II. Ionophore: 3 Fallbeispiele · 2 1. Einleitung Why study Ionophores?-Ion selective ligands...
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II. Ionophore: 3 Fallbeispiele O O O N O N O O Kryptand O O O O O O K+ Kronenether 1. Einleitung 2. Kronenether 3. Kryptanden 4. Spheranden 5. Komplexierung von Nichtmetallkationen 6. Ausgewählte Anwendungen Spherand OR OR RO OH RO OR 1
Transcript of II. Ionophore: 3 Fallbeispiele · 2 1. Einleitung Why study Ionophores?-Ion selective ligands...
II. Ionophore: 3 Fallbeispiele
O O
ON
ONO O
Kryptand
O
OO
O
O
O
K+
Kronenether
1. Einleitung
2. Kronenether
3. Kryptanden
4. Spheranden
5. Komplexierung von Nichtmetallkationen
6. Ausgewählte AnwendungenSpherand
OR
OR RO
OH RO
OR
1
2
1. EinleitungWhy study Ionophores?
- Ion selective ligands (complexones) => analytical chemistry
- Selective separation (toxic metals, radioactive metals, nuclear waste)
- Enzyme models
- Medical applications (Chelate therapy, diagnosis, …)
- Recognition of organic molecules
Ionophor (Ionenträger): Molekül, das Ionen bindet (und durch Membran transportiert),häufig makrozyklisch
Ionophore: Valinomycin + Nonactin
L-Valin
L-LactatD-Valin
D-Hydroxyisovalerat
4 mg·kg−1
(Ratte)
K+-Bindestellen
Nonactin und Valinomycin werden von Bakterien produziert. Valinomycin = Ionophor, selektiver Kalium-Ionen Transporter. K+ wird sechsfach koordiniert und durch die Zellmembran transportiert (passiver Transport). Durch diese Transportvorgänge bricht das Membranpotential zusammen und die Zelle stirbt ab. Die Komplexbildungskonstante für den Kalium-Valinomycin-Komplex beträgt 105 M–1, für den Natrium-Valinomycin-Komplex liegt K lediglich bei 10 M–1. Dieser große Unterschied (Selektivität) ist für die Transportvorgänge in biologischen Systemen von großer Wichtigkeit.
3Andere Ionophore: Monensin, Enniatine → s. Sekundärliteratur
Valinomycin-K+-Komplex: Kristallstruktur
• Valinomycin (auch Nonactin) ist um K+ gefaltet• Isopropylreste ragen nach außen (Transport)• K+ oktaedrisch koordiniert (C=OEster…K+) • Valinomycin kann sich nicht weiter komprimieren,
sodass Na+ nicht optimal gebunden werden kann• d(K+…O) = 2.756 Å (optimaler Abstand)
vgl. 2.771 Å in Nonactin (KZ = 8, kubisch)• 6 NH…O Brücken in zweiter Sphäre• d(N…O) = 2.932 Å (→ vgl. Jeffrey’s Einteilung)
Gestrichelt: NH…O Brücken(β-Faltblatt-artig, s. Originallit.) Ion Radius/Å log(K)MeOH
Na+ 0.95 0.67K+ 1.33 4.90
K+@Valinomycin: Helv. Chim. Acta 1975, 58, 432K+@Nonactin: Helv. Chim. Acta 1969, 52, 2573 4
Definitionen, Klassifikation der Wirte
Komplexe: at-Nomenklatur: Podat-, Corat-, Kryptat-Komplexe
D D
macrocyclisch macropolycyclisch
Dn
D D DB
offenkettig
offenkettigverzweigt-
Brückenkopf
Podanden Coranden Kryptanden
D
D
D
n
DD
DB B
n
Corand: makro(mono)zyklisches System
5
2. Kronenether
OH
OH
O
O
OH
O
H+
ClO
Cl OH
OO
HO
O
1.
