Cucurbituril chemija paaiškinta: Supramolekulinė revoliucija šeimininkų – svečių moksle. Sužinokite, kaip šie makrocikliniai junginiai transformuoja vaistų tiekimą, jautrumą ir kitas sritis.

• Įvadas į cucurbiturilus: struktūra ir atradimas
• Cucurbiturilų sintezė ir funkcionalizavimas
• Šeimininkų – svečių sąveikos: mechanizmai ir selektyvumas
• Taikymas vaistų tiekime ir biomedicinos moksle
• Cucurbiturilai cheminėje jutiklio ir molekulinės atpažinimo srityje
• Cucurbiturilų kompleksų aplinkos ir pramoniniai naudojimai
• Naujausi pasiekimai ir ateities kryptys cucurbiturilų chemijoje
• Šaltiniai ir nuorodos

Įvadas į cucurbiturilus: struktūra ir atradimas

Cucurbiturilai yra unikali makrocikliniai molekulių klasė, kurią charakterizuoja griežti, statinėms panašūs struktūriniai sudėtiniai, sudaryti iš glicolurilo monomerų, sujungtų metileno tiltais. Pavadinimas „cucurbituril“ kilęs iš jų formos panašumo į moliūgą, priklausantį Cucurbitaceae botanikos šeimai. Cucurbiturilų atradimas siejamas su 1905 m., kai Robert Behrend pirmą kartą sintezavo pagrindinį junginį cucurbit[6]uril, tyrinėdamas glicolurilo ir šlapalo kondensaciją. Tačiau jų struktūrinė analizė ir platesnis atpažinimas kaip unikalios šeimininkų molekulių grupės įvyko tik XX a. pabaigoje, po pažangos kristalografijoje ir supramolekulinėje chemijoje Karališkoji chemijos draugija.

Struktūriškai cucurbiturilai sudaryti iš pasikartojančių glicolurilo vienetų, paprastai nuo penkių iki aštuonių, formuojančių simetrišką, tuščiavidurę ertmę su dviem identiškomis portalais. Šie portalai turi elektrinės neigiamos anglies grupes, kurios atlieka svarbų vaidmenį selektyviai surišant svečių molekules per jonų-dipolio ir vandenilio ryšius. Ertmės dydį ir portalų dydį galima tiksliai kontroliuoti keičiant glicolurilo vienetų skaičių, leidžiant suformuoti homologus, tokius kaip cucurbit[5]uril, cucurbit[6]uril ir kt. Nature Chemistry.

Unikalios cucurbiturilų struktūrinės savybės padėjo jiems tapti universaliais šeimininkais supramolekulinėje chemijoje, leidžiančiomis platų pritaikymą molekulinės atpažinimo, vaistų tiekimo ir medžiagų mokslo srityse. Jų atradimas ir vėlesnis vystymasis žymiai pažengė šeimininkelio-svečio chemijos sritį, suteikiant tvirtus pagrindus funkcionalių supramolekulių sistemų projektavimui Amerikos chemijos draugija.

Cucurbiturilų sintezė ir funkcionalizavimas

Cucurbiturilų sintezė ir funkcionalizavimas yra esminiai tolesniam jų taikymui supramolekulinėje chemijoje. Cucurbiturilai paprastai sintetinami per rūgštimi katalizuotą glicolurilo ir formaldehido kondensaciją, procesą, kuris duoda makrociklinės struktūras su skirtingu glicolurilo vienetų skaičiumi (paprastai n = 5–8, žymimi kaip CB[n]). Reakcijos sąlygos – tokius kaip rūgšties koncentracija, temperatūra ir reakcijos trukmė – labai veikia skirtingų homologų pasiskirstymą ir derlių. Pavyzdžiui, CB[6] dažnai yra dominuojantis produktas standartinėmis sąlygomis, tuo tarpu selektyvi didesnių homologų, tokių kaip CB[7] ir CB[8], sintezė reikalauja atsargaus optimizavimo arba šabloninių agentų naudojimo Amerikos chemijos draugija.

