Un calixareno es un macrociclo u oligómero cíclico basado en fenoles unidos por metileno . Con cavidades hidrofóbicas que pueden contener moléculas o iones más pequeños, los calixarenos pertenecen a la clase de cavitandos conocidos en la química huésped-huésped . [1]
La nomenclatura del calixareno es sencilla e implica contar el número de unidades repetidas en el anillo e incluirlas en el nombre. Un calix[4]areno tiene 4 unidades en el anillo y un calix[6]areno tiene 6. Se añade un sustituyente en la posición meso R b al nombre con un prefijo C- como en C-metilcalix[6]areno [ 2] La palabra calixareno se deriva del griego calix o cáliz porque este tipo de molécula se asemeja a un jarrón (o copa) y de la palabra arene que se refiere al componente aromático.
Los calixarenos generalmente se producen por condensación de dos componentes: un compuesto aromático rico en electrones, clásicamente un fenol 4-sustituido, y un aldehído, clásicamente formaldehído. [3] [4]
Los calixarenos pueden ser difíciles de sintetizar, ya que producen mezclas complejas de oligómeros lineales y cíclicos. Con materiales de partida y condiciones de reacción perfectamente ajustados, la síntesis también puede ser sorprendentemente eficiente. Los calixarenos son escasamente solubles como compuestos originales y tienen altos puntos de fusión. [7]
![de izquierda a derecha con n = 4 calix[4]areno, resorcinol[4]areno, pirogalol[4]areno. Ra es un sustituyente alquilo, Rb es hidrógeno con formaldehído o fenilo con benzaldehído, Rc es hidrógeno en los compuestos originales.](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bd/Calixarene-schema.png/1280px-Calixarene-schema.png)
Los calixarenos se caracterizan por tener una forma tridimensional de cesta, taza o cubo. En calix[4]arenos el volumen interno es de alrededor de 10 angstroms cúbicos. Los calixarenos se caracterizan por un borde superior ancho y un borde inferior estrecho y un anillo central . Con fenol como material de partida, los 4 grupos hidroxilo son intranulares en el borde inferior. En un resorcina[4]areno, 8 grupos hidroxilo se colocan extraanularmente en el anillo superior. Los calixarenos existen en diferentes conformaciones químicas porque la rotación alrededor del puente de metileno no es difícil. En el calix[4]areno existen 4 conformaciones arriba-abajo: cono ( grupo de puntos C 2v , C 4v ), cono parcial C s , 1,2 C 2h alternativo y 1,3 D 2d alternativo . Los 4 grupos hidroxilo interactúan mediante enlaces de hidrógeno y estabilizan la conformación del cono. Esta conformación está en equilibrio dinámico con las otras conformaciones. Las conformaciones se pueden fijar en su lugar con sustituyentes adecuados que reemplazan los grupos hidroxilo que aumentan la barrera rotacional . Alternativamente, colocar un sustituyente voluminoso en el borde superior también bloquea una conformación. El calixareno a base de p-terc-butilfenol también es un cono. [8] Los calixarenos están estructuralmente relacionados con los pilaresarenos .
En 1872, Adolf von Baeyer mezcló varios aldehídos, incluido el formaldehído, con fenoles en una solución fuertemente ácida. Los alquitranes resultantes desafiaron la caracterización; pero representaban los productos típicos de una polimerización de fenol/formaldehído. Leo Baekeland descubrió que estos alquitranes podían curarse hasta formar una sustancia quebradiza que comercializó como " baquelita ". Este polímero fue el primer plástico sintético comercial.
El éxito de la baquelita impulsó investigaciones científicas sobre la química de la reacción fenol/formaldehído. Uno de los resultados fue el descubrimiento realizado en 1942 por Alois Zinke de que los p-alquilfenoles y el formaldehído en una solución fuertemente básica producen mezclas que contienen tetrámeros cíclicos. Al mismo tiempo, Joseph Niederl y HJ Vogel obtuvieron tetrámeros cíclicos similares a partir de la reacción catalizada por ácido de resorcinol y aldehídos como el benzaldehído. Unos años más tarde, John Cornforth demostró que el producto del p-terc-butilfenol y formaldehído es una mezcla del tetrámero cíclico y otro ciclómero ambiguo. Su interés en estos compuestos estaba en las propiedades tuberculostáticas de sus derivados oxietilados.
