Arbeitsgruppe Kubik

Lehre - Supramolekulare Chemie - Wirt-Gast-Systeme - Resorcinarene

Unter Resorcin[4]arenen versteht man die cyclischen Tetramere, die sich bei Reaktion von Resorcin (oder Pyrogallol) mit Aldehyden ergeben. Auch Resorcin[4]arene haben einen schalenförmigen Hohlraum. Dieser ist allerdings flacher mit einem größeren Durchmesser als der von Calixarenen.

Resorcinaren

3D

Resorcin[4]arene entstehen bei Kondensation von Aldehyden mit Recorcin. Im Gegensatz zur Synthese von Calixarenen wird die Reaktion aber unter sauren Bedingungen durchgeführt (HCl). Darüber hinaus werden mit Formaldehyd nur Polymere und keine cyclischen Produkte gebildet. Mit vielen anderen Aldehyden verläuft die Resorcin[4]arensynthese aber mit guten Ausbeuten.

Synthese

Die Methingruppen im Produkt, die die ursprünglichen Substituenten des verwendeten Aldehyds tragen, sind stereogene Zentren. Aus diesem Grund existieren für ein Resorcin[4]aren mit vier identischen Resten R insgesamt vier verschiedene Diastereomere. Für den Einsatz als Rezeptoren ist das C4-symmetrische rccc-Stereoisomer am besten geeignet und man hat Bedingungen gefunden, unter denen dieses Isomer bevorzugt gebildet wird.

Synthetisch leicht zugänglich ist nur das cyclische Tetramer, Resorcin[4]aren. Der Grund für die bevorzugte Bildung dieser Verbindung dürfte dessen Stabilisierung durch intramolekulare Wasserstoffbrücken zwischen den OH-Gruppen benachbarter aromatischer Untereinheiten sein.

Resorcin[4]aren ist konformativ ähnlich flexibel wie Calix[4]aren. Für die supramolekulare Chemie ist aber nur die C4v-symmetrische cone-Konformation von Bedeutung.

Konformation

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Resorcinarene binden in unpolaren, aprotischen Lösungsmitteln Diole, Dicarbonsäuren und Kohlenhydrate. Die wesentlichen Wechselwirkungen erfolgen über Wasserstoffbrücken, an denen jeweils zwei benachbarte OH-Gruppen des Wirtes und eine OH-Gruppe des Gastes beteiligt sind. Zudem sind C–H···π und Kation···π Wechselwirkungen möglich.

EPS

Durch ein Resorcin[4]aren lassen sich Monosaccharide, beispielsweise Methyl-β-D-glucopyranosid, in CCl4 solubilisieren, wobei man eine gewisse Selektivität in Abhängigkeit der Monosaccharidstruktur beobachtet.

Ursprünglich nahm man an, dass die Wechselwirkung zwischen Resorcin[4]aren und Methyl-β-D-glucopyranosid auf der Bildung eines 2:1 (Wirt:Gast) Komplexes beruht, in dem das Zuckermolekül zwischen zwei Resorcin[4]areneinheiten sandwichartig eingelagert ist.

Erst viel später stellte sich heraus, dass tatsächlich hochmolekulare Komplexe aus 6 Resorcin[4]aren und 3 Zuckermolekülen gebildet werden, die eine ähnliche Struktur besitzen, wie die im weiteren Verlauf des Kapitels vorgestellten Hexamere aus Resorcin[4]arenmolekülen. Für Glutarsäure wurde ein Aggregat aus 6 Resorcin[4]aren und 6 Glutarsäuremolekülen gefunden.

[Quellen: Tanaka, Y.; Ubukata, Y.; Aoyama, Y. Chem. Lett. 1989, 1905-1908: <doi>; Evan-Salem, T.; Baruch, I.; Avram, L.; Cohen, Y.; Palmer, L. C.; Rebek Jr., J. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 12296-12300: <doi>.]

Resorcinarene kristallisieren aus geeigneten Lösungsmitteln und in Gegenwart geeigneter Gastmoleküle in Form von dimeren oder hexameren Aggregaten. In der unten abgebildeten Struktur werden die beiden Resorcinareneinheiten des Dimers durch acht cyclisch angeordnete Isopropanolmoleküle zusammengehalten. Der Hohlraum enthält fehlgeordnete Lösungsmittelmoleküle.

Dimere

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[Quelle: Rose, K. N.; Barbour, L. J.; Orr, G. W.; Atwood, J. L. Chem. Commun. 1998, 407-408: <doi>.]

Dimere Aggregate, in denen der Hohlraum gefüllt ist, wurden ebenfalls gefunden. Ein Beispiel ist ein Dimer, in dem sich ein Tetramethylammoniumkation im Hohlraum befindet. Die beiden Resorcinareneinheiten werden durch Methanol, Wasser und Bromidionen zusammengehalten.

