ES2212781T3 - Calixarenos. - Google Patents

Calixarenos.

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ES2212781T3
ES2212781T3 ES00985524T ES00985524T ES2212781T3 ES 2212781 T3 ES2212781 T3 ES 2212781T3 ES 00985524 T ES00985524 T ES 00985524T ES 00985524 T ES00985524 T ES 00985524T ES 2212781 T3 ES2212781 T3 ES 2212781T3
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calixarenos
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Graeme Peter Chemical Analysis Branch NICHOLSON
Mark Joseph Chemical Analysis Branch KAN
Gareth Chemical Analysis Branch WILLIAMS
Michael George Chemistry Dept. DREW
Paul Derek Inorganic Chemistry Laboratory BEER
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Abstract

Calixarenos según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el grupo tioamida R2, R3 s R4 de la fórmula (I) tiene la fórmula general (D): en la que n es 1, 2 ó 3 y R6 y R7 son H, halógeno o un grupo hidrocarbilo alifático C1-C10, y es igual o distinto en cada carbono y en la que R8 y R9, que son iguales o diferentes, son H o un grupo hidrocarbilo alifático C1-C10 que está opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno, o está opcionalmente interrumpido por un grupo cetónico u opcionalmente es un anillo cicloalifático formado por R8 y R9 juntos, u opcionalmente está conjugado con un segundo calixareno.

