Введение к работе
Актуальность работы. Создание новых супрамолекулярных систем для молекулярной биологии, медицины, косметической и пищевой промышленности, нефтехимии и катализа представляет актуальную и сложную задачу. Объекты исследования супрамолекулярной химии широко используются при получении биомиметических структур, для улучшения биодоступности активных веществ, а также их адресной доставки. Использование для биотранспорта наноразмерных агрегатов, способных солюбилизировать биопрепараты, позволяет занять оптимальную нишу между практикуемым в большинстве случаев молекулярным раствором и микроразмерными системами (микроэмульсии, суспензии). Биодоступность субстанций возрастает в несколько раз при переходе от макросистем к наноразмерным системам. Основу направленного дизайна наноразмерных ансамблей составляют самоорганизация и молекулярное распознавание. Каликсарены, относящиеся к одним из наиболее доступных объектов супрамолекулярной химии, обладают этими свойствами. Кроме того, большим преимуществом каликсаренов по сравнению с другими макроциклами (циклодекстринами, краун-эфирами и др.) является сочетание относительной простоты получения из доступных исходных соединений и легкости их модификации по обоим ободам разнообразными заместителями, в том числе повышающими растворимость в воде, что очень важно при разработке современных стратегий в области биологии, медицины, пищевой и косметической промышленности. Поэтому одной из поставленных в данной работе задач было создание новых строительных блоков циклофановой природы, способных к самоорганизации в водной среде.
Одной из важных функций наноконтейнеров является управляемое связывание/высвобождение субстратов. В литературе известно немало работ, где данный эффект достигается варьированием рН среды, значения которого выходят за пределы физиологической нормы. Для благоприятного функционирования наноконтейнеров при физиологических условиях нами был предложен метод регулирования процессов связывания/высвобождения путем изменения амфифильных свойств системы. Поэтому для создания самособирающихся супрамолекулярных наноразмерных систем были использованы смешанные композиции на основе каликсаренов и поверхностно-активных веществ (ПАВ). Более того, наноконтейнеры могут выполнять каталитические функции, что позволяет рассматривать катализ в организованных системах с точки зрения моделирования основных факторов ферментативного катализа, эффективность которого обеспечивают концентрирование реагентов и изменение микросреды.
В этой связи актуальным является формирование полифункциональных супрамолекулярных систем на основе каликсаренов и ПАВ, способных к обратимому связыванию органических субстратов и обладающих каталитической активностью в реакциях, моделирующих биохимические процессы.
Работа выполнена на кафедре органической химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет». Работа проведена при финансовой поддержке программ ОХНМ РАН № 3 «Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений», № 6 «Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров»; гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке ведущих научных школ за 2010 год «Дизайн, синтез и свойства самоорганизующихся супрамолекулярных систем на основе макроциклических и амфифильных соединений», государственного контракта «Дизайн стабильных нанодисперсных систем на основе амфифильных и макроциклических соединений, обладающих каталитической, люминесцентной и антимикробной активностью» (№14.740.11.0384); грантов РФФИ «Конструирование нанореакторов с целью
регулирования реакционной способности путем ковалентной и нековалентной функционализации амфифильных соединений» (№10-03-90416_Укр_а), «Наноразмерные молекулярные машины на основе каликс[4]резорцина» (№09-03-00581); гранта Германской службы академических обменов DAAD (№A/09/83380) и международного гранта DFG (GR 3296/1-1).
Цель работы заключается в создании новых супрамолекулярных систем на основе строительных блоков с различной моделью самоорганизации: впервые синтезированных аминометилированных каликс[4]резорцинов и катионных ПАВ для регулирования процессов связывания/высвобождения и реакционной способности органических субстратов. Научная новизна работы.
-
Синтезированы новые аминометилированные производные каликс[4]резорцина с сульфонатоэтильными фрагментами на нижнем ободе. Структура соединений доказана комплексом физических методов.
-
Впервые методами спектрофотометрии, ЯМР-спектроскопии, динамического и статического светорассеяния, тензиометрии, кондуктометрии проведено систематическое исследование самоорганизации аминометилированных каликс[4]резорцинов в водной среде. Установлено, что для данного каликс[4]резорцина характерно образование супрамолекулярных ассоциатов по типу «голова к хвосту».
-
Впервые показано рН-управляемое переключение агрегации аминометилированного каликс[4]резорцина. Установлено, что данный каликс[4]резорцин связывает 1,5- диаминонафталин по верхнему ободу в нейтральной водной среде с образованием двухкомпонентных ассоциатов, диссоциирующих в кислой среде.
-
Впервые комплексом методов исследована агрегация в водных растворах гексадецильного производного 1,4-диазабицикло[2.2.2]октана. Показано формирование крупных агрегатов в области критической концентрации мицеллобразования (ККМ) при выдерживании растворов в течение нескольких дней.
