Cucurbiturilide keemia seletatud: Supramolekulaarne revolutsioon host-külastusteaduses. Uuri, kuidas need maktsüklid muudavad ravimite kohaletoimetamise, sensori loomise ja palju muud.

• Cucurbiturilide sissejuhatus: Struktuur ja avastus
• Cucurbiturilide süntees ja funktsionaliseerimine
• Host-külastus interaktsioonid: Mehhanismid ja selektiivsus
• Rakendused ravimite kohaletoimetamisel ja biomeditsiiniteaduses
• Cucurbiturilid keemilises sensings ja molekulaarses äratundmises
• Cucurbiturili komplekside keskkonna- ja tööstuslikud rakendused
• Hiljutised edusammud ja tulevikusuunad cucurbiturili keemias
• Allikad ja viidatud allikad

Cucurbiturilide sissejuhatus: Struktuur ja avastus

Cucurbiturilid on ainulaadne makrotsüklite molekulide klass, mille iseloomustavad jäigad, kahekorruselist kujuga struktuurid, mis koosnevad glükoluriilmolekulidest, mis on ühendatud metüleenjõududega. Nimi “cucurbituril” tuleneb nende kuju sarnasusest kõrvitsa kujuga, mis kuulub taimeperekonda Cucurbitaceae. Cucurbiturilide avastus ulatub tagasi 1905. aastasse, mil Robert Behrend sünteesis esimesena vanemmolekuli, cucurbit[6]urili, oma glyoksali ja karbamiidi kondenseerimise uuringute käigus. Siiski ei toimunud cucurbiturilide struktuuri selgitamine ja laiem tunnustamine kui eraldi host-molekulide perekonna esindajana enne 20. sajandi lõppu, järgnevalt kristallograafia ja supramolekulaarse keemia edusammude tõttu Kuninglik Keemia Selts.

Struktuuri poolest koosnevad cucurbiturilid korduvatest glükoluriilisi üksustest, mis tavaliselt ulatuvad viiest kaheksani, moodustades sümmeetrilise, õõnsa õõnsuse, millel on kaks identset portaali. Need portaali servad on kaetud elektronegatiivsete karbonüülrühmadega, mis mängivad olulist rolli külalisemolekulide selektiivses seondumises ioon-dipoolsete ja vesiniksidemete interaktsioonide kaudu. Õõnsuse ja portaalide suurust saab täpselt kontrollida, muutes glükoluriilide üksuste arvu, mis viib homoloogide nagu cucurbit[5]uril, cucurbit[6]uril jne moodustumiseni Nature Chemistry.

Cucurbiturilide ainulaadsed struktuurilised omadused on võimaldanud neil olla mitmekesised host-molekulid supramolekulaarse keemia valdkonnas, võimaldades laia valikut rakendusi molekulaarses äratundmises, ravimite kohaletoimetamises ja materjaliteaduses. Nende avastus ja järgnevad arengud on oluliselt edendanud host–külalis-alkülaari valdkonda, pakkudes tugevaid platvorme funktsionaalsete supramolekulaarsete süsteemide kavandamiseks Ameerika Keemia Ühing.

Cucurbiturilide süntees ja funktsionaliseerimine

Cucurbiturilide süntees ja funktsionaliseerimine on keskse tähtsusega nende rakenduste edendamiseks supramolekulaarse keemia valdkonnas. Cucurbiturilid sünteesitakse tavaliselt glükoluriili ja formaliini happelise kondenseerimise kaudu, protsess, mis annab makrotsüklilised struktuurid erineva arvu glükoluriilide üksustega (tavaliselt n = 5-8, tähistatud kui CB[n]). Reaktsiooni tingimused – nagu happe kontsentratsioon, temperatuur ja reaktsiooniaeg – mõjutavad tugevalt erinevate homoloogide jaotust ja saagist. Näiteks on CB[6] sageli peamine toode standardtingimustes, samas kui suuremate homoloogide nagu CB[7] ja CB[8] selektiivne süntees nõuab hoolikat optimeerimist või mallainete kasutamist Ameerika Keemia Ühing.

