Resorcinarene

Resorcinarene (auch Calix[4]resorcinarene) sind makrocyclische Verbindungen, die sich vom Resorcin (1,3-Dihydroxybenzol) ableiten. Die Resorcineinheiten sind dabei jeweils über zwei Methylenbrücken miteinander verbunden, so dass ein cyclisches Oligomer aus vier aromatischen Resorcineinheiten entsteht. Sie sind eng verwandt mit Calixarenen, Pillararenen und Pyrogalloarenen und erinnern strukturell an Cyclodextrine. Mit Adolf von Baeyer und Donald J. Cram beschäftigten sich zwei Nobelpreisträger u. a. mit der Chemie von Resorcinarenen.

Allgemeine Struktur von Resorcinarenen, R ist ein über weite Bereiche variabler organischer Rest.

Synthese und Reaktionsmechanismus

Resorcinarene werden üblicherweise durch Kondensation eines Aldehyds mit Resorcin unter Brønstedt- oder Lewis-Säurekatalyse in einem geeigneten Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch unter Reflux dargestellt. Das Produkt kann durch Umkristallisation oder Säulen-Chromatographie in reiner Form und oft in hoher Ausbeute erhalten werden.

In einer reversiblen Friedel-Crafts-artigen aromatischen Substitution greift der durch die Säure aktivierte Aldehyd das Resorcin (1,3-Dihydroxybenzen) in 4- und 6-Position an; diese positionen sind durch die beiden Hydroxygruppen jeweils doppelt aktiviert. Der dadurch entstehende Alkohol kann unter Säurekatalyse erneut ein Molekül Resorcin angreifen, wobei Wasser abgespalten wird. Im Reaktionsverlauf entstehen Oligomere, die bei einer geeigneten Kettenlänge zyklisieren. In dieser Reaktion entsteht kein Kunststoff, wie in der eng verwandten Synthese von Phenoplasten, da die Reaktion reversibel ist (Retro-Friedel-Crafts), unter thermodynamischer Kontrolle geführt wird und da das entstehende Resorcinaren das thermodynamisch stabilere Produkt darstellt.

Für die Synthese von Resorcinaren wird die Reaktion oft unter inerten Bedingungen durchgeführt. Hierbei kristallisiert das Tetramer häufig aus der Mutterlauge aus, was eine einfache Isolation ermöglicht. Unter bestimmten Umständen ist es notwendig, Wasser zur Mutterlauge hinzuzufügen, um das Produkt auszufällen.

Alternativ zu den oben genannten drastischen Reaktionsbedingungen können Resorcinarene auch unter lösungsmittelfreien Bedingungen oder alternativ durch Lewissäure-katalysierte Protokolle ausgehend entweder von Resorcin/Aldehyden oder von Benzylalkoholen oder von Zimtsäureestern dargestellt werden.

Struktur

Resorcinarene bestehen jeweils aus vier Resorcinmolekülen (1,3-Dihydroxybenzol), die über Methylenbrücken in 4- und 6-Position miteinander verbunden sind. Abhängig vom in der Synthese eingesetzten Aldehyd können die Methylenbrücken jeweils einen aliphatischen oder aromatischen Rest tragen, welcher zusätzliche Funktionalitäten aufweisen kann. Die Konfiguration der Stereozentren an den Methylenbrücken ist (meist) einheitlich.

Chemisch eng verwandte Makrocyclen sind die vom Phenol (Hydroxybenzol) abgeleiteten Calixarene und Pillararene, sowie die vom Pyrogallol (1,2,3-Trihydroxybenzol) abgeleiteten Pyrogalloarene.

