Υπερμοριακή Κατάλυση Βασίλης Μουχτούρης Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Χημείας Επιβλέπων: Γεώργιος Βουγιουκαλάκης

Τι Eίναι η Υπερμοριακή Χημεία; Η Υπερμοριακή Χημεία συχνά ορίζεται και ως «η Χημεία πέρα από το μόριο». «Ένα υπερμοριακό συγκρότημα είναι μία οργανωμένη, περίπλοκη δομή που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση δύο ή περισσότερων χημικών οντοτήτων που συγκρατώνται μεταξύ τους με διαμοριακές δυνάμεις.» Jean-Marie Lehn¹ Οι δυνάμεις αυτές μπορεί να είναι: Δεσμοί υδρογόνου. Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Συναρμογή μεταλλικών ιόντων. Αλληλεπιδράσεις π-π κλπ. (1) K. Ariga & T. Kunitake, Supramolecular Chemistry – Fundamentals and Applications, Springer, 2006. (2) Wikipedia

Γέννηση της Υπερμοριακής Χημείας Η αρχή για την έννοια των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων έγινε από τον Johannes Diderik van der Waals το 1873. Εικόνα 1. Johannes Diderik van der Waals, Νόμπελ Φυσικής 1910 Τα φιλοσοφικά θεμέλια της έννοιας της Υπερμοριακής Χημείας τα έθεσε ο Hermann Emil Louis Fischer το 1894. Οι αλληλεπιδράσεις ενζύμων-υποστρωμάτων έχουν δομή «κλειδιού-κλειδαριάς». Μία έννοια που αποτελεί θεμελιώδη αρχή της μοριακής αναγνώρισης και της χημείας ξενιστού-ξενιζομένου. Εικόνα 2. Hermann Emil Louis Fischer, Νόμπελ Χημείας 1902 (1) Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft Volume 27, Issue 3. pp 2985–2993, Oktober–Dezember 1894 (2) Wikipedia

Εδραίωση της Υπερμοριακής Χημείας Έγινε τελικά αναγνώριση της σημασίας της Υπερμοριακής Χημείας το 1987, με απονομή Νόμπελ στους 3 επιστήμονες: Donald James Cram Jean-Marie Lehn Charles John Pedersen Σημαντικές έννοιες που έχουν αναπτυχθεί στο πεδίο : Μοριακή αυτοοργάνωση. Μοριακή αναγνώριση. Χημεία ξενιστού-ξενιζομένου μορίου. Μηχανικά «κλειδωμένες» υπερμοριακές αρχιτεκτονικές κ.α.

Τι Eίναι η Κατάλυση; Κατάλυση: ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο επεμβαίνουμε σε μία χημική αντίδραση και μειώνουμε το ενεργειακό φραγμό της (με διάφορες ενώσεις που τις λέμε καταλύτες) έτσι ώστε η εκάστοτε αντίδραση να πραγματοποιηθεί ευκολότερα και γρηγορότερα. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά που έχουν οι καταλύτες είναι: Παραμένουν ακέραιοι μετά το πέρας της αντίδρασης. Μικρή ποσότητα τους είναι απαραίτητη για να επιτελέσει την κατάλυση και όχι στοιχειομετρική. Δρουν, ανάλογα με το είδος τους, είτε προσφέροντας το κατάλληλο περιβάλλον για μία αντίδραση , είτε συμμετέχοντας στην αντίδραση μεταβάλλοντας τον μηχανισμό της.

Ευρέως Γνωστά Παραδείγματα Υπερμοριακών Καταλυτών στη Φύση Ένζυμα

Προτερήματα Υπερμοριακής Κατάλυσης Ορισμένα προτερήματα που προκύπτουν στην βιβλιογραφία για την κατάλυση σε υπερμοριακά συστήματα είναι: Ταχύτερες αντιδράσεις κατά περιπτώσεις. Στερεοεκλεκτικότητα και τοποεκλεκτικότητα στις συνθέσεις. Πολύ καλές αποδόσεις. Φιλικότερες προς το περιβάλλον συνθέσεις γιατί: Απαιτούνται ηπιότερες συνθήκες. Το φως είναι συχνό μέσο ενεργοποίησης. Χρησιμοποιούνται λιγότερο τοξικοί διαλύτες καθώς τα περισσότερα είναι ή γίνονται εύκολα υδατοδιαλυτά. Απαιτούν στοιχειομετρικές ποσότητες αντιδρώντων και όχι περίσσεια κάποιου.

