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Kapitel 5. Funktionalisierung von Calixarenen mit Cycloheptatrien

Calixarene sind das Kondensationsprodukt von p-substituierten Phenolen mit Formaldehyd. Für eine Funktionalisierung der Calixarene in der para-Position greift man auf die oben bereits beschriebene Transbutylierung zurück.

Am Calixarengerüst stehen nun die para-Positionen in 25,26,27,28-Tetrahydroxy-calix[4]aren 3 als auch in 37,38,39,40,41,42-Hexahydroxy-calix[6]aren 4 für weitere Reaktionen zur Verfügung ( ).

Abbildung 19: Transbutylierung von Calixarenen

Die Funktionalisierung der Calixarene 3 und 4 mit Cycloheptatrien sollte mittels einer möglichst einfachen und in guten Ausbeuten verlaufenden Reaktion durchgeführt werden.

Die Monomereinheit dieser zu funktionalisierenden Calixarene ist ein ortho-substituiertes Phenol. Reaktionen, die für aktivierte Aromaten typisch sind , sollten daher auch auf das Calixarenmolekül übertragbar sein. Gegenüber anderen bekannten Funktionalisierungsmethoden am Calixarengerüst sollte somit eine einfache Modifizierung über die phenolische Einheit möglich sein.

Für die Darstellung von 4-(Cyclohepta-2,4,6-trienyl)phenol steht eine ausgearbeitete Reaktionsvorschrift zur Verfügung . Das Phenol wird hierbei im Über

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Eine äquivalente Übertragung der Reaktionsvorschrift ohne Lösungsmittel ergibt eine Suspension, in deren Verlauf die Darstellung von 5,11,17,23-Tetrakis(cyclohepta-2,4,6-trienyl)-25,26,27,28-tetrahydroxy-calix[4]aren 5 jedoch nicht erfolgreich war. In weiteren Versuchsreihen wurde die Stöchiometrie der Reaktionspartner variiert. Das Verhältnis von Calix[4]aren 3 zu 7-Methoxycyclohepta-1,3,5-trien wurde innerhalb eines weiten Bereiches - von einem Überschuß bis zum mehrfachen Unterschuß - verändert. In diesen Versuchsreihen konnte ebenfalls keine Umsetzung beobachtet werden.

Sowohl unterschiedliche Reaktionszeiten als auch unterschiedliche Reaktionstemperaturen hatten keinen positiven Einfluß auf die Darstellung von 5. Eine einfache Übertragung der Reaktionsvorschrift von aktivierten Aromaten auf das Calix[4]arenmolekül war entgegen vorheriger Annahme nicht möglich.

Ein grundlegender Unterschied zwischen Phenol und Calix[4]aren 3 stellt die wesentlich schlechtere Löslichkeit der Calix[4]arene dar. Die Reaktion, die in heterogener Phase nicht zur gewünschten Umsetzung geführt hatte, sollte daher in eine Reaktion in homogener Phase überführt werden. Toluol erwies sich als geeignetes Lösungsmittel für das Calix[4]aren 3, um eine homogene Reaktionsführung zu gewährleisten. Mit Toluol als Lösungsmittel wurden wiederum die Versuchsparameter (Stöchiometrie, Reaktionszeit, Reaktionstemperatur, Eisessigzusatz) variiert. Erste Substitutionserfolge wurden mit Toloul als Lösungsmittel und einem Überschuß an 7-Methoxycyclohepta-1,3,5-trien erzielt. Das gewünschte Produkt 5 konnte allerdings nicht isoliert werden, sondern nur Reaktionsprodukte ohne einheitlichen Substitutionsgrad. Die Ausbeute der unvollständig umgesetzten Calix[4]arene lag unter 10 %. Als weiteres Reaktionsprodukt entstand ein schwerlöslicher violetter Niederschlag, der nicht weiter charakterisiert werden konnte.

Erste Optimierungsansätze, in denen die Konzentration, die Reaktionszeit und der pH-Wert variiert wurden, lieferten das gewünschte Produkt mit einer Ausbeute von 12 %. Als Nebenprodukt fiel wiederum der violetter Feststoff an.

Um eine erfolgversprechende Synthese des Calix[4]arenderivates 5 zu erarbeiten, erschien es unerläßlich zu sein, die Bildung des violetten Feststoffes zu unterdrücken.

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Abbildung 20: Chinotropilidengleichgewicht

Föhlisch et al. beschreiben in ihrer Arbeit verschieden farbige Chinotropilidene , die aus Tropyliumphenolaten entstehen können, aber noch nicht isoliert werden konnten ( ).

Wenn diese Überlegungen auf das Calix[4]aren übertragen werden, könnte der violette Feststoff ein chinoides System beinhalten. Ein während der Reaktion gebildetes Cycloheptatrienderivat des Calix[4]arens könnte oxidiert worden sein und durch die Bildung des chinoiden Systems eine weitere Reaktion des Calix[4]arenderivates mit Cycloheptatrien unterdrücken. Eine Unterbindung dieser unerwünschten Nebenreaktion sollte demnach durch inerte Reaktionsführung und Aufarbeitung erfolgen.

