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Kapitel 4. Calixarene

4.1. Einleitung

Calixarene sind cyclische Kondensationsprodukte von Phenolen oder Resorcinen mit Aldehyden. Die Namensgebung geht auf das zuerst untersuchte p-tert-Butyl-calix[4]aren zurück, da hierbei die vier Areneinheiten so miteinander verbrückt sind, daß eine kelchartige [calix (griechisch) = Kelch] Struktur entsteht.

4.2. Nomenklatur und Einteilung der Calixarene

Für eine exakte Beschreibung dieser Verbindungen bieten sich mehrere Möglichkeiten an.

Cram und Steinberg bezeichnen Ringsysteme, wie sie in Abbildung 10 zu sehen sind, als [1.1.1.1]Metacyclophane.

Nach dem System der IUPAC-Nomenklatur bezeichnet man das unsubstituierte Metacyclophan a) in Abbildung 10 als Pentacyclo[19.3.1.1 , .1 , .1 , ]octacosa-1(25),3,5,7(28),9,11,13(27),15,17,19(26),21,23-dodecaen-25,26,27,28-tetraol.

Allgemein durchgesetzt hat sich aber die von Gutsche vorgeschlagene Nomenklatur, die auch dieser Dissertation zugrunde liegt . Hierbei dient als Stammsystem Calixaren. Zwischen den Wörtern ”Calix“ und ”aren“ wird in eckigen Klammern die Zahl der im Makrocyclus enthaltenen Arenringe angegeben . Die Numerierung erfolgt entsprechend der systematischen Nomenklatur und die Substituenten werden gemäß den IUPAC-Regeln als Prä- bzw. Suffixe angegeben. Zwei Beispiele: Verbindung a) in Abbildung 10 heißt 25,26,27,28-Tetrahydroxy-calix[4]aren bzw. abgekürzt Calix[4]aren.

Dementsprechend wird Verbindung c) als 2,8,14,20-Tetramethyl-4,6,10,12,16,18, 22,24-octahydroxyresorc[4]aren bezeichnet.

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Abbildung 10: Numerierung von Calixarenen

Calixarene können, je nach Orientierung der Hydroxygruppen zum Ring, in zwei Gruppen unterteilt werden :

1. Calixarene mit ”endo“-ständigen OH-Gruppen: charakteristische Beispiele sind die Verbindungen a) oder b) in Abbildung 10. Man bezeichnet sie auch als Makrocyclen mit intraanularen Hydroxygruppen. Sie entstehen durch basenkatalysierte Kondensation von Phenolen mit Formaldehyd.
2. Calixarene mit ”exo-ständigen“ OH-Gruppen: Diese zweite Gruppe wird durch eine säurekatalysierte Kondensation von Resorcin mit Aldehyden (außer

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   Formaldehyd) hergestellt, wobei sich ein cyclisches Tetramer ausbildet. Ein Beispiel ist die Verbindung c) in Abbildung 10. Sie werden auch als Makrocyclen mit extraanularen Hydroxygruppen bezeichnet.

4.3. Synthese von Calixarenen

Die ersten Darstellungen von Calixarenen erfolgten bereits im Jahre 1872 durch den Chemiker A. v. Baeyer auf der Suche nach neuen polymeren Werkstoffen . Er erzielte ein nichtkristallines, harziges Produkt, dessen Struktur mit den damaligen Mitteln nicht näher untersucht werden konnte.

Baekeland entwickelte 30 Jahre später einen Prozeß zur Darstellung eines blasenfreien Phenolplastmaterials . Dieses nichtleitende, polymere Material fand unter dem Namen Bakelite eine vielseitige Verwendung, wodurch das Interesse am Phenol-Formaldehyd-Prozeß erneut geweckt wurde.

Erst in den vierziger Jahren unseres Jahrhunderts postulierten Zinke und Ziegler eine tetramere Struktur in der basenkatalysierten Reaktion von Phenolen mit Formaldehyd sowie der säurekatalysierten Umsetzung von Resorcin mit höheren Aldehyden .

Gutsche beschrieb 1981, daß je nach Reaktionsbedingungen für die Kondensation von p-tert-Butylphenol mit Formaldehyd unterschiedliche Cyclooligomere mit Ringgrößen zwischen vier und acht Areneinheiten entstehen .

