Arbeitsgruppe Kubik

Lehre - Supramolekulare Chemie - Wirt-Gast-Systeme - Cucurbiturile

Bereits 1905 berichtete Behrend und Mitarbeiter von der Universität Hannover über die Produkte der Kondensation von Glycoluril und Formaldehyd (Behrends Polymer). Man erhielt nach Umkristallisation aus konzentrierter Salzsäure eine kristalline Substanz, deren Struktur erst 1981 von Mock und Mitarbeitern aufgeklärt wurde. Es handelt sich um einen Makrocyclus mit sechs verbrückten Glycolurileinheiten. Aufgrund der Ähnlichkeit der molekularen Struktur dieser Verbindung mit einem Kürbis (zur Cucurbitaceae-Familie gehörig), gab man dieser Verbindung den Namen Cucurbituril. Inzwischen sind Homologe bekannt. Zur Klassifizierung gibt man darum die Ringgröße von Cucurbiturilen ihm Namen, in Anlehnung an die bei Calixarenen gebräuchliche Nomenklatur, in eckigen Klammern an (Cucurbit[n]uril).

Cucurbituril

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[Quelle: Behrend, R.; Meyer, E.; Rusche, F. Liebigs Ann. Chem. 1905, 339, 1-37: <doi>.]

Die Familie der Cucurbiturile umfasst heutzutage die Ringgrößen zwischen 5 und 10, wobei sich die molekularen Dimensionen der einzelnen Vertreter charakteristisch unterscheiden.

Dimensionen

Bei der von Behrend und Mock verwendeten Synthese wurde ausschließlich die Bildung von Cucurbit[6]uril beobachtet. Erst später wurden Reaktionsbedingungen entwickelt, die auch die Bildung von Cucurbiturilen mit anderen Ringgrößen erlauben. Alle Synthesemethoden basieren auf der Kondensation von Glycoluril mit Formaldehyd unter sauren Bedingungen.

Synthese

Durch Einsatz von substituierten Glycolurilderivaten können Cucurbiturile mit unterschiedlichen Substituenten in der Peripherie erhalten werden. Die Darstellung dieser Verbindungen erfordert oft eine sorgfältige Anpassung der Reaktionsbedingungen bzw. sogar andere synthetische Strategien.

Substituierte

Cucurbiturile mit R = Me können oxidativ mit K2S2O8 (Kaliumperoxodisulfat) in die entsprechenden perhydroxylierten Verbindungen (R = OH) überführt wird, was einen Zugang zu weiteren Derivaten eröffnet.

Ein Nachteil von Cucurbiturilen mit R = H ist ihre relativ geringe Löslichkeit in Wasser oder organischen Lösungsmitteln: CB[6] und CB[8] sind praktisch unlöslich in Wasser, während CB[5] und CB[7] mäßig löslich sind. Cucurbiturile sind im Allgemeinen schlechter wasserlöslich als Cyclodextrine. In Salzlösungen steigt die Löslichkeit aufgrund der Bildung von Komplexen mit den Metallionen, welche an die C=O Gruppen der Cucurbiturile koordinieren, an.

Interessanterweise sind die Cyclohexylderivate (R = (CH2)4) von Cucurbit[6]uril und Cucurbit[5]uril wesentlich besser löslich in Wasser (200 mM) und organischen Lösungsmitteln (bis zu 20 mM in MeOH, DMSO, DMF oder CH3CN) als die entsprechenden Derivate mit R = H.

Die kleineren Cucurbiturile sind sehr starr und damit sehr gut für die Gastbindung vororganisiert. Dies erklärt z.T. die extrem hohen Stabilitätskonstanten, die für einige Cucurbiturilkomplexe beobachtet wurden. Bei größeren Cucurbiturilen kann der Ring leicht deformiert werden und beispielsweise eine eher elliptische Form annehmen.

Das elektrostatische Potential von Cucurbiturilen ist an den Eingangsöffnungen und im Innenraum der Kavität wesentlich negativer als beispielsweise bei Cyclodextrinen. Dies erklärt, warum Cucurbiturile bevorzugt kationische Gäste binden, während Cyclodextrine bevorzugt mit neutralen oder anionischen Gästen wechselwirken.