Unter inerten Bedingungen wird die Oxidation fast vollständig unterdrückt, was sich in einem nur leicht violetten Farbton nach Beendigung der Reaktion manifestiert. Nach einer säulenchromatographischen Reinigung konnte ein vollständig cycloheptatriensubstituiertes Calix[4]aren 5 in einer Ausbeute von bis zu 40 % isoliert werden. Während der säulenchromatographischen Aufarbeitung bildete sich wiederum der violette Feststoff, was die relativ leichte Oxidierbarkeit des Reaktionsproduktes zeigte. Eine säulenchromatographische Aufarbeitung über Kieselgel, das für seine katalytischen Eigenschaften bekannt ist, scheidet somit aus.

Unter Ausnutzung der Löslichkeitseigenschaften der Calixarene sollte daher eine Fällungsreaktion eine geeignete Methode darstellen.

Eine Anreicherung des gewünschten vollständig substituierten Reaktionsproduktes 5 erfolgte durch langsames Einfließen von Methanol in die Reaktionslösung. In reiner Form war das Produkt 5 als Feststoff auch an der Luft stabil.

Durch die geschilderten Optimierungsansätze konnte aus dem Calix[4]aren 3 das vollständige und einheitliche Reaktionsprodukt der Umsetzung mit Cycloheptatrien 5 mit Ausbeuten von 85 % erzielt werden.

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Zusammenfassung:

Eine einfache Übertragung der Chemie des Phenols auf das makrocyclische System Calixaren ist nicht möglich. Entscheidende Verbesserungen der Funktionalisierungsmethode gelangen durch:

• eine homogene Reaktionsführung und
• inerte Versuchsbedingungen.

Abbildung 21: vollständig substituierte Calixarenderivate

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5.2. Löslichkeit substituierter Calixarene

Durch den Einbau von Cycloheptatrien könnten sich einige Eigenschaften der neuen Verbindungen im Vergleich zum Calixarengrundgerüst ändern. Der Durchmesser der neuen Calixarenderivate sollte durch ihre p-Substitution am weiteren Rand stark vergrößert werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß sich durch die Substitution mit Cycloheptatrieneinheiten die schlechten Lösungseigenschaften der Calixarene in organischen Lösungsmitteln verbessern. Lange Alkylgruppen in der p-Position vermögen beispielsweise, die Löslichkeit in Chloroform zu steigern. Munch erzielte mit p-Octylgruppen anstelle von p-tert-Butylgruppen eine verbesserte Löslichkeit in Chloroform .

Exemplarisch wurde das Lösungsverhalten am Calix[4]arenderivat 5 in verschiedenen Lösungsmitteln untersucht und mit Literaturwerten vom Calix[4]arenmolekül 1 mit p-tert-Butylgruppen verglichen. Zur qualitativen Bestimmung der Löslichkeit wurde das Calix[4]arenderivat 5 in verschiedenen deuterierten Lösungsmitteln bis zur Sättigung gelöst, filtriert und nach Zugabe eines Standards (meist Toluol) ¹H-NMR-spektroskopisch untersucht. Die Auswertung erfolgte durch Vergleich der Integrale einer charakteristischen Signallage vom Calix[4]arenderivat 5 mit einem charakteristischen Signal des Standards. Die Löslichkeiten sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.

Tabelle 2: Vergleich der Löslichkeit von Calix[4]aren 1 und 5

Lösungsmittel	Calix[4]aren 5 [mol/l]	Calix[4]aren 1 [mol/l]
Chloroform	1•10-4	4,34•10-3
Toluol	7•10-5	-
Benzol	4•10-5	-
Dimethylsulfoxid	4•10-5	-
Aceton	6•10-6	-
Acetonitril	2•10-6	4,73•10-5

Trotz der Vergrößerung des Calix[4]arenkelches und somit einer Vergrößerung des lipophilen Molekülbereiches kommt es zu keiner Verbesserung der Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln. Vielmehr ist eine Verschlechterung der Löslichkeit sowohl für das Calix[4]arenderivat 5 als auch für das Calix[6]arenderivat 6 festzustellen.

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5.3. Konformationen

Calixarene, die am engeren Rand nicht funktionalisiert sind, liegen gewöhnlich in Konformationen vor, in denen sich eine maximale Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können. Die Substitution mit Cycloheptatrien sollte daher keinen Einfluß auf die Konformation der Calixarenderivate 5 und 6 ausüben.

Für beide Komponenten stimmen Anzahl und Lage der verbrückenden Methylenprotonen im ¹H-NMR-Spektrum mit denen der entalkylierten Ausgangsverbindungen gut überein.

Calix[4]arenderivat 5 zeigt im ¹H-NMR-Spektrum zwei breite Signale bei 3,2 und 4,2 ppm für die verbrückenden Methylenprotonen. Zusätzlich wird im ¹³C-NMR-Spektrum ein Signal bei 32 ppm beobachtet, was für eine syn-Orientierung benachbarter aromatischer Einheiten spricht. Das Calixarenderivat 5 liegt also in der energetisch günstigen ”cone“-Konformation vor, in der sich ein Ring von Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden kann.

