Supramolekulare Chemie - Wirt-Gast-Systeme

Coronanden

Cryptanden

Podanden

Spheranden

Cyclodextrine

Struktur

Cyclodextrine sind cyclische Oligosaccharide aus sechs (α), sieben (β) oder acht (γ) α-1→4 verknüpften D- Glucoseeinheiten. Cycodextrine mit neun oder mehr Anhydroglucoseeinheiten sind ebenfalls bekannt, sie spielen aber nur eine untergeordnete Rolle.

Cyclodextrine

Cyclodextrine entstehen beim enzymatischen Abbau von Stärke durch spezielle Mikroorganismen. Diese Synthese dient auch zur industriellen Cyclodextrinherstellung, wobei für jedes Cyclodextrin der entsprechende Mikroorganismus und die Reaktionsbedingungen optimiert worden sind. Die Cyclodextrine fallen als Gemische mit erhöhtem Gehalt an dem gewünschten Cyclodextrin an und müssen im weiteren Verlauf der Gewinnung getrennt und gereinigt werden.

Cyclodextrine haben eine konische Molekülform mit einem definierten Hohlraum. Die primären OH-Gruppen sind am schmaleren Rand des Hohlraums und die sekundären am weiteren Rand angeordnet. In den Hohlraum weisen nur C–C und C–H Bindungen, wodurch das Innere des Hohlraums hydrophob ist.

Strukturen

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Cyclodextrine sind wasserlöslich. In wässriger Lösung und im kristallinen Zustand sind sie in der Lage, unpolare Gastmoleküle in das Innere ihres Hohlraums aufzunehmen. Die Selektivität der Gastkomplexierung wird dabei im Wesentlichen durch die Größe des Hohlraums geprägt.

Die Konformation von β-Cyclodextrin wird durch intramolekulare Wasserstoffbrücken zwischen der 2-OH-Gruppe einer Anhydroglucoseeinheit und einer 3-OH-Gruppe der nächsten Anhydroglucoseeinheit stabilisiert.

Entdeckung

1891A. Villier. Erhielt eine neue Verbindung bei mikrobiellem Abbau von Stärke, für die er Summenformel (C6H10O5)2 · 3 H2O bestimmte und die er "Cellulosine" nannte. Er erkannte, dass es sich um einen nicht- reduzierenden Zucker mit besonderer Stabilität gegenüber saurer Hydrolyse handelt.
1903F. Schardinger. Abbau von Stärke durch Bacillus macerans. Beobachtete die Färbung von Cyclodextrinen mit Iod, die eine Unterscheidung der verschiedenen Fraktionen erlaubt.
1911H. Pringsheim. Berichtete erstmals über die Komplexierung organischer Verbindungen durch Cyclodextrine.
1936K. Freudenberg. Arbeiten zur Strukturaufklärung. Postulierte die cyclische Struktur der Cyclodextrine.
ab 1950D. French, F. Cramer. Systematische Arbeiten zu Strukturen, Eigenschaften und Anwendungen von Cyclodextrinen. Danach exponentielle Zunahme von Arbeiten über Cyclodextrine.
ab 1970Cyclodextrine werden in größeren Mengen industriell hergestellt und finden auch aufgrund ihrer Unbedenklichkeit in Bezug auf Toxizität Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen.

Herstellung

Enzymatische Transformation von Maisstärke

Herstellung

Weltproduktion aller Cyclodextrine ca. 5 × 103 T/Jahr

Preis

Bulk-Preis in USD / kg
α-Cyclodextrin45
β-Cyclodextrin5
γ-Cyclodextrin80

Bindungseigenschaften

Bindungseigenschaften

Die Stabilität von Cyclodextrinkomplexen beruht auf dem Zusammenwirken mehrerer Wechselwirkungsarten und hängt von der Substratstruktur und vom Lösungsmittel ab.

• Sterischer Fit
• Elektrostatische Wechselwirkungen
• Dipol-Dipol Wechselwirkungen
• van-der-Waals Wechselwirkungen
• Wasserstoffbrücken

Stabilität von β-Cyclodextrinkomplexen in Wasser (T = 298 K)

Gastlog Ka
1-Butanol1.2
1-Hexanol2.3
Cyclohexanol2.8
Benzol2.2
Phenol3.4
Benzoat1.1
Adamantan-1-carboxylat4.6

[Quelle: Rekharsky, M. V.; Inoue, Y. Chem. Rev. 1998, 98, 1875-1917: <doi>.]

CyclodextrinAnzahl UntereinheitenDurchmesser des Hohlraums / pmDurchmesser am weiteren Rand / pmoptimale Gäste
α65701370Alkane, Benzol, Phenol
β778015304-tert-Butylphenol, Naphthalin, Ferrocen, Adamantan
γ89501690Perylen, Cholesterol, Kronenether

Durch die Komplexbildung verändert sich die Löslichkeit der Cyclodextrine. So sind in der Regel nur die Komplexe von Gastmolekülen mit polaren Gruppen gut wasserlöslich. Je unpolarer das Gastmolekül ist, desto geringer ist die Löslichkeit des Komplexes. Bei Zugabe von p-Xylol zu einer wässrigen β-Cyclodextrinlösung fällt z.B. ein schwerlöslicher Komplex aus und da p-Xylol nur mit β-Cyclodextrin einen stabilen Komplex bildet, kann man diese Eigenschaft zur Abtrennung von β-Cyclodextrin aus einem Cyclodextringemisch ausnutzen.

