Содержание к диссертации
Введение
2. "Принципы дизайна молекулярных сенсоров на различные субстраты" 6
2.1. Краун-эфиры и криптанды 6
2.2. Циклодекстрины 15
2.3. Циклофаны 17
2.4. Бороновые кислоты 27
2.4. Супрамолекулярные рецепторы 31
3. Теоретическая часть и обсуждение результатов 35
3.1. Синтез исходных соединений
3.1.1. Синтез формильных производных бензокраун-соединений 39
3.1.2. Синтез краунсодержащих трифенилфосфониевых солей 41
3.1.3. Синтез ключевых интермедиатов - Cj-фосфонатов и С і о-ал ьдегида. 46
3.2. Исследование олефинирования карбонильных предшественников в условиях реакции Витгига. 48
3.3. Исследование олефинирования карбонильных предшественников в условиях реакции Хорнера-Эммонса 53
3.4. Взаимодействие аналогов с бактериоопсином 60
3.4.1. Моделирование хромофорной полости бактериородопсина 64
3.4.2. Взаимодействие аналогов с бактериоопсином 68
3.5. Комплексообразование с катионами металлов
3.5.1. Спектральные свойства соединений. 72
3.5.2. Спектральные свойства комплексов лигандов с ионами металлов 73
4. Экспериментальная часть 75
Выводы 108
Список литературы 112
- Циклодекстрины
- Бороновые кислоты
- Синтез формильных производных бензокраун-соединений
- Взаимодействие аналогов с бактериоопсином
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из перспективных направлений развития современной супрамолекулярной химии является дизайн и синтез молекул соединений, которые могут выступать в качестве аналитических компонентов молекулярных устройств для сенсорных технологий. Производные краун-эфиров, содержащие различные хромофорные функциональные группы, широко применяются для определения катионов металлов при решении задач экологического мониторинга. В связи с этим сегодня интенсивно исследуются пути введения краун-эфирных ионофоров разнообразного строения в молекулы красителей, биологически активных соединений, биополимеров и полимерных матриц для получения краунсодержащих ионо- и флуорофоров или фотохромов как в виде отдельных молекул, так и супрамолекулярных ансамблей. Для эффективной передачи аналитического сигнала от ионофора к субстрату необходим спейсер заданной структуры и геометрии. Наиболее удобной в этом случае является система сопряженных кратных связей определенной длины и конфигурации. Эффективное взаимодействие и образование ковалентной связи с субстратом предполагает наличие активной группы на конце спейсера.
Таким образом, разработка универсального метода создания системы сопряженных кратных связей заданной длины и конфигурации между ионофором и субстратом является актуальной для дизайна и синтеза молекулярных структур, использующихся в сенсорных технологиях.
Данная работа является частью плановых научно-исследовательских
работ, проводимых на кафедре биотехнологии в Московской государственной
академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по теме
№ 1Б-5-866 «Синтез новых фармакологически активных веществ, изучение их
биологических свойств и методов направленного транспорта с целью создания
противоопухолевых, противовирусных, антипаркинсонических средств», а также
в рамках грантов РФФИ № 01-03-32078, INTAS № 2001-0267 и научно-
технической программы «Научные исследования высшей школы по
приоритетным направлениям науки и техники», "Г""КТ ?f)* n7 ^ titil .. ..,
OS wffMggJ
Цель работы заключалась в разработке универсальных методов введения системы кратных связей в молекулу ионофора. Синтез на их основе краунсодержащих ненасыщенных соединений и изучение их спектральных и комплексообразующих свойств с катионами металлов в растворах. Применение этих методов в синтезе краунсодержащих ретиноидов для исследования характеристик аналогов бактериородопсина на их основе. Научная новизна и практическая ценность.
Разработаны универсальные методы синтеза новых ненасыщенных соединений, содержащих один из перечисленных макрогетероциклов - бензо-15-краун-5, бензо-18-краун-6, 1,10-дитиа-бензо-15-краун-5 и 1,10-дитиа-бензо-18-краун-6 с цепями сопряжения различной длины и разнообразным набором терминальных полярных групп - сложноэфирной, нитрильной и формильной, а также ряда модельных соединений, в которых макрогетероцикл заменен 3,4-диметоксифенильным фрагментом.