Für Calix[6]arenderivat 6 beobachtet man im ¹H-NMR-Spektrum nur ein verbreitetes Signal bei 3,8 ppm für die verbrückenden Methylenprotonen. Aufgrund der wesentlich größeren Ringgröße kommt es innerhalb der NMR-Zeitskala zu einem Austausch der axialen und äquatorialen Stellung der verbrückenden Methylenprotonen. Dadurch sind sie nicht mehr unterscheidbar, und es resultiert nur noch ein gemitteltes Signal. Im ¹³C-NMR-Spektrum ist ferner ein Signal bei 32 ppm zu beobachten. Diese Ergebnisse deuten ebenfalls auf eine ”coneförmige“, aber gegenüber 5 wesentlich flexiblere Konformation hin.

Somit ist ein Einfluß auf die Konformation der Calixarenderivate 5 und 6 in Lösung durch den Einbau von Cycloheptatrien nicht festzustellen.

Cycloheptatrien ist ein relativ raumfüllender Substituent. Auch wenn kein Einfluß auf die stabile Konformation in Lösung zu beobachten war, könnte der Substituent einen Einfluß auf die Flexibilität des Moleküls ausüben. Mit Hilfe der ¹H-NMR-Spektroskopie lassen sich intramolekulare Bewegungen verfolgen, die eine Aktivierungsenergie zwischen 5-25 kcal/mol (21-105 kJ/mol) besitzen . Moleküle, die in mehreren Konformationen vorkommen, ergeben ein Durchschnittsspektrum, wenn die Konformationsumwandlung schnell bezüglich der NMR-Zeitskala ist. Werden die Prozesse durch tiefe Temperaturen verlangsamt, so werden die

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Zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens wurden Tieftemperaturmessungen an dem Calix[6]arenderivat 6 und Hochtemperaturmessungen an dem Calix[4]arenderivat 5 durchgeführt.

Dynamisches Verhalten wurde für 5 nachgewiesen. In dem Lösungsmittel Toluol wurden Messungen im Abstand von 15 °C in einem Temperaturbereich von 30 °C bis 100 °C durchgeführt. Ausschnitte aus den resultierenden Spektren sind in zu sehen.

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Abbildung 22: Ausschnitte aus ¹H-NMR-Spektren von 5 in einem Bereich von 2,9 bis 4,5 ppm zur Bestimmung der Koaleszenztemperatur

In kann man gut das Zusammenlaufen der beiden Signale der verbrückenden Methylenprotonen erkennen. Die Signallagen der axialen und äquatorialen Positionen des verbrückenden Methylenprotons können auf der NMR-Zeitskala nicht mehr unterschieden werden. Es resultiert mit höheren Temperaturen nur noch ein gemitteltes Signal. Mit einer Koaleszenztemperatur von T_C = 323 K ergibt sich für das Calix[4]arenmolekül 5 ein Wert für die freie Aktivierungsenergie von G^‡ = 14,7 kcal/mol. Um einen möglichen Einfluß von Cycloheptatrien auf die Flexibilität zu untersuchen, wurde mit dem Calix[4]arenmolekül 1, das tert-Butylgruppen in der p-Position trägt, ebenfalls eine dynamische ¹H-NMR-Spektroskopie in Toluol durchgeführt. Auch in diesem System wird bei höheren Temperaturen ein Zusammenlaufen der Signallagen der verbrückenden Methylenprotonen beobachtet. Die Koaleszenztemperatur liegt bei T_C = 325 K. Für die Ringinversion wird eine freie Aktivierungsenergie von G^‡ = 14,8 kcal/mol benötigt.

Ein Vergleich der Ergebnisse macht deutlich, daß der Austausch der p-tert-Butylgruppen durch Cycloheptatrieneinheiten keinen Einfluß auf die freie Aktivierungsenergie der Ringinversion ausübt. Bei der Ringinversion muß es zu einem Bruch der starken Wasserstoffbrückenbindungen kommen, die die ”cone“-Konformation stabilisieren. Beide Calixarenderivate benötigen hierfür die gleiche Energie. Aus

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Neben einer dynamischen NMR-Messung erfolgte eine Differenzthermoanalyse zur Bestimmung der Isomerisationsenergie der Cycloheptatrieneinheiten im Calixarenmolekül 5. In einem Temperaturbereich von 171,8 °C bis 246 °C konnte eine exotherme Isomerisierungsenergie von 12,5 kcal/mol festgestellt werden ( ).

Abbildung 23: DTA-Aufnahme von 5

5.4. Reaktionen am engeren Rand

Aus den bisherigen Untersuchungen geht hervor, daß durch den Einbau von Cycloheptatrien in die p-Position zur Darstellung der Calixarenderivate 5 und 6 kein Einfluß auf die Löslichkeit und die Beweglichkeit der Calixarene ausgeübt werden konnte.

Eine Möglichkeit, die Eigenschaften der Calixarene derart zu verändern, daß sowohl die Löslichkeit erhöht als auch die Flexibilität des Moleküls herabgesetzt wird, sollte eine Veretherung am engeren Rand darstellen. Eine Rigidifizierung des Calix[4]aren durch Veretherung am engeren Rand mit Alkylgruppen größer als Ethyl ist in der Literatur beschrieben , wodurch eine Interkonversion in die verschiedenen Konformationen unterdrückt wird.