Inzwischen sind die Parameter zur gezielten Darstellung der jeweiligen Ringgrößen gut bekannt ^, , . Dabei zeigt sich, daß die Bildung von p-tert-Butyl-calix[4]aren (Knüpfung von acht kovalenten Bindungen) unter thermodynamischer und die Bildung von p-tert-Butyl-calix[8]aren (Knüpfung von 16 kovalenten Bindungen) unter kinetischer Kontrolle stattfindet. Die Generierung vom p-tert-Butyl-calix[6]aren (Knüpfung von 12 kovalenten Bindungen) wird vermutlich durch einen Templateffekt der gewählten Base erzielt. Die Multigrammdarstellung ist dabei auf keine Verdünnungstechnik angewiesen, wie sie sonst zur Bildung von Makrocyclen üblich ist. Calixarene mit höherer oder ungerader Arenanzahl sind bislang nur mit geringeren Ausbeuten synthetisiert worden ( ).

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Abbildung 11: Synthese von Calix[n]aren

Im Gegensatz zur gewöhnlich basenkatalysierten Kondensation von Phenolen mit Formaldehyd erfolgt die Darstellung von Resorc[4]aren protonenkatalysiert ( ). Es kann keine gezielte Reaktion von Resorcin mit Formaldehyd wegen der erhöhten Reaktivität erzielt werden. Erst durch Verwendung von Acetaldehyd oder höheren Aldehyden sind cyclische Tetramere zugänglich . Durch unterschiedliche Konformationen an den Brücken ist die Bildung von vier Diastereomeren möglich. Inzwischen sind jedoch Bedingungen gefunden worden, unter denen die Bildung einer Konformation bevorzugt stattfindet .

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Abbildung 12: Synthese von Resorc[4]aren

4.4. Konformationen von Calixarenen mit intraanularen Hydroxygruppen

Eine besondere Eigenschaft der Calix[4]arene liegt in ihrer räumlichen Struktur. Durch die Möglichkeit der freien Drehbarkeit um die -Bindung der Methylenbrücken kann es bei Calix[4]arenen zur Ausbildung unterschiedlicher Konformationen kommen. Die dabei auftretenden stabilsten Konformationen wurden von Gutsche als ”cone“, ”partial-cone“, ”1,3-alternate“ und ”1,2-alternate“ bezeichnet, die sich heute als allgemein akzeptierte Begriffe etabliert (Abbildungen 13, 14, 15, 16) haben. Sie unterscheiden sich in der Lage der jeweiligen Areneinheiten zueinander in bezug auf eine durch die Methylenbrücken aufgespannte Molekülebene. Dadurch ist eine entsprechende Beschreibung größerer Calixarene als Calix[5]aren nicht mehr eindeutig möglich.

In Calix[6]aren gibt es beispielsweise zwei stabile Konformationen, in denen die Methylenbrücken keine Ebene aufspannen. Wenn die Hydroxygruppen alle in eine Richtung weisen, dann nehmen die Methylenbrücken eine bootförmige Anordnung ein. Falls jeweils drei benachbarte Hydroxygruppen sich auf einer Seite befinden, liegen die Methylenbrücken in einer sigmoiden Anordnung vor.

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Abbildung 13: MM2 Berechnungen einer ”cone“-Konformation (ohne Wasserstoffatome)

Abbildung 14: MM2 Berechnung einer ”partial-cone“-Konformation (ohne Wasserstoffatome)

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Abbildung 15: MM2 Berechnung einer ”1,2-alternate“-Konformation (ohne Wasserstoffatome)

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Abbildung 16: MM2 Berechnung einer ”1,3-alternate“-Konformation (ohne Wasserstoffatome)

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Kämmerer zeigte zuerst mittels dynamischer ¹H-NMR-Spektroskopie, daß die Konformationen der Calix[4]arene sich ineinander umwandeln lassen . Durch die Anzahl und Lage der Resonanzen der Methylenprotonen in den Brücken können sogar gleichzeitig vorliegende Konformationen bestimmt werden. So folgt aus der ”cone“-Konformation, daß die vier Methylengruppen äquivalent sind, die Methylenprotonen aber bei tiefen Temperaturen in ein Paar von Dubletts mit einer Kopplungskonstanten von 12-14 Hz koppeln, wie es für geminale Protonen typisch ist. Mit steigender Temperatur fallen die Methylensignale zu einem scharfen Signal zusammen, was mit einer schnellen Umwandlung in zwei entgegengesetzte ”cone“-Konformationen erklärt wird .

