Содержание к диссертации
Введение
2. Синтетические переключатели и сенсоры на основе краун-эфиров 5
2.1. Введение 5
2.2. Разновидности краун-эфиров 6
2.3. Способность краун-эфиров к связыванию катионов 7
2.4. Молекулярные переключатели на основе краун-эфиров. 8
2.4.1 Краунсодержащие азобензолы и фотохимическое переключение (photochemical switching) 9
2.4.2 Окислительно-восстановительное и электрохимическое переключение 10
2.5. Сенсоры на основе краун-эфиров 12
2.5.1 Сенсоры на основе фотохромных краун-эфиров в составе супрамолекулярных систем 14
2.5.2 Молекулярные ловушки 38
3. Обсуждение результатов 41
3.1 Введение 41
3.2 Способы объединения краун-эфирного и фотохромного фрагментов в одной системе ковалентной связью 42
3.3. Способы объединения краун-эфирного и фотохромного фрагментов в
одной системе типа «ротаксан» 67
4. Экспериментальная часть 88
4.1. Синтез исходного краун-эфира 89
4.2. Синтез исходного хромена для реакции каталитического аминирования. 91
4.3. Общая методика получения аминохроменов методом каталического аминирования с использованием ацетата палладия и BINAP 92
4.4. Общая методика снятия ацетильной защиты 96
4.5. Общая процедура восстановления нитросоединений 96
4.6. Общая методика синтеза краунированных хроменов 99
4.7. Синтез макроцикла ...102
4.8. Синтез осей 112
4.9. Синтез ротаксана 121
5. Выводы 124
6. Приложения 125
6.1. Длины связей (d) и валентные углы (со) в кристалле соединения 80с. 125
6.2. Спектры ЯМР некоторых полученных соединений 129
7. Список литературы
- Способность краун-эфиров к связыванию катионов
- Окислительно-восстановительное и электрохимическое переключение
- Способы объединения краун-эфирного и фотохромного фрагментов в одной системе ковалентной связью
- Общая методика получения аминохроменов методом каталического аминирования с использованием ацетата палладия и BINAP
Введение к работе
Актуальность темы. Поиск и создание управляемых молекулярных фототтереключаемых структур достаточно актуальны в настоящее время Они уже нашли применение в различных областях науки и техники Особый интерес к таким структурам связан с возможностью их применения для создания новых средств оптической записи информации, а также материалов молекулярной электроники. Фотопереклгочаемые структуры используются как аналитические реагенты для диагностики ионов, а так же в качестве переносчиков катионов металлов в их фотоуправляемом транспорте через клеточные и искусственные мембраны
Наиболее перспективными фрагментами, чутко реагирующими изменениями структуры молекулы на УФ-облучение, являются хромены Введение в молекулу хромена краун-эфирного фрагмента, способного к изменению характера электронных эффектов при комплексообразовании с катионами металлов, дает возможность управлять фотохромными свойствами молекулы Краунированные нафтопираны при УФ-облучении достаточно легко изомеризуются, что может привести к возникновению дополнительной координационной связи между катионом металла и атомом кислорода раскрытой «мероцианиновой» формы Эта схема пока остается гипотетической, поскольку такие превращения в ряду краунированных нафтопиранов еще не изучались Учитывая сказанное, актуальной является разработка методов синтеза управляемых фотохромных систем на основе краунированных бензо- и нафтопиранов.
Цель работы. Разработка удобных способов объединения краун-эфирного (дибензо-18-краун-6) и фотохромного (пиранового) фрагментов в одну систему с целью получения новых фото- и катионочувствительных сенсоров и синтетических ионофоров
Научная новизна. Разработан метод каталитического араминирования бромхроменов с использованием реакции Бушвальда-Хартвига, позволяющий с высокими выходами получить замещенные ариламинонафто- и бензопираны
Впервые синтезированы краун-эфиры с двумя фотохромными нафтопирановыми
фрагментами и изучены их электронные спектры поглощения (ЭСП). Для
бензопиранов установлено существование двух конкурирующих хромофорных систем.