A principios de la década de 1970, C. David Gutsche reconoció la forma del cáliz del tetrámero cíclico y pensó que podría proporcionar la estructura para construir un xenólogo enzimático. Inició un estudio que duró tres décadas. Su atención a estos compuestos provino de su conocimiento de los desemulsionantes comerciales de la empresa Petrolite , elaborados mediante etoxilación de productos aún ambiguos de p-alquilfenoles y formaldehído. Introdujo el nombre "calixareno": de "calix", el nombre griego de un cáliz, y "arene" de la presencia de grupos arilo en la matriz cíclica. También determinó las estructuras del tetrámero, hexámero y octámero cíclicos, junto con los procedimientos para obtener estos materiales con rendimientos de buenos a excelentes. Luego estableció procedimientos para unir grupos funcionales a los bordes superior e inferior y trazó un mapa de los estados conformacionales de estas moléculas flexibles. Además, demostró que el tetrámero cíclico se puede congelar en una conformación de cono mediante la adición de sustituyentes mensurablemente grandes al "borde" inferior de la forma del cáliz.
Concomitantemente con el trabajo de Gutsche estaba el de Hermann Kämmerer y Volker Böhmer. Desarrollaron métodos para la síntesis gradual de calixarenos. Los químicos de la Universidad de Parma , Giovanni Andreetti, Rocco Ungaro y Andrea Pochini fueron los primeros en resolver imágenes cristalográficas de rayos X de calixarenos. A mediados de la década de 1980, otros investigadores se incorporaron al campo de la química del calixareno. Se ha convertido en un aspecto importante de la química supramolecular y atrae la atención de cientos de científicos de todo el mundo. Los tetrámeros cíclicos de Niederl del resorcinol y los aldehídos fueron estudiados en detalle por Donald J. Cram , quien llamó a los compuestos derivados " cavitandos " y " carcerandos ". En la monografía de Gutsche se puede encontrar una historia precisa y detallada de los calixarenos junto con una discusión extensa sobre la química de los calixarenos.
Se ha examinado la administración de fármacos de los calixarenos solubles en agua, como el parasulfontocalix[4]areno. [9] Los calixarenos se utilizan en aplicaciones comerciales como electrodos selectivos de sodio para la medición de los niveles de sodio en sangre. Los calixarenos también forman complejos con cadmio , plomo , lantánidos y actínidos . El calix[5]areno y el fullereno C 70 en p -xileno forman un complejo supramolecular esférico. [10] Los calixarenos también forman sales de amonio exo-cálix con aminas alifáticas como la piperidina . [11] Los derivados u homólogos del calix[4]areno exhiben un comportamiento de unión altamente selectivo hacia los aniones (especialmente aniones halógenos ) con cambios en las propiedades ópticas como la fluorescencia . [12]
Los calixarenos en general, y más específicamente los calix[4]arenos, han sido ampliamente investigados como plataformas para catalizadores. Algunos compuestos complejos son activos para reacciones hidrolíticas. [13] [14]
Los calixarenos son de interés como miméticos de enzimas, componentes de electrodos o sensores sensibles a iones, membranas selectivas, ópticas no lineales [15] y en fases estacionarias de HPLC . Además, en nanotecnología los calixarenos se utilizan como resistencia negativa para la litografía por haz de electrones de alta resolución . [dieciséis]
Se ha descubierto que un tetratia[4]areno imita algunas propiedades de las proteínas acuaporinas . [17] Este calixareno adopta una conformación alternativa 1,3 (los grupos metoxi pueblan el anillo inferior) y el agua no está contenida en la canasta, sino que dos grupos terc-butilo opuestos en el borde exterior la agarran con una pinza. Los cristales no porosos e hidrófobos se sumergen en agua durante 8 horas, tiempo durante el cual la relación calixareno:agua adquiere no obstante el valor de uno.
Los calixarenos aceleran las reacciones que tienen lugar dentro de la concavidad mediante una combinación de efecto de concentración local y estabilización polar del estado de transición . Se ha descubierto que un cavitando de resorcina[4]areno extendido acelera la velocidad de reacción de una reacción de Menshutkin entre quinuclidina y bromuro de butilo en un factor de 1600. [18]
En los heterocalixarenos, las unidades fenólicas se reemplazan por heterociclos , [19] por ejemplo, por furanos en los calix[n]furanos y por piridinas en los calix[n]piridinas. Los calixarenos se han utilizado como la porción macrociclo de un rotaxano y dos moléculas de calixareno unidas covalentemente por los bordes inferiores forman carcerandos .