Комплексообразование Gd(III) и Mn(II) с некоторыми дифильными производными (ТИА)КАЛИКС[n]аренов в воде и растворах неионных ПАВ Зиятдинова Анна Булатовна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Литературный обзор 12

1.1. Водорастворимые каликсарены: кислотно-основные и комплексообразующие свойства 12

1.1.1. Сульфонатные производные (тиа)каликсаренов 12

1.1.2. Карбоксилатные производные каликсаренов 18

1.1.3. Взаимодействие каликсаренов с органическими субстратами 22

1.2. ЯМ-релаксация в растворах парамагнитных соединений 27

1.2.1. Возможности метода ЯМ-релаксации в исследовании ком-плексообразования и процессов агрегации 28

1.2.2. Парамагнитное зондирование растворов макроциклов 29

1.3. Комплексы металлов как контрастные агенты в МРТ 30

Экспериментальная часть 35

Глава 2. Постановка задачи и методика эксперимента 35

2.1 Постановка задачи 35

2.2. Методика эксперимента 38

Глава 3. Состояние и комплексообразующие свойства сульфонатных каликс[п]аренов и их алкилированных производных 42

3.1. Состояние сульфонатокаликс[п]аренов в воде и растворах НПАВ 42

3.1.1. Система Gd(III)-C[n]S 42

3.1.1.1. Состояние в воде 42

3.1.1.2. Влияние НПАВ 44

3.1.2. Система Mn(II)-C[n]S 44

3.1.2.1. Состояние в воде 44

3.1.2.2. Влияние НПАВ 46

3.2. Сульфонатокаликс[п]арены с алкильными заместителями 47

3.2.1. Система Gd(III)-DC[n]S 47

3.2.1.1. Состояние в воде 47

3.2.1.2. Система Gd(ni)-DC[n]S-HHAB 51

3.2.1.3. Система Gd(III) - DC[n]S - комплексон 54

3.2.1.4. Взаимодействие с аммонийными субстратами 58

3.2.2. Gd(III)-BC[6]S 61

3.2.3. Система Mn(II)-DC[n]S 65

3.2.3.1. Состояние в воде 65

3.2.3.2. СистемаMn(II)-DC[n]S-HiiAB 67

3.2.3.3. Системы Mn(II) -DC[n]S -H3NTA 70

3.2.3.4. Mn(II) -DC[n]S -H3NTA-HnAB 72

Глава 4. Кислотно-основные и комплексообразующие свойства карбоксилатных производных тетра-и-шрет-бутил(тиа)каликс [4] арена 7 5

4.1. Кислотно-основные свойства каликсаренов 75

4.2. Взаимодействие ионов Gd(III) с карбоксилатными производными п-трет-бутил(тиа)каликс[4] арена 79

4.2.1. Система Gd(III)-TC[4]Ac 79

4.2.1.1. Состояние в воде и растворах НПАВ 79

4.2.1.2. Система Gd(III)-TC[4]Ac-K0MraieKC0H-Brij35 86

4.2.2. Система Gd(III)-TC[4]Gly 88

4.2.2.1. Состояние в водных растворах НПАВ 88

4.2.2.2. Система Gd(III)-TC[4]Gly -комплексон-Вгу35 91

4.2.3. Система Gd(III)-TC[4]IDA 92

4.2.4. Система Gd(III)-C[4](IDA)2 97

4.3. Система Mn(II)-TC[4]R 100

4.3.1. Система Мп(П)-ТС[4]Ас 100

4.3.2. Система Mn(II) - TC[4]Gly 107

4.3.3. Система Mn(II) - TC[4]IDA 110

Заключение 113

Выводы 116

Список литературы118

Приложение 133

• Карбоксилатные производные каликсаренов
• Парамагнитное зондирование растворов макроциклов
• Система Gd(III)-C[n]S
• Взаимодействие ионов Gd(III) с карбоксилатными производными п-трет-бутил(тиа)каликс[4] арена

Введение к работе

Выявление закономерностей связывания ионов металлов с макроцикличе-скими лигандами в растворах является одной из важнейших задач координационной химии. Поскольку многие биохимические процессы протекают в водном окружении, важно изучение рецепторных свойств водорастворимых макроциклических молекул, представляющих собой, как правило, соединения дифильного типа. Особое место среди таких макроциклических рецепторов занимают каликсарены, способные к взаимодействиям по типу «гость-хозяин» и образованию ассоциатов и комплексов с ионами металлов. Благодаря легкости синтеза и модификации каликсарены находят применение в катализе, при разделении и концентрировании веществ [1]. Кроме того, отсутствие цитотоксичности [2,3] открывает возможности использования водорастворимых производных каликсаренов в биохимии, в том числе при разработке фармацевтических препаратов. Особый интерес представляют парамагнитные каликсареновые металлокомплексы, имеющие потенциальное применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ) [4].

Благодаря возможности неинвазивно исследовать внутреннюю структуру различных объектов, МРТ стала важным инструментом диагностики в современной медицине. Для повышения контрастности изображений часто приходится вводить в организм специальные парамагнитные вещества - контрастные агенты (КА) - способные изменять времена протонной релаксации в ткани или физиологической жидкости (крови, лимфе и т.д.) [5,6,7]. Одними из главных требований к КА являются высокая устойчивость и высокая релаксационная эффективность, необходимые для снижения токсической нагрузки на организм [8].

