Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Синтез прекурсоров на основе (тиа)каликс[n]аренов для получения гибридных наночастиц (литературный обзор) 12
1.1 Основные понятия 13
1.1.1 Тиакаликс[4]арен: синтез и характеристика 13
1.1.2 Свойства и структура мезопористого диоксида кремния 15
1.2 Синтез гибридных органо-неорганических наночастиц на основе макроциклических алкоксисиланов 18
1.2.1 Модификация диоксида кремния и силикагеля производными (тиа)каликсаренов 18
1.2.2 Синтез алкоксипроизводных (тиа)каликсаренов и модификация ими поверхности неорганического носителя 32
Глава 2. Синтез и свойства замещенных по нижнему ободу п трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих триэтоксисилильные группы, и поверхностно модифицированных наночастиц диоксида кремния на их основе (обсуждение результатов) 45
2.1 Синтез тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих триалкоксисилильные фрагменты, и изучение их поликонденсации .48
2.1.1 Синтез и изучение структуры силсесквиоксанов на основе тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих триметоксисилильные фрагменты 49
2.1.2 Синтез и изучение структуры силсесквиоксанов на основе тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих триэтоксисилильные фрагменты 59
2.2 Синтез различно замещённых по нижнему ободу п-трет бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих один триэтоксисилильный фрагмент 65
2.2.1 Синтез различно замещённых по нижнему ободу п-трет бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих бензильные и нитрильные группы 66
2.2.2. Синтез различно замещённых по нижнему ободу производных п-трет бутилтиакаликс[4]арена, содержащих вторичные амидные и третичные аминогруппы 72
2.3 Синтез гибридных органо-неорганических наночастиц на основе диоксида кремния и тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов..83
2.3.1 Синтез гибридных органо-неорганических наночастиц на основе диоксида кремния и тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих триэтоксисилильные фрагменты 84
2.3.2 Синтез гибридных органо-неорганических наночастиц на основе диоксида кремния и тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих один кремнийорганический фрагмент 88
2.4 Получение композитных материалов на основе гибридных органо неорганических наночастиц 95
2.5 Набухание и растворимость композитного материала ПДМС/модифицированный диоксид кремния 212 в спиртах и ацетоне 99
2.6 Взаимодействие гибридных органо-неорганических частиц с нитропроизводными фенола и анилина 101
2.7 Взаимодействие гибридных органо-неорганических частиц с ДНК 105
Глава 3. Экспериментальная часть 112
Список сокращений и условных обозначений 131
Заключение 133
Список использованных библиографических источников 135
- Модификация диоксида кремния и силикагеля производными (тиа)каликсаренов
- Синтез и изучение структуры силсесквиоксанов на основе тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих триметоксисилильные фрагменты
- Синтез различно замещённых по нижнему ободу производных п-трет бутилтиакаликс[4]арена, содержащих вторичные амидные и третичные аминогруппы
- Взаимодействие гибридных органо-неорганических частиц с ДНК
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка гибридных материалов на основе наночастиц с химически модифицированной поверхностью, обладающих заданными свойствами, является одним из актуальных направлений исследований в органической и супрамолекулярной химии. Структура и свойства поверхностно модифицированных наночастиц закладываются в процессе их синтеза. Дизайн органических модификаторов поверхности наночастиц, способных к распознаванию различных типов «гостей», востребован при конструировании сенсоров, катализаторов, биомиметических систем, селективных экстрагентов, систем доставки лекарственных веществ и программируемых материалов.
Среди многообразия различных неорганических компонентов для синтеза наночастиц диоксид кремния занимает особое место как универсальный, доступный материал, нашедший широкое применение в науке и нанотехнологии. Наноматериалы на основе оксида кремния интересны, прежде всего, благодаря высокой коммерческой доступности, низкой токсичности, высокой механической и термической стабильности. Представляет большой научный и практический интерес создание органо-неорганических материалов на основе диоксида кремния с целью формирования новых уникальных «умных» наноматериалов и наносистем, сохраняющих в себе практические свойства неорганической компоненты и, в то же время, позволяющих за счёт органической составляющей вносить в них требуемые коррективы.
В качестве органических модификаторов неорганических наночастиц привлекают внимание макроциклические соединения, в частности (тиа)каликс[n]арены. Особый интерес к производным (тиа)каликс[4]арена обусловлен нетоксичностью их платформы, наличием гидрофобной полости, участвующей в процессах формирования супрамолекулярных комплексов, а также достаточной конформационной жесткостью и способностью обеспечить требуемую ориентацию центров связывания в пространстве посредством реализации четырех «идеальных» конформаций (конус, частичный конус, 1,3-альтернат, 1,2-альтернат).
Однако для конструирования на платформе тиакаликс[4]арена органических модификаторов поверхности наночастиц необходимо решить ряд следующих задач. Во-первых, вследствие полифункциональной природы тиакаликс[4]аренов для них характерны протекание конкурентных реакций и относительно невысокие выходы различно замещенных макроциклов. Во-вторых, синтетическую привлекательность модифицированных макроциклов значительно снижает отсутствие разработанных методик региоселективной функционализации тиакаликс[4]аренов, содержащих кремниевые фрагменты. В-третьих, описан ограниченный ряд кремниевых фрагментов, ковалентно вводимых в структуру макроциклической платформы.
Таким образом, разработка подходов к направленному синтезу органических модификаторов поверхности наночастиц и получению гибридных органо-неорганических наноматериалов на основе диоксида кремния и производных тиакаликс[4]арена с заданными свойствами является комплексной задачей в области органической химии и нанотехнологии.
Степень разработанности темы исследования. На сегодняшний день большая часть исследований относится к модификации поверхности диоксида кремния и силикагеля алкоксисилильными производными каликс[n]арена. Имеется небольшой объем публикаций
1 Автореферат оформлен в соответствии с ГОСТ Р 7.0.11 – 2011 ДИССЕРТАЦИЯ И АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ Структура и правила оформления
по синтезу производных тиакаликс[4]арена, содержащих алкоксисилильные фрагменты, а также модификации ими поверхности неорганических материалов. Работы имеют скорее прикладной характер, нежели фундаментальный. В связи с этим синтетический потенциал кремнийорганических производных тиакаликс[4]арена остается нереализованным, а комплексообразующие и агрегационные свойства гибридных органо-неорганических наночастиц на основе диоксида кремния, модифицированного производными тиакаликс[4]арена, являются малоизученными.