полидиеновой и «мероцианиновой» Продемонстрирована зависимость между
комплексообразованием и фотоизомеризацией краунсВДфададвдодрДОЁЦДОя J
і БИБЛИОТЕКА I
' оэ "ft "Jo <
2 Впервые были предложены и разработаны модели моно- и бифотохромных ротаксанов, которые могут реагировать изменением структуры на УФ-облучение Предложена и выполнена схема самосборки нового бифотохромного ротаксана по методу захвата аниона.
Практическая значимость работы состоит в разработке удобных способов синтеза производных на основе дибензо-18-краун-6 и [2Н]- и [ЗЫ]-хроменов Показано, что обеспечить взаимодействие хромена и краун-эфира в условиях комплексообразования и УФ-облучения возможно двумя способами А) при объединении этих фрагментов в одной молекулярной системе ковалентной связью; Б) в молекулярном ансамбле типа «ротаксан»
Достоверность результатов подтверждается многократным повторением эксперимента, а также различными физико-химическими методами анализа, такими как хромато-масс-спектрометрия, спектроскопия ЯМР, электронная спектроскопия, масс-спектрометрия и рентгеноструктурный анализ
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 2 статьи
Апробация. По материалам диссертации представлено 3 доклада на
международных научных конференциях
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав (обзор литературы, обсуждение результагов, экспериментальная часть) и выводов. Список цитируемой литературы включает 129 наименований
Способность краун-эфиров к связыванию катионов
Одним из самых важных свойств краун-эфиров является комплексообразование с катионами металлов за счет неподеленных электронных пар гетероатомов. Эта способность была обнаружена и умело использована Ч. Педерсеном, Ж.-М. Леном и Д. Крамом, получившими Нобелевскую премию за исследования в этой области в 1987 году.
Свойство образования прочных комплексов с катионами многократно усилено в краун-эфирах из-за большого числа гетероатомов, у которых неподеленные электронные пары ориентированы внутрь цикла. В результате ионы щелочных и щелочноземельных металлов входят внутрь цикла, образуя с ним прочные комплексы.
Рентгеноструктурный анализ показал, что в незакомплексованном состоянии кристалл краун-эфира представляет из себя «параллелограмм» [8]: В состоянии комплекса внутренняя полость краун-эфира может менять свою конфигурацию [9]. Ниже приведена структура кристалла комплекса 18-краун-6, полученного при взаимодействии с KNO3 [10], предоставленная Кембриджской Структурной Базой данных (CSD): Процессу комплексообразования было посвящено несколько обзоров [11а,Ь] и монографий [11а-с]. Область распознавания катионов молекулярными синтетическими рецепторами на основе краун-эфиров сейчас является одной из самых актуальных [12].
С момента открытия способности краун-эфиров к образованию комплексов с катионами сразу же возник огромный интерес к возможности контролирования прочности и селективности комплексообразования посредством различных методов интерпретирования. Среди них можно выделить концепции молекулярного переключения (molecular switching) и молекулярного распознавания (molecular sensing), которые стали применять к исследованиям краун-эфиров.
Молекулярное переключение подразумевает изменения зарядов, конформаций или структур, которые делают возможным или, наоборот,предотвращают комплексование катиона структурой молекулы-«хозяина». Краун-эфиры являются важной составляющей множества сенсоров и свитчей, так как они обеспечивают места стыковок для молекул-«гостя», присутствие которых вызывает желаемые изменения в свойствах соединений.
В молекулах сенсоров (molecular sensing), в состав которых входят фрагменты краун-эфиров, способные связывать катионы, также имеют место процессы комплексообразования. 2.4.1 Краунсодержащие азобензолы и фотохимическое переключение (photochemical switching).
