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Kapitel 6. Molekulare Erkennung (Komplexbildung)

6.1. Bekannte Komplexierungen mit Calix[4]arenderivaten

Bisher erfolgten an Calix[4]arenderivaten hauptsächlich Untersuchungen zum Komplexierungsverhalten mit verschiedenen Metallkationen . Dabei handelte es sich meistens um Ester-, Amid- oder verbrückende Polyetherfunktionen, die häufig gute Selektivitäten gegenüber unterschiedlichen Metallionen aufwiesen , . Ein Schwerpunkt ist insbesondere die Komplexbildung der Calix[4]arenderivate mit Alkalipikraten bei Extraktionsexperimenten .

Sehr gute Komplexierungseigenschaften für organische Kationen zeigen wasserlösliche p-Sulfonsäurederivate von Calixarenen, deren hohe Komplexbildungskonstanten hauptsächlich auf elektrostatischen Wechselwirkungen mit den Calixarenanionen basierten. Je nach pH-Wert und somit unterschiedlicher Ladungsverteilung im Gastmolekül, ist eine unterschiedliche Ausrichtung des Gastes im Komplex festzustellen.

Abgesehen von rein ionischen Wechselwirkungen werden die Komplexe durch weitere Wechselwirkungen, wie beispielsweise Ion-Dipol-Wechselwirkungen stabilisiert. Die molekulare Erkennung basiert dabei im wesentlichen auf einer Kation-\|[pgr ]\|-Wechselwirkung als intermolekulare Wechselwirkung.

Die Stärke dieser Wechselwirkung ist lange Zeit unterschätzt worden. Insbesondere die Arbeiten von Dougherty konnten hier zu einem besseren Verständnis beitragen . Sowohl Gasphasenmessungen als auch computerunterstützte Modellierungen zeigen, daß Kation- -Wechselwirkungen zu den stärksten nichtkovalenten Wechselwirkungen zählen. In der Gasphase übersteigt die Wechselwirkungsenergie zwischen dem Kaliumion und Benzol (19 kcal/mol) sogar die Energie zwischen dem Kaliumion und Wasser (18 kcal/mol) . Sowohl in Proteinen als auch in Protein-Ligand-Systemen konnte mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse an Festkörpern ebenfalls die Bedeutung dieser Wechselwirkung demonstriert werden. Als Beispiel ist die Wechselwirkung von Trimethylammoniumionen in der Acetylcholinesterase anzuführen, die nicht - wie ursprünglich angenommen - auf elektrostatischen, sondern auf Kation--Wechselwirkungen beruht . Die Kation--Wechselwirkung darf nicht auf eine Kation-Aromat-Wech

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Die Komplexbildungskonstanten für Komplexe in Lösung, die hauptsächlich auf Kation- -Wechselwirkung beruhen, haben meistens geringe Werte . Für eine ausreichende Bestimmung ist somit eine empfindliche Analytik notwendig. Die NMR-Spektroskopie erfüllt diese Anforderungen. Eine komfortable und moderne Methode ist die NMR-Titration .

6.2. NMR-Titration

Die Vorteile einer NMR-Titration gegenüber einer UV-VIS- oder Fluoreszensmessung liegen in der geringen Gefahr einer Fehlinterpretation durch mögliche Verunreinigungen. Außerdem besteht die Möglichkeit, zusätzliche Informationen über die Struktur der zu untersuchenden Probe zu erhalten.

Für die Auswertung einer NMR-Titration ist es von entscheidender Bedeutung, ob im Vergleich zur NMR-Zeitskala der Austausch zwischen den freien Wirt- und Gastkomponenten bzw. dem entsprechenden Komplex schnell oder langsam erfolgt.

Bei einem langsamen Austausch wird je ein Signal für die freie Komponente und für den Komplex erhalten. Die Ermittlung der Komplexbildungskonstanten kann dann direkt über die Integrale der jeweiligen Signale erfolgen.

Ein schneller Austausch hat zur Folge, daß nur noch ein gemitteltes Signal beobachtet wird und mit folgender Gleichung

(mit n_a als Molenbruch und d_a als chemische Verschiebung der Spezies A) wiedergegeben werden kann. Für Komplexierungsreaktionen kann nach dem Aufstellen des Massenwirkungsgesetzes der Molenbruch für den Komplex (n_c) wie folgt beschrieben werden (genauere Herleitung im experimentellen Teil):

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Die beobachtete chemische Verschiebung ist eine Funktion der Konzentration von Wirt und Gast, der chemischen Verschiebung des reinen Wirts als bekannte Größe sowie von der chemischen Verschiebung des reinen Komplexes und der Gleichgewichtskonstanten als unbekannte Größen. Als Lösung einer resultierenden quadratischen Gleichung erhält man eine Gleichung mit zwei Unbekannten:

mit

(R gibt das Verhältnis von Wirt zu Gast an). Die beobachtete chemische Verschiebung d wird als complexation induced shift (CIS) bezeichnet. Zur Auswertung muß diese Gleichung mit Iterationsverfahren den in einer NMR-Titration ermittelten chemischen Verschiebungen angeglichen werden. Die vormals unbekannten Größen können somit durch diese Kurvenanpassungsprozedur ermittelt werden. Wie alle Methoden für Bindungsanalysen, so hat auch die NMR-Titration ihre Limitierungen. Im wesentlichen gibt es zwei Hauptfehlerquellen. Einerseits müssen die Konzentrationen in einem passenden Bereich liegen, andererseits kann sehr leicht eine Säure-Base-Reaktion mit einer Komplexierung verwechselt werden .

