Синтез тиакаликсдендримеров и мультитиакаликс[4]аренов, содержащих карбоксильные и аминогруппы Носов Роман Валериевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Гиперразветвленные и макрополи-циклические производные (тиа)каликс[4]арена (литературный обзор) 9

1.1 Дивергентный подход к синтезу каликсдендримеров 11

1.2 Конвергентный подход к синтезу каликсдендримеров 15

1.3 Синтез связанных по нижнему ободу мультикаликсаренов 19

1.4 Синтез мультикаликсаренов ацилированием макроциклов 23

1.5 Синтез мультикаликсаренов взаимодействием первичных аминов со сложноэфирными производными 33

1.6 Использование кратных связей в синтезе мультикаликсаренов 36

ГЛАВА 2. Синтез тиакаликсдендримеров и мультитиакаликс [4] аренов, содержащих карбоксильные и аминогруппы (обсуждение результатов) 41

2.1 Синтез каликсдендримеров 46

2.2 Акриламидные производные я-/м/?/м-бутилтиакаликс[4]арена в синтезе мультитиакаликс[4]аренов 52

2.2.1 Синтез акриламидных производных тиакаликс[4]арена 52

2.2.2 Объединение акриламидных производных тиакаликс[4]арена в полимакроциклическую структуру 56

2.3 Синтез защищенных производных я-/м/?/м-бутилтиакаликс[4]арена -макроциклических блоков мультитиакаликс[4]ареновых систем 61

2.4 Синтез пентакистиакаликс[4]аренов 74

2.5 Взаимодействие тиакаликсдендримеров с ДНК 83

ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 86

Заключение 114

Список условных обозначений и сокращений 116

Список использованных библиографических источников

• Конвергентный подход к синтезу каликсдендримеров
• Синтез мультикаликсаренов взаимодействием первичных аминов со сложноэфирными производными
• Акриламидные производные я-/м/?/м-бутилтиакаликс[4]арена в синтезе мультитиакаликс[4]аренов
• Синтез защищенных производных я-/м/?/м-бутилтиакаликс[4]арена -макроциклических блоков мультитиакаликс[4]ареновых систем

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Наноразмерные структуры (молекулы, ассоциаты, конгломераты) являются объектами пристального внимания исследователей в связи с их уникальными свойствами, которые могут быть использованы для создания новых материалов, приборов, систем. Особый интерес вызывают наноструктурированные материалы, способные к молекулярному распознаванию субстратов. Результативным подходом к получению наночастиц и наноматериалов является так называемая сборка «снизу-вверх» из молекул или атомов. Для его реализации необходимо сочетание в структуре исходного строительного блока как пространственной организации, так и высокой реакционной способности функциональных групп.

Для конструирования синтетических рецепторов в органической химии широко используются макроциклические производные. Несмотря на развитие химии макроциклов, на основе которых получен широкий спектр эндорецепторов на небольшие по размерам субстраты, возможности дизайна наноразмерных структур, способных к распознаванию биомакромолекул, не исчерпаны. Одним из перспективных подходов к решению данной задачи является построение полифункциональных полимакроциклических систем с развитой поверхностью, способных к молекулярному узнаванию посредством многоцентровых взаимодействий.

Свойства каликсаренов (существование нескольких конформаций, возможность функционализации различными фрагментами и способность фиксировать требуемую пространственную ориентацию центров связывания) делают их привлекательными строительными блоками для конструирования наночастиц с заданными свойствами. В связи с этим нами было предложено разработать подходы к синтезу функционализированных карбоксильными и аминогруппами каликсдендримеров и полимакроциклических систем на основе и-дареда-бутилтиакаликс[4]арена в качестве потенциальных рецепторов биомакромолекул.

Степень разработанности темы исследования. Создание каликсдендримеров и мультикаликс[4]аренов, содержащих карбоксильные и аминогруппы, является нетривиальной задачей в химии каликс[4]аренов. Вследствие полифункциональной природы реагентов, как правило, приводящей к низким выходам целевых продуктов, а также необходимости использования многостадийных синтетических подходов, в литературе представлено ограниченное число публикаций по синтезу каликсдендримеров и мультикаликсаренов. Синтез гиперразветвленных производных на основе тиакаликс[4]арена, содержащих карбоксильные и аминогруппы, в литературе представлен лишь единичными примерами.