Cucurbiturilų funkcionalizavimas, siekiant padidinti jų tirpumą, surišimo savybes ir suderinamumą su įvairiomis aplinkomis, išlieka iššūkiu, tačiau aktualinė tyrimų sritis. Natūralus cucurbiturilo rėmo cheminis inertumas, kurio priežastis yra griežta ir labai simetriška struktūra, riboja tiesioginį modifikavimą. Tačiau buvo išvystyta keletas strategijų, įskaitant funkcinių grupių įvedimą portaluose ar ant išorinio paviršiaus per prieš- arba po-sintezės modifikacijas. Pavyzdžiui, sulfonavimas, karboksilinimas ir alkilinimas buvo naudoti siekiant padidinti tirpumą vandenyje ir įvesti naujus ryšio motyvus Karališkoji chemijos draugija. Šie funkcionalizuoti cucurbiturilai atvėrė naujas galimybes vaistų tiekimui, jautrumui ir katalizatorių tyrimams, pabrėždami nuolatinio inovacijos svarbą jų sintezėje ir modifikacijoje.

Šeimininkų – svečių sąveikos: mechanizmai ir selektyvumas

Cucurbiturilai garsėja savo išskirtine šeimininkų – svečių chemija, kurią skatina jų griežtos, simetriškos ir hidrofobinės ertmės, apkabintos poliniu anglies grupių portalais. Šeimininkų – svečių sąveikos mechanizmas daugiausia apima nekovalentiškas jėgas, tokias kaip hidrofobinės sąveikos, jonų-dipolio sąveikos ir vandenilio ryšiai. Cucurbiturilų portalai, turintys gausių anglies grupių, palengvina stiprų ryšį su kationiniais arba protonuotais svečiais per jonų-dipolio sąveikas, tuo tarpu hidrofobinė ertmė stabilizuoja neutralius ar hidrofobinius fragmentus per van der Waals jėgas ir aukštų energijų vandens molekulių išleidimą iš ertmės svečių uždarymo metu Amerikos chemijos draugija.

Seletyvumas cucurbiturilų šeimininkų – svečių sistemose priklauso nuo kelių veiksnių: šeimininko ertmės dydžio ir formos atitikimo su svečiu, svečio krūvio ir hidrofobiškumo, ir funkcinės grupės, gebančios sudaryti vandenilio ryšius ar elektrostatines sąveikas, buvimo. Pavyzdžiui, cucurbit[7]uril (CB[7]) pasižymi dideliu afinitetu alkilamonio jonams dėl optimalios dydžio atitikties ir stiprių jonų-dipolio sąveikų portaluose Nature Publishing Group. Seletyvumas gali būti tikslinamas keičiant cucurbiturilo homologą (pvz., CB[5], CB[6], CB[7], CB[8]), kuri kiekvienas pasižymi specifiniais ertmės matmenimis ir surišimo profiliais.

Šie mechanizmai ir seletyvumo principai yra pagrindas cucurbiturilų taikymui molekulinėje atpažinimo, vaistų tiekimo ir supramolekulinės surinkimo srityse, kur tikslus svečių uždarymo ir išleidimo valdymas yra esminis Karališkoji chemijos draugija.

Taikymas vaistų tiekime ir biomedicinos moksle

Cucurbiturilai (CB[n]s), makrocikliniai šeimininkų molekulių šeima, sulaukė didelio dėmesio vaistų tiekimo ir biomedicinos mokslo srityse dėl savo unikalios galimybės kurti stabilias šeimininkų – svečių kompleksus su dideliu asortimentu terapinių agentų. Jų griežtos, hidrofobinės ertmės ir polinės anglies grupių portalai leidžia selektyviai įtraukinti vaistus, didinant jų tirpumą, stabilumą ir biologinį prieinamumą. Pavyzdžiui, cucurbiturilo pagrindu pagaminta įtraukimas gali apsaugoti nestabilius vaistus nuo fermentinės degradacijos ir kontroliuoti jų išleidimo profilius, kas ypač vertinga chemoterapiniams ir peptidiniams vaistams Nature Chemistry.

