OC 9 - Wirt-Gast-Systeme

Coronanden

Cryptanden

Podanden

Spheranden

Cyclodextrine

Cyclophane

Struktur

Unter Cyclophanen versteht man Makrocyclen mit mehreren aromatischen Untereinheiten. Sie besitzen meist einen großen hydrophoben Hohlraum, in den neutrale oder positiv geladene Gastmoleküle eingelagert werden können. Ihre Bindungseigenschaften und ihr Löslichkeitsverhalten kann durch Einführung geeigneter Substituenten in weiten Grenzen variiert werden.

Cyclophane

Die strukturelle Vielfalt von Rezeptoren auf Basis von Cyclophanen ist daher außerordentlich groß. Strukturell klassifiziert man Cyclophane in Abhängigkeit der:

• Anzahl der aromatischen Untereinheiten,
• der Stellung der Substituenten an diesen Untereinheiten
• und der Länge der Brücken zwischen ihnen.

Die wichtigen Rezeptorklassen der Calixarene und Resorcinarene basieren strukturell auf [1.1.1.1] Metacyclophanen. Sie werden in einem eigenen Kapitel vorgestellt. Rezeptoren auf Basis von [1.1.1] Orthocyclophanen bilden die eigene Rezeptorklasse der Cyclotriveratrylene.

Bindungseigenschaften

Neutrale aromatische Gastmoleküle binden an Cyclophane über dispersive Wechselwirkungen und π-π Wechselwirkungen. Bei der Komplexierung organischer Kationen leisten darüber hinaus Kation-π Wechselwirkungen entscheidende Beiträge.

Eine große Bedeutung in der Wirt-Gast Chemie von Cyclophanen haben wasserlösliche Derivate. Hier spielen bei der Komplexbildung hydrophobe Wechselwirkungen eine wichtige Rolle, d.h. die Freisetzung von Gastmolekülen aus den Solvathüllen von Wirt und Gast.

Das folgende Cyclophan ist in saurer Lösung aufgrund der Protonierung der Aminogruppen löslich. Es enthält als Bauelement zwei Diphenylmethanuntereinheiten, welche durch ihre Starrheit und definierte Krümmung dem Hohlraum des Rings eine charakteristische Form verleihen.

Wasserläösliches

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Dieser Rezeptor bindet in wässriger Lösung einfache Aromaten. Die Kristallstruktur des Durenkomplexes zeigt, dass für die Substratbindung im Wesentlichen edge-to-face und face-to-face π-π Wechselwirkungen verantwortlich sind.

[Quelle: Odashima, K.; Itai A.; Iitake, Y.; Koga, K. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 2504-2505: <doi>.]

Das Diphenylmethanbauelement findet man auch in einer Reihe weiterer Cyclophane, z. B. dem von F. Diederich entwickelten Derivat I. Diese Verbindung spielte eine wichtige Rolle bei der Charakterisierung von aromatischen Wechselwirkungen und der Untersuchung der thermodynamischen Beiträge von hydrophoben Wechselwirkungen in wässrigen Lösungsmitteln. Außerdem sind auf Basis dieses Cyclophans Enzymmodelle entwickelt worden.

Beispiele

Mit dem in der Gruppe von D. A. Dougherty entwickelten Cyclophan II wurde die Bedeutung von Kation-π Wechselwirkungen bei Bindung kationischer Substrate an Rezeptoren mit aromatischen Untereinheiten untersucht.

Cycloveratrylene

Derivate von [1.1.1] Orthocyclophanen, sogenannte Cyclotriveratrylene, entstehen bei der Umsetzung von Veratrol mit Formaldehyd im Sauren.

Cyclotriveratrylensynthese

Die Eigenschaften dieser Verbindungen wurden vor allem in der Gruppe von A. Collet untersucht. Cyclotriveratrylen nimmt zwar bevorzugt eine schalenförmige Konformation an, die eine Einlagerung von Gastmolekülen erlaubt, die Bindungsaffinität ist aber wegen der Größe des Hohlraums und der Schwäche der Wechselwirkungen gering.

Cyclotriveratrylenstruktur

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Cryptophane

Zu interessanten Rezeptoren, den Cryptophanen, kommt man durch kovalente Verknüpfung zweier Cyclotriveratryleneinheiten. Dabei sind, je nachdem ob zwei enantiomere oder zwei identische Einheiten verknüpft werden, zwei Isomere möglich.