Цели и задачи работы заключаются в разработке подходов к синтезу тиакаликсдендримеров и мультитиакаликс[4]аренов, содержащих карбоксильные и аминогруппы, получении их прекурсоров на основе частично и различно замещенных производных и-дареда-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих акриламидные, фталимидные, гидроксильные, аминные и бензильные фрагменты, а также в изучении в водных средах их комплексообразующей и агрегационной способности по отношению к модельной ДНК.

Научная новизна работы состоит в следующем:

¹ Автореферат оформлен в соответствии с ГОСТ Р 7.0.11 - 2011 ДИССЕРТАЦИЯ И АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ Структура и правила оформления

впервые синтезированы частично и различно замещенные по нижнему ободу производные и-дареда-бутилтиакаликс[4]арена в конфигурациях конус и 1,3-алътернат, содержащие акриламидные, фталимидные, бензильные, аминогруппы и трет-бутилацетатные фрагменты, структура которых установлена комплексом физических и физико-химических методов;

впервые разработан синтетический подход к получению тиакаликсдендримеров первой и второй генераций, содержащих амидные, карбоксильные, первичные и третичные аминогруппы;

- впервые предложены и реализованы синтетические подходы к получению
мультитиакаликс[4]аренов, содержащих в своем составе гидроксильные, бензильные,
сложноэфирные и карбоксильные фрагменты;

- впервые методом динамического светорассеяния установлено, что водорастворимый
тиакаликсдендример первой генерации, содержащий полиамидоаминные фрагменты,
способен образовывать с ДНК молок лосося наноразмерные агрегаты.

Теоретическая и практическая значимость работы. Получен ряд частично и различно замещенных по нижнему ободу и-дареда-бутилтиакаликс[4]аренов в конфигурациях конус и 1,3-алътернат. Предложен и разработан пошаговый подход к синтезу тиакаликсдендримеров, содержащих одновременно амидные, сложноэфирные, карбоксильные и первичные аминогруппы, основанный на аза-реакции Михаэля с использованием метилакрилата и 1,2-диаминоэтана. Показано взаимодействие функционализированного полиамидоаминными фрагментами тиакаликсдендримера с ДНК из молок лосося. Реализован подход к синтезу мультитиакаликс[4]аренов, основанный на взаимодействии акриламидных производных и-дареда-бутилтиакаликс[4]арена с полиаминами. Осуществлен блочный синтез пентакистиакаликс[4]аренов, основанный на взаимодействии аминопроизводных и тетракислот на основе и-дареда-бутилтиакаликс[4]арена в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-алътернат.

Методология и методы исследования. В рамках проведённых исследований был использован широкий спектр современных подходов к получению производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, тиакаликсдендримеров и мультитиакаликсаренов и методов установления их структуры и состава (УФ, ПК и ЯМР спектроскопия, масс-спектрометрия, элементный анализ), а также размера ассоциатов и агрегатов (метод динамического светорассеяния).

Положения, выносимые на защиту:

1. Дивергентный подход к синтезу тиакаликсдендримеров в конфигурации 1,3-алътернат, содержащих амидные, карбоксильные и первичные аминогруппы, основанный на повторяющемся последовательном использовании аза-реакции Михаэля и аминолиза сложноэфирных производных диаминоалканами.

2. Новые способы получения стереоизомеров конус и 1,3-алътернат различно замещенных производных и-дареда-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих помимо якорных акриламидных и аминогрупп также сложноэфирные, бензильные и фталимидные группы.

3. Метод синтеза пентакистиакаликс[4]аренов, основанный на объединении
тетракислот тиакаликс[4]арена в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-алътернат и
аминосодержащих и-дареда-бутилтиакаликс[4]аренов.