EPS

Cucurbiturile wechselwirken mit Metallkationen und insbesondere mit Kationen organischer Verbindungen, insbesondere Ammoniumionen. Dabei wird die Wechselwirkung mit Ammoniumionen auch zum Aufbau komplexerer Strukturen (Rotaxane, selbst-assoziierte Systeme) ausgenutzt.

Wechselwirkungsarten

Bindung von Metallionen

log Ka Werte der Bindung von Metallionen an Cucurbit[6]uril in HCO2H/ H2O 1:1 und an 18-Krone-6 in Wasser bei 25 °C

Li+Na+K+Rb+Ca2+Sr2+Ba2+
CB[6]2,383,232,792,682,803,182,83
[18]Krone-6-0,802,031,56< 0,52,723,87

Die geringe Selektivität und das Fehlen eines eindeutigen Trends in den log Ka Werten wurde auf die mangelnde Kompatibilität der Kationenradien mit dem Innenradius des starren Cucurbit[6]uril Moleküls zurückgeführt.

In Kristallstrukuren wurde die Koordination von Metallionen (z.B. Na+) an die Carbonylgruppen der Cucurbiturile beobachtet. In hochkonzentrierten Salzlösungen nimmt man solche Komplexe auch in Lösung an. Sie erklären die verbesserte Löslichkeit von Cucurbiturilen unter diesen Bedingungen.

Bindung von Ammoniumionen

Bindung von Aminen und Diaminen an Cucurbit[6]uril in HCO2H/H2O 1:1

Bindung

Man beobachtet eine klare Kettenlängenabhängigkeit der Komplexstabilität. Bei den Monoaminen (rote Punkte) sind jene Komplexe am stabilsten, bei denen das Gastmolekül vollständig in das Cucurbituril eingeschlossen ist. Bei den Diaminen (blaue Punkte) ist eine Kettenlänge am günstigsten, die es beiden Ammoniumgruppen erlaubt, mit den Carbonylgruppen an den Hohlraumöffnungen des Cucurbit[6]urils zu wechselwirken. Zu beachten sind außerdem die extrem hohen Stabilitäten mancher Diaminkomplexe, die log Ka Werte von fast 7 erreichen.

[Quelle: Mock, W. L.; Shih, N. Y. J. Org. Chem. 1986, 51, 4440-4446: <doi>.]

Ultrahohe Affinitäten

Extrem hohe Stabilitäten wurden für einige Komplexe des Cucurbit[7|urils mit kationischen Gästen beobachtet.

Ultrahohe

Bindung von Ferrocenderivaten an Cucurbit[7]uril in Wasser (Gegenionen: Iodid)

R1R2Ka / M-1ΔH0 / kJ mol-1TΔS0 / kJ mol-1
–CH2OH–H3,2 × 109-90-36
–CH2N+(CH3)3–H4,1 × 1012-89-17
–CH2N+(CH3)3–CH2N+(CH3)33.0 × 1015-92-4

Die Stabilität dieser Komplexe erreicht oder überschreitet sogar diejenige des Biotin-Streptavidin Komplexes (1013,4 M-1). Für das oben dargestellte maßgeschneidertes Diammoniumion wurde sogar kürzlich eine Bindungskonstante Ka von 7,2 × 1017 M-1 in D2O bestimmt.

Als Ursache für die hohe Stabilität wird die Starrheit des Cucurbit[7]urilrings (und der Gäste) gesehen. Bei der Gastbindung werden wenige Freiheitsgrade eingeschränkt, sodass die Bildung des Komplexes entropisch nicht stark benachteiligt ist (und diesbezüglich von der Desolvatation des Wirtes und des Gastes profitiert). Die Komplexstabilität wird wesentlich von der sehr günstigen Komplexbindungsenthalpie geprägt, die interessanterweise von der Struktur der Gäste recht unabhängig ist.