2. H+
1 2 3
O
OO
O
O
O
4
Dibenzo-[18]-Krone-6
or
2,3,11,12-Dibenzo-1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclo-octadeca-2,11-dien
Pedersen
• Dibenzo-[18]-Krone-6 löst KMnO4 in organischen Lösungsmitteln auf: Violettes Benzol
• Biologische Kronenether: Valinomycin, Nonactin, • Ionen-Kanäle
O
OO
O
O
O
K+
6MnO4
-
[18]-Krone-6
Ring-Atome Donor-Atome
O
OO
O
O
O
Nomenklatur
7
In Abhängigkeit des Lösungsmittels bevorzugen Kronenether unterschiedliche Konformationen. Dieses Verhalten erklärt, warum die Kationenaffinität von Kronenethern in unpolaren Lösungsmitteln erheblich höher ist als die in polaren. Die Stabilitätskonstante des Kaliumkomplexes von Dibenzo[18]krone-6 beträgt in Wasser z.B. 102 M–1, während sie in Methanol 106 M–1 erreicht
Kronenether: Konformationen
vgl. Skript, Prof. S. Kubik, TU Kaiserslautern 8
Selektivität: Das „hole-size“ Konzept
O
OO
O
O
O
[M([18]-Krone-6)]+ Na < K > Cs
Na+ 4.32
log Kf
K+ 6.10
Cs+ 4.62
M
M
OO O
O O
OO
Cs+
O
Voraussetzung für selektivesBinden von Alkalimetallionen
• Bindungsstellenkomplementarität- Typ, - Zahl, und - Anordnungvon Wirt und Gast stimmenüberein
• Größenkomplementarität
O O
O OO
K+
[18]-Krone-6komplementär zu K+
[21]-Krone-7komplementär zu Cs+
9
Die Kationenselektivität von Kronenethern wird im wesentlichen von der Ringgröße bestimmt.
Kation Durchmesser Krone DurchmesserLi+ 120 pm [12]Krone-4 120-150 pmNa+ 190 pm [15]Krone-5 170-220 pmK+ 266 pm [18]Krone-6 260-320 pmCs+ 338 pm [21]Krone-7 340-430 pm
Kationenselektivität in Abhängigkeit der Ringgröße in Methanol:
10
Chelat- und Makrozyklischer Effekt
11
O
OO
O
O
O
K+
O
O
O
O
O
O
K+
O
O
O
O
O
O
K+
Kf(K+) = 102.3
Kf(Na+) = 101.5Kf(K+) = 106.1
Kf(Na+) = 104.3
< <
Stability increases
Selectivity
S = Kf(K+) Kf(Na+)
S ~ 5 S ~ 50increases
primarily entropic
Chelate Effect
primarily enthalpic
Macrocyclic Effect
instabil
Chelat-Effekt
O
OO
O
O
O
K+
O
O
O
O
O
O
K+O
OO
O
O
O
+ + 6 O
2 Teilchen 7 Teilchen
entropisch vorteilhaft
12
Makrozyklischer Effekt
cancels out for cyclic systems
Macrocyclic effect also sometimes referred to as „Preorganization“
13In der Vorlesung
Präorganisation & Stabilität
NN
O
O
O
O
O
O
OO
NN
O
O
O
O
O
O
O
O
Kf = 4 x 1010
Kf = 1.6 x 1013
[Ca(edta)]2-
[Ca(cdta)]2-
präorganisiert
N N
O
OH
OHO
OHO
O
HO
NN
OH
OH
OHO
OH
O
OO
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
14
3. Kryptanden3D Analoga der Kronenether
[2.2.2]-KryptandLehn
K+
Kf(K+) = 102.0 Kf(K+) = 1010Stabilität
nimmtzu
Zunehmende Präorganisation
O
NHO
NH
O
O
K+O
NO
N
O
O
K+
Aza-Krone Lariat-Ether
O
O
O O
O
N
O
NO O
[2.2.2]-Kryptand
Kf(K+) = 105
"Kryptofix"
15
Nomenklatur der Kryptanden
N
O O
N
[2.2.2]
O O
O ON
O
N
O O
O O
[2.2.1]
N
O
N
O O
O
[2.1.1]
[n.n.n]-Kryptand
Zahl der O-Atome in den Brückengliedern
16
17
Synthese der Kryptanden
OCl
O
O Cl
O
OH2N O NH2
OO
OO
OHN
ONH
High dilution
NEt3
LiAlH4
O O
OHN
ONHO O
ON
ON
High dilution
NEt3
OClO
O Cl
O
O O
O O
O O
ON
ONO O
1. B2H6
2. HCl/NaOH4 steps,
yield < 10 %
18
• Kleine Mengen Reaktanden• Große Lösungsmittelmenge
Geschwindigkeit der Zyklisierung eines Reaktanden X-Y: rcycl = kcycl × [X-Y]
Geschwindigkeit der Polymerisierung eines Reaktanden X-Y: rpolym = kpolym × [X-Y][X-Y]
Das Verhältnis
nimmt also mit abnehmender Konzentration zu.