Оптимизированы синтетические процедуры получения исходных соединений - С5-фосфонатных реагентов с различными терминальными полярными функциями, введения в исходные монобензокраун-эфиры функциональных групп - формильной или моногалогенометильной.
Впервые предложены и применены на практике два альтернативных подхода наращивания полиеновой цепи в ряду краунсодержащих соединений путём олефинирования карбонильных предшественников в условиях реакции Витгага или Хорнера-Эммонса.
Исследован процесс восстановления тройной связи, в ряду краунсодержащих 4,5-дидегидрополиеновых аналогов.
Отработаны методы трансформации терминальной сложноэфирной и нитрильной групп в формальную для ряда краунсодержащих непредельных соединений.
Впервые изучены методы получения трифенилфосфониевых солей кислородсодержащих бензокраун-эфиров (бензо-15-краун-5, бензо-18-краун-6).
Впервые проведено тестирование взаимодействия серии синтезированных краунсодержащих аналогов ретиналя в реакции с бактериоопсином в составе апомембран Halobacterium salinarum и исследованы свойства аналогов бактериородопсина на их основе.
Изучены комплексообразующие свойства полученных соединений в растворах с катионами металлов. Показано, что процесс комплексообразования сопровождается значительным гипсохромным сдвигом Х^^ в электронных спектрах поглощения. Этот результат позволяет применять синтезированные краунсодержащие соединения в современных сенсорных технологиях. Положения, выносимые на защиту:
-
Универсальные методы введения в молекулу ионофора системы кратных связей различной длины и разнообразным набором терминальных полярных групп - сложноэфирной, нитрильной и формильной, для получения новых краунсодержащих соединений, различающихся сочетанием 0,8-гетероатомов и размером цикла.
-
Данные тестирования взаимодействия синтезированных краунсодержащих аналогов ретиналя с бактериоопсином из Halobactenum sahnarum.
-
Результаты исследования процесса комплексообразования полученных краун-соединений в растворах с катионами различных металлов. Публикации. Результаты работы отражены в 3 статьях и в 16 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной конференции «Биокатализ-98: осповы и примепепие», 1998 г., Пущшго; на Ш Международном симпозиуме по органическому фотохромизму, 1999 г., Фукуока (Япония); на Всероссийской конференции «Горизонты физико-химической биологии», 2000 г., Пущино; на ГХ Международной конференции по ретинальсодержащим белкам, 2000 г., Сегед (Венгрия); на Ш Съезде фотобиологов России, 2001 г., Воронеж; наXX Международной конференции по фотохимии, 2001 г., Москва; на Международной конференции «Биокатализ-2002: основы и применение», 2002 г., Москва; на 1-ом Международном конгрессе «Биотехнология - состояние и перспективы развития», 2002 г., Москва; на 2-ом Международном симпозиуме «Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных структур», 2002 г., Казань; на 13-ом Международном харотиноидном симпозиуме, 2002 г., Гонолулу (США); на 13-ой Международной конференции по химии соединений фосфора (ICCPC-XIII), 2002 г., Санкт-Петербург; на X Международной конференции по ретинальсодержащим белкам,
2002 г., Сиэттл (США); на 7-ой Пущинской школе-конференции «Биология -наука XXI века» 2003 г., Пущино; на XXI Международной конференции по фотохимии, 2003 г., Нара (Япония); на XXWI Международном симпозиуме по макроциклической химии, 2003 г., Гданьск (Польша). Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на
страницах, содержит схем, таблиц, рисунков. Она состоит из
введения, литературного обзора, обсуждения полученных результатов,
экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы
( ссылок на литературные источники).
