Молекулярный дизайн, синтез и комплексообразующие свойства макроциклических рецепторов на основе функционализированных каликс[4]аренов Гафиуллина Лилия Ильдаровна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Молекулярное распознавание карбоновых кислот и карбоксилат-анионов синтетическими рецепторами (Литературный обзор) 11

1.1. Макроциклические полиамины 13

1.2. Протониро ванные гетероциклы 20

1.3. Рецепторы, содержащие гуанидиниевыи и амидиниевый фрагменты 24

1.4. Рецепторы, содержащие мочевинный и тиомочевинный фрагменты 27

1.5. Рецепторы, содержащие амидный фрагмент 34

1.6. Рецепторы, содержащие амидопиридиновый фрагмент 36

1.7. Рецепторы, содержащие металлокомплексиые фрагменты 41

1.8. Рецепторы на основе циклодекстринов и каликсаренов 48

Глава 2. Молекулярный дизайн и изучение комплексообразующих свойств синтетических рецепторов на основе каликс[4]арена (Обсуждение результатов) 64

2.1. Молекулярный дизайн и синтез рецепторов карбоновых кислот на основе 1,3-дизамещенных по нижнему ободу калике [4]аренов 68

2.2. Изучение комплексообразующих свойств дизамещенных арилметоксильными фрагментами /г-/мрет-бутилкаликс[4]аренов по отношению к некоторым дикарбоновым, а-гидроксикарбоновым и а-аминокислотам 80

2.2.1. Исследование взаимодействия синтетический рецептор-субстрат методами ИК и *Н ЯМР - спектроскопии 80

2.2.2. Индуцированный замещенными каликс[4]аренами мембранный транспорт карбоновых кислот 89

2.3. Введение дополнительных связывающих фрагментов в заместители на нижнем ободе макроциклической платформы: синтез ди- и тетразамещенных калике [4] аренов и тиакаликсаренов 99

2.4. Изучение молекулярного распознавания карбоновых кислот калике [4]аренами, содержащими в заместителях связывающие фрагменты 108

Глава 3. Экспериментальная часть

3.1. Физико-химические измерения 125

3.2. Методика мембранной экстракции 126

3.3. Методика определения констант устойчивости комплексов каликсарен-карбоновая кислота методом УФ-спектрометрии 132

3.4. Синтез и подготовка исходных реагентов и растворителей 136

Основные выводы и результаты 148

Список использованных библиографических

• Рецепторы, содержащие гуанидиниевыи и амидиниевый фрагменты
• Изучение комплексообразующих свойств дизамещенных арилметоксильными фрагментами /г-/мрет-бутилкаликс[4]аренов по отношению к некоторым дикарбоновым, а-гидроксикарбоновым и а-аминокислотам
• Индуцированный замещенными каликс[4]аренами мембранный транспорт карбоновых кислот
• Методика определения констант устойчивости комплексов каликсарен-карбоновая кислота методом УФ-спектрометрии

Введение к работе

Актуальность. Создание супрамолекулярных материалов является одним из перспективных направлений в решении задач, стоящих перед современной цивилизацией, а именно хранения и обработки информации, создания лекарств нового поколения [1]. Для создания супермолекул и супрамолекулярных ансамблей прежде всего необходимо глубокое понимание принципов молекулярного распознавания, в том числе передачи информации на молекулярном уровне. В последнее десятилетие на первый план выдвинулась проблема моделирования и получения синтетических препаратов, имитирующих некоторые из свойств биологических систем, таких как хранение и воспроизведение генетической информации, ферментативный катализ и иммунологический отклик, перенос ионов и молекул, - процессов, которые включают в качестве обязательной стадии молекулярное распознавание [2].

Проблема молекулярного распознавания карбоксилат-анионов и производных карболовых кислот представляет как теоретический, так и практический интерес, обусловленный огромным биологическим значением соединений, включающих в себя карбоксильную группу [3]. Создание молекул, способных распознавать данный тип субстратов, является сложной задачей, так как для селективного взаимодействия с "гостем" необходимо, по меньшей мере, трехточечное связывание [4]. В качестве базовых "блоков" для создания молекул-"хозяев" нами выбраны каликс[4]арен и тиакаликс[4]арен. Они являются чрезвычайно удобными молекулярными платформами для конструирования трехмерных структур с различными размерами внутренней полости, числом и типом центров связывания, пространственным расположением связывающих групп, возможностью образования асимметрических полостей и варьирования конформационной гибкости рецептора. Это, в сочетании с относительной доступностью и нетоксичностью каликсаренов, делает вещества на их основе привлекательными для конструирования рецепторов и молекул-переносчиков [5].