Stereochemie

Zur Bestimmung der Stereochemie wird üblicherweise ein Substituent als Referenzgruppe (r) festgelegt, anhand derer die Positionen der anderen Substituenten R im Uhrzeigersinn als cis (c) oder trans (t) bestimmt werden. Dabei wird die Referenzgruppe so ausgewählt, dass die Anzahl der cis-Gruppen maximiert wird. Die resultierenden Deskriptoren werden mit rccc, rctt, rcct und rtct angegeben. Alternativ kann auch die verkürzte Schreibweise mit ccc, ctt, cct und tct verwendet werden.

Aufgrund der relativen Positionen der Substituenten (R) an den Methylenbrücken können verschiedene Konformationen auftreten. Diese Konformationen weisen unterschiedliche Symmetrien auf und können als Krone, auch Vase genannt (C_4v), Boot (C_2v), Stuhl (C_2h), Diamant (C_s) oder Sattel (D_2d) klassifiziert werden.

Die Isomere mit der Deskriptorfolge rccc zeigen entweder die Krone- oder die Boot-Konformation auf. Im Gegensatz dazu wurden die Isomere mit der Deskriptorfolge rctt ausschließlich in der Stuhl-Konformation gefunden. Das Isomer mit der Deskriptorfolge rcct adoptiert die Diamant-Konformation, während das rtct-Isomer die Sattel-Konformation einnimmt. Es sei jedoch angemerkt, dass die Auftretenshäufigkeit der einzelnen Isomere von mehreren Faktoren abhängig ist, wie zum Beispiel der Art des Aldehyds und den spezifischen Reaktionsbedingungen.

Die Vasenförmige Konformation ist die am meisten beachtete, mit ihrer konkaven Oberfläche kann sie auch als Halbkugel betrachtet werden. Diese auch kronenförmig genannte Konformation weist einen durch Wasserstoffbrücken stabilisierten oberen Rand und einen unteren Rand auf. Der obere Rand ist mit insgesamt acht Hydroxygruppen dekoriert, welche kovalent verbrückt werden können, um die Vasenkonformation zu erzwingen bzw. zu stabilisieren. Alternativ können die Hydroxygruppen auch zum Aufbau von Cavitanden oder Carceranden funktionalisiert werden, die sich durch ein relativ großes Innenvolumen auszeichnen, in welches Gastmoleküle eingelagert werden können.

Geschichte

Bereits Adolf von Baeyer ließ Aldehyde mit Resorcin reagieren, konnte das entstehende harzige Produkt allerdings mit Hilfe der damaligen Analytik nicht charakterisieren. Seitdem isolierten andere Forscher bei ähnlichen Reaktionen kristalline Produkte, konnten diese aber nur schlecht charakterisieren. Niederl und Vogel schlugen ein halbes Jahrhundert nach Baeyer die tetramere cylische Struktur für diese Produkte vor, was erst knapp 50 Jahre später endgültig bestätigt wurde (siehe unten). Aufbauend auf den Vorarbeiten von Erdtman und Kollegen synthetisierte Högberg Resorcinarene und wies deren Struktur NMR-spektroskopisch nach. Letzte Zweifel an der tetrameren Struktur der Resorcinarene konnten später durch Röntgenstrukturanalyse ausgeräumt werden. Als einer der Ersten erkannten u. a. Aoyama und Kollegen das Potenzial der Resorcinarene für Wirt-Gast-Systeme. Mittlerweile ist bekannt, dass sich die unmodifizierten konkaven Resorcinarene unter bestimmten Bedingungen zu hexameren Kapseln zusammenlagern, in deren Innenraum wieder unter bestimmten Bedingungen auch katalytische Reaktionen möglich sind. Populär sind Resorcinarene jedoch vor allem als Grundlage synthetischer Rezeptoren (siehe unten).

Verwendung

In der supramolekularen Chemie werden Resorcinarene als Grundlage zum Aufbau von molekularen Containern (synthetischen Rezeptoren) wie Cavitanden oder Carceranden, die Gastmoleküle in ihrem Innenraum einlagern können, verwendet. Sie werden aber auch als Füllmaterial für Chromatographiesäulen verwendet.