CB[n]s taip pat pasižymi maža toksiškumu ir imunogeniškumu, todėl jie tinka in vivo taikymui. Jų gebėjimas sugerti ir neutralizuoti toksiškas junginius buvo ištirtas antidoto kūrimui, tokiam kaip neuromuskulinių blokatorių atšaukimas ir vaistų perdozavimo šalinimas JAV maisto ir vaistų administracija. Be to, cucurbiturilai gali būti funkcionalizuoti arba integruoti į nanomaterialus, kad sukurtų tikslinius vaistų tiekimo sistemas, reaguojančias į stimulius, tokius kaip pH ar redokso sąlygos, taip leidžiant vietiniam gydymui ir mažinant nepageidaujamus poveikius Amerikos chemijos draugija.

Be vaistų tiekimo, cucurbiturilų chemija naudojama diagnostinėms programoms, įskaitant biosensorių ir vaizdavimo agentų kūrimą. Jų stiprumo surišimo afinitetai ir selektyvumas palengvina biomarkerų detekciją ir supramolekulinių surinkimų statybą vaizdavimo kontrasto didinimui. Kaip tyrimai tobulėja, cucurbiturilų universalumas ir biocompatibility toliau plečia jų potencialą biomedicinos moksle, žadėdami naujoviškus sprendimus terapiniams ir diagnostiniams iššūkiams.

Cucurbiturilai cheminėje jutiklio ir molekulinės atpažinimo srityje

Cucurbiturilai tapo labai efektyviais šeimininkais cheminėje jutiklio ir molekulinės atpažinimo srityse dėl savo griežtų, simetrinių ertmių ir nuostabios afiniteto įvairiems svečių molekulėms. Jų unikali struktūra, sudaryta iš glicolurilo vienetų, sujungtų metileno tiltais, sukuria hidrofobinę ertmę su poliniais anglies grupių portalais, leidžiančius selektyviai įtraukti kationinius, neutralius ir net kai kuriuos anijonus. Ši seletyvumas yra esminė jų taikymui cheminėje jutiklio srityje, kur cucurbiturilai gali atpažinti struktūriškai panašius analitus, remiantis dydžiu, krūviu ir hidrofobiškumu. Pavyzdžiui, cucurbit[7]uril (CB[7]) plačiai naudojamas biologinę relevanciją turinčių aminų, vaistų ir metalų jonų deteckcijai per fluorescenciją, kolorimetrinius ar elektrocheminius perdavimo mechanizmus, dažnai moduliuojant žymeklio dažų ar zondų savybes po svečių surišimo Amerikos chemijos draugija.

Molekulinėje atpažinimo srityje cucurbiturilai demonstruoja nepaprastai didelius surišimo konstantus—kartais viršijančius 10¹² M⁻¹—su tam tikrais svečiais, varžydamiesi arba viršydami ciklodextrinų ir calixareno meistrystės. Šis stiprus ir selektyvus surišimas yra pagrindas jų naudojimui konstruojant supramolekulinius surinkimus, jutiklius ir net vaistų tiekimo sistemas. Naujausi pasiekimai apima cucurbiturilų pagrindu pagamintų indikatorinių perkrovimo bandymų kūrimą, kai konkurencinės surišimo įvykiai sukelia matomus optinius pokyčius, ir cucurbiturilų integravimą į jutiklių masyvus kompleksinių mišinių atpažinimui Nature Reviews Chemistry. Cucurbiturilų tvirtumas, tirpumas vandenyje ir cheminė universalumas ir toliau skatina inovacijas cheminės jutiklių ir molekulinės atpažinimo srityse.

