Модифицированные ионами металлов и поверхностно-активными веществами каликс[4]резорцинарены: состояние в водных растворах и комплексообразующая способность по отношению к азотсодержащим катионам Нугаева Зулейха Тагировна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Литературный обзор 15

1.1. Состояние каликс[п]аренов в водных растворах 15

1.1.1, Кислотно-основные и поверхностно-активные свойства каликс[п]аренов 15

1.1.2, Самоагрегация, Агрегация, стимулированная ионами металлов 20

1.2. Комплексообразующие свойства калике[п]аренов в водных растворах 23

1.2.1. Взаимодействие каликс[п]аренов с ионами металлов 24

1.2.2. Взаимодействие каликс[п]аренов с органическими субстратами 29

1.3. Парамагнитное зондирование систем, содержащих амфифильные соединения 40

1.4. Взаимодействие амфифильных веществ с гидрофобными противоионами 44

ГЛАВА 2. Постановка задачи и методика экс перимента 56

2.1. Постановка задачи 56

2.2. Методика эксперимента 61

ГЛАВА 3. Парамагнитное зондирование смешанных растворов ПАВ 67

3.1. Одноцепочечные ПАВ 67

3.1.1. Системы Мп(П) - додеци л сульфат натрия - НПАВ 67

3.1.2. Системы Мп(П) - додецилсульфат натрия - КПАВ 70

3.1.3. Системы Gd(III) - додецилсульфат натрия - КПАВ 76

3.2. Двухцепочечные ПАВ 80

3.2.1. Системы Мл(П) - диалкилдитиофосфаты аммония 81

3.2.2. Система Mn(II> D7DTP -ТХ 84

3.2.3. Системы Mn(II)-D8DTP(D6DTP)-Triton Х-100 91

3.2.4 Система Mn(II)- D7DTP - SDS 95

3.2.5. Системы Mn(II)- D7DTP(D8DTP) - Triton X-100 - КПАВ 96

3.3. Системы Gd(III) - D5MTP - SDS и Gd(ITT) - D5MTP - Triton X-100 100

Глава 4. Состояние в воде, кислотно-основные и комплексообразующие свойства некоторых каликс[4]резорцинаренов 105

4.1. Тетраалкилзамещенные каликс[4]резорцинарены 105

4.1.1. Состояние и кислотно-основные свойства калике [4]резорцинаренов в водно-мицеллярных средах 105

4.1.2. Комплексообразующая способность кали кс[4]резорцинаренов, модифицированных НПАВ 112

4.2. Агрегационные свойства сульфонатока лике [4]резорцинаренов 123

4.2.1. Тетрасульфонатокаликс[4]резорцинарены 124

4.2.2. Тетрасульфонатотиакаликс[4]арен 134

4.3. Комплексообразующие свойства водорастворимых калике [4]резорцинаренов, модифицированных ионами металлов 137

4.3.1. Системы Ln(III)- H8XNa4 - ТМА (N-MePy, N-RPy)

4.3.2. Комплексообразующие свойства H8YNa4 146

Системы Gd — HgYNa4 —катионы тетраэтил- (бу-тил)аммония 146

Системы Gd(III) - HsYNa4 - ионы N-алкилпиридиния 148

Системы Gd - HgYNa4 -катионы тетрам етил аммония 150

Системы Gd(lll) - HgYNa4 - алкиламмонийные катионы 152

Системы Gd(III) - H8YNa4 - ТМА, хол ин, карнитин 154

Выводы 160

Библиографический список 162

• Самоагрегация, Агрегация, стимулированная ионами металлов
• Парамагнитное зондирование систем, содержащих амфифильные соединения
• Состояние и кислотно-основные свойства калике [4]резорцинаренов в водно-мицеллярных средах
• Комплексообразующие свойства водорастворимых калике [4]резорцинаренов, модифицированных ионами металлов

Введение к работе

В последние десятилетия интенсивное развитие получило новое направление - супрамолекулярная химия, интегрировавшая несколько разных областей, включая координационную химию и биохимию [1]. Молекулярное распознавание является одной из составных частей этой новой области химии, и поиск новых, более селективных и эффективных рецепторов для биологически важных субстратов имеет особую актуальность. Поскольку многие биологически важные процессы (мембранный транспорт ионов и молекул, металлоферментный катализ и др.) происходят в водном окружении, перспективным представляется поиск рецепторов, работоспособных в водных средах, и исследование их комплексообразующей способности по отношению к различным субстратам.

В ряду макроциклических рецепторов по ряду причин можно выделить калике[п]арены [2]. Они представляют собой макроциклические соединения, образованные в результате соединения п остатков различных фенолов через мостиковые -СН.2-, -S-, -80г- и другие группы. Чаще всего используются ка-ликсарены, содержащие в своем составе 4 или 5 арильных фрагментов и имеющие конусообразную форму. тг-Основная полость каликсаренов способна к эффективному взаимодействию с различными органическими катионами с образованием комплексов включения. Большим преимуществом каликсаренов по сравнению с другими макроциклами (циклодекстринами, кра-ун-эфирами и др.) является сочетание относительной простоты получения из доступных исходных соединений и легкости модификации путем присоединения разнообразных заместителей по обоим ободкам конуса, в том числе повышающих растворимость в воде.

Солюбилизация мицеллами поверхностно-активных веществ является известным способом повышения растворимости в воде многих веществ [3].

7 Однако подобный способ в отношении каликсаренов до настоящего времени не получил заметного распространения. Между тем, в отличие от цикл о декстринов [4], молекулы ПАВ не занимают полости каликсаренов, и не препятствуют образованию комплексов типа гость-хозяин с другими субстратами. При этом попадание макроциклических молекул в агрегаты ПАВ может не только повышать растворимость в воде, но и модифицировать их кислотно-основные и комплексообразующие свойства.

