南瓜环 Cucurbituril

生活中的分子

南瓜环 Cucurbituril

2017/11/13
生活中的分子
host-guest, 南瓜
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Author: LuWenjie

cucurbit[n]uril, CBn)是由 glycoluril (=C₄H₂N₄O₂=)单体与甲醛连接后得到的环状水溶性host molecular. n是glycoluril单体数，而名字来自于南瓜的学名（cucurbitaceae）

合成法与结构的特性

glycoluril与甲醛在酸催化条件下进行缩合，得到CBn的混合物。通过改变连接数n来调整环的大小
CB6是在1905年首次被Behrend合成[1]、1981年伊利诺伊大学的Mock等人进行了结构解析，确定了其构造[2]。之后Kim等人合成了不同环大小的CB5，7，8[3]。n = 9的该化合物目前还没有能够分离提纯。

另外用ethylene urea替代 glycoluril，与甲醛进行同样的酸性条件缩合，得到的化合物好似CBn被从中间切掉一半，因此称为hemicucurbit[n]uril[4]。同时glycoluril上部N-烷基化单体作为原料合成的产物被称为Bambus[6]uril[5]。

Host-guest chemistry上的应用

环内部具有一个适合疏水性分子停留的环境。而开口部聚集了负电性的羰基基团，可以与正电性的部位相互作用。通过这样的一个特性，该化合物在host-guest化学领域被广泛研究[6-8]。

疏水性挂架的两端，可以捕获适当长度的铵。如下图所示，可以与烷基链长4～6α,ω-二胺相结合。

●=H(CH2)_mNH₃⁺, ▲=⁺H₃N(CH₂)_mNH₃⁺ 与CB6的相互作用常数的关系 (b) 大小的比较（引用自论文[7]）

以上图为参考、二茂铁骨架[9]或者是金刚烷[10]上取代有两个胺基团的化合物，也可以与CB7进行强有力的相互作用。而实验表明，它们之间的相互作用耦合常数可以达到fM~aM级，是目前位置自然界中最强的亲和素 – 生物素非共价键相互作用。

药物输送系统上的应用

作为低毒性的生物相容性host分子，运用在药物输送系统上[11]。host内孔的大小与溶解性角度出发，CB7或者CB8的应用报道比较多。

关联文献

Behrend, R.; Meyer, E.; Rusche, F. Liebig Ann. Chem. 1905, 339, 1. doi:10.1002/jlac.19053390102
Freeman, W. A.; Mock, W. L.; Shih, N.-Y. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 7367. DOI: 10.1021/ja00414a070
(a) Kim, J.; Jung, I.-S.; Kim, S.-Y.; Lee, E.; Kang, J.-K.; Sakamoto, S.; Yamaguchi, K.; Kim, K. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 540. DOI: 10.1021/ja993376p (b) Lee, J. W.; Selvapalam, S. N.; Kim, H.-J.; Kim, K. Acc. Chem. Res. 2003, 36, 621. DOI: 10.1021/ar020254k
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Review: Lagona, J.; Mukhopadhyay, P.; Chakrabarti, S.; Isaacs, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4844. DOI: 10.1002/anie.200460675
Rewiew: Assaf, K. I.; Nau, W. M. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 394. DOI: 10.1039/C4CS00273C
Review: Barrow, S. J.; Kasera, S.; Rowland, M. J.; del Barrio, J.; Scherman, O. A. Chem. Rev. 2015, 115, 12320. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00341
(a) Jeon, W. S.; Moon,K.; Park,, S. Y.; Chun, H.; Ko, Y. H.; Lee, J. Y.; Lee, E. S.: Samal, S.; Selvapalam, N.; Rekharsky, M. V.; Sindelar, V.; Sobransingh, D.; Inoue, Y.; Kaifer, A. E.; Kim, K. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12984. DOI: 10.1021/ja052912c (b) Rekharsky, M. V.; Mori, T.; Yang, C.; Ko, Y. H.; Selvapalam, N.; Kim, H.; Sobransingh, D.: Kaifer, A. E.; Liu, S.; Isaacs, L.; Chen, W.; Moghaddam, S.; Gilson, M. K.; Kim, K.; Inoue, Y. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 20737. doi:10.1073/pnas.0706407105
Cao, L.; Šekutor, M.; Zavalij, P. Y.; Mlinarić-Majerski, K.; Glaser, R.; Isaacs, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 988. DOI: 10.1002/anie.201309635
Review: Yin, H.; Wang, R. Isr. J. Chem. 2017, DOI: 10.1002/ijch.201700092