Введение к работе
Актуальность работы. В химии полимеров 80-ые годы прошлого века ознаменовались появлением нового класса макромолекулярных соединений -монодисперсных полимеров регулярного ветвящегося строения, получивших название дендримеров (от греческого 5v5pov (dendron) - дерево, ветвь). В настоящее время мир дендримеров обширен, а их специфические свойства многообразны. Дендримеры обладают уникальной молекулярной регулярностью, имеют мультифункциональную периферию и значительные внутренние «полости». Периферия, внутренние области и ядро дендримеров могут быть произвольно модифицированы. К числу несомненных достоинств дендримеров стоит отнести их монодисперсность и надежный контроль над размерами, формой и функциональностью, реализуемый в процессе многоступенчатого синтеза макромолекулы. Указанные особенности обеспечивают дендримерам определенную нишу среди современных технологий, где использование традиционных полимерных соединений невозможно или малоффективно, и перспективны для ряда потенциальных приложений.
Дендримеры широко используются для биомедицинских применений в качестве контрастных агентов в магнито-резонансной томографии, средств доставки лекарств, в in vitro диагностике, в бор-нейтронозахватной терапии, а также в качестве наноразмерных реакторов и систем, имитирующих мицеллы.
Дендримеры эффективно применяют в различных химических технологиях. Так, например, дендримеры, содержащие на периферии каталитические активные центры, активируют полимеризацию мономеров, а затем могут быть отделены от реакционной смеси путем микрофильтрации. Известны дендримеры, которые являются катализаторами в процессах электрохимического восстановления двуокиси углерода в монооксид углерода. Некоторые функционализированные дендримеры используются для экстракции гидрофильных соединений из воды в сверхкритический С02. Дендримеры могут инкапсулировать нерастворимые продукты или наночастицы металлов во внутренние «полости» и переносить их в растворители. Композиты дендримеров с неорганическими наноразмерными частицами вызывают особоый интерес исследователей, благодаря уникальным свойствам, возникающим в результате сложных физико-химических взаимодействий наноразмерных составляющих неорганической и органической природы.
Обсуждение проблем химии дендримеров, их специфические свойства, а также возможные области применения нашли свое отражение в многочисленных
оригинальных статьях и обзорах последнего десятилетия. Достижения химии дендримеров также рассматривались на представительных международных научных форумах.
Среди разнообразных типов дендримеров макромолекулы, состоящие исключительно из ароматических групп, занимают особое место. Полифениленовые дендримеры, известные с 1997 года, используются в качестве химически и термически устойчивых носителей для хромофоров и катализаторов благодаря своим уникальным характеристикам, таким как высокая жесткость, химическая и термостабильность, неизменность формы и нанометровые размеры. Такого рода дендримеры выступали как органические темплаты, а также как составляющие супрамолекулярных ансамблей. Их применяли для модификации различных поверхностей. Вместе с тем, отсутствие в структуре данных дендримеров функциональных групп, способных специфически взаимодействовать с химическими соединениями разной природы, приводя к формированию комплексных систем с новыми полезными свойствами, ограничивало развитие и применение этого класса дендримеров. Одним из путей решения проблемы является введение в структуру дендримеров азотсодержащих ароматических фрагментов, что может открыть новые перспективы для их использования в современных технологиях. В связи с этим исследования, направленные на развитие химии функциональных ароматических дендримеров, и поиск возможных областей их применения, которые в значительной степени нашли свое отражение в настоящей работе, представляются особенно актуальными.
Цель работы. Разработать фундаментальные основы синтеза нового типа сверхразветвленных индивидуальных макромолекул - пиридилфениленовых дендримеров и установить общие закономерности их получения, поведения и свойств. Продемонстрировать универсальный характер синтезированных макромолекул для создания функциональных наноразмерных материалов с целью их использования в различных областях науки и технологий.
