Donald J. Cram	Jean-Marie Lehn	Charles J. Pedersen

... Pressman 1964-ben felfedezte, hogy bizonyos antibiotikumok, mint pl. a valinomicin, nigericin, nonactin az alkáli- és alkéliföldfémfém-ionokat üregeikbe "csomagolják", s ezáltal az egész képződmény, a komplex lipofil membránban oldhatóvá válik. Pl. a valinomicin gyűrűjének belső átmérője megfelel a káliumionénak, következésképpen azt olyan szelektíven komplexálja, hogy a 10000 nátriumiont és egy káliumiont tartalmazó oldatból is ezt az egy káliumiont választja ki, s lép kapcsolatba vele komplexképzés közben (1. ábra).

Koronavegyületek elnevezése, komplexképzésük és előállításuk

A fémionok becsomagolására szolgáló olcsó szintetikus modellvegyületek első képviselőit, az ún. makrociklusos poliétereket - egy véletlennek is köszönhetően - Charles J. Pedersen amerikai kutató állította elő 1967-ben és a molekulák, illetőleg komplexeik alakjára utalóan koronaétereknek (ma koronandoknak is hívják) nevezte el őket (2. ábra). 

Az ábrából látható, hogy koronaalkata van az ún. 18-korona-6 kálium komplexének. Nátriumionnal alkotott komplexnél ez az ideális alkat kissé torzul, a céziumion pedig bele sem fér a gyűrübe, bár komplex itt is képződik. (A korona szó elé helyezett szám a makrogyűrű atomszámát, a szó után álló szám pedig a gyűrű heteroatomjainak számát jelöli.)

Ha a koronaéter belső átmérője az ion átmérőjétöl jelentösen különbözik, akkor az 1 : 1 komplex helyett 2 : 1 vagy 3 : 2 komplexek is képződhetnek (3. ábra). Nagy stabilitási állandójú komplexek akkor jönnek létre, ha a gyűrű belső átmérője megegyezik az ionátmérővel. Az éteres oxigént a gyűrűben magános elektronpárral rendelkgző egyéb atomok is helyettesíthetik (nitrogén, kén, foszfor).

Különösen stabilis komplexek képződnek a háromdimenziós makrociklusokkal, az ún. kriptandokkal vagy kriptánsokkal (Jean-Marie D. Lehn, francia professzor), mert a láncok által képezett "kosárból", ha egyszer az oda illő ion bekerül, nehezen "eshet ki". Az ilyen vegyületek komplexeinek (kriptátjainak) nemcsak a stabilitási állandója, hanem a szelektivitási állandója is igen nagy (a szelektivitási állandó az összehasonlítandó ionokkal képzett komplexek egyensúlyi, vagy más néven stabilitási állandóinak hányadosa) (4. ábra).

A koronagyűrűhöz telített vagy aromás gyűrűk, avagy egyéb, a célnak megfelelő nyílt láncú helyettesítők is kapcsolódhatnak, s ezek lehetnek királisak is. Az ilyen vegyületek előállításában és tulajdonságainak kutatásában Lehnen kívül az amerikai Donald J. Cram professzor szerzett elévülhetetlen érdemeket kiterjesztve az ilyen vegyületek körét és felhasználását. Csak a teljesség kedvéért említem meg, hogy léteznek komplexképzésre hajlamos nyílt láncú korona- és kriptandanalogonok (podandok) is, melyek láncai a kationt mint egy polip karjai veszik körül a komplexben, miközben a heteroatomok részt vesznek a koordinációban (5. ábra).

A koronandok jó hozamú előállításában is ez utóbbi jelenséget használják ki: végcsoportjaikon a kívánt nukleofil és nukleofug csoportokat egyidejűleg tartalmazó lineáris poliéter-származékokat a készítendő gyűrű méretének megfelelő ionok jelenlétében reagáltatják. A láncok körülburkolják az iont, megnövelve ezzel a végcsoportok gyürűzárást eredményező intramolekuláris reakciójának valószínűségét a láncmolekulákat adó intermolekuláris reakcióval szemben (templát hatás).

Koronandok, kriptandok és podandok felhasználása 

A szóban forgó vegyületcsalád felhasználása a tudományos kutatásban és a technikában már ma is sokrétű, de állandó növekedést mutat. Mindez komplexképzési képességükre, illetve a komplexképzés szelektivitására vezethető vissza. A komplexképzés tágabb értelemben vett sav-bázis reakció, melyben az oxigének, vagy más, az oxigént helyettesítő heteroatomok a gyűrűbe került kationnal donor-akceptor kapcsolatba lépnek (6. ábra).

