Cucurbituril - Cucurbituril
Cucurbiturils son moléculas macrocíclicas hechas de glicolurilo (= C 4 H 2 N 4 O 2 =) monómeros unidos por puentes de metileno (-CH 2 -). Los átomos de oxígeno están ubicados a lo largo de los bordes de la banda y están inclinados hacia adentro, formando una cavidad parcialmente cerrada. El nombre se deriva del parecido de esta molécula con una calabaza de la familia de las Cucurbitáceas .
Las cucurbituriles se escriben comúnmente como cucurbituril [ n ] uril , donde n es el número de unidades de glicoluril. Dos abreviaturas comunes son CB [ n ] , o simplemente CB n .
Estos compuestos son particularmente interesantes para los químicos porque son huéspedes adecuados para una variedad de especies neutras y catiónicas. Se cree que el modo de unión ocurre a través de interacciones hidrofóbicas y, en el caso de huéspedes catiónicos, también a través de interacciones catión-dipolo. Las dimensiones de las cucurbiturilos están generalmente en la escala de tamaño de ~ 10 Å. Por ejemplo, la cavidad de las cucurbitáceas [6] uril tiene una altura de ~ 9,1 Å, un diámetro exterior de ~ 5,8 Å y un diámetro interior de ~ 3,9 Å.
Los cucurbiturilos fueron sintetizados por primera vez en 1905 por Robert Behrend , condensando glicolurilo con formaldehído , pero su estructura no se dilucidó hasta 1981. El campo se expandió a medida que los CB5, CB7 y CB8 fueron descubiertos y aislados por Kim Kimoon en el año 2000. Hasta la fecha los cucurbiturilos compuestos por 5, 6, 7, 8, 10 y 14 unidades repetidas se han aislado, que tienen volúmenes de cavidad interna de 82, 164, 279, 479 y 870 Å 3 respectivamente. Aún no se ha aislado un cucurbituril compuesto por 9 unidades repetidas (a partir de 2009). Otras cápsulas moleculares comunes que comparten una forma molecular similar con las cucurbiturilos incluyen ciclodextrinas , calixarenos y pillararenos .
Síntesis
Las cucurbiturilos son amidales (menos precisamente aminas ) y se sintetizan a partir de urea 1 y un dialdehído (p. Ej., Glioxal 2 ) mediante una adición nucleófila para dar el intermedio glicolurilo 3 . Este intermedio se condensa con formaldehído para dar cucurbitáceas hexámero [6] uril por encima de 110 ° C. Normalmente, los monómeros multifuncionales como el 3 sufrirían una polimerización de crecimiento escalonado que daría una distribución de productos, pero debido a la tensión favorable y la abundancia de enlaces de hidrógeno , el hexámero es el único producto de reacción aislado después de la precipitación.
La disminución de la temperatura de reacción entre 75 y 90 ° C se puede utilizar para acceder a otros tamaños de cucurbiturilos, incluidos CB [5], CB [7], CB [8] y CB [10]. CB [6] sigue siendo el producto principal; los otros tamaños de anillos se forman con rendimientos más pequeños. El aislamiento de tamaños distintos de CB [6] requiere cristalización fraccionada y disolución. CB [5], CB [6], CB [7] y CB [8] están actualmente disponibles comercialmente. Los tamaños más grandes son un área de investigación particularmente activa, ya que pueden unir moléculas invitadas más grandes e interesantes, ampliando así sus aplicaciones potenciales.
Las cucurbitáceas [10] uril son particularmente difíciles de aislar. Fue descubierto por primera vez por Day y colaboradores en 2002 como un complejo de inclusión que contiene CB [5] mediante cristalización fraccionada de la mezcla de reacción de cucurbituril. El CB [10] • CB [5] se identificó sin ambigüedades mediante un análisis estructural de rayos X de cristal único que reveló que el complejo se parecía a un giroscopio molecular . En este caso, la rotación libre del CB [5] dentro de la cavidad CB [10] imita la rotación independiente de un volante dentro del marco de un giroscopio.
El aislamiento de CB puro [10] no se pudo lograr mediante métodos de separación directa ya que el compuesto tiene una afinidad tan alta por CB [5]. La fuerte afinidad de unión por el CB [5] puede entenderse ya que tiene un tamaño y una forma complementarios a la cavidad del CB [10]. Isaacs y colaboradores aislaron CB puro [10] en 2005 mediante la introducción de un huésped de diamina de melamina de unión más fuerte que es capaz de desplazar al CB [5]. A continuación, el huésped de melamina diamina se separó del CB [10] mediante reacción con anhídrido acético que convirtió los grupos amina cargados positivamente en amidas cargadas neutramente. Los cucurbiturilos se unen fuertemente a los huéspedes catiónicos, pero al eliminar la carga positiva del huésped de melamina diamina se reduce la constante de asociación hasta el punto de que se puede eliminar lavando con metanol , DMSO y agua. El CB [10] tiene una cavidad inusualmente grande (870 Å 3 ) que es libre y capaz de atrapar invitados extraordinariamente grandes, incluido un calix [4] areno catiónico .
Aplicaciones
Los químicos han utilizado cucurbiturilos para diversas aplicaciones, incluida la administración de fármacos, la síntesis asimétrica, la conmutación molecular y la sintonización de tintes.
Moléculas huésped supramoleculares
Los cucurbiturilos son moléculas hospedadoras eficientes en el reconocimiento molecular y tienen una afinidad particularmente alta por compuestos catiónicos o cargados positivamente. Las altas constantes de asociación con moléculas cargadas positivamente se atribuyen a los grupos carbonilo que recubren cada extremo de la cavidad y pueden interactuar con los cationes de manera similar a los éteres corona. La afinidad de los cucurbiturilos puede ser muy alta. Por ejemplo, la constante de equilibrio de afinidad de cururbit [7] uril con el clorhidrato de 1-aminoadamantano cargado positivamente se determina experimentalmente en 4,23 * 10 12 .