• schnelle Reaktionen (reaktive Gruppen X, Y) vorteilhaft (verringern [X-Y]) , s. Kryptanden-Synthese
X
Y
X
Y
+
X
Y
Z
X
Y
Z
High-Dilution Synthese
][ YXkk
rr
polym
cycl
polym
cycl
−×=
Alternative: Templat-Prozedur
Richman-Atkins-Methode, J. Am. Chem. Soc. 1974, 2268ff.
OTsO O OTs
OH2N O NH2 CH3CN
O O
ON
ONO O
2 K2CO3
Ts = Tosylate36 % !
19
Kinetischer Templat-Effekt
R N S
NR SNi
Br
Br
+R N S
NR SNi
Br
+
R N S
NR SNi
2+
Br-2
Br-
Das Templat „organisiert“ die reagierenden Gruppen(ordnet sie richtig im Raum an)
Templat = Ni2+
20
21
Alkalide = Salze mit Na–, K–, …Beispiele
J. Kim, A. S. Ichimura, R. H. Huang, M. Redko, R. C. Phillips, J. E. Jackson, J. L. Dye (1999). "Crystalline Salts of Na− and K− (Alkalides) that Are Stable at Room Temperature". J. Am. Chem. Soc. 121 (45): 10666–10667.
O O
O
N
O
NO O[2,2,2]-Kryptand
K + K K+ + K−
K + K K−K+
für Birch-ReduktionArene->1,4-Diene
Alkalid
Alkalid mit Na- -Ion(inverses Natriumhydrid)
NN
N
N
H+Na−
M. Y. Redko, M. Vlassa, J. E. Jackson, A. W. Misiolek, R. H. Huang RH, J. L. Dye. ""Inverse sodium hydride": a crystalline salt that contains H+ and Na−". J. Am. Chem. Soc. 124 (21): 5928–5929.
A crystalline salt has been synthesized that contains H+ and Na− rather than the usual hydride oxidation states of H− and Na+. The key is irreversible encapsulation of H+ within the cage of 36adamanzane (Adz). The internal proton is kinetically inert to reduction by Na− in solution in NH3/ MeNH2 mixtures. Synthesis of the sodide is accomplished by a metathesis reaction between Na and AdzH+X− in which X− is a sacrificial anion such as glycolate, isethionate, or nitrate. Reduction or deprotonation of the sacrificial anion forms insoluble byproducts and AdzH+Na− in solution. After solvent removal, the sodide is dissolved in dimethyl ether and transferred through a frit into a separate chamber for crystallization.The compound was characterized as the sodide by analysis, NMR spectra, and optical absorption spectroscopy.
22
4. Spheranden Cram
OO
O
OO
O
OR
OR RO
OH RO
OR
O O
ON
ONO O
konformativ sehr flexibel flexibel so gut wie nicht flexibel,
hochgradid präorganisiert
O O
O
O
O
O
gauche
trans
O
O
ON
ONO O
Kf(K+) 106.1 1010.5 104.4
Kf(Na+) 104.4 108.0 1014.0
S(K+/Na+) 50 630 109.6
spherand
Präorganisation nimmt zu
Stabilität, Selektivität nimmt zubzw. S(Na+/K+)
cyclische Anordnung von meta-verbrückten 4-Me-Anisoleinheiten
OR
OR RO
OH RO
OR
R = H, CH3 (CH3-Gruppen nichtdargestellt)
23
• starre Präorganisation der OH- bzw. OMe-Gruppen • oktaedrische Anordnung (alternierend up-down). • Ø variiert mit Diederwinkel der Arengruppen; im Mittel 162 pm. • nur Li+ (Ø 120 pm) und Na+ (Ø 190 pm) komplexierbar, K+ (Ø 266 pm) nicht
Entfernung von Li+ und Na+-Ionen aus K+-Salzen (ultrapure K+-Salze).
