Введение к работе
Актуальность проблемы. Создание новых функциональных систем на базе супрамолекулярных комплексов является одной из перспективных задач в областях современной химии, биологии и нанотехнологий. Именно к таким системам относятся комплексы циклодекстрина (ЦД) с фотоактивными молекулами, предназначенные для проведения направленного синтеза и увеличения стабильности лекарств, и комплексы ЦД, ковалентно-связанные с нитроксильными радикалами (HP). Детальное изучение этих систем необходимо для понимания и усовершенствования их функциональных свойств.
Проведение фотолиза в ЦД может приводить к значительному изменению состава продуктов реакций и являться одним из способов проведения направленного синтеза. В тех случаях, когда имеет место зависимость возбужденных состояний молекулы включения от полярности локального окружения, проведение фотолиза в ЦД может привести к изменению реакционного состояния. Другим механизмом влияния ЦД является ограничение реакционной зоны объемом полости ЦД и увеличение времени жизни образующейся при фотолизе радикальной пары (РП). В отличие от гомогенного раствора, где время жизни радикальных пар составляет доли наносекунд, в полости ЦД радикалы удерживаются значительное время -десятки и сотни наносекунд. Это приводит к существенному увеличению выхода клеточных продуктов. Поскольку расстояние между радикалами в полости ЦД сравнимо с размером радикалов, следует ожидать, что при проведении фотолиза в ЦД обменное взаимодействие в РП будет оказывать существенное влияние на магнитные и спиновые эффекты, такие так Химическая Поляризация Ядер (ХПЯ), Химическая Поляризация Электронов (ХПЭ).
Другим направлением развития супрамолекулярной химии с участием циклодекстринов является синтез ЦД, ковалентно-связанных с HP. Такие комплексы являются перспективными для использования в качестве новых поляризующих агентов с целью увеличения сигналов ЯМР протеинов, а также в качестве эффективных и селективных тушителей флуоресценции. Возможность применения HP, ковалентно связанных с ЦД, для решения различных задач в значительной степени зависит от структуры комплекса, что определяет важность исследования равновесия в таких системах и определения параметров, которые в наибольшей степени оказывают влияние на равновесие.
Одна из основных проблем метода спиновых меток и зондов - быстрое восстановление аскорбиновой кислотой, альбумином и другими ферментативными системами до диамагнитного состояния в живых организмах. Недавно было показано, что замена близких к радикальному центру метальных
заместителей на спироциклические в пиперидиновых HP значительно улучшает их стабильность, а также увеличивает время их электронной спиновой релаксации в диапазоне температур 90-130 К1. Известно, что для HP пирролинового и пирролидинового типа константа скорости восстановления биогенными восстановителями почти на порядок ниже чем для HP пиперидинового типа. Поэтому актуальной задачей является синтез новых спирогексан-замещенных пирролиновых и пирролидиновых радикалов и исследование возможности их применения в качестве спиновых меток для изучения структуры и функций биополимеров.
Основными целями работы являются исследование влияния (3-ЦД на механизмы формирования спиновых эффектов и механизмы фотолиза ароматических кетонов; изучение структуры супрамолекулярных комплексов ЦД со стабильными нитроксильными радикалами; исследование возможности применения новых спиновых меток на основе 2,5-спироциклогексан-замещенных HP пирролинового типа для структурных исследований биополимеров.
Конкретными задачами работы являлись:
-
Экспериментальное исследование спиновых эффектов ХПЭ и ХПЯ в реакциях фотолиза трех различных кетонов: деоксибензоина (ДОБ), дибензилкетона (ДБК) и бензофенона (БФ) и определение роли ЦД в исследуемых фотохимических реакциях.
-
Исследование влияния (3-ЦД на структуру электронных уровней и релаксационные свойства нижних триплетных состояний ароматических кетонов (БФ, ДОБ) методами ВР ЭПР и импульсного ЭПР
-
Исследование типа структурного равновесия серии комплексов различных HP (в том числе рН чувствительного), ковалентно связанных с TRIMEB (трижды метилированный (З-ЦД) методами стационарного и импульсного ЭПР. Исследование влияния образования ковалентной связи с TRIMEB на функциональность и стабильность рН-чувствительного имидазолинового HP.
-
Измерение скоростей электронной спиновой релаксации 2,5-спироциклогексан-замещенных нитроксильных радикалов в широком диапазоне температур методом импульсного ЭПР. Измерение расстояния в модельном РНК дуплексе с использованием 2,5-спироциклогексан-замещенной нитроксильной спиновой метки и сравнение полученных результатов со стандартной 2,2,5,5-тетраметил-замещенной нитроксильной меткой.