4) Μέταλλο-Οργανικές Πλειάδες Υπερμοριακή Κατάλυση Παραδείγματα συστημάτων που χρησιμοποιούνται στην Υπερμοριακή Κατάλυση : 2) Κουκουρβιτουρίλες 1) Κυκλοδεξτρίνες 3) Καλιξαρένια 4) Μέταλλο-Οργανικές Πλειάδες

Τι Eίναι οι Κυκλοδεξτρίνες; Οι κυκλοδεξτρίνες είναι ολιγοσακχαρίτες της γλυκόζης και μπορούν να ληφθούν από το άμυλο μέσω συγκεκριμένων ενζύμων. Το εσωτερικό των κυκλοδεξτρινών δε διαθέτει υδροξυλομάδες και είναι υδρόφοβο. Όταν βρίσκονται σε υδατικό διάλυμα μπορούν να φιλοξενούν στο εσωτερικό τους υδρόφοβα μόρια. Οι ολιγοσακχαρίτες με 6, 7 και 8 γλυκοπυρανοζιδικές ομάδες είναι οι περισσότερο κοινοί. Ονομάζονται α-, β-, και γ-κυκλοδεξτρίνη, αντίστοιχα.

Ενδεικτικές Aντιδράσεις Kατάλυσης σε Κυκλοδεξτρίνες 1) Σύνθεση τρυπταθρίνης σε υδατικό δ/μα : 1) b-Cyclodextrin catalysed synthesis of tryptanthrin in water† Atul Kumar,* Vishwa Deepak Tripathi and Promod Kumar (kumar2011) (1 mmol.) and isatoic anhydride (1 mmol.) were combined with 10 ml distilled water in a 50 ml roundbottomed flask equipped with a stir bar. b-cyclodextrin (20 mol%) was added. Reaction was allowed to stir at room temperature for the appropriate amount of time. After completion of reaction, the reaction mixture was extracted with ethyl acetate. Organic layer was dried over Na2SO4 and concentrated in vacuo to give crude product which was further purified by column chromatography. (1) Green Chem., 2011, Issue 13, pp 51

Ενδεικτικές Aντιδράσεις Kατάλυσης σε Κυκλοδεξτρίνες 2) p-Υποκατάσταση σε ενεργοποιημένο αρωματικό δακτύλιο: 2) Selective synthesis using cyclodextrins as catalysts Part 6. Cyclodextrin modification for para-selective hydroxymethylation and hydroxyethylation of phenol (morozumi1991) Simple cyclodextrins can act as catalysts and not just reactants. The earliest example was the chlorination of anisole catalyzed by R-CD (Figure 6).136-138 Mechanistic studies showed that the anisole binds into the cavity and that the hypochlorous acid reagent transfers a chlorine atom to a cyclodextrin hydroxyl group, which is then relayed to the anisole. The result was that a chlorination that randomly attacks both the ortho and para positions of anisole without the cyclodextrin became completely specific for para chlorination in the complex and with an increased rate and changed kinetics, but the specificity was changed with other substrates that bind differently. It was also shown that binding in the cyclodextrin protected the substrate from reagents that could not be catalytically delivered by the cyclodextrin hydroxyl groups. (1) Chem. Rev., 2015, Volume 115 (9), pp 3012–3035 (2) Chem. Rev. 1998, Volume 98, pp 1997-2011

Τι Eίναι οι Κουκουρβιτουρίλες; Οι κουκουρβιτουρίλες είναι μακροκυκλικά προϊόντα συμπύκνωσης της ακετυλενοδιουρίας με την φορμαλδεΰδη. Το όνομά τους προκύπτει από την αγγλική βιβλιογραφία και αφορμάται από την δομή τους η οποία είναι σαν κολοκύθα. «cucurbiturils» που προέρχεται από την λατινική λέξη Cucurbitaceae που είναι το γένος της κολοκύθας το οποίο προσομοιάζουν Είναι υδατοδιαλυτά μόρια Το εσωτερικό τους μπορεί να φιλοξενήσει άπολα μόρια ή/και κατιόντικά μόρια μέσω αλληλεπιδράσεων ιόντος διπόλου. Τα μεγέθη τους ποικίλουν

