Kalixareny jsou makrocyklické sloučeniny nebo cyklické oligomery tvořené fenolovými jádry propojenými methylenovými můstky. Jejich molekuly obsahují hydrofobní „dutiny“, které mohou zachytávat menší molekuly nebo ionty.

Názvosloví Názvy kalixarenů podle IUPAC se vytváří spočítáním opakujících se jednotek a zahrnutím jejich počtu do názvu; například kalixaren má kruh tvořený 4 a kalixaren 6 jednotkami. Pokud je přítomen substituent v poloze meso Rb, označí se tato skutečnost předponou C-; taková sloučenina pak může mít například název C-methylkalixaren.

Příprava Kalixareny se připravují kondenzacemi dvou látek: aromatické sloučeniny bohaté na elektrony, zpravidla 4-substituovaného fenolu, a aldehydu, nejčastěji formaldehydu.

Rozmezí použitelných aromatických sloučenin je široké, ty ale musí být schopné vstupovat do hydroxyalkylačních reakcí. Jako aldehyd se obvykle používá formaldehyd, u reakcí resorcinolů a pyrogallolů jsou ale často potřeba vyšší aldehydy, jako například acetaldehyd, usnadňující vytváření C4v-symetrické vázovité konformace. K zavádění dalších skupin lze použít substituované aldehydy i některé heterocykly, například furan.

Příprava kalixarenů může být obtížná, místo žádaných produktů se mnohdy vytváří lineární i cyklické oligomery. Vysokých výtěžností lze dosáhnout pomocí vhodně zvolených výchozích látek a reakčních podmínek. Kalixareny bývají špatně rozpustné a vyznačují se vysokými teplotami tání.

700px|střed|Kalixareny s n = 4, zleva doprava: kalixaren, resorcinolaren, pyrogallolaren. Ra je alkylová skupina, Rb vodík z formaldehydu nebo fenyl z benzaldehydu, Rc vodík z výchozí sloučeniny

Struktura Molekuly kalixarenů mají trojrozměrné košíkovité struktury; u kalixarenů se vnitřní objem pohybuje kolem 0,01 nm3. Jejich molekuly mají široké horní lemy, úzké spodní lemy, a středové prstence. Při použití fenolu jako výchozího materiálu se 4 hydroxylové skupiny nachází uvnitř prstence na spodním lemu. U resorcinarenů je 8 hydroxylů umístěno mimo prstenec na horním lemu. Kalixareny v důsledku snadného otáčení okolo methylenového můstku vytvářejí různé konformace. U kalixarenu se rozlišují 4 druhy konformace: kužel (bodová grupa C2v,C4v), částečný kužel (Cs), 1,2-střídavá (C2h) a 1,3-střídavá (D2d). Čtveřice hydroxylů vytváří vodíkové vazby a stabilizuje kuželovou konformaci, která je v dynamické rovnováze s ostatními. Molekuly lze uzamknout v jedné konformaci navázáním vhodných substituentů namísto hydroxylových skupin., nebo napojením objemných skupin na horní lem.

Kalixaren odvozený od p-terc-butylfenolu se také vyskytuje jako kužel.

Strukturně podobnými sloučeninami jsou pilarareny.

300px300pxKalixaren s para-terc-butylovými substituenty3D model kuželové konformace

Historie V roce 1872 smíchal Adolf von Baeyer několik aldehydů, mimo jiné formaldehyd, s fenoly v silně kyselých roztocích za vzniku dehtovitých pevných látek. Leo Baekeland zjistil, že tyto látky lze upravit do podoby křehké hmoty, označené jako bakelit; bakelit se následně stal prvním průmyslově vyráběným syntetickým plastem.

Úspěch bakelitu vedl k podrobnějšímu zkoumání reakcí fenolu s formaldehydem. V roce 1942 zjistil Alois Zinke, že p-alkylfenoly s formaldehydem v silně zásaditých prostředích vytváří cyklické tetramery. Joseph Niederl a H. J. Vogel získali podobné cyklické tetramery kysele katalyzovanými reakcemi resorcinolu s benzaldehydem a dalšími aldehydy. Později si John Cornforth všiml, že produkt reakce p-terc-butylfenolu s formaldehydem je směsí cyklického tetrameru a jiného cyklomeru.

V 70. letech 20. století C. David Gutsche zjistil, že má tento tetramer kalichovitý tvar a pokusil se použít jej jako xenolog enzymu; tímto se spustila studie trvající okolo 30 let. Zavedl označení „kalixaren“: z řeckého slova pro kalich „kalix“, a označení přítomnosti arylových skupin. Určil také struktury cyklického tetrameru, hexameru, a oktameru, a vyvinul postupy přípravy těchto látek s vysokými výtěžnostmi.

Vedle Gutscheho se touto oblastí zabývali také Hermann Kämmerer a Volker Böhmer., kteří vyvinuli postupnou syntézu kalixarenů. Chemici z  Parmské univerzity Giovanni Andreetti, Rocco Ungaro, a Andrea Pochini, jako první pomocí rentgenové krystalografie určili jejich strukturu. Výzkum kalixarenů se stal významnou součástí supramolekulární chemie a zapojili se do něj vědci z celého světa. Donald J. Cram podrobně prozkoumal Niederlovy cyklické tetramery získané z resorcinolu a aldehydů.

Využití

V lékařství Kalixareny rozpustné ve vodě, jako je para-sulfonatokalixaren, se zkoumají jako nosiče léčiv i jako samotná léčiva; například kalixaren inhibuje biogenezi mimobuněčných vezikulů u nádorů slinivky břišní, což narušuje uvolňování matricových metaloproteáz, čímž se zpomalí tvorba metastáz.

Ostatní využití Kalixareny se používají jako materiály iontově selektivních elektrod pro měření hladiny sodíku v krvi. Mohou rovněž tvořit komplexy s kadmiem, olovem, lanthanoidy, a aktinoidy. Kalixaren a fulleren C70 v p-xylenu vytváří supramolekulární komplex.

S alifatickými aminy, například piperidinem, alixareny vytváří soli.

Deriváty a homology kalixarenu se mohou selektivně vázat na anionty (hlavně halogenidové), přičemž dochází ke změnám optických vlastností, například fluorescence.

Kalixareny, především kalixareny, se zkoumají jako možné nosiče katalyzátorů. Některé jejich komplexy se účastní hydrolytických reakcí.

Kalixareny jsou předměty výzkumu v mimetice enzymů, jako součásti iontově selektivních elektrod, selektivních membrán, a v nelineární optice.

Tetrathiakalixaren napodobuje některé vlastnosti akvaporinů. Tato látka zaujímá 1,3-střídavou konformaci (s methoxy skupinami na spodním kruhu) a voda se nenachází v „košíku“, nýbrž mezi dvěma terc-butyly na vnějším lemu. Nepórovité a hydrofobní krystaly se na 8 hodin ponoří do vody, přičemž poměr kalixaren:voda dosáhne hodnoty 1:1.

Kalixareny urychlují reakce společným působením polární stabilizace přechodného stavu a vyšší lokální koncentrace. Jeden z derivátů resorcinarenu urychlil Menšutkinovu reakci chinuklidinu s butylbromidem 1600krát.

Kalixareny lze také použít jako makrocyklické části rotaxanů.

Jsou popsány také heterokalixareny, u kterých jsou fenolové jednotky nahrazeny heterocyklickými, například furany u kalix[n]furanů nebo pyridiny u kalix[n]pyridinů.

Odkazy

Reference

Externí odkazy

Kategorie:Makrocyklické sloučeniny Kategorie:Chelační činidla Kategorie:Alkylfenoly