Las interacciones entre el huésped y el huésped también influyen significativamente en el comportamiento de solubilidad de los cucurbiturilos. La cucurbita [6] uril se disuelve mal en casi cualquier solvente, pero la solubilidad mejora mucho en una solución de hidróxido de potasio o en una solución ácida . El cavitando forma un compuesto de inclusión cargado positivamente con un ión potasio o un ión hidronio, respectivamente, que tienen una solubilidad mucho mayor que la molécula neutra no acomplejada.
CB [10] es lo suficientemente grande para contener otros huéspedes moleculares, como una molécula de calixareno . Con un huésped de calixareno, diferentes conformaciones químicas (cono, 1,2-alterno, 1,3-alterno) están en rápido equilibrio. El control alostérico se proporciona cuando una molécula de adamantano fuerza una conformación de cono con un complejo de inclusión calixareno-adamantano dentro de una molécula CB [10].
Macrociclos de rotaxano
Dadas sus altas afinidades para formar complejos de inclusión, se han empleado cucurbiturilos como componente de macrociclos de un rotaxano . Después de la formación del ensamblaje supramolecular o del complejo roscado con una molécula huésped como hexametilendiamina, los dos extremos del huésped pueden reaccionar con grupos voluminosos que luego actuarán como tapones evitando que las dos moléculas separadas se disocien.
En otro sistema de rotaxano con una rueda CB [7], el eje es una subunidad 4,4'-bipiridinio o viológeno con dos sustituyentes N alifáticos terminados en ácido carboxílico en ambos extremos. En agua a una concentración superior a 0,5 mM, la complejación es cuantitativa sin necesidad de tapones. A pH = 2, los grupos terminales carboxílicos se protonan y la rueda va y viene entre ellos, como lo demuestra la presencia de solo dos protones aromáticos de viológeno en el espectro de RMN de protones . A pH = 9, la rueda se bloquea alrededor del centro viológeno. Más recientemente, se sintetizó rotaxano con una rueda CB [8]. Este rotaxano puede unirse a moléculas huésped neutras.
Vehículos de administración de fármacos
Se han explorado las propiedades huésped-huésped de Cucurbituril para vehículos de suministro de fármacos. El potencial de esta aplicación se ha explorado con cucurbitáceas [7] uril que forma un compuesto de inclusión con el importante fármaco oxaliplatino para combatir el cáncer . Se empleó CB [7] a pesar de que es más difícil de aislar ya que tiene una solubilidad mucho mayor en agua y su tamaño de cavidad más grande puede acomodar la molécula del fármaco. Se encontró que el complejo resultante tiene una mayor estabilidad y una mayor selectividad que puede conducir a menos efectos secundarios.
Catalizadores supramoleculares
Los cucurbiturilos también se han explorado como catalizadores supramoleculares . Las cucurbiturillas más grandes, como las cucurbituritas [8] uril, pueden unirse a múltiples moléculas huésped. CB [8] forma un complejo 2: 1 (huésped: huésped) con diclorhidrato de (E) -diaminostilbeno que se aloja en el diámetro interno más grande de CB [8] de 8.8 angstrom y altura 9.1 angstrom . La proximidad y la orientación óptima de las moléculas huésped dentro de la cavidad mejora la velocidad de la ciclación fotoquímica para dar un dímero de ciclobutano con una estereoselectividad de 19: 1 para la configuración syn cuando se une a CB [8]. En ausencia de CB [8] la reacción de ciclación no se produce, pero sólo la isomerización del isómero trans de los cis isómero se observa.
Afinación de tinte
Los investigadores han explorado en los últimos años las capacidades de ajuste de tinte de los cucurbiturilos. En general, se ha encontrado que el entorno confinado de baja polaridad proporcionado por las cucurbiturillas conduce a un brillo mejorado, una mayor fotoestabilidad, una mayor duración de la fluorescencia y un solvatocromismo consistente con el desplazamiento a un entorno de menor polaridad.
Compuestos relacionados
Los cucurbiturilos invertidos o i CB [x] son análogos de CB con una unidad repetitiva de glicolurilo invertida. En esta unidad, los protones de metino en realidad apuntan hacia la cavidad y esto hace que la cavidad sea menos espaciosa. Los cucurbiturilos invertidos se forman como un subproducto en las reacciones de formación de CB, con rendimientos entre el 2 y el 0,4%. El aislamiento de este tipo de compuesto CB es posible porque es más difícil formar compuestos de inclusión que normalmente se forman con CB normales. Se cree que los cucurbiturilos invertidos son los productos de reacción controlados cinéticamente porque el calentamiento de i CB [6] en medio ácido da como resultado una mezcla de CB [5], CB [6] y CB [7] en una proporción de 24: 13: 1. .
Un cucurbituril cortado por la mitad a lo largo del ecuador se llama hemicucurbituril .
Nombre sistemático
El nombre sistemático de Cucurbit [6] uril es 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 ''] ciclooctia [1 '', 2 '', 3 '': 3 ', 4'] pentaleno (1 ', 6': 5, 6, 7) -cicloocta (1, 2, 3-gh: 1 ', 2', 3'-g'h ') cicloocta (1, 2 , 3-cd: 5, 6, 7-c'd ') dipentaleno-1, 4,6, 8, 10, 12, 14, 17, 19, 21, 23, 25-dodecona.