Cucurbiturilide funktsionaliseerimine, mille eesmärgiks on laiendada nende lahustuvust, sidumisseisundeid ja ühilduvust erinevate keskkondadega, jääb jätkuvalt väljakutseks, kuid samas aktiivseks uurimissuundumuseks. Cucurbiturili raamistikku iseloomustab iseloomulik keemiline inertsus, tänu selle jäigale ja kõrge sümmeetrilise struktuurile, piirab otsest modifitseerimist. Siiski on välja töötatud mitmeid strateegiaid, sealhulgas funktsionaalsete rühmade lisamine portaalidesse või välispinnale eel- või pärast sünteesi modifikatsioonide kaudu. Näiteks on sulfonatsioon, karboksüülimine ja alküülimine kasutatud vee lahustuvuse suurendamiseks ja uute sidumismotiivide tutvustamiseks Kuninglik Keemia Selts. Need funktsionaliseeritud cucurbiturilid on võimaldanud uusi rakendusi ravimite kohaletoimetamises, sensori loomises ja katalüüsis, rõhutades jätkuva uuenduse tähtsust nende sünteesis ja modifikatsioonis.

Host-külastus interaktsioonid: Mehhanismid ja selektiivsus

Cucurbiturilid on tuntud oma erilise host-külastus keemia poolest, mida juhivad nende jäigad, sümmeetrilised ja hüdrofoobsed õõnsused, mille külgedel on polaarsed karbonüüliga portaalid. Host-külastuse interaktsiooni mehhanism hõlmab peamiselt mitte-kovalentseid jõude, nagu hüdrofoobsed efektid, ioon-dipoolinteraktsioonid ja vesiniksidemed. Cucurbiturilide portaalid, mis on rikkalikud karbonüülhapete poolest, võimaldavad tugevat sidumist katioonsete või prootiseeritud külalistega ioon-dipoolsete interaktsioonide kaudu, samas kui hüdrofoobne õõnsus stabiliseerib neutraalseid või hüdrofoobseid osi van der Waalsi jõudude ja kõrge energia veemolekulide vabanemise kaudu õõnsusest külalise kapseldumise ajal Ameerika Keemia Ühing.

Cucurbiturili host-külastuse süsteemide selektiivsus sõltub mitmest tegurist: host-õõnsuse ja külalise suurusest ja kujutamisest, külalise laengust ja hüdrofoobsusest ning funktsionaalsete rühmade olemasolust, mis suudavad osaleda vesiniksidemetes või elektrostaatilistes interaktsioonides. Näiteks ilmneb cucurbit[7]uril (CB[7]) kõrge afinniteediga alküülammoniumi ioonide osas, kuna optimaalselt suuruse ühtlus ja tugev ioon-dipoolne interaktsioon portaalides Nature Publishing Group. Selektiivsust saab peenhäälestada, muutes cucurbiturili homolooge (nt CB[5], CB[6], CB[7], CB[8]), igaüks pakub eristuvaid õõnsuse mõõtmeid ja sidumise profiile.

Need mehhanismid ja selektiivsuse printsiibid toetavad cucurbiturilide rakendusi molekulaarses äratundmises, ravimite kohaletoimetamises ja supramolekulaarses kogumises, kus külaliste kapseldamise ja vabastamise täpne kontroll on hädavajalik Kuninglik Keemia Selts.

Rakendused ravimite kohaletoimetamisel ja biomeditsiiniteaduses

Cucurbiturilid (CB[n]d), makrotsükliliste host-molekulide perekond, on saanud märkimisväärset tähelepanu ravimite kohaletoimetamisel ja biomeditsiiniteaduses, tänu nende ainulaadsele võimele luua stabiilseid host–külaliste komplekse laia valiku terapeutiliste ainete korral. Nende jäigad, hüdrofoobsed õõnsused ja polaarsed karbonüüliga portaalid võimaldavad ravimitel selektiivselt kapselduda, suurendades lahustuvust, stabiilsust ja biokohanduvust. Näiteks võivad cucurbiturili baasil üles ehitatud kapseldamised kaitsta labiliaid ravimeid ensümaatilisest lagunemisest ja kontrollida nende vabastamisprofiile, mis on eriti väärtuslikke keemiaravi ja peptiidipõhiste ravimite jaoks Nature Chemistry.