Ενδεικτικές Aντιδράσεις Kατάλυσης σε Κουκουρβιτουρίλες 1) Σύνθεση τριαζολίου: 1) Cucurbiturils: from synthesis to high-affinity binding and catalysis (assaf2015) 2) Supramolecular Catalysis in Metal−Ligand Cluster Hosts Casey J. Brown,†,§ F. Dean Toste,*,† Robert G. Bergman,*,†,‡ and Kenneth N. Raymond*,†,‡ (ΟΛΑ) The dipolar [3+2] cycloaddition between azides (2) and acetylenes (3) was the first reaction reported to be happening inside the CB cavity, particularly inside CB6.157 In fact, it paved the way to a type of catalytic reactions which have later become famous as in situ ‘‘click chemistry’’.210,211 As can be seen from Scheme 4, the formation of the [1,2,3]-triazole heterocycle 4 was accelerated by a factor of 6 104 with regiospecificity. Unambiguously, the strong ion–dipole interactions between the ammonium ions and the CB6 carbonyl rims stabilize the ternary complex. Mock explained the observed rate enhancement in terms of: (1) overcoming of entropic constraints and (2) a strain activation of the bound substrate.157 Carlqvist and Maseras have used quantum-calculations (DFT, B3LYP/6-31G(d)) to provide more details on 1,3-dipolar cycloaddition inside CB6. The calculations, which lack consideration of dispersion interactions, showed no evidence for a transition state stabilization, which was interpreted in favour of the entropy constraints argument.212 Be this as it may, the CB6-catalyzed click reaction has been subsequently extensively used for synthesis of rotaxanes, pseudorotaxanes, and polyrotaxanes.160,213–218 (1) Chem. Soc. Rev., 2015, Volume 44, pp 394-418

Τι Eίναι τα Καλιξαρένια; Τα καλιξαρένια είναι κυκλικά ολιγομερή συμπύκνωσης αλδεϋδών ( συνήθως φορμαλδεΰδης) και διαφόρων φαινολικών παραγώγων. Το όνομα «καλιξαρένιο» βασίστηκε στην μορφή των ενώσεων, οι οποίες μοιάζουν με κύπελλο (calixarenes  calix (λατ.) = chalice (αγγλ.) = κύπελο + arenes = αρωματικούς υδρογονάνθρακες). Έχουν υδρόφοβη εσωτερική κοιλότητα. Μπορούν να εγκλωβίζουν μικρά οργανικά μόρια ή ιόντα.

Ενδεικτικές Aντιδράσεις Kατάλυσης σε Καλιξαρένια 1) Αντίδραση τύπου Mannich: 1) Mannich-type reactions in water using anionic water-soluble calixarenes as recoverable and reusable catalysts (calixarenio5) The catalytic activity of water-soluble calixarene sulfonic acids (Fig. 1), 2,8,14,20-tetramethyl-5,11,17,23-tetrakis(sulfomethyl)- calix[4]resorcinarene, 1, and p-sulfocalix[n]arenes, 2 (n = 4)13 and 3 (n = 6),13 was first tested in model threecomponent Mannich-type reactions in water, (1) Green Chem., 2006, Volume 8, pp 608-614

Τι Eίναι οι Μέταλλο-Οργανικές Πλειάδες ; Οι μέταλλο-οργανικές πλειάδες είναι μη πολυμερείς ενώσεις με περισσότερα από δύο μεταλλικά ιόντα που συνδέονται μεταξύ τους με υποκαταστάτες- γέφυρες χωρίς τη μεσολάβηση δεσμών μετάλλου-μετάλλου. Έχουν τον γενικό τύπο: [Mx(μ-L)yL’z]n όπου: Μ = μεταλλικό ιόν μ-L = υποκαταστάτης-γέφυρα L΄ = τερματικός μονοδοντικός ή χηλικός υποκαταστάτης x = ακέραιος αριθμός μεγαλύτερος ή ίσος του 3 y, z = ακέραιοι θετικοί αριθμοί n = αρνητικός ή θετικός ακέραιος αριθμός ή μηδέν Σχηματίζουν πολύεδρα με συγκεκριμένες αναλογίες υποκαταστατών και μετάλλων. Έχουν συγκεκριμένη χωρητικότητα στο εσωτερικό τους. (1) Σημειώσεις μαθήματος «Χημείας Υλικών», Γιάννης Παπαευσταθίου (2) Inorg. Chem. 2009, pp 5177