Wasserlöslichkeit

Derivatisierung

Cyclodextrine besitzen über die reine Größenerkennung von Gastmolekülen hinaus keine ausgeprägte Bindungsselektivität. Die Selektivität kann aber durch Einführung von Substituenten (bzw. Bindungsstellen) um den Cyclodextrinhohlraum gezielt verändert werden.

Statistische Substitution

Statistische

Monosubstitution einer primären OH-Gruppe

Monoubstitution

Ausgehend vom Tosylat können eine Vielzahl weiterer Derivate hergestellt werden: R = Hal, SH, N3, NH2, NR2, CHO, COOH usw.

Monosubstitution einer sekundären OH-Gruppe

Monoubstitution

Mehrfachsubstitutionen

Die gezielte Tosylierung zweier Anhydroglucoseeinheiten im Ring gelingt durch Verwendung geeigneter Bis(sulfonsäurechloride). Dabei kann man durch die Struktur dieser Säurechloride steuern, ob benachbarte oder weiter entfernte Anhydroglucoseeinheiten modifiziert werden.

[Quelle: Khan, A. R.; Forgo, P.; Stine, K. J.; D’Souza, V. T. Chem. Rev. 1998, 98, 1977-1996: <doi>.]

Bis(cyclodextrine)

Durch kovalente Verknüpfung zweier Cyclodextrinringe kann die Komplexierung von Substraten mit langgestreckter Molekülgestalt deutlich verbessert werden.

Bis(cyclodextrine)

Dabei können die Bindungseigenschaften dieser Cyclodextrindimere durch die Spacerlänge und die gegenseitige Orientierung der Hohlraumöffnungen kontrolliert werden. Auch Heterodimere aus einer α- und einer β- Cyclodextrinuntereinheit sind beschrieben worden. In die Spacereinheiten solcher Cyclodextrindimere können außerdem funktionelle Gruppen eingebaut werden, die die chemische Modifizierung eines eingelagerten Gastmoleküls katalysieren.

[Quellen: Breslow, R.; Greenspoon, N.; Guo, T.; Zarzycki, R. J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 8296-8297: <doi>. Jiang, T.; Lawrence, D. S. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 1857-1858: <doi>. Venema, F.; Nelissen, H. F. M.; Berthault, P.; Birlirakis, N.; Rowan, A. E.; Feiters, M. C.; Nolte, R. J. M. Chem. Eur. J. 1998, 4, 2237-2250: <doi>.]

Optische Sonden

Eine optische Detektion der Gastbindung gelingt bei Cyclodextrinen mit fluoreszenzaktiven Substituenten, z.B.Dansylgruppen.

Optische

Der im Cyclodextrinhohlraum komplexierte Chromophor hat eine höhere Fluoreszenzintensität als außerhalb des Hohlraums, da das Innere des Hohlraums unpolar ist. Durch Einlagerung eines Gastes in den Hohlraum, welcher mit dem Cyclodextrin einen stabileren Komplex bilden muss als der Farbstoff, wird der fluoreszenzaktive Substituent verdrängt. Die damit verbundene direkt mit dem Auge detektierbare Abnahme der Fluoreszenzintensität der Lösung zeigt die Komplexbildung an.

Industrielle Anwendungen

Lebensmittelindustrie

• Schutz reaktiver Substanzen (Oxidation, Photooxidation, thermische Zersetzung)
• Eliminierung oder Reduktion von unangenehmem Geschmack oder Geruch
• Entfernung unerwünschter Komponenten aus Stoffgemischen (Cholesterol)
• Verbesserung der Löslichkeit schwer löslicher Komponenten
• Verlängerung der Haltbarkeit und Lagerfähigkeit
• Vereinfachung der Dosierung und Handhabung

Pharmaindustrie / Kosmetikindustrie

• Erhöhung der Bioverfügbarkeit durch Verbesserung der Wasserlöslichkeit
• Verbesserung der Dosierbarkeit
• Erhöhung der Stabilität
• ...

Textilindustrie

• Maskierung unangenehmer Gerüche auf Textilien durch Anbindung auf Textilfasern
• ...

Analytische Anwendungen

• Enantiomerentrennung auf Cyclodextrinphasen (HPLC / GC)

[Quelle: Hedges, A. R. Chem. Rev. 1998, 98, 2035-2044: <doi>.]

Literatur

• Wenz, G. "Cyclodextrine als Bausteine supramolekularer Strukturen und Funktionseinheiten" Angew. Chem. 1994, 106, 851-870: <doi>.
• Sonderband über Cyclodextrinchemie: Chem. Rev. 1998, 98, 1741-2076: <doi>.

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