К настоящему времени подавляющее большинство коммерчески доступных КА представляют собой комплексные соединения гадолиния(Ш) с линейными или циклическими полиаминополикарбоксилатами [4]. Хотя устойчивость таких комплексов довольно велика, низкие значения релаксивности вынуждают вводить в организм высокие дозы агентов. Кроме того, отсутствие целенаправленности действия в организме делает актуальным создание высокоспецифичных КА, имеющих сродство к определенным субстратам. В связи с этим важной задачей является разработка новых типов лигандов, комплексы которых с парамагнитными зондами

наряду с высокой устойчивостью обладали бы также высокой релаксивностью и селективностью действия по отношению к молекулярным «мишеням». В этом плане большой интерес вызывают политопные лиганды на основе каликсаренов. Из них можно конструировать дпфильные лиганды, способные к супрамолекулярным взаимодействиям (самоорганизации, молекулярному распознаванию). Предоргани-зованная структура донорных центров на каликсареновой платформе приводит к селективности взаимодействия, а дифильный характер создает благоприятный гид-рофильно-липофильный баланс для их проникновения в ансамбли дифильных веществ (мицеллы, везикулы, липосомы), включая и липидные стенки биомембран. Таким образом, комплексы каликсаренов с ионами металлов можно рассматривать также в качестве моделей мембранных переносчиков в живых системах.

В том случае, когда с большими молекулами связываются парамагнитные ионы металла, такие как, например, Gd3+, Fe3+, Мп2+, время релаксации протонов воды может заметно укорачиваться. Таким образом достигается высокая скорость релаксации - одно из главных требований к контрастным агентам для МРТ. Подобная ситуация может реализоваться при выборе каликсаренов в качестве лигандов. Кроме того, наличие гидрофобной полости позволяет каликсаренам образовывать соединения типа «гость-хозяин» с различными субстратами, включая аминокислотные остатки на поверхности белков, что позволяет также использовать комплексы включения с каликсаренами в качестве моделей взаимодействия металло-фермент - субстрат [9]. В этом случае эффект связывания каликсаренового метал-локомплекса с поверхностью белка (например, альбумина - одного из основных белков крови) in vivo может привести к дополнительному увеличению скорости релаксации, и как следствие - к повышению контрастности изображения [10].

Наиболее широкое распространение среди коммерческих КА получили комплексы гадолиния(Ш). Однако отсутствие природных биохимических циклов с участием Gd(III) ограничивает его применение в медицине. Поэтому в последнее время все большее внимание обращается к соединениям таких ионов, как Fe(III), Cu(II) и, особенно, Мп(П). Возможности образования этим ионом комплексов с каликсаренами к настоящему времени не исследованы.

Цель настоящей работы - установление закономерностей образования комплексов ионов гадолиния(Ш) и марганца(И) с рядом дифильных производных

(тиа)каликсаренов в воде и растворах неионных ПАВ на основе определения состава и устойчивости металлокомплексов, выявление условий достижения ими высоких значений релаксационной эффективности в растворах.

Для достижения поставленных целей требуется определить условия существования, устойчивость и магнитно-релаксационные характеристики комплексов Gd(III), Mn(II) с рядом алкилированных (тиа)каликс[п]аренов с сульфонатными (RC[n]S) и карбоксильными группами (TC[4]R) в воде и растворах неионных ПАВ, выявить роль строения и природы лиганда, добавок дополнительных лигандов и солей на состояние образующихся комплексов. В качестве основного инструмента исследования выбран метод ЯМ-релаксации, позволяющий одновременно получать информацию о составе и магнитно-релаксационных характеристиках комплексов парамагнитных ионов металлов. Научная новизна работы:

• методом ЯМ-релаксации проведен систематический анализ возможностей образования (тиа)каликсареновых комплексов с ионами марганца(П) и гадоли-ния(Ш) в водных средах;

• определены требования к каликсареновому лиганду для создания металлокомплексов с высокими значениями КРЭ, найдены условия их существования и оценена прочность в водных растворах;

• изучено влияние добавок неионных поверхностно-активных веществ (НПАВ) на устойчивость и релаксационную эффективность соединений каликсаренов RC[n]S с ионами Gd(III), Mn(II);

• оценены влияние длины и числа алкильных заместителей в сульфонатных ка-ликс[п]аренах на устойчивость и магнитно-релаксационные характеристики их металлокомплексов;

• проанализированы возможности образования ионами Gd(III) и Мп(П) высокоре-лаксивных комплексов с рядом изомеров дифильных производных каликсаренов TC[4]R, отличающихся конфигурационным расположением донорных групп в молекуле;

• получены металлокомплексы, обладающие чрезвычайно высокими значениями КРЭ (КРЭ\ до 100000 М с"1 и выше) по сравнению с известными КА (КРЭ\ не более 5000 М- с-1);

• исследована возможность существования парамагнитных металлокомплексов каликсаренов в растворах солей биометаллов (Na, К, Са), и способность взаимодействовать с дополнительными молекулами-«гостями» с образованием тройных аддуктов.

На момент начала данной работы высокорелаксивных металлокомплексов с алкильными производными (тиа)каликсаренов в литературе не было обнаружено. Практическая значимость планируемых результатов. Результаты настоящей работы важны для развития координационной, суп-рамолекулярной, аналитической, физической химии, поскольку демонстрируют возможности обнаружения и количественного описания процессов агрегации, ассоциации и комплексообразования в многокомпонентных системах с участием ионов металлов, мицеллообразующих поверхностно-активных веществ, каликсаренов и разнообразных лигандов с применением метода ядерной магнитной релаксации.