Az ábrából látható, hogy a vízben oldódó iont ily módon egy lipofil burok veszi körül, ezzel az egész képződmény is lipofillé válik, s oldódni fog protonmentes, kis dielektromos állandójú oldószerekben (benzolban, toluolban, szén-tetrakloridban, petroléterben stb.), vagy lipofil membránban. A kationnal ionviszonyt tartó anion pedig a lipofil "koszorúhoz" többé-kevésbé szoros ionpárként, szolvátburkától megfosztva vagy csaknem teljesen megfosztva, "meztelenül" vagy "félmeztelenül" követi partnerét a lipofil oldószerbe vagy egyéb lipofil fázisba. Ezért lehet többek között a membránon keresztül történő ionátmenetek kerrierjeként funkcionáló antibiotikumok helyett transzportfolyamatok tanulmányozására felhasználni ezeket a vegyületeket. Valódi membrán helyett a vizsgálatokban gyakran apoláris szerves oldószereket zárnak a két, ionokat tartalmazó vizes réteg közé (7. ábra).

A jelenség jó megismerése nemcsak a biokémiában hasznosul, hanem a technika egyéb ágaiban is ígéretes.lehetőségeket rejteget.

Fázistranszfer-katalízis 

Gyakran előfordul, hogy szerves oldószerben oldódó szubsztrátummal szervetlen só anionjának kell kölcsönhatásba lépnie. Pl. ha benzil-kloridból benzil-cianidot szeretnénk készíteni, a benzil-kloridot mondjuk benzolban, a nátrium-cianid reagenst pedig vízben oldjuk fel és a két, egymással nem elegyedő fázis között intenzív keverést alkalmazunk a partnerek közötti találkozás elősegítésére. A reakció azonban így is igen lassú, mellékreakciók játszódnak le, a termelés pedig gyenge lesz. A nagy dielektromos állandójú dipoláris aprotikus oldószerek, mint pl. a dimetil-szulfoxid vagy a dimetil-formamid ezt a nehézséget részben megoldják, mert bennük mindkét reakciótárs oldódik, de az ilyen oldószerek ára és a feldolgozási nehézségek miatt ez az út sem igazán járható. Ha azonban a szilárd nátrium-cianid kristályaihoz vagy tömény vizes oldatához a nátriumiont komplexálni képes koronavegyületet (pl. 15-korona-5-öt) adunk, akkor ez az adalék a szilárd fázisból vagy a tömény vizes oldatból a nátrium-cianidot a benzil-kloridot tartalmazó szerves fázisba viszi át (szilárd-folyadék, ill. folyadék-folyadék fázistranszfer folyamat játszódik le), ahol a reakciópartnerek nagy koncentrációban találkozhatnak, s ráadásul - lévén a cianidion "meztelen" - sokkal kisebb aktiválási energia igényeltetik a reakcióhoz, és esetenként ezerszeres, esetleg milliószoros sebességnövekedést tapasztalhatunk. Ilyen módon sikerült számtalan nem, vagy csak gyenge termeléssel lejátszódó reakciót megvalósítani jó termeléssel, enyhe reakciókörülmények között (8. ábra).

Azzal is megpróbálkoztak, hogy a korona-egységhez a farmakológiai hatásért elsősorban felelós farmakofór csoportot kapcsoltak azzal a meggondolással, hogy amennyiben a hatásos molekula receptorhoz való kötódését ionáramlás is kíséri, egyúttal ezt az iontranszportot is befolyásolni lehessen (9. ábra). Ez a helyzet pl. bizonyos rákos daganatok folyamataiban is. Ilyen gyógyszert ugyan még nem ismerünk, de a kutatás teljes erővel folyik ebben az irányban.

Sok közlemény foglalkozik enzimmodellek szintézisével. A tervezés gondolatmenete az, hogy a koronagyűrű vagy -gyűrűk a szubsztrátum molekulát reverzíbilisen és a reakciócentrumhoz kellő közelségben és helyzetben kötik meg, így a reakció az enzimatikus folyamatokéhoz hasonló szelektivitással és sebességgel mehet végbe.

