Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Молекулалық сақина, ішіне басқа молекулаларды сыйдыра алатын
Ring molecule able to store other molecules within itself
Қонақ-химияда кукурбитурилдер – метилен көпірлерімен (CH2) байланысқан гликолурил (C4H2N4O2) мономерлерінен құралған макроциклді молекулалар. Олардың оттек атомдары сақинаның жиектерінде орналасқан және ішке қарай еңкейіп, жартылай жабық қуыс (кавитанд) құрайды. Бұл молекуланың аты Cucurbitaceae тұқымдасына жататын қымызбаққа (қабаққа) ұқсастығынан алынған. Кукурбитурилдер әдетте кукурбит[n]урил түрінде жазылады, мұнда n – гликолурил бірліктерінің саны. Екі жиі қолданылатын аббревиатурасы – CB[n] немесе жай ғана CBn. Бұл қосылыстар химияшылар үшін ерекше қызығушылық тудырады, себебі олар бейтарап және катиондық түрлердің кең спектрін қабылдауға жарамды. Байланыс механизмі гидрофобтық өзара әрекеттесу арқылы, ал катиондық «қонақтар» үшін – катион-дипольдік өзара әрекеттесу арқылы жүзеге асады деп есептеледі. Кукурбитурилдердің мөлшері әдетте ~10 Å шамасында болады. Мысалы, кукурбит[6]урилдің қуысының биіктігі ~9,1 Å, сыртқы диаметрі ~5,8 Å, ал ішкі диаметрі ~3,9 Å құрайды.
In host guest chemistry, cucurbiturils are macrocyclic molecules made of glycoluril (|\dC4H2N4O2\d) monomers linked by methylene bridges (|\sCH2\s). The oxygen atoms are located along the edges of the band and are tilted inwards, forming a partly enclosed cavity (cavitand). The name is derived from the resemblance of this molecule with a pumpkin of the family of Cucurbitaceae. Cucurbiturils are commonly written as cucurbit[n]uril, where n is the number of glycoluril units. Two common abbreviations are CB[n], or simply CBn. These compounds are particularly interesting to chemists because they are suitable hosts for an array of neutral and cationic species. The binding mode is thought to occur through hydrophobic interactions, and, in the case of cationic guests, through cation dipole interactions as well. The dimensions of cucurbiturils are generally on the ~10 Å size scale. For instance, the cavity of cucurbit[6]uril has a height ~9.1 Å, an outer diameter ~5.8 Å, and an inner diameter ~3.9 Å.
Кукурбитурилдер алғаш рет 1905 жылы Роберт Бехренд тарапынан гликолурилді формальдегидпен конденсациялау арқылы синтезделген, бірақ олардың құрылымы 1981 жылға дейін анықталмаған. 2000 жылы Ким Кимон CB5, CB7 және CB8 молекулаларын ашып, оқшаулағаннан кейін бұл сала кеңейді. Бүгінгі күнге дейін 5, 6, 7, 8, 10 және 14 қайталанатын бірліктерден тұратын кукурбитурилдер оқшауланды, олардың ішкі қуысының көлемі сәйкесінше 82, 164, 279, 479 және 870 Å3 құрайды. 9 қайталанатын бірліктерден тұратын кукурбитурил әлі оқшауланбаған (2009 жылғы мәлімет бойынша). Кукурбитурилдермен ұқсас молекулалық пішінге ие басқа да кең таралған молекулалық капсулаларға циклодекстриндер, каликсарендер және пиларарендер жатады.
Cucurbiturils were first synthesized in 1905 by Robert Behrend, by condensing glycoluril with formaldehyde, but their structure was not elucidated until 1981. The field expanded as CB5, CB7, and CB8 were discovered and isolated by Kim Kimoon in the year 2000. To date cucurbiturils composed of 5, 6, 7, 8, 10, and 14 repeat units have all been isolated, which have internal cavity volumes of 82, 164, 279, 479, and 870 Å3 respectively. A cucurbituril composed of 9 repeat units has yet to be isolated (as of 2009). Other common molecular capsules that share a similar molecular shape with cucurbiturils include cyclodextrins, calixarenes, and pillararenes.