Цели и задачи работы заключаются в разработке подходов к синтезу аминопроизводных тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих одну якорную триэтоксисилильную группу, и синтез гибридных органо-неорганических наночастиц диоксида кремния на их основе, а также изучение взаимодействия модифицированных тиакаликс[4]аренами наночастиц с некоторыми модельными органическими токсикантами и ДНК. Для достижения поставленных целей необходимо было последовательно решить следующие задачи: 1) оптимизировать условия получения тетразамещённых производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих на нижнем ободе четыре триэтоксисилильных фрагмента; 2) разработать подход к синтезу стереоизомеров конус и 1,3-альтернат различно замещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих одновременно вторичные амидные, третичные аминогруппы и один триэтоксисилильный (якорный) фрагмент; 3) установить структуры синтезированных макроциклов рядом физических методов: одномерной ЯМР 1H, 13C, 29Si и двумерной ЯМР 1Н-1Н NOESY спектроскопией, ИК спектроскопией и масс-спектрометрией МАЛДИ; 4) провести поликонденсацию тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов с триметоксисилильными и триэтоксисилильными фрагментами в уксусной кислоте и изучить продукты поликонденсации методом масс-спектрометрии МАЛДИ; 5) провести в уксусной кислоте химическую модификацию порошка наночастиц диоксида кремния синтезированными макроциклами, функционализированными бензильными, амидными и третичными аминогруппами, содержащими при этом один или четыре триэтоксисилильных фрагмента; 6) оценить методами динамического светорассеяния (ДСР), совмещенной термогравиметрии с масс-спектрометрическим детектированием и дифференциальной сканирующей калориметрии, просвечивающей электронной микроскопии влияние структуры макроциклов на свойства полученных поверхностно модифицированных тиакаликсаренами наночастиц диоксида кремния; 7) изучить с помощью методов УФ спектроскопии адсорбцию ароматических нитропроизводных фенола и анилина синтезированными гибридными органо-неорганическими частицами; 8) оценить с помощью методов УФ спектроскопии и динамического светорассеяния взаимодействие синтезированных гибридных органо-неорганических наночастиц с некоторыми нуклеиновыми кислотами.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- впервые синтезированы новые тетразамещённые по нижнему ободу п-трет-
бутилтиакаликс[4]арены, содержащие как один, так и четыре триэтоксисилильных
фрагмента, и функционализированные бензильными, амидными и третичными
аминогруппами;
- впервые предложен и разработан пошаговый подход к синтезу стереоизомеров конус и
1,3-альтернат различно замещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов,
содержащих одновременно вторичные амидные, третичные аминогруппы и один
триэтоксисилильный (якорный) фрагмент, основанный на применении фталимидной защиты и темплатного эффекта катионов щелочных металлов;
впервые методом масс-спектрометрии МАЛДИ были охарактеризованы олигомерные продукты поликонденсации кремнийорганических производных тиакаликс[4]арена, содержащих на нижнем ободе метоксисилильные группы;
впервые синтезированы гибридные органо-неорганические наночастицы на основе нанопорошка диоксида кремния, модифицированного тетразамещенными производными п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащими как один, так и четыре триэтоксисилильных фрагмента;
впервые изучено влияние наночастиц диоксида кремния, модифицированных тетразамещенным тиакаликс[4]ареном, содержащим на нижнем ободе триэтоксисилильные группы, в конфигурации конус, на термическую стабильность полидиметилсилоксана с вязкостью 950-1050 мПа;
впервые изучено взаимодействие гибридных частиц SiO2/тиакаликс[4]арен с ароматическими нитропроизводными фенола и анилина;
впервые показано, что гибридные частицы SiO2/тиакаликс[4]арен в конфигурациях частичный конус и 1,3-альтернат демонстрируют аффинность к нитропроизводным фенола;
впервые методами динамического светорассеяния, просвечивающей электронной микроскопии и УФ спектроскопии установлены факторы, влияющие на эффективность взаимодействия с высокомолекулярной ДНК из тимуса телёнка наночастиц диоксида кремния, модифицированных производными п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащими по нижнему ободу одновременно вторичные амидные, третичные аминогруппы и один триэтоксисилильный (якорный) фрагмент.
Теоретическая и практическая значимость работы. Были разработаны различные синтетические подходы к получению тетразамещённых по нижнему ободу производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих одновременно функциональные группы и один якорный фрагмент - триэтоксисилильный. Синтезированы новые тетразамещённые по нижнему ободу производные п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащие как один, так и четыре триэтоксисилильных фрагмента, и дополнительно функционализированные бензильными, амидными и третичными аминогруппами. На их основе получены новые полифункциональные гибридные органо-неорганические наночастицы диоксида кремния, а также изучено взаимодействие модифицированных тиакаликс[4]аренами наночастиц с некоторыми модельными органическими токсикантами и ДНК. Впервые показана селективность извлечения синтезированными наноструктурированными адсорбентами из водных растворов ароматических нитропроизводных. Получены высокомолекулярные композитные материалы на основе полидиметилсилоксана и модифицированных наночастиц диоксида кремния, обладающие устойчивостью к температурным воздействиям и при контакте с водно-спиртовыми средами. Установлено, что частицы, модифицированные тиакаликс[4]ареном, содержащим на нижнем ободе N,N-диэтиламинопропильные фрагменты, способны к эффективному взаимодействию с модельной ДНК.
Методология и методы исследования. При выполнении данных исследований был использован широкий набор методов, в том числе последние методологические разработки в области целенаправленного органического синтеза (темплатный эффект катиона при функционализации нижнего обода п-трет-бутилтиакаликсарена), подходы к поверхностной модификации нанометровых частиц диоксида кремния, современные методы установления структуры и состава макроциклических соединений (ИК и ЯМР спектроскопия, масс-
спектрометрия, элементный анализ), размеров и морфологии коллоидных частиц (методы динамического светорассеяния, совмещённой термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии с масс-спектрометрическим детектированием, электронной сканирующей микроскопии, электронной просвечивающей микроскопии). Метод УФ спектроскопии был использован для исследования взаимодействия гибридных частиц с ДНК и ароматическими нитропроизводными.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработка подхода к синтезу стереоизомеров конус и 1,3-альтернат различно замещённых по нижнему ободу производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих один триэтоксисилильный (якорный) фрагмент и три заместителя с участками связывания (бензильные, вторичные амидные и третичные аминогруппы).
-
Методики получения стереоизомеров тетразамещённых по нижнему ободу производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих триэтоксисилильные группы по нижнему ободу, на основе применения хлорангидридов тетракислот п-трет-бутилтиакаликс[4]арена.