Von Prados et al. wurde eine Regel zur Bestimmung der Konformation von Calix[4]arenen in Lösung mittels ¹³C-NMR Spektroskopie vorgeschlagen. Demnach liegen die Signale der verbrückenden Methyleneinheiten im Bereich von ca. 30-31 ppm, wenn benachbarte aromatische Einheiten sich zur gleichen Seite orientieren. Falls die aromatischen Einheiten in unterschiedliche Richtungen zeigen, wird eine Signallage von ca. 37-40 ppm erwartet ( ). Diese Regel wurde von Gutsche et al. auf Calix[6]arene übertragen . Die Richtigkeit der Regel konnte von Prados et al. auch für 1,3-disubstituierte Calix[4]arene aufgezeigt werden .

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Abbildung 17: ¹³C-NMR-Regel zur Bestimmung der Orientierung der benachbarten aromatischen Einheiten in Calixarenen

4.5. Modifizierung von Calixarenen mit intraanularen Hydroxygruppen

Generell kann eine chemische Reaktion an den zwei unterschiedlichen Seiten des Calixarengerüsts stattfinden ( ).

• Funktionalisierung an der phenolischen Hydroxygruppe (lower rim)
• Substitution an der para-Stellung zur phenolischen Hydroxygruppe (upper rim)

Abbildung 18: schematisches Calix[4]aren

Eine chemische Modifizierung der Calixarenstruktur unter Beibehaltung des Grundgerüsts geht oft mit einer drastischen Änderung der physikalischen Eigenschaften einher. Calixarene besitzen gewöhnlich einen sehr hohen Schmelzpunkt und eine schlechte Löslichkeit in den üblichen organischen Lösungsmitteln. Insbesondere durch Modifizierungen am engeren Rand werden häufig sowohl

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Am engeren Rand (lower rim) sind insbesondere O-Alkylierungen und O-Acylierungen geeignete Modifikationsmöglichkeiten. Wenn der einzuführende Substituent für alle Hydroxygruppen größer als ein Acetyl- bzw. Propylrest ist, kann die freie Beweglichkeit der Calix[4]arene eingefroren und die jeweiligen Konformere voneinander getrennt werden .

Bei sonst gleichen Parametern kann durch Wahl der Base gezielt eine Konformation gebildet werden. So kann es in der Darstellung von Tetra-O-alkyl-calix[4]arenen zur 100 %igen Ausbildung der ”cone“-Konformation bei Einsatz von Natriumcarbonat und bei Einsatz von Cäsiumcarbonat zu einer ebenfalls 100 %igen Bildung des ”partial cone“-Isomers als Base kommen .

Neben dieser vollständigen Umsetzung aller reaktiven Hydroxygruppen kann durch geeignete Reaktionsbedingungen auch eine partielle und gezielte Umsetzung erfolgen. Die Anwendung stöchiometrischer Mengen einer schwachen Base (z.B. Na₂CO₃) führt zur Bildung von nur teilweise O-alkylierten Calixarenen. Auf diese Weise sind insbesondere 1,3-Diether von p-tert-Butyl-calix[4]aren seit langem zugänglich . Nach diesen selektiven Reaktionen vermögen die freien phenolischen Hydroxygruppen weiterhin durch den engeren Rand zu invertieren. Daher ist es also wichtig, durch geeignete Wahl der Reaktionsparameter eine syn- oder eine anti-Anordnung der umgesetzten Hydroxygruppen zu erzielen .

Bei den wesentlich größeren und flexibleren Calix[6]arenen und Calix[8]arenen ist es erheblich schwieriger abzuschätzen, ob eine Fixierung in einer bestimmten Konformation durch Reaktion mit den phenolischen Hydroxygruppen stattfindet. In solchen Systemen können - je nach Größe der para-Substituenten - auch diese durch den Ring schwingen.

Am weiteren Rand (upper rim) sind in para-Stellung zur phenolischen Hydroxygruppe direkt nur wenige Reaktionen möglich, wie zum Beispiel eine ipso-Nitrierung , da aufgrund der Herstellung von Calixarenen diese mit einer tert-Butylgruppe besetzt ist. Um diese Stelle für weitere Reaktionen zugänglich zu machen, besteht die Möglichkeit einer Transbutylierung . Dabei wird unter der kataly

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4.6. Einige Anwendungen von Calixarenen

Viele Anwendungen beruhen auf dem Komplexbildungsvermögen der Calixarene, zum Beispiel die Dekontamination von Abwässern oder der Zusatz in Klebstoffen zur schnelleren Aushärtung. Ebenso sind sie bereits als Katalysatoren (Phasen-Transferkatalysator, heterogene oder enzymatische Reaktionen) benutzt worden. In der Analytik werden Calixarene als stationäre Phase in der Chromatographie oder zur quantitativen Bestimmung von Natrium- neben Kaliumionen mit Hilfe von ionenselektiven Feldeffekt-Transistoren benutzt.

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