Einzelnachweise

1. A. G. Sverker Högberg: Cyclooligomeric phenol-aldehyde condensation products. 2. Stereoselective synthesis and DNMR study of two 1,8,15,22-tetraphenyl[14]metacyclophan-3,5,10,12,17,19,24,26-octols. In: Journal of the American Chemical Society. Band 102, Nr. 19, 1980, S. 6046–6050, doi:10.1021/ja00539a012. 
2. Luigi Abis, Enrico Dalcanale, Annick Du Vosel, Silvia Spera: Structurally new macrocycles from the resorcinol-aldehyde condensation. Configurational and conformational analyses by means of dynamic NMR, NOE, and T1 experiments. In: Journal of Organic Chemistry. Band 53, Nr. 23, 1988, S. 5475–5479, doi:10.1021/jo00258a015. 
3. Peter Timmerman, Willem Verboom, David N. Reinhoudt: Resorcinarenes. In: Tetrahedron. Band 52, Nr. 8, Februar 1996, S. 2663–2704, doi:10.1016/0040-4020(95)00984-1 (elsevier.com [abgerufen am 27. Februar 2023]). 
4. Stefan Kubik: Supramolecular Chemistry: From Concepts to Applications. De Gruyter, 2020, ISBN 978-3-11-059561-1, doi:10.1515/9783110595611 (degruyter.com [abgerufen am 27. Februar 2023]). 
5. Brett A. Roberts, Gareth W. V. Cave, Colin L. Raston, Janet L. Scott: Solvent-free synthesis of calix[4]resorcinarenes. In: Green Chemistry. Band 3, Nr. 6, 2001, S. 280–284, doi:10.1039/B104430N. 
6. Jochen Antesberger, Gareth W. V. Cave, Matthew C. Ferrarelli, Michael W. Heaven, Colin L. Raston, Jerry L. Atwood: Solvent-free, direct synthesis of supramolecular nano-capsules. In: Chemical Communications. Nr. 7, 2005, S. 892–894, doi:10.1039/B412251H. 
7. Bruno Botta, Maria C. Di Giovanni, Giuliano Delle Monache, Maria C. de Rosa, Eszter Gacs-Baitz, Maurizio Botta, Federico Corelli, Andrea Tafi, Antonello Santini: A Novel Route to Calix[4]arenes. 2. Solution- and Solid-State Structural Analyses and Molecular Modeling Studies. In: Journal of Organic Chemistry. Band 59, Nr. 6, 1994, S. 1532–1541, doi:10.1021/jo00085a047. 
8. Waldemar Iwanek, Alicja Wzorek: Introduction to the Chirality of Resorcinarenes. In: Mini-Reviews in Organic Chemistry. Band 6, Nr. 4, S. 398–411, doi:10.2174/157019309789371604 (eurekaselect.com [abgerufen am 27. Februar 2023]). 
9. A Kondyurin, C Rautenberg, G Steiner, W.D Habicher, R Salzer: Vibrational spectra of calix[4]resorcinarene isomers. In: Journal of Molecular Structure. Band 563-564, Mai 2001, S. 503–511, doi:10.1016/S0022-2860(01)00455-0 (elsevier.com [abgerufen am 27. Februar 2023]). 
10. A. G. Sverker Hoegberg: Cyclooligomeric phenol-aldehyde condensation products. 2. Stereoselective synthesis and DNMR study of two 1,8,15,22-tetraphenyl[14]metacyclophan-3,5,10,12,17,19,24,26-octols. In: Journal of the American Chemical Society. Band 102, Nr. 19, September 1980, S. 6046–6050, doi:10.1021/ja00539a012. 
11. Linda M. Tunstad, John A. Tucker, Enrico Dalcanale, Jurgen Weiser, Judi A. Bryant, John C. Sherman, Roger C. Helgeson, Carolyn B. Knobler, Donald J. Cram: Host-guest complexation. 48. Octol building blocks for cavitands and carcerands. In: The Journal of Organic Chemistry. Band 54, Nr. 6, März 1989, S. 1305–1312, doi:10.1021/jo00267a015. 