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 целого ряда современных физических и физико-химических методов анализа.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на XI Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2012), III Международной конференции «Супрамолекулярные системы на поверхности раздела» (Туапсе, 2013), Кластере конференций по органической химии «ОргХим-2013» (Санкт-Петербург, 2013), III Всероссийской научной конференции «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2014), Итоговых научных конференциях Казанского федерального университета (Казань, 2014, 2015).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи и 8 тезисов докладов.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, включает 27 рисунков и 3 таблицы. Состоит из введения, трёх глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 131 ссылку.

В первой главе представлен обзор литературных данных по использованию дивергентных и конвергентных подходов к получению (тиа)каликсдендримеров и мульти(тиа)каликс[4]аренов, содержащих в своем составе различные функциональные группы.

Основные результаты экспериментальных исследований, их обсуждение приведены во второй главе. Представлены различные синтетические подходы к синтезу тиакаликсдендримеров и мультитиакаликс[4]аренов, содержащих аминные, карбоксильные, сложноэфирные и гидроксильные фрагменты. На примере водорастворимого тиакаликсдендримера, содержащего полиамидоаминные фрагменты, показано взаимодействие с модельной ДНК из молок лосося. Получены гиперразветвленные производные и-дареда-бутилтиакаликс[4]арена, содержащие в своем составе карбоксильные и аминогруппы.

Экспериментальная часть, включающая описание проведённых синтетических, физико-химических и физических экспериментов, а также экспериментов по изучению агрегации, приведена в третьей главе диссертации.

Работа выполнена на кафедре органической химии Химического института им. A.M. Бутлерова ФГАОУ ВПО «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 гранта РФФИ 12-03-00252-а «Мульти(тиа)каликс[4]арены как компоненты самособирающихся наночастиц: дизайн и закономерности самоассоциации и агрегации с дикарбоновыми, амино- и гидроксикислотами» (2012-2014).

Рентгеноструктурный анализ выполнялся под руководством д.х.н. О.Н. Катаевой. Регистрация масс-спектров выполнена в Лаборатории физико-химического анализа Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова к.х.н. И.Х. Ризвановым.

Конвергентный подход к синтезу каликсдендримеров

Современной тенденцией развития органической химии является постепенное усложнение синтезируемых объектов, а также выявление закономерностей, связывающих структуру соединения с проявляемыми им свойствами. В области молекулярного дизайна супрамолекулярных рецепторов, являющегося одним из наиболее динамично развивающихся направлений современной органической химии, также наблюдается тенденция перехода от низкомолекулярных «простых» синтетических рецепторов к наноразмерным структурам, способным к многоцентровым взаимодействиям с биомакромолекулами [1-5].

Актуальным направлением органической химии является синтез наноразмерных полифункциональных органических соединений с заданной пространственной структурой, в частности, дендримеров, способных подобно белкам, осуществлять распознавание широкого класса соединений и выполнять каталитические функции [6-12].

В последние десятилетия каликсарены широко используются в различных областях супрамолекулярной химии в качестве строительных блоков для создания различных наноразмерных структур [12-16]. Каликс дендримеры и мультикаликсарены представляют собой полифункциональные соединения, в которых сочетаются преимущества дендримероподобных структур (нанометровый размер и развитая поверхность со связывающими фрагментами) и преимущества макроциклической платформы (жёстко закрепленное пространственное расположение и возможность реализации аллостерического и кооперативного эффектов при связывании субстратов) [17-29].

Рассмотрим описанные в литературе два типа наночастиц, содержащих каликсареновые фрагменты. К первому относятся классические дендримерные структуры, в которых центральное ядро является производным макроциклической платформы каликсарена. Вторым типом являются так называемые мультикаликсарены, в которых повторяющимися фрагментами являются каликсареновые единицы, а ядром могут быть как макроциклические, так и ациклические производные. По количеству каликсареновых единиц в мультикаликсаренах различают малые полимакроциклы (бис- и трискаликсарены) и полимакроциклы большего размера (тетра-, пентакаликсарены и т.д.) [30-34].

В синтезе дендримеров различают две основные стратегии ковалентной сборки целевых структур - конвергентную и дивергентную (рис.1). Первый подход к синтезу дендримеров (рис.1 А) основан на симметричной структуре макромолекул: предварительно реализуется пошаговая ковалентная сборка разветвленной ветви определенной длины (генерации), которая затем объединяется с центральным ядром. В конвергентном подходе наращивание цепей происходит отдельно, и, следовательно, на заключительной стадии требуется меньший избыток исходных реагентов, что приводит к уменьшению вероятности протекания побочных реакций [35-36].

