كاليكسارين

الكاليكسارين هو جزيء حلقي كبير أو قليل الوحدات الحلقي يعتمد على الفينولات المرتبطة بمجموعة الميثيلين . يحتوي الكاليكسارين على تجاويف كارهة للماء يمكنها استيعاب جزيئات أو أيونات أصغر، وينتمي إلى فئة الكافيتاندات المعروفة في كيمياء المضيف والضيف . ^{[ 2 ]}

تسمية الكاليكسارين بسيطة، وتتضمن عدّ عدد الوحدات المتكررة في الحلقة وإدراجها في الاسم. يحتوي الكاليكس[4]ارين على 4 وحدات في الحلقة، بينما يحتوي الكاليكس[6]ارين على 6 وحدات. يُضاف بديل في الموضع ميزو R _b إلى الاسم مع البادئة C-، كما في C-ميثيل كاليكس[6]ارين ^{[ 3 ].} كلمة كاليكسارين مشتقة من الكلمة اليونانية calix أو الكأس، لأن هذا النوع من الجزيئات يشبه المزهرية (أو الكأس)، ومن كلمة arene التي تشير إلى الوحدة البنائية العطرية.

تُنتج الكاليكسارين عمومًا عن طريق تكثيف مكونين: مركب عطري غني بالإلكترونات، وهو فينول مُستبدل في الموضع 4، وألدهيد، وهو الفورمالديهايد. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

• يتميز نطاق المكون العطري بتنوعه الواسع. وتتمثل السمة الرئيسية في قابليته للتفاعل مع الهيدروكسي ألكلة . ويتم إنتاج الريزورسينارين والبيروغالولارين من الريزورسينول والبيروغالول على التوالي.
• _يُعد الفورمالديهايد أكثر الألدهيدات استخدامًا ، بينما تُستخدم عادةً ألدهيدات أكبر حجمًا، مثل الأسيتالديهايد ، في تفاعلات التكثيف مع الريزورسينول والبيروغالول لتسهيل تكوين بنية المزهرية المتناظرة C4v . بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الألدهيدات المُستبدلة وبعض الحلقات غير المتجانسة (مثل الفيوران ) لإضافة مجموعات وظيفية إضافية إلى المجموعات الجانبية للريزورسينارين والبيروغالولارين. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

قد يكون تصنيع الكاليكسارين صعباً، إذ ينتج عنه بدلاً من ذلك مخاليط معقدة من قليل الوحدات الخطية والحلقية. ومع ذلك، يمكن أن يكون التصنيع فعالاً بشكلٍ مدهش باستخدام مواد أولية مضبوطة بدقة وظروف تفاعل مثالية. الكاليكسارين قليل الذوبان كمركبات أصلية وله درجات انصهار عالية. ^{[ 8 ]}

تتميز الكاليكسارينات بشكلها ثلاثي الأبعاد الذي يشبه السلة أو الكأس أو الدلو. يبلغ حجمها الداخلي حوالي 10 أنغستروم مكعب في الكاليكس[4]ارينات. وتتميز بحافة علوية عريضة وحافة سفلية ضيقة وحلقة مركزية . عند استخدام الفينول كمادة أولية، تكون مجموعات الهيدروكسيل الأربع داخل الحلقة على الحافة السفلية. أما في الريزورسين[4]ارين، فتقع مجموعات الهيدروكسيل الثماني خارج الحلقة على الحلقة العلوية. توجد الكاليكسارينات في هيئات كيميائية مختلفة نظرًا لسهولة دورانها حول جسر الميثيلين. في الكاليكس[4]ارين، توجد أربع هيئات رأسية: المخروط ( المجموعة النقطية C2v _، C4v )، والمخروط الجزئي Cs _{، والتبادل} 1،2 C2h ، والتبادل 1،3 D2d _. تتفاعل مجموعات الهيدروكسيل الأربع بروابط هيدروجينية _، مما يُثبّت هيئة المخروط. وتكون هذه الهيئة في حالة توازن ديناميكي مع الهيئات الأخرى. يمكن تثبيت التكوينات الفراغية بوضع بدائل مناسبة تحل محل مجموعات الهيدروكسيل، مما يزيد من حاجز الدوران . كما أن وضع بديل ضخم على الحافة العلوية يُثبّت التكوين الفراغي أيضًا. الكاليكسارين المُشتق من بارا - ثالثي -بوتيل فينول هو أيضًا مخروطي الشكل. ^{[ 9 ]} ترتبط الكاليكسارينات بنيويًا بالبيلارارينات .

