Acyclic Congener of Cucurbituril:  Synthesis and Recognition Properties

Abstract

The cucurbit[n]uril (CB[n]) family of macrocycles occupies a prominent role in molecular recognition and self-assembly studies despite the current inability to access specific cucurbit[n]uril homologues, derivatives, and analogues by straightforward tailor-made synthetic procedures. In this paper, we explore an approach that circumvents the challenges posed by the tailor-made synthesis of macrocyclic CB[n] by preparing 1, which functions as an acyclic CB[6] congener. The o-xylylene connections to the glycoluril rings preorganize 1 into the (a,a,a,a)-1 conformation required for binding and reduce its tendency to undergo self-association. We surveyed the binding properties of 1 toward 16 amines (K(a) <or= 1.52 x 10(4) M(-)(1)) and diol, diacid, guanidinium, and pyridinium species in pD 7.4 phosphate-buffered D(2)O. We find that the recognition properties of 1 parallel those of CB[6], binding tightly to alkaneammonium species in water and exhibiting length-dependent selectivity and competitive binding with alkali metals present in solution. Compound 1 binds hexanediammonium ion only 180-fold less tightly than CB[6]. The modular synthesis of 1 suggests synthetic methods toward the preparation of acyclic CB[n] congeners with complex functional groups on the edges of their aromatic rings and cavity volumes similar to CB[7] and CB[8]. In combination, these results suggest that acyclic CB[n] congeners hold promise in molecular recognition and self-assembly studies that complements that of macrocyclic CB[n].

The Cucurbit[n]uril Family

“…It seemed likely that if the CB[n] family could be modified to improve their solubility in organic media, to alter the size and shape of the cavity, and to provide different functional groups that interact directly with guests then the range of potential applications of the CB[n] family would be dramatically expanded. The following sections describe the approaches that we, [245][246][247][248][249] and others, [8,90,201,[250][251][252][253][254] have taken toward alleviating these potential limitations.…”

Supramolekulare Chemie in Wasser

“…[69] Die Komplexierung der Alkandiamine hängt von der Kettenlänge ab und bezieht hydrophobe Wechselwirkungen zwischen dem zentralen Polymethylenteil des Gastes und dem Pinzetteninneren sowie Wasserstoffbrücken und Ion-Dipol-Wechselwirkungen zwischen den Harnstoffsauerstoffatomen und den Ammoniumenden des Gastes mit ein (zum Beispiel in 31). [69] Die Ion-Dipol-Wechselwirkung wird durch den Phosphatpuffer stark beeinflusst, dessen Metallkationen in wässrigen Medien mit den Gästen um die Bindung an die Sauerstoffatome konkurrieren.…”

“…[69] Die Komplexierung der Alkandiamine hängt von der Kettenlänge ab und bezieht hydrophobe Wechselwirkungen zwischen dem zentralen Polymethylenteil des Gastes und dem Pinzetteninneren sowie Wasserstoffbrücken und Ion-Dipol-Wechselwirkungen zwischen den Harnstoffsauerstoffatomen und den Ammoniumenden des Gastes mit ein (zum Beispiel in 31). [69] Die Ion-Dipol-Wechselwirkung wird durch den Phosphatpuffer stark beeinflusst, dessen Metallkationen in wässrigen Medien mit den Gästen um die Bindung an die Sauerstoffatome konkurrieren. [69] Die Cucurbituril-Pinzette 32 dimerisiert in vielen Lö-sungsmitteln isostrukturell, [70] unter Beibehaltung des gleichen Assoziationsmotivs, sowohl in unpolaren aprotischen Medien wie Chloroform als auch in konkurrierenden, polaren protischen Lösungsmitteln wie Methanol und Wasser (Dimerisierung von 32 in D 2 O: K a = 3.6 10 4 m À1 ).…”

“…[69] Die Ion-Dipol-Wechselwirkung wird durch den Phosphatpuffer stark beeinflusst, dessen Metallkationen in wässrigen Medien mit den Gästen um die Bindung an die Sauerstoffatome konkurrieren. [69] Die Cucurbituril-Pinzette 32 dimerisiert in vielen Lö-sungsmitteln isostrukturell, [70] unter Beibehaltung des gleichen Assoziationsmotivs, sowohl in unpolaren aprotischen Medien wie Chloroform als auch in konkurrierenden, polaren protischen Lösungsmitteln wie Methanol und Wasser (Dimerisierung von 32 in D 2 O: K a = 3.6 10 4 m À1 ). Dieses Verhalten ist auf kompensierende kooperative Wasserstoffbrü-cken und p-p-Wechselwirkungen zurückzuführen.…”

Cucurbiturilas

“…A basicidade destes compostos é bastante baixa sendo verificados pKa's do ácido conjugado do CB [6] da ordem de 3, sendo desconhecida para os outros cucurbitandos. Uma das estratégias para contornar o problema de solubilidade é a utilização de meios salinos ou ácidos para aumentar a solubilidade destes compostos pela formação de complexos com ácidos duros ou, ainda, pela protonação das carbonilas dos opérculos destas estruturas 12 4,7,[16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27] . A reação de CB [6], por exemplo com K 2 S 2 O 8 , dá origem a 12 grupos OH radiais nos carbonos terciários em meio aquoso 22,28 , enquanto que a utilização de dimetil glicolurila como monômero precursor dá origem à decametil-CB [5] …”