-
Синтез гибридных органо-неорганических наночастиц на основе диоксида кремния и тетразамещённых по нижнему ободу производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих как один, так и четыре триэтоксисилильных фрагмента, дополнительно функционализированных бензильными, амидными и третичными аминогруппами.
4. Закономерности, связывающие электронную и пространственную структуру
синтезированных производных п-трет-бутилтиакаликc[4]арена в составе гибридных органо-
неорганических наночастиц с их способностью к взаимодействию с некоторыми
токсикантами и ДНК.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке цели и задач исследования, анализе литературных данных, выполнении экспериментальных исследований, обсуждении результатов и формулировке выводов, подготовке публикаций по теме исследования. Все соединения, представленные в диссертационной работе, синтезированы соискателем лично.
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов проведённых исследований подтверждается использованием комплекса современных физических и физико-химических методов анализа.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на III Всероссийской научной конференции «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2014); V Международной конференции по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов (Туапсе, 2014); Всероссийской школе-конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2014); XXII и XXIV Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» и XIII школе молодых ученых «Синтез, структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2015, 2017); Международной школе-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Биомедицина, материалы и технологии XXI века» (Казань, 2015); кластере конференций по органической химии «ОргХим-2016» (Санкт-Петербург, 2016); конференции молодых ученых «Молодёжь и инновации Татарстана» (Казань, 2016); X Международной конференции молодых ученых по химии «Менделеев-2017» и II школе-конференции «Направленный дизайн веществ и материалов с заданными свойствами» (Санкт-Петербург, 2017).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 статьи в рецензируемых
отечественных и международных журналах, 9 тезисов докладов на конференциях различного уровня и 1 патент.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, включает 55 рисунков, 11 таблиц и 54 схемы. Работа состоит из введения, литературного обзора (Глава 1), экспериментальной части (Глава 2), обсуждения результатов (Глава 3), заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка использованных библиографических источников, включающего 189 ссылок.
Работа выполнена на кафедре органической химии Химического института им. А.М. Бутлерова ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», является частью исследований по основному научному направлению «Синтез, строение, реакционная способность и практически полезные свойства органических, элементоорганических и координационных соединений». Исследования проводили при поддержке грантов РФФИ 13-03-12055 офи_м «Самоорганизующиеся гетерогенные системы: композитные материалы на основе кремнийорганических полимеров и наночастиц диоксида кремния, модифицированных макроциклическими соединениями» (2013-2015), РФФИ 14-03-31578 мол_a «Золь-гель сборка полисилсесквиоксанов: создание молекулярно-импринтированных коллоидных материалов для распознавания белков» (2014-2015), РФФИ 15-03-02877_а «Мультициклофаны на основе тиакаликс[4]аренов и пиллар[5]аренов: дизайн и закономерности самосборки полианилиновых наночастиц» (2015-2017).
Регистрация спектров ЯМР выполнена на кафедре органической химии института им. А.М. Бутлерова КФУ к.х.н. Д.Н. Шурпиком и м.н.с. А.А. Назаровой. Запись масс-спектров выполнена автором в лаборатории физико-химического анализа Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова под руководством к.х.н. И.Х. Ризванова. Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии проведены к.б.н. В.Г. Евтюгиным в Междисциплинарном центре Аналитической микроскопии КФУ. Термический анализ полученных частиц методом совмещённой термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии с масс-спектрометрическим детектированием выполнен к.х.н. А.В. Герасимовым на кафедре физической химии Химического института им. А.М. Бутлерова КФУ.
Модификация диоксида кремния и силикагеля производными (тиа)каликсаренов
Первый подход к модификации диоксида кремния и силикагеля производными (тиа)каликсаренов заключается во взаимодействии макроцикла, содержащего на нижнем ободе аминные или галогеналкильные группы, с модифицированным диоксидом кремния, в составе которого также присутствуют соответствующие группы. Данный подход был подробно изучен. В последние десятилетия опубликовано большое количество работ.
В работе [39] пятистадийным синтезом было получено соединение 20, последняя стадия заключалась во взаимодействии тризамещённого п-трет-бутилкаликс[4]арена 19 с высокочистым аминопропиловым силикагелем (APS) (схема 1.5). Полученный продукт 20 в перспективе применим в качестве неподвижной фазы для хроматографического разделения аденина, аденозина, цитозина, фенола, толуола и бензола. Было отмечено, что эффективное разделение происходит за счет гидрофобных взаимодействий. Помимо гидрофобных взаимодействий, диполь-дипольные, водородные и - взаимодействия также эффективны при разделении, что, в свою очередь, обеспечивает дополнительную селективность и эффективность для новой стационарной фазы. Соединение 20, содержащее амидные, нитрильные и аминные функциональные группы, является также эффективным сорбентом для извлечения ионов Cu(II) [40].
Совместными усилиями российских и американских ученых была проведена поверхностная модификация коллоидного нанопорошка диоксида кремния размером 200 нм тиакаликс[4]ареном 24 [41] (схема 1.6).
Той же исследовательской группой [42] была описана иммобилизация замещенных п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов с функциональными группами, способными связывать биомакромолекулы, на поверхности наночастиц диоксида кремния. В частности, были получены п-трет-бутилтиакаликс[4]арены 26 и 27, содержащие гуанидиниевые и гидразидные группы, эффективные для связывания биомакромолекул, а также карбоксильные и аминогруппы, выполняющие роль якорей для фиксации макроциклов на поверхности диоксида кремния (схема 1.7). Для синтеза наночастиц диоксида кремния использовали метод Штобера [36]. Размер полученных аминомодифицированных сфер диоксида кремния был установлен методом динамического светорассеяния (366 ± 35 нм). Модификация аминированных частиц кремния 23 соединениями 28 и 27 осуществлялась в абсолютном толуоле в инертной атмосфере. Размер коллоидных частиц в случае соединения 29 был равным 380 ± 4 нм, в случае соединения 30 - 394 ± 5 нм.
Авторами работы [43] был синтезирован новый тип подложки на основе диоксида кремния, модифицированного п-трет-бутилкаликс[8]ареном 31, которая может использоваться как неподвижная фаза для хроматографии (схема 1.8). Кремнийорганическая подложка 23 была получена золь-гель методом. Все стадии синтеза проходили в колонке из нержавеющей стали с инертным материалом, таким как эпоксидная смола и политетрафторэтилен. Приготовленный монолит 32 применяли для разделения дигидропиридинов и фуллеренов. Результаты работы, по мнению авторов, открывают перспективы для получения из углеродной сажи фуллеренов C60 и C70 с высокой степенью чистоты.
