Los calixarenos son compuestos macrocíclicos , productos de la oligomerización cíclica de fenol con formaldehído [1] . El nombre calixareno ( calixarene ) fue propuesto por primera vez por David Gutsche [2] y proviene de la palabra latina "calix" o " chalice " bowl, que refleja la forma especial de la molécula (Fig. 1) y la palabra "arene (arene )" que indica en el bloque de construcción aromático del compuesto.
En la composición de los calixarenos clásicos, se puede distinguir el borde central superior del anillo y el borde inferior formado por sustituyentes terc-butilo en posición para, fragmentos de arenos aromáticos y sustituyentes hidroxi o alcoxi en la posición inferior del macrociclo, respectivamente. Juntos, estos fragmentos estructurales forman la cavidad interna de la molécula de calixareno, cuyo volumen es en promedio de 10 angstroms cúbicos.
Debido a la inconveniencia de la nomenclatura IUPAC para el nombre de los calixarenos, así como otros objetos de la química supramolecular , se utiliza una nomenclatura trivial que tiene en cuenta las características estructurales del macro(hetero)ciclo: la nomenclatura de D. Gutsche, que se basa en el nombre del representante más simple de los calixarenos que se muestra en la Figura 2.
De acuerdo con la nomenclatura de Gütsche, este compuesto se denomina 25,26,27,28-tetrahidroxicalix[4]areno, donde el número entre corchetes indica el tamaño del macrociclo, y la naturaleza y posición de los sustituyentes en el núcleo aromático se especifica mediante los números y descriptores correspondientes. Actualmente, el nombre de esta estructura es la base de la nomenclatura de una extensa clase de calixarenos modificados, resorcinarenos, tiacalixarenos con diferente número de fragmentos de arenos.
El comienzo del desarrollo de la química de los calixarenos está asociado con el nombre del científico alemán Adolf von Baeyer ( Adolf von Baeyer, 1835-1917 ). La reacción del benzaldehído con el pirogalol realizada por él en presencia de un ácido fuerte condujo a la formación de un polímero [3] , cuya estructura permaneció sin identificar debido al insuficiente desarrollo de métodos analíticos en ese momento. Bayer pretendía utilizar estos compuestos como colorantes en la industria textil. El siguiente paso en el desarrollo de la química de los calixarenos lo dio el belga Leo Baekeland , quien estudió la reacción de condensación del formaldehído con fenol, que también condujo a la formación de un polímero [4] . El primer intento de controlar la reacción de polimerización fue realizado por Zinge y Ziegler (Alois Zinke y Erich Ziegler). El p-terc-butilfenol que utilizaron, en el que el sustituyente en la posición para inhibe la formación de polímeros ramificados, reacciona con formaldehído en aceite de linaza en presencia de NaOH para formar un polímero lineal [5] . En el mismo año, Niederl y Vogel (Niederl, Vogel), habiendo llevado a cabo la reacción en casi las mismas condiciones, pero utilizando resorcinol sustituido en lugar de fenol , lograron la formación de un tetrámero cíclico, el futuro calix[4] resorcinareno [6] , que supuso un verdadero avance en el desarrollo de la química de los calixarenos. D. Cornforth ( John Cornforth ) en 1955 fue uno de los primeros en darse cuenta del potencial de los calixarenos como compuestos similares a cuencos, análogos de enzimas y, repitiendo los experimentos de Zinge y Ziegler, demostró que esta mezcla contiene varios componentes.
Por primera vez, estos compuestos fueron obtenidos por el método de ciclación por pasos en 1956 por el grupo de Hunter [7] . Se obtuvieron oligómeros lineales con tres y cuatro fragmentos fenólicos mediante la condensación por etapas de fenoles sustituidos con 2-bromo-4-alquilo en un derivado de bisfenol. Después de la desbromación en la última etapa, como resultado de la ciclación intramolecular, se obtuvo un derivado que tenía cuatro fragmentos aromáticos en su composición. Posteriormente, Kammerer et al. también utilizaron una técnica similar para la síntesis del macrociclo. para obtener otros calixarenos [8] .