Перспективным способом модификации различных свойств каликсаренов также является их связывание с ионами металлов. При этом происходит изменение заряда образующегося ассоциата, кислотно-основных свойств координированных и соседних донорных групп, взаимного расположения фрагментов молекулы, и как следствие - способности к образованию комплексов гость-хозяин.

При исследовании сложных взаимодействий в многокомпонентных системах на кафедре неорганической химии КГУ был успешно применен метод ядерной магнитной релаксации (ЯМР релаксации) с использованием парамагнитных зондов [5]. В дальнейшем было показано [6-8], что в растворах ПАВ и их смесей скорость спин-решеточной релаксации протонов молекул воды в ближайшем окружении таких ионов-зондов, как Mn²⁺, Gd³", Fe³⁺ оказывается чувствительной к процессам агрегации амфифильных анионов ПАВ в растворе. Возможности данного метода для выявления процессов агрегации и комплексообразования с макроциклическими лигандами типа каликсаренов до сих пор не рассматривались.

Цель настоящей работы — выяснение возможностей модификации каликс[4]резорцинаренов различного строения путем содюбилизации неионными мицеллами или связыванием с многозарядными ионами металлов в водных растворах.

8 Для достижения поставленных целей требуется выполнить следующие задачи:

методом ЯМР релаксации с использованием парамагнитных ионов-зондов изучить образование смешанных агрегатов амфифильных анионов (моно-алкилсульфатов, диалкилпроизводных тиокислот фосфора) с гидрофобными противоионами (катионами моно- и тетраалкилпроизводных аммония и пиридиния), что позволит расширить возможности метода ЯМР-зондирования в процессах агрегации и связывания с участием лигандов каликсаренового типа;

определить возможности солюбилизации тетраалкилированных ка-ликс[4]резорцинаренов неионными мицеллами, рН-метрическим методом изучить их кислотно-основные свойства и комплексообразующую способность;

используя методы кондуктометрии и парамагнитного ЯМР-зондирования изучить собственную и индуцированную многозарядными ионами металлов агрегацию сульфонатметилированных каликс[4]резорцинаренов с разной длиной алкильных заместителей в воде и растворах ПАВ;

исследовать особенности образования комплексов различных азотсодержащих катионов с молекулами сульфонатметилированных ка-ликс[4]резорцинаренов, модифицированных многозарядными катионами металлов и поверхностно-активными веществами.

В качестве макроциклических лигандов в настоящей работе выбраны калике[4]резорцинарен и ряд его тетраалкилированных производных, тетра-сульфонатометилированный калике[4]резорцинарен и его тетрапентильный гомолог, а также тетрасульфонатотиакаликс[4]арен.

Модификация кислотно-основных и комплексообразующих свойств нефункционализированных каликсрезорцинаренов при их солюбилизации в растворах ПАВ происходит как за счет изменения их донорных свойств (вследствие электростатического и/или гидрофобного взаимодействия с мо-

9 лекулами или ионами ПАВ), так и путем определенной организации этих молекул друг относительно друга вследствие встраивания их в организованные структуры ПАВ (мицеллы, везикулы, бислои и т.п.). Строение молекул резорцинаренов позволяет им участвовать во взаимодействиях обоего типа. Наличие в молекуле полости и разнообразных алкильных заместителей обуславливают способность каликсаренов к гидрофобным взаимодействиям как с потенциальными гостями, так и между самими молекулами макроцикла.

Молекулы сульфонатных каликсаренов содержат в своем составе гидрофильные и гидрофобные фрагменты, и являются, таким образом, амфи-ф ильными соединениями. Можно предположить, что сульфонатные ка-ликс[4]арены с четырьмя длинноцепочечными радикалами на противоположном ободке полости будут агрегировать в воде так же, как одно- и двух-цепочечные ПАВ, образующие мицеллы, бислои или везикулы [9]. Ионные группы, входящие в состав каликсаренов, обеспечивают участие их молекул в электростатическом взаимодействии с присутствующими в растворе про-тивоионами, в том числе с парамагнитными зондами. Предварительные ЯМР-релаксационные исследования растворов диалкилдитиофосфатов аммония продемонстрировали связывание парамагнитных ионов-зондов с образующимися агрегатами двухцепочечных анионов [8].

С другой стороны, взаимодействие многозарядных ионов зондов с сульфогруппами каликсаренов должно оказать влияние не только на агрега-ционные, но и на комплексообразующие свойства макроциклов. Магнитно-релаксационное зондирование растворов каликсаренов позволит выявить чувствительность ионов зонда к связыванию гостей разной гидрофобности с полостью хозяина и, следовательно, показать возможность детектирования комплексов включения в водных растворах.

Таким образом, солюбилизация агрегатами ПАВ и способность к самоагрегации должны оказывать сильное влияние на комплексообразующие свойства каликсаренов в воде.

Научная новизна работы. Впервые показана применимость метода

ядерной магнитной релаксации с парамагнитными зондами (ионами Мп²⁺ и

Gd ) для исследования процессов агрегации и связывания в многокомпонентных водных растворах, содержащих ионы металлов и смеси поверхностно-активных веществ. Выявлена роль различных факторов (электростатических и гидрофобных взаимодействий, заряда и концентрации иона металла-зонда, общего и относительного содержания анионов и катионов ПАВ, присутствия неионных мицелл) в образовании агрегатов разных типов (смешанных мицелл, везикул, катанионных ПАВ). Состояние иона зонда на поверхности агрегатов ПАВ определяется, главным образом, взаимодействием их с анионными группами и зависит от ряда дополнительных факторов (наличия ионных пар АПАВ-КПАВ, оксиэтильных цепей НПАВ и др.). Полученные результаты позволяют прогнозировать распределение ионов металлов между водной фазой, простыми и смешанными агрегатами ПАВ различного типа.