Ενδεικτικές Aντιδράσεις Kατάλυσης σε Μέταλλο-Οργανικές Πλειάδες 1) Υδρόλυση oρθοεφορμικού εστέρα: M4L6 stoichiometry: M = GaIII, AlIII, InIII, FeIII, TiIV, GeIV L = N,N'-bis(2,3-dihydroxybenzoyl)-1,5-diaminonaphthalene -12 overall charge ⇒ water solubility. Naphthalene residues ⇒ hydrophobic cavity. Hydrophobic, polyanionic host ⇒ stabilization of reactive cations by encapsulation Acid catalyzed reaction = prime candidate. High-energy, monocationic intermediate The strong affinity of Ga4L6 12− for cationic guests can also drive the protonation of weakly basic species, allowing encapsulation to drive acid-promoted chemistry. This capacity was first exploited for catalysis in the proton-catalyzed hydrolysis of orthoformates (Figure 12).67 While orthoformates are stable in neutral or basic aqueous solution, encapsulation in 17 promotes protonation of an ethereal oxygen by stabilizing the conjugate acid of these guests. Hydrolysis of the protonated species to the corresponding carboxylic ester is then possible inside the assembly cavity, followed by base- or acid-catalyzed hydrolysis of the ester. The product carboxylates are anionic and are repelled by the assembly, so this catalysis is again largely free from product inhibition due to the change in charge state. Όπου: (1) Chem. Rev., 2015, Volume 115 (9), pp 3012–3035

Ενδεικτικές Aντιδράσεις Kατάλυσης σε Μέταλλο-Οργανικές Πλειάδες 2) Κυκλοποίηση Nazarov: 1)Supramolecular Catalysis in Metal−Ligand Cluster Hosts Casey J. Brown,†,§ F. Dean Toste,*,† Robert G. Bergman,*,†,‡ and Kenneth N. Raymond*,†,‡ (ΟΛΑ) 2) Supramolecular catalysis. Part 2: artificial enzyme mimics (κυκλοδεξτρινη+calixarenio) The Nazarov cyclization of pentamethylcyclopentadienol is used in the synthesis of the common ligand pentamethylcyclopentadiene (Cp*H), and requires both protonation of a weakly basic alcohol and cyclization of the resulting pentamethylpentadienyl cation intermediate (Figure 13).72 This combines the features of both aforementioned catalytic transformations in 17: protonation of the substrate is favored within the cavity of 17, and the subsequent electrocyclization is favored by the constrained environment of the host interior. This synergistic catalysis results in the highest rate accelerations observed thus far in a supramolecular coordination cage, up to 2.1 million-fold. The transition state for water ionization, and possibly that for cation cyclization, within the catalytic cycle is proposed to be stabilized by the cation−π effect involving favorable interactions of the charged centers with the aromatic rings in the interior of 17. In order to improve the catalytic efficiencies observed in these transformations, an acid-catalyzed pericyclic rearrangement was targeted in order to obtain large rate enhancements. The environment of the host interior ( στο άλλο paper δινει το πρωτόνιο να φευγει μέσα από την πλειάδα και να δινει άλλο προιόν. Για το προιον αυτό που δειχνεις έχει χρησιμοποιήσει παγίδευση με μελειμιδιο για να κάνει diels alder . ) Nazarov cyclization of 70 within 53. Above: the formation of 71 is enhanced (2.1 106-fold) when the cyclization of 70 occurs inside 53. Below: when the reaction is performed at room temperature in unbuffered D2O, only 74 (an isomer of 71) is formed because the deprotonation of the intermediate cation 73 is regioselective inside 53. 74 is not observed in the first condition because it is immediately converted into the thermodynamic product 71 and trapped by maleimide 72. (Inclusion complexes 53*73 and 53*74 are reprinted with permission from ref. 403. Copyright 2011. John Wiley and Sons.) Όπου: (1) Chem. Rev., 2015, Volume 115 (9), pp 3012–3035

Συμπερασματικά: Οι δυνατότητες της ενζυμικής κατάλυσης ήταν η έμπνευση για την ανάπτυξη των υπερμοριακών καταλυτικών συστημάτων. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία συστημάτων τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανάλογα τις συνθήκες και την μετατροπή που θέλουμε να επιτύχουμε. Τα συστήματα αυτά, παρέχουν στα αντιδρώντα το περιβάλλον για να αντιδράσουν, αλλά και υπό συνθήκες να επέμβουν και να σταθεροποιήσουν ή να ενεργοποιήσουν τα μόρια. Τα υπερμοριακα καταλυτικά συστήματα εξελίσσονται ραγδαία και στοχεύουν: Σε βελτιστοποίηση ήδη γνωστών αντιδράσεων. Ανάπτυξη νέων πορειών.

Γεώργιος Βουγιουκαλάκης Ευχαριστίες Γεώργιος Βουγιουκαλάκης Αθανάσιος Τσεκούρας