Целью работы является молекулярный дизайн и синтез ряда новых селективных рецепторов на основе функционализироваиных калике[4]аренов и исследование их способности к распознаванию биологически важных молекул (карбоновых,

7 дикарбоновых, а-гидрокси-, а-аминокислот) методами ИК,'НЯМР.УФ -спектрометрии, а

также с помощью экспериментов по транспорту данных субстратов через жидкие

липофильные мембраны.

Научная новизна работы состоит в следующем:

впервые синтезирован и охарактеризован ряд 1,3-дизамещенных по нижнему ободу п-т/?ет-бутилкаликс[4]аренов в конформации конус;

впервые показано, что 1,3-дизамещенные арилметоксильными фрагментами каликс[4]арены способны связывать субстраты, содержащие карбоксильную или карбоксилатную группы;

впервые установлено, что 1,3-дизамещенные каликс[4]арены являются эффективными и селективными переносчиками ряда карбоновых кислот через липофильные импрегнированные жидкие мембраны;

впервые показано, что изученные макроциклы распознают щавелевую и глутаминовую кислоты, а также ацетат натрия;

впервые показано, что увеличение размера макроцикла тетразамещенного по нижнему ободу «-т/?ет-бутилкаликс[4] арена, содержащего сложноэфирные фрагменты, при переходе к его тиа-аналогу, а также использование кетонных фрагментов вместо сложиоэфирных усиливает способность синтетического рецептора взаимодействовать с щавелевой кислотой.

Практическая значимость работы. Синтезирован ряд новых функционализированных п-трет-бутл калике [4] арено в, среди которых найдены эффективные и селективные переносчики а-амино-, дикарбоновых кислот и ацетата натрия. Получены экспериментальные данные по транспорту изучаемых субстратов, показывающие возможность разделения смесей карбоновых кислот. На основании этих исследований установлены закономерности "структура - свойство", позволяющие направленно менять рецепторную способность замещенных по нижнему ободу и-трет-бутилкаликс[4]аренов.

На защиту выносятся:

Синтез ряда новых 1,3-дизамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилкаликс[4]аренов в конформации конус.

8 Применение полученных макроциклов в качестве синтетических рецепторов и

переносчиков а-гидрокси-, а-амино- и дикарбоновых кислот через жидкие липофильные мембраны.

Закономерности, связывающие структуру 1,3-дизамещенных по нижнему ободу п-трет-бутткалике [4]аренов в конформации конус со скоростью мембранного транспорта ими ди-, а-гидроксикарбоновых и а-аминокислот.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 166 страницах машинописного текста, включает 41 рисунок, 21 таблицу. Состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 177 ссылок на отечественные и зарубежные работы,

В первой главе представлен обзор современного состояния исследований по молекулярному распознаванию органических кислот и карбоксил ат-ан ионов синтетическими рецепторами.

Во второй главе приведены основные результаты экспериментальных и теоретических исследований, проведенных автором, и их обсуждение. Обсуждены квантово-химическое моделирование рецепторных структур на основе каликс[4]аренов, синтез тетра- и 1,3-дизамещенных по нижнему ободу я-/и/?/я-бутилкаликс[4]аренов, возможность их применения в качестве синтетических рецепторов и переносчиков а-гидрокси-, а-амино- и дикарбоновых кислот через жидкие липофильные мембраны, закономерности молекулярного дизайна рецепторов а-гидрокси, а-амино- и дикарбоновых кислот на основе замещенных по нижнему ободу каликс[4]аренов.

Экспериментальная часть работы, включающая описание проведенных синтетических, кинетических, спектральных и кондуктометрических экспериментов, приведена в третьей главе диссертации.

Работа выполнена на кафедре органической химии Химического института им. A.M. Бутлерова Казанского государственного университета, является частью исследований по основному научному направлению "Строение и реакционная способность органических, элементоорганических и координационных соединений" и проведена в соответствии с госбюджетной темой Минобразования РФ "Теоретическое и экспериментальное исследование термодинамики меж- и внутримолекулярных взаимодействий и взаимосвязи с реакционной способностью органических соединений в термических реакциях" (per. № 01.2.00 308752). Исследования проводились при

поддержке гранта РФФИ № 03-03-96185 "Молекулярный дизайн новых рецепторов и молекул-переносчиков на основе каликсаренов для распознавания органических кислот" (2003-2005), грантов Минобрнауки России по программе "Развитие научного потенциала высшей школы" (2005) №3763 "Разработка супрамолекулярных систем на основе функционализированных каликсаренов для создания сенсоров с регулируемой селективностью", №4012 "Создание программируемых органических наноразмерных материалов на основе метациклофанов: молекулярный дизайн и синтез гетеротопных рецепторных структур", №4098 "Молекулярный дизайн и синтез новых функционализированных каликсаренов для распознавания органических кислот".