Впервые предложено использовать метод парамагнитного ЯМР-зондирования для изучения взаимодействия сульфонатметилированных калике [4]резорцинаренов с катионами металлов. Обнаружено существенное различие в ассоциации с ионами металлов каликерезорцинарена с изменением длины алкильных заместителей R на нижнем ободке, заключающееся в ступенчатом связывании для R - СНз и кооперативной агрегации при R = С₅Нц, что подтверждено данными кондуктометрии. При внешнесферном связывании парамагнитных ионов-зондов с агрегатами изученных амфи-фильных соединений обнаружен значительный (в 3-6 раз) рост скорости протонной спин-решеточной релаксации, вызванный замедлением вращательного движения катионов зонда на поверхности агрегатов.

Зафиксировано образование агрегированных тройных комплексов ион зонда - тетрапентильный сульфокаликсрезорцинарен - субстрат для ряда азотсодержащих катионов. Сила связывания субстратов и предельные значе-

11 ния скорости релаксации ассоциатов возрастают в ряду NH₃(CH₃)"^: < ЫН₂(СНз)2⁺ < NH(CH₃)₃⁺ < N(CH₃)4 Эффект образования высокопрочных тройных ассоциатов обнаружен также для холина и карнитина, содержащих в своем составе триметиламмонийную группу.

Катионы NR/ (с R выше СН₃) и RN(CH₃)₃⁺ и RNPy⁺ (с R от С_шН₂і и выше) являются конкурентами ионам металлов в связывании с обоими изученными сульфонатметилировамными каликсрезорцинаренами вследствие более эффективного гидрофобного взаимодействия.

Для солюбилизации каликс[4]резорцинаренов впервые предложено использовать водные мицеллярные растворы неионогенных ПАВ. По данным рН-метрического титрования в растворах НПАВ определены кислотно-основные свойства тетраалкилированньтх каликс[4]резорцинаренов, количественно охарактеризована способность их различных анионов образовывать комплексы с различными катионами-гостями. Проведен анализ роли длины алкильных заместителей каликс[4]резорцинарена и природы НПАВ в кислотно-основных и комплексообразующих свойствах выбранных рецепторов.

Практическая значимость. Результаты работы важны для развития координационной, супрамолекулярной, аналитической и физической химии, поскольку иллюстрируют возможности применения метода ядерной магнитной релаксации при исследовании процессов ассоциации и комплексооб-разования в многокомпонентных водных растворах, содержащих ионы металлов, поверхностно-активные вещества и разнообразные лиганды.

Проведенные исследования впервые создали основу для разработки на базе парамагнитного ЯМР-зондирования методики молекулярного распознавания биологически важных субстратов макроциклическими молекулами, модифицированными катионами металлов, в водных растворах.

Достигнутое для ряда ассоциатов ион зонда - каликсрезорцинарен - катион алкиламмония значительное ускорение релаксации протонов (в 5-7 раз)

12 может служить основой для разработки совершенно новых реагентов для ЯМР-томографии ("magnetic resonance imaging").

Полученные сведения о связывания катионов металлов с разнообразными агрегатами на основе ПАВ позволяют прогнозировать распределение реагентов, в зависимости от их содержания в растворе, между свободными и ассоциированными формами. Подобная информация необходима, в частности, для совершенствования методов анализа, разделения и концентрирования ионов металлов и поверхностно-активных веществ в различных аналитических методиках.

Микрогетерогенные растворы, в том числе мицеллярные и везикулярные, перспективны в качестве основы для создания систем фотохимического разложения воды на водород и кислород, в связи с чем полезными будут результаты изучения связывания ионов металлов с наноагрегатами ПАВ. Результаты работы могут быть использованы также при выборе модельных систем для изучения мембранного транспорта катионов различных металлов и субстратов.

Учет полученных результатов и выявленных закономерностей позволит оптимизировать некоторые технологические процессы, в ходе которых используются растворы комплексов металлов, содержащих ПАВ, такие как электрохимическая и химическая металлизация диэлектриков, гомогенный катализ, в промышленных технологиях выделения ионов металлов (ионная флотация, экстракция, ультрафильтрация), а также при очистке сточных вод.

На защиту выносятся: 1) Результаты магнитно-релаксационного исследования состояния ионов Мп²⁺ и Gd³⁺ в смешанных растворах амфифильных анионов (додецил-сульфата натрия, ряда диалкиловых эфиров тиокислот фосфора) и некоторых катионоген ных ПАВ, в том числе в присутствии неионогенных ПАВ. Анализ роли строения ПАВ, природы головной группы, типа ам-фифильного противоиона, заряда иона зонда в характере концентрацией-

13 ных зависимостей скорости спин-решеточной релаксации протонов, отнесенных к различным типам образующихся агрегатов.

2) Данные о солюбилизации тетраалкилированных производных ка
лике [4]резорцинаренов водными мицеллярными растворами неионоген-
ных ПАВ. Характеристика кислотно-основных свойств тетраалкилиро
ванных каликс[4]резорцинаренов и способности их анионов к образова
нию комплексов с различными катионами-гостями по данным рН-
метрического титрования в растворах НПАВ. Анализ роли длины ал-
кильных заместителей каликс[4]резорцинарена и НПАВ в кислотно-
основных и комплексообразующих свойствах выбранных рецепторов.

3) Результаты изучения методами парамагнитного ЯМР-зондирования и кон-

дуктометрии состояния сульфонатметилированных ка-

лике [4]резорцинаренов с разной длиной заместителей на нижнем ободке (СН₃ и С₅Нц) в присутствии ионов зондов.