Für schwache Komplexe konnten Person und Deranleau zeigen, daß die gemessenen Konzentrationen in einem Bereich zwischen 20% und 80% der Sättigung liegen sollten, wobei die zu beobachtende Spezies immer die Unterschußkomponente darstellt. Optimalerweise sollte die Unterschußkomponente bei einer Komplexbildungskonstanten von beispielsweise K_a = 100 eine Konzentration von 1•10^-3 mol/l besitzen und die Konzentration des Titranten in einem Bereich von 1•10^-3 mol/l bis maximal zum hundertfachen variieren, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.

Zur Überprüfung, ob ein Säure-Base-Gleichgewicht oder eine Komplexierung vorliegt, werden Verdünnungsexperimente herangezogen. Dabei wird eine Lösung der zu untersuchenden Substanzen vermessen und sukzessive verdünnt, wo

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6.3. Wirtmoleküle durch Reaktionen am engeren Rand

Zum Aufbau eines Systems, das Kation- -Wechselwirkungen effektiv ausnutzt, kann sowohl der Wirt als auch der Gast als kationische Komponente eingesetzt werden. Aufgrund der sehr schlechten Löslichkeit der Tropyliumderivate von Calix[4]aren wurde der Wirt als -Donor ausgewählt.

Eine Ausweitung des -Donorbereiches durch den Einbau von Cycloheptatrien in das Calix[4]arengrundgerüst sollte neben den ohnehin vorhandenen aromatischen Einheiten einen zusätzlichen positiven Effekt hinsichtlich einer möglichen Komplexierung von Kationen, beispielsweise durch Vergrößerung der konkaven Oberfläche, ausüben. Das Calix[4]arenderivat 5 ist somit ein vielversprechender Basisbaustein.

Für eine erfolgreiche NMR-Titration muß die Löslichkeit einer Komponente des Wirt-Gast-Systems im Lösungsmittel Chloroform ausreichend sein. Viele organische Kationen besitzen in Chloroform hingegen ein schlechtes Lösungsverhalten, was eine Verbesserung der Löslichkeit des Wirtmoleküls notwendig macht.

Die veretherten Calix[4]arenderivate 7 und 8 sind damit potentielle Wirte. Das Zielmolekül 7 wird wegen der nicht isomerenreinen Darstellungsmöglichkeit nicht weiter verfolgt.

Daneben spielt die Flexibilität des Wirtsystems in vielen Wirt-Gast-Komplexen eine entscheidende Rolle. Wenn der Wirt in seinen möglichen Konformationen zu flexibel ist, ist eine Komplexierung erschwert .

Daher ist es günstig, wenn der Wirt in einer ”cone“-Konformation immobilisiert werden kann. Alle nichtkovalenten Wechselwirkungen können dann gemeinsam

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Für die Untersuchung des dynamischen Verhaltens wurde die Substanz 8 in Toluol als Lösungsmittel in einem Bereich von +25 bis +95 °C im Abstand von 10 °C vermessen. Falls es zu einem Durchschwingen der unveretherten phenolischen Einheiten kommt, verschwindet bei höherer Temperatur die Aufspaltung der verbrückenden Methylenprotonen, und zusätzlich sollten die beiden Signallagen zusammenlaufen, bis bei einer Koaleszenztemperatur nur noch ein Signal zu beobachten ist.

Die Spektren zeigen keinerlei Veränderungen (Anzahl und Form der Signale) im Bereich der Methylenprotonen auf. Eine Kopplungskonstante von ²J=13,2 Hz ist bis zu einer Temperatur von 95 °C zu beobachten, was gegen ein dynamisches Verhalten spricht. Die Differenz der Signallagen der Methylenprotonen (1,07 ppm) bleibt ebenfalls konstant, was einer Beibehaltung einer syn-Stellung der gegenüberliegenden Benzylethereinheiten entspricht.

Der Grund für die ausbleibende Inversion der unveretherten phenolischen Einheiten kann in der Anwesenheit von starken Wasserstoffbrückenbindungen liegen, die nur in einer ”cone“-Konformation optimal ausgebildet werden können. Zusätzlich wird die Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen in dem unpolaren Lösungsmittel Toluol nicht durch Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel geschwächt. Unter Verwendung der Eyring-Gleichung

für die freie Aktivierungsenergie ergibt sich für die Barriere der Umwandlung von 8 mit ein Wert von > 21 kcal/mol. Damit besitzt dieses System mindestens eine

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Durch die Verdünnungsmethode kann entschieden werden, ob es sich in einer NMR-Titration um eine Komplexierung oder um einen Protonenübergang handelt.

Als kationischer Gast wurde N,N,N-Trimethyltoluidiniumiodid G1 ausgesucht, da sich dieses Molekül durch mehrere gut zu verfolgende ¹H-NMR-Signale auszeichnet. Das Ergebnis der Verdünnungsmethode ist in wiedergegeben.

