Formtreue organische Makrocyclen mit polarem Innenraum

Zusammenfassung Die Arbeit beschreibt die Synthese und Eigenschaften von formtreuen organischen Makrocyclen mit intraannularen polaren Gruppen. Dabei wurden zunächst entsprechende bifunktionalisierte Acetylenbausteine (Halbringe) hergestellt, welche anschließend in einer oxidativen Glaser-Eglington Kupplung zu den Makrocyclen umgesetzt wurden.Am Anfang wurden Sulfonat-funktionalisierte Makrocyclen untersucht. Diese ließen sich mittels der Templatmethode in hohen Ausbeuten synthetisieren. Nach der Abspaltung des Templatbausteins, der gleichzeitig als Schutzgruppe für die Sulfonsäure diente, erhielt man den entsprechenden Makrocyclus als Tetra-n-butylammonium-Salz. Vor dem Hintergrund ionenleitfähige Materialien zu erhalten, wurde anschließend das organische Kation durch anorganische Kationen (z.B. Li+, Na+) ausgetauscht. Dies führte jedoch zur Bildung unlöslicher Produkte, die sich nicht eindeutig charakterisierten ließen.Ein anderer Ansatz zu löslichen Makrocyclen mit polarem Innenraum zu gelangen war die Synthese eines Dipeptid-funktionalisierten Makrocyclus. Dies geschah im Hinblick auf die eventuelle Eignung der Makrocyclen als Rezeptormoleküle für Gäste biologischen Ursprungs. Dabei ließen sich die entsprechenden Dipeptid-funktionalisierten Halbringe auf einfache Weise darstellen, jedoch trat bei der anschließenden Glaser-Kupplung, wahrscheinlich bedingt durch den hohen molaren Überschuß an Kupfersalzen, als Hauptreaktion die Abspaltung des Peptidrests auf. Daher wurde sich nun der Carbonsäuregruppe als polaren Baustein im Inneren der Ringe zugewandt. Diese sollten eine anschließende Peptidankupplung zulassen.Es wurden vier verschiedene Makrocyclen mit intraannularen Carboxylatgruppen synthetisiert. Auch hier waren die Makrocyclen in Form ihrer Methylester noch gut, in Form der Säuren oder deren Salze oftmals nur noch sehr gering löslich. Um die Löslichkeit zu verbessern, wurde dabei die Polaritätsverteilung am Ring (polarer Innenraum, unpolarer Außenraum) durch das Anbringen von löslichkeits-vermittelnden Gruppen zum Teil aufgegeben. Dabei hat sich gezeigt, daß es erst durch die Verwendung von verzweigten (S)-Methylbutoxy-Gruppen innerhalb des Rings oder langen Alkoxyketten außerhalb des Rings möglich war, zu löslichen Systemen zu gelangen. Im ersten Fall ist es zum ersten Mal gelungen, einen löslichen Makrocyclus mit zwei freien intra-annnularen Carbonsäuregruppen zu erhalten. Durch die Optimierung der Syntheseroute ist es nunmehr möglich, den Ring im Grammmaßstab herzustellen. Außerdem wurden als Testreaktion beide Säuregruppen mit Methylamin zum Säureamid vollständig umgesetzt. Somit wurde ein System entwickelt, an das sich in Zukunft beliebige Aminosäuren an den Ring anbinden lassen sollten. Zusätzlich sollte sich die Chiralität der (S)-Methylbutoxygruppen auf das Erkennen von chiralen Gästen auswirken.Im zweiten Fall wurden durch das Anbringen von vier Tris(hexadecyloxy)-benzol- oder Tris(dodecyloxy)-benzol- Gruppen an der Peripherie der Ringe nach Hydrolyse der Methylestergruppen ebenfalls lösliche, Carboxylat-funktionalisierte Makrocyclen erhalten. Eine eingehende Untersuchung der Methylester-geschützten Ringe ergab, daß diese beim Schmelzen das Auftreten einer thermotropen flüssigkristallinen Phase zeigen. Die Natur der Mesophase konnte mittels Polarisations-Lichtmikroskopie sowie Röntgenbeugungsmethoden eindeutig als kolumnar-schiefwinklig (colob) charakterisiert werden. Hierbei ist zu bemerken, daß bei ähnlichen Makrocyclen, die über keinen polar gefüllten Innenraum verfügen, keine Mesophase auftritt. Das bedeutet, daß die Raumerfüllung im Inneren der Makrocyclen, bedingt durch die polaren Gruppen, zur Ausbildung einer flüssigkristallinen Phase unbedingt notwendig ist.

Abstract This work describes the synthesis and physical properties of shape persistent organic macrocycles bearing intra-annular polar functional groups. As precursors bifunctional Ethylene-units (halfrings) were synthesized, which were oxidatively coupled to the macrocycles in a Glaser-Eglington reaction.In the beginning sulfonic-acid functionalized rings were investigated, which were obtainable through template-methology in high yields. After removing the template, which functioned as protecting group for the sulfonic acid, the corresponding macrocycle was obtained as tetra-n-butyl ammonia salt. With the aim to obtain ion conduction material, the organic cation was exchanged through inorganic cations (e.g. Li+, Na+). In this case insoluble products were obtained, which were not charaterizable any more.Another way to obtain soluble macrocycles with polar interior was the synthesis of a dipeptide-functionalized macrocycle. The aim in this case was the use of macrocycles as host molecules for suitable guests of biological origin. It was easy to obtain the corresponding dipeptide functionalized halfring, but in the following cyclisation reaction the dipeptide function was cleaved, probably due to the molar excess of copper salts in the Glaser-coupling. Because of this now carboxylic acid functionalized macrocycles were investigated. These compounds should be able to couple suitable peptides.Four different macrocycles with intraannular carboxylic acid groups were synthesized. Also in this cases the rings were soluble as methylester, but in form of the free acids or salts only hardly soluble in some cases. To enhance solubility, the given ring geometry (polar interior, non-polar exterior) was partly changed through the attachment of solubilzing groups. Only by the use of intraannular branched (S)-methylbutoxy groups or long extraannular alkoxygroups soluble systems were formed.In the first case one obtained a soluble macrocycle with two free intraannular carboxylic acid functions. The synthetic pathway was optimized, so that it is possible to obtain the ring in gram scale. As test reaction both acid groups were reacted with methylamine to the corresponding amide. So a system was developed which will be suitable for coupling amino acids in the future. Furthermore the present chirality of the (S)-methylbutoxy units should express itself be the chiral recognition of suitable guests.In the latter case one obtained soluble systems by the attachment of four extraannular tris(hexadecyloxy)-benzene or tris(dodecyloxy)-benzene units. The investigation of the methylester-protected rings showed thermotropic liquid crystalline behavior. The mesophase could be identified as columnar-oblique by polarized light microscopy and X-ray diffraction. It was shown that the presence of polar intraannular groups was essential for the formation of the liquid crystalline mesophase.