كاليكس[4]أرين مع بدائل بارا- ثالثي - بوتيل	تمثيل ثلاثي الأبعاد لتكوين مخروطي

في عام ١٨٧٢، قام أدولف فون باير بخلط العديد من الألدهيدات، بما في ذلك الفورمالديهايد، مع الفينولات في محلول حمضي قوي. وقد استعصى وصف القطران الناتج، ولكنه كان يمثل النواتج النموذجية لبلمرة الفينول/الفورمالديهايد. اكتشف ليو بايكلاند أن هذا القطران يمكن معالجته ليصبح مادة هشة قام بتسويقها تحت اسم " باكليت ". وكان هذا البوليمر أول بلاستيك صناعي تجاري.

حفّز نجاح الباكليت إجراء دراسات علمية حول كيمياء تفاعل الفينول مع الفورمالديهايد. ومن نتائج هذه الدراسات اكتشاف ألويس زينكه عام ١٩٤٢ أن تفاعل فينولات بارا-ألكيل مع الفورمالديهايد في محلول قاعدي قوي ينتج عنه مخاليط تحتوي على رباعيات حلقية. في الوقت نفسه، حصل جوزيف نيدرل وهـ. ج. فوغل على رباعيات حلقية مماثلة من تفاعل الريزورسينول مع الألدهيدات، مثل البنزالديهايد، في وسط محفز حمضي. بعد سنوات، بيّن جون كورنفورث أن ناتج تفاعل بارا-ثالثي بوتيل فينول مع الفورمالديهايد هو خليط من الرباعي الحلقي وحلقة أخرى غير محددة التركيب. انصبّ اهتمامه بهذه المركبات على خصائصها المضادة للسل، لا سيما مشتقاتها المؤكسدة بالإيثيل.

في أوائل سبعينيات القرن العشرين، لاحظ سي. ديفيد غوتشه الشكل الكأسي للرباعي الحلقي، ورأى أنه قد يُشكّل البنية الأساسية لبناء نظير إنزيمي. فبدأ دراسة استمرت ثلاثة عقود. وقد لفت انتباهه إلى هذه المركبات معرفته بمزيلات الاستحلاب التجارية لشركة بترولايت ، المُصنّعة عن طريق إيثوكسيل المنتجات التي كانت لا تزال غامضة آنذاك من بارا-ألكيل فينولات والفورمالديهايد. وقد أطلق عليها اسم "كاليكسارين": من "كاليكس"، وهو الاسم اليوناني للكأس، و"أرين" لوجود مجموعات أريل في البنية الحلقية. كما حدد غوتشه بنى الرباعي الحلقي، والسداسي، والثماني، بالإضافة إلى إجراءات الحصول على هذه المواد بنسب إنتاج جيدة إلى ممتازة. ثم وضع إجراءات لربط المجموعات الوظيفية بالحافتين العلوية والسفلية، ورسم خرائط للحالات التشكيلية لهذه الجزيئات المرنة. بالإضافة إلى ذلك، أثبت أنه يمكن تجميد الرباعي الحلقي في شكل مخروطي، عن طريق إضافة بدائل كبيرة قابلة للقياس إلى "الحافة" السفلية لشكل الكأس.

تزامن عمل غوتشه مع عمل هيرمان كاميرر وفولكر بومر، اللذين طورا طرقًا للتخليق التدريجي للكاليكسارين. وكان جيوفاني أندريتي وروكو أونغارو وأندريا بوتشيني، الكيميائيون في جامعة بارما ، أول من تمكن من الحصول على صور بلورية للكاليكسارين باستخدام حيود الأشعة السينية . وفي منتصف ثمانينيات القرن العشرين، انضم باحثون آخرون إلى مجال كيمياء الكاليكسارين، الذي أصبح جانبًا مهمًا من الكيمياء فوق الجزيئية، ويستقطب اهتمام مئات العلماء حول العالم. وقد درس دونالد ج. كرام بالتفصيل رباعيات نيدلر الحلقية المشتقة من الريزورسينول والألدهيدات ، وأطلق على المركبات الناتجة اسم " كافيتاندات " و" كارسيراندات ". ويمكن الاطلاع على تاريخ دقيق ومفصل للكاليكسارين، إلى جانب مناقشة مستفيضة لكيميائه، في دراسة غوتشه.