Dimere

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[Quelle: Mansikkamäki, H.; Nissinen, M.; Schalley, C. A.; Rissanen, K. New. J. Chem. 2003, 27, 88-97: <doi>.]

Unter geeigneten Bedingungen kristallisieren Resorcinarene auch als Octahydrat eines Hexamers, in welchem die sechs Resorcin[4]areneinheiten die Flächen eines Würfels besetzen. Durch die schalenförmige Struktur des Resorcinarens führt dies insgesamt zu einer kugelförmigen Anordnung. Das Aggregat wird über 36 intermolekulare Wasserstoffbrücken zusammengehalten.

Hexamere

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[Quelle: MacGillivray, L. R.; Atwood, J. L. Nature 1997, 389, 469-472: <doi>.]

Analoge Strukturen besitzen die von Aoyama beschriebenen Kohlenhydratkomplexe von Resorcin[4]arenen, in denen OH Gruppen der Zuckerreste vermutlich Positionen der Wassermoleküle in dem hexameren Aggregat übernehmen.

Ein von Pyrogallol abgeleitetes Resorcin[4]aren (R = CH2CH(CH3)2) kristallisiert ebenfalls als Hexamer. In diesem Fall ist kein Wasser zur Überbrückung der einzelnen Untereinheiten nötig. Insgesamt stabilisieren 74 Wasserstoffbrücken dieses Aggregat. Der Hohlraum besitzt eine Größe von 1510 Å3.

Hexamere

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[Quelle: Atwood, J. L.; Barbour, L. J.; Jerga, A. Chem. Commun., 2001, 2376-2377: <doi>.]

Literatur

  • MacGillivray, L. R.; Atwood, J. L. "Strukturelle Klassifizierung von sphärischen molekularen Wirten und allgemeine Prinzipien für ihren Entwurf" Angew. Chem. 1999, 111, 1080-1096: <doi>.
  • Rebek Jr., J. "Simultane Verkapselung: Moleküle unter sich" Angew. Chem. 2005, 117, 2104-2115: <doi>.

Durch kovalente Verbrückung der OH-Gruppen zweier benachbarter aromatischer Untereinheiten kann der Hohlraum eines Resorcinarens vertieft werden. Solche Verbindungen wurden von D. J. Cram erstmals hergestellt und wegen ihres rigiden, strukturell definierten Hohlraums als Cavitanden bezeichnet.

Vertiefte

Der Begriff Cavitand ist aber nicht auf diese Verbindungsklasse beschränkt und wird im Allgemeinen für alle makrocyclischen Rezeptoren mit einer Kavität verwendet, in die ein Substrat eingelagert wird.

Sogenannte vertiefte Cavitanden (deep cavitands) enthalten aromatische Untereinheiten in der Peripherie. Solche Verbindungen sind flexibel und fluktuieren zwischen einer C4v und einer C2v symmetrischen Konformation.

Cavitand_C2vPfeilCavitand_C4v

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Die C4v Konformation ist mit der cone Konformation von Calixarenen vergleichbar. Sie ist für die Substratbindung besser geeignet als die C2v Konformation.

Die C4v Konformation ist allerdings nur bei Temperaturen oberhalb von Raumtemperatur die stabilere, was entropische Gründe hat, denn sie wird wegen ihrer kleineren Oberfläche im Vergleich zur C2v Konformation von weniger Lösungsmittelmolekülen solvatisiert Die Anwesenheit geeigneter Gastmoleküle kann aber das Konformerengleichgewicht bei Raumtemperatur durch Komplexbildung auf die Seite der C4v symmetrischen Konformation verschieben (induced-fit).

Aufgrund der konformativen Flexibilität solcher Cavitanden ist das Gleichgewicht der Komplexbildung schnell auf der NMR Zeitskala.

Die C4v symmetrische Konformation eines Cavitanden kann durch geeignete Substituenten stabilisiert werden, welche die Seitenwände durch Ausbildung intramolekularer Wasserstoffbrücken zusammenhalten.

Wasserstoffbrücken

Solche Wirte bilden stabile Komplexe z.B. mit Adamantanderivaten. Interessanterweise ist der Gastaustausch in diesem Fall langsam auf der NMR Zeitskala. Man erklärt dies dadurch, dass beim Gastaustausch die Wasserstoffbrücken in der Peripherie des Cavitanden aufgebrochen werden müssen, was vor allem in unpolaren Lösungsmitteln ein energetisch ungünstiger Prozess ist. Ein gleichzeitiger Austausch des eingelagerten Gastmoleküls gegen Lösungsmittelmoleküle funktioniert aus Platzgründen nicht.

Diese self-folding Cavitands wurden in der Rebek Gruppe zur Entwicklung von "supramolekularen Reaktionsgefäßen" eingesetzt. So vermag ein Cavitand mit einer nach innen gerichteten Methylestergruppe Chinuclidin innerhalb von < 3 min bei Raumtemperatur zu methylieren.