Description

Calixarenos.
Esta invención se refiere a nuevos calixarenos, los métodos para su preparación y sus usos, en particular la secuestración de metales.
Se ha sugerido que los calixarenos son útiles en la secuestración de ciertas especies de iones metálicos. La publicación de la patente europea Nº 0 432 989 y el documento WO 97/17322 describen un número de derivados de calixareno y de oxoicalixareno que poseen propiedades secuestradoras de metales y describen algunas de las técnicas anteriores en este campo. Es el objeto de la presente invención el proporcionar calixarenos capaces de secuestrar mejor los metales.
De acuerdo con la presente invención, calixarenos de fórmula (I)
1
en la que:
L es [-CH_{2}-] ó [-O-CH_{2}-O-] y es igual o diferente entre cada grupo arilo;
R^{5} es H, -NO_{2}, halógeno, o un grupo hidrocarbonado alifático C_{1}-C_{10}, un grupo arilo C_{6}-C_{20}, un grupo hidrocarbonado arílico C_{6}-C_{20}, cualquiera de los cuales está opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno o oxo o interrumpido por uno o más grupos oxo, y R^{5} es igual o diferente en cada grupo arilo;
R^{1} es un grupo carboxilo que está o no está protonado o protegido;
dos de los grupos R^{2}, R^{3} y R^{4} son H; y
el grupo de R^{2}, R^{3} y R^{4} que no es H es un grupo tioamida.
La combinación de grupos ácido/éster y tioamida no se encuentra en la técnica anterior y proporciona mejores propiedades de secuestración de metales.
Más preferentemente, R^{2} y R^{4} son H y R^{3} es un grupo tioamida.
L es preferentemente [-CH_{2}-] entre cada uno de los grupos arilo y R^{5} puede ser un grupo butilo terciario.
En una versión preferida, el grupo carboxilo R^{1} concuerda con la fórmula general (A):
(A)[-X-COOR^{10}]
en la que X es una cadena de carbono C_{1}, C_{2} ó C_{3} que es parte de un grupo hidrocarbilo alifático, un grupo arilo o un grupo hidrocarbilarilo, cada uno de los cuales está opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno, oxo o nitro; y R^{10} es H o un grupo protector tal como una sal o un éster.
Adicionalmente, en una versión preferida R^{10} es H y el grupo hidrocarbonado alifático, el grupo arilo o el grupo hidrocarbilarilo de la fórmula (A) está sustituido con uno o más grupos que causan una reducción en el pKa del grupo del ácido carboxílico en relación con una molécula no sustituida.
Más preferentemente, R^{1} tiene la fórmula general (B):
(B)[-(C.R^{6}.R^{7})_{n}-COOR^{10}]
en la que n es 1, 2 ó 3 y R^{6} y R^{7} son H o halógeno y es igual o distinto en cada carbono.
Alternativamente, R^{1} tiene la fórmula general (C):
2
en la que n es 0 ó 1 y R^{6} y R^{7} son H o halógeno y es igual o distinto en cada átomo de carbono y en la que el anillo fenilo del grupo del ácido benzoico está opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno, oxo o nitro. En esta realización, R^{10} puede ser H y el anillo fenilo del ácido benzoico de la fórmula (C) puede estar sustituido con uno o más grupos que causan una reducción en el pKa del grupo del ácido carboxílico en relación con una molécula no sustituida.
Se prefiere que el grupo tioamida R^{2}, R^{3} ó R^{4}de la fórmula (I) tenga la fórmula general (D):
3
en la que n es 1, 2 ó 3 y R^{6} y R^{7} son H, halógeno o un grupo hidrocarbilo alifático C_{1}-C_{10}, y es igual o distinto en cada carbono y en el que R^{8} y R^{9}, que son iguales o diferentes, son H o un grupo hidrocarbilo alifático C_{1}-C_{10} que está opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno, o está opcionalmente interrumpido por un grupo cetónico u opcionalmente es un anillo cicloalifático formado por R^{8} y R^{9} juntos, u opcionalmente está conjugado con un segundo calixareno.
En una realización adicional preferida el calixareno tiene la fórmula (II)
4
Cuando los calixarenos tienen las fórmulas (I) o (II) es opcional que algunos o todos de los grupos fenilos del anillo del calixareno estén adicionalmente sustituidos en la periferia de la molécula, de tal forma que no interfieran con las habilidades secuestradoras de los calixarenos.
En una realización adicional de la invención, puede formarse un dímero en el que uno de los grupos R^{8} y R^{9} esté conjugado con un segundo calixareno.