Cryptophane

Während die direkte Verknüpfung zweier Cyclotriveratrylene meist nur in geringen Ausbeuten zum Erfolg führt, gelingt die Synthese meist besser, wenn man Cyclotriveratrylen zunächst mit geeigneten Substituenten versieht, welche in einem Folgeschritt cyclisiert werden können (Templatsynthese).

Templatsynthese

Die Bindungseigenschaften der Cryptophane können durch strukturell Variation der Linker zwischen den beiden Rezeptorhälften variiert werden. Cryptophane komplexieren Methan und halogenierte Kohlenwasserstoffen.

Beispiele

Dabei werden Gäste, die die Cryptophankavität optimal ausfüllen, besonders gut gebunden. Bei kleineren Gästen ist die Wechselwirkung schwächer und größere passen nicht in den Hohlraum. Cryptophan-C bindet dementsprechend CH2Cl2 am besten, während Cryptophan-E die höchste Bindungsaffinität für CHCl3 besitzt.

Dass die Komplementarität zwischen Größe des Gastes und Größe des zur Verfügung stehenden Hohlraums aber eine zu vereinfachte Erklärung für die beobachteten Selektivitäten ist, zeigt ein Vergleich der enthalpischen und entropischen Beiträge zur Stabilität der Komplexe zwischen Cryptophan-C bzw. Cryptophan-E mit CH2Cl2 und CHCl3.

CryptophanGastΔG0 / kJ mol-1ΔH0 / kJ mol-1ΔS0 / J K-1 mol-1
CCH2Cl2-15,1-16,3-4
CCHCl3-6,7-26,8-67
ECH2Cl2-11,7+4,2+25
ECHCl3-15,5-25,1-29

Die größere Affinität von Cryptophan-C für CH2Cl2 kann nach diesen Ergebnissen nicht auf einen besseren Fit des kleineren Gastes im Rezeptorhohlraum zurückzuführen sein, denn der enthalpische Beitrag zur Bindung von CHCl3 ist deutlich größer als der zur Bindung von H2Cl2. Die Stabilität des Chloroformkomplex wird jedoch durch einen sehr ungünstigen Entropiebeitrag beeinträchtigt. Scheinbar füllt CHCl3 den Hohlraum des Cryptophans so gut aus, dass die Komplexbildung mit einem erheblichen Verlust von Konformationsfreiheitsgraden verbunden ist.

In dem größeren Cryptophan haben beide Gäste mehr Platz und in diesem Fall führt der günstigere Enthalpiebeitrag der Bindung von CHCl3 zu dem stabileren Komplex.

Die Einlagerung von Chloroform in das Innere von Cryptophan-E wurde mit Hilfe einer Kristallstruktur des Komplexes bestätigt.

Kristallstruktur

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[Quelle: Canceill, J.; Cesario, M.; Collet, A.; Guilhem, J.; Lacombe, L.; Lozach, B.; Pascard, C. Angew. Chem. 1989, 101, 1249-1251: <doi>.]

Neben neutralen Gastmolekülen werden auch organische Kationen in die Kavität von Cryptophanen eingelagert. So bindet das Tetramethylammoniumkation (NMe4+) an Cryptophan-E mit einer Assoziationskonstante von 2,5 · 105 M-1 (in CH2Cl2). Mit zunehmender Länge der Alkylgruppen an dem Ammoniumion sinkt die Komplexstabilität. Neben einer guten Größenkomplementarität ist in wichtiger Grund für die hohe Stabilität der Cryptophankomplexe organischer Kationen eine effiziente Beteiligung von Kation-π Wechselwirkungen.

Bücher

• Diederich, F. "Cyclophanes", RSC: Cambridge, 1991.

Literatur

• Collet, A. "Cyclotriveratrylenes and Cryptophanes" Tetrahedron 1987, 43, 5725-5759: <doi>.
• Collet, A.; Dutasta, J.-P.; Lozach, B.; Canceill, J. "Cyclotriveratrylenes and Cryptophanes: Their Applications to Host-Guest Chemistry and to the Design of New Materials" Top. Curr. Chem. 1993, 165, 103-130.

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