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Abbildung 24: Darstellung von Substanz 7

Die physikalischen Eigenschaften von 7 haben sich durch die Veretherung drastisch verändert. Die Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln hat sich stark verbessert. Eine Rigidifizierung kann durch die Veretherung ebenfalls ermöglicht werden. Die verbrückenden Methylenprotonen weisen im ¹³C-NMR ein Signal bei 31,9 ppm auf, was für eine ”cone“-Konformation spricht. Nachteilig erweist sich die zur Darstellung erforderliche Temperatur von 70 °C. Unter den Reaktionsbedingungen erfolgt stets eine nicht kontrollierbare Isomerisierung des Cycloheptatriensubstituenten.

Zur Darstellung eines einheitlichen Produktes kann die Reihenfolge des Einbaus der Substituenten nicht verändert werden, weil nach Darstellung des Tetrabutyl

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Die positiven Eigenschaften veretherter Calixarenderivate bezüglich Löslichkeit und Rigidität sollten nun in ein neues Zielmolekül einfließen. Für die Darstellung sind milde Reaktionsbedingungen erstrebenswert, damit ein einheitliches Calix[4]arenmolekül generiert werden kann. Daher wurde die Alkylierung mit Benzylgruppen untersucht.

Zur erfolgreichen Umsetzung dieses Ziels wurden unter Verwendung von zwei Äquivalenten Kaliumcarbonat als schwache Base das Calix[4]arenderivat 5 mit dem Reaktionspartner Benzylbromid eingesetzt. Das gewünschte Produkt 25,27-Dibenzyl-26,28-dihydroxy-5,11,17,23-tetrakis(cyclohepta-2,4,6-trienyl)calix[4]aren 8 erhält man isomerenrein, wenn in hoher Verdünnung gearbeitet wird.

Durch die zugegebene schwache Base Kaliumcarbonat wird nach Bildung eines Monoethers bevorzugt das gegenüberliegende Proton am Calix[4]aren entfernt, da dieses Monoanion durch zwei Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert werden kann und somit energetisch günstig ist . Durch die Wahl der Base erfolgt eine selektive Bildung des 1,3-Dibenzylethers ( ).

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Abbildung 25: Darstellung von 8

A priori können die benzylischen Gruppen in gleiche oder unterschiedliche Richtung weisen, d.h. es könnte somit zur Ausbildung eines syn- und anti-Produktes kommen. Eine Aussage kann über die Lage der verbrückenden Methylenprotonen erfolgen. Unter den gewählten Reaktionsbedingungen erfolgt ausschließlich die Bildung des syn-Produktes.

Neben der geforderten guten Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln zeichnet sich die Verbindung 8 durch eine drastische Schmelzpunkterniedrigung auf 111 - 113°C aus. Das ¹³C-NMR-Spektrum zeigt für die verbrückenden Methylenprotonen bei 31,6 ppm ein Signal das typisch für die ”cone“-Konformation ist. In dieser Konformation können ebenfalls wieder stabile Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet werden, die diese Konformation stabilisieren.

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5.5. Transformation der Cycloheptatrieneinheiten zu Tropyliumeinheiten

Durch eine Transformation von Cycloheptatrien zum Tropyliumion in den jeweiligen Calixarenderivaten sollten sich deren Eigenschaften stark ändern. Aus dem neutralen, potentiellen Donatormolekül Cycloheptatrien wird nach erfolgter Oxidation ein geladenes, potentielles Akzeptormolekül. Ferner stellt die Transformation im Hinblick auf eine weitere Funktionalisierung der Moleküle eine geeignete Möglichkeit dar, weitere Gruppen über das jeweilige Tropyliumderivat einzufügen, wodurch die kelchartige Struktur erweitert werden kann.

Die Dauben-Reaktion ^{, ,} ist eine gängige Reaktion, um aus einer monomeren Cycloheptatrieneinheit ein Tropyliumsystem zu generieren. Dabei erfolgt ein Hydridtransfer von einem Cycloheptatrien oder einem substituierten Cycloheptatrien zu einem Triphenylcarbeniumion. Sehr gute Ergebnisse werden mit Triphenylcarbeniumsalzen erzielt, die Gegenionen mit einer geringen Nucleophilie besitzen. Polare Lösungsmittel wie Acetonitril oder Methylenchlorid, die eine Dissoziation des Triphenylcarbeniumsalzes begünstigen, eignen sich besonders gut. Die Reaktion kann quantitativ verlaufen. Sterisch anspruchsvolle Substituenten in der 7-Position des Cycloheptatrien können die Reaktionsgeschwindigkeit aber ungünstig beeinflussen .

Eine einfache Übertragung der Dauben-Reakion auf cycloheptatriensubstituierte Calixarenderivate war nicht erfolgreich. Die Schwierigkeit liegt in der vollständigen Oxidation aller Cycloheptatrieneinheiten. Die Oxidation mit Triphenylcarbeniumsalzen mit den wenig nucleophilen Gegenionen Perchlorat und Tetrafluoroborat ergibt sowohl in den Lösungsmitteln Acetonitril als auch in Methylenchlorid nur in geringen Ausbeuten vollständig oxidierte Produkte.