Часть исследований, посвященная установлению структуры ряда функционализированных каликс[4]аренов, осуществлена совместно с исследовательской группой доктора В.Хабишера в Дрезденском Технологическом Университете.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003), на VII Пущинской школе-конференции молодых ученых "Биология - наука XXI века" (Пущино, 2003), на Российской студенческой научной конференции (Екатеринбург, 2003), на VII Молодежной научной школе-конференции по органической химии (Екатеринбург, 2004), на XI Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Яльчик, Республика Марий-Эл, 2004), на IX Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах" (Плес, 2004), на III Международном симпозиуме "Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур" (Казань, 2004), на II Международной молодежной конференции-школе "Синтез и строение супрамолекулярных соединений" (Туапсе, 2004), на XXX Международном симпозиуме по макроциклической химии (Дрезден, Германия, 2005), на VIII Международной конференции по каликсаренам CALIX 2005 (Прага, Чешская республика, 2005), на X Международном семинаре по соединениям включения (ISIC-10) (Казань, 2005), на итоговой научной конференции Казанского государственного университета (Казань, 2005).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи и 13 тезисов докладов, которые написаны в соавторстве с кандидатом химических наук, доцентом

10 И.И.Стойковым и чл.-корр. РАН, профессором И.С.Антипиным, осуществлявшими

руководство исследованием, а также академиком РАН А.И.Коноваловым, принимавшим

активное участие в обсуждении его результатов. В выполнении отдельных разделов

работы принимали участие А.А.Хрусталев, Д.Ш.Ибрагимова.

Основная экспериментальная работа и выводы сделаны самим автором.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю кандидату химических наук, доценту И.И.Стойкову за руководство, внимание и помощь, своему научному консультанту, доктору химических наук чл.-корр. РАН профессору И.С.Аптипину и академику РАН А.И.Коновалову за неоценимую помощь в постановке задач и обсуждении результатов настоящего исследования. Автор хотел бы выразить искреннюю признательность сотрудникам Института органической и физической химии им А.Е.Арбузова КНЦ РАН с.н.с, к.х.н. С.Е.Соловьевой за съемку масс-спектров, с.н.с, к.х.н. А.В.Черновой за помощь в интерпретации УФ-спектров. Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность всем принимавшим участие в исследовании за интересное и плодотворное сотрудничество.

Рецепторы, содержащие гуанидиниевыи и амидиниевый фрагменты

Сравнение констант образования комплексов 37 2Н+ состава 1:1 в метаноле показало, что ароматические субстраты связываются более эффективно, чем алифатические. Если алифатические моиокарбоксилаты образуют неустойчивые комплексы (/Га й 20 М"1 для трифторацетата), то с бензоатом устойчивость комплекса на 2 порядка выше (1380 М 1). Аналогичная закономерность наблюдается и для дикарбоксилатов, с той лишь разницей, что константы ассоциации, в целом, возросли (фталат - 310, изофталат - 2400, терефталат - 4600, оксалат - 260, малонат - 450 М 1). Данные ЯМР- спектроскопии и РСА позволили установить, что этот эффект связан не с я-я взаимодействиями ароматических колец "хозяина" и "гостя", а с образованием водородной связи C(sp2)-HN (расстояние H N: 2.38А), причем в комплексе ароматическое кольцо субстрата располагается практически перпендикулярно сапфириповому циклу. Циклический димер 39 проявил себя как эффективный рецептор на /V-Cbz-аспартат и Л -СЬг-глутамат.

В качестве переносчиков ароматических аминокислот, таких как тирозин, триптофан, фенилаланин, были сконструированы рецепторы, содержащие фрагменты сапфнрина, порфирина, а также производных лазалоцида [28, 29]. Изучение транспорта ряда аминокислот из нейтральных водных растворов через объемную дихлорметановую мембрану, содержащую соединения 40-44 (таблица 1.4), показало, что рецептор 40, состоящий из фрагментов сапфирина и лазалоцида, оказался наиболее эффективным и селективным переносчиком цвиттер-ионных форм ароматических а-аминокислот. Так, I-фенилаланин переносится в тысячу раз быстрее, чем 1-тирозин. В то же время, экстракция соединениями 41-43, являющимися "фрагментами" переносчика 40, значительно менее эффективна. При замене сапфиринового фрагмента (макроцикл 40) на порфириновый в переносчике 44 экстракционная способность последнего по отношению к ароматическим аминокислотам падает. Авторы отмечают, что энаитиоселективность мембранного транспорта изученными соединениями невысока: наилучший результат (k]:kd = 1.57) был достигнут при транспорте d- и 1-форм фенилаланина рецептором 40 [28].