Одними из самых ранних исследований в области химических переключателей были эксперименты с краунсодержащими азобензолами. С. Шинкай и сотрудники продемонстрировали способность этих соединений к фоточувствительному распознаванию [13]. Обычной конформацией N=N связи в азобензоле является транс-конформация (Е), при облучении соответствующей длиной волны конфигурация двойной связи меняется на цис-конформацию (Z). Ниже приведен пример такой молекулы, где два фрагмента бензо-15-краун-5 соединены между собой азогруппой облучении видимым светом краунсодержащее азосоединение подвергается изомеризации, изменяясь с транс- на цис-конформацию: в результате два кольца макроцикла приближаются друг к другу» вследствие чего между ними может поместиться катион, и таким образом формируется сендвичевый комплекс [14]. Тот же принцип самоорганизации был впоследствии продемонстрирован в молекулах, содержащих краун-эфир, ион аммония и фрагмент азобензола [15]. - 0(CH2)nNH3 о о о о Ґ 1 XJ "V4 10 Для этих соединений при п=6 или 10 было доказано образование внутримолекулярных комплексов краун-эфира и иона аммония. 2.4.2 Окислительно-восстановительное и электрохимическое переключение. С. Шинкай и сотрудники [16] также предложили и продемонстрировали электрохимические и окислительно восстановительные методы применения производных краун-эфиров в качестве молекулярных переключателей.
В 1985 году были синтезированы производные бензо-19-крауна, содержащие пять атомов кислорода и дисульфидный мостик. Данные соединения в ходе окислительно-восстановительных процессов образуют конфигурации с усиленной способностью к комплексованию. Таким образом, конформация соединения как бы переключается из HS-состояния, неспособного образовывать сендвичевые комплексы, в -S-S- состояние, допускающее такое комплексообразование.
Окислительно-восстановительное и электрохимическое переключение
В литературе описано множество примеров использования краун-эфиров в качестве сенсоров для обширного ряда неорганических ионов. Их селективные рецепторные свойства в сочетании с простотой синтетических методов являются привлекательной предпосылкой для создания новых ионофоров. Несколько ионофоров, описанных в последнее время, представлены ниже.
Несмотря на то, что большое количество сенсоров на основе краун-эфиров разработаны для использования в ионселективных электродах, существует много других способов применения этих соединений. В 70-х годах проводилось много исследований, касающихся красителей на основе краун-эфиров [20]. Первыми из описанных соединений явились 4 пикриламинопроизводные бензо-15-крауна-5 [21]. Эти красители, большинство из которых нерастворимы в водной среде, могут эффективно экстрагировать катионы из органических и водных сред. Экстракция сопровождается изменением цвета, которое может быть детектировано спектрофотометрически. Одно из производных бензо-15-краун-5 меняет свой цвет с красного на оранжевый при избирательном связывании с К+ или Rb+, но неспособно связывать Li+ или Na+. \ / НІ
Изучение этого соединения показало, что оно образует комплексы состава 2:1 с объемными катионами металлов (два лиганда на один катион). Более простые соединения, в составе которых имеется 18-краун-6 [11] связывают катион металла в комплексы (1 : 1), но с меньшей селективностью. Для получения различных показателей селективности, растворимости и рН-зависимости были разработаны соединения на основе азакраун-эфиров и лариат-эфиров [22]. Т. Канеда и сотрудники синтезировали краун-эфир [23], внутри полости которого находится гидроксигруппа. 14 Добавление LiCl и избытка пиридина к лиганду обеспечивает изменение цвета с пурпурного ( =560 нм) на красный ( тах=490 нм), причем данный эффект не наблюдается при добавлении других катионов металлов. Детектирование таким хромогеном катионов Li+ в концентрации 25-250 ppb (ppb - концентрация, показывающая количество частей вещества на 109 частей исследуемого объекта), производится в смеси СНСІз/DMSO. Несколько других хромогенных рецепторов было разработано С. Мисуми [24], Т. Соно [25], Р. Барчем [26], Б. Вайдиа [27], Дж. Бьерна [28], К. Кимурой [29], Ю. Кубо [30] и другими. Дж. Вайценс и сотрудники в последнее время представили хромогенную систему на основе каликсокраун-эфира [30с], которая обеспечивает К+-селективный перенос. С. Шинкай и коллеги также уделяли большое внимание подобным системам [31], а также хромогенам, содержащим спиробензопирановые фрагменты, которые широко использовались в разработках фотохромных сенсоров.