Abbildung 43: Verdünnungsexperiment (W1-G1)

Die Analyse des Kurvenverlaufs ergab, daß es sich um eine Komplexierung und nicht um eine Protonenübertragungsreaktion handelt. Im Falle einer Protonenübertragung ist eine Gerade parallel zur Abszisse zu erwarten.

Damit ist sichergestellt, daß die beobachteten Signalverschiebungen durch eine Komplexierung verursacht wurden. Die vorliegende Wirt-Gast-Verbindung kann entweder als endo- oder als exo-Komplex vorliegen. Bisher sind in der Literatur

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Weiterhin soll überprüft werden, ob für diese Art der Wechselwirkung überhaupt ein makrocyclisches System notwendig ist. Dazu wurde die Wechselwirkung der Monomerverbindung von Wirt W1 mit einem weiteren organischen Kation untersucht, das mit W1 ebenfalls eine starke Wechselwirkung eingeht.

gibt das Ergebnis nach der Verdünnungsmethode mit einem System bestehend aus der ”Monomereinheit“ 4-(Cyclohepta-2,4,6-trienyl)phenol des Wirtes W1 und dem tert-Butyl(4-cycloheptatrienylium-phenoxy)dimethylsilan als organisches Kation G2 wieder.

Abbildung 44: Verdünnungsexperiment mit der ”Monomereinheit“

Ein Vergleich mit veranschaulicht hier sehr deutlich den Einfluß des makrocyclischen Systems. Aus dem Verdünnungsexperiment mit der ”Monomereinheit“ resultiert eine nahezu lineare Abhängigkeit, was für eine gerinfügig ausgebildete Wechselwirkung zwischen den Komponenten spricht. Die zu beobachtende leichte Wechselwirkung in ist wesentlich schwächer ausgebildet als im makrocyclischen System ( ). Als gravierender

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Als kationische Komponenten für die Bildung von Wirt-Gast-Komplexen auf der Basis von Kation- -Wechselwirkungen wurden verschiedene organische Ammonium-, Iminium- und Carbeniumsalze eingesetzt. Mit diesen Salzen wurden NMR-Titrationsexperimente durchgeführt und deren Komplexbildungskonstanten bestimmt.

Zur Durchführung der NMR-Titrationen wurden jeweils ca. 1•10^-4mol/l bzw. gesättigte Lösungen der Salze in deuteriertem Chloroform hergestellt. Dieser Konzentrationsbereich ist unter Berücksichtigung einer zu erwartenden schwachen Komplexbildung für die Aussagekraft der resultierenden Werte ideal. Insbesondere bei Komplexen mit schwacher Bildungstendenz muß zur praktikablen und gesicherten Ermittlung der Komplexbildungskonstanten der Konzentrationsbereich gezielt gewählt werden.

In einer Versuchsreihe wurden unterschiedliche Mengen des Wirtes vorgelegt und mit den gleichen Volumina einer vorher bereitgestellten Salzlösung aufgefüllt. Die Konzentration des Salzes blieb somit konstant, während das Verhältnis von Gast zu Wirt variabel war. Nach Auswertung der Spektren einer Versuchsreihe war meist eine Hochfeldverschiebung an charakteristischen Signalen des Salzes festzustellen. Bei der Auftragung der chemischen Verschiebung gegen das Verhältnis der Komponenten konnte bei Vorliegen einer Komplexierung eine typische Kurvenform gefunden werden.

In den hier untersuchten Systemen wurde ein schneller Austausch zwischen der komplexierten und der unkomplexierten Form beobachtet. Als Folge resultieren Spektren, in denen nur ein gemitteltes Signal detektiert wird. Damit ist eine einfache Auswertung nicht möglich, die im Fall eines langsamen Austauschphänomens über die Integrale von komplexiertem und unkomplexiertem Gast verlaufen würde.

Die Auswertung und Bestimmung der Assoziationskonstanten erfolgt daher durch nichtlineare Kurvenanpassung. Benutzt wurde ein Programmpaket von SigmaPlot^®, das einen Marquardt-Levenberg-Algorithmus anwendet. Nähere Ein

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Das Verfahren wird im folgenden exemplarisch für eine NMR-Titration besprochen. W1 wird in verschiedenen Verhältnissen mit einer gesättigten Lösung von N-Methylchinoliniumperchlorat G3 versetzt und mittels ¹H-NMR-Spektroskopie untersucht.

Ausschnitte aus Spektren dieser NMR-Titrationen sind in wiedergegeben. Dabei kann vor allem die Hochfeldverschiebung des Methylsignales sehr gut verfolgt werden.

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Abbildung 45: Beispiel einer NMR-Titration mit Ausschnitten aus dem System W1-G3 im Bereich zwischen 3 ppm und 4,7 ppm [mit dem Pfeil sind die Lagen der Methylgruppen von N-Methylchinoliniumperchlorat angegeben. In jedem Ausschnitt ändert sich das Verhältnis R zwischen Wirt und Gast: a) R=4,15; b) R=5,76; c) R=9,45; d) R=17,06; e) R=25,82; f) 32,96; g) R=39,88; h) R=47,49]

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Abbildung 46: graphische Auswertung NMR-Titration

Anschließend wurde mit Hilfe einer nichtlinearen Regression eine Funktion so an die Werte angepaßt, daß die Komplexbildungskonstante (K_a = 223 mol^-1) und ein Wert für die chemische Verschiebung des reinen Komplexes errechnet werden konnte.

