カリックスアレーン

カリックスアレーンは、メチレン結合フェノールをベースとした大環状分子または環状 オリゴマーである。より小さな分子やイオンを保持できる疎水性空洞を持つカリックスアレーンは、ホスト-ゲスト化学で知られるキャビタンドのクラスに属します。^[2]

カリックスアレーンの命名法は単純明快で、環内の繰り返し単位の数を数えてそれを名前に含めます。カリックス[4]アレーンは環内に4つの単位を持ち、カリックス[6]アレーンは6つの単位を持ちます。メソ位の置換基R _bには、C-メチルカリックス[6]アレーンのように接頭辞C-が名前に追加されます^[3]。カリックスアレーンという言葉は、このタイプの分子が花瓶（またはカップ）に似ていることからギリシャ語のカリックスまたは聖杯に由来し、芳香族構成要素を指す アレーンという言葉に由来しています。

カリックスアレーンは、一般的に2つの成分、すなわち電子豊富な芳香族化合物（典型的には4-置換フェノール）とアルデヒド（典型的にはホルムアルデヒド）の縮合によって生成される。^{[4] [5]}

• 芳香族成分の範囲は多岐にわたります。主な特性はヒドロキシアルキル化に対する感受性です。関連するレゾルシナレンとピロガロアレンは、それぞれレゾルシノールとピロガロールから生成されます。
• 最もよく使われるアルデヒドはホルムアルデヒドですが、アセトアルデヒドのようなより大きなアルデヒドは、レゾルシノールやピロガロールとの縮合反応でC _4v対称花瓶型配座の形成を促進するために通常必要です。さらに、置換アルデヒドやいくつかの複素環（フランなど）は、レゾルシナレーンやピロガロレーンのペンダント基に追加の官能基を付与するために使用されることがあります。^{[6] [7]}

カリックスアレーンは合成が難しい場合があり、線状オリゴマーと環状オリゴマーの複雑な混合物を生成します。出発物質と反応条件を細かく調整することで、驚くほど効率的に合成することもできます。カリックスアレーンは親化合物のままでは難溶性であり、融点が高いです。^[8]

カリックスアレーンは、三次元のバスケット、カップ、またはバケツの形が特徴です。カリックス[4]アレーンでは、内部容積は約10立方オングストロームです。カリックスアレーンは、広い上縁と狭い下縁、および中央の環状部が特徴です。フェノールを出発物質として、4つのヒドロキシル基は下縁の環状内にあります。レゾルシン[4]アレーンでは、8つのヒドロキシル基が上環の環状外にあります。メチレン橋の周りの回転は難しくないため、カリックスアレーンはさまざまな化学構造で存在します。カリックス[4]アレーンには、円錐（点群C _2v、C _4v）、部分円錐C _s、1,2交互C _2h、および1,3交互D _{2dの4つの上下構造が存在します。4つのヒドロキシル基は}水素結合によって相互作用し、円錐構造を安定化します。この配座は他の配座と動的平衡にある。回転障壁を高めるヒドロキシル基を適切な置換基で置き換えることで、配座を固定することができる。あるいは、かさ高い置換基を上縁に配置することでも配座を固定できる。p-tert-ブチルフェノールをベースにしたカリックスアレーンも円錐形である。^{[9]カリックスアレーンは構造的に}ピラーアレーンに関連している。

1872 年、アドルフ・フォン・バイヤーは、ホルムアルデヒドを含むさまざまなアルデヒドをフェノールと強酸性溶液で混合しました。結果として生じたタールは、特性評価が困難でしたが、フェノール/ホルムアルデヒド重合の典型的な生成物でした。レオ・ベークランドは、これらのタールを硬化させて脆い物質にできることを発見し、これを「ベークライト」として販売しました。このポリマーは、最初の商業用合成プラスチックでした。

ベークライトの成功は、フェノール/ホルムアルデヒド反応の化学に関する科学的調査を促した。その結果の 1 つは、1942 年にアロイス ジンケが、p-アルキルフェノールとホルムアルデヒドを強塩基溶液に溶解すると、環状テトラマーを含む混合物が生じるという発見であった。同時に、ジョセフ ニーダールと HJ フォーゲルは、レゾルシノールとベンズアルデヒドなどのアルデヒドの酸触媒反応から同様の環状テトラマーを得た。数年後、ジョン コーンフォースは、p-tert-ブチルフェノールとホルムアルデヒドからの生成物が、環状テトラマーと別のあいまいなシクロマーの混合物であることを示した。これらの化合物に対する彼の関心は、オキシエチル化誘導体の結核抑制特性にあった。