Циклодекстрины
Природные циклодекстрины (ЦД) - циклические олигомеры глюкозы, первые рецепторы, для которых была обнаружена и детально изучена способность образовывать комплексы с нейтральными молекулами [40]. Синтетическая модификация ЦД, направленная на изменение числа и положения гидроксильных групп, позволяет контролировать селективность образования комплексов. Таким образом, например, были разработаны сенсорные системы на креатинин [41], карбоновые кислоты [42] и 8-амино-1-нафталинсульфокислоту [43]. Интересный класс рецепторов представляют ЦД с лариантными ковалентно пришитыми функциональными группами. В водных растворах эта группа инкапсулирована внутри полости, однако при наличии в среде молекул имеющих большее сродство к рецептору, она вытесняется наружу, уступая место данному "гостю" (рис. 3). Модифицированный фрагментом пирена у-ЦД [44] в водной среде способен к самосборке, образуя флуоресцирующий димер (24). При добавлении борнеола образуется комплекс (25) и происходит тушение флуоресценции. Даней л- и тозил-модифицированные р- и у-ЦД [45] были применены как сенсоры на желчные кислоты и терпены, причем при образовании комплексов р-ЦД происходило затухание флуоресценции, а в случае у-ЦД "разгорание", что связано, по-видимому, с тем, что молекула "гостя" встраиваясь в большую липофильнуго полость у-ЦЦ не вытесняет фрагмент флуорофора.
Все эти характеристики позволяют рассматривать ЦД как перспективные сенсоры на неполярные органические молекулы, особенно на полиароматические и хлорсодержащие, для экологического мониторинга.
Циклофаны [46] представляют интересный класс искусственных рецепторов, способных к распознаванию практически любых субстратов. Рецепторы данного типа могут содержать самые разнообразные структурные фрагменты, участвующие в различных типах взаимодействий [47]. Это относительно новый класс соединений, который в настоящее время активно развивается. Циклофаны играют очень важную роль в изучении фундаментальных и прикладных аспектов молекулярного распознавания органических молекул.
Наиболее изученными представителями циклофановых соединений являются каликсарены, которые уже нашли применение в сенсорных системах. Термин "каликсарены" объединяет класс мета-циклофанов, получаемых при конденсации фенолов и альдегидов (рис. 4). Несмотря на кажущуюся сложность строения, это одни из самых легкодоступных искусственных рецепторов. В настоящее время разработаны эффективные методы масштабного препаративного синтеза таких соединений с заданным размером полости, а наличие в них легко модифицируемых групп делает их весьма привлекательными в качестве исходных компонентов для различных молекулярных и супрамолекулярных устройств [48].
Простейшими представителями сенсоров на катионы щелочных металлов являются соединения (27) [50] и (26) [51] в которых к калике[4]арену присоединены бензотиазольный, пиреновый и антраценовые флуорофоры. На примере этих соединений хорошо видно как влияет на селективность нативного каликс[4]арена модификация малого и большого "ободов". Если каликсарен (27) связывает ионы Li+, что приводит к батохромному сдвигу флуоресценции, то (26) образует комплекс исключительно с катионами Na+, при этом предотвращается пространственный контакт между пиреновым и антраценовым фрагментами, что приводит к исчезновению эффекта фотоиндуцированного переноса электрона и возрастанию флуоресценции.
Модифицируя каликсарены соответствующим образом, можно добиться селективного связывания фактически с катионами любых металлов. Так тиакаликсареиы - один из новых классов соединений циклофанового типа, в которых в качестве мостика между ядрами бензола выступает сера, образовывают комплексы с катионами тяжелых и переходных металлов [52].
Способность каликсаренов образовывать комплексы и с органическими катионами, в частности с аммониевыми, легла в основу молекулярного сенсора (28), селективного к ацетилхолину [53]. При образовании комплекса с ацетилхолином происходит вытеснение флуорофора из внутренней полости резорцин[4]арена (рис. 5) и нарушается тс-стэкинг взаимодействие между флуорофором и ароматическим циклом. При этом становится невозможен фотоиндуцированный перенос электрона, что приводит к появлению флуоресценции. Особенное пристальное внимание в настоящее время уделяется дизайну и разработке рецепторов на природные и биологически-активные соединения. В таких системах помимо краун-эфирного цикла обычно присутствуют другие компоненты, обеспечивающие дополнительное взаимодействие с молекулой-"гостем". Это могут быть различные положительно заряженные группы, ароматические остатки (для стэкинг-взаимодействия), бороновые кислоты (для связывания с фрагментами Сахаров) и т.д. Комбинация этих групп позволяет создавать уникальные искусственные рецепторы и сенсоры на строго определенные органические молекулы [2,14,15]. В настоящее время синтезировано и изучено достаточно большое количество соединений такого вида. Среди них можно выделить молекулярные сенсоры (20-23), как характерные представители соединений, селективно связывающие пептиды, отдельные аминокислоты, сахара и нуклеотиды.