Водорастворимый циклофан 31, имеющий липофильную полость, связывает некоторые ароматические а-аминокислоты, такие как триптофан и тирозин, в кислых средах [30].

Участие гуанидиниевой группы аргинина в связывании анионных субстратов энзимами и в стабилизации третичной структуры протеинов за счет образования солевых мостиков с карбоксилатными группами дало импульс работам по синтезу рецепторов на их основе [31-40]. Причиной сильного взаимодействия гуанидиниевых катионов с карбоксилат-анионами является образование двух прочных водородных связей, которые дополняются кулоновским притяжением заряженных частиц (комплекс 46). Привлекательность гуанидина обусловлена также его высокой основностью (рКа сопряженной кислоты = 13.5), позволяющей получать протонированные формы в широком диапазоне рН среды. Была получена серия открыто-цепочечных бис-гуаппдиниевых производных, соединенных друг с другом различными мостиковыми группами 47-51 [31-34], а также бициклические соединения, включающие гуанидиниевый фрагмент 52-55 [35-39]. Бис-лиганды проявили хорошее связывание дикарбоксилатов. Например, константа ассоциации 50 с фумаратом, оцененная по ЯМР данным в ДМСО- 6, превышает 5-104 М" .

Бициклические лиганды интересны тем, что за счет модификации заместителей в бициклической системе можно добиться изменения как субстратной селективности, так и з панти осел ективности связывания. Так, нафтильпые заместители в 54 способствуют эффективному связыванию анионов ароматических кислот за счет дополнительного ж-п взаимодействия [41] (комплекс 56).

Эффективность связывания карбоксилатов iV-Ac-a-аминокислот гуанидиниевыми солями была увеличена введением в структуру рецептора функциональных групп, способных образовывать дополнительные водородные связи [4, 32]: пиррольного и амидного фрагментов в 57, фрагмента холевой кислоты в 58 и 59 [43]. Рецептор 57 связывает Л -Ас-а-ами но карбоксил аты в смеси НгО/ДМСО с константами ассоциации от 3.5102 М"1 до 5,3103 М" , в зависимости от строения боковой цепи в кислоте [42]. Степень экстракции Л Ас-а-аминокислот соединениями 58 и 59 из нейтральных и щелочных водных растворов оказалась достаточно высокой (52-93%) в случае субстратов, содержащих в боковых цепях неполярные группировки. Следует особо отметить, что рецептор 59 проявил более высокую экстракционную способность (74-93%), что, по мнению авторов, связано с повышенной дихлорфенилкарбомоиламидных протонов [43].

Изучение комплексообразующих свойств дизамещенных арилметоксильными фрагментами /г-/мрет-бутилкаликс[4]аренов по отношению к некоторым дикарбоновым, а-гидроксикарбоновым и а-аминокислотам

Разнообразие новых объектов органической и супрамолекулярной химии и их способность проявлять свойства, характерные для высокоорганизованных биомолекул, такие как молекулярное узнавание, селективный транспорт, катализ, обусловили бурное развитие химии синтетических рецепторов и интерес к ней исследователей смежных дисциплин - биохимии, физики, медицины.

В отличие от распознавания сферических неорганических катионов и анионов, задача молекулярного распознавания органических соединений представляется существенно более сложной [7, 143, 144]. Несмотря на существующие примеры синтетических рецепторов дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот, эффективное распознавание широкого ряда этих субстратов остается нерешенной задачей. В то же время одним из основных подходов к связыванию белковых поверхностей является распознавание карбоксильных и карбоксилатных групп на поверхности водорастворимых белков. В связи с этим синтетические рецепторы карбоновых кислот перспективны как низкомолекулярные эффекторы белковых взаимодействий, открывающие пути к высокоэффективным лекарствам и диагностическим средствам нового поколения.

В основу выбора базовых структур для молекулярного дизайна пространственно предоргапизованных молекул-рецепторов для дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот нами были положены следующие предпосылки. Принципиально важным для молекулярного распознавания а-гидрокси- и а-аминокислот является эффективное взаимодействие рецептора с боковой цепью кислоты, обычно не содержащей заряженных или полярных групп [2].- Очевидно, что для наиболее эффективного распознавания субстрата рецептором необходимо, чтобы площадь контакта (взаимодействия) между ними была максимальной [7]. Это может реализоваться в том случае, когда рецептор способен как бы "обхватывать" субстрат, связывая его посредством многочисленных межмолекулярных взаимодействий, и тем самым определять его размер, форму и структуру [5].

Пространственная структура каликсаренов ("саііх" в переводе с греческого "чаша, кубок") в полной мере удовлетворяет этим требованиям [106, 145, 146]. В связи с этим в качестве базовых "блоков" для создания молекул "хозяев" были выбраны п-трет-бутилкаликс[4]арен 221, /7-/я/77и-бутилтиакаликс[4]арен 222 (рис.2.1).