Конвергентный (А) и дивергентный (Б) подходы к синтезу дендримеров (генерации - нулевая GO, первая G1, вторая G2, третья G3). Дивергентный подход к синтезу дендримеров (рис.1 Б) заключается в модификации полифункционального центрального ядра: шаг за шагом идет увеличение слоев дендримера [37-39]. На каждом этапе дивергентного синтеза необходимо использовать большой избыток реагентов и применять хроматографию при выделении целевых продуктов, особенно при синтезе производных высшей генерации.

В синтезе каликсдендримеров применяются как дивергентный, так и конвергентный подходы, а также их смешанные типы [40]. В литературном обзоре будут рассмотрены примеры конвергентного и дивергентного подходов к получению каликсдендримеров и мультикаликсаренов.

В литературе представлено ограниченное число публикаций по синтезу каликсдендримеров, в которых центральным ядром являются производные (тиа)каликс[4]аренов в различных пространственных конфигурациях. Каликсдендримеры возможно получить либо дивергентным, либо конвергентным подходом. Так, в группе Нагасаки (Nagasaki) с применением дивергентного подхода синтезировали фотохромный дендример 1 с терминальными азобензольными фрагментами, в котором тиакаликс[4]арен в конформации 1,3-альтернат выступает в качестве ядра. Было установлено, что фотопереключаемый каликсдендример в растворе самособирается в наночастицы, размеры которых меняются при облучении светом [41].

В 1999 году Рой и Ким впервые осуществили синтез дендримерных амфифильных и-/77/?е/77-бутилкаликс[4]аренов 3, 5 и 7, растворимых в воде, с углеводными фрагментами на концах «ветвей» [42]. С целью получения макроциклов с восемью и шестнадцатью углеводными фрагментами авторами был предложен дивергентный метод синтеза, заключающийся в последовательном TV-алкилировании производных каликсарена. Были получены макроциклы 3, 5 и 7 с выходами 74%, 64% и 69% соответственно. Методом турбидиметрического титрования было изучено комплексообразование синтезированных тетра-, окта- и гексадекавалентных лигандов 3, 5 и 7 с антителами Vicia villosa agglutinin. Показано, что связывание субстрата усиливается при увеличении числа углеводных фрагментов в лиганде. Однако лиганд 5 показал необычайно сильное связывание антител: образующийся комплекс разрушался только в присутствии 250-кратного избытка ингибитора комплексообразования - алил-2-ацетамидо-2-деокси-а-с1-галактопиранозиды (allyl a-d-GalNAc) [42].

Синтез мультикаликсаренов взаимодействием первичных аминов со сложноэфирными производными

В научной группе Джонг Кима {Jong Кіт) были получены гибридные трубчатые мультикаликсарены 57а,Ь на основе калике- и тиакаликс[4]аренов [60]. Авторами с помощью низкотемпературного эксперимента ЯМР Н было показано, что тримеры 57а,Ь образуют комплексы с катионом цезия и серебра состава 1:2:1 соответственно. Причем катионы цезия связываются краун-фрагментами концевых калике [4] аренов, а центральный тиакаликс[4]ареновый макроцикл за счет своих мостиковых атомов серы связывает Ag , образуя комплекс состава 1:1 [60]. Следует отметить, что тримеры 57а-Ь показывают лучшую экстракционную способность по отношению к катионам щелочных металлов, чем полимакроцикл 50.

Несмотря на то, что алкилирование (тиа)каликс[4]ареновой платформы является одним из широко используемых методов для введения в нижний обод макроцикла различных функциональных групп, в литературе представлено ограниченное число публикаций по получению мультикаликсаренов данным методом. Это связано, в первую очередь, с полифункциональной природой каликсарена, что приводит при алкилировании фенольных групп макроцикла к смеси продуктов разной степени замещения, а как следствие к низким выходам мультикаликаренов. Но, несмотря на это, данный метод широко используется для создания нанометровых каликс-трубок, начиная с бискаликсаренов [61-68].