El grupo R^{8} o R^{9} de un calixareno puede conjugarse con el grupo R^{8} o R^{9} de otro calixareno, opcionalmente a través de un grupo espaciador R^{11}, siendo el grupo espaciador R^{11} opcional, un grupo hidrocarbilo alifático C_{1}-C_{6}, un grupo arilo C_{6}-C_{10}, un grupo hidrocarbilarilo C_{6}-C_{10}, cualquiera de los cuales puede estar opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno u oxo o interrumpido por uno o más grupos oxo.
En un segundo aspecto de esta invención, se proporciona un método para secuestrar metales que consiste en poner en contacto los metales con un calixareno según la presente invención.
Preferiblemente el método se realiza a un pH entre 2 y 11. Es más preferible que el pH en el que el método se realiza esté tamponado. El tampón usado puede ser citrato. Un pH bajo disminuye la probabilidad de precipitación del metal, mientras que un pH alto aumentará la disociación de los grupos ácidos no protegidos.
El método puede incluir las siguientes etapas:
(i) disolver el calixareno en un disolvente orgánico hidrófobo;
(ii) mezclar el disolvente orgánico con la fase acuosa que contiene los iones metálicos;
(iii) agitar el disolvente orgánico y la fase acuosa juntos; y
(iv) recuperar el metal de la fase orgánica.
Este método permite la recuperación del metal extraído desde la fase orgánica por contacto con un volumen relativamente pequeño de ácido.
El método puede ser convenientemente usado para secuestrar el metal elegido de un lantánido, U, Hg, Am, Pb, Sr, Bi, Cd, Ag y Y. El calixareno debe estar presente en exceso.
En el método, el calixareno puede opcionalmente estar unido en fase sólida por ejemplo en un soporte polimérico. Esto podría lograrse fácilmente por una persona experimentada en la técnica, las especificaciones relacionadas con el uso de soportes poliméricos figuran en los documentos de patente de Estados Unidos US 4642362, 4699966 y 4447585 y en el documento de patente europea con el nº de publicación 0217656.
En un tercer aspecto de la invención, los calixarenos pueden ser incorporados en una membrana polimérica selectiva para iones para formar un sensor electroquímico que comprende una matriz de soporte.
En un cuarto aspecto de la invención, un proceso para preparar los calixarenos de acuerdo con la presente invención que comprende las etapas secuenciales de:
(i) bis-esterificar un calixareno[4];
(ii) desproteger un primer grupo éster para formar un primer grupo ácido;
(iii) clorar el primer grupo ácido para formar el cloruro de ácido;
(iv) sustituir el grupo cloro en el mencionado cloruro de ácido por un resto de diamina para formar un grupo amida; y
(v) sustituir el oxígeno en la amida por un azufre para formar una tioamida.
Esto produce éster-tioamidas con un rendimiento bueno y es un proceso relativamente simple.
La invención será descrita a continuación por medio del ejemplo con referencia a los dibujos siguientes en los que:
La Figura I es un esquema que muestra la ruta sintética para el éster-tioamida A960 y ácido-tioamida A961, ambos compuestos están de acuerdo con la presente invención; y la Figura 2 muestra la variación en la extracción en % de los iones de Cadmio (Cd^{2+}) en relación con el cociente molar Calixareno:Cd^{2+} en el compuesto ácido-amida A954 de la técnica anterior, (solicitud del documento de patente WO 97/17322, Fig. 15), y los dos materiales de acuerdo con la presente invención (éster-tioamida A960 y ácido tioamida A961) a pH=9,4.
Ejemplo 1 Síntesis del éster-tioamida A960
A960 fue sintetizado usando la ruta que se muestra en la Figura I. El precursor A953 se preparó de acuerdo con la solicitud del documento de patente número WO 97/17322. El reactivo de Lawesson (0,49 g, 1,2 mmoles) se añadió a una solución del éster-amida A953 (1,0 g, 1,17 mmoles) en tolueno (20 cm^{3}) y la mezcla se calentó a 80ºC durante 4 horas. Después de enfriar a temperatura ambiente, el tolueno se eliminó a presión reducida para dar un aceite amarillo. Este aceite se disolvió en acetonitrilo (15 cm^{3}) y se filtró a través de un filtro de alúmina. La adición gota a gota de agua al filtrado produjo un precipitado amarillo, que se separó por filtración y recristalizó de diclorometano-etanol para dar A960 como cristales prismáticos amarillos (0,95 g, 94%). La estructura de este compuesto se confirmó por espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), espectroscopia de masas y cristalografía de