4. Данные о комплексообразовании модифицированных ионами металлов сульфонатокаликерезорцинаренов с рядом азотсодержащих катионов. Анализ роли состава ряда метиламмонийных катионов, и соединений, содержащих триметиламмонийный фрагмент (соли тетраметиламмония, холин, карнитин), на силу их связывания и релаксационные параметры образующихся тройных ассоциатов с участием тетрапентилы-юго производного сульфонатокаликерезорцинарена, ассоциированного с катионом Gd³⁺.

5. Сведения о конкурентном вытеснении ионов металлов-зондов из ассоциа-

тов с сульфонатокаликерезорцинаренами азотсодержащими катионами типа NR₄⁺ (с R выше СН₃) и RN(CH₃)₃⁺ и RNPy⁺ (с R от С|₀Н₂₁ и выше) как следствии эффективного гидрофобного взаимодействия в комплексах гость-хозяин.

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории координационных соединений при кафедре неорганической химии Казанского госу-

дарственного университета, является частью исследований по основному научному направлению Химического института им. А.М.Бутлерова "Строение и реакционная способность органических, элементоорганических и координационных соединений" в рамках темы НИЛ КС и кафедры неорганической химии "Координационные соединения Зс1-переходных, платиновых и редкоземельных металлов: термодинамика и кинетика образования в различных средах, синтез, строение, свойства, направления практического использования" (номер государственной регистрации 01960002010).

Личный вклад автора заключался в экспериментальном исследовании методами ЯМР-релаксации, ЯМР высокого разрешения, рН-метрического титрования и кондуктометрии процессов агрегации и связывания противо-ионов в многокомпонентных системах, включающих поверхностно-активные вещества различной природы, а также некоторые каликсарены и каликсрезорцинарены; в математической обработке, обсуждении и обобщении полученных результатов; в написании статей и тезисов докладов. Научный руководитель P.P. Амиров принимал участие в обсуждении и обобщении результатов и формулировке выводов, в написании статей и тезисов докладов. Вклад соавторов заключался в синтезе некоторых каликсаренов (Федоренко СВ., Казакова Э.Х., Коновалов А.И., Хабихер В.), в получении отдельных экспериментальных данных методами ЯМР высокого разрешения и кондуктометрии (Мустафина А.Р., Елистратова Ю.Г., Скрипачева В.В.), в обсуждении некоторых результатов (Улахович Н.А., Сапрыкова З.А.).

Часть работы выполнена в рамках исследований, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований (грант 01-03-33049), и совместной программы фонда CRDF и Министерства образования Российской Федерации (BRHE, REC-007).

Самоагрегация, Агрегация, стимулированная ионами металлов

Модифицируя молекулы каликсаренов разнообразными заместителями, можно в достаточно широких пределах варьировать степень гидрофобно-сти молекулы или ее отдельных частей [17]. Водорастворимые макроциклы, содержащие в то же время гидрофобные алкильные заместители, являются амфифильными соединениями, способными к адсорбции [18, 19] на поверхности раздела фаз, а также к образованию агрегатов в объеме раствора [20-24]. При изучении ЯМР-спектров растворов гидрофильного «-тетрасульфонатного производного калике[4]арена, не содержащего гидрофобных заместителей, а также его различных карбоксильных производных и эфиров карбоксильных производных, в диапазоне концентраций 10" — 10"" моль/л не выявлено изменений в сигналах различных протонов, что исключает образование мицелл в исследуемом диапазоне концентраций [17]. В то же время, более гидрофобные «-третоктилкарб оке ильные производные каликсаренов проявляют в растворах поверхностно-активные свойства [18]. При экстракции ионов РЗЭ в жидкую поверхностно-активную мембрану было проведено сравнение поверхностных свойств гс-трет-октилкарбоксильных производных калике[4]арена и калике[6]арена со свойствами исходного мономера, и-третоктилфеноксиуксусной кислоты. Как оказалось, макроциклические соединения обладают значительно более выраженными поверхностно-активными свойствами, чем их мономерный предшественник. Они уменьшают поверхностное натяжение при меньших концентрациях. К тому же показано, что ККМ ПАВ в жидкой поверхностно-активной мембране с введением в систему макроцикла увеличивается, что объясняется тем, что молекулы каликс[4]арена адсорбируются на поверхности раздела органическая фаза-вода вместе с молекулами ПАВ, и из-за собственного объема могут препятствовать ориентированию молекул ПАВ на поверхности.

Сочетание поверхностных и комплексообразующих свойств тетраал-килкаликс[4]резорцинаренов позволило авторам [25] создать методику концентрирования ионов Cs при помощи органической мембраны, содержащей в качестве поверхностно-акти в ного вещества каликс[4]резорцинарен с алкильными заместителями на нижнем ободке конуса. Наиболее эффективным переносчиком в ряду каликсрезорцинаренов с алкильными радикалами с числом атомов углерода от 4 до 18, оказался тетраге кси л калике [4]резорцин арен, увеличивающий в результате переноса концентрацию ионов Cs в 9 раз. Использование амфифильного каликерезорцинарена в качестве эмульгатора позволило создать высокостабильную эмульсию в водно-органической среде.

Другим способом использования поверхностно-активных свойств производных каликс[6]арена, содержащих сульфонатные и алкильные группы, является применение их в качестве ПАВ в альдольных реакциях, проводимых в воде и катализируемых Sc(OTf 3 [26]. По сравнению с системой, содержащей традиционное ПАВ (додецилсульфат натрия), системы, содержащие производные калике[6]арена, показали лучшие скорость и выход реакции взаимодействия силил-енольных эфиров с альдегидами. Более гидрофобный калике[6]арен, содержащий гексильные группы, оказался эффективнее бутильного производного, что свидетельствует о первостепенной важности гидрофобных взаимодействий. В системе, содержащей каликс[6]арен без ал-кильных заместителей на нижнем ободке, протекания альдольной реакции не наблюдалось.

Отмечается роль водородных взаимодействий гидроксигрупп с молекулами воды в образовании агрегатов каликсаренов [27-29].