Взаимодействие различных первичных аминопроизводных с хлорангидридами и активированными эфирами (тиа)каликсарена является наиболее распространённым подходом к синтезу мультикаликсаренов вследствие высоких выходов и мягких условий протекания реакции. Селективным ш?со-нитрованием тетраэфира и-/77/?е/т7-бутилкаликс[4]аренов 57а и 57Ь с последующим восстановлением водородом на никеле Ренея были получены и яр 2-моноаминокаликс[4]арены 59а и 59Ь [69].

Реакцией и яр 2-моноаминокаликс[4]аренов 59а и 59Ь с различными ди-и трихлорангидридами в присутствии триэтиламина в дихлорметане получены ди- и трискаликс[4]арены 60a-d и 61а,Ь с высокими выходами. С помощью метода пикратной экстракции было показано, что трискаликсарен 6lb селективно связывает катион Na в ряду катионов щелочных металлов (Li+, Na+, К+, Cs+).

Описан [70] синтез гептакискаликс[4]арена 67. Взаимодействием хлорангидридного производного 63 с диамином 64 был получен прекурсор гептакаликсарена 67 - трискаликсарен 65. Далее, восстановлением соответствующего нитропроизводного 65 с выходом, близким к количественному, был синтезирован трискаликсарен 66. Ацилирование тетрааминокаликс[4]арена 66 монохлорангидридом на основе п-трет-бутилкаликс[4]арена 68 в присутствии пиридина в дихлорметане приводит к образованию гептакаликсарена 67. Необходимо отметить, что на всех стадиях ацилирования авторам пришлось использовать метод препаративной хроматографии для выделения целевых соединений. Выход макроцикла 67 после хроматографической очистки составил 27%. В соответствии с данными МАЛДИ масс-спектрометрии наблюдаются двухзарядные пики молекулярных ионов, содержащих, помимо катионов щелочных металлов, также и молекулы ацетонитрила [М + 2Na + MeCN]+ и [М + Na + К + MeCN] . Авторами был проведен гидролиз полимакроцикла 67 в присутствии NaOH для получения карбоксилированного полимакроцикла. В результате реакции была получена трудноразделимая смесь продуктов частичного гидролиза [70].

Взаимодействием макроциклов 69 и 70 с соединениями 71, 72, 73, содержащими трис-анилиновые ядра, в несколько стадий были синтезированы трис-каликс[4]арены 75, 77 и 79 [71]. Реакцией макроцикла 69 с производными 71 и 72 были получены ожидаемые продукты с хорошими выходами, в то время как в случае соединения 73 был выделен только исходный макроцикл. Это связано с низкой реакционной способностью соединения 73. Поэтому авторы решили использовать в реакции ацилирования гораздо более активный хлорангидрид 70. Ацилирование макроциклом 70 ароматических триаминов 71-73 проводили в безводном ТГФ при -10 С в присутствии диизопропилэтиламина. В результате трис-амины превращаются в соответствующие трис-амиды 74, 76, 78 с выходами 73-85%. Время проведения реакции зависит от природы центрального кольца следующим образом: наиболее реакционноспособным оказалось соединение 71 (12 ч), затем 72 (24 ч) и 73 (36 ч и в присутствии двух экв. хлорангидрида на каждую аминогруппу). Восстановлением нитропроизводных 74, 76 и 78 в присутствии палладиевого катализатора при комнатной температуре с хорошими выходами получены целевые дендримеры 75, 77 и 79, поверхностно-функционализированные первичными аминогруппами [71].

