Химия кукурбитурилов: Пояснение и мутабельная революция в науке о хостах и гостях. Узнайте, как эти макроциклы преобразуют доставку лекарств, сенсоры и многое другое.

• Введение в кукурбитурилы: структура и открытие
• Синтез и функционализация кукурбитурилов
• Взаимодействие хост-гость: механизмы и селективность
• Применения в доставке лекарств и биомедицинской науке
• Кукурбитурилы в химическом сенсинге и молекулярном распознавании
• Экологические и промышленные применения комплексов кукурбитурила
• Недавние достижения и будущие направления в химии кукурбитурилов
• Источники и ссылки

Введение в кукурбитурилы: структура и открытие

Кукурбитурилы представляют собой уникальный класс макроциклических молекул, характеризующихся жесткими структурными формами в виде бочки, состоящими из мономеров гликолурила, связанных метиленовыми мостиками. Название «кукурбитурил» происходит от сходства их формы с тыквой, относящейся к ботанической семье Cucurbitaceae. Открытие кукурбитурилов датируется 1905 годом, когда Роберт Берхенд впервые синтезировал родительское соединение кукурбит[6]урил во время своих исследований конденсации гликозаля и мочевины. Однако структурное понимание и более широкое признание кукурбитурилов как отдельной семьи молекул-хостов произошло только в конце 20 века, после достижений в кристаллографии и супрамолекулярной химии Королевское химическое общество.

Структурно кукурбитурилы состоят из повторяющихся единиц гликолурила, обычно от пяти до восьми, формируя симметричную полую каверну с двумя идентичными порталами. Эти порталы обрамлены электроотрицательными карбонильными группами, которые играют ключевую роль в селективном связывании молекул-гостей через ионно-диполярные и водородные взаимодействия. Размер каверны и порталов можно точно контролировать, изменяя количество единиц гликолурила, что приводит к образованию гомологов, таких как кукурбит[5]урил, кукурбит[6]урил и так далее Nature Chemistry.

Уникальные структурные особенности кукурбитурилов позиционируют их как универсальные хосты в супрамолекулярной химии, что позволяет применять их в молекулярном распознавании, доставке лекарств и материаловедении. Их открытие и последующее развитие значительно продвинули область химии хостов и гостей, предоставив надежные платформы для проектирования функциональных супрамолекулярных систем Американское химическое общество.

Синтез и функционализация кукурбитурилов

Синтез и функционализация кукурбитурилов являются центральными для продвижения их применения в супрамолекулярной химии. Кукурбитурилы обычно синтезируются через кислотно-катализированную конденсацию гликолурила и формальдегида, процесс, который дает макроциклические структуры с различным количеством единиц гликолурила (обычно n = 5–8, обозначаемое как CB[n]). Условия реакции — такие как концентрация кислоты, температура и время реакции — сильно влияют на распределение и выход различных гомологов. Например, CB[6] часто является преобладающим продуктом в стандартных условиях, в то время как селективный синтез более крупных гомологов, таких как CB[7] и CB[8], требует тщательной оптимизации или использования шаблонных агентов Американское химическое общество.

Функционализация кукурбитурилов, направленная на расширение их растворимости, связывающих свойств и совместимости с различными средами, остается сложной, но активной областью исследования. Прямое изменение острия кукурбитурилового каркаса из-за его жесткой и высокосимметричной структуры ограничивает возможность модификации. Однако были разработаны несколько стратегий, включая введение функциональных групп на порталы или на внешнюю поверхность через пред- или постсинтетические модификации. Например, сульфонирование, карбоксилирование и алкилирование были использованы для повышения растворимости в воде и введения новых связывающих мотивов Королевское химическое общество. Эти функционализированные кукурбитурилы обеспечили новые применения в доставке лекарств, сенсинга и катализе, подчеркивая важность постоянных новаций в их синтезе и модификациях.

Взаимодействие хост-гость: механизмы и селективность

Кукурбитурилы известны своей выдающейся химией хостов и гостей, которая обусловлена их жесткими, симметричными и гидрофобными кавернами, обрамленными полярными карбонильными порталами. Механизм взаимодействия хоста и гостя в основном включает нековалентные силы, такие как гидрофобные эффекты, ионно-дипольные взаимодействия и водородные связи. Порталы кукурбитурилов, богатые карбонильными атомами кислорода, обеспечивают сильное связывание с катионными или протонированными гостями через ионно-дипольные взаимодействия, в то время как гидрофобная каверна стабилизирует нейтральные или гидрофобные молекулы через силы Ван дер Ваальса и освобождение высокоэнергетических молекул воды из каверны при инкапсуляции гостя Американское химическое общество.