Научная новизна и практическая значимость работы. Несмотря на большой интерес к химии сверхразветвленных индивидуальных макромолекул -дендримеров, стимулированный первыми публикациями Vogtle, Newcome, Tomalia, Denkewalter в 80-х годах прошлого века, ко времени начала наших исследований в литературе не было упоминаний о полиароматических дендримерах, содержащих пиридиновые фрагменты. В этой связи систематическое исследование фундаментальных закономерностей синтеза нового типа дендримеров, их физико-химических свойств и поведения, а также
возможности практического использования функциональных наноматериалов на основе таких дендримеров, должны восполнить существующий пробел в этой области химии и обладают несомненной новизной. Практическая значимость заключается в реализации идеи создания универсальной платформы для формирования разнообразных функциональных композитных материалов с управляемой морфологией и полезными характеристиками. Активные каталитические системы, нанокомпозиты с оптическими свойствами, полиэлектролитные комплексы с ДНК, в качестве моделей для исследования трансфекции, высокочувствительные сенсоры для идентификации малых молекул - все эти разнообразные приложения, основанные на использовании единой химической стратегии синтеза дендримеров, указывают на значительную практическую ценность предлагаемого подхода.
В результате проведенного исследования:
разработана универсальная стратегия пошагового дивергентного синтеза совершенных индивидуальных ароматических макромолекул на основе совокупности последовательных реакций Дильса-Альдера и десилилирования, которая позволяет получать с высокими выходами монодисперсные дендримеры различного состава;
синтезировано новое семейство ароматических дендримеров -пиридилфениленовые дендримеры; установлены фундаментальные закономерности их синтеза и поведения;
показано, что три-, тетра- и гексаразветвляющие соединения различной геометрии, использованные в качестве ядра дендримерной молекулы, позволяют направленно менять архитектуру конечного дендримера;
осуществлен направленный синтез пиридилфениленовых дендримеров, позволяющий за счет варьирования «строительного блока» получить дендримеры, различающиеся расположением и балансом пиридиновых и фенильных фрагментов, архитектурой макромолекул, а также декорированные по периферии додецильными группами. Таким образом, особенностью подхода является возможность осуществлять химический контроль над размерами и формой дендримеров и получать макромолекулу заданной архитектуры и химического состава;
установлено, что вследствие стерических особенностей рост жесткой ароматической дендримерной молекулы ограничен четырьмя генерациями - для три- и тетраразветвляющих ядер и двумя генерациями -для гексафункционального центрального фрагмента;
проведен всесторонний анализ свойств синтезированных дендримеров. Определены их химическое строение, размеры и поведение в растворе и на поверхности. Показано, что в растворе дендримеры существуют, как правило, в виде индивидуальных макромолекул. Размер и форма дендримеров определяются структурой и генерацией и, вследствие ограниченной подвижности составляющих жестких фрагментов, не зависят от используемого растворителя. Пиридилфениленовые дендримеры, таким образом, являются объектами с постоянной формой. Некоторые свойства дендримеров, характерные для жесткой ароматической структуры (например, отсутствие фазовых переходов до температуры разложения), могут быть изменены в результате декорирования периферии дендримера терминальными алифатическими (додецильными) цепочками. Дендримеры, подвергнутые такой модификации, имеют тенденцию к образованию жидкокристаллической фазы, что может приводить к самосборке в объеме и на поверхности;
установлено, что направленное введение пиридильных групп в структуру дендримеров открывает широкие возможности для создания гибридных органических-неорганических композитов за счет комплексообразования с соединениями металлов, с последующим формированием неорганических наночастиц;
получены каталитически активные композиты дендримеров с наночастицами металлов (Pd, Pt). Исследованы закономерности формирования наночастиц, особенности их стабилизации жестким дендримером и морфология нанокомпозитов. Определена каталитическая активность и селективность полученных катализаторов в реакциях селективного гидрирования ацетиленовых спиртов;