Die Funktion setzt die Anwesenheit eines 1/1 Komplex voraus, die durch Untersuchungen, die im nächsten Kapitel erläutert werden, bestätigt wurde. Nach einer erfolgten Angleichung der Funktion kommt es zu einer sehr guten Übereinstimmung von Meßwerten und angepaßter Funktion, wie es in wiedergegeben ist. Zusätzlich kann die Lage des reinen Komplexpeaks ermittelt werden. Dieser ist ebenfalls zur Abschätzung einer realistischen Annäherung geeignet, wenn sich aus dem Kurvenverlauf bereits ein Grenzwert abzeichnet.

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Abbildung 47: Ergebnis nach dem Angleichen mit der Fit-Funktion

Die Wirtkomponente W1 zeichnet sich gegenüber der Komponente 5 durch seine höhere Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln und durch eine verringerte Flexibilität aus. Ein direkter Vergleich der beiden Komponenten als Wirte mit dem gleichen Gast kann eine Aussage über die Natur des Wirt-Gast-Komplexes in Form von Modellvorstellungen liefern.

Für das Schlüssel-Schloß-Modell, das von Fischer bereits 1894 postuliert wurde, sollte der Wirt möglichst starr sein und bereits in seiner aktiven Konformation vorliegen, damit ein Komplex gebildet werden kann.

In dem von Koshland 1958 entwickelten Modell des induced fit muß das Wirtmolekül noch eine ausreichende Flexibilität besitzen, um eine aktive Konformation durch die Wechselwirkung mit dem Gast einzugehen. Diese ermöglicht es dann, mit dem Gast einen Komplex zu bilden.

Die Komponente 5 wurde als Wirt W2 mit dem Gast G2 in einer NMR-Titration mit Chloroform als Lösungsmittel untersucht. Unter den gleichen Bedingungen wurde das System W1-G2 vermessen.

Die Komplexbildungskonstanten betragen für das System W1-G2 K_a = 213 mol^-1, für das System W2-G2 K_a = 45 mol^-1. Der Vergleich der beiden Komplexbildungskonstanten zeigt sehr eindrucksvoll, wie wichtig die Rigidität des Wirtmoleküls für

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Die fünffach höhere Komplexbildungskonstante für den rigideren Wirt W1 schließt eine mögliche Komplexierung nach dem induced-fit-Modell aber nicht aus. Obwohl der Wirt W1 keine Inversion der phenolischen Einheiten durch den engeren Ring eingehen kann, müßten die Gruppen dennoch flexibel genug sein, um die für eine Komplexierung günstige Konformation eingehen zu können.

6.4. Stöchiometrie des Komplexes

Seit 1981 wird FABMS (fast atom bombardment mass spectroscopy) erfolgreich für die Detektion von 1/1 Addukten eingesetzt . In den letzten Jahren wurde diese Methode auch im Bereich der Wirt-Gast-Komplexierung und bei schwach gebundenen Komplexen, wie beispielsweise Enzym-Substrat Assoziationen angewendet.

Das FABMS-Spektrum in zeigt eindeutig eine Komplexbildung im System W1-G2 in der Gasphase. Im Spektrum sind Signale mit m/z = 297 für das Tropyliumsalz ohne Gegenion sowie bei m/z = 963 für die Wirtverbindung W1 zu erkennen. Bei m/z = 1261 ist eindeutig ein Signal für einen Komplex bestehend aus W1-G2 ohne Perchlorat als Gegenion auszumachen. Es treten keine Signale für Komplexe mit einer höheren Stöchiometrie als 1/1 auf. Somit kann als Ergebnis dieser Messungen die Bildung eines 1/1 Komplexes in der Gasphase bestätigt werden. Die relativ geringe Intensität des Komplexsignals bezüglich des Basissignals wird auch bei anderen Systemen mit einer schwachen Komplexierung gedeutet .

Eine weitere gängige Methode zur Bestimmung der Komplexzusammensetzung stellt die Job-Plot-Methode dar. Allerdings wird mit dieser Methode kein eindeutiges Ergebnis zu erzielen sein, wenn kleine Komplexbildungskonstanten vorliegen . Die in mehreren Meßreihen untersuchten Abhängigkeiten nach der Job-

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Ein zusätzlicher Hinweis für eine Komplexierung mit einer Stöchiometrie von 1/1 wird durch die nichtlineare Angleichung der gemessenen Werte aus der NMR-Titration geliefert. So basiert die Funktion, die an die Meßwerte angeglichen wird, auf einem 1/1 Komplex. Außerdem stimmen der resultierende Kurvenverlauf und die Berechnung des Signals des reinen Komplexes sehr gut mit den beobachteten Werten überein (siehe vorheriges Kapitel).

Semiempirische Berechnungen am Wirt W1 ergeben einen Hohlraum, für den eine Stöchiometrie größer als 1/1 sehr unwahrscheinlich ist.