Синтез
Кукурбитурилдер – амидалдар (дәлірек айтқанда аминалдар) және 1 мочевина мен диалдегидтен (мысалы, глиоксал 2) нуклеофилді қосылу арқылы синтезделеді, нәтижесінде аралық гликолурил 3 пайда болады. Бұл аралық зат формальдегидпен конденсацияланып, 110 °C жоғары температурада гексамерлік кукурбит[6]урилді береді. Әдетте, 3 сияқты көпфункционалды мономерлер өнімдердің қоспасын беретін кезеңдік өсу полимерленуіне түседі, бірақ қолайлы кернеу және сутекті байланыстың көп болуына байланысты гексамер жауын-шашыннан кейін оқшауланатын жалғыз реакциялық өнім болып табылады. CB[10]·CB[5] бір кристалдық рентген сәулелерінің құрылымдық талдауы арқылы нақты анықталды, бұл кешен молекулалық гироскопқа ұқсайды. Бұл жағдайда CB[5] CB[10] қуысының ішінде еркін айналуы гироскоп шеңберінің ішіндегі тәлкектің тәуелсіз айналуын имитациялайды. CB[10] таза күйде тікелей бөлу әдістерімен оқшаулау мүмкін болмады, өйткені бұл қосылыстың CB[5] -ке деген байланысу қабілеті өте жоғары. CB[5] -ке берік байланысу қабілеті оның CB[10] қуысының көлемі мен пішініне сәйкес келуімен түсіндіріледі. 2005 жылы Исаакс және оның әріптестері CB[5] -ты ығыстыруға қабілетті, күшті байланысты меламин-диамин қонағын енгізу арқылы таза CB[10] -ды оқшаулады. Меламин-диамин қонағы кейін сірке қышқылы ангидридімен реакция арқылы CB[10] -нан бөлінді, бұл оң зарядталған амин топтарын бейтарап зарядталған амидтерге айналдырды. Кукурбитурилдер катиондық қонақтарды күшті байлайды, бірақ меламин-диамин қонағынан оң зарядты алып тастау арқылы ассоциация тұрақтылығы метанолмен, ДМСОмен және сумен жуу арқылы оқшаулауға болатын деңгейге төмендейді. CB[10] ерекше үлкен қуысқа (870 Å3) ие, ол бос және катиондық каликс[4]арен сияқты өте үлкен қонақтарды байлауға қабілетті.
Cucurbiturils are amidals (less precisely aminals) and synthesized from urea 1 and a dialdehyde (e. g., glyoxal 2) via a nucleophilic addition to give the intermediate glycoluril 3. This intermediate is condensed with formaldehyde to give hexamer cucurbit[6]uril above 110 °C. Ordinarily, multifunctional monomers such as 3 would undergo a step growth polymerization that would give a distribution of products, but due to favorable strain and an abundance of hydrogen bonding, the hexamer is the only reaction product isolated after precipitation. The CB[10]·CB[5] was unambiguously identified by single crystal X ray structural analysis that revealed the complex resembled a molecular gyroscope. In this case, the free rotation of the CB[5] within the CB[10] cavity mimics the independent rotation of a flywheel within the frame of a gyroscope. Isolation of pure CB[10] could not be accomplished by direct separation methods since the compound has such a high affinity for CB[5]. The strong binding affinity for the CB[5] can be understood since it has a complementary size and shape to the cavity of the CB[10]. Pure CB[10] was isolated by Isaacs and coworkers in 2005 by introducing a more strongly binding melamine diamine guest that is capable of displacing the CB[5]. The melamine diamine guest was then separated from the CB[10] by reaction with acetic anhydride that converted the positively charged amine groups to neutrally charged amides. Cucurbiturils strongly bind cationic guests, but by removing the positive charge from the melamine diamine guest reduces the association constant to the point it can be removed by washing with methanol, DMSO, and water. The CB[10] has an unusually large cavity (870 Å3) that's free and capable of binding extraordinarily large guests including a cationic calix[4]arene.
Қолданбалар
Кукурбитурилдерді химиктер түрлі қолданулар үшін пайдаланған, оның ішінде дәрі жеткізу, асимметриялық синтез, молекулалық ауыстыру және бояу түсін реттеу үшін.
Cucurbiturils have been used by chemists for various applications, including drug delivery, asymmetric synthesis, molecular switching, and dye tuning.
Молекулалық жоғары хост молекулалары
Кукурбитурилдер молекулалық тануда тиімді қабылдаушы молекулалар болып табылады және оң зарядталған немесе катиондық қосылыстарға ерекше жоғары жақындыққа ие. Оң зарядталған молекулалармен жоғары байланысу тұрақтылары қуыстың екі жағын жабатын карбонил тобына байланысты, олар тәж эфирлері сияқты катиондармен өзара әрекеттесе алады. Кукурбитурилдердің жақындығы өте жоғары болуы мүмкін. Мысалы, кукурбит[7]урилдің оң зарядталған 1-аминоадамантан гидрохлоридімен жақындық тепе-теңдік тұрақтысы 4,23*1012 шамасында эксперименттік жолмен анықталған. Қонақ-қабылдаушы өзара әрекеттесу кукурбитурилдердің ерігіштік қасиеттеріне де маңызды әсер етеді. Кукурбит[6]урил дерлік кез келген еріткіште нашар ериді, бірақ калий гидроксидінің ерітіндісінде немесе қышқыл ерітіндісінде ерігіштігі айтарлықтай жақсарады. Кавитанд калий ионымен немесе гидроний ионымен тиесінше оң зарядталған қосылыс құрайды, олар еркін, бейтарап молекулға қарағанда әлдеқайда жақсы ерігіштікке ие. CB[10] каликсарен молекуласы сияқты басқа молекулалық қабылдаушыларды ұстауға жеткілікті. Каликсарен қонағымен әртүрлі химиялық конформациялар (конус, 1,2 баламалы, 1,3 баламалы) жылдам тепе-теңдікте болады. Алостериялық бақылау адамантан молекуласы CB[10] молекуласының ішінде каликсарен-адамантан қосылыс кешенімен конус конформациясын күштегенде қамтамасыз етіледі.