Сенсорная молекула (20) [36], сочетающая в себе краун-эфирный фрагмент, заряженный четвертичный атом азота и остаток флуорофора, с достаточной селективностью связывается в водной среде с пептидами, что детектируется по изменению в спектрах флуоресценции. Аналогично, рецептор (21) [37] несет в себе подобные функциональные компоненты, причем расстояние между сайтами связывания подобрано таким образом, чтобы с высокой селективностью образовывать комплекс с у-аминомасляной кислотой, являющейся нейротрансмиттером. Включение в состав молекулярного устройства (22) остатка бороновой кислоты позволило создать высокоселективный флуоресцентный сенсор на D-глюкозоамин [38].
Бороновые кислоты
Бороновые кислоты представляют собой одни из самых селективных реагентов на молекулы, в состав которых входит вицинальная диольная группа. Это уникальное свойство легло в основу искусственных рецепторов [74], которые позволяют специфично связывать молекулы углеводов в сложной смеси структурно близких соединений. Включение таких рецепторов в состав различных молекулярных устройств позволило создать высокоселективные и чувствительные сенсоры [14].
Первым сенсором, предложенным для обнаружения Сахаров в растворах, была 2-антрилбороновая кислота (48) [75]. В данном случае рецепторный фрагмент непосредственно интегрирован в флуорофор. При связывании с молекулой углевода в комплексе появляется отрицательно заряженная группа в непосредственной близости от флуорофора (см. рис. 10), что вызывает эффект фотоиндуцируемого переноса электрона и флуоресценция исчезает. Однако аналитический ответ при обнаружении Сахаров таким хемосенсором довольно мал - тушение флуоресценции происходит лишь на 30%. Более лучшие результаты показали производные (49) и (50) [76].
Недостатком выше перечисленных сенсоров является то, что они функционируют только при высоких значениях рН, что не позволяет использовать их, например, в физиологических средах. Наличие в составе молекулы-сенсора основной аминогруппы полностью меняет ситуацию. В этом случае связывание Сахаров происходит в воде при нейтральных рН. Интенсивность флуоресценции контролируется аминогруппой. В случае, когда рецептор свободен, и образование комплекса еще не произошло, свободная электронная пара атома азота слабо связана с бороновым фрагментов и при возбуждении флуорофора переходит на последний, вследствие чего наблюдается тушение флуоресценции. В то время как при комплексообразовании эффект фото индуцируемого переноса электрона подавляется и возникает флуоресценция. Если в состав сенсора ввести два бороновых фрагмента, то варьируя расстояние между ними можно добиться селективного связывания с другими углеводами, как, например, в случае соединения (53) селективно связывающее глюкозу [79]. Для детекции малых углеводов, таких как сорбитол, было предложено использовать соединение (54) [80]. Включая в состав молекулы 1,1-биснафтильный фрагмент был получен сенсор (55), способный к хиральному распознаванию [81].
Для колориметрического анализа углеводных смесей в состав молекулы-сенсора вводится соответствующий хромофор. При связывании с углеводным фрагментом происходит изменение цвета, что определяется визуально. В качестве хромофора чаще всего применяются производные азобензола, как, например, в случае соединений (56) и (57). Соединение (56) [82] изменяет цвет при добавлении в раствор нуклеотидов. Бороновая кислота связывает рибозу, а диметиламинофенилазо-фрагмент участвует в стэкинг-взаимодействии с гетероциклическим основанием.