Abbildung 48: FAB-Massenspektrum von W1-G2

6.5. Einfluß der Lösungsmittelpolarität

Der Einfluß der Solvenspolarität kann durch Messung der gleichen Wirt-Gast-Systeme in unterschiedlichen Lösungsmitteln untersucht werden.

Richtungsabhängige und damit selektivere Coulomb-Wechselwirkungen werden unter Einfluß von polaren Medien vermindert, durch unpolare Medien jedoch erhöht. Bisher bekannte organische Wirt-Gast-Komplexe, in denen geladene Zentren -Elektronensystemen gegenüberstehen, sind in polarisierbaren Solventien weit schwächere Komplexe als die entsprechenden Gasphasen-Assoziate. Eine Stabilisierung erfolgt jedoch durch elektrostatische und Dipol-induzierte Anteile.

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In sind die unterschiedlichen Kurvenverläufe und die damit verbundenen unterschiedlich starken Wechselwirkungen zu erkennen.

Abbildung 49: NMR-Titration mit W1-G2 in unterschiedlichen Lösungsmitteln

In Chloroform wird eine 6fach stärkere Komplexbildungskonstante als in Aceton gemessen. Chloroform besitzt eine empirisch ermittelte Solventspolarität E_T(30) (kcal/mol) von 39,1 und Aceton von 42,2 . Eine stärkere Polarität des Lösungsmittels geht somit mit einer Destabilisierung des Komplexes einher. Unter der Annahme, daß es nur zu einer Komplexierung kommen kann, wenn sowohl Wirt als auch Gast jeweils seine Solvenshülle abstreift, wird in polaren Lösungsmitteln die Dominanz einer Kation- -Wechselwirkung gegenüber einer Solvatisierung unterdrückt.

Somit kann für dieses System ebenfalls eine Verringerung von Coulomb-Wechselwirkungen in polaren Medien bestätigt werden.

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6.6. Orientierung des Gastes im Komplex

Bei allen Komplexen ist eine Hochfeldverschiebung der ¹H-NMR-Signale der Kationen zu beobachten. Die größte induzierte Hochfeldverschiebung erfolgt bei Ammoniumsalzen meist an den CH-Protonen, die sich vicinal zur positiven Ladung befinden.

Anhand der CIS-Werte für die einzelnen Signale des Gastes G1 läßt sich die Orientierung und vertikale Beweglichkeit des Gastes in Komplexen deuten. Besonders die isolierte Lage der beiden Methylgruppen im Gast G1, die sehr gut mittels ¹H-NMR-Spektroskopie zu beobachten ist, erleichtern eine Zuordnung.

In sind die unterschiedlich starken Differenzen der chemischen Verschiebungen der beiden Methylsignale dargestellt.

Die chemischen Verschiebungen verdeutlichen, daß ein enger Kontakt zwischen dem polaren Kopf und dem -System des Wirtes bestehen muß. Die hier beobachteten Signalverschiebungen (CIS) beruhen hauptsächlich auf Anisotropieffekten, die durch die aromatischen Bausteine des Wirtes ermöglicht werden.

Abbildung 50:unterschiedlicher CIS im System W1-G1

Da diese Effekte räumlich differieren, kann durch die Höhe und das Vorzeichen der Verschiebung eine Vorzugsorientierung des Gastes im Calixarenkelch festgestellt werden.

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Abbildung 51: behinderte freie vertikale Rotation

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6.7. Einfluß der Beschaffenheit des Gastes auf das Komplexierungsverhalten

Im folgenden Kapitel werden die Eigenschaften der unterschiedlichen Gastmoleküle auf deren Komplexierungsverhalten untersucht. Die Diskussion basiert auf den entsprechenden Komplexbildungskonstanten und der daraus ermittelten freien Enthalpie. Somit werden insbesondere Enthalpieänderungen unter der Annahme eines ähnlichen Entropieterms (TDS) betrachtet.

Die untersuchten Gastmoleküle sind in der Lage, CT-Wechselwirkungen einzugehen. CT-Komplexe werden durch Übergang von Elektronen aus hochliegenden besetzten Molekülorbitalen in niedrig liegende unbesetzte stabilisiert . Die Stärke dieser Wechselwirkung kann mittels der Redoxpotentiale des Donators und des Akzeptors mit folgender Formel abgeschätzt werden:

Um den Einfluß der CT-Wechselwirkung in diesen Wirt-Gast-Komplexen zu untersuchen, werden sterisch ähnliche Gäste, die ein unterschiedliches Reduktionspotential aufweisen, miteinander verglichen. Die Gäste G2, G4 und G5 stellen für diese Untersuchung geeignete Komplexpartner dar ( ).

Abbildung 52: Gäste zur Untersuchung des Einflusses von CT-Wechselwirkungen auf das Komplexverhalten

Wenn CT-Wechselwirkungen einen großen Einfluß auf das Komplexverhalten besitzen, muß in einem Komplex mit W1 als Wirt der Gast G4 eine größere Komplexbildungskonstante aufweisen als der Gast G5. Die jeweiligen Redoxpotentiale und die Ergebnisse der NMR-Titration sind in Tabelle 5 wiedergegeben.