Cucurbiturils are efficient host molecules in molecular recognition and have a particularly high affinity for positively charged or cationic compounds. High association constants with positively charged molecules are attributed to the carbonyl groups that line each end of the cavity and can interact with cations in a similar fashion to crown ethers. The affinity of cucurbiturils can be very high. For example, the affinity equilibrium constant of cucurbit[7]uril with the positively charged 1 aminoadamantane hydrochloride is experimentally determined at 4.23*1012. Host guest interactions also significantly influence solubility behavior of cucurbiturils. Cucurbit[6]uril dissolves poorly in just about any solvent but solubility is greatly improved in a solution of potassium hydroxide or in an acidic solution. The cavitand forms a positively charged inclusion compound with a potassium ion or a hydronium ion respectively which have much greater solubility than the uncomplexed neutral molecule. CB[10] is large enough to hold other molecular hosts such as a calixarene molecule. With a calixarene guest different chemical conformations (cone, 1,2 alternate, 1,3 alternate) are in rapid equilibrium. Allosteric control is provided when an adamantane molecule forces a cone conformation with a calixarene adamantane inclusion complex within a CB[10] molecule.
Ротаксаны бар макроциклдер
Инклюзивтік кешендерді қалыптастыруға жоғары бейімділігі болғандықтан, кукурбитурилдер ротаксендердің макроциклдық құрауы ретінде қолданылды. Супрамолекулалық құрастырма немесе гексаметилендиамин сияқты қонақ молекуламен түзілген желілі кешен пайда болғаннан кейін, қонақтың екі ұшы ірі топтармен реакцияға түсіріледі, бұл екі жеке молекуланың ыдырауына кедергі келтіретін тосқауылдардың рөлін атқарады. CB[7] дөңгелегі бар тағы бір ротаксен жүйесінде ось, екі ұшы карбоксил қышқылымен аяқталатын екі алифалық N-қосылысы бар 4,4'-бипиридиний немесе виоген суббөлігі болып табылады. 0,5 мМ-ден жоғары концентрациядағы суда комплекстеу тосқауылдарсыз толыққанды жүреді. pH = 2 болғанда карбоксилдік топтар протонды болады және дөңгелек олардың арасында қозғалады, бұл протондық ЯМР спектрінде тек екі ароматикалық виоген протонының болуымен анықталады. pH = 9 болғанда дөңгелек виоген орталығының айналасында бекітіледі. Соңғы уақыттарда CB[8] дөңгелегі бар ротаксен синтезделді. Бұл ротаксен бейтарап қонақ молекулаларын байланыстыра алады.
Given their high affinities to form inclusion complexes cucurbiturils have been employed as the macrocycles component of a rotaxane. After formation of the supramolecular assembly or threaded complex with a guest molecule such as hexamethylene diamine the two ends of the guest can be reacted with bulky groups that will then act as a stoppers preventing the two separate molecules from dissociating. In another rotaxane system with a CB[7] wheel, the axle is a 4,4' bipyridinium or viologen subunit with two carboxylic acid terminated aliphatic N substituents at both ends. In water at concentration higher than 0.5 mM complexation is quantitative without need of stoppers. At pH = 2 the carboxylic end groups are protonated and the wheel shuttles back and forth between them as evidenced by the presence of just two aromatic viologen protons in the proton NMR spectrum. At pH = 9 the wheel is locked around the viologen center. More recently, rotaxane with a CB[8] wheel was synthesized. This rotaxane can bind neutral guest molecules.
Есірткі жеткізу құралдары
Кукурбитурилдің қонақ-үй қасиеттері дәрі жеткізу құралдары ретінде зерттелді. Бұл қолданбаның мүмкіндігі, маңызды қатерлі ісікке қарсы күресетін оксалиплатин дәрісімен инклюзиялық қосылыс құрайтын кукурбит[7]урил арқылы зерттелді. CB[7] оқшаулауы қиын болғанымен, судағы жоғары ерігіштігі және үлкен қуыс көлемі дәрі молекуласын қабылдауға мүмкіндік береді. Алынған кешеннің тұрақтылығы мен таңдамалылығы жоғары екені анықталды, бұл жанама әсерлерді азайтуға ықпал етуі мүмкін.