A 10. ábra egy B₁₂ enzim és egy NADH enzim modelljét mutatja be. Az előbbiben a két koronaegység az átalakítandó vicinális diol-egységet is tartalmazó diamin-sóval komplexképzés közben reagál (az ammóniumkation mérete a káliumionénak felel meg), majd a reakció a kobaltatom közvetítésével gyorsan lejátszódik. Ez az "enzimutánzat" működik, és koronaéter-egységek távollétében a partnerek között valóban semmi sem történik. Hogy ez az út technikai-technológiai szempontból milyen lehetőségeket tartogat, ma még nehéz lenne megjósolni, mert a kutatások csak most kezdődnek igazán.

A koronavegyületek ionszelektivitásán alapuló felhasználások
A koronaéterek ionszelektivitását arra is felhasználhatjuk, hogy a különböző méretű ionok keverékéből a kívánt iont, illetve sóját tisztán elkülönítsük. Pl. az ábrán látható vegyület stroncium-szelektív, kitűnő szelektivitási mutatókkal (11. ábra).

Ha az effektus kicsi, oszlopkromatográfiával vagy ismételt extrakcióval érhetünk célt. A koronavegyületeket szintetikus gyantahordozóhoz is köthetjük kovalens kötéssel. Sokkal fontosabb felhasználást nyernek a koronavegyületek ionszelektív membrán elektródokban ligandumként (12. ábra).

Az ábra egy ilyen elektród sematikus képét mutatja. A pufferoldatot és a vizsgálandó oldatot egy PVC- vagy szilikonmembrán választja el, melybe igen kis koncentrációban ionszelektív ligandumot adnak. A két oldat között a ligandum minősége és a koncentrációkülönbségek által befolyásoltan feszültség lép fel, melyet mérhetünk. Az elektród tetszőlegesen kicsinyíthető és ma már egyetlen sejt ionkoncentrációját is nagy pontossággal, pillanatszerűen meg lehet határozni, sőt folyamatos ionkoncentráció-mérés is megvalósítható. Mindegyik iont egy speciális, az adott ionra szelektív ligandumot tartalmazó ionszelektív elektród mér. A módszer a kvalitatív és a kvantitatív analízis területén valóságos forradalmat hozott és különösen hasznosnak bizonyul a vizelet és a vér kálium- és kalciumion-koncentrációjának meghatározásában. A káliumion-szelektív elektródnak hazai vonatkozása is van, mert két kutatócsoport együttműködésében a világ legjobb és legstabilisabb, ligandumként koronaétert tartalmazó káliumion-szelektív elektródját ők fejlesztették ki és a japán Horiba cég közvetítésével forgalmazzák is.

Királis diszkrimináció

Ha a koronavegyület királis elemeket tartalmaz, akkor komplexképzésre képes racemátok antipódjai között a komplex-stabilitási állandóban különbség lesz, lévén hogy komplexeik diasztereomer viszonyban állnak és így az antipódok tisztán kinyerhetők (13. ábra).

Aminocsoportot tartalmazó vegyületeket sóik alakjában kell használni, mert a koronaegység csak az ammóniumiont tudja komplexálni. A módszer akkor hatásos igazán, ha a királis koronát - hordozón vagy anélkül - oszloptöltetként használjuk és a racemátot kromatográfiás oszlopon csurgatjuk át.

Kísérletek folynak abban az irányban is, hogy a királis koronavegyületek enantiotóp oldalak közötti differenciálóképességét kémiai reakciókban használják ki, azaz régebbi nómenklatúrát használva, aszimmetrikus indukciót váltsanak ki. Ilyen reakció lehet pl. az, amikor egy keton oxo-csoportját redukáljuk hidridion donorral, vagy hidrogén-cianid addíciót hajtunk végre egy oxo-csoporton (14. ábra).

Az elmondottakon túlmenően utalásokat olvashatunk a felhasználásukról a fényképészefben (ezüstionok oldhatósági egyensúlyát befolyásolja), az olajfúrásoknál (a kőzet oldása a cél), a gumigyártásban (vulkanizálást gyorsító szerként), a korrózióvédelemben, a színezésben stb.

E teljességre korántsem törekvő rövid összeállítással talán sikerült bemutatnom, hogy a koronavegyületek felfedezője, Pedersen és a további kutatásokban kiemelkedő szerepet játszó másik két társ, Cram és Lehn méltán részesült a legmagasabb tudományos elismerésben, az 1987-es kémiai Nobel-díjban.