Наиболее вероятной сферой потенциального приложения результатов, полученных в ходе выполнения проекта, является медицинская диагностика по данным МРТ. По результатам работы подана заявка на патент на состав и способ получения высокорелаксивных металлокомплексов в водных растворах.

Кроме того, полученные сведения о связывания ионов металлов в многокомпонентных системах с участием дифильных веществ важны для совершенствования методов анализа, разделения и концентрирования ионов металлов и поверхностно-активных веществ в различных аналитических методиках, а также для очистки вод от загрязнений ионами тяжелых и радиоактивных элементов. На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты магнитно-релаксационного исследования состояния ионов Gd и Мп в водных растворах сульфонатных каликс[4,6,8]аренов, содержащих до-децильные заместители по нижнему ободу (DC[n]S). Анализ влияния длины алкильных заместителей каликсарена, заряда и природы парамагнитного зонда на времена протонной релаксации в растворах, в том числе, в присутствии НПАВ.

2. Данные о прочности ассоциатов DC[n]S с парамагнитным зондом в воде и растворах НПАВ по методу конкурентных реакций с использованием нитри-лотриуксусной и иминодиуксусной кислот.

3. Результаты исследования тройных систем с участием додецильных производ-ных каликс[4,6,8]аренов, ионов Gd и аммонийных субстратов в водных и мицеллярных растворах.

4. Характеристики кислотно-основных свойств изомеров (конус, частичный конус, ],3-альтернат) карбоксилатных производных п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов в мицеллярной среде НПАВ Brij35 по данным рН-метрического титрования.

5. Количественная оценка прочности связывания ионов GdJ+, Мп2+ с карбокси-латными производными /з-/и/?ет-бутил(тиа)каликс[4]арена (TC[4]R) в комплексы с высокими значениями КРЭ.

6. Сведения о влиянии различных неорганических солей и аммонийных субстратов на релаксационные параметры металлокомплексов.

7. Анализ роли размера и строения функционального заместителя в ряду TC[4]AcC[4]GlyC[4]IDA в изменении КРЭ и прочности комплексов с Gd(HI) и Мп(ІІ) в водных мицеллярных растворах.

Диссертационная работа изложена на 132 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и приложения. В Главе 1 (литературный обзор) рассмотрены основные закономерности взаимодействия сульфонатных и карбоксилатных производных (тиа)каликс[п]аренов с попами металлов и органическими субстратами: показано влияние размера цикла и наличия заместителей на комплек-сообразующие и кислотно-основные характеристики каликсареновых лигандов, отражены имеющиеся в литературе количественные данные о прочности связывания каликсаренов с ионами металлов и органическими молекулами, приведены константы диссоциации каликсареновых лигандов (раздел 1.1). В разделе 1.2 отмечены особенности парамагнитного зондирования систем, содержащих дифильные соединения. Рассмотрены возможности метода при исследовании процессов ком-плексообразования и агрегации, в том числе с участием макроциклических лигандов. В разделе 1.3 описаны металлокомплексы, используемые в МРТ в качестве КА, рассмотрены основные их недостатки и способы их устранения, проанализированы тенденции в разработке новых КА, рассмотрены возможности каликсаренов как потенциальных лигандов для МРТ-агентов. В Главе 2 поставлены задачии представлены объекты исследования. Главы 3 и 4 посвящены обсуждению основных полученных экспериментальных результатов по взаимодействию Gd(III) и Мп(П) с дифильными (тиа)каликс[п]аренами: определены состав металлокомплек-сов, их релаксационные характеристики, устойчивость в воде и растворах НПАВ, изучено влияние на них неорганических солей, комплексонов, азотсодержащих органических субстратов. В Главе 3 приведены результаты магнитно-релаксационного исследования состояния и комплексообразующих свойств ал-кильных производных сульфонатных каликс[п]аренов, в сравнении с их неалкили-рованными аналогами. В Главе 4 рассмотрены кислотно-основные и комплексооб-разующие свойства карбоксилатных производных тетра-п-трет-бутил(тиа)каликс[4]арена. Комплексный анализ полученных результатов позволил оценить перспективность изомеров дифильных производных каликсаренов в качестве лигандов для создания высокорелаксивных комплексов с ионами Gd(III) и Мп(П) для магнитной резонансной томографии.

Работа выполнена в лаборатории координационных соединений при кафедре , неорганической химии Химического института им. A.M. Бутлерова КГУ, является частью исследований по основному научному направлению Химического института им. A.M. Бутлерова "Строение и реакционная способность органических, эле-ментоорганических и координационных соединений" в рамках темы кафедры неорганической химии "Координационные соединения Зс/-переходных, платиновых и • редкоземельных металлов: термодинамика и кинетика образования, синтез, строение, свойства, направления практического использования" (номер государственной регистрации 01.960002010). Работа имела поддержку программы Минобразования и науки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы на 2006-2008 г.г." (РНП 2.1.1.4794), гранта РФФИ (проект № 06-03-32063), гранта Научно-образовательного центра КГУ "Материалы и технологии XXI века".

Личный вклад автора заключается в экспериментальном исследовании методами ЯМР-релаксации, электронной спектроскопии, рН-метрического титрования многокомпонентных систем, включающих (тиа)каликс[п]арены, поверхностно-активные вещества различной природы, ионы металлов; в математической обработке экспериментальных данных, обсуждении и обобщении полученных результатов; в написании статей, заявки на патент и тезисов докладов, а также представлении докладов по теме диссертации на конференциях различного уровня.

