ククルビツリル

ホスト-ゲスト化学において、ククルビトゥリルは、メチレン架橋( −CH ₂ − )によって結合したグリコールウリル( =C ₄ H ₂ N ₄ O ₂ = )モノマーからなる大環状分子です。酸素原子はバンドの端に沿って位置し、内側に傾いており、部分的に閉じた空洞 (キャビタンド) を形成しています。この名前は、この分子がウリ科のカボチャに似ていることに由来しています。

ククルビットウリルは、一般的にククルビット[ n ]ウリルと表記されます。ここで、n はグリコールウリル単位の数です。一般的な略語はCB[ n ]、または単にCB nです。

これらの化合物は、中性および陽イオン性化合物の配列に適したホストであるため、化学者にとって特に興味深いものです。結合モードは疎水性相互作用を介して発生すると考えられており、陽イオン性ゲストの場合は陽イオン-双極子相互作用も介します。ククルビットウリルのサイズは、通常約 10  Åです。たとえば、ククルビット[6]ウリルの空洞は、高さが約 9.1 Å、外径が約 5.8 Å、内径が約 3.9 Å です。^[1]

ククルビットウリルは、1905年にロバート・ベーレンドがグリコールウリルとホルムアルデヒドを縮合させることで初めて合成しましたが、^[2]その構造は1981年まで解明されませんでした。^[3]この分野は、2000年にキム・キムーンがCB5、CB7、CB8を発見し単離したことで拡大しました。^[4]現在までに、5、6、7、8、10、14の繰り返し単位からなるククルビットウリルがすべて単離されており、^{[5] [6]}これらの内部空洞容積はそれぞれ82、164、279、479、870 Å ³です。9つの繰り返し単位からなるククルビットウリルはまだ単離されていません（2009年現在）。 ククルビットウリルと分子形状が似ている他の一般的な分子カプセルには、シクロデキストリン、カリックスアレーン、ピラーアレーンなどがあります。

ククルビトゥリルはアミダール（正確にはアミナール）であり、尿素 1とジアルデヒド（例えばグリオキサール 2）から求核付加反応を経て合成され、中間体のグリコールウリル 3を与える。この中間体はホルムアルデヒドと縮合して110℃以上で六量体ククルビトゥリル[6]を与える。通常、 3のような多官能モノマーは段階的重合を経て生成物の分布を与えるが、好ましい歪みと豊富な水素結合のため、沈殿後に単離される反応生成物は六量体のみである。^[5]

反応温度を75～90℃に下げると、CB[5]、CB[7]、CB[8]、CB[10]など他のサイズのククルビトゥリルが得られる。CB[6]は依然として主要な生成物であり、他の環サイズはより少量しか生成されない。CB[6]以外のサイズの単離には分別結晶化と溶解が必要である。CB[5]、CB[6]、CB[7]、CB[8]は現在すべて市販されている。より大きなサイズは、より大きくより興味深いゲスト分子を結合できるため、潜在的な用途が広がるため、特に研究が活発に行われている分野である。

ククルビツリル[10]は単離が特に難しい。2002年にデイと同僚らがククルビツリル反応混合物の分別結晶化によりCB[5]を含む包接錯体として初めて発見した^[7] 。CB [10]·CB[5]は単結晶X線構造解析により明確に同定され、錯体が分子ジャイロスコープに似ていることが明らかになった。この場合、CB[5]がCB[10]キャビティ内で自由に回転する様子は、ジャイロスコープのフレーム内で フライホイールが独立して回転する様子を模倣している。

純粋なCB[10]の単離は、化合物がCB[5]に対して非常に高い親和性を有するため、直接分離法では達成できなかった。CB[5]に対する強い結合親和性は、CB[10]の空洞と補完的なサイズと形状を有することから理解できる。純粋なCB[10]は、CB [5]を置換することができるより強く結合するメラミンジアミンゲストを導入することによって、2005年にIsaacsと同僚によって単離された。 ^[8]次に、メラミンジアミンゲストは、正に帯電したアミン基を中性に帯電したアミドに変換する無水酢酸との反応によってCB[10]から分離された。ククルビツリルはカチオン性ゲストと強く結合するが、メラミンジアミンゲストから正電荷を除去することによって、メタノール、DMSO 、および水で洗浄することによって除去できる程度まで結合定数が減少する。 CB[10]は異常に大きな空洞（870Å3）を持ち、^自由であり、カチオン性カリックス[4]アレーンを含む非常に大きなゲストを結合することができる。

ククルビトゥリルは、薬物送達、不斉合成、分子スイッチング、染料調整など、さまざまな用途に化学者によって使用されてきました。

ククルビトゥリルは分子認識において効率的なホスト分子であり、特に正に帯電した化合物またはカチオン化合物に対して高い親和性を持っています。正に帯電した分子との高い会合定数は、空洞の両端に並ぶカルボニル基に起因し、クラウンエーテルと同様にカチオンと相互作用することができます。ククルビトゥリルの親和性は非常に高い場合があります。たとえば、ククルビトゥリル[7]と正に帯電した1-アミノアダマンタン塩酸塩との親和性平衡定数は、実験的に4.23*10 ¹²と決定されています。^[10]

