Calixarenos

Un calixareno es un macrociclo u oligómero cíclico basado en un fenol enlazado con metileno. Con cavidades hidrofóbicas que pueden albergar moléculas o iones más pequeños, los calixarenos pertenecen a la clase de cavitandos conocidos en la química de huéspedes.

Historia del calixareno

En 1872, Adolf von Baeyer mezcló varios aldehídos, incluido el formaldehído, con fenoles en una solución fuertemente ácida. Los alquitranes resultantes no se pueden caracterizar, pero representan los productos típicos de una polimerización de fenol/formaldehído. Leo Baekeland descubrió que estos alquitranes podían ser curados en una sustancia frágil que comercializó como «baquelita». Este polímero fue el primer plástico sintético comercial.

Estructura del Calix[4]areno
Estructura del calix[4]areno

El éxito de la baquelita impulsó las investigaciones científicas sobre la química de la reacción fenol/formaldehído. Uno de los resultados fue el descubrimiento, realizado en 1942 por Alois Zinke, de que los fenoles p-alquílicos y el formaldehído en una solución fuertemente básica producen mezclas que contienen tetrámeros cíclicos.

Al mismo tiempo, Joseph Niederl y H. J. Vogel obtuvieron tetrámeros cíclicos similares a partir de la reacción catalizada por ácido de resorcinol y aldehídos como el benzaldehído. Unos años más tarde, John Cornforth demostró que el producto del p-tert-butilfenol y el formaldehído es una mezcla del tetrámero cíclico y otro ciclómero ambiguo. Su interés por estos compuestos radicaba en las propiedades tuberculostáticas de sus derivados oxietilados.

A principios de la década de 1970, C. David Gutsche reconoció la forma de cáliz del tetrámero cíclico y pensó que podría proporcionar la estructura para construir un xenólogo de la enzima. Inició un estudio que duró tres décadas. Su atención a estos compuestos vino de conocer los desemulsionantes comerciales de la empresa Petrolite, fabricados por etoxilación de los productos aún ambiguos de los p-alquilfenoles y el formaldehído.

Estructura 3D de un calixareno
Estructura 3D de un calixareno

Introdujo el nombre «calixareno»: de «calix», el nombre griego de un cáliz, y «arene» por la presencia de grupos arilo en el conjunto cíclico. También determinó las estructuras del tetrámero, el hexámero y el octámero cíclico, junto con los procedimientos para obtener estos materiales con rendimientos entre buenos y excelentes.

A continuación, estableció procedimientos para unir grupos funcionales a los bordes superior e inferior y mapeó los estados conformacionales de estas moléculas flexibles. Además, demostró que el tetrámero cíclico puede congelarse en una conformación cónica, mediante la adición de sustituyentes considerablemente grandes al «borde» inferior de la forma de cáliz.

Los trabajos de Hermann Kämmerer y Volker Böhmer coincidieron con los de Gutsche. Desarrollaron métodos para la síntesis escalonada de calixarenos. Los químicos de la Universidad de Parma Giovanni Andreetti, Rocco Ungaro y Andrea Pochini fueron los primeros en resolver imágenes cristalográficas de rayos X de los calixarenos.

A mediados de la década de 1980, otros investigadores se incorporaron al campo de la química de los calixarenos. Se ha convertido en un aspecto importante de la química supramolecular y atrae la atención de cientos de científicos de todo el mundo. Los tetrámeros cíclicos de Niederl a partir del resorcinol y los aldehídos fueron estudiados con detalle por Donald J. Cram, que llamó a los compuestos derivados «cavitandos» y «carcerandos». En la monografía de Gutsche se puede encontrar una historia precisa y detallada de los calixarenos junto con una amplia discusión de la química de los calixarenos.

Síntesis

Los calixarenos se producen generalmente por condensación de dos componentes: un compuesto aromático rico en electrones, clásicamente un fenol 4-sustituido, y un aldehído, clásicamente formaldehído.

El ámbito de aplicación del componente aromático es muy diverso. El atributo clave es la susceptibilidad a la hidroxialquilación. Los resorcinarenos y pirogalolarenos relacionados se producen a partir del resorcinol y el pirogalol, respectivamente.

El aldehído más utilizado es el formaldehído, mientras que en las reacciones de condensación con el resorcinol y el pirogalol suelen ser necesarios aldehídos más grandes, como el acetaldehído, para facilitar la formación de la conformación en vaso simétrica C4v. Además, pueden utilizarse aldehídos sustituidos y algunos heterociclos (por ejemplo, el furano) para impartir grupos funcionales adicionales a los grupos colgantes de los resorcinarenos y pirogalolarenos.

La síntesis de calixarenos puede ser un reto, ya que produce complejas mezclas de oligómeros lineales y cíclicos. Con materiales de partida y condiciones de reacción bien ajustados, la síntesis también puede ser sorprendentemente eficiente. Los calixarenos son poco solubles como compuestos madre y tienen altos puntos de fusión.

de izquierda a derecha con n = 4 calix[4]areno, resorcinol[4]areno, pirogalol[4]areno. Ra es un sustituyente alquilo, Rb es hidrógeno con formaldehído o fenilo con benzaldehído, Rc es hidrógeno en los compuestos madre
de izquierda a derecha con n = 4 calix[4]areno, resorcinol[4]areno, pirogalol[4]areno. Ra es un sustituyente alquilo, Rb es hidrógeno con formaldehído o fenilo con benzaldehído, Rc es hidrógeno en los compuestos madre

Estructura

Los calixarenos se caracterizan por tener una forma tridimensional de cesta, copa o cubo. En los calix[4]arenos el volumen interno es de unos 10 angstroms cúbicos. Los calixarenos se caracterizan por un borde superior ancho y un borde inferior estrecho y un anillo central. Con el fenol como material de partida, los 4 grupos hidroxilos se encuentran en el borde inferior. En un resorcin[4]areno los 8 grupos hidroxilos se sitúan extraanularmente en el anillo superior. Los calixarenos existen en diferentes conformaciones químicas porque la rotación alrededor del puente de metileno no es difícil.

En el calix[4]areno existen 4 conformaciones arriba-abajo: cono (grupo puntual C2v,C4v), cono parcial Cs, 1,2 C2h alternativo y 1,3 D2d alternativo. Los 4 grupos hidroxilos interactúan mediante enlaces de hidrógeno y estabilizan la conformación cónica. Esta conformación está en equilibrio dinámico con las otras conformaciones.

Las conformaciones pueden bloquearse con sustituyentes adecuados que sustituyan a los grupos hidroxilo, lo que aumenta la barrera rotacional. Alternativamente, la colocación de un sustituyente voluminoso en el borde superior también bloquea una conformación. El calixareno basado en el p-tert-butil fenol también es un cono. Los calixarenos están estructuralmente relacionados con los pilararenos.

Nomenclatura de los calixarenos

La nomenclatura del calixareno es sencilla y consiste en contar el número de unidades repetidas en el anillo e incluirlo en el nombre. Un calix[4]areno tiene 4 unidades en el anillo y un calix[6]areno tiene 6. Un sustituyente en la posición meso Rb se añade al nombre con un prefijo C- como en C-metilcalix[6]areno. La palabra calixareno deriva del griego calix o cáliz porque este tipo de molécula se parece a un jarrón (o copa) y de la palabra areno que se refiere al bloque de construcción aromático.

Para más información Calixarenes

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