Супрамолекулярные комплексы каликсаренов

В последние два десятилетия внимание исследователей привлечено к синтезу соединений, содержащих большие молекулярные полости. Основная причина активных исследований в этой области является способность таких соединений образовывать комплексы «включения» с неорганическими и органическими молекулами. Одним из популярных типов соединений являются каликсарены. Название происходит от комбинации греческого слова каликс – чаша и органического термина арен. Это означает, что соединения состоят из нескольких ареновых звеньев, которые располагаясь по кругу, образуют структуру, напоминающую по форме чашу (рис. 1).

Верхний обод

Внутренняя полость - 10 А3

Нижний обод

Рис.1. Структура каликс[4]арена.

Названия таких соединений по номенклатуре ЮПАК весьма громоздки. Поэтому было предложено тривиальное название, которое включает в себя слово каликс для обозначения типа структуры, квадратную скобку, внутри которой указывается цифра, соответствующая количеству ареновых звеньев, и слово арен. Например, соединение на рис.1 называется каликс[4]арен. Впереди или в середине названия можно добавить названия заместителей, присутствующих дополнительно в молекуле.

Методы синтеза каликсаренов. Основной реакцией образования каликсаренов является конденсация резорцинов с альдегидами в присутствии кислот (рис.2). Механизм реакции заключается в электрофильном замещении резорцинов карбокатионом, который образуется из альдегидов в присутствии кислоты. Получающийся циклический продукт имеет низкую растворимость, выпадает из реакционной смеси и таким образом, выводится из реакции, смещая равновесие в сторону образования продукта. Хорошие результаты были получены для уксусного альдегида или бензальдегида (выход около 20 %). Конечно, в смеси содержатся как линейные, так и циклические изомеры различного состава. Как правило, циклические изомеры с большим числом аренов образуются с меньшими выходами. Точный механизм реакции не установлен. Не понятно, какова движущая сила образования циклического изомера. Есть предположение, что в циклическом изомере образуются водородные связи, которые стабилизируют молекулу каликсарена и делают её образование выгодным (рис. 2).

Рис. 2. Схема получения производного каликс[4]арена

В принципе формальдегид обладает повышенной активностью, способен атаковать все свободные места ароматического ядра, поэтому в результате образуются олигомеры различного размера и структуры: линейные или циклические. Провести конденсацию успешно возможно лишь в том случае, если все места возможной атаки заняты другими заместителями.

Очевидны два похода к получению функционально замещённых каликсаренов. Возможно провести реакцию получения каликсаренов из исходных соединений, содержащих необходимые функциональные группы. Однако можно и провести функционализацию каликсарена. Поскольку в каликсарене существуют гидроксильные группы, то возможно проводить модификацию с целью получения различных производных. Например, простые эфиры получают обработкой алкилгалогенидами в присутствии гидрида натрия, щелочей, а сложные эфиры – обработкой хлорангидридами кислот (ацетаты, бензоаты, тозилаты) (рис.3).

Рис. 3. Схема модификации каликс[4]арена

Трудность проведения подобных реакций заключается в неполной этерификакции, осложняющей выделение чистых продуктов.

Методы исследования каликсаренов. Температура плавления производных каликсаренов высока (250 - 450 ^оС). Второй особенностью каликсаренов является низкая растворимость в органических растворителях. Это усложняет очистку и анализ соединений. Наиболее подходящим растворителем является хлороформ. Растворимость соединения значительно изменяется при введении заместителей, при этом алкилзамещённые производные обладают более высокой растворимостью в органических растворителях по сравнению с арилзамещёнными.

В ИК-спектрах каликсаренов есть валентные колебания ОН-групп в области 3200 см^-1. В УФ-спектрах имеется полоса поглощения при 280-288 нм, при увеличении количества ароматических ядер происходит увеличение интенсивности этой полосы. ЯМР-спектроскопия является весьма информативным методом. Показано, что этим методом можно доказать цикличность структуры. Спектры линейных аналогов являются сложными по структуре. Спектры каликсаренов имеют небольшой набор сигналов вследствие высокой симметричности данных соединений. В масс-спектре каликсаренов также обнаружены доказательства циклической структуры: линейный изомер распадается на отдельные фенольные фрагменты, при распаде каликсарена прежде всего происходит отщепление заместителей.