-
Впервые проведено систематическое исследование смешанной ассоциации систем на основе аминометилированных каликс[4]резорцинов и катионных ПАВ в водной среде. Было показано, что можно направленно изменять морфологию смешанных агрегатов при варьировании соотношения ПАВ - макроцикл. Установлено, что супрамолекулярная система каликс[4]резорцин-ПАВ может быть использована в качестве наноконтейнера с контролируемым процессом связывания/высвобождения органических субстратов.
-
Получены новые эффективные супрамолекулярные катализаторы на основе индивидуального аминометилированного каликс[4]резорцина и катионного ПАВ и их смешанной композиции для разложения фосфорорганических экотоксикантов. Впервые показан каталитический эффект аминометилированного каликс[4]резорцина, не проявляющего амфифильные свойства.
Методы исследования. В работе использованы методы спектрофотометрии, ЯМР-, ИК-, ЭПР-спектроскопии, масс-спектрометрии, тензиометрии, кондуктометрии, потенциометрии, рН-метрии, вискозиметрии, динамического и статического светорассения. Практическая значимость. Получены новые супрамолекулярные системы на основе впервые синтезированных аминометилированных каликс[4]резорцинов с сульфонатоэтильными фрагментами на нижнем ободе, способные выступать в роли рН- управляемых супрамолекулярных ансамблей и селективных наноконтейнеров. На основе систематических исследований агрегационной и солюбилизирующей способности смешанных систем каликс[4]резорцин-ПАВ определены соотношения компонентов, при которых наблюдаются процессы связывания и высвобождения органических субстратов. Разработаны эффективные супрамолекулярные катализаторы на основе индивидуальных и
смешанных систем каликс[4]резорцина и ПАВ, действующие в мягких условиях в водных средах для гидролиза фосфорорганических экотоксикантов. На защиту выносятся:
-
-
Синтез новых производных каликс[4]резорцина, содержащих различные аминометилированные группы на верхнем ободе и сульфонатоэтильные фрагменты на нижнем ободе.
-
Оценка агрегационной активности синтезированных каликс[4]резорцинов в отсутствие и в присутствии ароматического амина и катионных ПАВ.
-
Количественная характеристика (ККМ, гидродинамический радиус, степень связывания противоионов, форма) агрегатов катионного ПАВ - гексадецильного производного 1,4- диазабицикло[2.2.2]октана (DABCO-16).
-
Результаты изучения кинетики гидролиза эфиров кислот фосфора в индивидуальных системах на основе каликс[4]резорцина и ПАВ, а также в их бинарных системах. Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на IV Международной летней школе-конференции «Супрамолекулярные системы в химии и биологии» (Туапсе, 2008); XVII и XVIII Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2010, 2011); XIV Молодежной конференции по органической химии (Екатеринбург, 2011); I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011); Всероссийской молодежной конференции «Инновации в химии: достижения и перспективы» (Казань, 2011); Международном конгрессе по органической химии (Казань, 2011); итоговых научных конференциях КНИТУ и КазНЦ РАН (Казань, 2010, 2011), а также были представлены на конкурсе на соискание Арбузовской премии за выдающиеся исследования в области органической и элементоорганической химии среди молодых ученых г. Казани и Открытом конкурсе научных работ студентов и аспирантов им. Н.И. Лобачевского. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 13 тезисов докладов на конференциях различного уровня. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора (глава 1), экспериментальной части (глава 2), обсуждения результатов (глава 3). Диссертация изложена на 146 страницах, содержит 9 таблиц, 82 рисунка и список литературы из 179 наименований.
Личный вклад автора. Экспериментальные данные, приведенные в диссертационной работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. Автор выражает благодарность д.х.н. Захаровой Л.Я. за неоценимую помощь, оказанную при выполнении диссертационной работой. Автор благодарит сотрудников ИОФХ им. А.Е. Арбузова: к.х.н. Зиганшину А.Ю., к.х.н. Паширову Т.Н. и к.х.н. Жильцову Е.П. за постоянную помощь в работе и научную консультацию при выполнении данных исследований; к.х.н. Харламова С.В., д.х.н. Латыпова Ш.К. за помощь в проведении ЯМР-эксперимента и обсуждении полученных результатов; к.х.н. Лукашенко С.С. за предоставление ПАВ и эфиров кислот фосфора; аспиранта Литвинова А.И., к.ф-м.н. Кадирова М.К. за проведение ЭПР- эксперимента. Автор также выражает благодарность сотрудникам Дрезденского технологического университета д-ра, доц. Хабихера В.Д. и д-р Грюнер М. за возможность проведения части исследований в лабораториях указанного университета.
Похожие диссертации на Супрамолекулярные системы на основе катионного ПАВ и аминометилированных каликс[4]резорцинов, содержащих сульфонатные группы на нижнем ободе
-