Карбоксилатные производные каликсаренов

Изучение взаимодействия НЦЬ с ионами Cu(II) проводилось методами ЭПР и спектрофотометрии в УФ и видимой областях. Показано, что L = (C[4]SAc) в диапазоне рН 2.5-8.5 образует 3 комплекса: [CuH2L], [CuHL] и [CuL]. В случае L = C[4]SAc2 обнаружено 2 комплекса, в которых ионы Cu(II) связаны с двумя фенольними и двумя карбоксильными группами: [CuL] и [CuLOH].

В работе [29] методом микрокалориметрического титрования в кислой среде (рН 2) изучали взаимодействие C[4]S, C[4]SAc, TC[4]S с ионами лантанидов: La3+, Се3+, Sm3+, Pr3+, Nd3+, Eu3+, Gd3+, Tb3+. Ионы РЗЭ образуют со всеми каликсаренами ассоциаты состава 1:1с близкими значениями констант устойчивости (lg/3 3-4). Самая низкая прочность оказалась у ассоциатов с TC[4]S. Причиной этого авторы считают ослабление электростатических взаимодействий катионов металла с суль-фо-группами вследствие большей конформационной подвижности TC[4]S, обусловленной увеличением размера макроцикла.

Если в кислой среде катионы связываются с сульфо-группами верхнего обода каликсаренов, то в щелочной среде вследствие депротонизации фенольных групп ионы металлов могут координироваться по нижнему ободу. Изучая методом люминесцентной спектроскопии комплексообразование C[4]S и TC[4]S с ТЬ3+ при рН 9.5-12, авторы [30] обнаружили, что замена мостиковых метиленовых групп в C[4]S на сульфидные в TC[4]S существенно снижает предел обнаружения ионов ТЬ3+. Этот факт был объяснен эффективной координацией ТЬ3+ с TC[4]S через атомы серы и два фенольных атома кислорода. Стехиометрия комплекса соответствовала Tb:L =1:1. Таким образом, замена мостиковых СН2- групп на -S- в тиакалик-саренах не только приводит к увеличению размера макроцикла, но и повышает потенциальное число донорных атомов в каликсаренах.

В работах [31,32] методом ЯМ-релаксации изучено взаимодействие Gd(III) с TC[4]S. Было показано, что в отличие от C[4]S, ионы парамагнитного металла связываются с фенольными группами TC[4]S. Были рассчитаны константы устойчиво сти парамагнитных комплексов Gd(III) с TC[4]S (H4L4") и определены их коэффициенты релаксационной эффективности (КРЭ\): lg/3 [GdH4L]" = 3.3 (КРЭ\ 15500 MV), lg/3 [GdH3L]2- = 3.3 СКРЭ, 15500 M"V ), lg/3 [GdH2L]3- = 7.2 (КРЭХ 15850 МГ с"1), lg/3 [GdHL] " = 13.0 (КРЭг 3980 М с"1), lg/3 [GdHL(OH)]5- = 17.2 (ЯРЭ1 7875 MV1), lg/3 [Gd(HL)2]n" = 20.3 (КРЭХ 12615 M V1).

Данные PC А в [24] показали, что TC[4]S координирует 4 иона Cu(II), каждый из которых связан с фенольным кислородом, мостиковой серой и сульфо-группой соседней молекулы тиакаликс[4]арена.

В работе [33] была разработана методика определения следов Ni(II) в зольной угольной пыли, основанная на селективном связывании ионов Ni(II) тетра-сульфонатотиакаликс[4]ареном. Несмотря на то что TC[4]S с рядом ионов металлов (Са2+, Cd2+, Со2+, Cr3+, Cu2+, Fe3+, Hg2+, Mg2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+) образовывал комплексы, детектируемые методом электронной спектроскопии, на стадии хромато 9-J графического разделения тиакаликсарен связывался только с ионами Ni .

Сульфонатные каликсарены способны взаимодействовать не только с акваи-онами металлов, но и с их положительно заряженными комплексами, в том числе с образованием гетероядерных соединений [34-37].

Наличие алкильных заместителей в молекулах каликсаренов повышает их гидрофобность и позволяет им экстрагировать металлокомплексы в органические растворители. В работе [12] изучена экстракция ионов металлов из воды в хлороформ каликс[4]аренами и их тиааналогами с бутильными и октальными заместителями по верхнему ободу. Способность тиакаликсаренов селективно экстрагировать ионы переходных металлов при совместном присутствии щелочноземельных катионов авторы работы объясняют тем же, чем и в случае описанных выше сульфо-натных тиакаликсаренов - участием неподеленной электронной пары (НЭП) S в координировании ионов металлов. Эффективная экстракция ионов Cu(II) тетра п-mpem-бутильными производными каликс[4]арена, содержащими 2 и 4 серных мостиков, была обнаружена в [38]. По данным PC А комплексы Cu(II) с обоими калик-саренами имеют «сэндвичевую» структуру, сформированную двумя молекулами каликсаренов, связанных с 2 или 4 ионами металла через кислороды фенольных групп и НЭП серы [39,40]. Введение дополнительных функциональных групп, способных к прочному связыванию ионов металлов, придает новые свойства каликсаренам и позволяет создавать уникальные хелатирующие лиганды, обладающие предорганизованной структурой. В работе [41] была изучена комплексообразующая способность слож-ноэфирных производных и-шрет-бутилкаликс[4]арена к связыванию ионов щелочных и щелочноземельных металлов в ацетонитриле. Было обнаружено, что ионы металлов взаимодействуют с кислородами фенольных и карбонильных групп с об-разованием комплексов состава M:L=1:1 (кроме 1:2 для Na и Са ; 2:1 в случае Sr2+). В целом устойчивость комплексов составляла lg/3 3-4, кроме Na+, Са2+ и Sr2+, где значения lg/З достигали 8.5-9.4. Биоактивность некоторых производных п-я7/?е?я-бутилкаликс[4]арена (с ароматическими и эфирными фрагментами) была обнаружена в [42] по их способности выступать в качестве обратимых ингибиторов холинэстеразы.

