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Chemische Analytik mit Calixarenen
Einleitung
Ligand-Design
Struktur-Selektivitäts-Beziehungen
Beispiele: Na+, K+, Ca2+, Amine, Aminosäuren
Umsetzung der Selektivität in auswertbare Signale
Beispiele: Farbänderung, Fluoreszenz, u.a.
R. Ludwig
F U Berlin
Die Herkunft des Namens
Molekulares Design
calyx
CPK-Modell
Kristallstruktur
O
C
OO
C
OO O
OH
OC
O OC
OO
molekulares Rückgrat
GAST
WIRT(3D)
Ion mit bekannter Koordinationssphäre
begrenzte Flexibilität (Konformationsänderung)
Donoratome(Koordination)
Hohlraum(π-basisch)
CH2
OH
6
OH
Solvens
Base, HCHO
Base (Templat-Kation) Lösungsmittel n Ausbeute #
4
5
7
8
n
NaOH (0.04 Äq.) Diphenylether 50-55 %
tert-BuOK (0.26 Äq.) Tetralin 16 %
KOH (0.3 Äq.) Xylen 80 %
NaOH (1 Äq.) Dioxan 20 %
NaOH (0.03 Äq.) Xylen 55-65 %# nach Aufabeitung
R
OCH2C OOH
R
O
R
CH3
OCH2C OOH
R
O
R
OCH2C OOH
CH2C ON
C2H5 C2H5
R
O
R
OCH2C OHO
CH2C ON
C2H5 C2H5
R
O
R
CH3
OCH2C OOH
O OCH2C OOH
CH2C ON
C2H5H2C5
OCH2C OOH
O OCH2C OOH
CH2C ON
C2H5H2C5
O OO OO O
OHO
H
O OO O
OO
CH2SC
O
NHnBunBu
CH2CS
O
NH
O OOO
CH2CH2
O O
O OC
COOR
OOR
R
OCH2C ONHOH
3 3
3
3
3
6
3
4
1 3
2
6
66
Synthesen
Ziele: -Formung eines Hohlraums, der von n methylen-verbrückten Phenylringen gebildet wird und der bei Komplexbildung das komplexierte Ion oder Molekül aufnimmt
-Festlegung der Größe des Hohlraumes durch die Zahl der Phenylringe (4-9)
-einfache Derivatisierung an den phenolischen OH-Gruppen oder nach De-t-Butylierung
(Beispiel mit 4 Phenylringen sowie tert-Butylgruppen)
(Beispiel mit tert-Octylgruppen und 4 Carbonsäureamidgruppen)
OR ORORRO
O OO OCH2 CH2CH2
CH2
CC C
CNNNN
OO O
OH5C2
H5C2 C2H5C2H5
C2H5C2H5
C2H5H5C2
0
100
200
300
400
500
600
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000me
CAS
meCAS
Publikationen über Calixarene
logKNa,M = -5.0 (K+)-2.8 (Li+)-4.8 (Rb+)-4.4 (NH4
+)-4.5 (Mg2+)-4.4 (Ca2+)-5.4 (H+)
logKK,Na = -3.7
Ungaro et al./Reinhoudt et al. 1993
Shinkai et al. 1994
O O
O O
OOH2C CH2
C OO
COO
RR
C2H5C2H5
R = H
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
X
Selektivität gegenüber Alkali-Ionen
logKK,M = -4.4 (Na) -4.0 (Mg) -3.9 (Ca)
Reinhoudt et al./Ungaro et al. 1996, Shinkai et al. 1994
Arbeitselektrode (Ag/AgCl)
Membran, bestehend aus: PVC, Weichmacher,Additiv (z.B. Phenylborat), Ligand
NaCl-Lösung
Potentialdifferenz zwischen denGrenzflächen
Umsetzung der Alkaliionen-Selektivität in ein analytisches Signal: Fluoreszenz
Shinkai 1992
.
Na+
h ν'
NO2
h ν.
