Navigare necesse est!

     Mondta Pompeius, amikor a viharos tengeren kellett gabonát szállítania embereinek. Egyszer ezzel a címmel írtam egy esszét a világ (talán) legnagyobb hajójáról. És hogy mindez hogy jön ide? Azon gondolkoztam, hogy miről írhatnám az első bejegyzésemet a kutatói blogomban. És hát mi másról, mint a kalixarének alkilezéséről, hiszen „kalixarént alkilezni szükséges”. És mi más pecsételte/jellemezte/keserítette meg jobban elmúlt pár évemet, mint éppen a kalixarének alkilezése.

     A kalixarének közkedveltek a szupramolekuláris kémikusok, szenzormolekulákat szintetizáló kutatók körében. Mert egy lipofil, merev, előrendezett, 3D-s váz(á)ról (a calix szó vázát jelent, ez a név etimológiája is egyben, a molekula alakjára utal az elnevezés) van szó, mely sokoldalóan módosítható mindkét karimáján. És az eredmény jó esetben egy minden eddiginél szuperebb (érzékenyebb, szelektívebb) szenzormolekula. Na, ha ezt nem is sikerült felfedezni, de a kalix[4]arén alsó karimáján való szubsztitúcióban szert tettem némi tapasztalatra. Ezeknek megosztása következik most.

     A kalix[4]arén alsó karimáján négy fenolos OH csoport található, ezek közül helyettesíthetünk (logikusan) egyet, kettőt, hármat vagy négyet (néhány reakcióban a "nullaszoros" helyettesítést is sikerült megvalósítani, erről azonban most nem írnék:) ). A szelektív helyettesítések alapja - amikor szelektíven egy vagy kettő vagy három OH csoportot viszünk reakcióba - az egyes hidroxilcsoportok eltérő savassága. Ennek oka pedig az egyes OH csoportok deprotonálásával keletkező fenolátok eltérő stabilitása, ami a megmaradt OH csoportok H-kötésen keresztüli stabilizáló hatásától függ.

     A kalix[4]arén első két pK-ja valamivel nagyobb, mint a következő kettő, ez az alapja, hogy kétszeresen és négyszeresen helyettesített kalix[4]arén származékot könnyű csinálni, egyszeresen és háromszorosan helyettesített pedig nem. Általában nagyon nem.

     A szelektivitás kulcsa szinte minden esetben a megfelelő erősségű bázis megfelelő mennyiségben való alkalmazása, valamint a megfelelő alkilezőszer-felesleg használata.

     Tudománytörténeti okokból :) elsősorban a propargilcsoportnak a kalix[4]arén alsó karimájára való bevitelével foglalkoztam sokat, így az itt szerzett tapasztalatokról szól a bejegyzés következő része.

     Monopropargil-kalixarént az irodalom állítólag tud csinálni, azonban ezek a módszerek vagy nem reprodukálhatóak, vagy nem szelektívek (magyarán nem működnek). Az előbbi kategóriába sorolható a nátrium-metilát bázis használata, ezzel a módszerrel egyáltalán nem sikerült eredményt elérnünk, míg utóbbiba a bisz(tributil)ón-oxid és tetrabutilammónium-jodid használata, amely ugyan csak kétszeres kromatografálás után, és az irodalminál jóval gyengébb termeléssel, de mégiscsak a terméket adta. Végül a "statisztikus módszer" és a termékelegy kromatográfiás szétválasztása mellett döntöttünk. Ebben az esetben a kiinduló anyag, a szubsztituálatlan kalixarén, a mono- illetve a diszubsztituált termék elegyét kaptuk és kromatografáltuk komponenseire. Erre a célra para-tBu-kalixarén esetén a "fél ekvivalens kálium-karbonát acetonban", míg para-H-kalixarén esetén a cézium-fluorid bázis DMF-ben való reakcióját használtuk, mely módszereket eredetileg a megfelelő monoallil-származékok előállítására írtak le.

     A nehézségek láttán ugyancsak szimpatikussá vált monopropargilszármazék kerülőúton való előállítása: ez ugyan soklépéses, azonban fáratságos kromatográfiás tisztítást nem igényel, és az egyes lépések termelése olyan magas, hogy az eredő termelés eléri az egylépéses módszer termelését. A stratégia alapja, hogy a disztális diszubsztitúció könnyen megy és egy O-akil csoport eltávolítása ugyancsak egyszerű trimetilszilil-halogenidekkel (TMSBr).

     Disztálisan diszubsztituált kalix[4]arént (ebben az esetben a két helyettesítő egymással szembeni fenolos egységeket helyezkedik el) csinálni nem kunszt: nagyjából ész nélkül kell összekeverni alkilezőszert, kálium-karbonátot és kalix[4]arént, forralgatni acetonban úgy egy éjszakát, és ha működik a kémia, reggelre ott a termék készen, egy kristályosítás után tisztán. Legalábbis az egyszerű alkil és pl. propargil csoportra. 

 

     Ha proximális izomert (vagyis ahol a két helyettesítő csoport egymás melletti fenoxi csoportokon foglal helyet) szeretnénk előállítani, már nincs ilyen könnyű dolgunk, nagyon kevés leírás található erre az esetre, orosz kutatók pl. kálium-hidroxiddal DMSO-ban értek el proximális-szelektivitást egyszerű dialkil-kalixérének esetén.

     Ha a kalixarén para-helyzetben hidrogénatomot tartalmaz, akkor a fent részletezett kálium-karbonát-acetonos/acetonitriles módszer már nem vezet egységes termékhez, ehelyett fázistranszfer körülmények között sikerült a terméket megkapnunk kloroform-vizes lúg elegyében (a fázistranszfer katalizátor PEG volt), egy az allilcsoportra leírt módszert adaptálva.

A p-tBu és a p-H-kalix[4]arén szerkezete

     Háromszoros szubsztitúcióra is kevés példa található, ilyenkor általában bárium-oxid - bárium-hidroxid elegyet vagy kalcium-hidridet használnak. Továbbá tribenzoilezhetőek a kalix[4]arének piridinben.

     A négyszeres vagy peralkilezéshez csak egy elegendően erős bázis szükséges a megfelelő alkilezőszer feleslegével. Erre leggyakrabban NaH használatos DMF-THF rendszerben; mi előnyben részesítettük a PTC megoldást: bázisként nátrium-hidroxidot, fázistranszfer katalizátorként tetrabutilammónium-bromidot használtunk toluolban, magasabb hőmérsékleten.

     A fáradtságosan előállított monopropargil-kalix[4]arén pedig kiválóan alkalmas click reakción keresztül ionoforok előállítására, újfajta konformációváltások felismerésére, és... de erről majd egy más alkalommal. Jó éjszakát, gyerekek! :)