Поскольку краун-эфиры способны к селективному комплексообразованию с катионами металлов, введение краун-эфирного фрагмента в состав фотохромной молекулы позволяет при помощи комплексообразования управлять ее фотохромными свойствами или же, наоборот, управлять процессом комплексообразования путем действия света определенной длины волны на фотохромную часть молекулы.
В литературе существует большое количество работ, посвященных изучению комплексообразования таких систем. Описаны краунсодержащие спиробензопираны [32] с краун-эфирным фрагментом в бензольном кольце, например, соединение 1: оЛЛй Было показано, что добавление к раствору краунсодержащего спиропирана 4 (табл. 1) галогенидов щелочных или щелочноземельных металлов вызывает появление полосы поглощения в видимой области спектра [33]. Такое же явление установлено и для спиропиранов 13, 18, содержащих краун-эфирный фрагмент в другом положении [34-36]. Для определения факторов, влияющих на появление окрашивания спиропиранов, проводилось спектральное сравнение краунсодержащих спиропиранов 4, 13 с их аналогами 2, 3, 17, не содержащими краун-эфирного фрагмента. Установлено [36,37], что добавление катионов Li+, Na+ или К+ в раствор соединений, не содержащих краун-эфирный фрагмент, либо совсем не влияет на спектральные свойства мероцианиновой формы (спиропираны 2, 3, 17), либо влияет незначительно на спиропираны 8, 16 в случае, когда катион обладает большой поверхностной плотностью заряда (Li+). Аналогичные явления наблюдались для спиропиранов 22 - 24 [38] и 27 [39]
Способы объединения краун-эфирного и фотохромного фрагментов в одной системе ковалентной связью
Способность краун-эфиров связывать положительно заряженные участки цепочек лизина или аргинина уже известна достаточно давно [82 86]. Р. Джулиан и Дж. Бошамп использовали это свойство и разработали ряд рецепторов, а именно, соединения на основе краун-эфиров с возможностью сильных взаимодействий между 18-краун-6 и протонированной первичной аминогруппой [87-91]. Такие соединения называются «молекулярными ловушками», они комплексуют катионы в растворе, затем смесь анализируется при помощи масс-спектроскопии методом электрораспылительной ионизации (ESI-MS). Дж. Бошамп и сотрудники показали, что 18-краун-6 является чувствительным химическим датчиком молекулярной структуры (примеры приведены ниже).
Предварительные масс-спектрометрические измерения в экспериментах с цитохромом С и бычьим панкреатическим ингибитором трипсина (ингибитор BPTI) позволили предположить, что 18-краун-6- может быть использован для получения информации о поверхностных функциональных группах скрученного белка. Цитохром С содержит 11 остатков лизина, представленных на поверхности, 7 из них связаны, 4 являются свободными. Когда 18-краун-6 добавляли к раствору цитохрома С в водном метаноле (1:4), данные хроматомасс-спектров показали наличие четырех комплексов свободных лизиновых фрагментов с краун-эфиром. В случае же частичной денатурации цитохрома С краун-эфиры были присоединены ко всем 11-ти остаткам лизина. Похожие результаты получены и с ингибитором BPTI; в результате был предложен способ детектирования состава белка.