Поскольку в последние годы синтез хиральных производных каликсарена, которые могут выступать в качестве энантиоселективных искусственных рецепторов и асимметрических катализаторов, привлекает всё большее внимание исследователей, опубликован ряд работ, где подобные производные предлагаются для дальнейшей модификации ими кремниевой подложки. Основным мотивом получения таких подложек является дальнейшее их использование в качестве неподвижной фазы в ВЭЖХ для разделения различных хиральных молекул и как катализаторов в асимметрическом синтезе. Так, авторы работы [44] синтезировали два новых хиральных каликс[4]арена 35 и 41, содержащих (R)-(+)-1-фенилэтиламин, и иммобилизировали их на силикагель 36, содержащий на поверхности аминопропильные фрагменты (схемы 1.9 и 1.10).
В работе [45] рассматривался синтез соединения 45 с трёхмерной структурой, а также синтез гибридных органо-неорганических частиц 46 (схема 1.11). Показано, что соединение 46 на основе производного каликсарена 45, содержащее амидные и аминогруппы, фрагменты основания Шиффа и APS, является эффективным сорбентом катионов Cu (II).
Итальянскими учёными кремниевая подложка была функционализирована мономолекулярным слоем каликс[5]арена 47 (схема 1.12) [46]. Монослой 48, который применяется в создании эффективного н-алкиламмониевого твердотельного датчика, был получен путем ковалентной пришивки каликсарена 47 к кварцевому субстрату, который предварительно очищали и силилировали [46]. Силилирование проводили в инертной атмосфере бифункциональным трихлор[4-(хлорметил)фенил]силаном, который связывает как субстрат (н-бутиламмоний и 1,5-пентандиаммоний), так и 47 [47-55].
В работах [56, 57] авторы модифицировали производными каликс[4]арена 51 и 53 диоксид кремния (схема 1.13). В обоих случаях предварительно взаимодействием диоксида кремния 49 с раствором хлорида кремния (IV) получили соединение 50. Для связывания образующегося НС1 к реакционной смеси добавляли триэтиламин.
В работе [58] предлагается набор новых ионофоров (каликс[4]арены 57 и 59-61 с пиридиновыми или фурановыми фрагментами на нижнем ободе макроцикла и два новых соответствующих иммобилизованных каликс[4]ареновых ионофора 62 и 63 с амидопиридиновыми фрагментами), которые могут эффективно связывать дихромат- и фосфат-анионы (схемы 1.14 и 1.15). Исследованы комплексообразующие свойства каликс[4]ареновых производных 59-61 и 57 путем жидкостной двухфазной экстракции и соответствующих каликс[4]ареновых ионофоров 62 и 63 путем экстракции в системе твердое вещество-жидкость дихромат- и фосфат-анионов.
В ходе синтеза на первой стадии п-трет-бутилкаликс[4]арен деалкилировали, а затем функционализировали бромметилацетатом в присутствии K2CO3 в сухом ацетонитриле, чтобы получить дизамещенные производные 58 или 33 путем O-замещения нижнего обода каликс[4]арена в 1,3-(дистальном) положении (схема 1.14). Для синтеза каликс[4]аренамидных производных 59-61 на последней стадии производные каликс[4]арена, содержащие диэфирные фрагменты, были обработаны соответствующими аминосодержащими соединениями, такими как 4-(аминометил)пиридин (a) или 5-метилфурфуроламин (c) в смеси толуол-метанол. Соединение 55 было функционализировано 1,3-дибромпропаном с получением продукта 56 [59]. На следующей стадии соединение 56 обрабатывали 4-аминометилпиридином для синтеза каликс[4]аренового ионофора 57 с пиридиновыми фрагментами.
Иммобилизованные каликс-ионофоры 62 и 63 были получены взаимодействием соединений 59 или 60 с аминопропиловым силикагелем (APS), как показано на схеме 1.15.
Исследования экстракции показали, что иммобилизованные ионофоры на основе каликс[4]арена могут быть подходящими сорбентами для удаления хромат- и фосфат-анионов из водных растворов. Было доказано, что рецепторы на основе пиридин- или фурансодержащих каликсаренов могут найти применение в качестве твердотельных сенсоров для связывания анионов, а также выступать в качестве катализаторов межфазного переноса [58].
Для потенциометрического детектирования железа (III) в растворе создан новый гибридный материал 66 [60]. Изначально было синтезировано производное тиакаликсарена 65, в состав которого входят известный специфический трехвалентный хелатор железа: 4-[3,5-бис(2-гидроксифенил)-1,2,4-триазол-1-ил]бензойная кислота и аминогруппа, наличие которой позволяет модифицировать поверхность диоксида кремния. Таким образом, продукт 66 был получен иммобилизацией платформы каликс[4]арена 65 на наночастицы диоксида кремния 64 (схема 1.16).
Синтез и характеристика привитых целлюлозных полимеров каликс[4]арена для адсорбции тяжелых металлов и дихромат-анионов обсуждаются в работе [61]. Синтезированы новые сорбенты 72 и 73 для некоторых катионов тяжелых металлов и дихромат-анионов. Модификацию поверхности Cell/Ti-OH (Cell - целлюлоза) с использованием кремнийорганических соединений 3-глицидоксипропилтриэтоксисилан (GPTES) или 3-аминопропилтриэтоксисилан (APTES) проводили в сухом толуоле с получением 69 и 71 соответственно. Полимер 73 был получен взаимодействием п-трет-бутилкаликс[4]арена 16 с производным целлюлозы 69 в присутствии тетрабутиламмонийбромида (TBAB) и NaH в толуоле. Синтез полимера 72 был осуществлен в абсолютном ТГФ взаимодействием соединения 18 с производным целлюлозы 71 [62] (схема 1.17). По результатам сорбции катионов тяжелых металлов было обнаружено, что 72 обладает превосходными сорбционными свойствами, в то время как 73 оказался неэффективен для этих катионов. Обнаружено, что полимер 72 при pH 1.5 является более эффективным сорбентом катионов тяжелых металлов и дихромат-анионов, чем 73.
