DOI: https://doi.org/10.1039/d3cs01165h
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38465875
تاريخ النشر: 2024-01-01
المؤلف: Giacomo Picci وآخرون
الموضوع الرئيسي: المستشعرات الجزيئية واكتشاف الأيونات
نظرة عامة
على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية، حظيت المستقبلات المعتمدة على السكواراميد باهتمام كبير في الكيمياء فوق الجزيئية، لا سيما لقدرتها على التعرف على الأنيونات. تركز هذه المراجعة على تعدد وظائف أنماط الروابط الهيدروجينية للسكواراميد في تصميم المستقبلات التي يمكنها ربط، واستشعار، واستخراج، ونقل الأنيونات المختلفة. من الجدير بالذكر أنه بينما أظهرت السكواراميدات البسيطة ثنائية الاستبدال فعالية في النقل عبر الغشاء، فإن الأنظمة المعقدة الأكثر تعقيدًا، مثل الأنظمة الدائرية وغير الدائرية التي تحتوي على وحدات سكواراميد متعددة، تظهر تنوعًا معززًا، خاصة لربط الأنيونات الرباعية السلفية والفوسفات.
على الرغم من خصائصها الواعدة، فإن التحديات مثل مشاكل الذوبان قد أعاقت التطبيق العملي لأنظمة السكواراميد في البيئات الواقعية. يجب أن تعطي التصاميم المستقبلية الأولوية للتوظيف مع المجموعات القطبية لتحسين الذوبان، خاصة في البيئات المائية. بالإضافة إلى ذلك، تسلط المراجعة الضوء على أنه بينما غالبًا ما يؤدي الربط المباشر للقطع الفلورية إلى السكواراميدات إلى إضعاف الخصائص البصرية، فإن استخدام الفواصل المرنة يمكن أن يعزز انبعاث الفلورسنت. كما تشير الدراسة إلى نقص السكواراميدات في مصفوفات الاستشعار البصرية للتعرف على الأنيونات وتؤكد على الحاجة إلى تحقيق توازن بين المعلمات الرئيسية مثل الألفة، وأنماط الربط، والدهون في تصميم المستقبلات. علاوة على ذلك، أظهرت السكواراميدات إمكانات كمركبات لبناء أنظمة متشابكة وتطوير مواد متجاوبة مع المحفزات، مما يشير إلى اهتمام متزايد بهذه الفئة من المركبات في السنوات القادمة.
مقدمة
في المقدمة، يناقش المؤلفون تطور المستقبلات الاصطناعية لربط الأنيونات، مع التركيز على دور تفاعلات الروابط الهيدروجينية (H-bonding). منذ أوائل التسعينيات، تم دراسة مجموعات وظيفية مختلفة مثل اليوريا، والثيويوريا، والأميد، والسلفوناميد بشكل مكثف، مع ظهور السكواراميدات كإضافة مهمة إلى هذا المجال. بدأت الأعمال الأساسية على مشتقات حمض السكواراميد في عام 1966، وقد سلطت الدراسات الحديثة الضوء على الخصائص الفريدة للسكواراميدات، لا سيما عطرها وحموضتها برونستيد، مما يعزز فعاليتها كمستقبلات للأنيونات.
تضع الخصائص الهيكلية للسكواراميدات، بما في ذلك حلقتها الرباعية الصلبة ودور مجموعات NH كمانحي روابط هيدروجينية ومجموعات الكربونيل كمتقبلات روابط هيدروجينية، هذه المركبات كمرشحين متفوقين لربط الأنيونات مقارنة باليوريات التقليدية. لقد أدى سهولة تصنيعها إلى تطبيقها في مجالات متنوعة، بما في ذلك التحفيز العضوي وتطوير مواد تستجيب للأنيونات. من الجدير بالذكر أن الأبحاث الحديثة أظهرت إمكانات الجل البوليمري المحتوي على السكواراميد للاستجابة ديناميكيًا لتركيزات الأنيونات. تهدف هذه الورقة إلى تقديم رؤى حول تطبيقات السكواراميدات في ربط الأنيونات، والاستخراج، والاستشعار، والنقل عبر الغشاء، مما يساهم في النقاش المستمر في الكيمياء فوق الجزيئية.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على التقدم الكبير في مجال ربط الأنيونات باستخدام مشتقات السكواراميد. أثبتت الدراسات الأولية التي أجراها كوستا، وباليستير، وزملاؤهم في عام 1998 فعالية السكواراميدات الأحادية والثنائية في ربط الأنيونات الكربوكسيلية، حيث أظهرت ثوابت ارتباط معتدلة إلى عالية، لا سيما للسكواراميد 4 (K_ass = 14,200 M⁻¹) والسكواراميد الثنائي 7، الذي أظهر ارتباطًا قويًا مع الجلوتارات بقيم K_ass تتجاوز 10⁴ M⁻¹ في DMSO-d₆. أظهر وجود مجموعات مشحونة إيجابيًا تعزيزًا في الألفة، حيث كشفت التحليلات الديناميكية الحرارية أن الربط في المذيبات غير القطبية مدفوع بشكل أساسي بالروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكهروستاتيكية، بينما في المذيبات القطبية، تكون العملية ماصة للحرارة ومفضلة من حيث الإنتروبيا.