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Tabelle 5: Einfluß von CT-Wechselwirkungen auf das Komplexverhalten

Wirt	Gast	Lösungsmittel	Ka[mol-1]	-DG[kcal/mol]	Peakpotential [V] (SCE, MeCN, Pt, 25)
W1	G2	CDCl3	213	3,2	-0,39
W1	G4	CDCl3	95	2,7	-0,40
W1	G5	CDCl3	100	2,7	-0,52

Obwohl die Reduktionspotentiale für die Gäste G4 und G5 unterschiedlich sind, liegen die Komplexbildungskonstanten der gemessenen Systeme sehr dicht beieinander und können keinen Trend aufzeigen. Eine Verdoppelung der Komplexbildungskonstanten im System W1-G2 im Vergleich zum System W1-G4 kann bei ähnlichen Reduktionspotentialen der Gäste nicht auf eine CT-Wechselwirkung zurückgeführt werden.

CT-Wechselwirkungen spielen in den untersuchten Wirt-Gast-Komplexen nur eine untergeordnete Rolle. Offensichtlich überwiegen induzierte Wechselwirkungen in den betrachteten Systemen, was auch Schneider et al. für viele Wirt-Gast-Systeme in nichtwässrigen Medien gefunden hat.

Zu den dispersiven Wechselwirkungen zählen - -Stacking-Wechselwirkungen, die einen Komplex stabilisieren können. Durch momentan auftretende, fluktuierende Dipole auch unpolarer Bindungen bewirken eine Attraktion der Moleküle, wenn der Kontaktabstand zwischen Wirt und Gast gering genug ist. Diese Wechselwirkung leistet einen geringen Beitrag zur Selektivität der molekularen Erkennung.

Areneinheiten im Gastmolekül sollten daher eine Stabilisierung des Komplexes ermöglichen, wenn sie einen möglichst engen Kontakt mit dem -System des Wirtes aufnehmen können. Die Gäste G10 und G11 besitzen Areneinheiten, die unterschiedlich weit von der positiven Ladung entfernt vorliegen ( ). Die Ergebnisse der NMR-Titrationen mit dem Wirt W1 sind in Tabelle 6 wiedergegeben.

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Abbildung 53: Gäste zur Untersuchung von dispersiven Wechelwirkungen

Tabelle 6: Ergebnisse der NMR-Titrationen mit den Systemen W1-G6 und W1-G7

Wirt	Gast	Lösungsmittel	Ka[mol-1]	-DG[kcal/mol]
W1	G6	CDCl3	6	1,1
W1	G7	CDCl3	28	2,0

Die bessere Komplexbildung im System W1-G7 liefert einen Hinweis auf zusätzlich vorhandene - -Stacking-Wechselwirkungen, die eine Komplexierung unterstützen. Durch den verringerten Abstand der Areneinheit zur positiven Ladung im Gastmolekül kann die Areneinheit über einen günstigeren Kontaktabstand besser mit dem -System des Wirtes wechselwirken.

Die Ladungsverteilung im Gastmolekül kann für eine erfolgreiche Komplexierung einen zusätzlichen Einfluß ausüben. Untersucht wurden in Wirt-Gast-Systemen mit dem Wirt W1 sowohl eher ”harte“ Ammonium- als auch ”weiche“ Iminiumionen. Die untersuchten Gastmoleküle sind in wiedergegeben.

Abbildung 54: Einfluß der Ladungsverteilung auf die Komplexbildung

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Tabelle 7: Einfluß der Ladungsverteilung auf das Komplexverhalten

Wirt	Gast	Lösungsmittel	Ka[mol-1]	-DG[kcal/mol]
W1	G2	CDCl3	213	3,2
W1	G9	CDCl3	93	2,7
W1	G8	CDCl3	82	2,6
W1	G7	CDCl3	28	2,0
W1	G6	CDCl3	6	1,1

Dabei zeigt sich, daß eine Komplexierung mit dem Wirt W1 bevorzugt mit weicheren organischen Kationen erfolgt. Die kleinsten Komplexbildungskonstanten wurden in dieser Versuchsreihe mit dem ”harten“ Gastmolekül G6 erzielt. Diese Ergebnisse legen nahe, daß das Wirtmolekül selbst ebenfalls als ”weiches“ Donatormolekül einzustufen ist.

Der Übergang vom Ammonium- zum Iminiumion stellt eine Vergrößerung des wechselwirkenden Bereiches dar. Die Kontaktfläche, die mit dem Wirt in Wechselwirkung treten, kann wird somit erhöht, was durch eine höhere Komplexbildungskonstante zum Ausdruck gebracht wird.

Im Gastmolekül G9 ist die positive Ladung durch Mesomerie noch stärker als im Gastmolekül G8 über das gesamte Molekül verteilt. Neben der Vergrößerung der Kontaktfläche liegt im Gastmolekül G9 eine gleichmäßigere Ladungsverteilung vor, was mit einer Steigerung der Komplexbildungsfähigkeit einhergeht.

