Криптанды представляют собой трёхмерные макроциклические лиганды, обладающие замкнутыми полостями, способными селективно связывать катионы, анионы или нейтральные молекулы. Их синтез базируется на концепции предорганизации донорных центров в пространстве, обеспечивающей формирование каверны, адаптированной по размеру и геометрии к конкретному субстрату. Основным подходом является реакция «мостикового» связывания предварительно сформированных полиэфирных или полиаминных фрагментов с использованием многофункциональных алкилирующих или ацилирующих агентов, создающих трёхмерную сетку.
Синтетические стратегии криптандов можно условно разделить на три типа:
Использование катионов, таких как Na⁺, K⁺, Ca²⁺, обеспечивает пространственную ориентацию донорных атомов кислорода или азота при формировании каверны. Ион металла играет роль сборочного ядра, формируя стабильный комплекс с промежуточными соединениями и направляя образование трёхмерной структуры. После замыкания макроцикла катион может быть удалён с помощью комплексонов (например, ЭДТА) или ионного обмена, оставляя криптанд с «пустой» каверной.
Особенно эффективно этот метод применяется для синтеза [2.2.2]-криптандов, где трёхмерная структура формируется в присутствии катиона калия или натрия, что обеспечивает оптимальное расстояние между донорными атомами кислорода и азота.
Реакции проводят в сильно разбавленных растворах, чаще всего в апротонных растворителях (диметилформамид, ацетонитрил, тетрагидрофуран), при контролируемом добавлении реагентов. Для соединения звеньев применяются реактивы типа дигалогеналканов, дифталатных производных, диангидридов или диазидов, создающих мостики —CH₂CH₂–, –CH₂OCH₂– или –CO–NH–.
Такой подход позволяет получать как симметричные, так и несимметричные криптанды, а выбор реагентов определяет длину мостиков и гибкость структуры.
В этом подходе предварительно создаются функционализированные макроциклы или открытые цепные лиганды, которые затем соединяются в единую структуру через реакции конденсации, восстановления или циклизации. Примером служит построение криптандов с различными донорными центрами — O, N, S — в заданных позициях. Этот метод обеспечивает высокий контроль над архитектурой и позволяет варьировать внутренний размер каверны, а также её химическую природу.
Модификация криптандов после синтеза используется для регулирования их комплексообразующих, каталитических и фотохимических свойств. Функционализация может происходить как на внешней поверхности, так и внутри каверны.
К наружным группам криптандов присоединяются различные фрагменты, повышающие растворимость или обеспечивающие специфические взаимодействия с биомолекулами и полимерами. Типичными реакциями являются алкилирование, ацилирование, сульфирование, фосфорилирование, а также введение хромофорных или флуорофорных групп для оптического контроля связывания ионов.
Такая модификация позволяет создавать амфифильные криптанды, способные к самоорганизации в растворах и на границах фаз, а также криптанды-носители, пригодные для мембранного транспорта ионных видов.
Введение функциональных групп внутрь каверны позволяет изменять селективность связывания. Встраивание донорных атомов азота, серы или кислорода с различной электронной плотностью регулирует сродство к определённым катионам. Примером является замена этилендиоксифрагментов на тиоэфирные мостики, что усиливает взаимодействие с мягкими катионами (Ag⁺, Hg²⁺, Cu⁺).
Модификация внутренней полости также достигается введением ароматических звеньев, создающих π-взаимодействия с органическими субстратами. Это направление используется при создании органоселективных ионных сенсоров и супрамолекулярных катализаторов.
Комбинация различных донорных элементов и пространственных фрагментов позволяет получать криптанды с уникальной геометрией:
Функционализация таких систем позволяет создавать селективные рецепторы, способные различать ионы на основе их радиуса, заряда и поляризуемости. Например, замещение кислородных мостиков на азотсодержащие повышает сродство к протонам и переходным металлам, а введение фторированных фрагментов увеличивает устойчивость комплексов в гидрофобных средах.
Функционализированные криптанды проявляют каталитические свойства, действуя как молекулярные микрореакторы, внутри которых возможны реакции переноса протона, электронного обмена или фотопроцессы. Включение каталитически активных групп (например, имидозольных, порфириновых или фосфиновых) в структуру криптанда позволяет осуществлять селективное окисление, восстановление и гидролиз под контролем пространственных факторов.
Кроме того, такие системы находят применение в области ион-селективных электродов, супрамолекулярных сенсоров, систем управляемого высвобождения лекарств и ионного транспорта через мембраны. Благодаря возможности тонкой настройки химического состава и геометрии, криптанды занимают центральное место среди синтетических рецепторов, обеспечивая мост между молекулярным дизайном и функциональными наноструктурами.