Известно, что одновременное присутствие полярных групп и протяженных неполярных участков в молекулах метациклофанов придает им свойства поверхностно-активных веществ. Так, наличие алкильных заместителей по нижнему ободу в тетрасульфонатокаликс[4]резорцинарене и тетракарбоксилатном каликс[4]арене по данным разных методов (включая измерение поверхностного натяжения и парамагнитное зондирование) обеспечивает эффективное агрегирование метациклофанов в водных растворах [43-46]. Авторы [47] на примере карбоксильных производных и-трет-октилкаликс[п]аренов (п=4,6) показали, что макроциклические соединения обладают значительно более выраженными поверхностно-активными свойствами по сравнению с их мономером - и-шрет-октилфеноксиуксусной кислотой. Чрезвычайно низкие значения ККМ и способность к целенаправленному связыванию определенных субстратов дифильными производными каликсаренов позволяют рассматривать их в качестве эффективных ПАВ, способных селективно связывать определенные субстраты. Наличие протяженных алкильных цепей придает им способность встраиваться в ансамбли дифильных молекул или ионов - мицеллы, везикулы, липосомы, биомембраны.

Парамагнитное зондирование растворов макроциклов

Она является аддитивной суммой вкладов в скорость релаксации от всех металлокомплексных частиц в растворе, с учетом их долей накопления с и КРЗІ -коэффициентов релаксационной эффективности [80] - характеристического параметра индивидуальной комплексной формы в растворе.

Связь КРЭ с равновесными параметрами комплексной частицы в растворе позволяет количественно оценивать термодинамические и кинетические характеристики комплексообразования. В процессе комплексообразования за счет изменения размеров, состава комплексных частиц и скоростей их молекулярного движе ния в растворе будет происходить увеличение или уменьшение КРЭ. При связывании с небольшими молекулами лигандов обычно наблюдается снижение КРЭ по сравнению с акваионом вследствие замещения протонов воды в первой координационной сфере металла па донорные группы лигандов [83]. Однако в некоторых случаях может наблюдаться и рост релаксивности [32,85]. Это связано в первую очередь с замедлением вращения комплексной частицы, происходящим, например, при связывании иона металла с крупной молекулой (например, синтетическим полимером или белком) или агрегированными частицами (в том числе мицеллами ПАВ). Так, небольшой (до 30% от КРЭ акваионов) рост релаксивности был обнаружен в растворах додецилсульфата натрия, содержащих ионы Gd(III), Mn(II), Cu(II) [86,87]. Было показано, что подобный эффект проявляется в растворах смешанных мицелл анионных и неионных ПАВ, и везикул на основе смесей анионных и катионных ПАВ [88]. Рост релаксивности в подобных случаях интерпретируется как проявление связывания парамагнитного зонда с поверхностью образующихся агрегатов [4]. Таким образом, метод парамагнитного ЯМР-зондирования зарекомендовал себя в качестве информативного инструмента исследования не только комплексообразования, но и процессов агрегации.

В работе [89] было продемонстрировано успешное применение метода ядерной магнитной релаксации для изучения состояния в воде таких дифильных макро-циклических соединений, как сульфонато-каликерезорцинарены. Так, различие в магнитно-резонансном поведении резорцинаренов с метальными и пентильными заместителями по нижнему ободу позволило установить, что в отличие от первого, алкилированный метациклофан способен прочно связываться с ионами гадолиния в составе агрегатов [43, 90]. При этом подобные металл-модифицированные макроциклы не теряли способность к формированию комплексов «гость-хозяин» с ка-тионными субстратами. Если последние содержали замещенную триметиламмо-нийную группу (катион тетраметиламмония, молекулы карнитина, холина), то измеренная скорость релаксации, отнесенная к концентрации гадолиния в растворе, составляла 90-105 MM V1 [43]. Это близко к теоретически предельным значениям релаксивности (100-120 MM V1) для низкомолекулярных комплексов в воде [91].

Данный пример еще раз демонстрирует перспективность каликсареновых комплексов гадолиния как контрастных агентов для МРТ.

Явление ЯМР нашло успешное применение во многих областях науки, в том числе, биологии и медицине (например, [7,8,92]). Одна из разновидностей этого метода - магнитно-резонансная томография (МРТ) - позволяет получать послойные ЯМР изображения объекта при облучении его импульсами радиочастотного поля и таким образом неинвазивно исследовать внутреннюю структуру различных объектов, включая живые организмы. Однако часто для диагностики (особенно ранних стадий патологий) требуется дополнительное усиление контрастности томографических изображений [5,6]. Этого можно достичь изменением либо спиновой плотности ткани (числа протонов в единице объема), либо времен релаксации протонов [4]. В медицинской практике для повышения контрастности изображений в организм вводят контрастные агенты (КА) - парамагнитные металлокомплексы, способные изменять времена протонной релаксации в ткани. Одними из главных требований к КА являются высокая устойчивость и высокая релаксационная эффективность, необходимые для снижения токсической нагрузки на организм [8].