Cucurbituril's host–guest properties have been explored for drug delivery vehicles. The potential of this application has been explored with cucurbit[7]uril that forms an inclusion compound with the important cancer fighting drug oxaliplatin. CB[7] was employed despite the fact that it is more difficult to isolate since it has much greater solubility in water and its larger cavity size can accommodate the drug molecule. The resulting complex was found to have increased stability and greater selectivity that may lead to fewer side effects.
Молекулалық жоғары катализаторлар
Кукурбитурилдер супермолекулярлық катализаторлар ретінде де зерттелді. Ірі кукурбитурилдер, мысалы кукурбитурил[8]урил, бірнеше қонақ молекулаларын байланыстыра алады. CB[8], (E) диаминостильбен дигидрохлоридімен 2:1 (қонақ: қабылдаушы) қатынамында кешен құрастырады, ол CB[8] ішкі диаметрінің 8,8 ангстрем және 9,1 ангстрем биіктігімен сыйымды. Қонақ молекулаларының қуыс ішіндегі тығыз орналасуы және ең қолайлы бағыты фотохимиялық циклдеу жылдамдығын арттырады, нәтижесінде CB[8] байланысқанда циклобутан димерінің син-конфигурациясына қатысты 19:1 стереоселективтілікке қол жеткізіледі. CB[8] болмаған жағдайда циклдеу реакциясы жүрмейді, тек транс-изомердің цис-изомерге изомеризациялануы байқалады.
Cucurbiturils have also been explored as supramolecular catalysts. Larger cucurbiturils, such as cucurbit[8]uril can bind multiple guest molecules. CB[8] forms a complex 2:1 (guest:host) with (E) diaminostilbene dihydrochloride which is accommodated by CB[8]'s larger internal diameter of 8.8 angstrom and height 9.1 angstrom. The close proximity and optimal orientation of the guest molecules within the cavity enhances the rate of the photochemical cyclization to give cyclobutane dimer with a 19:1 stereoselectivity for the syn configuration when bound to CB[8]. In the absence of CB[8] the cyclization reaction does not occur, but only the isomerization of the trans isomer to the cis isomer is observed.
Түсті баптау
Соңғы жылдары зерттеушілер кукурбитурилдердің бояғыштарды реттеу мүмкіндіктерін зерттеді. Жалпы, кукурбитурилдермен қамтамасыз етілген шектеулі, төмен полярлы орта жарықтықты күшейтуге, фототұрақтылықты арттыруға, флуоресценцияның ұзақ өмір сүруіне және полярлығы төмен ортаға өтуге сәйкес сольватохромизмге алып келеді деп анықталды.
The dye tuning capabilities cucurbiturils possess have been explored by researchers in recent years. In general, it has been found that the confined, low polarity environment provided by the cucurbiturils leads to enhanced brightness, increased photostability, increased fluorescence lifetimes, and solvatochromism consistent with moving to an environment of lower polarity.
Қауысқан қосылыстар
Инвертті кукурбитурилдер немесе iCB[x] – бір гликолурилді қайталанатын бөлігі инверттелген CB аналогтары. Бұл бөліктегі метин протондары іс жүзінде қуысқа қарай бағытталған, бұл қуыстың көлемiн кішірейтеді. Инверттелген кукурбитурилдер CB түзiлу реакцияларында 2-ден 0,4%-ға дейiнгi шығыммен қосалқы өнім ретiнде пайда болады. Бұл типтi CB қосылысын оқшаулау мүмкiн, себебi ол әдеттегi CB-лермен қалыптасатын инклюзиялық қосылыстарды түзетуге қиын. Инверттелген кукурбитурилдер кинетикалық түрде бақыланатын реакция өнімдері деп есептеледi, өйткені iCB[6]-ны қышқыл ортада қыздыру нәтижесiнде CB[5], CB[6] және CB[7] қоспасы 24:13:1 қатынасында алынады. Экватор бойынша екіге бөлiнген кукурбитурил гемикукурбитурил деп аталады.
Inverted cucurbiturils or iCB[x] are CB analogues with one glycoluril repeating unit inverted. In this unit the methine protons actually point into the cavity and this makes the cavity less spacious. Inverted cucurbiturils form as a side product in CB forming reactions, with yields between 2 and 0.4%. Isolation of this type of CB compound is possible because it is more difficult to form inclusion compounds that ordinarily form with regular CBs. Inverted cucurbiturils are believed to be the kinetically controlled reaction products because the heating of iCB[6] in acidic medium results in a mixture of CB[5], CB[6] and CB[7] in a 24:13:1 ratio. A cucurbituril cut in half along the equator is called a hemicucurbituril.