لم تقتصر الدراسات على الكاليكسارينات القابلة للذوبان في الماء، مثل بارا-سلفوناتوكاليكس[4]أرين، على استخدامها في توصيل الأدوية فحسب، ^{[ 10 ]} بل شملت أيضًا دراسة إمكاناتها كأدوية صيدلانية بحد ذاتها، لمكافحة الأمراض بشكل مباشر. ^{[ 11 ]} فعلى سبيل المثال، ثبت أن كاليكس[6]أرين يثبط تكوين الحويصلات خارج الخلوية في سرطان البنكرياس . وهذا بدوره يعيق إطلاق إنزيمات الميتالوبروتياز المصفوفية في البيئة الدقيقة للورم ، مما يبطئ بدوره انتشار المرض. ^{[ 11 ]} وبالتالي، ونظرًا لانخفاض سميتها، تُعتبر هذه المركبات عوامل واعدة لمكافحة الأمراض السرطانية. ^{[ 12 ]}

تُستخدم الكاليكسارين في التطبيقات التجارية كأقطاب انتقائية للصوديوم لقياس مستويات الصوديوم في الدم. كما تُشكّل الكاليكسارين مُركّبات مع الكادميوم والرصاص واللانثانيدات والأكتينيدات . يُشكّل الكاليكس[5]أرين والفوليرين C70 في بارا _- زيلين مُركّبًا فوق جزيئي كروي الشكل. [ 13 ] ^{تُشكّل الكاليكسارين أيضًا} أملاح الأمونيوم الخارجية مع الأمينات الأليفاتية مثل البيبيريدين . ^{[ 14 ]} تُظهر مُشتقات أو مُتجانسات الكاليكس[4]أرين سلوك ارتباط انتقائي للغاية تجاه الأنيونات (وخاصة أنيونات الهالوجين ) مع تغييرات في الخصائص البصرية مثل التألق . ^{[ 15 ]}

خضعت الكاليكسارينات عموماً، والكاليكس[4]أرينات على وجه الخصوص، لدراسات مكثفة باعتبارها منصات للمحفزات. بعض المركبات المعقدة نشطة في تفاعلات التحلل المائي. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

تُعدّ الكاليكسارينات ذات أهمية بالغة كمحاكيات للإنزيمات، ومكونات للأقطاب الكهربائية أو المجسات الحساسة للأيونات، والأغشية الانتقائية، والبصريات غير الخطية ^{[ 18 ]} ، وفي الأطوار الثابتة في كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC) . إضافةً إلى ذلك، تُستخدم الكاليكسارينات في تقنية النانو كمقاوم سلبي لطباعة الليثوغرافيا الإلكترونية عالية الدقة ^{[ 19 ]} .

وُجد أن مركب رباعي ثيا[4]أرين يُحاكي بعض خصائص بروتينات الأكوابورين . ^{[ 20 ]} يتخذ هذا الكاليكسارين بنيةً بديلةً 1،3 (حيث تتواجد مجموعات الميثوكسي في الحلقة السفلية)، ولا يحتوي الماء على السلة، بل يُمسك به بواسطة مجموعتي ثالثي بوتيل متقابلتين على الحافة الخارجية على شكل كماشة. تُنقع البلورات غير المسامية والكارهة للماء في الماء لمدة 8 ساعات، وخلال هذه المدة، تبقى نسبة الكاليكسارين إلى الماء مساويةً للواحد.

تعمل الكاليكسارينات على تسريع التفاعلات التي تحدث داخل التجويف من خلال مزيج من تأثير التركيز الموضعي والاستقرار القطبي لحالة الانتقال . وقد وُجد أن كافيتاند ريزورسين[4]أرين الممتد يُسرّع معدل تفاعل مينشوتكين بين الكينوكليدين وبروميد البوتيل بمقدار 1600 ضعف. ^{[ 21 ]}

في الهيتروكاليكسارين، تُستبدل الوحدات الفينولية بحلقات غير متجانسة ، ^{[ 22 ]} على سبيل المثال، بالفيوران في الكاليكس[ن]فيوران، وبالبيريدين في الكاليكس[ن]بيريدين. وقد استُخدمت الكاليكسارين كجزء من الحلقة الكبيرة في الروتاكسان ، كما أن جزيئين من الكاليكسارين مرتبطين تساهميًا من الحواف السفلية يُشكلان الكارسيراند .