Calixarene, struttura e sintesi

Con il termine di calixarene si indicano una famiglia di composti organici macrociclici con un numero variabile di unità fenoliche legate da ponti metilene in posizione orto. Nel campo della farmacia, della medicina e della nutrizione, esistono diversi gruppi di molecole macrocicliche che sono state utilizzate per migliorare la solubilità del principio attivo dei farmaci e la loro stabilità e biodisponibilità per le proteine ​​e gli acidi nucleici.

Il calixarene mostra inoltre una notevole capacità di agire come recettore per una varietà di specie ospiti, a seconda delle loro proprietà strutturali e, per la sua possibilità di interazione con varie sostanze può essere utilizzato nella rilevazione della dopamina, la progettazione di liposomi impiegati nella produzione di sistemi di farmaci a rilascio controllato, migliorare la solubilità del testosterone e la biocompatibilità dei biomateriali utili.

Tra i composti macrociclici il calixarene è uno tra i più promettenti per l’applicazione nell’area del riconoscimento di molecole tossicologiche. La sua disponibilità sintetica, la bassa tossicità e la presenza di siti reattivi sono caratteristiche che lo rende rilevanti all’interno della chimica supramolecolare.

Struttura del calixarene

A seconda del numero di unità fenoliche, che generalmente vanno da 4 a 20, contenute nel composto esso assume il nome di calix[n]arene. Pertanto il calix[4]arene ha quattro unità fenoliche mentre il calix[6]arene ne ha sei. Il numero più comune di unità sono 4, 5, 6, 7 e 8.

calix4arene da Chimicamo
calix[4]arene
La cavità presente nella struttura ciclica ha quindi dimensioni variabili. Questi sistemi presentano isomeria conformazionale. Ad esempio il calix[4]arene ha quattro isomeri conformazionali detti rispettivamente a cono, cono parziale, 1,2 alternato e 1,3 alternato che sono, tra loro, in equilibrio dinamico. Nella cavità del calix[4]arene a conformazione conica si possono distinguere due lembi: il bordo inferiore, dove si trovano i ponti metilenici, e il bordo superiore dalla parte opposta.

Al centro c’è il sistema anulare, dove si trovano gli anelli aromatici; inoltre, il bordo superiore è più largo del bordo inferiore. L’isomero che mostra maggiore stabilità è quello a cono in cui i quattro gruppi idrossilici interagiscono fra loro mediante legame a idrogeno. La sostituzione dei gruppi ossidrilici con opportuni sostituenti aumenta la barriera rotazionale stabilizzando uno degli isomeri.

Sintesi del calixarene

Il calixarene è generalmente ottenuto per condensazione catalizzata da una base tra un fenolo opportunamente sostituito in posizione para con formaldeide o poliossimetilene noto come paraformaldeide, prodotto di polimerizzazione della formaldeide con un grado tipico di polimerizzazione di 8-100 unità.

Paraformaldehyd.svg 1 da Chimicamo
Paraformaldeide

Poco frequenti sono le reazioni catalizzate da acidi come gli acidi di Lewis o gli acidi di Brønsted-Lowry. La sintesi può avvenire in un processo in un’unica fase fenolo sostituito, formaldeide e base vengono posti a ricadere in un solvente altobollente, come, ad esempio, lo xilene.

La seconda modalità di sintesi avviene secondo un processo a due fasi in cui durante la prima fase si ottiene un prodotto di condensazione detto precursore tra fenolo e formaldeide che solido viene successivamente posto a ricadere in un solvente altobollente.

Proprietà 

Ha specifiche proprietà tipiche dei fenoplasti come, ad esempio, elevata stabilità termica, buona stabilità chimica, elevata temperatura di fusione, bassa solubilità in alcuni solventi ed elevata solubilità in altri, possibilità di essere funzionalizzato.

sintesi da Chimicamo
sintesi del calixarene

La struttura con un numero variabile di unità fenoliche consente alla molecola di avere cavità di dimensioni variabili.
Queste cavità consentono di accogliere, anioni, cationi o molecole neutre mezzo di interazioni non covalenti, comprese molecole biologicamente importanti.

La possibilità di funzionalizzare la molecola rispetto ai gruppi -R e -OH porta alla possibilità di formare complessi. In particolare, è stato scoperto che i calexareni funzionalizzati con un gruppo solfonico in posizione para hanno applicazioni farmaceutiche, in quanto sono in grado di incapsulare i farmaci, aumentandone la solubilità, la biodisponibilità, l’assorbimento orale e la stabilità al calore, alla luce , e condizioni acide.

Inoltre la possibilità di introdurre gruppi polari consente di ottenere macrocicli anfifilici con testa idrofila e coda idrofoba, che possono assemblarsi mostrando proprietà di inclusione e incapsulamento. Ciò consente il trasporto di molecole idrofobe complesse in un ambiente idrofilo, fenomeno auspicabile nel trasporto di farmaci

Storia

Lo studio delle resine fenoliche, polimeri termoindurenti ottenute dalla reazione tra fenolo e formaldeide portò alla scoperta nel 1907 della bachelite da parte del chimico statunitense di origine belga Leo Baekeland.

Le proprietà della bachelite che mostra resistenza meccanica, agli agenti chimici, al calore ed è un isolante elettrico ne favorirono l’utilizzo in molti settori industriali tra cui in particolare quello delle comunicazioni. Si produssero telefoni, radio, macchine da scrivere ma anche elettrodomestici e oggetti più svariati come giocattoli e bottoni.

Grazie all’interesse destato dalla bachelite furono approfonditi gli studi sulle resine fenoliche fino all’ottenimento di un tetramero ciclico prodotto dalla reazione tra il p-terz-butilfenolo e la formaldeide di cui si determinò la struttura a forma di calice a cui fu dato il nome di calixarene dal latino calix che significa calice.

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