Введение в состав порфирина одного или нескольких фрагментов бороновых кислот позволило создать новые высокочувствительные сенсоры на углеводы, которые могут также применятся для выяснения абсолютной конфигурации Сахаров по спектрам кругового дихроизма. При взаимодействии двух фрагментов бороновой кислоты, присоединенных к порфирину и находящихся на определенном расстоянии друг от друга, с молекулой углевода комплекс начинает проявлять способность к флуоресценции, и появляются различия в спектрах кругового дихроизма, по которым можно определить конфигурацию оптически активных центров углевода, В работе [85] описано использование порфирина (59) с присоединенной к нему фенилбороновой кислотой для определения глкжозо 6-фосфата в водных растворах по флуоресценции, а так же по спектрам кругового дихроизма.
Создание структуры рецептора возможно не только при ковалентном связывании определенных компонентов, при котором заранее задается топография и свойства молекулы. Рецептор может формироваться при самоорганизации двух и более молекул. При этом образуется супрамолекулярный комплекс, который способен к селективному связыванию определенных субстратов. В настоящее время широко изучаются такого рода самоорганизующиеся системы [90,91].
Как правило, подобные системы формируются из молекул уже обладающих рецепторными функциями. Простейшим примером реализации этого принципа служат рецепторы на анионы на основе катионных рецепторов, в которые вводится катион металла, способный к обратимой координации аниона-субстрата.
Так соединение (63) [92], представляющее собой дицинковый комплекс, способно селективно связывать анионы (N3", NCO", NCS"). При встраивании аниона в молекулярную полость рецептора происходит гашение флуоресценции антраценового фрагмента.
Cu(CH3CN)4BF Сборка лигандов под действием ионов металлов также может быть успешно применена для формирования искусственных рецепторов [93]. Рецептор на дикарбоновые кислоты (65), формируется в растворе из двух соединений (64), содержащих 1,10-фенантролиновый фрагмент, в присутствии Си(1). При комплексообразовании (65) с дикарбоновыми кислотами, например, глутами новой, происходит изменение цвета комплекса, что позволяет использовать его как хромогенный хемоселективный сенсор на некоторые физиологически активные кислоты [49].
При взаимодействии 3-пиридинборо новой кислоты (67) с порфир ином (66) образуется супрамолекулярный сенсор, содержащий два остатка бороновой кислоты. Катионный (69) и анионный порфирины (68) образуют димер (1:1), селективно связывающий глюкозу и ксилозу [49]. В данной работе была использована модификация готового макроциклического фрагмента. Анализ литературных данных позволил предложить два типа целевых структур ионофоров. Молекулы первого типа (1-6) предназначены для модификации разнообразных субстратов, и представляют собой ионофорный фрагмент связанный через спейсер с реакционноспособной терминальной группой. Система из одной или более кратных связей в спейсере, во-первых, обеспечивает эффективную передачу аналитического сигнала от ионофора к субстрату. Во-вторых, позволит создать фотоуправляемые системы, способные обратимо изменять конфигурацию спейсера за счет транс +-+1{ис- изомеризации. Наличие реакционноспособной терминальной группы даёт возможность модифицировать субстраты различной природы с образованием ковалентной связи. В качестве ионофорных фрагментов были выбраны кислородсодержащие краун-эфиры (бензо-15-краун-5 (а) и бензо-18-краун-6 (Ь)), как селективные агенты для катионов щелочных и щелочноземельных металлов и серусодержащие краун-эфиры (1,10-дитиа-бензо-15-краун-5 (с), и 1,10-дитиа-бензо-18-краун-б (d)) - для катионов тяжелых и переходных металлов.
Синтез формильных производных бензокраун-соединений
В настоящее время известен ряд подходов к синтезу краунсодержащих бензальдегидов (схема 3). Первый основан на электрофильном формилировании краунсоединений в условиях реакции Вильсмеера-Хаака и применяется, в основном, к N-фенилазакраун-соединениям [107]. При получении формильных производных кислородсодержащих бензокраун-эфиров данный метод был использован лишь однажды [108]. Другим подходом к введению формильной группы в кислородсодержащие бензокраун- и бензоазакраун-эфиры является реакция формилирования по Даффу [109,110]. Третий подход заключается во взаимодействии при низких температурах литийорганических производных краун-эфиров с ДМФА [III]. Четвертый подход основан на реакции конденсации 3,4-бис(гидрокси- или 2 40 галогенэтокси)бензальдегидов и производных олигоэтиленгликолей в присутствии основания {112,113,114,115,116,117].