Da die Oxidation der Cycloheptatriensubstituenten stufenweise erfolgen wird, liegen zwischenzeitlich Mono-, Di-, und Trikationen vor. Diese Zwischenstufen haben offensichtlich die schon für das Tetrakation indizierte schlechte Löslichkeit, so daß schon teilweise oxidierte Derivate ausfallen und für eine homogenchemische Oxidation nicht mehr zur Verfügung stehen.

Aus der Literatur sind viele Beispiele bekannt, in denen eine Löslichkeitssteigerung von Salzen durch das Gegenion Hexafluorophosphat erreicht wird. Um diesen Aspekt ausnutzen zu können, wurde die Dauben-Reaktion mit dem Triphenylcarbeniumhexafluorophosphat in verschiedenen Lösungsmitteln durchgeführt. Die

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Die Oxidation kann ebenfalls photochemisch durchgeführt werden. Die Bestrahlung erfolgt bei 311 nm mit N-Methylchinoliniumperchlorat unter Zusatz von Säure und in Gegenwart von Sauerstoff entsprechend einer Vorschrift nach Jacobi et al..

Abbildung 26: Darstellung von 9 und 10

Alle oxidierten Calixarenderivate zeichnen sich durch eine sehr schlechte Löslichkeit aus. Analytische Messungen können somit nur mit sehr verdünnten Lösungen durchgeführt werden. Eine Charakterisierung des Produktes konnte daher nur in sehr eingeschränktem Maße erfolgen.

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Abbildung 27: Darstellung von 11 und 12

In den ¹H-NMR-Spektren kann nach der Oxidation im Vergleich zum korrespondierenden Cycloheptatriensystem eine deutliche Tieffeldverschiebung der Protonensignale am Siebenring beobachtet werden ( ).

Abbildung 28: ¹H-NMR-Spektrum von 9 in Acetonitril

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Abbildung 29: UV-Spektrum von 9 in HFP

Die Tropyliumderivate der Calixarene besitzen auf einem relativ engen Raum eine große Anzahl von Ladungen. Abstoßende Effekte könnten die relativ starken ringförmigen Wasserstoffbrückenbindungen, die eine ”cone“-Konformation begünstigen, kompensieren und so zu einem konformativ beweglicheren Molekül führen. In Folge dessen resultiert für die Ringinversion eine erniedrigte freie Aktivierungsenergie. Falls die abstoßenden Kräfte dominieren, ist auch die Einnahme einer ”1,3-alternate“-Konformation denkbar, da in dieser Konformation die jeweiligen Ladungszentren einen maximalen Abstand voneinander einnehmen können.

Die Transformation von 5 in das Tropyliumderivat 9 erzeugt im ¹H-NMR-Spektrum in Acetonitril für die verbrückenden Methylenprotonen nur noch ein breites Signal. Wegen der schlechten Löslichkeit der Verbindung konnte eine Konformationsanalyse mittels ¹³C-NMR-Spektroskopie nicht erfolgen.

Eine dynamische ¹H-NMR-Spektroskopie in Acetonitril kann über die vorliegende Konformation Klarheit verschaffen.

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Die Tatsache, daß es überhaupt zu einer Aufspaltung der Signale kommt, schließt die ”1,3-alternate“-Konformation als Vorzugskonformation aus, da hier zwischen den axialen und äquatorialen Positionen nicht mehr unterschieden werden kann.

Das gegenüber dem cycloheptatriensubstituierten Calixarenderivat 5 um ca. 1,5 kcal/mol erleichterte Durchschwingen der Hydroxygruppen durch den engeren Ring ist vermutlich auf die unterschiedliche Lösungsmittelpolarität zurückzuführen.

Je polarer das Lösungsmittel, desto schwächer sind die ringförmigen Wasserstoffbrückenbindungen, und eine Ringinversion kann bereits bei tieferen Temperaturen erfolgen . Daher ist eine Erniedrigung der freien Aktivierungsenergie durch das wesentlich polarere Lösungsmittel Acetonitril im Vergleich zu Chloroform zu erwarten. Gutsche et al. haben das Calix[4]arenderivat 3, das in der p-Position Wasserstoff enthält, mittels dynamischer ¹H-NMR-Spektroskopie in Acetonitril untersucht. Für dieses System ergibt sich eine freie Aktivierungsenergie für die Ringinversion von DG^‡=13,3 kcal/mol, was dem Wert für die Komponente 9 entspricht. Dieses Ergebnis zeigt, daß auch das Tropyliumsystem in der p-Position keinen Einfluß auf die Höhe der Barriere für die Ringinversion ausübt. Auch hier dominieren Wasserstoffbrückenbindungen die Konformation der Calixarene.

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5.6. Chromogene Calixarene

Ein Ziel der Sensortechnik ist die direkte Umwandlung einer Komplexierung in ein optisches Signal. Eine farbliche Veränderung des Systems während der Komplexierung ist gleichzusetzen mit einer Übertragung eines chemischen Signals in ein physikalisches. Mit diesen Systemen können Optroden (optische Sensoren) dargestellt werden, die beispielsweise wichtige physiologische Moleküle detektieren können.