تشمل التطورات الحديثة استكشاف السكواراميدات ذاتية التجميع وقدرتها على ربط الأنيونات مثل الأسيتات والأدوية غير الستيرويدية المضادة للالتهابات (NSAIDs) مثل الكيتوبروفين والنابروكسين. من الجدير بالذكر أن إدخال السكواراميدات الأمفيلية قد أدى إلى تطبيقات استشعار لونية للأنيونات الفوسفاتية. علاوة على ذلك، أظهر تصميم المستقبلات الدائرية والثلاثية الأبعاد وعدًا لربط السلفيت الانتقائي، حيث حقق بعض المستقبلات ثوابت ارتباط أكبر من 10⁴ M⁻¹. تؤكد النتائج على تنوع السكواراميدات كمستقبلات للأنيونات، مع تركيز الأبحاث المستمرة على تعزيز الانتقائية وكفاءة الربط في بيئات المذيبات التنافسية، مما يوسع من إمكانياتها في الاستشعار ونقل الأيونات.
DOI: https://doi.org/10.1039/d3cs01165h
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38465875
Publication Date: 2024-01-01
Author(s): Giacomo Picci et al.
Primary Topic: Molecular Sensors and Ion Detection
Overview
Over the past 15 years, squaramide-based receptors have gained significant attention in supramolecular chemistry, particularly for their capabilities in anion recognition. This review emphasizes the multifunctionality of squaramide hydrogen-bonding motifs in designing receptors that can bind, sense, extract, and transport various anions. Notably, while simple bissubstituted squaramides have shown efficacy in transmembrane transport, more complex macrocyclic and acyclic systems with multiple squaramide units exhibit enhanced versatility, especially for binding sulfate and phosphate tetrahedral anions.
Despite their promising properties, challenges such as solubility issues have hindered the practical application of squaramide systems in real-world matrices. Future designs should prioritize functionalization with polar groups to improve solubility, particularly in aqueous environments. Additionally, the review highlights that while direct conjugation of fluorogenic fragments to squaramides often impairs optical properties, using flexible spacers can enhance fluorescence emission. The study also notes the lack of squaramides in optical sensing arrays for anion recognition and emphasizes the need to balance key parameters like affinity, binding modes, and lipophilicity in receptor design. Furthermore, squaramides have shown potential as synthons for constructing interlocked systems and developing sophisticated, stimuli-responsive materials, suggesting a growing interest in this class of compounds in the coming years.
Introduction
In the introduction, the authors discuss the evolution of synthetic receptors for anion binding, emphasizing the role of hydrogen bonding (H-bonding) interactions. Since the early 1990s, various functional groups such as urea, thiourea, amide, and sulphonamide have been extensively studied, with squaramides emerging as a significant addition to this field. The foundational work on squaric acid derivatives began in 1966, and recent studies have highlighted the unique properties of squaramides, particularly their aromaticity and Brønsted acidity, which enhance their effectiveness as anion receptors.
The structural characteristics of squaramides, including their rigid four-membered ring and the dual role of NH groups as H-bond donors and carbonyl groups as H-bond acceptors, position them as superior candidates for anion binding compared to traditional ureas. Their synthetic accessibility has led to their application in various domains, including organocatalysis and the development of anion-responsive materials. Notably, recent research has demonstrated the potential of squaramide-containing polymeric gels to respond dynamically to anion concentrations. This paper aims to provide insights into the applications of squaramides in anion binding, extraction, sensing, and transmembrane transport, contributing to the ongoing discourse in supramolecular chemistry.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant advancements in the field of anion binding using squaramide derivatives. Initial studies by Costa, Ballester, and colleagues in 1998 established the effectiveness of mono and bis-squaramides in binding carboxylate anions, demonstrating moderate to high association constants, particularly for squaramide 4 (K_ass = 14,200 M⁻¹) and bis-squaramide 7, which exhibited strong binding to glutarate with K_ass values exceeding 10⁴ M⁻¹ in DMSO-d₆. The presence of positively charged groups was shown to enhance binding affinity, with thermodynamic analyses revealing that binding in non-polar solvents is primarily driven by hydrogen bonding and electrostatic interactions, while in polar solvents, the process is endothermic and entropically favored.
Recent developments include the exploration of self-assembling squaramides and their ability to bind anions such as acetate and non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) like ketoprofen and naproxen. Notably, the introduction of amphiphilic squaramides has led to colorimetric sensing applications for phosphate anions. Furthermore, the design of macrocyclic and tripodal receptors has shown promise for selective sulfate binding, with some receptors achieving association constants greater than 10⁴ M⁻¹. The findings underscore the versatility of squaramides as anion receptors, with ongoing research focusing on enhancing selectivity and binding efficiency in competitive solvent environments, thereby expanding their potential applications in sensing and ion transport.