Основываясь на анализе литературных данных по получению форм ильных производных бензокраун-соединений, синтез альдегидов (17 а,Ь) осуществляли реакцией формилирования по Даффу (схема 4) действием гексаметилентетрамина в CF3COOH на исходные коммерчески доступные бензокраун-эфиры (16 а,Ь) с выходом 50-68%.
Формильные производные 1,10-дитиа-бензо-15-краун-5- и 1,10-дитиа-бензо-18-краун-б-эфиров (17 c,d) были получены конденсацией 3,4-бис(2-галогенэтокси)бензальдегидов с терминальными дитиолами в присутствии карбонатов металлов (схема 5) [117], и любезно предоставлены к.х.н., с.н.с. Ведерниковым А.И. (лаборатория супрамолекулярной химии Центра фотохимии РАН (зав. лаб. проф. Громов СП.)) в рамках совместных исследований.
Среди множества путей получения фосфониевых солей в настоящее время наиболее употребительны два метода синтеза (схема 4): - первый заключается в квартернизации трифенилфосфина алкилгалогенидами различного строения - второй - во взаимодействии спирта с трифенилфосфингидробромидом. схема б R-CH2Hal . R-CH2PfPh3Har р"зРНВг R_CH2OH Для нахождения оптимального варианта синтеза краунсодержащих трифенилфосфониевых солей были исследованы оба варианта. К достоинствам второго метода можно отнести доступность бензиловых спиртов, которые могут быть получены с высокими выходами из соответствующих альдегидов, и прямое превращение спиртов в трифенилфосфониевые соли без стадии обмена гидроксильной группы на галоген. Таким образом был осуществлен синтез модельного (3,4-диметоксибензил)трифенилфосфоішЙбромида (21) .
Превращение вератрового альдегида (19) до вератрола (20) осуществляли, используя в качестве восстанавливающего агента борогидрид натрия в этаноле при 0С. Реакция проходила за 10 мин практически полностью (по данным ТСХ), а продукт был выделен с количественным выходом. Дальнейшее превращение осуществляли взаимодействием вератрола (20) с трифенилфосфингидробромидом при нагревании в "сухом" толуоле до исчезновения в реакционной смеси исходного спирта (по данным ТСХ) с выходом 79%. Структура полученного соединения (21) была подтверждена данными Н-ЯМР-спектроскопии. Дополнительно, для оценки гомогенности полученной соли был применен метод 31Р-ЯМР спектроскопии. В 31Р-ЯМР-спектре полученного (3,4-диметоксибензил)трифенилфосфонийбромида (21) присутствовал единственный сигнал ядра четвертичного фосфора (6 23.12 м.д.). Метод 31Р-ЯМР-спектроскопии служит надежным доказательством гомогенности трифенилфосфониевых солей, т.к. в Р-ЯМР-спектрах данных соединений должен быть лишь один сигнал ядра четвертичного фосфора в области 20-25 м.д., химический сдвиг которого сильно отличается от величины сдвига исходного трифенилфосфингидробромида - 5 - 8.47 м.д.
К сожалению, применение данного метода с использованием трифенилфосфингидробромида для получения краунсодержащих трифенилфосфониевых солей оказалось малоэффективным из-за разрыва простой эфирной связи в макрогетероциклах под действием выделяющегося в ходе реакции НВг. Для получения краунсодержащих трифенилфосфониевых солей (23 а,Ь) был применен метод, основанный на кватернизации трифенилфосфина соответствующими бензилхлоридами (22 a,b) (схема 8). Для его успешной реализации необходимо было оптимизировать методы получения исходных монобензокраун-эфиров с моногалогенметильной группой.
В литературе описано три пути получения галогенметильных производных бензокраун-эфиров (схема 9). Первый метод основывается на прямом хлор- или бромметилироваиии бензокрауи-соединений в системе параформ - НС1 [118,119] или НВг [120]. Галогенметилирование в этих условиях проходит с высокими выходами и приводит к 4,5-бис-(галогенметильным) производным.