In den vergangenen Jahren wurden Calix[4]arenderivate synthetisiert, die in Gegenwart von Metallionen ihr UV-VIS-Spektrum ändern . Eingesetzt wurden beispielsweise indophenol- , azophenol- oder nitrophenolsubstituierte Calix[4]arene, die eine selektive Komplexierung mit Metallionen durch eine bathochrome Verschiebung anzeigen. Bitter et al. etablierte in einem Calix[4]aren einen Iminofarbstoff, der nach Deprotonierung der phenolischen Hydroxygruppe ein Betain mit konjugierten Doppelbindungen bildet ( ). Als mesomere Grenzstruktur entsteht ein chinoides System. Voraussetzung für die Dissoziation und Komplexierung von Metallkationen ist für dieses System allerdings der Zusatz einer schwachen Base.

Abbildung 30: eingesetzter Iminofarbstoff von Bitter et al.

Bereits in der Darstellung von 5 ist ein violett gefärbtes Nebenprodukt aufgefallen, das möglicherweise als chinoides System die Darstellung stört. Das tropyliumderivatisierte Calx[4]arenderivat 9 stellt ein ähnliches System dar und kann als chromogene Einheit dienen. Ähnlich wie im Iminofarbstoff ( ) kann auch im Calix[4]arenderivat 9 die Bildung eines Betains durch Deprotonierung erreicht werden.

Die Lage des Säure-Base-Gleichgewichts kann sehr bequem über die UV-VIS-Spektroskopie ermittelt werden, weil die Differenzen der Absorptionsmaxima von protonierter und deprotonierter Form je nach Lösungsmittel in einem Bereich um 100 nm liegt.

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Abbildung 31: UV-VIS-Spektrum der vollständig protonierten (1) und deprotonierten (2) Form von 9 in Acetonitril

Das Säure-Base-Gleichgewicht ist in dargestellt. Nach Deprotonierung der phenolischen Hydroxygruppe erfolgt die Ausbildung eines Betains, das sich als mesomere Grenzstruktur in ein chinoides System umwandeln kann und eine bathochrome Verschiebung zur Folge hat.

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Abbildung 32: Gleichgewicht zur Darstellung des chinoiden Systems

In den tropyliumsubstituierten Calixarenen überlagern sich zwei Effekte, die sich auf die Säurestärke der phenolischen Hydroxygruppen auswirken:

• Die Tropyliumeinheit stellt einen Elektronen-Akzeptor dar.
• Das Calixarengrundgerüst bildet starke ringförmige Wasserstoffbrückenbindungen aus.

Beide Effekte verstärken sich, so daß eine Aciditätserhöhung zu erwarten ist.

Im Vergleich zum pK_a1-Wert entsprechender Phenole liegt der pK_a1-Wert im Calix[4]arenmolekül wesentlich niedriger, da das Monoanion sehr gut durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird. Die pK_a-Werte der anderen Hydroxylgruppen liegen daher wiederum höher als die der entsprechenden Phenole. Insgesamt sollte damit eine Dissoziation erleichtert werden.

Andererseits stellen Carbeniumionen selbst Kationen-Säuren dar. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem substituierten Phenyltropylium-Ion und der dazu konjugierten Pseudobase ein ( ).

Abbildung 33: Pseudo Säure-Base-Gleichgewicht von Carbeniumionen

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Abbildung 34: konkurriende Gleichgewichte

Die Lage der Gleichgewichte läßt sich durch die UV-VIS-Spektren abschätzen.

5.6.2. Lösungsmitteleinflüsse

Die Untersuchung von Absorptionseigenschaften der Tropyliumcalixarene in verschiedenen Lösungsmitteln wird durch deren geringe Löslichkeit erschwert. Besonders in unpolaren Solventien wird durch direktes Auflösen keine hinreichend hohe Konzentration erzielt, die für die UV-VIS-spektroskopische Aufnahmen notwendig ist (c=10^-6 mol/l). Wird jedoch zuerst eine gesättigte Lösung in Acetonitril hergestellt, kann diese mit beliebigen unpolaren Lösungsmitteln verdünnt werden, so daß sogar das Absorptionsspektrum in Toluol vermessen werden kann. Dieser

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Trotz der Anwesenheit des polaren Lösungsmittels zeigen die Spektren in unpolaren Lösungsmitteln, daß die Solvatochromie auf das Überschußlösungsmittel zurückzuführen ist ( ). Die Bildung einer zweiten bathochrom verschobenen Bande ist stark unterdrückt.

Abbildung 35: Solvatochromieeffekte im UV-VIS-Spektrum von 9

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Abbildung 36: Einfluß unterschiedlicher Lösungsmittel auf die Bandenlage von 9

Mit der Polarität des Lösungsmittels nimmt der Anteil einer bathochrom verschobenen zweiten Bande zu, die für Acetonitril bei 530 nm liegt. Vermag das Lösungsmittel ein Proton aufzunehmen, wird das chinoide System gebildet. Zusätzlich tritt in protischen Lösungsmitteln wie Methanol und Wasser das Gleichgewicht (2) aus in Kraft. Es entsteht wieder ein Cycloheptatriensystem, wodurch die Intensität der Bande verringert wird.