Присутствие многозарядных ионов металлов в растворах традиционных анионогенных поверхностно-активных веществ, как известно, понижает критическую концентрацию мицеллообразования [3,8]. Сильное электростатическое взаимодействие двух- и трехзарядных ионов металлов с отрицательными заряженными группами АПАВ приводит к уменьшению эффективного заряда мономеров ПАВ, делая их более гидрофобными, и обуславливает образование в растворе агрегатов при более низких концентрациях ам-фифильных ионов [30].

Данные о влиянии ионов металлов на состояние каликсаренов, а также их производных в растворе и в твердом состоянии в литературе представлены преимущественно рядом ионов переходных металлов и лантанидов, координационно-связанных с макроциклами [31-33]. В системе, содержащей комплекс оксовольфрам-каликс[4]арен [32], было обнаружено образование жидкокристаллической фазы, устойчивой при температуре 200С. Высокая стабильность мезофазы объясняется повышенной жесткостью конуса макроцикла, созданной в результате координирования оксовольфрама четырьмя кислородными атомами. В действительности, комплексообразование предотвращает образование неконусообразных конформеров и, таким образом, благоприятствует колоночной организации молекул по типу голова-к-хвосту, в которой оксовольфрамовая группа проникает в полость соседнего мезогена. Подтверждением образования супрамолекулярных ансамблей ка-ликс[4]аренов является то, что мезоморфное поведение может быть сильно изменено за счет комплексообразования гость-хозяин.

Другим способом агрегации и-Я-каликс[4]аренов в качестве примера можно привести образование полимерных структур комплексом кал икс арен а и ванадия, в котором металл содержит еще два ароматических лиганда, взаимодействующих с полостью соседних молекул каликс[4]арена [33]. В случае координирования каликс[4]ареном двух и более металлоцентров структура агрегата может усложняться.

Таким образом, комплексообразование каликсаренов и каликсрезорци-наренов по типу гость-хозяин и агрегация хозяина в растворе в различные структуры являются взаимообусловленными процессами. Комбинация гидрофобных и электростатических взаимодействий между молекулами хозяина и гостей может стимулировать как объединение нескольких молекул хозяина во взаимодействии с гостем, так и образование смешанных агрегатов в случае достаточно гидрофобных гостей. Примеры агрегации каликсаренов в результате образования ими комплексов с различными органическими субстратами будут подробнее описаны в следующем разделе.

Главным свойством макроциклических соединений, обуславливающим повышенный интерес исследователей, является их способность к образованию комплексов включения (комплексы гость-хозяин). Селективное включение в полость макроциклов как нейтральных органических молекул, так и различных ионов, например, катионов металлов или органических катионов, лежит в основе использования данных рецепторов в молекулярном распознавании. Молекулярное распознавание имеет исключительное значение в осуществлении различных биологических процессов, таких как энзимный катализ, транспорт веществ, антибиотическая активность, синтез нуклеиновых кислот и многих других взаимодействий, требующих точного геометрического и зарядового соответствия реагирующих поверхностей [1]. Модифицирование синтетических рецепторов должно приблизить комплементарное ком-плексообразование гость-хозяин, осуществляемое in vitro, к его биологическим аналогам, что позволит моделировать процессы, происходящие в организме, и использовать достижения в фармацевтике и медицине, а также привести к лучшему пониманию факторов, определяющих селективность и эффективность подобного взаимодействия.

Парамагнитное зондирование систем, содержащих амфифильные соединения

Из анализа соотношений (3) и (4) видно, что при сохранении заселенности первой координационной сферы парамагнитного центра релаксирую-щими ядрами (например, при неизменности гидратной оболочки катиона) замедление его вращения приведет к росту скорости спин-решеточной релаксации. Таким образом, становится возможным изучать прочную адсорбцию ионов-зондов на заряженных поверхностях.

Методы ЭПР, ЯМР и магнитная релаксация позволяют не только выявлять факты связывания парамагнитного иона с поверхностью мицелл, но и делать некоторые выводы об их состоянии, подвижности, природе взаимодействия и т.д.

Метод ЯМрелаксации был использован в работе [71] для изучения свя-зывания ионов Gd , Mn и Си с мицеллами SDS. Для всех трех катионов обнаружено увеличение молярной скорости релаксации (и, соответственно, замедление скорости вращения, так как тг І/Ті), подтверждающее изменение их состояния в мицеллярном растворе. Наибольший эффект обнаружен для Gd - трехкратный рост по сравнению с акваионом. В случае Си и Мл это увеличение составило 25% и 20%, соответственно. Отмечена корреляция между величиной замедления вращения парамагнитного иона на поверхности мицеллы и его способностью образовывать ионную пару с анионом SC4 , поэтому предложено использовать величину константы устойчивости сульфатного комплекса как меру связывания противоиона в слое Штерна. Из данных по релаксации ядер Na сделан вывод о лишь немногим меньшей подвижности ионов Na+ в слое Штерна по сравнению с водной массой и о сохранении их гидратной оболочки. Однако симметрия последней как для Na+, так и для изученных катионов Gd , Mn и Си , вероятно, изменяется под действием заряженных головных групп мицеллы.

Исследование связывания ионов марганца(П), служивших ЭГ1Р-зондами, с мицеллами в растворе SDS при концентрациях ПАВ выше ККМ выявило уширение линии и падение интенсивности сигнала ЭПР-спектра иона Мп2+[72].

Как оказалось, уширение линии объясняется прочным связыванием ио-нов Мп в слое Штерна мицеллы. При этом подвижность катионов, как это следует из увеличения скорости релаксации на » 30%, падает на такую же величину (» 30%), обмен ионов между слоем Штерна и массой раствора происходит с частотой 10 с" . Таким образом, можно говорить о нахождении данного катиона в двух окружениях: гидратированный ион Мп2+ в растворе и связанный с образующимися мицеллами. Проведена оценка распределения ионов Мп2+ в мицеллярном растворе 0.01 М Mn(DS)2: 65% находится в слое Штерна, 21% - в диффузном слое и 14% - в межмицеллярном пространстве.