Научная новизна работы. Впервые проведено систематическое исследование влияние (ЦД) на формирование эффектов спиновой поляризации ХПЭ и ХПЯ. Показано, что увеличение времени жизни радикальной пары (РП)
в ЦД и обменное взаимодействие в РП являются основными факторами, влияющими на формирование спиновой поляризации.
Впервые показано, что параметры расщепления в нулевом магнитном поле (D и Е) триплетных состояний ароматических кетонов зависят от структуры комплекса с ЦД и полярности локального окружения СО-группы. Обнаружено, что скорость электронной релаксации в триплетных молекулах при Т=30 К уменьшается в комплексе с ЦД по сравнению с гомогенным раствором из-за ограничения мобильности триплетной молекулы.
Для ряда новых комплексов HP, ковалентно связанных с ЦД (TRIMEB), методами ЭПР показано, что наблюдается равновесие между комплексами с радикальным фрагментом вне полости и радикальным фрагментом, прикрывающим полость TRIMEB, с преобладанием той или иной формы в зависимости от структуры HP и линкера. Ковалентное присоединение рН-чувствительного имидазолинового радикала к TRIMEB сохраняет рН-чувствительность радикала, но не увеличивает его стабильность.
Для новых 2,5-спироциклогексан-замещенных HP пирролинового типа, обладающих стабильностью по отношению к биогенным восстановителям, показана применимость для структурных исследований биополимеров методом ДЭЭР (двойной электрон-электронный резонанс) на примере измерений расстояний в модельном РНК дуплексе.
Научная и практическая значимость работы. Результаты работы вносят существенный вклад в развитие представлений о физико-химических процессах с участием циклодекстринов, короткоживущих радикалов и стабильных радикалов. Полученная в работе информация о механизмах эффектов ХПЯ и ХПЭ в радикальных парах в циклодекстринах и о влиянии циклодекстрина на параметры расщепления в нулевом магнитном поле (D и Е) триплетных состояний ароматических кетонов может быть использована при изучении фотохимических реакций в супрамолекулярных комплексах.
Полученные в работе данные о зависимости структуры комплекса HP, ковалентно связанного с ЦД, от строения линкера и нитроксильного фрагмента могут быть в дальнейшем использованы для применения таких систем в качестве селективных поляризующих агентов по механизму ДЛЯ и селективных тушителей флуоресценции.
Полученная информация о функциональных свойствах новых спироциклогексан-замещенных пирролиновых HP является важным для их применения в качестве спиновых меток для структурных исследований биополимеров.
Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор
диссертации участвовал в разработке плана исследований, проведении экспериментов, обсуждении результатов, формулировке выводов и подготовке публикаций по теме диссертационной работы.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены и обсуждались на международных и российских конференциях: EUROMAR 2013 (Херсониссос, Греция, 2013), VIII Voevodsky Conference "Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes" (Новосибирск, Россия, 2012); 6th conference on Synthesis, Properties and Implications of Nitroxides (Марсель, Франция, 2011); 12th International Symposium on Spin and Magnetic Field Effects in Chemistry and Related Phenomena (Нордвейк, Нидерланды, 2011); 3rd International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Львов, Украина, 2010); Всероссийская молодежная школа с международным участием «Магнитный резонанс в химической и биологической физике» (Новосибирск, Россия, 2010); First Symposium "Supramolecular Chemistry for Material and Life Sciences (Новосибирск, Россия, 2010); Международная научная студенческая конференция (Новосибирск, Россия, 2010); Международная школа молодых ученых «Современные проблемы магнитного резонанса и его применения» (Казань, Россия, 2009 г); V Международный симпозиум "Дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур" (Казань, Россия, 2009), Central European Conference on Photochemistry (Бад-Гаштайн, Австрия, 2008).
Исследования были поддержаны Министерством образования и науки Российской Федерации (ФЦП) «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2012-2013 гг. проект № 8456»
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 4 статьях, опубликованных в рецензируемых научных международных журналах, рекомендованных ВАК, и 16 тезисах докладов международных и российских конференций, 5 из которых были представлены в виде устных докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, четырех глав, в которых изложены полученные автором результаты, выводов, благодарностей и списка литературы, включающего 182 наименований. Работа изложена на 118 страницах, содержит 8 таблиц, 26 рисунков и 23 схемы.