В научной группе Дмитрия Рудкевича (Dmitriy Rudkevich) были синтезированы калике дендримеры, содержащие калике [4] ареновые единицы в качестве терминальных фрагментов [72]. Так, взаимодействием каликсарена 80 с соответствующими пептидными реагентами 82 и 83 были синтезированы дендримеры 81 и 84, содержащие два каликсареновых фрагмента в своем составе. Наличие большого числа связывающих фрагментов на поверхности/внутри нанометровых рецепторов, уникальная система водородных связей пептидной части рецептора приводит к специфичности и высокой эффективности связывания различных гостей. С помощью жидкостной экстракции было показано сильное сродство синтезированных производных 81 и 84 к катиону Na [72]. ЕЮ о/Та

Акриламидные производные я-/м/?/м-бутилтиакаликс[4]арена в синтезе мультитиакаликс[4]аренов

Разработка новых селективных синтетических рецепторов является предметом интенсивных исследований в последние несколько десятилетий. Понимание закономерностей процессов молекулярного распознавания позволило перейти от дизайна рецепторов на «простые» субстраты (катионы, анионы) к конструированию более сложных наноразмерных рецепторов, способных к многоцентровым взаимодействиям с различными объемными субстратами, например, такими как белки и ДНК [99-100]. Следует отметить, что, несмотря на значительные успехи, достигнутые в данной области, подобные взаимодействия не имеют специфического характера с точки зрения геометрии объёмного субстрата. Как правило, распознавание или разделение достигается: (а) за счёт взаимодействия противоположно заряженных групп рецептора и субстрата, (б) за счёт комплементарности пор размерам объёмного субстрата (например, при разделении с применением мембран) и (в) распознаванием аптамера - некоего относительно небольшого и, как правило, линейного фрагмента объёмного субстрата (в случае белков -это небольшие пептидные последовательности) [101]. Первые два подхода (а и б), несмотря на очевидные ограничения (размеры субстратов и/или функциональный состав должны значительно различаться), удачно комбинируются (например, опаловые мембраны, функционализированные комплементарными функциональными группами) [102]. Последний подход (в) также находит широкое применение в нанотехнологии для распознавания белков, однако выбор аптамера, как правило, является сам по себе нетривиальной задачей. Мы предлагаем четвёртый подход, безусловно реализованный в природе, но пока практически не представленный в литературе - собрать полифункциональное соединение, группы которого были бы не только комплементарны объёмному субстрату, но и, подобно четвертичной структуре белка, были бы расположены в пространстве по принципу «рука-перчатка». Решение этой задачи лежит на стыке органической химии и нанотехнологии. Так называемый подход «снизу вверх» для получения наночастиц невозможен без применения синтетических методов органической химии [103].

Развитие химии макроциклических соединений позволило создать большое количество эндорецепторных систем на обширный круг различных «простых» субстратов. Использование макроциклических структур в качестве строительных блоков наночастиц позволит совмещать преимущество макроциклов (пространственная предорганизация центров связывания, возможность реализации аллостерического эффекта) со свойствами наночастицы (многоцентровое взаимодействие, кооперативный эффект).

Продукты циклической конденсации фенолов и серы -тиакаликс[4]арены - являются привлекательной макроциклической платформой для создания синтетических рецепторов [104, 105]. Способность включать внутрь гидрофобной молекулярной полости небольшие молекулы с образованием комплексов типа «гость-хозяин», нетоксичность исходной макроциклической платформы, легкость функционализации «верхнего» и «нижнего» ободов макроцикла, синтетическая доступность, возможность функционализации мостиковых фрагментов, конформационное разнообразие пространственных изомеров (конус, частичный конус, 1,2-алътернат и 1,3-алътернат) открывают широкие возможности по направленному синтезу полифункциональных наночастиц с контролируемым расположением связывающих фрагментов в пространстве.

Одним из перспективных подходов к направленному синтезу наноразмерных рецепторов на основе и-/77/?е/т7-бутилтиакаликс[4]ареновой платформы является создание полифункциональных производных - так называемых калике дендримеров. Можно выделить два типа дендримерных производных на основе макроциклической платформы тиакаликс[4]арена: первый тип - макроциклическая платформа является «ядром» дендримера; второй тип - макроциклическая платформа используется в качестве ядра и в качестве периферийных фрагментов (рис.2). и-шрет-бугилтиакаликс[4]арена Рис.2. Типы дендримероподобных структур на основе п-трет бутилтиакаликс [4 ] арена. Полифункциональная природа, многообразие конфигурационных изомеров, а также возможность получения частично и различно замещенных производных макроциклической платформы и-/77/?е/т7-бутилтиакаликс[4]арена позволит задавать требуемую геометрию и необходимые функциональные группы калике дендримеров и мультитиакаликс[4]ареновых систем. В качестве основных терминальных фрагментов гиперразветвленных производных и-/77/?е/77-бутилтиакаликс[4]арена были выбраны карбоксильные и аминогруппы, так как именно данные группы зачастую играют очень важную роль при распознавании белковыми структурами различных субстратов. Огромный синтетический потенциал, а также возможность реализации электростатического и специфического водородного связывания карбоксильных и аминогрупп делает данные группы наиболее привлекательными для введения в структуру тиакаликсдендримеров и мультитиакаликс[4]аренов. Большое количество различных реакционных центров, сложность выделения конечных продуктов реакции, а также многостадийность процесса синтеза требуют разработки оптимальных синтетических подходов к получению разветвленных производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена. Следует особо отметить, что синтез калике дендр им еров и мультикаликс[4]ареновых структур является нетривиальной задачей в химии макроциклов.