Однако в работе [118] было показано, что, используя эквимолярные количества параформа и бензокраун-эфира можно добиться получения моногалогенметильного производного. Второй метод заключается в обработке соответствующих бензиловых спиртов SOCU [119] (см. также схему 10). Третий метод был применен для получения бромметильных производных бромированием соответствующих малодоступных метилзамещенных бензокраун-эфиров [112,121],
На основании литературных данных и доступности исходных бензокраун-эфиров (16 а,Ь) синтез галогенметильных производных было решено проводить по первому методу, используя систему хлорметилирования параформ НС1, что позволило бы получить целевые соединения в одну стадию (схема 10). Выбор именно хлорметилъной группы был обусловлен большей стабильностью этих производных по сравнению с бромметильными соединениями.
Восстановление формильных производных бензокраун-эфиров борогидридами щелочных металлов до соответствующих спиртов неоднократно было описано в литературе [122,119]. В качестве восстанавливающего реагента был выбран успешно применяемый ранее и доступный NaBbLi. При проведении этой стадии мы столкнулись с тем, что реакция восстановления, проводимая по методике использованной ранее для синтеза вератрола (20), проходила крайне медленно, что не характерно для стерически незатрудненных карбонильных соединений. За 14 дней в реакционной смеси оставались исходные формильные производные, а выход спиртов не превышал 50%. Из-за высокой коммерческой стоимости и малой доступности альдегидов (17 а,Ь) необходимо было оптимизировать условия протекания реакции восстановления. В ходе предварительных экспериментов были использованы в качестве растворителя метанол, этанол, изопропанол и тетрагидрофуран, а мольные отношения борогидрида натрия к карбонильному соединению колебались варьировалось в диапазоне от 0.1 до 10 кратного. Ключевым моментом, однако, оказались не эти факторы, а концентрация восстанавливаемого формильного производного. При начальных концентрациях альдегидов от 0Л моль/л и выше, как в случае первых экспериментов реакция протекала крайне медленно и с низкими выходами, при проведении реакции в условиях высокого разбавления при концентрациях исходных соединений (17 а,Ь) от 0.01 моль/л и ниже скорость реакции многократно возрастала и полная конверсия исходных альдегидов происходила за 5-Ю мин (по данным ТСХ), а выход выделенных спиртов (25 а,Ь) был количественным.
Дальнейшая обработка полученных спиртов (25 a,b) SOCh при нагревании в "сухом" бензоле приводило к хлорметильным производным (22 а,Ь) с выходами 70-80%. Таким образом, несмотря на большее количество стадий, данный подход оказался предпочтительней, так как позволял с высокими выходами и региоселективно получать необходимые соединения (22 а,Ь), минуя трудоемкую стадию очистки от побочных бис-продуктов.
Взаимодействие аналогов с бактериоопсином
Все синтезированные аналоги ретиналя (9 a,b,c,d,c) и его 4,5-дидегидропроизводное (7 а), а также полиенали (5,6 Ь) были тестированы в реакции с бактериоопсином в составе апомембран И. salinarum (штамм ЕТ 1001). Апобелок получали гидроксиламинолизом пурпурных мембран при длительном освещении, рН б.5,4С[154].
При взаимодействии как аналогов (9 a,b,c,d), содержащих краун-эфирный фрагмент, так и 3,4-диметоксифенильного реперного соединения (9 е) с апомембранами появлялся пигмент с максимумом поглощения в районе 495-500 нм, характерным для серии аналогов бактериородопсина, у которых триметилциклогексеновое кольцо в хромофоре заменено ароматическими циклами различной природы (рис. 16). Скорость образования пигмента оказалась близкой к скорости формирования пурпурного комплекса бактериородопсина из а//--ретиналя и бактериоопсина. Полоса пигмента регистрировалась уже в первые минуты после добавления альдегидов к апомембранам. В течение 1-3 ч образование пигмента заканчивалось.