К настоящему времени подавляющее большинство коммерчески доступных КА являются импортными препаратами и представляют собой комплексные соединения гадолиния(Ш) с линейными или циклическими полиаминополикарбок-силатами [4].

Система Gd(III)-C[n]S

Наличие сульфонатных групп в каликсаренах позволяет им электростатически притягивать катионы, в том числе и парамагнитные ионы металлов, поэтому состояние таких систем удобно изучать методом парамагнитного ЯМР-зондирования. Связывание парамагнитного иона с большими по размеру частицами (агрегатами ионных ПАВ, резорцинаренами) укорачивает времена релаксации протонов воды вследствие замедления вращения ионов зонда [32]. В случае калик-саренов также можно ожидать дополнительного роста релаксивности при образовании тройных комплексов с участием молекул-«гостей» [89]. На первом этапе были проведены эксперименты с неалкилированными сульфонатока-ликс[4,6,8]аренами (C[n]S).

Все эксперименты по изучению взаимодействия Gd(III) с сульфонатными каликсаренами (C[n]S и DC[n]S) проводили с использованием импульсного релак-сометра с рабочей частотой 15.01 МГц, где по техническим причинам измеряли только времена спин-спиновой релаксации Т2. Поэтому в разделе 3.1 обсуждение приведено с использованием значений спин-спиновой релаксивности R2. Как известно [80], для комплексов гадолиния соблюдается примерное соотношение R2 = I.IR\, поэтому нет никаких сложностей при сопоставлении экспериментальных зависимостей с использованием этих двух величин.

При магнитно-релаксационном исследовании водного раствора Gd(N03)3 (рис. 1, кривая 1) было установлено, что коэффициент спин-спиновой релаксационной эффективности свободного акваиона [Gd(H20)8]3+ R2 = 15400 M V1, и остается неизменным от кислой среды до рН 6-6.5, т.е. до начала гидролиза, который сопровождается резким спадом релаксивности.

Кривые 2-4 на рис. 1 отражают зависимости спин-спиновой релаксивности водного раствора Gd(III) в присутствии сульфонатных каликс[4,6,8]аренов (C[4,6,8]S). Видно, что введение C[n]S в водный раствор Gd(III) вызывает небольшой рост релаксивности в кислой и нейтральной средах. Наблюдаемое явление связано с замедлением вращения ионов зонда вследствие ассоциации с метацикло-фанами. Образование таких ассоциатов катионов металлов через сульфонатные группы C[n]S, хорошо известно в литературе (раздел 1.1.). Лг с рн

Ход кривых в присутствии C[4]S (рис.1, кривая 2) и C[6]S (рис.1, кривая 3) практически совпадает, а в случае C[8]S (рис.1, кривая 4) кривая проходит несколько выше. Таким образом, увеличение размера макроцикла в C[n]S приводит к росту релаксивности, значения которой в случае C[8]S достигают R2 - 20000 MV1.

Ранее было обнаружено [89], что в присутствии сульфонатного тиака-ликс[4]арена (TC[4]S) в растворах до рН 4.5 релаксивность также несколько возрастает по сравнению с КРЭ акваионов Gd(III), что вызвано ассоциацией катионов зонда с сульфогруппами метациклофана. Для оценки влияния роли мостиковых сульфидных групп на релаксационные характеристики систем Огі(Ш)-каликсарен при одинаковых условиях были получены зависимости R2 от рН среды в водных растворах C[4]S и TC[4]S (рис. Ш Приложения). Замена метиленовых мостиковых групп на сульфидные не влияет на величины R2 в кислой области, однако в водных растворах TC[4]S, в отличие от C[4]S, после рН 4.5 (т.е. до гидролиза) наблюдался спад релаксивности. Этот эффект был объяснен переходом ионов зонда с сульфо-натных групп верхнего обода на нижний обод, образованный фенольными группами. Интересно отметить, что в растворах TC[4]S в щелочной среде (после рН 8) был обнаружен отсутствующий в системах Gd(III)-C[n]S рост релаксивности, обусловленный образованием гидроксо-смешанных и бис-лигандных комплексов. Как видно, лиганды C[n]S существенно уступают TC[4]S по комплексообразующей способности в нейтральных и слабощелочных средах.

Ранее в работе [118] было показано, что в присутствии неионных ПАВ наблюдается небольшой (порядка 10-25%) рост КРЭ акваионов, адсорбированных на поверхности анионных мицелл алкилсульфатов. Причиной этого является дополнительное замедление вращения ионов зондов вследствие их связывания со смешанными анионно-неионными мицеллами ПАВ. Для проверки возможности повышения релаксивности путем солюбилизации мицеллами ПАВ каликсареновых ассоциатов сульфонатокаликсаренов с Gd(III) были проведены эксперименты с НПАВ ТХ100. Из рис. 2 видно, что наличие мицелл ТХ100 не привело ни к существенному росту релаксивности, ни к сдвигу рН начала гидролиза Gd(III).