rayos-X.
Ejemplo 2 Síntesis del ácido-tioamida A961
A961 se sintetizó según la ruta que se muestra en la Figura I. El éster-tioamida A960 se sintetizó por la ruta mostrada en la Figura I y el ejemplo 1. Se añadió hidróxido potásico (0,036 g, 0,65 mmoles) a una solución de éster-tioamida A960 (0,5 g, 0,58 mmoles) en etanol (25 cm^{3}) y la solución se calentó a reflujo durante 2 hr. El volumen del etanol se redujo hasta aproximadamente 5 cm^{3} y se añadió HCl 1M para precipitar el A961 como un polvo amarillo pálido que se recristalizó de diclorometano-hexano (0,41 g, 85%). La estructura de este compuesto fue confirmada por RMN y espectroscopia de masas.
La síntesis de otros compuestos relacionados de acuerdo con la presente invención puede llevarse a cabo fácilmente por una persona experta usando la información derivada de la presente invención en asociación con la información de la solicitud del documento de patente WO97/17322.
Ejemplo 3 Habilidad de los compuestos de acuerdo con la presente invención para secuestrar metales
La Figura 2 muestra la habilidad de los calixarenos de acuerdo con la presente invención A960 y A961 para extraer iones de cadmio a pH 9,4. Se presentan los datos de una técnica anterior, A954 (preparado de acuerdo con la solicitud del documento de patente, número de la solicitud WO97/17322, el ejemplo 11 y la figura 15 de la misma). Se mezclaron volúmenes iguales de una solución de cianuro de cadmio acuoso (pH 9,4, [Cd^{2+}]=0,238 mMolar) y una solución de un calixareno en diclorometano durante 15 minutos con agitación. Se eliminó después la capa acuosa (Aq1), y la capa orgánica se lavó con ácido nítrico limpio (pH 9,4). Las capas acuosa y orgánica se dejaron separar durante 30 minutos, y después la capa acuosa se separó (Aq2). Aq1 contenía los iones de cadmio que no habían sido extraídos por el calixareno (y liberados a continuación mediante la acidulación de la capa orgánica). Aq1 y Aq2 se llevaron a volúmenes conocidos. Se usó ICP AES (espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplada inductivamente) para determinar la concentración de iones de cadmio en las soluciones. Estos números pueden inmediatamente usarse para determinar el porcentaje de extracción del cadmio para una relación conocida de concentración de calixareno:
cadmio.
La Figura 2 indica que ambos, la acido-tioamida A961 y el éster-tioamida A960, son capaces de extraer los iones de cadmio de la solución. El orden de eficiencia de la extracción es ácido-tioamida, A961>ácido-amida, A954>éster-tioamida, A960. El orden puede explicarse por el hecho de que ambos, A961 y A954, tienen un protón del sustituyente ácido que puede perderse fácilmente. El anión resultante atraerá y retendrá los iones de cadmio más efectivamente que el grupo éster (habitualmente no cargado). El ácido-tioamida (A961) forma complejos con el cadmio más fácilmente que el ácido-amida (A954) ya que el átomo de S en A961 es un átomo "más blando" que el átomo de O en A954, y es por tanto más polarizable y por ello es más probable que forme un complejo con el Cd^{2+}, que es el mismo un ión "blando".
Por tanto, el compuesto de acuerdo con la presente invención puede usarse en aplicaciones en las que la secuestración de los iones metálicos es importante, tales como los líquidos residuales de descontaminación y purificación de aguas.
Más aún, los compuestos de acuerdo con la presente invención pueden usarse en sensores, en donde los compuestos forman parte de una membrana polimérica selectiva de iones para formar un sensor electroquímico. El ionóforo se dispersa dentro de la matriz de soporte. La matriz es polimérica y también típicamente comprende un material de intercambio iónico tal como el tetraparaclorofenil borato potásico. La membrana de soporte puede además comprender un plastificante tal como el 2-nitrofenil octil éter, dioctilftalato, dibutilsebacato y dioctilfenilfosfonato. La membrana estará unida a un electrodo y la presencia de iones selectivos causará un cambio en las características eléctricas de los electrodos (relativo al electrodo de referencia, tal como un electrodo de calomelano) y así será registrado por el
sensor.