Как и в случае дендримеров, содержащих аминогруппы и карбоксильные фрагменты, в литературе представлены как дивергентные [42], так и конвергентные подходы к синтезу (тиа)каликсдендримеров [48]. В связи с этим особый интерес представляет применение аза-реакции Михаэля (рис. ЗА).

Синтез защищенных производных я-/м/?/м-бутилтиакаликс[4]арена -макроциклических блоков мультитиакаликс[4]ареновых систем

Структура синтезированных макроциклов была доказана рядом физико-химических методов: ЯМР 1Я, 13С, Н NOESY, ИК спектроскопии, МАЛДИ масс-спектрометрии, а состав был подтвержден с помощью элементного анализа. На рисунке 18 представлен спектр ЯМР Н соединения 198, в котором сигналы /и е/и-бутильных протонов заместителей аренового кольца наблюдаются в виде уширенного синглета при 1.20 м.д., а сигналы протонов /72/?е/72-бутильного фрагмента ВОС группы наблюдаются в виде синглета при 1.42 м.д.; сигналы протонов этилиденовых фрагментов проявляются в виде уширенных синглета и триплета дублетов с химическими сдвигами 4.03 м.д. и 2.96 м.д.; пропилиденовые протоны пропилфталимидных групп проявляются в виде серии мультиплетов при 1.77 м.д. и 3.5-4.0 м.д. соответственно, сигналы ароматических протонов макроцикла проявляются в виде двух мультиплетов при 7.35 и 7.38 м.д.; сигналы амидного протона наблюдаются в виде уширенного синглета в области 5.47 м.д.; сигналы от ароматических протонов фталимидных фрагментов проявляются в виде двух мультиплетов в области 7.71 и 7.83 м.д. Интегральная интенсивность, химические сдвиги и мультиплетность сигналов протонов в спектре ЯМР Н хорошо согласуются с предложенной структурой тиакаликс[4]арена 198.

Пространственная структура макроцикла 198 была подтверждена с помощью двумерной Н ЯМР NOESY спектроскопии (рис.19). В спектре Н ЯМР NOESY соединения 198 наблюдаются кросс-пики, обусловленные диполь-дипольным взаимодействием протонов трет бутильного и этилиденовых фрагментов с протонами пропиледеновых фрагментов, а также кросс-пики между ароматическими и /и е/и-бутильными протонами макроцикла и протонами пропилиденового фрагмента, что подтверждает нахождение тиакаликс[4]арена 198 в конфигурации 1,3-алътернат.

Для селективного снятия ВОС защиты в присутствии фталоиламидных групп было осуществлено взаимодействие макроциклов 198 и 199 с трифторуксусной кислотой в дихлорметане в присутствии 5% Н20. В результате с хорошими выходами были получены моноамины 200 и 201, содержащие в своем составе три и два фталимидных фрагмента соответственно. Необходимо отметить, что по данным двумерной Н-НЯМР NOESY спектроскопии макроцикл 201 находится в конфигурации конус.