Таким образом, полученные результаты для сульфонатокаликс[4]арена, как и для его тиа-аналога [89], не дают оснований полагать, что эти метациклофаны образуют прочные смешанные агрегаты с ТХ100, которые связывали бы ионы Gd(III).

Все эксперименты с ионами Мп(П) в качестве парамагнитного зонда проводили на приборе Minispec mq20 (рабочая частота 19.75 МГц), позволяющем измерять времена спин-решеточной (Т{) и спин-спиновой (Т2) релаксации. В отличие от ионов [Gd(H20)s] , времена протонной релаксации Ті и Г2 в случае [Мп(Н20)6] существенно различаются (рис. 3), что связано со значительным контактным вкладом в Г2-релаксацию марганца(П) [80]. В то же время, по мере замещения молекул воды в первой сфере зонда, отношение времен Ті и Т2 приближается к 1, что служит подтверждением внутрисферной координации донорных атомов лиганда.

Из рисунка 3 видно, что релаксивность водного раствора ионов Мп (рис.3, кривая 1) не меняется вплоть до рН 8 и соответствует R\ 7700 M V1, R2 39300 NT C"1. В щелочной среде (после рН 9) резкий спад релаксивности сопровождается появлением желто-коричневой окраски растворов. Наблюдаемое явление связано с известным изменением в щелочной среде степени окисления марганца(П) до Мп(Ш) или Mn(IV) (см, например, [123]). С учетом возможного гидролиза, осложненного окислительно-восстановительными процессами, данные для растворов после рН 8 в количественных расчетах не использовали.

Как и в случае Gd(III), введение C[n]S в водный раствор Мп(П) привело к небольшому росту релаксивности. Отметим, что в случае скорости спин-решеточной релаксации максимальный рост составил 50% от КРЭ\ иона-зонда (рис. 4), а по спин-спииовой - на 12% (рис. 2П Приложения). Таким образом, в сравнении с Т2, времена спин-решеточной релаксации в системах с Мп(П) являются более чувствительными к изменениям в связывания иона-зонда с каликсареновыми ли-гандами. В связи с этим в экспериментальной части будут обсуждены в основном данные по Т\, а графики по Г2 приведены в Приложении к диссертации.

Взаимодействие ионов Gd(III) с карбоксилатными производными п-трет-бутил(тиа)каликс[4] арена

Как видно, найденные значения константы диссоциации тетраацетатного производного тиакаликсарена значительно отличаются от величин, приводимых в литературе для сходного каликсарена для метанольного раствора [51]. Таким образом, можно считать, что ПАВ только переводит каликсарен в водорастворимое состояние, а карбоксильные группы лигандов находятся в водном окружении.

Интересные результаты были получены в экспериментах с соединением С[4](ГОА)2, которое содержит только 2 аминодикарбоксильные группы (и 2 незамещенные фенольные группы). Интенсивность поглощения в соединении, не имеющем сульфидных мостиков, оказалась намного ниже (А 0.25) по сравнению с TC[4]R (А 0.5), и спектры практически не изменялись вплоть до рН 10 (рис. 38П Приложения). Таким образом, до рН 10 фенольные группы остаются протони-рованнными, так как сопряжение электронов фенолятного кислорода с 7Г-ароматической системой каликсарена должно вызывать спектральные изменения С[4](ГОА)2. Отрыв 4 ионов водорода был подтвержден данными рН-метрического титрования (рис. 39П Приложения). Значения кажущихся констант равновесий диссоциации приведены в таблицах 29, 4П Приложения.

Анализ распределения долей накопления различной степени протонирования лиганда C[4](IDA)2 (рис. 40П Приложения) показал, что отрыв первых двух протонов идет в кислой среде, а последующих - в щелочной (после рН 9). Объяснением сильного различия значений рКа2арр и рКа3арр может служить перенос ионов водорода с карбоксильных групп на атомы азота, как это происходит, например, в равновесиях с участием комплексонов [126].

Из таблиц 24-26 видно, что кислотно-основные свойства трех изомеров TC[4]R в мицеллярных растворах Brij35 довольно близки между собой. Между тем, различное пространственное расположение заместителей может сильно повлиять на способность соединений TC[4]R к взаимодействию с ионами металлов. Это подтвердилось анализом данных метода ЯМ-релаксации. Исследование систем Gd(III)C[4]R проводили на релаксометре Minispec с рабочей частотой 20 МГц.

На рис. 40 (кривая 1) представлена рН-зависимость релаксивности водного раствора Gd(III), содержащего конусный изомер ТС[4]Ас. Рис. 40. Изменение релаксивности в зависимости от рН среды системы Gd(III)C[4]Ac (конус) в воде (1) и в присутствии: 10 мМ Brij35 (2), 10 мМ Tw20 (3), 20 мМ ТХ405 (4), 20 мМ PEG-4000 (5). Ccd(iii) 0.1 мМ, СТСНАС 0.25 мМ.