Синтез и изучение структуры силсесквиоксанов на основе тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих триметоксисилильные фрагменты
По ранее опубликованной методике [125] были синтезированы три стереоизомера производного п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 116-118, содержащего четыре 3-аминопропилтриметоксисильных фрагмента на нижнем ободе макроцикла, и изучена их поликонденсация в условиях активной среды [126]. В качестве активной среды была использована уксусная кислота, так как в отличие от обычных органических растворителей она не только растворяет исходные реагенты и образующиеся продукты реакции, но и является сореагентом [127-129]. Из литературных данных известно [130], что при использовании избытка безводной уксусной кислоты процесс протекает по механизму гидролитической поликонденсации, при этом необходимая вода генерируется в реакционной системе в количествах, необходимых для полной конверсии алкоксисилильных групп.
Одной из проблем при получении новых силсесквиоксанов является характеризация продуктов поликонденсации: широко используемые методы установления структуры продуктов реакции, такие как ЯМР и ИК спектроскопия, оказались малоприменимы для данной задачи [131]. Дело в том, что продукты конденсации триалкоксисиланов имеют магнитно-эквивалентные протоны триметоксисилильных групп, и сделать выводы о структуре (например, о количестве звеньев) на основании подобных данных не представляется возможным. Поскольку образующиеся силсесквиоксаны состоят, как правило, из смеси структурно родственных соединений с одинаковыми функциональными группами, это значительно усложняет их структурную идентификацию. В то же время масс-спектрометрия позволяет установить точные молекулярные массы ионов компонентов смеси, по которым можно определить структуру продуктов, но не их соотношение [132]. К настоящему времени были получены масс-спектры для конденсированных продуктов кремнийорганических производных, которые содержат только одну кремнийорганическую группу [133-137]. Метод масс-спектрометрии МАЛДИ был выбран из-за высокой чувствительности и широкого диапазона определяемых масс молекулярных ионов [134, 135]. Этот метод ионизации широко используется для анализа смесей силсесквиксанов, полученных с помощью олигоконденсации [136]. Несмотря на то, что сам метод синтеза силсесквиоксанов, основанный на конденсации макроциклических производных, в литературе описан [137], работ по характеризации подобных силсеквиоксанов методом масс-спектрометрии не опубликовано. С целью установления структуры поликонденсированных продуктов кремнийорганических производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 116-118, содержащих на нижнем ободе четыре 3-аминопропилтриметоксисильных фрагмента, был использован метод масс-спектрометрии МАЛДИ. Был проведён ряд экспериментов в различных матрицах и в различных соотношениях «аналит:матрица». Основываясь на литературных данных, посвященных характеризации олигомерных силсесквиоксановых производных [133-137], в качестве матриц были применены соединения различной природы: а-циано-4-гидроксикоричная кислота (НССА), 2,5-дигидроксибензойная кислота (DHB), и-нитроанилин (pNa), транс-2-[3-(4-дареда-бутилфенил)-2-метил-2-пропенилиден]малонитрил (DCTB), пиколиновая (РА) и синаповая кислоты (SA). Наиболее информативные масс-спектры были получены в случае матрицы DHB.
Так, в масс-спектрах полисилсесквиоксанового производного тиакаликсарена в конфигурации конус 183 (рис.2.2) наблюдаются пики протонированных и катионированных молекулярных ионов. Соотношение «сигнал:шум» в масс-спектрах падает с увеличением молекулярной массы ионов (рис.2.3). Кроме того, образование олигомеров с различным числом метоксильных и гидроксильных групп в протонированной и катионированной формах приводит к увеличению количества пиков в спектре. Однако разница в величинах m/z между такими группами пиков соответствует увеличению числа конденсированных макроциклов.
В масс-спектрах наблюдаются пики ионов от каликсаренового производного (мономер) до гептакискаликсарена (гептамер). Величины m/z пиков ионов, полученные из масс-спектров, позволяют сделать предположение о типе кремниевого фрагмента (M, D, T, Q). Эта терминология используется, чтобы показать количество атомов кислорода, связанных с атомом кремния. Если атом кремния соединен с одним атомом кислорода, его обозначают символом M (монозамещенный), с двумя - D (дизамещенный), тремя - T (тризамещенный) и четырьмя атомами кислорода Q (четвертичный или тетразамещенный). Так, эмпирическая структура R3SiO0.5 соответствует символу M, R2SiO - D, RSiO1.5 - T и SiO2 - Q, где R - алкильная группа. Из величин m/z пиков ионов в полученных масс-спектрах были рассчитаны структуры продуктов конденсации тиакаликс[4]арена 116 [T4(OR)4, R = CH3, OH] (рис.2.3).
Для продуктов конденсации производного каликсарена в конфигурации конус в уксусной кислоте была предложена лестничная структура силсесквиоксанового каркаса (рис.2.4). На основе данных, полученных методом МАЛДИ масс-спектрометрии, можно сделать вывод, что производное п-трет-бутилтиакаликс[4]арена на первой стадии конденсации образует внутримолекулярно конденсированную структуру 183а, из которой затем образуются димеры 183b-d с m/z, соответствующей структуре T8 силсесквиоксанового каркаса.
Среди матриц, используемых для характеристики полученных частиц, лучшие результаты были достигнуты с применением «мягкого» основания пара-нитроанилина и «мягкой» -циано-4-гидроксикоричной кислоты. При использовании более сильной пиколиновой кислоты информативные пики молекулярных ионов не наблюдались. Наличие в масс-спектрах пика катионированного молекулярного иона с катионом лития связано с использованием LiOH на одной из стадий получения соединений 116-118.
Пики, наблюдаемые в масс-спектрах продуктов конденсации 183-185, перечислены в табл.2.1, где n соответствует числу макроциклических фрагментов, Tx - число атомов кремния в молекуле силсесквиоксана. В масс-спектрах (рис.2.5) продукта поликонденсации 184 (частичный конус) в уксусной кислоте на матрицах SA, HCCA и pNa присутствуют пики с m/z = 1379 и 2739 Да, предположительно соответствующие структурам, представленным на рис.2.6.
В случае пиколиновой кислоты не было зафиксировано ни одного пика с массой, соответствующей димеру или мономеру. В масс-спектре наблюдается пик с молекулярной массой 1278.2 Да, который может соответствовать продукту гидролиза одной амидной связи 184а [T3(OH)3, COOH], содержащему гексамерные силоксановые циклические фрагменты. В то же время пик с m/z = 1562 Да, по-видимому, соответствует продукту конденсации 184d [T3(OH)7(OCH3)2, COOH], содержащему аминопропильный фрагмент, который может образовываться в процессе гидролиза амидной связи. Для пика с m/z, соответствующего димеру, была предложена структура 184e [T4(OH)4,T4 (OH)4]. T 4 означает второй силсесквиоксановый каркас, который не соединен силоксановыми связями с T4.