Для установления возможности селективного снятия фталимидных фрагментов в присутствии ВОС защиты было изучено взаимодействие макроциклов 198 и 199 с гидразингидратом в смеси растворителей ЕЮН/ТГФ (1:1). С выходами 97% и 83% были выделены макроциклы 202 и 203 соответственно. Структура синтезированных макроциклов 198-203 была подтверждена с помощью ряда физико-химических методов: ЯМР 1Я, 13С, Ti H NOESY, ИК спектроскопии, МАЛДИ масс-спектрометрии, а состав был подтвержден с помощью элементного анализа.

Таким образом, были синтезированы моноамины на основе тиакаликсарена, содержащие в своем составе помимо первичных аминогрупп также /72/?е/72-бутилацетатные, трет-бутильны&, фталимидные и аминогруппы. Оказалось, что при взаимодействии макроцикла 181 с ди-/72/?е/72-бутилдикарбонатом, в зависимости от температуры, времени проведения реакции, а также наличия основания, образуются моно-(192), бис-(193) и тетразамещенные (196) тиакаликс[4]арены. Структура всех полученных соединений была подтверждена комплексом физических и физико-химических методов: ЯМР Ни С, ИК спектроскопией и масс-спектрометрией, рентгеноструктурным анализом, а состав подтвержден данными элементного анализа. 2.4 Синтез пентакистиакаликс[4]аренов

Для получения мультитиакаликс[4]аренов с различным пространственным расположением терминальных макроциклов в качестве ядер были выбраны производные тиакаликс[4]арена, содержащие четыре карбоксильные группы в различных конфигурациях: конус 204, 1,3-алътернат 205 и частичный конус 206, которые получали по известным методикам [126].

Первоначально в качестве исходного реагента для синтеза полимакроциклических систем было изучено моноаминопроизводное 182. Для синтеза мультикаликсаренов действием хлористого тионила тетракислоты 204-206 были переведены в соответствующие хлорангидридные производные. Хлорангидриды кислот были введены в реакцию с моноамином 182 в дихлорметане в присутствии триэтиламина при охлаждении. 208 (35%)

Нужно отметить, что выбор в качестве аминного компонента макроцикла 182 со свободными фенольными гидроксилами привел к протеканию побочных реакций. Разделение при помощи колоночной хроматографии реакционной смеси проводилось с различными элюентами, но не дало результатов. По-видимому, трудности при разделении реакционной смеси с помощью колоночной хроматографии связаны с сильной адгезией мультикаликсаренов с поверхностью силикагеля. Выделение целевых продуктов было проведено с помощью многократной перекристаллизации из метанола. Пентакистиакаликс[4]арены 207-209 были получены с невысокими выходами. Структура полученных соединений 207-209 была подтверждена комплексом физических и физико-химических методов: ЯМР Ни С, ИК-спектроскопией и масс-спектрометрией, а состав подтвержден данными элементного анализа. В спектре ЯМР Н соединения 208 (рис.21) сигналы протонов /и е/и-бутильных фрагментов наблюдаются в виде трех синглетов в области 1.2 м.д.; сигналы протонов этилиденовых и оксиметиленовых фрагментов проявляются в виде двух мультиплетов и одного синглета в области 4.2 м.д.; сигналы амидных протонов наблюдаются в виде уширенного триплета в области 8.7 м.д., сигналы протонов ароматических колец мультикаликсарена 208 проявляются в виде трех синглетов и квадруплета от АВ-спиновой системы в области 7.6 м.д.; сигналы протонов фенольных гидроксилов проявляются в виде двух синглетов в области 9.3 м.д. Соотношение интегральных интенсивностей, химические сдвиги и мультиплетность сигналов протонов хорошо согласуются с предложенной структурой макроцикла 208.

Хлорангидридные производные на основе тиакаликсарена являются высоко активными ацилирующими реагентами, что обусловливает их низкую селективность как реагентов. В связи с этим реакция хлорангидридных производных тиакаликс[4]арена проходит не только по аминогруппе, но и по свободным фенольным гидроксилам макроцикла 182. Для снижения реакционной способности ацилпроизводных и-/77/?е/т7-бутилтиакаликс[4]арена и увеличения селективности ацилирования макроцикла 182 было предложено использовать N-гидроксисукцинимидные производные тиакаликсарена в качестве ядер мультикаликсареновых систем. Макроцикл 210 был получен из соответствующей тетракислоты 205.