Форма циклического каликсарена напоминает вазу, когда все ареновые фрагменты расположены в одном направлении. Однако при определённых обстоятельствах возможно нарушение симметричности структуры, например, когда объёмные заместители не могут располагаться вблизи друг друга. Существование формы вазы объясняется наличием сильных водородных связей между гидроксильными группами нижнего обода каликсарена.

Процесс комплексообразования с катионами металлов протекает с замещением протона гидроксильной группы нижнего обода на катион металла. Структура комплекса каликсарен-металл в значительной степени определяется структурой каликсарена, природой катиона металла и составом соли, участвующей в комплексообразовании. Так, показано, что при взаимодействии каликс[6]арена с натрием образуется стабильный комплекс конической структуры при участии двух катионов натрия. Большой катион цезия способен один координировать гидроксильные группы нижнего обода каликс[6]арена, стабилизируя форму конуса (рис. 4).

Рис. 4. Структура комплексов каликс[6]арена с катионами Na⁺, Cs⁺

Структура и состав комплекса каликс[6]арена с солями трехвалентного ниобия NiCl₃ и NiOCl₃ значительно различаются (рис. 5). В случае хлорида ниобия в комплексе катионы ниобия связывают соответственно по три гидроксильные группы каликс[6]арена, в присутствии соли NiOCl₃ происходит образование комплекса димерной структуры.

Рис. 5. Структура комплексов каликс[6]арена с катионами Nb⁺³

Для связывания солей палладия в состав каликсарена вводят фосфатные группы, а для координации солей меди – азагетероциклические фрагменты (рис. 6).

Рис. 6. Структура комплексов каликс[6]арена с катионами Pd⁺² и Cu⁺²

На рис. 7 показана структура каликсарена, в котором при совместном участии амидной и сульфогруппы может происходить прочная координация катионов ртути. Каликсарен был закреплён на поверхности силикагеля для получения сенсорного материала. Сенсор способен детектировать катионы ртути в растворе с концентрацией 10^-7моль/л. Комплексообразование детектируется по спектрам флуоресценции. Исследование комплексообразования широкого круга катионов металла (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cu⁺, Zn²⁺, Pb²⁺) показало, что данный каликсарен является высокоселективным по отношению к катионам ртути.

Рис. 7. Селективный сенсор на катионы ртути на основе каликсарена

Каликсарены способны образовывать прочные ассоциаты с солями аммония. В ассоциатах протон одной из гидроксильных групп нижнего обода замещён на аммонийный остаток, дополнительная координация аммонийной группы обеспечивается за счёт образования водородных связей алкильных фрагментов в составе аммонийной соли с гидроксильными группами нижнего обода каликсарена. На рис. 8 приведены структуры ассоциатов каликсрена с катионами аммония.

I zUvOT8nMS7dVCg1x07VQUiguScxLSczJz0u1VapMLVayt+PlAgAAAP//AwBQSwMEFAAGAAgAAAAh AGeLRLPGAAAA3AAAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxEj09rwkAUxO8Fv8PyhN7qbsS0El2lSNXW S/EfeHxkn0kw+zZktxr76buFQo/DzPyGmc47W4srtb5yrCEZKBDEuTMVFxoO++XTGIQPyAZrx6Th Th7ms97DFDPjbryl6y4UIkLYZ6ihDKHJpPR5SRb9wDXE0Tu71mKIsi2kafEW4baWQ6WepcWK40KJ DS1Kyi+7L6shTT5PbpG+vfj16rT5VmnyUa2OWj/2u9cJiEBd+A//td+NhpEawu+ZeATk7AcAAP// AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEABKs5XgABAADmAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRf VHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQAIwxik1AAAAJMBAAALAAAAAAAAAAAAAAAAADEBAABf cmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQAzLwWeQQAAADkAAAASAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABk cnMvcGljdHVyZXhtbC54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAZ4tEs8YAAADcAAAADwAAAAAAAAAAAAAA AACfAgAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA9wAAAJIDAAAAAA== ">

-

Рис. 8. Структура комплексов каликс[6]арена с катионами аммония

Подходящая по размеру внутренней полости каликсарена органическая молекула способна располагаться внутри его полости. На рис. 9 представлен комплекс каликсарена, содержащего сульфогруппы на верхнем ободе, с диаминонафталином, полученный в воде. Комплекс образуется за счёт гидрофобного взаимодействия между арильными фрагментам каликсарена и молекулой нафталина, а также ионной связи аммонийной группы нафталина с сульфогруппами каликсарена. Образование комплекса регистрировалось по изменению положения полосы поглощения производного нафталина.