Methylierung

[Quelle: Purse, B. W.; Ballester, P.; Rebek Jr., J. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14682-14683: <doi>.]

Ein Cavitand, der am Rand der Öffnung einen Pyridonsubstituenten trägt, beschleunigt die Amidierung aktivierter Cholinester.

Hydrolyse

[Quelle: Gissot, A.; Rebek Jr., J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 7424-7425: <doi>.]

Literatur

  • Rudkevich, D. M.; Rebek Jr., J. "Deepening Cavitands" Eur. J. Org. Chem. 1999, 1991-2005: <doi>.

Der Begriff Carcerand wurde von D. J. Cram für sphärische Moleküle mit einem Hohlraum geprägt, in dem Gastmoleküle irreversibel komplexiert werden können. Die ersten Carceranden bestanden aus zwei verbrückten Resorcin[4]arenmolekülen mit Pyrogalloluntereinheiten.

Carceranden

Sie wurden durch Reaktion der beiden Resorcin[4]arenuntereinheiten mit Bromchlormethan in DMF in Gegenwart einer Base (Kaliumcarbonat) synthetisiert. Berücksichtigt man, dass bei der Reaktion acht Bindungen auf die richtige Weise gebildet werden müssen, ist diese Synthese mit typischerweise ca. 60% Ausbeute überraschend effizient. Man vermutet, dass Templateffekte von Lösungsmittelmolekülen eine Rolle spielen, welche in dem Produkt permanent gebunden sind.

Schematische Darstellung des Templateffekts bei der Synthese von Carceranden

Synthese

Als Template fungieren (bei einem Carcerand mit vier Methylenbrücken als Linker) typischerweise Lösungsmittelmoleküle wie Dimethylacetamid oder Dimethylformamid.

Unter Hemicarceranden versteht man Moleküle, bei denen zwischen den beiden Resorcinareneinheiten Lücken, existieren, die groß genug sind, damit ein Gastmolekül entweichen kann.

Hemicarceranden werden z.B. ausgehend von Resorcinarenen synthetisiert, die an einer aromatischen Untereinheit keine zusätzliche Hydroxygruppe tragen.

Hemicarceranden

Eine Alternative zur Vergrößerung der Lücken zwischen den Resorcinarenuntereinheiten ist die Verwendung längerer Linker.

Linker

Hemicarceranden waren der Ausgangspunkt für die supramolekulare Stabilisierung reaktiver Intermediate, welche ansonsten in Lösung instabil sind und z.T. nur in der Argonmatrix beobachtet werden konnten.

So gelang es, durch Erhitzen einer Lösung in Chlorbenzol in Gegenwart eines Überschusses α-Pyron ein Molekül dieses Lacton in den Hohlraum eines Hemicarceranden mit drei Methylenbrücken einzuschließen. Bei Raumtemperatur ist dieser Komplex kinetisch inert, die Aktivierungsenergie für die Dekomplexierung ist also zu hoch. Durch Bestrahlen geht α-Pyron unter Abspaltung von CO2, das den Hemicarcerand verlassen kann, in Cyclobutadien über, welches bei Raumtemperatur NMR spektroskopisch untersucht werden konnte.

Synthese

[Quelle: Cram, D. J.; Tanner, M. E.; Thomas, R. Angew. Chem. 1991, 103, 1048-1051: <doi>.]

Da Hemicarceranden nicht zulassen, dass ein eingeschlossenes Gastmolekül mit einem Reaktanden in Lösung reagiert, sind solche Untersuchungen zumeist auf intramolekulare photochemische Reaktionen beschränkt. Nur kleine Spezies, wie Protonen, Elektronen oder Wasser, können die Öffnungen von Hemicarceranden leicht passieren.

In Folgestudien konnten eine Reihe weiterer reaktiver Intermediate in solchen Hemicarceranden stabilisiert werden.

Arine

Synthese

[Quelle: Warmuth, R. Angew. Chem. 1997, 109, 1406-1409: <doi>. Warmuth, R. Chem. Commun. 1998, 59-60: <doi>.]

1,2,4,6-Cycloheptatetraen, ein cyclisches Allen

Synthese

[Quelle: Warmuth, R.; Marvel, M. A. Angew. Chem. 2000, 112, 1168-1171: <doi>.]

Literatur

  • Jasat, A.; Sherman, J. C. "Carceplexes and Hemicarceplexes" Chem. Rev. 1999, 99, 931-967: <doi>.
  • Warmuth, R. "Inner-Phase Stabilization of Reactive Intermediates" Eur. J. Org. Chem. 2001, 423-437: <doi>.
  • Warmuth, R.; Yoon, Y. "Recent Highlights in Hemicarcerand Chemistry" Acc. Chem. Res. 2001, 34, 95-105: <doi>.
  • Sherman, J. "Molecules That Can't Resist Templation" Chem. Commun. 2003, 1617-1623: <doi>.

Letzte Änderung: 19-05-05. Email

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