Селективность в системах кукурбитурила хост-гость управляется несколькими факторами: соответствие размера и формы между хостовой каверной и гостем, заряд и гидрофобность гостя, а также наличие функциональных групп, способных образовывать водородные связи или электрические взаимодействия. Например, кукурбит[7]урил (CB[7]) демонстрирует высокую аффинность к алкилированным аммониевым ионам благодаря оптимальному соответствию размера и сильным ионно-дипольным взаимодействиям в порталах Nature Publishing Group. Селективность может быть точно настроена путем изменения гомолога кукурбитурила (например, CB[5], CB[6], CB[7], CB[8]), каждый из которых предлагаетdistinct cavity dimensions and binding profiles.

Эти механизмы и принципы селективности лежат в основе применения кукурбитурилов в молекулярном распознавании, доставке лекарств и супрамолекулярной сборке, где точный контроль над инкапсуляцией гостя и его высвобождением имеет решающее значение Королевское химическое общество.

Применения в доставке лекарств и биомедицинской науке

Кукурбитурилы (CB[n]), семейство макроциклических молекул-хостов, привлекли значительное внимание в области доставки лекарств и биомедицинской науки благодаря их уникальной способности образовывать стабильные комплексы хост-гость с широким спектром терапевтических препаратов. Их жесткие, гидрофобные каверны и полярные карбонильные порталы обеспечивают селективную инкапсуляцию лекарств, улучшая растворимость, стабильность и биодоступность. Например, инкапсуляция на основе кукурбитурилов может защитить неустойчивые препараты от ферментного разложения и контролировать их профиль высвобождения, что особенно ценно для химиотерапевтических препаратов и препаратов на основе пептидов Nature Chemistry.

CB[n] также демонстрируют низкую токсичность и иммуногенность, что делает их подходящими для применения ин виво. Их способность секвестировать и нейтрализовать токсичные соединения была исследована для разработки антидотов, таких как реверсия нейромышечных блокирующих агентов и уменьшение передозировки лекарств Управление по контролю за продуктами и лекарствами США. Кроме того, кукурбитурилы могут быть функционализированы или интегрированы в наноматериалы для создания целевых систем доставки лекарств, реагирующих на такие стимулы, как pH или окислительно-восстановительные условия, что позволяет осуществлять терапию на месте и снижать побочные эффекты Американское химическое общество.

Помимо доставки лекарств, химия кукурбитурилов используется для диагностических приложений, включая разработку биосенсоров и изображающих агентов. Их сильные связывающие аффинности и селективность содействуют обнаружению биомаркеров и построению супрамолекулярных сборок для улучшения контраста изображений. По мере развития исследований, универсальность и биосовместимость кукурбитурилов продолжают расширять их потенциал в биомедицинской науке, обещая инновационные решения для терапевтических и диагностических задач.

Кукурбитурилы в химическом сенсинге и молекулярном распознавании

Кукурбитурилы стали высокоэффективными хостами в химическом сенсинге и молекулярном распознавании благодаря их жестким, симметричным кавернам и замечательной аффинности к широкому диапазону молекул-гостей. Их уникальная структура, состоящая из единиц гликолурила, связанных метиленовыми мостами, создает гидрофобную каверну с полярными карбонильными порталами, позволяя селективную инкапсуляцию катионных, нейтральных и даже некоторых анионных видов. Эта селективность лежит в основе их применения в химическом сенсинге, где кукурбитурилы могут различать между структурно схожими анализами на основе размера, заряда и гидрофобности. Например, кукурбит[7]урил (CB[7]) широко используется для обнаружения биологически активных аминов, лекарств и металлов через флуоресцентные, колориметрические или электрохимические преобразования, часто путем изменения свойств красителя или зонда-репортера при связывании с гостем Американское химическое общество.