Die positive Ladung ist im Gastmolekül G2 über einen noch größeren Bereich verteilt. Diese Vergrößerung des Bereiches, der mit dem Wirt wechselwirken kann, führt zu einer drastischen Erhöhung der Komplexbildung. Diese Ergebnisse zeigen, daß positive Partialladungen, die möglichst über einen großen Bereich delokalisiert sind, sehr gut mit dem Wirt W1 in Wechselwirkung treten können.

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Abbildung 55: Einfluß der Stickstoffsubstituenten auf das Komplexbildungsverhalten

Tabelle 8: Ergebnis der NMR-Titrationen von Wirt W1 mit den Gastmolekülen aus Abbildung 55

Wirt	Gast	Lösungsmittel	Ka[mol-1]	-DG[kcal/mol]
W1	G11	CDCl3	119	2,8
W1	G8	CDCl3	82	2,6
W1	G10	CDCl3	27	2,0
W1	G6	CDCl3	6	1,1

Die Ergebnisse in Tabelle 8 belegen wiederum die bessere Komplexbildungsfähigkeit der Iminiumsalze gegenüber den Ammoniumsalzen mit dem Wirt W1. In beiden Molekülgruppen führt die Substitution der Methylgruppen durch Ethylgruppen zu einer Erhöhung der Komplexbildungskonstanten.

Die Erhöhung fällt in den verglichenen Iminiumsalzen geringer aus als bei den Ammoniumsalzen, was damit zu erklären ist, daß in Iminiumsalzen die positive Ladung über einen größeren Bereich delokalisiert und damit der Einfluß der Stickstoffsubstituenten geringer ausgeprägt ist.

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Die Erhöhung belegt, daß die Kation- -Wechselwirkung nicht die einzig dominierende Wechselwirkung im Wirt-Gast-Komplex ist. Insbesondere bei Ammoniumsalzen, die eher kleine Komplexbildungskonstanten aufweisen, ist die Kation- -Wechselwirkung keine entscheidende Größe. Vielmehr überwiegen auch hier van der Waals-Wechselwirkungen. Schneider beschreibt, daß Wirt-Gast-Systeme, in denen geladene Zentren -Elektronensystemen gegenüberstehen, weit schwächere Komplexe in polarisierbaren Lösungsmitteln bilden als die entsprechenden Gasphasen-Assoziate, was auch auf dieses System übertragen werden kann.

Die bisherigen Untersuchungen zeigen, daß Wirt-Gast-Komplexe mit dem Wirt W1 dann eine besonders gute Komplexierung ermöglichen, wenn ein Iminiumsalz als Gastmolekül eingesetzt wird, das die positive Ladung über einen großen Bereich verteilt und zusätzlich aromatische Einheiten enthält. Ein Vergleich der Komplexmoleküle aus Abbildung 56 verstärkt diese Annahme (Tabelle 9).

Abbildung 56: Gastmoleküle G3 und G8

Tabelle 9: Ergebnisse der NMR-Titration von W1 mit den Gastmolekülen aus Abbildung 56

Wirt	Gast	Lösungsmittel	Ka[mol-1]	-DG[kcal/mol]
W1	G3	CDCl3	223	3,2
W1	G8	CDCl3	82	2,6

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Die verschiedenen organischen Gastmoleküle haben durch ihr unterschiedliches Komplexverhalten aufgezeigt, daß mehrere Kräfte in Wirt-Gast-Komplexen mit dem Wirt W1 wechselwirken. Neben Kation- -Wechselwirkungen sind induzierte Wechselwirkungen dominierend. CT-Wechselwirkungen spielen eine untergeordnete Rolle.

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6.8. Orientierung im Wirt-Gast-Komplex W1-G2

Neben dem Austausch vertikaler Positionen des Gastes im Komplex kann die horizontale Rotation des Gastes im Kelch des Wirtes stattfinden. Werden aromatische Gastmoleküle mit räumlich differenten Anisotropiekegeln eingesetzt, so kann es, je nach Geschwindigkeit dieses Prozesses, zu unterschiedlichen Signalverschiebungen im Wirt kommen. Der eingesetzte Wirt W1 besitzt zudem zwei unterschiedliche Bausteine, ein verethertes und ein unverethertes Teilsegment. Beide Teilsegmente lassen sich im ¹H-NMR-Spektrum voneinander abgrenzen, so daß der Effekt des Gastes an beiden aufgezeigt werden kann. Bei der überwiegenden Anzahl der eingesetzten Gäste sind die Effekte auf die Signallagen des Wirtes allerdings nur sehr gering, so daß hier offensichtlich eine im Vergleich zur NMR-Zeitskala rasche horizontale Rotation stattfindet.

Im Falle des Gastes G2 konnten nun erstmalig die Effekte auf die einzelnen Teilsegmente des Wirtes W1 ermittelt werden. In dem Wirtmolekül wurde sowohl eine Hochfeldverschiebung als auch eine Tieffeldverschiebung festgestellt ( ).

Abbildung 57: CIS-Werte [Hz] im Wirt-Gast-Komplex W1-G2

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Lage und Vorzeichen der gefundenen Verschiebungen bestätigen zusätzlich das Vorliegen eines endo-Komplexes.

Zur Visualisierung wurde ausgehend von den CIS-Werten mit Hilfe von Kraftfeldrechnungen (MM2) ein Bild des Komplexes erstellt.