Каликс[4]арены - циклические продукты конденсации фенолов и альдегидов -обладают рядом привлекательных свойств, делающих эти макроциклы незаменимыми при конструировании "биомиметических систем" - искусственных систем, имитирующих реакции и процессы, протекающие в живых организмах [147]: - доступность исходных макроциклов одностадийным синтезом [106]; - нетоксичность каликсареновой платформы [123]; - способность включать за счет гидрофобных взаимодействий небольшие органические молекулы в свою молекулярную полость с образованием комплексов типа "гость-хозяин" [71; - существование нескольких конформаций, способных фиксировать требуемую пространственную ориентацию центров связывания (рис.2.2) [7]; - уникальные возможности функционализации макроцикла и широкого варьирования гидрофильно-липофильных свойств.

Целью данной работы является молекулярный дизайн, синтез и изучение комплексообразующих свойств синтетических рецепторов на основе кал икс [4] арено вой платформы на дикарбоновые, а-гидрокси- и а-аминокислоты.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: а) провести моделирование структуры синтетических рецепторов на основании полуэмпирического расчета методом РМЗ пространственной структуры каликс[4]аренов и их комплексов с органическими кислотами; б) синтезировать новые производные каликсаренов, в частности, тетра- и 1,3-дизамещенные по нижнему ободу калике[4]арены; в) изучить взаимодействие синтезированных синтетических рецепторов с рядом карбоновых кислот в растворе; г) установить способность изучаемых синтетических рецепторов к селективному переносу карбоновых кислот через жидкие липофильные импрегнированные мембраны.

Нами было предложено использовать два подхода [148] к дизайну рецепторов для дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот. Первый (главы 2.1 и 2.2) заключается в связывании карбоксильной группы субстратов с помощью гидроксильных групп на нижнем ободе 1,3-дизамещенных калике[4]аренов, сопровождающемся дополнительной стабилизацией образующегося комплекса взаимодействием с ароматическими группами заместителей на нижнем ободе макроцикла. Второй (главы 2.3 и 2.4) включает создание нескольких дополнительных центров связывания карбоновых кислот введением различных функциональных групп в составе заместителей на нижнем ободе 1,3-ди- и тетразамещенных калике [4] аренов.

Анализ литературных данных показывает, что в дизайне рецепторов карбоновых кислот обычно используют ряд фрагментов, комплементарных карбоксильной группе и карбоксилат-аниону, таких как гуанидиниевый [31-40] (рис.2.4), амидиниевый [47] и амидопиридиновый [67-83, 149]. При этом необходимым условием для эффективного распознавания является дополнительное связывание остальной части молекулы "гостя" с помощью водородных связей, электростатических или л-71 взаимодействий.

Нами предложен новый тип рецепторов для связывания субстратов, содержащих карбоксильные группы (рис.2.5). Две свободные гидроксильные группы в 1,3-дизамещенных по нижнему ободу каликс[4]аренах расположены комплементарно карбоксильной группе и карбоксилат-аниону, что дало нам основание предполагать их эффективное связывание с а-гидрокси-, а-амино- и дикарбоновыми кислотами. В данном случае могут образоваться две водородные связи с карбоксильной группой субстрата,

дополнительные точки связывания могут появиться за счет взаимодействий второй функциональной группы или боковой цепи субстрата с заместителями каликс[4]арена, находящимися на нижнем ободе макроцикла.

Нами были проведены расчеты предполагаемой модели связывания органических кислот 1,3-дизамещенными л-тре/и-бутилкаликс[4]аренами для выявления стерических и/или электронных препятствий образованию комплекса. Молекулярное моделирование структур было проведено на полуэмпирическом уровне с использованием квантово-механического метода РМЗ (HyperChem 7.0). Обзор литературных данных [118, 150] и наши предыдущие исследования [133, 151] свидетельствуют о достаточно хорошем соответствии результатов расчетов геометрии комплексов этим методом данным эксперимента. Метод РМЗ используется достаточно продуктивно для молекулярного дизайна и моделирования рецепторных структур [133, 151]. В то же время, к сожалению, данный метод расчета не дает адекватные абсолютные величины значений энергии для рассчитываемых молекул, поэтому далее нами обсуждаются сравнительные величины энергий различных комплеков [152].