[Quellen: Rekharsky, M. V.; Mori, T.; Yang, C.; Ko, Y. H.; Selvapalam, N.: Kim, H.; Sobransingh, D.; Kaifer, A. E.; Liu, S.; Isaacs, L.; Chen, W.; Moghaddam, S.; Gilson, M. K.; Kim, K.; Inoue, Y. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 20737-20742: <doi>. Moghaddam, S.; Inoue, Y.; Gilson, M. K. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4012-4021: <doi>. Cao, L.; Šekutor, M.; Zavalij, P. Y.; Mlinaric-Majerski, K.; Glaser, R.; Isaacs, L. Angew. Chem. 2014, 126, 1006-1011: <doi>.]

High-Energy Wasser

Während die günstige Komplexbildungsenthalipe von einigen Autoren auf die Stärke der Wechselwirkungen zwischen dem Cucurbituril und dem Gast zurückgeführt wird, zeigen aktuellere Untersuchungen, dass die Freisetzung energiereichen Wassers hierfür wahrscheinlich eher verantwortlich ist.

Moleküldynamiksimulationen zeigen, dass Wassercluster in einem hydrophoben Hohlraum nicht die optimale Anzahl intermolekularer Wasserstoffbrücken ausbilden können.

Simulation von Kavitätswasser in Cucurbiturilen

SystemNmZ
flüssiges Wasser 3,62
CB63,31,716,3
CB77,92,528,7
CB813,13,067,3

N = Durchschnittliche Zahl der Kavitätswassermoleküle

m = Durchschnittliche Zahl der Wasserstoffbrücken pro gebundenem Kavitätmolekül

Z = N (3,62 - m)

Damit ist Z ein relatives Maß für den enthalpischen Gewinn der Freisetzung von gebundenen Wassermoleküle. Er berücksichtigt die Anzahl der gebundenen Wassermoleküle und das Wasserstoffbrückendefizit jedes einzelnen Wassermoleküls bezogen auf die Situation in flüssigem Wasser (3,62 - m).

Die Betrachtung zeigt ein Maximum von Z für Cucurbit[7]uril und vergleichsweise große Werte für alle Cucurbiturile. Bei anderen Wirten liegt Z typischerweise zwischen 1,2 und 3,6 (z.B. Calix[4]aren = 1,4). Damit profitiert die Komplexbildung bei Cucurbituril in besonderem Maße von der Freisetzung des high-energy Wassers.

[Quelle: Biedermann, F.; Nau, W. M.; Schneider, H.-J. Angew. Chem. 2014, 126, 11338-11352: <doi>.]

In einem Makrocyclus, der sechs Glycourileinheiten über jeweils nur eine Methylenbrücke verbrückt enthält, weisen die Methinprotonen der Glycolurileinheiten nach innen. Das elektrostatische Potential dieses Makrocyclus ist innen positiv, weswegen diese Verbindung Anionen bindet. Aufgrund ihrer molekularen Struktur wird sie als Bambusuril bezeichnet.

Bambusuril

Aufgrund der Größe des Hohlraums bindet Bambusuril am stärksten an Iodidanionen. Die Stabilitätskonstante des Iodidkomplexes in D2O/CD3CN (1:1) beträgt 8.9 × 105 M-1.

3D

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[Quelle: Svec, J.; Necas, M.; Sindelar, V. Angew. Chem. 2010, 122, 2428-2431: <doi>. Svec, J.; Dusek, M.; Fejfarova, K.; Stacko, P.; Klán, P.; Kaifer, A. E.; Li, W.; Hudeckova, E.; Sindelar, V. Chem. Eur. J. 2011, 17, 5605-5612: <doi>.]

Literatur

  • Lagona, J.; Mukhopadhyay, P.; Chakrabarti, S.; lsaacs L. "Die Cucurbit[n]uril-Familie" Angew. Chem. 2005, 117, 4922-4949: <doi>.
  • Kim, K.; Selvapalam, N.; Ko, Y. H.; Park, K. M.; Kim, D.; Kim, J. "Functionalized Cucurbiturils and Their Applications" Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 267-279: <doi>.
  • Masson, E.; Ling, X.; Joseph, R.; Kyeremeh-Mensah, L.; Lu, X. "Cucurbituril Chemistry: A Tale of Supramolecular Success" RSC Advances 2012, 2, 1213-1247: <doi>.

Letzte Änderung: 19-05-05. Email

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