| Tabla: Síntesis de calixarenos y tiocalixarenos | |||||
| reactivos | Base | Solvente | La temperatura | Producto | |
|---|---|---|---|---|---|
| CH2O _ _ | NaOH | óxido de difenilo | 259°C | n=4 | |
| KOH RbOH | xileno | 139°C | n=6 | ||
| NaOH | xileno | 139°C | n=8 | ||
| S8 _ | NaOH | MeOH (CH 2 CH 2 O) 4 Me | 230°C | tio n=4 [9] | |
Una desventaja significativa de los métodos de ciclación por etapas fue el bajo rendimiento (5-30%, dependiendo del tamaño del macrociclo) de los productos finales. El aumento de la eficiencia de las reacciones de ciclación fue posible gracias al trabajo del grupo de D. Gutsche, en el que la síntesis de arenos terc-butilcalix[4,6,8] se llevó a cabo utilizando el efecto plantilla y condujo a la formación de macrociclos con alta (50-82%) rendimientos [2] . De la tabla se deduce que el resultado de la reacción de ciclación depende del tamaño del catión de metal alcalino, cuyo hidróxido se utiliza como base, y de la temperatura de reacción. Así, se encontró que el terc-butilcalix[8]areno es un producto de control cinético , el terc-butilcalix[4]areno es un producto de control termodinámico, y el terc-butilcalix[6]areno es un control molde, es decir , se obtiene exclusivamente en el caso de utilizar KOH o RbOH . El efecto plantilla sugiere una clara correspondencia entre el tamaño del catión de metal alcalino y el tamaño del macrociclo resultante. Estudios posteriores de complejos de (alcoxi)calixarenos con iones de metales alcalinos y alcalinotérreos permitieron revelar una serie de condiciones para la formación de complejos estables de esta composición, que incluyen la correspondencia entre los tamaños del ion metálico y la cavidad del macrociclo. , la disposición espacial de los átomos de oxígeno en el borde inferior del macrociclo y la carga del ion metálico. Por el momento, existe un enfoque conocido para la síntesis de un número diverso de derivados de calixareno con diferentes grupos puente (C, S, Se) y diferentes números de 3 a 20 [10] bloques estructurales (fragmentos de areno). Pero, a pesar de una variedad tan grande de derivados de calixareno, incluidos los calixresorcinarenos, las plataformas de calixareno y tiocalixareno con 4,6, y en casos raros con 8, los fragmentos de areno han recibido el mayor uso como receptores orgánicos.
Los calixarenos pueden existir en muchas conformaciones diferentes debido a la posibilidad de dos tipos de inversión [11] oxígeno a través del anillo y para-sustituyente a través del anillo (Fig. 3). Cabe señalar que la rotación transanular se vuelve imposible solo debido a la introducción de grupos voluminosos, tanto en el borde inferior del macrociclo como en las posiciones para de los anillos aromáticos (borde superior).
Los derivados de calix[4]arenos y tiocalix[4]arenos pueden tener cuatro conformaciones principales [12] (Fig. 1) cono (a), cono parcial (b), 1,2-alternativo (c) y 1,3 -alterno (d) (Fig. 4), que difieren en la posición mutua de los fragmentos aromáticos en relación con el plano principal del macrociclo, que pasa condicionalmente a través de los enlaces de metileno. Es necesario distinguir los esqueletos conformacionalmente móviles y conformacionalmente rígidos de los calixarenos, es decir, calixarenos en los que las transiciones entre conformaciones básicas son posibles o no.
Los cálculos utilizando métodos de mecánica molecular junto con el método de RMN (1H, 13C) mostraron que para la conformación de cono en solución, existe una transición dinámica rápida de un cono aplanado a un cono aplanado (Fig. 5), [13] debido a la transición de dos fragmentos aromáticos orientados verticalmente a una posición inclinada, y los otros dos, de una posición inclinada a una vertical. Por lo tanto, en solución, los cuatro fragmentos de areno son equivalentes, este hecho también se observa para calixarenos con una gran cantidad de fragmentos estructurales [14] .
Debido a las ventajas descritas en este artículo, los calixarenos son ampliamente utilizados en diversas industrias. Así, en química analítica , basados en plataformas de calixareno, se han sintetizado receptores para la extracción selectiva y/o grupal de iones de diversos metales: metales alcalinos (Na(I), K(I), Cs(I), Li(I )), metales alcalinotérreos (Ca(II), Mg(II)) [15] y metales de transición (Ag(I), Pd(II), Au(III), Hg(II)) [16] . de la tecnología de reconocimiento molecular permite desarrollar catalizadores basados en plataformas macrocíclicas de calixareno cuya actividad y selectividad están determinadas por interacciones intermoleculares entre sustrato y catalizador [17] . En este caso, es posible considerar sistemas catalíticos que incluyen receptores macrocíclicos no coordinados que actúan como "microrreactores" estabilizando el estado de transición de la reacción o afectando la regio- y estereoselectividad del proceso debido a la orientación específica del sustrato. Los catalizadores representados por un centro metálico y un ligando atraen la atención particular de los investigadores.. Por lo tanto, la unión del sustrato por la cavidad del ligando - receptor determina su orientación con respecto al centro metálico, lo que afecta significativamente la distribución de productos y la selectividad de sustrato de la reacción. En catálisis homogénea, es posible utilizar complejos a base de calixarenos que contienen azufre con oro para la oxidación catalítica de varios sulfuros nocivos, como el gas mostaza , en condiciones suaves [18] . En bioquímica , los calixarenos se utilizan como análogos de enzimas, con la ayuda de los cuales es posible modelar procesos enzimáticos complejos. Así, el tetrametoxi(tio)calixareno puede actuar como un análogo de la proteína acuaporina para simular el transporte de agua a través de la membrana celular [19] . En la fase sólida, los calixarenos existen como estructuras de dos capas con una orientación de moléculas cabeza a cabeza, formando una cavidad interna capaz de incluir moléculas huésped de un tamaño estrictamente definido [20] . Atwood descubrió que estos compuestos cristalinos pueden absorber dióxido de carbono y prácticamente no absorben hidrógeno , que puede usarse para purificar este último durante el reformado para su posterior uso de hidrógeno en una celda de combustible [21] .