CB[n]d näitavad ka madalat toksilisust ja immunogeensust, muutes need sobivaks in vivo rakendusteks. Nende võime seonduda ja neutraliseerida mürgiseid ühendeid on uuritud vastandamiseks, näiteks neuromuskulaarsete blokeerijate tagasivõtmiseks ja ravimi üleannustamise leevendamiseks U.S. Toidu- ja Ravimiamet. Lisaks saab cucurbiturilide funktsionaliseerida või integreerida nanomaterjalidesse, et luua sihitud ravimite kohaletoimetamise süsteeme, mis reageerivad stimulatiivsetele tingimustele nagu pH või redoks, võimaldades seega sihtkohtade spetsiifilist ravi ja vähendades sihtmärkidest kõrvalekaldumise toimeid Ameerika Keemia Ühing.

Ravimite kohaletoimetamisest kaugemale, cucurbiturili keemiat kasutatakse diagnostikarakendustes, sealhulgas biosensorite ja pildistamisagentide arendamisel. Nende tugevad sidumise afinniteedid ja selektiivsus hõlbustavad biomarkerite avastamist ja supramolekulaarsete konstruktsioonide loomist pildistamisvastuse parendamiseks. Uuringute edenedes jätkab cucurbiturilide mitmekesisus ja biokompatibiliteet oma potentsiala suurendamist biomeditsiini teaduses, lubades innovaatilisi lahendusi terapeutiliste ja diagnostiliste probleemide lahendamiseks.

Cucurbiturilid keemilises sensings ja molekulaarses äratundmises

Cucurbiturilid on osutunud keemilises sensings ja molekulaarses äratundmises väga tõhusateks host-molekulideks nende jäigade, sümmeetriliste õõnsuste ja erakordse afiiniteedi tõttu laia valiku külastajate molekulide suhtes. Nende ainulaadne struktuur, mis koosneb glükoluriilide üksustest, mis on ühendatud metüleenjõududega, loob hüdrofoobse õõnsuse, millel on polaarsed karbonüüllakiga portaalid, võimaldades selektiivset kapseldamist katioonide, neutraalsete ja isegi mõnede anioonide liikide jaoks. See selektiivsus on keskne nende rakendustes keemilises sensings, kus cucurbiturilid suudavad eristada struktuurselt sarnaseid analüüte, tuginedes suurusele, laengule ja hüdrofoobsusele. Näiteks on cucurbit[7]uril (CB[7]) laialdaselt kasutatud bioloogiliselt oluliste amiinide, ravimite ja metallioonide avastamiseks fluoresentsi, värvuse või elektrokeemiliste ülekande mehhanismide kaudu, sageli köitmise korralduste modifitseerimisel reporterpigmentide või -proovide kaudu Ameerika Keemia Ühing.

Molekulaarses äratundmises näitavad cucurbiturilid erakordselt kõrge sidumiskonstandid—mõnikord ületavad 10¹² M⁻¹—teatud külalistega, mis võistlevad või ületavad tsüklodextriinide ja kaliksareenide omadega. See tugev ja selektiivne seondumine on aluseks nende kasutamisele supramolekulaarsete koosseisude, sensorite ja isegi ravimite kohaletoimetamise süsteemide rajamisel. Hiljutised edusammud hõlmavad cucurbiturilide baasil valmistatud indikaatorite nihkeassayde väljatöötamist, kus konkurentsivõimelised sidumise sündmused viivad mõõdetavate optiliste muutusteni, ja cucurbiturilide integreerimist sensorite kogumisse komplekssete segu mustri põhjalikku äratundmist Nature Reviews Chemistry. Cucurbiturilide tugevus, vees lahustuvus ja keemiline mitmekesisus jätkavad innovatsiooni edendamist keemilises sensings ja molekulaarses äratundmises.