Индуцированный замещенными каликс[4]аренами мембранный транспорт карбоновых кислот

Важным фактором, оказывающим влияние на способность рецепторов взаимодействовать с субстратами, может быть расстояние от макроциклической платформы до ароматических фрагментов заместителей, находящихся в 1,3-положениях на нижнем ободе и-/я/?е/и-бутилкаликс[4]рена. Для установления влияния на рецепторную способность длины спейсера - фрагмента, связывающего арильные заместители с макроциклической платформой - нами был синтезирован каликс[4]арен 226, с циннамильными фрагментами, в котором -СНг- группа замещена -СН=СН- фрагментом и, таким образом, увеличено расстояние между макроциклом и арильными фрагментами заместителей. Введение данного соединения в мембранную фазу не приводит к усилению потока через мембрану в случае всех исследованных субстратов. По-видимому, это связано с потерей комплементарности расположения карбоксильных групп кислот и ароматических колец заместителей в рецепторе. Исключение составляют винная и янтарная кислоты, что также весьма примечательно. Их поток через мембрану в противоположность другим, меньшим по длине цепи субстратам, увеличивается, что свидетельствует о возможности реализации ОН-л-водородной связи между второй карбоксильной группой субстрата и ароматическим кольцом циннамильного заместителя переносчика 226. Таким образом, хотя четкой зависимости величин потока от площади я системы заместителей не наблюдается, сам факт участия ароматических заместителей в комплексообразовании (за счет ОН-я-водородного связывания [144]) прослеживается при сравнении потоков, наблюдающихся в случае каликсарена 226 (рис.2.21).

Сильное влияние на эффективность взаимодействия с карбоновыми кислотами, безусловно, будет оказывать кислотность двух гидроксильных групп на нижнем ободе макроцикла. Замена двух /и/?е/я-бутильных заместителей, находящихся в пара-положениях относительно гидроксильных групп, на электроноакцепторные нитрогруппы способствует делокализации отрицательного заряда, стабилизирует анион и тем самым увеличивает кислотность свободных гидроксильных групп. Замена на верхнем ободе макроцикла двух mpe/и-бутильных заместителей на нитрогруппы в калике [4]арене 233 привела к практически полной потере способности переносить через мембрану исследуемые субстраты. Таким образом, свободные гидроксильные группы каликсарена участвуют в комплексообразовании не как протонодоноры, а как протоноакцепторы.

Для оценки вклада ОН-я-водородного связывания в комплексообразование карбоновая кислота переносчик нами в заместители на нижнем ободе макроцикла были также введены электроноакцепторные заместители. Очевидно, что при введении электроноакцепторных групп в ароматические заместители каликс[4]арена, прочность такой связи должна только уменьшаться. Был исследован транспорт карбоновых кислот 1,3-дизамещеннымн каликс[4]аренами 227-231, содержащими акцепторные заместители в пара-положениях ароматических колец заместителей на нижнем ободе (рис.2.22). Введение соединений 227-231 в мембрану не оказывает заметного влияния на транспорт одноосновных а-гидроксикислот, таких как гликолевая и миндальная, что вполне согласуется с ранее сделанным предположением о важности вклада ОН-я-водородного связывания в комплексообразование карбоновая кислота - рецептор.

В то же время для субстратов, содержащих карбоксилатную функцию, таких как глутаминовая кислота и ацетат натрия, влияние акцепторных заместителей в ароматическом кольце прослеживается достаточно четко. С ростом акцепторности заместителя в переносчике (229 228 227) наблюдается рост величин потока через мембрану указанных субстратов (до 2.5 раз), что может быть обусловлено проявлением донорно-акцепторных взаимодействий при образовании комплекса.

Одним из примеров сильного акцепторного влияния заместителей в серии 1,3-дизамещенных каликс[4]аренов 227-231 является каликсарен 231 с двумя пентафторфенильными группами, не способными вносить какой-либо вклад в связывание органической кислоты. Его введение в мембранную фазу не привело к увеличению потока через мембрану для всех исследованных субстратов. Можно сделать заключение о том, что взаимодействия субстратов только с гидроксильными группами на нижнем ободе 1,3-дизамещенного каликс[4]арена недостаточно для связывания и экстракции карбоновых кислот в мембранную фазу.

Таким образом, кинетическое исследование транспорта через липофильную мембрану, а также проведенное с помощью ряда спектральных (ИК, ПМР) методов изучение взаимодействия каликс[4]аренов с карбоновыми кислотами показали, что предложенная схема связывания карбоновых кислот 1,3-дизамещеными по нижнему ободу каликс[4]аренами может быть использована для создания селективных рецепторов карбоновых кислот. Принципиальным для их связывания является наличие на нижнем ободе макроцикла не только двух гидроксильных групп, комплементарных карбоксильной группе, но также и заместителей, способных стабилизировать образующийся комплекс кислота-каликсарен за счет дополнительных межмолекулярных взаимодействий. Последнее обстоятельство позволяет сделать заключение, что для повышения эффективности распознавания дикарбоновых, а-гидрокси- и а-амипокислот синтетическими рецепторами на основе калике [4]аренов необходимо использовать в составе заместителей на нижнем ободе макроцикла функциональные группы, способные к образованию водородных связей с карбоксильными, гидроксильными и аммонийными группами субстратов.