Из анализа характера уширения сигнала ЭПР иона Мп2+ в растворе SDS [73] сделан вывод, что при комнатной температуре адсорбированные акваио-ны Мп + сохраняют свою гидратную оболочку полностью. Комплексы парамагнитных ионов металлов также обладают релаксационной эффективностью и могут быть использованы в исследовании процессов мицеллообразования.

Методы парамагнитного зондирования находят сейчас широкое применение в диагностике болезней и опухолей. В работах [74,75] подробно описаны возможности парамагнитных ионов металлов, а также их комплексов в их использовании в качестве спиновых меток при анализе различных тканей и органов человеческого организма. Ионы гадолиния (III.) являются одними из самых распространенных зондов, используемых в магнитно-релаксационных методах исследования [75, 76-78].

В [75] было предложено использовать амфифильные комплексы металлов, такие как комплексы ионов Gd + и Мп + с производными 1,4,7,10-тетраазациклододекан-1,4,7,10-тетрауксусной кислоты, хелатирующими ли-гандами, содержащими простые боковые алкильные цепи с 10, 12 и 14 атомами углерода, а также лиганд, содержащий моноамид-октадедильную боковую цепь, для магнитно-релаксационного зондирования объема крови и кар-диовазикулярных расстройств. Кроме того, известно, что мицеллы моделируют фосфолипидную структуру мембран и поэтому могут быть хорошими кандидатами в гепатоцит-специфические агенты.

Изучение динамики ротации и водного обмена как для мономерных, так и для агрегированных форм комплексов Gd(III) проводилось в [75] методами 70 ЯМР и Н ЯМР -дисперсии. Использование этих методов наряду с анализом данных в рамках общей теории Соломона-Бломбергена-Моргана позволило провести разделение неагрегированной и агрегированной форм комплексов Gd(III), что дало возможность определить ряд параметров, влияющих на релаксацию протонов в обеих формах. Исследования подтвердили, что скорость водного обмена не зависит от структурных изменений во внутренней координационной сфере иона металла. Более того, скорость обмена не претерпевает изменений, когда хелат Gd(IU) образует мицеллярные агрегаты.

Однако ротационная динамика мицелл, в отличие от мономеров, сильно зависит от длины и природы алкильной цепи. Общее корреляционное время тс возрастает постепенно с ростом длины цепи в комплексе. Этот параметр напрямую связан с общей массой мицелл; таким образом, наблюдаемое возрастание тс должно демонстрировать увеличение размера мицелл с ростом длин цепи.

Оценка влияния внутреннего движения молекул воды в комплексах ТЬ(Ш) и Ец(Ш) с 1,4,7,10-тетрааза-1,4,7Л0-тетракис(карбокеиметил)циклододеканом на релаксацию ядер О и Н [76] показала, что ротационное корреляционное время для взаимодействий Ln(III)-Hwater приблизительно в 1.5 раза меньше общего корреляционного времени и является лимитирующим фактором в достижении высокой релаксационной способности комплексов Lti(IIl).

Взаимодействие амфифильных веществ с гидрофобными противоио-нами хорошо изучено на системах, содержащих противоположно заряженные ионы поверхностно-активных веществ [79-90]. Свойства систем, содержащих противоположно заряженные ионы поверхностно-активных веществ (ПАВ), стали в последнее время объектом обширных экспериментальных и теоретических исследований. Сочетание различных видов молекулярных взаимодействий (Ван-дер-ваальсовых, гидрофобных, электростатических, гидратации и других) может привести к образованию в таких системах большого разнообразия микроструктур: солей, смешанных мицелл, везикул и т.д. Соль, образованная эквимольными количествами амфифильных катиона и аниона, получила название катанионного ПАВ. Ассоциация катионного и анионного ПАВ в результате электростатического взаимодействия их полярных групп может имитировать в некотором смысле поведение природных двухцепочечных ПАВ, таких как фосфолипиды.

Состояние и кислотно-основные свойства калике [4]резорцинаренов в водно-мицеллярных средах

До 1 мМ D7DTP измеряемая скорость релаксации равна КРЭ акваионов Мп(П), то есть вводимый до эквимольного количества D7DTP полностью связывается с КПАВ в ионный ассоциат и не взаимодействует с катионами зонда. При последующем повышении концентрации дитиофосфата наблюдается рост скорости релаксации с выходом на предельное значение. Как видно из рис.22, с ростом концентрации D7DTP при постоянном содержании НПАВ кривая 1 стремится к предельному значению (СмТім)"1 18500 M V1. Сопоставление кривых 2 (рис.22) и 4 (рис.12) обнаруживает существенное различие их хода. Помимо начального горизонтального участка, обусловленного образованием ионного ассоциата КПАВ и D7DTP, на кривой 2 (рис.22) имеется максимум со значением более 18000 М" с" , тогда как в отсутствие КПАВ (рис.12, кривая 4) наблюдался лишь плавный подъем с выходом на величины (СмТім)"1 порядка 16000 M"Vl. Выше 3 мМ D7DTP кривые 1 и 2 на рис.22 расходятся. По нашему мнению, это вызвано переходом ионов марганца из нового окружения в состав агрегатов, образованных D7DTP и НПАВ.

Для уточнения состояния Мп(П) в четверных системах были изучены зависимости молярной скорости релаксации от концентрации КПАВ, содержащих алкильные радикалы различной длины. На рис.23 представлены графики зависимостей для таких катионных ПАВ, как хлорид децилпиридиния (кривая 1), бромид додецилпиридиния (кривая 2) и хлорид цетилпириди ния (кривая 3).