Рис. 9. Комплекс замещенного нафталина с каликсареном и изменение положения полосы поглощения нафталина в присутствии каликсарена

Данный пример демонстрирует способность каликсарена к капсулированию органических молекул. Подобное комплексообразование может быть использовано для растворения в воде малорастворимых органических молекул.

Было обнаружено, что в присутствии каликсаренов происходит эффективная экстракция фуллеренов из толуола в воду. Прочное связывание молекул фуллерена и каликсарена основывается на их гидрофобном взаимодействии. Поскольку молекулы фуллеренов имеют большие размеры, то в образовании комплексов, как правило, участвуют две молекулы каликсарена. На рис. 10 показаны примеры таких комплексов. В случае каликсаренов, имеющих в качестве заместителей амидные группы, имеется возможность димеризации каликсаренов при координации амидных групп друг с другом за счёт водородных связей, что значительно стабилизируют комплекс каликсарена с фуллереном.

Рис.10. Комплексы каликсарена с фуллереном

Каликсарены способны связывать карбоновые кислоты и аминокислоты с образованием водородных связей между этими соединениями и функциональными группами в составе каликсарена. На рис. 11 показаны комплексы двух различных замещённых каликсаренов с щавелевой кислотой. Согласно проведенным исследованиям по экстракции дикарбоновых кислот из водной фазы в органическую, каликсарены, представленные на рис. 11, демонстрируют высокую селективность по отношению к щавелевой кислоте. Изменением типа заместителей и их расположения в молекуле каликсарена можно получать селективные экстрагенты для определённых дикарбоновых кислот, что открывает возможности использования замещённых каликсаренов для селективного извлечения дикарбоновых кислот из реакционной смеси.

Рис. 11. Комплексы каликс[4]аренов с щавелевой кислотой

Каликсарены также известны благодаря возможности создания на их основе высокоселективных экстрагентов для аминокислот. Селективность достигается при точной подстройке структуры модифицированного каликсарена к связываемой аминокислоте. На рис.12 приведен комплекс аминокислоты с каликсареном.

Рис.12. Структура комплекса каликс[4]арена с аминокислотам

В верхнем ободе соединения присутствуют фрагменты эфиров аминокислот. Такие заместители способны прочно координинровать аминокислоты и их производные при образовании с ними водородных связей.

Обычно каликсарены не могут абсорбировать газообразные соединения. Однако исследователи из Университета Миссури (Колумбия) продемонстрировали, что после лёгкой подстройки структуры каликсарен получает способность быстро и обратимо абсорбировать ацетилен и углекислый газ. Разработка американских учёных открывает возможность использования каликсаренов и сходных материалов для разделения или хранения газообразных веществ. Исследованное учёными из Миссури твёрдое вещество представляет собой конформационно неоднородную смесь пара-третбутилкаликс[5]аренов – чашеобразных молекул, способных удерживать в полости молекулы «гостей», например, молекул толуола (рис. 13).

Толуол

Рис. 13. Димер пара-третбутилкаликс[5]арена с включенной в полость молекулой толуола (J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15060)

Удаление молекул-гостей из полости каликсаренов-хозяев приводит к тому, что твёрдые вещества меняют кристаллическую структуру материала, частично сохраняя пустые полости, которые возможно заполнять газом.

Каликсарен с частично удалённым из полостей толуолом легко поглощает ацетилен и с несколько меньшей эффективностью может сорбировать метан или углекислый газ, но не поглощает кислород или азот. Селективность в поглощении газов может быть использована для разделения газовых смесей.

Практическое прменение каликсаренов. Важным применением каликсаренов является создание на их основе экстрагирующих реагентов для катионов металлов. Поскольку каликсарены содержат ароматические фрагменты, которые придают лигандам гидрофобные свойства, то катионы легко капсулируются ими и переносятся в органическую фазу.

В биохимических исследованиях каликсарены используют в качестве искусственных каталитических систем, с их помощью возможно моделирование сложных ферментативных процессов. Так, тетраметокси(тиа)каликсарен может выступать в качестве аналога белка аквопорина для моделирования процессов транспорта воды через клеточную мембрану.