Видно, что в области рН 5-10 значения спин-решеточной релаксивности достаточно высоки (28500-29000 М с"1), как это было выше обнаружено (раздел 3.2.1.) в ассоциатах Gd(III) с DC[n]S. Однако получаемые растворы сильно опалес-цировали и со временем их значения R уменьшались. В кислой среде (при рН 4) релаксивность оказалась ниже КРЭ акваиона, вероятно, вследствие адсорбции ионов зонда на частицах осадка тетракислоты (которая, как отмечалось выше, нерастворима в кислой среде). В целом, видно, что высокорелаксивные металлокомплек-сы образуются в области рН 4-5. Высокие значения R\ сохраняются до рН 9.5-10, после чего происходит резкий спад релаксивности, обусловленный гидролитическими процессами. Вследствие нестабильности магнитно-релаксационных характеристик водных растворов (и образования со временем осадков в них) для количественного описания комплексообразования дальнейшие эксперименты проводились в присутствии мицеллообразующих неионных ПАВ. Оказалось, что наилучшей солюбилизирующей способностью по отношению к каликсареновым металло-комплексам обладает оксиэтилированный додеканол Brij35 (рис. 40, кривая 2). Растворы с добавками Brij35 были прозрачными во всем исследуемом диапазоне рН (2-11), стабильными во времени (значения Rt не менялись в течение 24 ч) и сохраняли высокую релаксивность в широком диапазоне рН (5-9).

Из приведенных данных видно, что до рН 4 релаксивность системы практически не изменяется и соответствует значению КРЭ\ (14000 M V1) свободного акваиона гад о линия (III). В кислых растворах все карбоксильные группы каликсарена протонированы, что препятствует их связыванию с ионами гадолиния(Ш). В области рН 4-5, где начинается депротонирование карбоксильных групп ТС[4]Ас (конус), наблюдается резкий рост релаксивности до 60000 МТ е"1. Подобная рН-зависимость была получена с участием других НПАВ - оксиэтилированных алкил-сорбитанов (Tween) (рис. 40, кривая 3). Однако, в отличие от Brij35, растворы Tween быстро мутнели в области нейтральных рН, что отражалось в резком падении R\. В случае оксиэтилированного гізо-октняфенола Triton Х405 (рис. 40, кривая 4) растворы были более устойчивы во времени, однако область существования ме-таллокомплексов оказалась существенно уже (рН 4.5-7), а значения релаксивности - ниже по сравнению с Brij35. Попытка предотвращения выпадения осадков введением в раствор полиэтиленгликоля PEG-4000 (рис. 40, кривая 5) не увенчалась заметным успехом, что указывает на необходимость наличия в молекуле солюбили-зирующего вещества не только оксиэтильной цепи, но и значительного по размеру гидрофобного фрагмента. Все дальнейшие эксперименты проводили в мицелляр-ных растворах Brij35.

При исследовании зависимости состояния комплексов от концентрации Brij35 было обнаружено, что к росту релаксивности ведут даже небольшие добавки НПАВ (рис.41, кривая 1).

Было установлено, что концентрации 10 мМ Brij35 достаточно для получения прозрачных, стабильных во времени растворов комплексов гадолиния с ТС[4]Ас (конус). Дальнейшие добавки НПАВ никак не отражались на релаксационных параметрах комплексов, что свидетельствует о сохранении ближайшего окружения гадолиния. Подобное поведение сходно с тем, что наблюдали в случае до-децильных производных сульфонатокаликс[п]аренов (раздел 3.2.1.2.). Однако обнаруженная картина отличается от наблюдавшегося в случае смешанных ионных и неионных мицелл [88], где избыток неионного компонента приводил к вытеснению ионов парамагнитного зонда с поверхности мицеллярного агрегата в воду, и, соответственно, к падению релаксивности до значений релаксационной эффективности акваиона.

Похожие диссертации на Комплексообразование Gd(III) и Mn(II) с некоторыми дифильными производными (ТИА)КАЛИКС[n]аренов в воде и растворах неионных ПАВ

РЕАКЦИИ АССОЦИАЦИИ И КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ИОНОВ Gd(III), Mn(II), Fe(III) В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПОЛИМЕРОВБУРИЛОВА ЕВГЕНИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

Структурно-термодинамические характеристики сольватации индивидуальных ионов в N-метилпирролидоне и смешанном растворителе N-метилпирролидон - вода на основании данных о теплоемкости и плотности растворовНовиков, Александр Николаевич

Теплоёмкость и плотность двух- и трехкомпонентных растворов иодидов, нитратов и тиоцианатов металлов в N-метилпирролидоне и его смесях с водойРассохина, Лариса Юрьевна

Теплоемкость и плотность двух- и трехкомпонентных растворов иодидов, нитратов и тиоцианатов металлов в N-метилпирролидоне и его смесях с водойРассохина Лариса Юрьевна

Комплексообразование ионов лантанидов(III) с водорастворимыми каликсаренами в присутствии ПАВ и полипиридиновых металлокомплексовЗаиров Рустэм Равилевич

СТРУКТУРА И ДИНАМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ МЕДИ(II) С N,O-СОДЕРЖАЩИМИ ЛИГАНДАМИ В РАСТВОРАХ ПО ДАННЫМ МЕТОДОВ ЭПР И ЯМР-РЕЛАКСАЦИИБУХАРОВ МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ

Аддуктообразование диалкилдитиокарбаматных комплексов цинка и меди(II) с циклическими N-донорными основаниями неплоскостного строенияЛескова Светлана Анатольевна

Строение и свойства комплексных соединений меди(II),кобальта(II)и никеля(II) с N-фосфонометилглицином и гистидиномТрудникова Наталия Михайловна

Комплексообразование Co(II),Co(III),Ni(II),Zn(II) и Cd(II) с N-ациламидофосфатами и их тиоаналогамиСтарикова Мария Сергеевна

Строение координационных полиэдров комплексов кобальта(II), никеля(II) и меди(II) C O-, N- содержащими лигандами по данным молекулярной спектроскопииАнтоников Станислав Александрович