В молекулярном распознавании кукурбитурилы демонстрируют исключительно высокие константы связывания — иногда превышающие 10¹² M⁻¹ — с определенными гостями, сопоставимые или превышающие таковые у цикродекстрина и каликсаренов. Это сильное и селективное связывание является основой для их использования в построении супрамолекулярных сборок, датчиков и даже систем доставки лекарств. Недавние достижения включают разработку тестов на основе индикаторного смещения, где конкурентные связывающие события приводят к количественно измеримым оптическим изменениям, а также интеграцию кукурбитурилов в массивы сенсоров для распознавания закономерностей в сложных смесях Nature Reviews Chemistry. Надежность, растворимость в воде и химическая универсальность кукурбитурилов продолжают стимулировать инновации в области химического сенсинга и молекулярного распознавания.

Экологические и промышленные применения комплексов кукурбитурила

Комплексы кукурбитурила привлекли значительное внимание из-за их потенциала в экологических и промышленных приложениях благодаря уникальной химии хостов и гостей, высокой аффинности связывания и химической надежности. В области экологической рекультивации кукурбитурилы исследуются как селективные адсорбенты для удаления органических загрязнителей, тяжелых металлов и радиоактивных ионов из воды. Их жесткие, гидрофобные каверны могут инкапсулировать различные загрязнители, что позволяет эффективно извлекать и секвестрировать. Например, материалы на основе кукурбитурила продемонстрировали способность захватывать и иммобилизовать ионы ртути(II) и другие токсичные металлы, предлагая многообещающий подход к очистке воды и экологической детоксикации Американское химическое общество.

В промышленных контекстах комплексы кукурбитурила используются в качестве молекулярных контейнеров и стабилизаторов. Их способность образовывать высоко стабильные включенные комплексы с красителями, ароматизаторами и фармацевтическими препаратами улучшает растворимость, стабильность и контролируемое высвобождение этих молекул-гостей. Это свойство особенно ценно при формулировании современных материалов, таких как самовосстанавливающиеся полимеры и ответные покрытия, где кукурбитурилы выступают в роли сшивающих агентов или инкапсулирующих средств Elsevier. Кроме того, их использование в катализе начинает развиваться, поскольку кукурбитурилы могут модулировать реакционную активность инкапсулированных субстратов, приводя к повышенной селективности и эффективности в химических превращениях.

В целом, универсальность и настраиваемость комплексов кукурбитурила позиционируют их как многообещающие инструменты для решения экологических проблем и продвижения промышленных технологий, а текущие исследования фокусируются на масштабировании их применения и улучшении их переработиваемости и экономической эффективности Королевское химическое общество.

Недавние достижения и будущие направления в химии кукурбитурилов

Химия кукурбитурилов пережила замечательный прогресс в последние годы, обусловленный уникальными свойствами хостов и гостей и прочной химической стабильностью кукурбитурилов (CB[n]). Недавние достижения сосредоточены на расширении структурного разнообразия кукурбитурилов, включая синтез более крупных гомологов (например, CB[8], CB[10]) и функционализированных производных, которые позволили инкапсуляцию более широкого спектра молекул-гостей и разработку сложных супрамолекулярных сборок. Особенно стоит отметить, что введение водорастворимых и хиральных кукурбитурилов открывает новые возможности для применения в водных средах и энантиоселективном распознавании соответственно Американское химическое общество.

В области применения кукурбитурилы все чаще используются в доставке лекарств, сенсинге и катализе. Их способность образовывать очень стабильные комплексы с фармацевтическими препаратами привела к улучшенной растворимости лекарств и системам контролируемого высвобождения. Кроме того, датчики на основе кукурбитурилов продемонстрировали высокую селективность и чувствительность для обнаружения биологически важных анализов и экологических загрязнителей Nature Reviews Chemistry. В катализе кукурбитурилы выступают в роли нанореакторов, способствуя уникальным реакционным путям и увеличивая скорости реакций.

Смотрев в будущее, дальнейшие направления в химии кукурбитурилов включают разработку систем, реагирующих на стимулы, интеграцию с другими супрамолекулярными платформами и исследование их роли в биологических системах. Ожидается, что разработка материалов на основе кукурбитурилов для умной доставки лекарств, молекулярных машин и технологий продвинутой сепарации еще больше расширит влияние этого универсального класса макроциклов Elsevier.

Источники и ссылки

• Королевское химическое общество
• Nature Chemistry
• Американское химическое общество