Для продукта поликонденсации кремнийорганического производного п-трет-бутилтиакаликс[4]арена в конфигурации 1,3-альтернат 118 в масс-спектре (рис.2.7) наблюдаются только пики молекулярных ионов с m/z, соответствующие силсесквиоксанам с одним фрагментом тиакаликс[4]арена. Тем не менее, следует отметить, что в масс спектрах (рис.2.7) присутствуют интенсивные пики, соответствующие тиакаликсареновым производным, которые имеют карбоксильные группы и аминопропильные фрагменты 185a и 185f. Это может быть связано с частичным гидролизом амидных связей и объясняет присутствие продукта конденсации кремнийорганического производного тиакаликсарена и выделяемого в процессе гидролиза кремнийорганического производного с 3-аминопропильной функциональной группой 185h (рис.2.8).
Гидролиз амидных групп в случае конфигурации 1,3-альтернат может быть вызван условиями поликонденсации: было использовано ультразвуковое диспергирование для получения однородной коллоидной системы и предотвращения осаждения производного п-трет-бутилтиакаликс[4]арена в конфигурации 1,3-альтернат. По-видому, обработка реакционной смеси ультразвуком привела к гидролизу некоторых амидных связей.
Отсутствие пиков молекулярных ионов, соответствующих олигомерным производным, можно объяснить высокосимметричной структурой соединения 118, которая, по-видимому, препятствует образованию замкнутых, кинетически стабильных промежуточных продуктов, так как на каждой стадии конденсации с другим макроциклическим соединением количество кремнийорганических фрагментов, не участвовавших в конденсации, должно как минимум оставаться прежним.
То есть, на каждые две группы, находящиеся по одну сторону от макроциклического обода, которые гипотетически могут конденсироваться друг с другом или с другим моно-или олигомером, появляются как минимум две, находящиеся по другую сторону макроциклического обода (рис.2.8).
Таким образом, впервые были получены масс-спектры олигомерных продуктов поликонденсации кремнийорганических производных тиакаликс[4]арена. Установлены основные факторы, позволяющие получить информативные масс-спектры: требуется применение мягких кислот и оснований Бренстеда (оптимальны pNa, НССА, DHB, в то время как сравнительно сильная никотиновая кислота не позволяет получить информативные масс-спектры). Полученные результаты открывают широкие перспективы для расширения области применимости метода масс-спектрометрии. Развитие данного метода позволит охарактеризовать олигомеры и полимеры более высоких масс, а анализ их фрагментации позволит установить структуру олигомерных производных и однозначно приписать структуру силсесквиоксанам.
Синтез различно замещённых по нижнему ободу производных п-трет бутилтиакаликс[4]арена, содержащих вторичные амидные и третичные аминогруппы
В соответствии с полученными результатами далее было предложено применить разработанный подход для синтеза различно замещённых по нижнему ободу производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих вторичные амидные и третичные аминогруппы, способных к избирательному взаимодействию с биополимерами. В связи с этим были решены две следующие задачи: (1) синтез прекурсоров на основе замещённых по нижнему ободу производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих три третичные аминогруппы и один фталимидный фрагмент, в конфигурациях 1,3-альтернат и конус (схема 2.7); (2) синтез тиакаликс[4]аренов, содержащих три третичные аминогруппы и один триэтоксисилильный фрагмент, в конфигурациях 1,3-альтернат и конус (схема 2.8).
Синтетическая доступность стереоизомеров 1,3-альтернат 196 и конус 197 тетразамещенного по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]арена [143] с различной ориентацией сложноэфирных фрагментов относительно макроциклического кольца, а также легкость их дальнейшей химической модификации соответствующими функциональными группами обусловили выбор данных соединений в качестве прекурсоров для синтеза новых производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена.
Благодаря тому, что аминолиз сложных эфиров первичными аминами протекает с высокой скоростью, а также тому, что исходные триэфиры обладают хорошей растворимостью в используемых аминах, позволяет нам проводить данные реакции в отстутствие растворителей. Благодаря достаточно высокой основности аминов (N,N-диметилпропан-1,3-диамин, N,N-диэтилэтан-1,2-диамин, N,N-диэтилпропан-1,3-диамин, N,N-диметилэтан-1,2-диамин) фталимидный фрагмент достаточно легко модифицируется по реакции Габриэля [144] в аминогруппу. В связи с этим, аминолизом полученных ранее по литературной методике [143] триэфиров 196 и 197 в конфигурациях 1,3-альтернат и конус 120-кратным избытком соответствующего первичного амина (N,N-диметилпропан-1,3-диамин, N,N-диэтилэтан-1,2-диамин, N,N-диэтилпропан-1,3-диамин, N,N-диметилэтан-1,2-диамин) в инертной атмосфере аргона были получены соединения 198-200, 202-204 (схема 2.7). Контроль протекания реакции осуществляли с помощью ТСХ. К сожалению, продукты 201 и 205 в индивидуальном виде выделить не удалось: взаимодействие эфиров 196 и 197 с N,N-диэтилэтан-1,2-диамином приводит к образованию трудноразделимых реакционных смесей. Макроциклы 198-200, находящиеся в конфигурации 1,3-альтернат, были получены аминолизом триэфира на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 196 соответствующими аминами при комнатной температуре с выходами 84-95%.
Продукты 202-204 были выделены из реакционных смесей после аминолиза триэфира на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 197 в конфигурации конус при пониженной температуре (-10 С).
Структура синтезированных макроциклов 198-200 и 202-204 была подтверждена комплексом физических и физико-химических методов: ЯМР 1H и 13С, ИК спектроскопией и масс-спектрометрией, а состав подтвержден данными элементного анализа. В качестве примера на рисунках 2.21 и 2.22 приведены спектры ЯМР 1Н тиакаликс[4]аренов 199 и 202 в конфигурации 1,3-альтернат и конус соответственно.
Анализ спектров ЯМР 1Н реакционных смесей, образующихся при аминолизе макроциклов 196 (рис.2.20(1)) и 197 (рис.2.20(2)) большим избытком N,N-диэтилэтан-1,2-диамина, показал, что образуется смесь трудноразделимых различно замещенных тиакаликсаренов: сигналы протонов трет-бутильных групп (0.7-1.2 м.д.), ароматических (6.8-7.8 м.д.) и оксиметиленовых протонов (4.0-5.0 м.д.) наблюдаются в виде мультиплетов. В то же время, сигналы амидных групп (8.6 м.д.), метиленовых групп, связанных с атомом азота (3.1-3.6 м.д.), могут свидетельствовать об образовании в реакционных смесях целевых продуктов 201 (рис.2.20(1)) и 205 (рис.2.20(2)).