O
CO
OC
OO O
O
OC
O OC
O
O
Et Et
NO2
O
CO
OC
OO O
O
OC
O
OCO
O
Quencher
e -
Et Et
h ν.
logKass for MSCN = 4.3 (Na) 2.9 (K)2.2 (Cs)1.9 (NH4)1.2 (Li)
… oder Monomer-Excimer- Verhältnis bei der
FluoreszenzemissionHN
O NHO HN
O
γ-CD
γ-CD γ-CD
Einschlußkomplex
Shinkai et al. 1996
O O
O O
OOH2C CH2
C OO
COO
C2H5C2H5
.
h ν
h ν
Dimer Fluoreszeνz, 480 νm (stark)
.
'
O O
O O
OOCH2
CH2
C OO
CO
O
C2H5C2H5
.h ν'
h ν'
h ν..
Moνomer Emissioν 380 νm
Na+
Photoinduzierter Elektronentransfer (PET)
0.012 (kein M+)0.62 (Cs+) 0.49 (Rb+)0.41 (K+)0.07 (Na+)
Log K Ass. = 6,6 (Cs+), 4,06(K+)Moyer et al. 1997
F = O O
O O
OO
O O
OOO O
CN
NC
Fluorophor
hν Absorπt.
Rezeπtor
X
hν Emiss. hνAbsorπt.
Sπacer
Rezeπtor
PET
Sπacer
Fluoroπhor
Cs+strahluνγslose Deaktivieruνγ
X
X
-2.3 (Sr)-2.9 (Mg)-2.8 (Na)
Chang et al. 1998
OO
O ON
O O
N
NMe
Me
OO
O ON
O O
N
NMe
Me
O OH
CH2
NN
NO2
O2N
Absorption 437 nm 605 nmFarbe
M+
bathochrome Verschiebung
2
C
Ionophor
O
N
bei Anregung mit Licht:Ladungs-
Akzeptor DonorChromophor
C2H5 C2H5
h ν
M+
Kombination eines Calcium-selektiven Liganden mit einem Chromophor
logKCa,M =
O
C
ROOC
OO O
OR
OC
ROOC
RO
O
HNCO
HN
nOct
NHCONH
nOct NO2
O
O
O
O
Dicarboxylate
NH
R R
NH
R R
NH
R R
NH
R R
chromatogr. Anionentrennung aufgrund der Ladungsdichte (ATP/ADP)
2
Anionen-Erkennung
Ungaro et al., Reinhoudt et al., 1996
Sessler et al. 1998
OR2
OH
NH
Co+ PF6-
in wäßriger Lösung: elektrostatisch, Größe
SO2
NH
NHCO
CH3
O
C
RO
OC
OO O
OR
OC
RO
O C
RO
O
SO2
NH
NHCO
CH3
SO2
NH
NHCO
H3C
SO2
NH
NHCOCH3
log Kass = 5.0 (HSO4
-, tetraedrische Koordination) 3.1 (Cl-), 2.7 (NO3
-), <0.1 (ClO4-)
NMR, CDCl3
Chirale Calixarene
O OO OR
RR
HO3SHO3S SO3H SO3H
O OO
R RR
RO
z. B. Camphorsulfonylchlorid, 2-Methylbutyl, Glycidyl, Bisnaphtol, CH2CONHCH(R)COOR'
z. B. Aminosäureester
chiraler Gast: induzierte Chiralität
chirale Gruppe
O OO O
A A C BOO OO
AACB
Enantiomeredurchunterschiedliche Substituenten
AABCoder ABCD
AACBoder ABCD
Chiralität aufgrund der Molekülkonformation
OO OAAA
OA
gehinderte Rotation(R > Et)
'partial cone' Konformation
nicht chiral
OO OA
BA
OA
O OOA
B A
OA
Enantiomere
u. v. a. m.:
O A OO
OO
O
BB
B A
A
OAOO
OO
O
B B
BA
A
OAOO
OO
O
B B
BA
B
AABABB AABBAB
achiral
Enantiomere
OA
OO
O
O
B B
B
B
OA
chiral
z. B. A = P(O)(OEt) 2, B = H
Größere chirale Calixarene
OO
OOO
O
HH HH
OO
OOO
O
Abstoßung
Verdrillung (Scharnier)
Einführung der Chiralität mit Hilfe des Biphenyl-Scharniers an einem Kronenether
… und an einem Calixaren-Grundgerüst