Cucurbiturilų kompleksų aplinkos ir pramoniniai naudojimai

Cucurbiturilų kompleksai sulaukė didelio dėmesio dėl savo potencialo aplinkos ir pramoninėse taikymo srityse dėl jų unikalios šeimininkų – svečių chemijos, didelių surišimo afinitetų ir cheminių tvirtumo. Aplinkos valymo srityse cucurbiturilai tyrinėjami kaip selektyvūs adsorbentai, skirti organinių teršalų, sunkiųjų metalų ir radioaktyvių jonų pašalinimui iš vandens. Jų griežtos, hidrofobinės ertmės gali uždaryti įvairias teršiančias medžiagas, leidžiant efektyviai jas išgauti ir sulaikyti. Pavyzdžiui, cucurbiturilų pagrindu pagaminti medžiagos parodė gebėjimą sugerti ir imobilizuoti gyvsidabrio(II) ir kitus toksiškus metalų jonus, siūlydami perspektyvią metodiką vandens valymui ir aplinkos detoksikacijai Amerikos chemijos draugija.

Pramoniniuose kontekstuose cucurbiturilų kompleksai naudojami kaip molekuliniai konteineriai ir stabilizatoriai. Jų gebėjimas suformuoti labai tvirtus inkluzijos kompleksus su dažais, aromatais ir farmaciniais preparatais padidina šių svečių molekulių tirpumą, stabilumą ir kontroliuojamą išleidimą. Ši savybė yra ypač vertinga pažangios medžiagos formulavimui, tokios kaip savaiminio gydymo polimerai ir reaguojančios dangos, kur cucurbiturilai veikia kaip susikirtimo ar uždengimo agentai Elsevier. Be to, jų naudojimas katalizėje kyla, nes cucurbiturilai gali moduliuoti uždengto substrato reaktyvumą, siekiant geresnio selektyvumo ir efektyvumo cheminiuose transformacijose.

Apskritai, cucurbiturilų kompleksų universalumas ir jų galimybė adaptuotis daro juos perspektyviais įrankiais sprendžiant aplinkos problemas ir pažangios pramonės technologijose, vykdomi tolesni tyrimai, skirti jų taikymo didinimui ir perdirbamumo bei kaštų efektyvumo gerinimui Karališkoji chemijos draugija.

Naujausi pasiekimai ir ateities kryptys cucurbiturilų chemijoje

Cucurbiturilų chemija pastaraisiais metais pažengė, dėl unikalaus šeimininkų – svečių savybių ir tvirtos cheminės stabilumo. Naujausi pasiekimai buvo susiję su cucurbiturilų struktūrinės įvairovės plėtimu, įskaitant didesnių homologų (pavyzdžiui, CB[8], CB[10]) ir funkcionalizuotų darinų sintezę, kurios leido įtraukti platesnį svečių molekulių spektrą ir sukurti sudėtingus supramolekulinius surinkimus. Ypač verta paminėti, kad vandeniui tirpūs ir chiraliniai cucurbiturilai atvėrė naujas galimybes taikymui vandeninės aplinkose ir enantioselective atpažinimo srityse Amerikos chemijos draugija.

Kalbant apie taikymą, cucurbiturilai vis dažniau naudojami vaistų tiekime, jautrumui ir katalizėje. Jų gebėjimas suformuoti labai stabilias kompleksus su farmaciniais preparatais lėmė geresnį vaistų tirpumą ir kontroliuojamo išleidimo sistemas. Be to, cucurbiturilų pagrindu pagaminti jutikliai parodė didelį selektyvumą ir jautrumą, aptinkant biologinius analitus ir aplinkos teršalus Nature Reviews Chemistry. Katalizėje cucurbiturilai veikia kaip nanoreaktoriai, palengvindami unikalius reakcijos kelius ir didindami reakcijos greičius.

Žvelgiant į priekį, ateities kryptys cucurbiturilų chemijoje apima stimuliams reaguojančių sistemų projektavimą, integravimą su kitomis supramolekulinėmis platformomis ir jų vaidmenų tyrimą biologiniuose sistemuose. Tikimasi, kad cucurbiturilų pagrindu pagamintų medžiagų kūrimas, skirtas išmaniam vaistų tiekimui, molekulinėms mašinoms ir pažangioms separacijoms, toliau plečius šios universalių makrociklinės klasės poveikį Elsevier.

Šaltiniai ir nuorodos

• Karališkoji chemijos draugija
• Nature Chemistry
• Amerikos chemijos draugija