Согласно рассмотренной ранее зависимости системы Mn - D7DTP riton Х-100 от концентрации ионов зонда (рис. 15), в выбранных концентрационных условиях сосуществуют как моноядерные, так и полиядерные частицы. Поэтому значение скорости релаксации 14000 M V1 в отсутствие КПАВ (рис. 23) соответствует сумме вкладов КРЭ моно- и полиядерной форм. Уже при первых добавках КПАВ наблюдается резкое уменьшение (СмТМ)"\ Уменьшение скорости релаксации до значения -12000 М"!с"1 (соответствует КРЭ формы {Mn(L7)2TX}) свидетельствует об уменьшении в растворе доли полиядерных частиц {Mn3(L7)3(TX)2}3+ (КРЭ 20000 M V). По-видимому, первые порции КПАВ, связывая присутствующие в растворе ионы D7DTP, способствуют, таким образом, накоплению моно ядерных частиц.

Дальнейшее добавление КПАВ приводит к значительному росту измеряемого параметра с выходом на максимальное значение, составляющее в зависимости от типа КПАВ от 16500 до -18500 М с"1. Видимо, солюбилизация образующегося ионного ассоциата смешанными агрегатами дитиофосфата и Triton Х-100 приводит к изменению структуры агрегатов, с которыми связаны ионы зонда и, следовательно, к изменению их окружения.

При последующем повышении концентрации катионного ПАВ скорость релаксации растворов приобретает значение, соответствующее акваио-ну Мп(П). Причиной этого является, видимо, полное связывание D7DTP в ионный ассоциат с дифильным катионом, что приводит к выходу ионов марганца в водную фазу. В целом, зависимости для разных КПАВ не сильно отличаются друг от друга. Это говорит о том, что характер влияния КПАВ на систему не зависит от длины углеводородной цепи КПАВ.

Для проверки роли длины алкильного радикала дитиофосфат-иона во взаимодействии с Triton Х-100, катионами алкилпиридиния и марганца(П) были проведены аналогичные эксперименты с D8DTP (рис.24). Ход кривых на рис. 23 и 24 примерно совпадает, что говорит об однотипности процессов, протекающих в системах с D7DTP и D8DTP. В отсутствие КПАВ исходное значение скорости релаксации порядка 22000 M V1, также как и в случае D7DTP, обусловлено присутствием в растворе моноядерной и полиядерной форм агрегатов с участием D8DTP и Triton Х-100, связанных с ионами Мп2+. += 0.5 мМ, CnSDTP-2 мМ, CTritonx-ioo = 2 мМ; DePyC (1), DPyB (2), СРуС (3).

Интересно отметить, что в системах с участием как D7DTP, так и D8DTP, в присутствии КПАВ достигается примерно одинаковое максимальное значение скорости релаксации (-20000 M V). Из этого можно предположить, что окружение ионов зонда, связанных с агрегатами, включ атощими КПАВ, не зависит от длины алкильных радикалов как дитиофосфат-ионов, так и катионов алкилпиридиния.

Для проверки роли головной группы диалкилированных производных тиокислот фосфора в связывании ионов-зондов образующимися агрегатами были проведены эксперименты с использованием диизоамилмонотиофосфи-ната аммония, результаты которых опубликованы в [112,113]. Замена одного атома серы в головной группе на кислород привела к существенным изменениям во взаимодействии дифильных анионов с различными парамагнитными зондами. Первые эксперименты, проведенные с использованием ионов Mn(II) показали его неожиданно крайне низкую эффективность в качестве релаксационного зонда. При варьировании содержания D5MTP в пределах 1-15 мМ, a Triton Х-100 - 0.5-20 мМ молярная скорость релаксации увеличилась менее чем на 10% по сравнению с КРЭ акваиона (9900 M V1). Таким образом, ионы Мп не могут быть использованы для детектирования агрегатов с участием D5MTP даже солюбилизированных неионными мицеллами.

Следующая попытка релаксационного зондирования растворов дии-зоамилмонотиофосфинат-ионов была проведена с использованием Gd(III). В воде ионы GdJ и D5MTP давали белый осадок, который растворялся при добавлении анионогенного или неионогенного ПАВ. Это можно объяснить образованием смешанных агрегатов в результате солюбилизации нерастворимой соли мицеллами ПАВ. В случае SDS растворение осадка происходит при содержании ПАВ выше 2.5 мМ, что ниже его ККМ в чистой воде (8.1 мМ [106]), но согласуется с областью образования предмицеллярных агрегатов из ионов Gd + и DS"[6]. Релаксационная зависимость в системе Gd — D5MTP -SDS от концентрации SDS приведена на рис.25.

Комплексообразующие свойства водорастворимых калике [4]резорцинаренов, модифицированных ионами металлов

Практически количественное накопление этих частиц не позволяет оценить константу связывания иона тетраметиламмония с агрегатом. Анализ литературных данных о связывании сульфонатных каликсаре-нов [126] и, в частности, каликсрезорцинаренов [15], с тетраалкиламмоний-ньтми катионами выявил достаточно низкую селективность связывания макрециклов к катионами представленного ряда. В [125] найденные константы связывания тетрасульфонатного каликсарена со всем рядом тетраалкиламмо-нийных катионов от ТМА до ТВ А по значениям оказались очень близки. В [15] наблюдалось небольшое уменьшение констант связывания катионов с сульфонатометилированным тетраметилкаликс[4]резорцнинареном в порядке ТМА ТЕА ТВА. Авторы предположили, что при одинаковом типе взаимодействия катионов с макроциклом уменьшение констант связывания объясняется уменьшением эффективного заряда терминальных СН3-групп алкиль-ных радикалов гостя. Однако, близость полученных констант связывания позволила судить о слабой селективности комплексообразования макроцикла с указанным рядом катионов.