В спектре ЯМР 1Н соединения 199 (рис.2.21) протоны трет-бутильных групп регистрируются в виде двух синглетов с химическими сдвигами при 1.22 и 1.25 м.д. Протоны оксиметиленовых групп проявляются в виде двух дублетов АВ-системы при 3.76 и 3.87 м.д. с константой спин-спинового взаимодействия 15.1 Гц (OCH2C(O)), в виде синглета при 4.28 м.д. (OCH2C(O)) и триплета при 4.03 м.д. с константой спин-спинового взаимодействия 5.7 Гц (OCH2CH2). Арильные протоны наблюдаются в виде синглетов при 7.36 и 7.48 м.д. и в виде двух уширенных синглетов в области 7.56-7.57 м.д. Протоны метиленовых групп, связанных с атомом азота в амидных фрагментах (NHCH2), регистрируются в виде мультиплета в области 3.21-3.26 м.д., и амидные протоны (C(O)NH) в виде триплетов при 7.91 и 8.32 м.д. с константой спин-спинового взаимодействия 5.1 и 5.3 Гц (рис.2.21).
В спектре ЯМР 1Н соединения 202 (рис.2.22) протоны трет-бутильных групп регистрируются в виде двух синглетов с химическими сдвигами при 0.91 и 1.29 м.д. Протоны оксиметиленовых групп наблюдаются в виде синглета при 4.98 м.д., триплета при 4.19 м.д. с константой спин-спинового взаимодействия 4.7 Гц и двух дублетов АВ-системы при 4.48 и 4.71 м.д. с константой спин-спинового взаимодействия 15.1 Гц.
Арильные протоны (рис.2.22) регистрируются в виде синглетов при 7.67 и 7.68 м.д. и в виде двух уширенных дублетов в области 7.00 и 7.01 м.д. Протоны метиленовых групп, связанных с атомом азота в амидных фрагментах, проявляются в виде мультиплета в области 3.31-3.52 м.д., и амидные протоны - в виде мультиплета в области 8.82-8.87 м.д. (рис.2.22). Химические сдвиги, интегральная интенсивность и мультиплетность сигналов протонов в спектрах ЯМР 1Н синтезированных соединений 198-200 и 202-204 хорошо согласуются с предложенными структурами соединений.
Конформация соединений 198-200, 202-204 была установлена с помощью двумерной спектроскопии ЯМР 1H-1H NOESY. Так, например, в спектре ЯМР 1H-1H NOESY макроцикла 198 наблюдаются кросс-пики между протонами трет-бутильных групп и метиленовой группой, связанной с атомом азота, а также кросс-пики между протонами трет-бутильных и амидных групп, что свидетельствует о нахождении тиакаликс[4]арена в конфигурации 1,3-альтернат. В случае стереоизомера 202 в конфигурации конус наблюдаются только кросс-пики между протонами трет-бутильных и арильных групп, а также кросс-пики между протонами оксиметиленовых и амидных групп (рис.2.23).
Также синтезированные макроциклы 198-200 и 202-204 были охарактеризованы методом масс-спектрометрии МАЛДИ (табл. 2.3). В масс-спектрах соединений 199-202 помимо пика молекулярного иона наблюдаются пики молекулярного иона с катионом натрия.
В ИК спектрах тетразамещенных производных 198-200 и 202-204 появляются полосы поглощения вторичных амидных групп (табл. 2.4). Следует отметить, что отсутствие полос поглощения сложноэфирных групп (, 1735-1768 см-1) в ИК спектрах продуктов 198-200 и 202-204 свидетельствует об отсутствии исходных тиакаликс[4]аренов и полноте протекания аминолиза.
Таким образом, были синтезированы новые различно замещенные производные п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, функционализированные по нижнему ободу третичными аминогруппами, в конфигурации 1,3-альтернат (198-200) и конус (202-204). Структура полученных соединений охарактеризована рядом физических методов: ЯМР 1Н и 13С, двумерной спектроскопией ЯМР 1Н-1Н NOESY, ИК спектроскопией и масс-спектрометрией МАЛДИ.
Далее полученные аминопроизводные п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 198-200 и 202-204 были вовлечены в реакцию с 3-(триэтоксисилил)пропилизоцианатом. Реакция протекала в течение семи дней при пониженной температуре (-10 С) в абсолютном ТГФ. В результате были синтезированы различно замещённые по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]арены 206-211, содержащие -уреидопропил-триэтоксисилильный фрагмент и третичные аминогруппы. Продукты 206-208 в конфигурации 1,3-альтернат получены с выходами 60-70% (схема 2.8).
Структура полученных соединений 206-211 была охарактеризована рядом физических методов: ЯМР 1Н и 13С, ИК спектроскопией и масс-спектрометрией МАЛДИ. Одним из реперных факторов получения целевого продукта являлось наличие в спектрах ЯМР 1Н метиленовых групп при атоме кремния в виде АА ХХ системы в области сильных полей 0.5-0.6 м.д. В случае протекания побочных реакций наблюдался уширенный синглет. На рисунке 2.24 приведены сигналы метиленовых групп при атоме кремния продуктов 206-211.
Взаимодействие гибридных органо-неорганических частиц с ДНК
Активный поиск новых лекарственных препаратов и их широкое распространение позволили увеличить продолжительность человеческой жизни [159]. В последние десятилетие внимание исследователей в качестве потенциальных лекарственных препаратов привлекают нуклеиновые кислоты и их синтетические аналоги [160-163]. Основным препятствием на пути широкого применения нуклеиновых кислот в биомедицинских целях является их доставка в клетки и к мишеням внутри них. Эффективность естественного транспорта нуклеиновых кислот внутрь клетки очень низка [164], поэтому для их доставки требуется создание специальных транспортных систем. Проникновение нуклеиновых кислот осложняется тем, что молекулы заряжены отрицательно и поглощаются клеткой с очень низкой эффективностью; помимо этого нуклеиновые кислоты подвержены гидролизу клеточными ферментами. Одним из путей решения этой проблемы может быть использование наночастиц типа «ядро-оболочка» [165-176].
