affinitetsjämviktskonstanten för cururbit[7]uril med den positivt laddade 1-aminoadamantanhydrokloriden experimentellt till 4,23* 1012 .
Värdgästinteraktioner påverkar också avsevärt löslighetsbeteendet hos cucurbiturils. Cucurbit[6]uril löser sig dåligt i nästan vilket lösningsmedel som helst, men lösligheten förbättras avsevärt i en lösning av kaliumhydroxid eller i en sur lösning. Kavitanden bildar en positivt laddad inklusionsförening med en kaliumjon respektive en hydroniumjon som har mycket större löslighet än den icke-komplexbildade neutrala molekylen .
CB[10] är tillräckligt stor för att hålla andra molekylära värdar såsom en calixarene -molekyl. Med en calixarene gäst är olika kemiska konformationer (kon, 1,2-alternerande, 1,3-alternerande) i snabb jämvikt. Allosterisk kontroll tillhandahålls när en adamantanmolekyl tvingar fram en konform med ett calixaren-adamantan-inklusionskomplex i en CB[10]-molekyl.
Rotaxane makrocykler
Med tanke på deras höga affinitet för att bilda inklusionskomplex har cucurbiturils använts som makrocykliska komponenter i en rotaxan . Efter bildning av den supramolekylära sammansättningen eller det gängade komplexet med en gästmolekyl såsom hexametylendiamin kan de två ändarna av gästen reageras med skrymmande grupper som sedan kommer att fungera som en propp som förhindrar de två separata molekylerna från att dissociera.
I ett annat rotaxansystem med ett CB[7]-hjul är axeln en 4,4'-bipyridinium eller viologen subenhet med två karboxylsyraterminerade alifatiska N-substituenter i båda ändar. I vatten vid koncentrationer högre än 0,5 mM komplexbildning är kvantitativ utan behov av proppar. Vid pH = 2 protoneras de karboxyliska ändgrupperna och hjulet pendlar fram och tillbaka mellan dem, vilket framgår av närvaron av bara två aromatiska viologenprotoner i proton-NMR- spektrumet. Vid pH = 9 är hjulet låst runt viologens centrum. På senare tid syntetiserades rotaxan med ett CB[8]-hjul. Denna rotaxan kan binda neutrala gästmolekyler.
Drogleveransfordon
Cucurbiturils värd-gästegenskaper har undersökts för läkemedelsleveranser. Potentialen för denna applikation har undersökts med cucurbit[7]uril som bildar en inklusionsförening med det viktiga cancerbekämpande läkemedlet oxaliplatin . CB[7] användes trots att det är svårare att isolera eftersom det har mycket större löslighet i vatten och dess större kavitetsstorlek kan rymma läkemedelsmolekylen. Det resulterande komplexet visade sig ha ökad stabilitet och större selektivitet som kan leda till färre biverkningar.
Supramolekylära katalysatorer
Cucurbiturils har också utforskats som supramolekylära katalysatorer . Större cucurbiturils, såsom cucurbit[8]uril, kan binda flera gästmolekyler. CB[8] bildar en komplex 2:1 (gäst:värd) med (E)-diaminostilbendihydroklorid som ryms av CB[8]s större inre diameter på 8,8 Ångström och höjden 9,1 Ångström . Närheten och den optimala orienteringen av gästmolekylerna i kaviteten ökar hastigheten för den fotokemiska cykliseringen för att ge cyklobutandimer med en 19:1 stereoselektivitet för syn-konfigurationen när den är bunden till CB[8] . I frånvaro av CB[8] inträffar inte cykliseringsreaktionen, utan endast isomeriseringen av trans-isomeren till cis-isomeren observeras.
Färgämnesjustering
Färgämnesförmågan cucurbiturils har har utforskats av forskare under de senaste åren. I allmänhet har det visat sig att den begränsade miljön med låg polaritet som tillhandahålls av cucurbiturilerna leder till förbättrad ljusstyrka, ökad fotostabilitet, ökad fluorescenslivslängd och solvatokromism som överensstämmer med att flytta till en miljö med lägre polaritet.
Besläktade föreningar
Inverterade cucurbiturils eller i CB[x] är CB-analoger med en repeterande glykolurilenhet inverterad. I denna enhet metinprotonerna faktiskt in i kaviteten och detta gör kaviteten mindre rymlig. Inverterade cucurbiturils bildas som en biprodukt i CB-bildande reaktioner, med utbyten mellan 2 och 0,4 %. Isolering av denna typ av CB-föreningar är möjlig eftersom det är svårare att bilda inklusionsföreningar som vanligtvis bildas med vanliga CB. Inverterade cucurbiturils tros vara de kinetiskt kontrollerade reaktionsprodukterna eftersom uppvärmningen av i CB[6] i surt medium resulterar i en blandning av CB[5], CB[6] och CB[7] i förhållandet 24:13:1 .
En cucurbituril halverad längs ekvatorn kallas hemicucurbituril .
Systematiskt namn
Cucurbit[6]urils systematiska namn är Dodecahydro-1H,4H,14H,17H-2,16:3,15-dimetano-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'']cyklooktyl[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.