In Aceton und Acetonitril erfolgt ebenfalls der Aufbau einer zweiten Bande. Da weder Aceton noch Acetonitril basisch reagieren, ist dieses Meßergebnis ein Hinweis auf die Art der Wechselwirkung. Die dipolar aprotischen Lösungsmittel können als Wasserstoffbrückenakzeptoren fungieren und damit offenbar eine Dissoziation des aciden Protons im Calixaren bewirken. Die Ionisation einer Säure bei Variation des Lösungsmittels wird nicht nur durch dessen Basizität beeinflußt, sondern auch die Ionensolvatation und die Dielektrizitätskonstante des Mediums

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Tabelle 3: einige Lösungsmittel und deren Basizität bezüglich Chloroform

Lösungsmittel	(CHCl3) [ppm]
Cyclohexan	0,00
Nitromethan	0,47
Acetonitril	0,56
Aceton	0,92
Cyclohexanon	0,97

Erweitert man die Säure-Base-Definition im Sinne von Lewis, können Lösungsmittel mit nichtbindenden Elektronenpaaren als basiche n-Donator-Lösungsmittel bezeichnet werden. Diese koordinierenden Lösungsmittel sind sehr gute Kationensolvatoren. Zur Klassifizierung wurde die sogenannte Donatornummer (DN) von Gutmann eingeführt. Sie ist definiert als negativer DH-Wert für die 1/1 Addukt-Bildung zwischen Antimonpentachlorid und dem Elektronenpaardonatorsolvens in verdünnter 1,2-Dichlorethanlösung. Je größer die DN ist, desto größer sind die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Akzeptor. Eine Liste mit verschiedenen Lösungsmitteln ist in Tabelle 4 aufgeführt.

Tabelle 4: normierte Donatornummern einiger Lösungsmittel

Lösungsmittel	DNN
1,2-Dichlorethan	0,00
Acetonitril	0,36
Aceton	0,44
Tetrahydrofuran	0,52
Tetramethylharnstoff	0,76
Pyridin	0,85

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Messungen mit der Monomereneinheit 13 ergeben keinen Aufbau einer zweiten Bande in Aceton, so daß diese Eigenschaft auf das Calixarengerüst selbst zurückzuführen ist.

Die Dissoziation des ersten Protons erfolgt auch durch Wasserzusätze in Acetonitril ( ), wodurch ebenfalls eine Verschiebung der Absorptionsbande zu beobachten ist.

Abbildung 37: unterschiedliche Wasserzusätze zu 10 in Acetonitril

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5.6.3. Änderung der Acidität

Die starke Akzeptoreigenschaft der Tropyliumeinheit im Calixaren und die ausgeprägte Neigung, nach Dissoziation eines Protons stabile Wasserstoffbrückenbindungen am engeren Rand auszubilden, sollten sich beide ergänzen und zu einer Erhöhung der Acidität führen.

Zur Überprüfung einer Aciditätserhöhung wurden gleich konzentrierte Lösungen von 10 mit Pufferlösung versetzt, um unterschiedliche pH-Werte einzustellen. Die Ergebnisse sind in zu sehen.

Abbildung 38: Einfluß verschiedener pH-Werte einer Lösung aus 10 in Acetonitril unter Zusatz von Pufferlösungen

Im Bereich zwischen pH = 1,8 und pH = 2,0 ist ein deutlicher Sprung zu erkennen. Es tritt eine langwellig verschobene Bande auf, die wieder als intramolekularer Charge-Transfer unter starker Beteiligung der chinoiden Grenzstruktur (II) aufzufassen ist. Unter gleichen Bedingungen wurde die monomere Verbindung 13 vermessen. In diesem System erfolgt ein Sprung zwischen pH = 4 und pH = 5. Das Proton in den Calixarenderivaten 9 und 10 ist sehr acide und der pK_a-Wert im pH-Sprungbereich liegt um 2-3.

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5.6.4. Verhalten beim Verdünnen

Zur Überprüfung einer Abhängigkeit der beiden konkurrierenden Gleichgewichte in voneinander wurde 10 in wäßriger Lösung vermessen und sukzessive weiter mit Wasser verdünnt ( ).

Abbildung 39: sukzessive Verdünnung einer wässrigen Lösung aus 10

Die Ergebnisse in zeigen eine Abhängigkeit der Gleichgewichte von der Tropyliumsalzkonzentration. Je geringer die Konzentration an Tropyliumsalz, desto weiter wird das Verhältnis von Tropyliumsalz zu chinoiden System zugunsten des chinoiden Systems verschoben. Dieses Ergebnis liegt sowohl in wässriger Lösung als auch in alkoholischer Lösung vor. Im Gegensatz zur Monomereinheit 13 verhalten sich also die Tropyliumderivate 9 und 10 wie schwache Elektrolyte, und in polaren Lösungsmitteln dominiert demzufolge Gleichgewicht (1) aus .