В данной диссертационной работе с применением подхода «ядро-оболочка», где ядро - диоксид кремния, а оболочка - тиакаликс[4]арен, были сконструированы гибридные органо-неорганические наночастицы, модифицированные производными тиакаликс[4]арена, содержащими третичные аминогруппы. Из литературных данных [177] известно, что производные (тиа)каликс[n]арена, содержащие положительно заряженные (аммониевые, гуанидиниевые) группы активно используются для связывания ДНК, с целью ее компактизации. Спектр применения подобных соединений весьма широк: они могут использоваться как для оценки количественных и качественных изменений структуры нуклеиновых кислот при различных физиологических состояниях организма [178, 179], так и для тестирования компонентов окружающей среды [180]. Также они могут применяться в качестве векторов, специфичных к определённым фрагментам ДНК [181], и непосредственно в качестве лекарственных препаратов [182-184].
Способность синтезированных гибридных органо-неорганических наночастиц 216-221, модифицированных производными тиакаликсарена 206-211, взаимодействовать с модельной ДНК из тимуса телёнка была изучена методами УФ спектроскопии, динамического светорассеяния и просвечивающей электронной микроскопии. Выбор ДНК из тимуса телёнка в качестве модельной был обусловлен её коммерческой доступностью, относительно высоким молекулярным весом (105 кДа) и большими размерами (6 мкм) [177].
Первоначально были записаны электронные спектры поглощения модельной ДНК в присутствии различных количеств гибридных частиц в буфере (буфер 10 мМ Трис-HCl, 100мМ NaCl, pH=6.5). Известно, что взаимодействие некоторых соединений с ДНК может приводит к образованию ассоциатов, характеризуемых смещением полосы поглощения ДНК и/или соответствующими изменениями в поглощении смеси. Таким образом, поглощение отдельных компонентов в растворе в отсутствие взаимодействия должно иметь аддитивный характер. При взаимодействии гибридных частиц 217 с ДНК из тимуса телёнка наблюдался гиперхромный эффект полосы поглощения при 270 нм (рис.2.43), что может быть связано с изменением конформации ДНК. В случае взаимодействия наночастиц 216 с ДНК наблюдались незначительное изменение оптической плотности с гипохромным эффектом полосы поглощения при 270 нм (рис.2.44) и коагуляция образующихся ассоциатов. В остальных случаях изменений в УФ спектрах не наблюдалось.
Из теоретических предпосылок (анализа пространственной структуры стереоизомеров конус п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов) следует, что в синтезированных наночастицах 219-221, в которых диоксид кремния модифицирован производными тиакаликс[4]арена 209-211 в конфигурации конус, поверхность должна быть покрыта трет-бутильными группами макроцикла, и аминогруппы оказываются экранированными, что может препятствовать эффективному взаимодействию с ДНК. Методом УФ спектроскопии было показано, что взаимодействие частиц 219-221 с ДНК отсутствует. Также следует отметить, что частицы 218, в отличие от частиц 217 и 216, не взаимодействуют с ДНК, что, по-видимому, связано с длиной линкера между амидной
В электронных спектрах поглощения ДНК из тимуса телёнка в присутствии исследованных гибридных частиц наблюдается подъём базовой линии, обусловленный светорассеянием, образующихся при взаимодействии ДНК с частицами 216 и 217 агрегатов. Формирование агрегатов гибридных частиц 216 и 217 с ДНК было подтверждено методом динамического светорассеяния. Было установлено, что при взаимодействии гибридных частиц 216-221 с ДНК происходит образование микронных частиц с индексом полидисперсности 0.5.
Важной характеристикой частиц, определяющей эффективность их взаимодействия с ДНК, является электрокинетический или дзета-потенциал, возникающий в процессе движения дисперсных частиц в дисперсионной фазе. Дзета-потенциал гибридных частиц 216-221, определенный измерением электрофоретической подвижности частиц, варьируется от 10 до 46 мВ, что обусловлено положительно-заряженными функциональными группами тиакаликс[4]арена. В двойной системе ДНК из тимуса телёнка – частицы 216-221 значения дзета-потенциала значительно меняются, принимая отрицательные значения: от -11 до -62 мВ, что, очевидно, обусловлено обволакиванием положительно заряженных частиц отрицательно заряженными макромолекулами ДНК. A priori можно предположить тривиальный тип экзосвязывания (встраивание в большую бороздку), основываясь на структуре тиакаликс[4]арена и литературных данных [185]. В связи с этим, взаимодействие гибридных органо-неорганических частиц 216-222 с ДНК (тимуса телёнка) было изучено методом просвечивающей электронной микроскопии. На рисунках 2.46-2.49 представлены снимки, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии, при взаимодействии гибридных частиц 216-218 с ДНК (тимуса телёнка). Исходная высокомолекулярная ДНК из тимуса телёнка в водном растворе изображена на рисунке 2.45 в двух масштабах.
Как и ожидалось, при соотношении 1:1 макроцикл на пару нуклеиновых оснований ДНК (концентрация компонентов смеси выражалась в моль/л) вследствие взаимодействия положительно заряженных частиц 216 с отрицательно заряженной ДНК формируются супрамолекулярные ассоциаты (рис.2.46(а)). При увеличении количества биополимера на порядок на изображениях, полученных методом ПЭМ, становятся видны нити свободной ДНК (рис.2.46(б)).
При взаимодействии частиц 217 с ДНК (1:1) на изображениях ПЭМ наблюдаются два типа ассоциатов: один в виде частиц 217, полностью покрытых слоем ДНК (рис.2.47), другой – в виде дендритных фрактальных структур (рис.2.48), образованных, по-видимому, за счет кулоновских взаимодействий и водородных связей между (тиа)каликс[4]ареном и ДНК. В качестве примера отсутствия взаимодействия на рисунке 2.49(а) приведены изображения системы ДНК из тимуса телёнка – частиц 218. На рисунке 2.49(б) наблюдается формирование сферических частиц биополимера вследствие влияния частиц 218.
Таким образом, методами УФ спектроскопии, динамического светорассеяния и просвечивающей электронной микроскопии было изучено взаимодействие синтезированных гибридных органо-неорганических наночастиц 216-221 на основе нанопорошка диоксида кремния и триэтоксисилильных производных (тиа)каликс[n]арена с высокомолекулярной ДНК из тимуса телёнка. Было установлено, что частицы 217, модифицированные тиакаликс[4]ареном 207, содержащим на нижнем ободе N,N-диэтиламинопропильные фрагменты, способны к эффективному взаимодействию с модельной ДНК. Методом динамического светорассеяния и просвечивающей электронной микроскопии было показано, что взаимодействие изученного биополимера с синтезированными частицами 216-222 приводит к образованию агрегатов ДНК/наночастицы