Полученное нами заметное отличие в релаксационных параметрах системы, содержащей ионы ТМА, от систем с другими катионами R4N , позволяет сделать вывод о высокой селективности агрегированного H8YNa4, связанного с ионами Gd3+., к ионам ТМА в ряду тетраалкиламмонийных катио-нов. Можно предположить, что связывание ионов Gd с сульфогруппами HgY " при формировании агрегатов определенного строения и обуславливает проявленную селективность по отношению к ионам ТМА.

Для того, чтобы выявить структурные особенности гостей, способных, как и ТМА, к высокоселективному связыванию с H8YNa4, модифицированным ионами Gd +, нами было проверено релаксационное поведение системы при добавлении аммонийных катионов, содержащих разное число СНз-групп.

Системы Gd - HsYNa4 - алкиламмонийные катионы На рис. 61 приведены зависимости скорости релаксации от концентрации метил замещенных ионов аммония (моно-, ди-, три- и тетраметиламмо-ния) и, для сравнения, ионов аммония, В отличие от ионов аммония, увеличение концентрации алкилзамещенных аммонийных катионов приводит к заметному росту наблюдаемой скорости релаксации. Причем, с ростом в катионе числа алкильных заместителей кривые зависимостей выходят на более высокое предельное значение (СмТш)" Увеличение (CMTJM)" для всех четырех катионов, как было описано выше для ТМА, говорит о связывании органических катионов без вытеснения ионов Gd + из области сульфогрупп макроцикла. Таким образом, предельное значение скорости релаксации в каждом приведенном случае можно определить как КРЭ образующихся трехкомпо-нентных частиц.

Интересно отметить существенное отличие КРЭ комплекса с ТМА от КРЭ комплексов с другими алкиламмонийными катионами. Увеличение числа метальных групп в аммонийном катионе от 0 (NH/) до 3 ((CH3)3NH+) приводило к равномерному росту достигаемого предельного значения скорости релаксации до -55000 M V для триметиламмония. Замена в (CH NH4" атома водорода на четвертую метильную группу значительно увеличило наблюдаемое значение (СмТш)" до 80000 M V1, что резко выделяет ион ТМА в ряду рассмотренных метиламмонийных катионов.

Для катионов моно-, ди- и триметиламмония происходит достаточно плавный рост скорости релаксации, свидетельствущий о постепенном накоплении в растворе трех компонентного комплекса. Причем, здесь для полного связывания аммонийных катионов здесь требуется относительный избыток их содержания по отношению к концентрации в растворе макроцикла. Однако, в случае ТМА, согласно рис. 61, полное связывание катионов происходит уже при их концентрации 0.2 мМ, что эквивалентно исходному содержанию в растворе HjjYNa Такое поведение системы свидетельствует о высокой прочности связывания ионов ТМА с HgYNa модифицированного ионами Gd +, с образованием комплекса, согласно уравнению (см. выше) при сотно-шении гость:хозяин 1:1.

Таким образом, сравнивая данные для триметил- и тетрам етил аммонийного катионов, можно сделать вывод, что для высокоселективного взаимодействия HsYNa4 с аммонийными катионами в данных условиях необходимо наличие в триметил аммонийном катионе иных заместителей вместо атома водорода.

Для проверки этих предположений нами было проведено исследование системы, содержащей агрегаты хозяина, связанные с ионами зонда, с добавлением в качестве гостей биологически важных соединений, содержащих в своем составе триметиламмонийную группу - холин (а) и карнитин (б) (схема 6):

Кривые зависимостей скорости релаксации от концентрации холина и карнитина приведены на рис. 62. При увеличении концентрации добавленных соединений наблюдался значительный рост скорости релаксации. Ход кривых, аналогичный полученному для ТМА, позволяет заключить, что в данных случаях также образуются трехкомпонентные комплексы, содержа-щие Gd , HsjYNa4 и добавленный холин или карнитин. Причем, резкий излом кривых при концентрации гостя 0.2 мМ указывает на соотношение гостыхозяин в комплексе 1:1. КРЭ образующихся комплексов составляют -90000 и 105000 M V1 для карнитина и холина, соответственно.

Похожие диссертации на Модифицированные ионами металлов и поверхностно-активными веществами каликс[4]резорцинарены: состояние в водных растворах и комплексообразующая способность по отношению к азотсодержащим катионам

Синтез и физико-химические характеристики комплексов 6s2- и ndm- ионов металлов с аминокислотамиНовикова Галина Владимировна

Термодинамика реакций комплексообразования ионов металлов с 15К5 и 18К6 краун-эфирами в водных растворахГончарова, Марина Николаевна

Промотируемые ионом металла реакции присоединения к координированным нитриламБокач Надежда Арсеньевна

Влияние ионов переходных металлов на разложение гексагидропероксостанната калия в щелочной среде Каблучая Жанна Николаевна

Термодинамика комплексообразования ионов d-металлов с N- и O-донорными лигандами в смешанных растворителяхЛеденков Сергей Фёдорович

Комплексообразование ионов некоторых p- и d- металлов с S-донорными лигандами и селеномочевинойЛешок, Александр Александрович

Синтез, строение и физико-химические свойства двойных комплексных солей платиновых металлов с аммиаком и галогенид-ионамиКоренев Сергей Васильевич

Взаимодействие ионов и наночастиц биофильных 3d-металлов с протеиназами Candida albicansМухаметзянова, Алсу Ринатовна

Синтез и физико-химическое исследование комплексов металлов IIIB группы и кадмия с тиоцианат-ионом и диметилсульфоксидомЧенская Валентина Васильевна

Наночастицы благородных металлов (Au, Pd, Rh) на поверхности чешуек графена: получение, строение, свойства и каталитическая активностьИони, Юлия Владимировна