12. Donald J. Cram: Cavitands: Organic Hosts With Enforced Cavities. In: Science. Band 219, Nr. 4589, 1983, S. 1177–1183, doi:10.1126/science.219.4589.1177. 
13. Adolf Baeyer,: Ueber die Verbindungen der Aldehyde mit den Phenolen. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 5, Nr. 1, 1872, S. 280–282, doi:10.1002/cber.18720050186. 
14. Adolf Baeyer,: Ueber die Verbindungen der Aldehyde mit den Phenolen und aromatischen Kohlenwasserstoffen. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 5, Nr. 2, 1872, S. 1094–1100, doi:10.1002/cber.187200502157. 
15. Joseph B. Niederl, Heinz J. Vogel: Aldehyde—Resorcinol Condensations. In: Journal of the American Chemical Society. Band 62, Nr. 9, 1940, S. 2512–2514, doi:10.1021/ja01866a067. 
16. H. Erdtman, F. Haglid, R. Ryhage: Macrocyclic Condensation Products of Veratrole and Resorcinol. In: Acta Chemica Scandinavica. Band 18, Nr. 5, 1964, S. 1249–1254, doi:10.3891/acta.chem.scand.18-1249. 
17. A. G. Sverker Högberg: Two stereoisomeric macrocyclic resorcinol-acetaldehyde condensation products. In: Journal of Organic Chemistry. Band 45, Nr. 22, 1980, S. 4498–4500, doi:10.1021/jo01310a046. 
18. Donald J. Cram, Kent D. Stewart, Israel Goldberg, Kenneth N. Trueblood: Complementary solutes enter nonpolar preorganized cavities in lipophilic products. In: Journal of the American Chemical Society. Band 107, Nr. 8, 1985, S. 2574–2575, doi:10.1021/ja00294a075. 
19. Yasuhiro Aoyama, Yasutaka Tanaka, Hiroo Toi, Hisanobu Ogoshi: Polar host-guest interaction. Binding of nonionic polar compounds with a resorcinol-aldehyde cyclooligomer as a lipophilic polar host. In: Journal of the American Chemical Society. Band 110, Nr. 2, 1988, doi:10.1021/ja00210a073. 
20. Alexander Shivanyuk,Julius Rebek Jr.: Reversible encapsulation by self-assembling resorcinarene subunits. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. Band 98, Nr. 14, 2001, S. 7662–7665, doi:10.1073/pnas.141226898. 
21. Jerry L. Atwood, Leonard J. Barbour, Agoston Jerga: Organization of the interior of molecular capsules by hydrogen bonding. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. Band 99, Nr. 8, 2002, S. 4837–4841, doi:10.1073/pnas.082659799. 
22. Alessandra Cavarzan, Alessandro Scarso, Paolo Sgarbossa, Giorgio Strukul, Joost N. Reek, H.: Supramolecular Control on Chemo- and Regioselectivity via Encapsulation of (NHC)-Au Catalyst within a Hexameric Self-Assembled Host. In: Journal of the American Chemical Society. Band 133, Nr. 9, 2011, S. 2848–2851, doi:10.1021/ja111106x. 
23. Julius Rebek Jr.: Molecular Behavior in Small Spaces. In: Accounts of Chemical Research. Band 42, Nr. 10, 2009, S. 1660–1668, doi:10.1021/ar9001203. 
24. Donald J. Cram: Molecular container compounds. In: Nature. Band 356, Nr. 6364, 1992, S. 29–36, doi:10.1038/356029a0. 
25. Donald J. Cram: The Design of Molecular Hosts, Guests, and Their Complexes. In: Nature. Band 240, Nr. 4853, 1988, S. 760–767, doi:10.1126/science.3283937.