Claims (25)

1. Calixarenos de fórmula (I)
5
en la que:
L es [-CH_{2}-] ó [-O-CH_{2}-O-] y es igual o diferente entre cada grupo arilo;
R^{5} es H, -NO_{2}, halógeno, o un grupo hidrocarbonado alifático C_{1}-C_{10}, un grupo arilo C_{6}-C_{20}, un grupo hidrocarbonado arílico C_{6}-C_{20}, cualquiera de los cuales está opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno o oxo o interrumpido por uno o más grupos oxo, y R^{5} es igual o diferente en cada grupo arilo;
R^{1} es un grupo carboxilo que está o no está protonado o protegido;
dos de los grupos R^{2}, R^{3} y R^{4} son H; y
el grupo de R^{2}, R^{3} y R^{4} que no es H es un grupo tioamida.
2. Calixarenos según la reivindicación 1, donde R^{2} y R^{4} son H y R^{3} es un grupo tioamida.
3. Calixarenos según la reivindicación 1 ó 2, donde L es [ -CH_{2}- ] entre cada uno de los grupos arilo.
4. Calixarenos según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde R^{5} es un grupo butilo terciario.
5. Calixarenos según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el grupo carboxilo R^{1} concuerda con la fórmula general (A):
(A)[-X-COOR^{10}]
en la que X es una cadena de carbono C_{1}, C_{2} ó C_{3} que es parte de un grupo hidrocarbilo alifático, un grupo arilo o un grupo hidrocarbilarilo, cada uno de los cuales está opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno, oxo o nitro; y R^{10} es H o un grupo protector tal como una sal o un éster.
6. Calixarenos según la reivindicación 5, donde R^{10} es H y el grupo hidrocarbonado alifático, el grupo arilo o el grupo hidrocarbilarilo de la fórmula (A) están sustituidos con uno o más grupos que causan una reducción en el pKa del grupo del ácido carboxílico en relación con una molécula no sustituida.
7. Calixarenos según la reivindicación 5, donde R^{1} tiene la fórmula general (B):
(B)[-(C.R^{6}.R^{7})_{n}-COOR^{10}]
en la que n es 1, 2 ó 3 y R^{6} y R^{7} son H o halógeno y es igual o distinto en cada carbono.
8. Calixarenos según la reivindicación 5, donde R^{1} tiene la fórmula general (C):
6
en la que n es 0 ó 1 y R^{6} y R^{7} son H o halógeno y es igual o distinto en cada átomo de carbono y en la que el anillo fenilo del grupo del ácido benzoico está opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno, oxo o nitro.
9. Calixarenos según la reivindicación 8, donde R^{10} es H y el anillo fenilo del ácido benzoico de la fórmula (C) está sustituido con uno o más grupos que causan una reducción en el pKa del grupo del ácido carboxílico en relación con una molécula no sustituida.
10. Calixarenos según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, donde n es 1 y R^{6} y R^{7} son ambos H.
11. Calixarenos según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el grupo tioamida R^{2}, R^{3} ó R^{4}de la fórmula (I) tiene la fórmula general (D):
7
en la que n es 1, 2 ó 3 y R^{6} y R^{7} son H, halógeno o un grupo hidrocarbilo alifático C_{1}-C_{10}, y es igual o distinto en cada carbono y en la que R^{8} y R^{9}, que son iguales o diferentes, son H o un grupo hidrocarbilo alifático C_{1}-C_{10} que está opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno, o está opcionalmente interrumpido por un grupo cetónico u opcionalmente es un anillo cicloalifático formado por R^{8} y R^{9} juntos, u opcionalmente está conjugado con un segundo calixareno.
12. Un calixareno de la fórmula (II)
8
13. Calixarenos de las fórmulas (I) o (II) según las reivindicaciones 1 ó 12, donde algunos o todos de los grupos fenilos del anillo del calixareno están adicionalmente sustituidos en la periferia de la molécula.
14. Un dímero de un calixareno que comprende un calixareno según la reivindicación 11, donde uno de los grupos R^{8} y R^{9} está conjugado con un segundo calixareno.
15. Un dímero según la reivindicación 14, donde el grupo R^{8} o R^{9} de un calixareno está conjugado con el grupo R^{8} o R^{9} del otro calixareno, opcionalmente a través de un grupo espaciador R^{11}, siendo el grupo espaciador R^{11} opcional un grupo hodrocarbilo alifático C_{1}-C_{6}, un grupo arilo C_{6}-C_{10}, un grupo hidrocarbilarilo C_{6}-C_{10}, cualquiera de los cuales puede estar opcionalmente sustituido con uno o más grupos halógeno u oxo o interrumpido por uno o más grupos oxo.
16. Un método para secuestrar metales que consiste en poner en contacto los metales con un calixareno según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
17. El método según la reivindicación 16, donde el método se realiza a un pH entre 2 y 11.
18. El método según la reivindicaciones 16 ó 17, donde el pH en el que se realiza el método está tamponado.
19. El método según la reivindicación 18, donde el tampón usado es el citrato.
20. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19, que comprende las siguientes etapas:
(i) disolver el calixareno en un disolvente orgánico hodrófobo
(ii) mezclar el disolvente orgánico con la fase acuosa que contiene los iones metálicos;
(iii) agitar el disolvente orgánico y la fase acuosa juntos; y
(iv) recuperar el metal de la fase orgánica.
21. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, donde el metal se selecciona de un lantánido, U, Hg, Am, Pb, Sr, Bi, Cd, Ag y Y.
22. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21, adicionalmente caracterizado porque el calixareno está unido en fase sólida.
23. Una membrana polimérica selectiva para iones para formar un sensor electroquímico, que comprende una matriz polimérica de soporte y un calixareno según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.
24. Un procedimiento para preparar un calixareno según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que comprende las etapas secuenciales de:
(i) bis-esterificar un calixareno[4];
(ii) desproteger un primer grupo éster para formar un primer grupo ácido;
(iii) clorar el primer grupo ácido para formar el cloruro de ácido;
(iv) sustituir el grupo cloro en el mencionado cloruro de ácido por un resto de diamina para formar un grupo amida; y
(v) sustituir el oxígeno en la amida por un azufre para formar una tioamida.
25. Un procedimiento según la reivindicación 24, donde el procedimiento comprende una etapa adicional de desproteger el segundo grupo éster para formar un segundo grupo ácido.
ES00985524T 1999-12-13 2000-12-11 Calixarenos. Expired - Lifetime ES2212781T3 (es)

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US460237 1999-12-13
US09/460,237 US6297395B1 (en) 1995-11-10 1999-12-13 Calixarenes and their use for sequestration of metals
GBGB0010551.0A GB0010551D0 (en) 1999-12-13 2000-05-03 Calixarenes
GB0010551 2000-05-03

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