В электронных спектрах всех исследуемых соединений присутствуют две группы полос поглощения - одна в области 290-450 нм (длинноволновая полоса поглощения - ДПП), обусловленная поглощением всего хромофора, вторая в коротковолновой области спектра ( 240 нм), за которую ответственны изолированные бензокраун-эфирный или 3,4-диметоксифенильный фрагменты. Спектры поглощения исследуемых краун-соединений с одинаковыми типами терминальных групп, но с различным размером краун-цикла практически совпадают со спектрами соединений сравнения с диметоксифенильным фрагментом. Природа терминальной группы оказывает влияние на положение X тзх длинноволновой полосы поглощения винилогов краун-эфиров в соответствии с ее электроно-акцепторными свойствами. Так, положение Х,гоад в спектрах поглощения альдегидов оказываются сдвинутыми батохромно (примерно на 9, 17 нм по мере увеличения цепи для соединений 3,6,9) по сравнению со спектрами поглощения соединений с CN и CC Et концевыми группами с
Исследование комплексообразования проводилось в лаборатории фотохромных органических соединений Центра фотохимии РАН под руководством зав. лаб., к.ф.-м.н. Барачевского В.А. и с.н.с, к.ф.-м.н. Строкача Ю.П. одинаковой длиной цепи сопряжения (рис. 20). Ионы металлов оказывают качественно одинаковое влияние на исследуемые краун-соединения, приводя к гипсохромному сдвигу длинноволновых полос поглощения. Величина сдвига максимумов полос поглощения соединений (1-9 а,Ь) при комплексообразовании зависит как от размера макроцикла, так и от размера и заряда катиона металла. Значение АКтах для производных 15-краун-5-эфиров (1-9 а) уменьшалось в ряду Ca2+ Mg2+ Ba2+ La3+ Na+ Li+ K+ (рис. 22), а для аналогов 18-краун-6 (1-9 Ъ) - в ряду La3+ Ca2+ Ba2+ K+ Na+ Mg2+ Li+ (рис. 23, и табл. 5-6). Наблюдаемый при комплексообразовании гипсохромный сдвиг полос поглощения обусловлен влиянием катиона металла на распределение я-электронной плотности в цепи сопряжения молекул ионофоров (1-9 а,Ь). Взаимодействие электронодефицитной частицы с электронодонорными атомами кислорода краун-эфирного цикла приводит к уменьшению донорной способности этих атомов, и смещение электронной плотности от атомов кислорода, связанных с бензольным кольцом, происходит при более высоких энергиях облучения.
В отличие от кислородсодержащих краун-соединений лиганды (1-9 c,d), содержащие в составе макроцикла атомы серы, не связывали катионы щелочных и щелочноземельных металлов, поскольку дитиакраун-эфирные фрагменты (с, d) практически не способны связывать ионы, обладающие низким сродством к серусодержащим лигандам. В тоже время, при добавлении нитратов или перхлоратов серебра (I), ртути и свинца (II) наблюдаются гипсохромные сдвиги длинноволновых полос поглощения, обусловленные образованием комплексов (рис. 24, табл. 7).
Сравнение ионов Ag+, Hg2+ Pb2+ показывает что последние вызывают наиболее сильные сдвиги длинноволновых полос поглощения соединений (5-9 c,d), что связано с большей электронной плотностью заряда на катионе свинца (II).
Таким образом, было установлено, что образование комплексов с катионами металлов наблюдается только для краунсодержащих соединений и сопровождается изменениями в электронных спектрах поглощения. Это позволяет рассчитывать на применение синтезированных краун-соединений в качестве аналитических компонентов оптических сенсоров, ион-селективных электродов и фотоуправляемых супрамолекулярных ансамблей. 4. Экспериментальная часть
Растворители очищали и высушивали: диэтиловый эфир и тетрагидрофуран перегонкой над литийалюмогидридом; метанол абсолютизировали с использованием магниевой стружки, четыреххлористый углерод, хлористый метилен и хлороформ перегонкой над карбонатом калия, бензол и толуол перегонкой над гидридом кальция, ацетонитрил последовательно перегонкой над перманганатом калия, затем дважды над пентаоксидом фосфора и один раз над гидридом кальция. В работе использовались: трифенилфосфин (Merck, Германия), триэтилфосфит (Fluka, Швейцария), хлороацетон (Merck, Германия), диоксид марганца (Merck, Германия), 1.5 М раствор диизобутилалюмогидрида в толуоле (Aldrich, США), а также реагенты и растворители марок "хч" и "чда" отечественного производства.