Методика определения констант устойчивости комплексов каликсарен-карбоновая кислота методом УФ-спектрометрии

Оказалось, что для щавелевой кислоты в обоих случаях связывание по схеме "пинцет" (рис.2.29Б) оказывается более эффективным, чем связывание по схеме "докинг" (рис.2.29В), как и в случае расчетов без учета молекул воды (рис.2.24). Причем связывание двух молекул воды вносит положительный вклад в стабилизацию комплексов переносчика с щавелевой кислотой, и выигрыш в энергии при комплексообразовании в этом случае более значителен (от -2.4 до -13.6 кДж/моль в случае "докинга" и от -11.1 до -17.8 кДж/моль в случае "пинцета").

Таким образом, молекулярное моделирование показало, что образование комплекса со связыванием субстрата по типу "пинцета" (рис.2.24В) предпочтительно для щавелевой кислоты, а с увеличением длины дикарбоновой кислоты (малоновая, янтарная кислоты) более вероятно образование комплексов по типу "докинга" (рис.2.23А).

Для изменения кислотно-основных свойств фенольных групп каликсарена 236 был синтезирован переносчик 239, содержащий нитрогруппы на верхнем ободе макроцикла. Его введение в мембранную фазу приводит к значительным изменениям величин потоков по сравнению с соединением 236 (рис.2.28). Оказалось, что л ета-циклофан 239 не оказывает влияния на массоперенос большинства субстратов (коэффициенты усиления транспорта близки к единице). Это можно объяснить тем, что гидроксильные функции макроцикла 236 участвуют в связывании дикарбоновых и а-гидроксикислот (т.е. реализуется схема А, рис.2.24А), а также молекул воды (рис.2.29), причем в качестве протоноакцепторов, а не протонодоноров. С другой стороны, увеличение кислотности фенольных групп в 239 вызвало увеличение потока глутаминовой кислоты в 25 раз, что связано с усилением взаимодействия с карбоксилатной группой. Таким образом, увеличение кислотности свободных фенольных групп за счет введения электроноакцепторных групп на верхний обод макроцикла переключает специфичность рецептора с карбоксильной группы на карбоксилатную.

Изучение влияния последовательности соединения атомов в амидных латеральных фрагментах в 1,3-дизамещённых каликс[4]аренах на комплементарность субстратам было проведено на примере макроцикла 237. Нами был синтезирован .мета-циклофан 237 с иной последовательностью соединения атомов в амидных группах, и меньшим расстоянием между амидными и гидроксильными группами макроцикла. Оказалось, что диамид 237, имеющий наименьшую длину спейсера и иную ориентацию амидных фрагментов, не ускоряет транспорт исследуемых субстратов через липофильную жидкую мембрану, за исключением ацетата натрия, т.е. он эффективен только для связывания карбоксилатной функции (рис.2.28).

Важным для понимания механизма транспорта ацетата натрия является ответ на вопрос: за счет чего происходит перенос ацетата натрия через липофильную мембрану синтетическим рецептором 234 - посредством прямого взаимодействия с анионом кислоты или с катионом металла с сотранспортом аниона в ионной паре? Проведенный эксперимент по переносу бромида натрия через мембрану, содержащую переносчик 234, показал, что введение данного калике[4]арена в мембрану не оказывает влияния на транспорт бромида натрия, хотя липофильность (lgP) Br" и СНзС02" близки. т изучения возможности участия катиона „атрия в переносе каликс№ренами ацЭТата натрия -срез липофильную «„брану нами бььли проведены дополнительные „менты. ХороШо известно, в отличие от ,,3—нньт Ч-— тетрафУнкн„о„ализированные (тетразфирь, тетракетоны) но нижнему обо Л » —я более —и и селективными рененторами а „ , Р, .06, В связи с этим - ожидалось, что если переносчик 234 юаИмодействует с анетатом „атрия Через связывание катиона металла, то при переходе от диэфИра 234 к тетразфиру 242 должно наблюдаться увеличение скорости транспорт, другой стороны, в те — —X отсутствуют свободные —ильные Jynnb,, способные к связыванию анионов. И если транспорт ацетата „атрия происходил з! счет связь— аниона, то следовало ожидать уменьшения потока -срез мембран, смз„ с этим был изучен транспорт исследуемых соединении тетракетоном и пя.пичаются по своей способности связывать катион тетраэфиром 242, которые также различаются натрия [106,146] (рис.2.30).