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5.6.5. 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan-2-ol als Lösungsmittel

Alle bisher eingesetzten Lösungsmittel haben die Lage des Gleichgewichtes beeinflußt. Auf der Suche nach einem Lösungsmittel, das keinen Einfluß auf die Gleichgewichte ausübt, wurde 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan-2-ol (HFP) ausgewählt.

Das Lösungsmittel HFP ist durch extreme Eigenschaften charakterisiert. Es besitzt eine sehr geringe Nucleophilie, hohe Donoreigenschaften für Wasserstoffbrückenbindungen, sehr geringe Wasserstoffbrückenakzeptoreigenschaften, hohe Polarität und ein hohes Ionisierungspotential . Aufgrund dieser Eigenschaften ist es sehr gut geeignet, Anionen zu solvatisieren und dadurch Kationen zu stabilisieren.

Das UV-VIS-Spektrum der Calixarenderivate 9 und 10 in HFP zeigt nur noch eine Bande. Sowohl die Dissoziation der phenolischen Hydroxygruppe als auch die Reaktion mit dem Lösungsmittel werden unterdrückt. HFP besitzt in Wasser einen pK_a-Wert von 9,3 und ist damit relativ sauer, was neben der schlechten Wasserstoffakzeptoreigenschaft die Dissoziation des Calixarens zusätzlich erschwert.

Um eine Dissoziation dennoch zu erreichen, muß ein geeigneter Komplexpartner zugesetzt werden, der Eigenschaften besitzt, die HFP als Lösungsmittel nicht unterstützt. Gesucht sind daher Substanzen, die nicht oder kaum basisch sind, aber sehr gute Wasserstoffbrückenakzeptoren darstellen. Eine Substanz, die im hohen Maß Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden vermag und deshalb beispielsweise zur Denaturierung von Proteinen eingesetzt wird, ist Harnstoff.

Zu einer Lösung aus 10 in HFP wurden unterschiedliche Mengen Harnstoff gegeben und UV-VIS-spektroskopisch untersucht ( ).

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Abbildung 40: Zusätze von Harnstoff zu einer Lösung aus 10 in HFP

Durch den Zusatz des neutralen Diamids Harnstoff wird eine bathochrome Verschiebung der Bandenlage beobachtet. Harnstoff ist offensichtlich in der Lage in Wechselwirkung mit den phenolischen Hydroxygruppen zu treten. Ein Aufbau von Wasserstoffbrückenakzeptorstellen durch Harnstoff ermöglicht eine Dissoziation der phenolischen Hydroxygruppen. Untersuchungen mit dem Harnstoffderivat Tetramethylharnstoff führen ebenfalls zu einer bathochromen Verschiebung der Bandenlage ( ). Nach der rechnerischen Abschätzung der Säure-Base-Gleichgewichtslage unter Einbeziehung der pK_a-Werte sowohl für Harnstoff als auch für Tetramethylharnstoff und einem pK_a-Wert des Calixarens von 3 reicht unter dem Gesichtspunkt einer Säure-Base-Reaktion die Basenstärke nach Brønstedt von Harnstoff und Tetramethylharnstoff nicht aus, um die bathochrome Verschiebung hinreichend zu erklären.

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Abbildung 41: Zusatz von Tetramethylharnstoff zu einer Lösung aus 9 in HFP [steigender Zusatz von 1 nach 4]

In weiteren Untersuchungsreihen wurden die Amide Acetamid und Benzamid als Wasserstoffbrückenakzeptoren untersucht. In sind die UV-VIS-Spektren unter Zusatz von Acetamid zu sehen. Der Zusatz von Benzamid führt zu einem ähnlichen Ergebnis.

Voraussetzung der beschriebenen Effekte sind freie phenolische Einheiten im Calixarenmolekül. Das vollständig veretherte Calixarenderivat 11 kann keine chinoide Struktur ausbilden. Im UV-VIS-Spektrum, das in Acetonitril aufgenommen wurde, ist dementsprechend auch nur eine Bande bei 421 nm zu beobachten.

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Abbildung 42: Zugabe von Acetamid zu einer Lösung aus 9 in HFP

Zusammenfassung:

Die Tropyliumderivate 9 und 10 sind als chromogene Rezeptoren geeignet. Ohne den äußeren Zusatz einer Hilfsbase kann die Dissoziation der phenolischen Hydroxygruppe erfolgen, wenn eine Wechselwirkung mit Molekülen eintritt, die als Wasserstoffbrückenakzeptor fungieren können. Besonders gut kann dieses Verhalten in HFP beobachtet werden, da in diesem Lösungsmittel konkurrierende Gleichgewichte unterdrückt werden können.

Wegen der schlechten Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln ist eine Aussage über den Komplex zwischen chromogenem Rezeptor und zugesetztem Substrat mittels NMR-Spektroskopie nicht möglich. Weil die Dissoziaton auch mit neutralen Substraten erfolgt, kann die Dissoziation als ein Beleg für eine Komplexierung betrachtet werden.

Tropyliumderivatisierte Calixarene stellen chromogene Systeme dar, die zur Detektion von Amiden geeignet sind.

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