宿主-ゲスト相互作用もククルビットウリルの溶解挙動に大きく影響する。ククルビット[6]ウリルはほぼすべての溶媒に溶けにくいが、水酸化カリウム溶液または酸性溶液では溶解性が大幅に向上する。キャビタンドはそれぞれカリウムイオンまたはヒドロニウムイオンと正に帯電した包接化合物を形成し、これは複合体を形成していない中性分子よりもはるかに高い溶解性を持つ。^[11]

CB[10]はカリックスアレーン分子などの他の分子ホストを保持するのに十分な大きさです。カリックスアレーンゲストでは、さまざまな化学構造（円錐、1,2-交互、1,3-交互）が急速に平衡状態になります。アダマンタン分子がCB[10]分子内のカリックスアレーン-アダマンタン包接錯体と円錐構造を強制すると、 アロステリック制御が提供されます。

包接錯体を形成する親和性が高いことから、ククルビトゥリルはロタキサンのマクロサイクル成分として利用されてきた。ヘキサメチレンジアミンなどのゲスト分子との超分子アセンブリまたはスレッド複合体の形成後、ゲストの両端はかさ高い基と反応することができ、それが2つの別々の分子が解離するのを防ぐストッパーとして機能する。^[12]

CB[7]ホイールを持つ別のロタキサンシステムでは、車軸は4,4'-ビピリジニウムまたはビオロゲンサブユニットで、両端に2つのカルボン酸末端脂肪族N置換基があります。 ^[13] 0.5 mM以上の濃度の水では、ストッパーを必要とせずに定量的に錯体が形成されます。pH = 2では、カルボキシル末端基がプロトン化され、ホイールがそれらの間を行き来します。これは、プロトンNMRスペクトルでわずか2つの芳香族ビオロゲンプロトンが存在することで証明されています。pH = 9では、ホイールはビオロゲン中心の周囲に固定されています。最近では、CB[8]ホイールを持つロタキサン^[14]が合成されました。このロタキサンは中性ゲスト分子を結合できます。

ククルビツリルのホスト-ゲスト特性は、薬物送達媒体として研究されてきた。^[15]この用途の可能性は、重要な抗癌剤オキサリプラチンと包接化合物を形成するククルビツリル[7]で研究されてきた。CB[7]は、水への溶解度が非常に高く、その大きな空洞サイズは薬物分子を収容できるため、単離がより困難であるにもかかわらず採用された。結果として得られた複合体は、安定性が向上し、選択性が高く、副作用が少ない可能性があることが判明した。^[16]

ククルビットウリルは超分子触媒としても研究されている。ククルビットウリル[8]などのより大きなククルビットウリルは、複数のゲスト分子を結合することができる。CB[8]は、(E)-ジアミノスチルベン二塩酸塩と2:1（ゲスト：ホスト）の複合体を形成し、これはCB[8]のより大きな内径8.8オングストロームと高さ9.1オングストロームに収容される。^[17]キャビティ内のゲスト分子の近接性と最適な配向により、光化学的環化の速度が向上し、CB[8]に結合すると、シン配置に対して19：1の立体選択性を持つシクロブタン 二量体が得られる。CB[8]がない場合、環化反応は起こらず、トランス異性体からシス異性体への異性化のみが観察される。^{[18] [19]}

近年、研究者らはククルビトゥリルが持つ色素調整能力について研究してきた。^{[20] [21] [22] [23]}一般的に、ククルビトゥリルによって提供される限定された低極性環境は、輝度の向上、光安定性の向上、蛍光寿命の延長、および極性の低い環境への移行と一致する溶媒和発色性をもたらすことがわかっている。

反転ククルビットウリルまたはi CB[x]は、1つのグリコールウリル繰り返し単位が反転したCB類似体です。^[24]この単位では、メチンプロトンが実際に空洞に向かっているため、空洞のスペースが少なくなります。反転ククルビットウリルは、CB形成反応の副産物として生成し、収率は2〜0.4％です。このタイプのCB化合物の単離が可能なのは、通常のCBで通常形成される包接化合物を形成するのがより困難であるためです。反転ククルビットウリルは、酸性媒体でi CB[6]を加熱すると、CB[5]、CB[6]、CB[7]が24:13:1の比率で混合されるため、速度論的に制御された反応生成物であると考えられています。

赤道に沿って半分に切断されたククルビトゥリルは、ヘミククルビトゥリルと呼ばれます。

Cucurbit[6]uril の系統名は次のとおりです。ドデカヒドロ-1H、4H、14H、17H-2、16:3,15-ジメタノ-5H、6H、7H、8H、9H、10H、11H、12H、13H、18H、19H、20H、21H、22H、23H、 24 H、25H、26H-2、3、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10a、11a、12a、13a、15、16、17a、18a、19a、20a、21a、22a、23a、24a、 25a,26a-テトラコーサアザビスペンタレノ[1'',6'':5'',6'',7'']シクロオクチル[1'',2'',3'':3',4']ペンタレノ(1',6 ':5,6,7)-シクロオクタ(1,2) ,3-gh:1',2',3'-g'h')シクロオクタ(1,2,3-cd:5,6,7-c'd')ジペンタレン-1,4,6,8, 10,12,14,17,19,21,23,25-ドデコン。^{[25] [26]}