Komplementäre Bindungsstellen
Kubo et al. 1996
H
R
H
CH2
HNH2
CH2
HNH2 HO
H
R
H
HH
OH
HO
ROH
R
Phenylglycinol(protoniert) S
R
660 nm Absorption
H
R
H
OHH
R
HHH
OH
N
N
O
O
O
OO
O
O
HO
N
N
O
O
O
OO
O
O
HO
O O
O
O
O
O
O
OHO
H
NN
OO
N
N
O
O
O
OO
O
O
OH
OH
'Peptidocalixarene'Erkennung von Aminosäuren und kleinen Peptiden
Kass für aromatische a-Aminosäuren bis 700 M-1
Selektiver Transport aromatischer Aminosäuren durch eine Membran Ungaro 1999
O OO O
OO
NH NH
OOOO
O
NH
O O
ONH
OO
O O
4 Li+
aromatische Bindungsstellen
elektrostatische Bindungsstellen
H-Brücken-Bindungsstellen
Festlegen einer starren Konformation
O OO O
OONH HN
OORR
O OO O
NH HN RR R
R
PP OO
OOO O
RR
R = CH3
=
R = OCH3NHNH2NHCH2CONHNH2u.a.
O OO O
NNN N
Erkennung von Nucleotiden
Schneider et al. 1999
Kass bis 70000 M-1 (Ionenpaarbildung, partieller Einschluß im Käfig)
Komplex mit ADP bzw. ATP(Modellierung)
O OO O
OOOO
O
OHHO
HO
OH
O
HOOH
OH
HO
O
HO
OH
OH
OH
O
OHHO
OH
HO
'overcrowding'
Zucker-Cluster zur komplementären Erkennung
Glucose-substituiertes ResorcarenKAss = 106 durch ConA (spezifisch)
Ungaro et al. 1997 Aoyama et al. 1998
C11H23
C11H23C11H23
C11H23
O
O
O O
O
O
OO
O
HO
OHOH
HO
O
HO
OHHO
OHNH
O
O OH
OH
HO
OHOHO
OH
OH
HO
HNO
O
OH
HOHO
OH
O
OH
HOOH
HO NH
O
O
OH
HOHO
OH
O
OH
HOOH
HO HN
O
O
HO
OHOHHO
O
HO
OHHO
OHNH
O
O
HO
OHOHHO
O
HO
OHHO
OHNH
O
O
OH
HO HO OH
O
OH
HOOH
HOHN
O
O
OH
HO HO OH
O
OH
HOOH
HOHN
O
Wechselwirkungen:
Dipol - Dipol, Ion - Dipol (elektrostatisch)Wasserstoffbrückenhydrophobe Wechselwirkungen, π - π, Kation - π, charge - transfermöglichst Entropiegewinnvan der Waals
Designkriterien:sterisch komplementär, passende Größepassend zur Koordinationssphäremehrere, komplementäre Wechselwirkungen (cooperative Binding)
O R' O
OO
O
O
'RR'
R' 'R
R'
NR3
R3NNR3
NR3
Surface
R' = Carboxylat,Carbonsäureamid
NR3
Neue Ideen ?
z. B. 'through cavity binding'(schnelle Kinetik)
Trennungen an fixierten Calixarenen
Trennung durch Retention in den Hohlräumen der Moleküle (endo)
Trennung durch Retention in den Zwischenräumen (exo)
Sponsors:
DFGAvHK&SSMMDAADJRDCJAERI Saga Univ.EUS.I.F.TITFUB
Cooperation:
JAERISaga UniversityKuyshu Univ.SynaptecECPMSMMFZJTexas Tech Univ.J.-Gutenberg Uni. MainzTIT
Co-workers:
Dr. T. K. D. Nguy‘nM. Sc. S. KuwataD.C. D. H. TranM. Sc. K. KunogiB. Sc. H. HiguchiDr. Kamel BelhamelMr. Le Hong MinhD. Wille
Macrocyclische Liganden mit Calixaren-Struktur Macrocyclische Liganden mit Calixaren-Struktur