Cucurbiturili komplekside keskkonna- ja tööstuslikud rakendused

Cucurbiturili kompleksid on saanud märkimisväärset tähelepanu nende potentsiaalsete rakenduste tõttu keskkonnas ja tööstuses, tänu nende ainulaadsele host-külastus keemiale, kõrgetele sidumiste afiiniteedile ja keemilisele jaotusele. Keskkonnaremediatsiooni valdkonnas uuritakse cucurbiturile kui selektiivset adsorbentide, et eemaldada orgaanilisi saasteaineid, raskmetalle ja radioaktiivseid ioone veest. Nende jäigad, hüdrofoobsed õõnsused suudavad kapseldada erinevaid saasteaineid, võimaldades tõhusat eraldamist ja sequestratsiooni. Näiteks on cucurbiturilide baasil valmistatud materjalid näidanud võimet hõivata ja immobiliseerida elavhõbedat(II) ja teisi toksilisi metallioone, pakkudes paljutõotavat lähenemist vee puhastamise ja keskkonna detoksikatsiooni valdkondades Ameerika Keemia Ühing.

Tööstuslikus kontekstis kasutatakse cucurbiturili komplekse molekulaarkonteinerite ja stabilisaatoritena. Nende võime luua väga stabiilseid osalusi värvide, lõhnade ja farmatseutiliste ainete kompleksidega suurendab nende lahustuvust, stabiilsust ja kontrollitud vabastamist. See omadus on eriti väärtuslik edasijõudnud materjalide, näiteks isetervenemise polümeeride ja reageeriva katte kõige edasijõudnud materjalide vajadustes, kus cucurbiturilid toimivad ristlõikeainetena või kapseldajaid Elsevier. Lisaks on nende kasutamine katalüüsis kasvamas, kuna cucurbiturilid saavad modifitseerida kapseldatud substraatide reaktsiooni, viies keemiliste muutuste parema selektiivsuse ja efektiivsuseni.

Kokkuvõttes positioneerivad cucurbiturili komplekside mitmekesisus ja häälestatavus neid paljutõotavate tööriistadena, et lahendada keskkonnaprobleeme ja edendada tööstustehnoloogiaid, jätkuv teadusuuringute fookusega nende rakenduste skaalastamise ja ringluse ja kulutõhususe parandamise suunas Kuninglik Keemia Selts.

Hiljutised edusammud ja tulevikusuunad cucurbiturili keemias

Cucurbiturili keemia on viimastel aastatel teinud märkimisväärset edusammu, mida on juhinud cucurbiturilide (CB[n]) ainulaadsed host-külastus omadused ja tugev keemiline stabiilsus. Viimased edusammud on keskendunud cucurbiturilide struktuuri mitmekesisuse suurendamisele, sealhulgas suuremate homoloogide (nt CB[8], CB[10]) ja funktsionaliseeritud derivaadi süntees, mis on võimaldanud laiapindsemate külaliste kapseldamist ja keerukate supramolekulaarsete koosseisude väljatöötamist. Eriti on vees lahustuvate ja kiralsete cucurbiturilide tutvustamine avanud uusi rakenduste suundi vees keskkondades ja enantioseleetilise äratundmise valdkònades Ameerika Keemia Ühing.

Rakenduste valdkonnas on cucurbiturilide kasutamine ravimi kohaletoimetamise, sensori loomise ja katalüüsi valdkonnas kasvanud. Nende võime moodustada väga stabiilseid komplekse farmaatsiateenustega on viinud ravimite lahustuvuse ja kontrollitud vabastamissüsteemide paranemiseni. Lisaks on cucurbiturilide baasil valmistatud sensorid näidanud kõrget selektiivsust ja tundlikkust bioloogiliselt oluliste analüütide ja keskkonna saasteainete avastamiseks Nature Reviews Chemistry. Katalüüsis teenivad cucurbiturilid nanoreaktorina, hõlbustades unikaalseid reaktsiooniteid ja suurendades reaktsiooni kiirus.

Tuleviku perspektiivis hõlmavad cucurbiturili keemia tuleviku suundumused stimulasiivne süsteemide, ühendamise teiste supramolekulaarsete platvormidega ja nende rollide uurimist bioloogilistes süsteemides. Oodatakse laagendavat cucurbiturilide baasil materjalide arendamist nutikaks ravimite kohaletoimetamiseks, molekulaarsed masinad ja edasijõudnud lahutustehnoloogiad, mis laiendavad selle mitmekesise makrotsüklise klassi mõju Elsevier.

Allikad ja viidatud allikad

• Kuninglik Keemia Selts
• Nature Chemistry
• Ameerika Keemia Ühing