Abbildung 58: MM2-Berechnung des Komplex aus W1-G2

Die Kraftfeldrechnungen und die in dargestellte Struktur ergaben ein Energieminimum und korrelieren mit den experimentell gefundenen Daten.

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6.9. Einfluß der Funktionalisierung am weiteren Rand auf die Komplexbildung

Das synthetisierte Wirtmolekül W1 bildet in Chloroform mit vielen organischen Kationen einen Komplex. Die Komplexbildungskonstanten variieren je nach Gast in einem Bereich von 6 bis 223 mol^-1. Als Kationen fungieren sowohl Ammonium-, Iminium- als auch Carbeniumsalze. In weiteren Experimenten sollte untersucht werden, welchen Einfluß die Funktionalisierung des Calix[4]aren mit Cycloheptatrien am weiteren Rand hat. Die p-Position im Wirtmolekül kann insbesondere über sterische Einflüsse des Substituenten einen großen Einfluß auf die Zugänglichkeit des Hohlraumes im Wirtmolekül und damit auf die Komplexbildungsfähigkeit und Eignung als Wirtmolekül ausüben.

Verglichen wurden Calix[4]arenderivate, die anstelle der Cycloheptatrieneinheiten in W1 entweder Wasserstoff W3, oder über eine tert-Butylgruppe W4 verfügen. Die verschiedenen Wirte sind in dargestellt.

Unter gleichen Bedingungen wurden mit diesen Wirten NMR-Titrationen und den Gastmolekülen G2 und G3 ( ) durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 zusammengefaßt.

Abbildung 59: Wirte mit unterschiedlichen p-Substituenten

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Abbildung 60: Gastmoleküle G2 und G3

Tabelle 10: Ergebnisse der NMR-Titrationen in Chloroform mit Wirten, die unterschiedliche Substituenten in der p-Position besitzen

Wirt	Gast	Ka[mol-1]	-DG[kcal/mol]
W1		213	3,2
W3	G2	360	3,5
W4		33	2,1
W1		223	3,2
W3	G3	248	3,3
W4		18	1,7

Aus Tabelle 10 wird ersichtlich, daß die Substituenten in p-Position einen großen Einfluß auf die Komplexbildung haben. Der Wirt W4 mit tert-Butylgruppen in der p-Position zeigt im Vergleich die schwächste Komplexierung. Dieser ungünstige Effekt der sperrigen tert-Butylgruppe wurde ebenfalls von Shinkai et al. für die Komplexierung von Calix[6]arenderivaten mit Octyltrimethylammoniumbromid in Chloroform beschrieben. Sie führten die schlechten Komplexierungseigenschaften auf störende Wechselwirkungen zwischen den voluminösen tert-Butylgruppen und den Gastmolekülen zurück. In Arbeiten von Böhmer et al. konnte dieses Resultat auch auf Calix[5]arenderivate übertragen werden. In den kleineren Calix[4]arenderivaten sollte sich somit der Einfluß der sterisch anspruchsvollen tert-Butylgruppe noch wesentlich stärker bemerkbar machen, was in den vorliegenden Untersuchungen auch belegt wird.

Unter diesem Aspekt ist es verständlich, daß die größten Komplexbildungskonstanten mit W3 als Wirt erzielt werden konnten, da Calix[4]aren mit seinem relativ kleinen Hohlraum sehr empfindlich als Wirtverbindung in Komplexmessungen auf sperrige und voluminöse Gruppen in p-Stellung reagiert. Wasserstoff hingegen

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In der Wirtverbindung W1 stellt Cycloheptatrien zwar einen relativ großen Substituenten dar, die Komplexmessungen belegen aber, daß die Komplexierungen in der gleichen Größenordnung liegen wie beim Wirt W3 mit seinem kleinen Wasserstoffsubstituenten. Möglicherweise wirken in diesem System zwei gegensätzliche Faktoren.

Einerseits stellt die Cycloheptatrienylgruppe eine im Vergleich zum Wasserstoff große und sterisch anspruchsvollere Gruppe dar, die eine Komplexierung aus sterischer Sicht erschweren sollte. Andererseits kann durch den Einbau von Cycloheptatrienylgruppen mittels zusätzlich induzierter Wechselwirkungen eine Komplexbildung begünstigt werden. Kation- -Wechselwirkungen werden somit nicht nur verstärkt, sondern durch eine Vergrößerung des Kelchs können auch größere Kationen eine Wechselwirkung eingehen.

Nach dem Einbau von Cycloheptatrien in ein makrocyclisches System ist W1 ein geeigneter Wirt zur Darstellung von supramolekularen Systemen für Komplexierungen von kationischen Komponenten durch nichtkovalente Wechselwirkungen. Durch die Möglichkeit einer Oxidation der Cycloheptatrieneinheiten zum korrespondierenden Tropyliumderivat ist eine Dekomplexierung der supramolekularen Struktur basierend auf elektrostatischen Abstoßungskräften wahrscheinlich. Damit wird eine potentielle Schaltmöglichkeit zum gezielten Komplexieren und Dekomplexieren von kationischen Gastverbindungen eröffnet.

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