Эксперименты по мембранной экстракции продемонстрировали полное отсутствие влияния калике[4]аренов 241 и 242 на транспорт ацетата натрия через липофильнуто мембрану (табл.2.5, рис.2.30). Это подтверждает то, что транспорт ацетата натрия макроциклами 234 и 239 обусловлен связыванием карбоксилатной группы субстрата, а не катиона натрия. Таким образом, можно заключить, что 1,3-дизамещённые калике[4]арены, содержащие в нижнем ободе макроцикла фрагмент OCfyCfOJXAlk, где X - О или NH, способны к молекулярному распознаванию карбоксилатной группы.

В отличие от транспорта ацетат-аниона, мембранный транспорт карболовых кислот тетракетоном 241 и тетраэфиром 242 имеет ряд особенностей (табл.2.5). Если соединение 242 оказалось неактивным в качестве переносчика изученных органических кислот, то введение соединения 241 в жидкую мембрану приводит к увеличению потока щавелевой кислоты почти в 60 раз, причем наблюдается высокая селективность. Коэффициенты усиления потока для остальных субстратов не превышают 2.3. Известно, что энергии образования водородных связей карбонильной и сложноэфирной группами отличаются незначительно (например, -AG 25 С образования водородной связи R-OH с ацетоном равна 7.5, а с этилацетатом 5.9 кДж/моль [164]), Принимая во внимание этот факт, можно утверждать, что различия в способности образовывать водородные связи не могут объяснить драматических изменений в транспортной способности переносчиков 241 и 242. Очевидно, это может быть связано с существенно различной пред организацией центров связывания в рассматриваемых переносчиках.

Анализ рентгеноструктурных данных тетраэфира 242 [139] (рис.2.31Б) показал, что вследствие сильного электростатического отталкивания НЭП атомов кислорода сложпоэфириых групп образуется невыгодная (как по размеру, так и по форме) для связывания дикарбоновых кислот псевдополость, образованная четырьмя заместителями по нижнему ободу калике[4]арена. При этом она занята двумя метиленовыми группами, а все четыре С=0 группы 242 направлены наружу от макроцикла. Таким образом, для связывания щавелевой кислоты внутри полости требуются большие энергетические затраты. В то же время расстояния между атомами кислорода в карбонильной группе 242 составляют от 4.1 А до 7.8 А, а между атомами кислорода гидроксильных групп щавелевой кислоты - около 2.7 А. Очевидно, что в данном случае образование как эндо, так и экзо комплексов макроцикла 242 с кислотой невыгодно вследствие полного геометрического несоответствия субстрата "хозяину".

Из кристаллографических данных соединения 241 (рис.2.31А) [165] следует, что две противоположно расположенные карбонильные группы заместителей на нижнем ободе каликс[4]арена направлены внутрь псевдополости, а две другие от макроциклического кольца. Очевидно, что при замене этоксильных групп (242) на метальные (241) вследствии взаимного влияния конформационно гибких заместителей происходят изменения в структуре образующейся на нижнем ободе псевдополости. Следует отметить, что расстояние между атомами кислорода карбонильных групп в 241 составляет от 3.4 А до 5.5 А.

Похожие диссертации на Молекулярный дизайн, синтез и комплексообразующие свойства макроциклических рецепторов на основе функционализированных каликс[4]аренов

Синтез и свойства анионных и гетеродитопных рецепторов на основе сульфопроизводных каликс[4]аренаГейде Ирина Валерьевна

Синтез и свойства рецепторов ионов переходных металлов на основе гидразидных и гидразонных производных каликс[4]ареновКашапова, Надежда Евгеньевна

Синтез, спектральные и комплексообразующие свойства молекулярных рецепторов на основе порфиринатов цинкаСторонкина Ольга Евгеньевна

Синтетические рецепторы на основе замещенных (тиа)каликс[4]ареновСтойков, Иван Иванович

Молекулярный дизайн конденсированных гетероциклов на основе 4-(2-замещ#нных арил)-1,2,3-тиа- и -селенадиазоловАндросов Дмитрий Александрович

Дизайн и синтез пиридинсодержащих азолов и исследование их координационных свойств Нуриев Вячеслав Назимович

Целенаправленный синтез производных оксикарбоновых кислот и их субструктурных аналогов на основе дизайна и прогноза пестицидных свойствЛукманова Алина Львовна

Синтез и исследование свойств производных метилфлороглюцинаАлафинов, Андрей Иванович

Функционализация нижнего обода n-трет-бутилтиакаликс[4]арена азотсодержащими фрагментами : синтез рецепторов и их комплексообразующие свойства по отношению к некоторым анионам и полианионамГалухин, Андрей Владимирович

Синтез азотсодержащих циклических ацеталей на основе 4-хлорметил-1,3-диоксолана и оценка их биологической активностиФефелов Алексей Анатольевич