Spheranden-Synthese
Schlüsselschritt(e)
O
O OO O
O
BrBrO O
O
1. BuLi2. Fe(acac)33. EDTA4-
4. HClLi+ Cl-
28 %mechanistisch:
Ar-Br Ar-Li ArBuLi Fe3+
Ar-Arx 2
Li+ als Templat 24
Vergleich Spheranden-Podanden
25
präorganisiertlog K(Na+) = 1014
nicht präorganisiertlog K(Na+) = 102
O
O OO O
O
O O O O O O
26
5. Komplexierung von Nichtmetallkationen, organischen Kationen
N
O
N
O
N
O
N
O
OO
N H
H
H
H
Ionenradius des NH4+-Ions 1.48 Å
(vgl. K+: 1.38 Å)
pKs-Wert: 15.63(vgl. freies NH4
+: 9.3)
1 Millionen mal schächere Säure
NH4+ typisches Nichtmetallkation
„perching“ Komplex„aufsitzend“
[NH4+@NO5-Corand ]-Komplex
stabiler als [NH4
+@NO4-Corand ]-Komplex
⇒ komplementäre Symmetrie(4 ideale NH…N-Brücken)
N
O O
O
O O
NH
H
H
O
H
log K = 4.21
OO
OO
N
O
NH
H
H
H
log K = 3.14
H+, H3O+ und H2O als GastmoleküleH+ = H(H2O)n
+ (n = 1-20), das einfachste Kation, aber mit fundamentaler Bedeutung
O-Coranden binden H+ über ● H-Brücken, ladungsverstärkte H-Brückendie Bindung von H+ an N-Coranden entspricht dagegen einer● Protonierungsreaktion des Amin-Donors (Bildung kov. N-H-Bindung)
O
O O
O
O O
wässrige Säure
HAO
O O
O
O O
H
O HH
A-
H
O HH
Radius vergleichbar mit Na+, K+
=> passende Größe für [18]-C-6=> passende Symmetrie für [18]-C-6=> Wasserkomplexe haben andere Strukturen
O
O O
O
O
O
O
O H
H
H
O
H
H
+
[18]-C-6/H3O+-Komplexe [21]-C-7/H5O2+-Komplexe
12-C-4 macht Sandwich-Komplexe mit H7O3
+
und H9O4+
H-Atome nur über Neutronenbeugung zu lokalisieren
27
H+ / Azakronen und H+ / Kryptanden - Komplexe
● H+ ist hier im Gegensatz zu den Kronenethern kovalent an N gebunden(R2NH ist basisch, R2O nicht),
● die resultierende R3NH+-Gruppe kann dann aber auch als H-Brücken Donor fungieren(=> vgl. Anionenerkennung)
● bei symmetrischen Verbindungen (z.B. N4-Kryptanden) konkurrieren alle N um das H+ (vgl. Abschnitt über Alkalide und Elektride)
Beispiele
O
O O
O
O NH
H OH
+
H
O O
O
N
O
NO O
H H
2+
28
6. Anwendungen für Coranden, Kryptanden, Spheranden
• Wirt-Gast-Chemie• Säulenmaterialien• Phasentransferkatalyse, Ionentransport, Ionenaustausch• Extraktion von Ionen, ionenselektive Liganden• Modellverbindungen in bioorganischer und bioanorg. Chemie• Molekulare Schalter• medizinische Chemie
z.B. Erkennung von Metallionen im Blut: Tet. Lett. 2001, 42, 4725Erkennung von Neurotransmittern Chem. Commun. 1996, 2191
• Radiochemie (selektive Komplexierung + Maskierung radioaktiver Isotope)
Hier: Ionophor-Farbstoffe (Chromoionophore)Erkennen von Gästen mit dem „bloßen, unbewaffneten“ Auge
29
Farbstoff-Ionophore
Chromophor
Ionophor
Gast 1
Gast 2
Prinzip
30
31
Farbstoff-Ionophore auf Phenolphthalein-Basis
Phenolphthalein
O
O
HO
OH
O
O
HO
OH
pH 0 - 8.2 farblos
Chromophor:chinoides System
(Donor-Akzeptor-Farbstoff)
O
O
-O
O-
pH 8.2-12 pink
O-
O
O
O-
pH 8.2-12 farblos
Lacton-Form
Farbliche Diskriminierung von Na+ und K+
modifiziertes Phenolphthalein
J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 3807-3808Org. Letters, 2006, 25, 5797-5800 32
O
O
-O
O-
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
OH
O
O
O
O
O
O
O
O
AlCl3
KOH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
K+
K+
NaOH
O-
O
O
O-
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
farblos pink
O-
O
O
O-
O
O
O
O
O
O
O
O
O
ONa+
Na+
Lacton-FormIR: 1755 cm−1
Kass1 = 16×103;
Kass2 = 3 × 103
Carboxylat-FormIR: 1655 cm−1
IR: 1755 cm−1 IR: 1665 cm−1
Lacton chinoideForm
Farbliche Diskriminierung der Länge von Dialkylammonium-Ionen
NH2-(CH2)n-NH2
(n = 4-10)
O
O
HO
OH
OO
OO
O
O
O
O
O
O
O-
O
O
O-
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
pink
NH
HH
NH
H
HDiamin K / M-1 ε / M-1cm-1
n = 7 910 5830n = 8 1270 8930n = 9 2020 7940n = 10 1370 65280
33J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 3807-3808