1970 年代初頭、C. David Gutsche は環状テトラマーのカリックス形状に気づき、それが酵素異種同族体の構築に構造を提供する可能性があると考えました。彼は 30 年続く研究を開始しました。これらの化合物に対する彼の注目は、 p-アルキルフェノールとホルムアルデヒドからのまだあいまいな生成物をエトキシル化して作られたPetrolite 社の市販の解乳化剤との知り合いからでした。彼は「カリックスアレーン」という名前を導入しました。これは、ギリシャ語で聖杯を意味する「カリックス」と、環状配列にアリール基が存在することを意味する「アレーン」から来ています。彼はまた、環状テトラマー、ヘキサマー、オクタマーの構造を決定し、これらの材料を良好から優れた収率で得る手順も決定しました。次に、上縁と下縁の両方に官能基を結合する手順を確立し、これらの柔軟な分子の配座状態をマッピングしました。さらに、彼は、カリックス形状の下側の「縁」に測定可能な大きさの置換基を追加することで、環状テトラマーを円錐構造に固定できることを証明しました。

グッチェの研究と並行して、ヘルマン・ケメラーとフォルカー・ベーマーの研究も行われました。彼らはカリックスアレーンの段階的合成法を開発しました。パルマ大学の化学者、ジョヴァンニ・アンドレーティ、ロッコ・ウンガロ、アンドレア・ポチーニは、カリックスアレーンのX線結晶構造画像を初めて解析しました。1980年代半ばには、他の研究者がカリックスアレーン化学の分野に加わりました。これは超分子化学の重要な側面となり、世界中の何百人もの科学者の注目を集めています。レゾルシノールとアルデヒドからのニーダール環状テトラマーは、ドナルド・J・クラムによって詳細に研究され、彼は派生した化合物を「キャビタンド」および「カルセランド」と呼びました。カリックスアレーンの正確で詳細な歴史とカリックスアレーン化学の広範な議論は、グッチェのモノグラフに記載されています。

パラスルホントカリックス[4]アレーンなどの水溶性カリックスアレーンは、薬物送達^[10]だけでなく、病気と直接戦う医薬品としての可能性についても研究されています。^{[11]例えば、カリックス[6]アレーンは、}膵臓癌の細胞外小胞の細胞外小胞生合成を阻害することが示されています。次に、これは腫瘍微小環境におけるマトリックスメタロプロテアーゼ酵素の放出を阻害し、病気の転移を遅らせます。^[12]したがって、低毒性と相まって、それらは腫瘍性疾患と戦うための有望な薬剤と考えられています。^[13]

カリックスアレーンは、血液中のナトリウム濃度を測定するためのナトリウム選択電極として商業的に使用されています。カリックスアレーンは、カドミウム、鉛、ランタノイド、アクチノイドとも錯体を形成します。カリックス[5]アレーンとp-キシレン中のC ₇₀ フラーレンは、球状超分子錯体を形成します。^{[14]カリックスアレーンは、}ピペリジンなどの脂肪族アミンとエキソカリックスアンモニウム塩も形成します。^[15]カリックス[4]アレーンの誘導体または同族体は、蛍光などの光学特性の変化を伴い、アニオン（特にハロゲンアニオン）に対して高度に選択的な結合挙動を示します。^[16]

カリックスアレーン全般、特にカリックス[4]アレーンは触媒のプラットフォームとして広く研究されてきた。いくつかの錯体化合物は加水分解反応に活性である。^{[17] [18]}

カリックスアレーンは、酵素模倣物、イオン感応電極やセンサーの成分、選択膜、非線形光学^[19]、HPLC固定相として注目されています。さらに、ナノテクノロジーでは、カリックスアレーンは高解像度電子ビームリソグラフィーのネガレジストとして使用されています。^[20]

テトラチア[4]アレーンは、アクアポリンタンパク質のいくつかの特性を模倣することがわかっています。^[21]このカリックスアレーンは1,3交互構造（メトキシ基が下側のリングに分布）を採用しており、水はバスケット内に含まれておらず、外縁の2つの反対のtert-ブチル基によって挟まれています。非多孔性で疎水性の結晶は、8時間水に浸されますが、その間カリックスアレーン：水の比率は1の値を取得します。

カリックスアレーンは、局所濃度効果と遷移状態の極性安定化の組み合わせにより、凹部内で起こる反応を加速する。拡張されたレゾルシン[4]アレーンキャビタンドは、キヌクリジンとブチルブロミドの間のメンシュトキン反応の反応速度を1600倍加速することがわかっている。 ^[22]

ヘテロカリックスアレーンでは、フェノール単位が複素環に置き換えられており、^[23]例えばカリックス[n]フランではフランに、カリックス[n]ピリジンではピリジンに置き換えられている。カリックスアレーンはロタキサンのマクロサイクル部分として使用されており、2つのカリックスアレーン分子が下縁で共有結合してカルセランドを形成する。