разработан метод получения квантовых точек (КТ) CdS в присутствии пиридилфениленовых дендримеров. Исследованы особенности стабилизации КТ в зависимости от условий синтеза и структуры дендримера. Установлен механизм формирования КТ. Методом синхротронного малоуглового рентгеновского рассеяния определена структурная морфология нанокомпозитов. Определены оптические характеристики нанокомпозитов и квантовый выход фотолюминесценции;
установлено, что при формировании КТ дендримеры играют роль термически стабильного мультилиганда, обеспечивающего процесс синтеза и стабилизации наночастиц CdS, и одновременно служат уникальными
структурами, контролирующими образование наночастиц необычной морфологии;
использование в качестве функциональной группы пиридинового
кольца позволило провести направленную модификацию дендримеров и
изменить гидрофобную природу ароматических дендримеров на
гидрофильную с целью получения водорастворимых соединений для био
медицинских применений. Впервые получены и исследованы
полиэлектролитные комплексы жестких ароматических дендримеров с
различными полианионами. Подробно изучены процессы
комплексообразования и показано, что жесткая структура дендримеров
создает препятствия для участия внутренних пиридиниевых катионных групп
в электростатическом связывании как с жестким полианионом - ДНК, так и с
гибким полиметакрилатным анионом, что ведет к полиэлектролитным
комплексам со специфическими характеристиками. Впервые показана
принципиальная возможность использования полиэлектролитных комплексов
водорастворимых пиридилфениленовых дендримеров с ДНК в качестве
модельных систем для изучения трансфекции ДНК в живую клетку;
установлено, что пиридилфениленовые дендримеры обладают
высокой сенсорной чувствительностью по отношению к трипероксиду
триацетона, обусловленной их специфической морфологией и химической
структурой.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на: 3-ей Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2004», (Москва, 2004); International Conference dedicated to 50th anniversary of A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds, RAS «Modern Trends in Organoelement and Polymer Chemistry», (Moscow, 2004); International Conference «Polycondensation 2004», (Roanoke, USA, 2004); European Polymer Congress 2005, (Moscow, Russia, 2005); 4-ей Всероссийской Каргинской конференции «Наука о
полимерах - 21-му веку», (Москва, 2007); 17 International Symposium on Fine
Chemistry and Functional Polymers (FCFP-XVII) & IUPAC 3 International Symposium on Novel Materials and Synthesis (NMS-II1), (Shanghai, China, 2007); 236 ACS National Meeting & Exposition, (Philadelphia, PA, USA, 2008); Всероссийской конференции по макромолекулярной химии, (Улан-Удэ, 2008); 5-ой Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2010», (Москва, 2010); 242 ACS National Meeting & Exposition, (Denver, CO, USA, 2011); Baltic Polymer symposium (Liepaja, Latvia, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 статей в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах, входящих в систему цитирования Web of Science, включая 3 обзора (Успехи химии 2007, Российские нанотехнологии 2009, Chemical Reviews 2011), представлено 28 докладов на Российских и международных конференциях.
Личный вклад автора. Постановка задач и целей исследования, обсуждение, интерпретация и обобщение полученных результатов, а также формулирование научных положений и выводов, которые выносятся на защиту, принадлежат автору настоящей работы. Экспериментальные исследования, изложенные в диссертации, выполнены в период 2000-2012 г.г. лично автором или совместно с дипломниками и аспирантами. Отдельные разделы исследования являются результатом сотрудничества автора со специалистами Химического факультета МГУ, Физического факультета СПбГУ, Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН, ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» .
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы по теме диссертации, четырех глав, описывающих оригинальные результаты, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы (569 библиографических ссылок). Материал изложен на 414 страницах, иллюстрирован 173 рисунками, содержит 10 таблиц, 1 приложение.
Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИНЭОС РАН, при финансовой поддержке грантов РФФИ, РФФИ-ННИО, Фонда Гумбольдта (Германия), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г. программы ОХНМ РАН «Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений», гранта Седьмой Европейской рамочной программы (FP7) - Polycat.
