Введение к работе
Актуальность работы. Супрамолекулярная химия, или химия межмолекулярных связей, изучающая ассоциацию двух или большего числа частиц (молекул, ионов, радикалов), а также структуру образующихся ассоциатов, основоположниками которой были Ч. Педерсен, Д. Крам и Ж.-М. Лен, является на сегодняшний момент одним из наиболее интенсивно развиваемых направлений современной химической науки. Объектами изучения супрамолекулярной химии являются исключительно невалентные взаимодействия (водородная связь, электростатические, ван-дер-ваальсовы, гидрофобные взаимодействия), которые приводят к образованию прочных и вместе с тем гибко изменяющих свою структуру ассоциатов, к числу которых относятся и комплексы включения типа «хозяин-гость».
Способностью образовывать комплексы включения с различными органическими субстратами с высокой селективностью (избирательностью) обладают природные и модифицированные макроциклические лиганды – циклодекстрины. Термодинамические характеристики взаимодействия циклодекстринов с различными молекулами имеют большое значение как для разработки теоретических аспектов супрамолекулярной химии, так и для решения ряда важных практических задач. Молекулы циклодекстринов можно рассматривать в качестве моделей центров реакционного связывания ферментов и веществ – каналообразователей, избирательность комплексообразования которых определяет многие каталитические и биохимические процессы. В аналитической химии и хроматографии применение циклодекстринов перспективно для разделения оптических и структурных изомеров. В пищевой, косметической и текстильной промышленности циклодекстрины рассматриваются в качестве инкапсулирующих материалов для ароматических веществ, красителей, биоактивных добавок. В фармацевтике с циклодекстринами связывают перспективы повышения растворимости и активности лекарственных препаратов, направленной доставки лекарства к больному органу. Интересна проблема повышения устойчивости лекарств и витаминов к воздействию природных оксидантов. Вместе с тем, современное состояние теории и экспериментальных обобщений в данной области не позволяют априори предсказать возможность образования соединений гость/хозяин циклодекстринов с различными молекулами.
Учитывая изложенное, комплексное физико-химическое исследование энергетики и механизма межчастичных взаимодействий биологически активных молекул – витаминов с макроциклическими олигосахаридами – циклодекстринами, обладающими различным характером связывания молекул гостей, является актуальным. Работа выполнена в рамках приоритетного направления «Супрамолекулярные и наноразмерные самоорганизующиеся системы для использования в современных высоких технологиях» по теме «Физико-химические свойства растворов сахаридов», № гос. регистрации 01.2.00 103066; поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 03-03-96411 и № 02-03-32694), награждена дипломом за победу в конкурсе молодых ученых на Всероссийском научном Симпозиуме по термохимии и калориметрии (1-3 июля 2004г, Нижний Новгород).
Цель работы. Целью настоящей работы является получение термодинамических, спектральных и электрохимических характеристик взаимодействия - и - циклодекстринов и их гидроксипропил и метил- замещенных с различной степенью замещения с аскорбиновой, никотиновой, мета- и пара-аминобензойными кислотами и никотинамидом в водных растворах при 298.15К и различных значениях рН среды. В задачи исследования входило: экспериментальное доказательство образования комплексов - и -циклодекстринов, а так же их гидроксипропил- замещенных с различной степенью замещения с рассматриваемыми кислотами в водных растворах; установление типа образующегося соединения (внешнесферный комплекс или соединение включения), выявление роли периферийных функциональных заместителей в макрокольце циклодекстрина при комплексообразовании; проведение анализа влияния рН среды, природы, структуры и зарядового типа реагирующих веществ на термодинамические характеристики процессов межчастичных взаимодействий; установление закономерности изменения термодинамических характеристик комплексообразования - и -циклодекстринов с молекулами гостей, структура которых последовательно изменяется путем изменения положения функциональных заместителей.
Научная новизна работы. Впервые получены термодинамические характеристики взаимодействий в растворах - и -циклодекстринов и их гидроксипропил и метилзамещенных с аскорбиновой, никотиновой, мета- и пара-аминобензойными кислотами и никотинамидом при различных значениях рН. На основании анализа полученных экспериментально, а также некоторых литературных данных установлен различный механизм комплексообразования - и -циклодекстринов с ароматическими молекулами, содержащими в своем составе амино- и карбоксильные группы, определяемый различной степенью проникновения молекул «гостей» в полости - и -циклодекстринов и вкладом, связанным с вытеснением молекул воды из полостей циклодекстринов. Дана интерпретация влияния взаимного расположения карбоксильной и аминогруппы изучаемых соединений, а также наличия объемных заместителей в структуре циклодекстринов на термодинамические и структурные характеристики комплексообразования.
Практическая значимость работы. Выявленные закономерности взаимодействий -, -циклодекстринов и их гидроксипропил- и метилзамещенных с аскорбиновой, никотиновой, мета- и пара-аминобензойными кислотами и никотинамидом в водных растворах помогают понять особенности протекания биохимических процессов: мембранный транспорт, ферментативный катализ и могут создавать основу для синтеза новых высокоэффективных лекарственных препаратов. Обнаруженная способность циклодекстринов к комплексообразованию с молекулами витаминов в водных растворах может найти практическое использование при разработке процессов инкапсулирования и в решении проблем, связанных с повышением их растворимости в водной среде.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях: IX Международная конференция “Проблемы сольватации и комплексообразования”, 28 июня- 2 июля 2004г, Плес; Всероссийский научный Симпозиум по термохимии и калориметрии, 1-3 июля 2004г, Нижний Новгород; International Conference on Supramolecular Science and Technology Prague. 5-9 Sept., 2004; 3-rd International Symp. “Molecular Design and Synthesis of Supramolecular Arch.” Kazan, Russia. 20-24 Sept. 2004; II Международная молодежная конференция- школа “Синтез и строение супрамолекулярных соединений, 26 сентября- 1 октября 2004г, Туапсе; III Конференция молодых ученых ИХР РАН, 17-19 ноября 2004г, Иваново; XV Международная конференция по химической термодинамике в России. Москва, 27 июня -2 июля 2005г.; V Всероссийская конференция молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» Саратов, 22-24 июня, 2005г.; XXX Intern. Symp. on Macrocyclic Chemistry. Germany. Dresden. 17-21 July. 2005.; European Conference on Calorimetry and Thermal Analysis for Environment. 6-11 September 2005 Zacopane, Poland; X International Seminar on Inclusion Compounds (ISIC-10) Kazan, Russia, 18-22 Sept., 2005, Р.152.; I Всероссийская школа-конференция «Молодые ученые- Новой России. Фундаментальные исследования в области химии и инновационная деятельность», 26-29 сентября 2005г, Иваново.
Вклад автора. Экспериментальное изучение процессов комплексообразования природных и модифицированных циклодекстринов с некоторыми биоактивными молекулами проведено лично. Постановка задач, обсуждение и обработка экспериментальных данных выполнено совместно с научным руководителем д.х.н. А.В. Агафоновым и постоянным соавтором к.х.н. И.В. Тереховой.
Достоверность результатов исследований определяется воспроизводимостью результатов с заданной точностью; совпадением результатов, полученных разными методами; использованием методов математической статистики при обработке экспериментальных данных; согласие с литературными данными.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи и 16 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 175 стр., содержит 19 табл., 46 рис. и состоит из оглавления, введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, основных итогов работы, списка цитируемой литературы, включающей 193 наименования и приложения.