Желая расширить область экспериментов Р. Джулиан и сотрудники также исследовали молекулярное распознавание аргинина дибензо-30-крауном-10, влияние присутствия атома азота в аза-18-крауне-6 на распознавание лизина, а также введения диазогрупп на управляемую активацию молекулярного распознавания [92].
Российские ученые А. Ахмадеева и К. Платов [93] представили результаты исследований по молекулярно-структурному регулированию биохимических и физиологических процессов в биосистемах (тест-объектах) супрамолекулярными соединениями. В работе использовался циклогексил-18-краун-6, способный захватывать своим кольцевой молекулярной структурой в «ловушку» однозарядные катионы. Он исследовался как возможный регулятор действия однозарядных ионов в биосистемах, тест-объектах, модельных мембранах и ферментных системах. В качестве тест-объекта было выбрано одноклеточное микроскопическое животное Paramecium caudatum, являющееся калий-зависимой культурой. Опыты позволили предположить, что краун-эфиры, благодаря свойству «брать в ловушку» катионы и взаимодействию с мембранами [93], осуществляют транспортировку калия через мембрану и функционируют на мембране как модельные ионные каналы. По мнению авторов [93], циклогексил-18-краун-6 встраивается в цитоплазматическую мембрану клеток, формируя в ней калиевый шунт.
Из приведенных литературных данных следует, что в настоящее время исследования краун-эфиров являются весьма актуальными. Наибольший интерес представляет разработка новых фотохимических молекулярных переключателей и сенсоров на основе введения фотохромных заместителей в различные положения молекулы краун-эфира, что позволяет управлять ее свойствами. Спиронафтоксазины и спиропираны различного строения исследованы достаточно широко, но в литературе описано очень мало краун-содержащих систем на основе нафтопиранов, которые при наличии доступных исходных соединений могут быть достаточно просто синтезированы. Именно эти соединения и были использованы нами для создания новых перспективных синтетических ионофоров.
Как следует из литературного обзора, введение в молекулу хромена краун-эфирного фрагмента, способного к изменению характера электронных эффектов при комплексообразовании с катионами металлов, дает возможность управлять фотохромными свойствами молекулы. Большое внимание уделялось производным на основе спиронафтоксазинов, но было разработано лишь несколько примеров нафтопиранов, имеющих в своем составе краун-эфирный фрагмент, связанный с хромофорной системой. В целом эта область остается почти неисследованной, поэтому мы решили сконцентрировать внимание на разработке методов синтеза фотохромных систем на основе краунированных бензо- и нафтопиранов. К настоящему времени не были известны [2Н]- и [ЗН]- хромены, имеющие в своем составе фрагмент дибензо-18-краун-6, хотя исходные соединения для таких систем являются доступными или могут быть достаточно просто синтезированы.
Обеспечить взаимодействие хромена и краун-эфира в условиях комплексообразования и УФ-облучения возможно: А) при объединении этих фрагментов в одной молекулярной системе ковалентной связью; в молекулярном ансамбле типа ротаксана, представляющего собой структуру «ось в колесе»: линейная молекула пронзает макроцикл и удерживается в нем за счет объемных концевых групп, которые предотвращают диссоциацию компонентов. Таким образом, две молекулы связаны в одной системе не ковалентно, а механически. При этом кольцевидная структура может перемещаться вдоль линейной части молекулы, изменяя ее свойства, что будет служить основой для создания компонентов с двумя потенциальными состояниями.
Общая методика получения аминохроменов методом каталического аминирования с использованием ацетата палладия и BINAP
В спектре замещенного бензопирана 82в (рис. 8), в мероцианиновой форме которого атом кислорода кетогруппы и ариламиногруппа находятся в виц-положениях, по сравнении со спектром изомера 826 наблюдается батохромний сдвиг обеих полос поглощения, соответственно, на 35-40 нм и 60 нм. Происходящее при этом внутримолекулярное наложение цветов обусловливает не сине-фиолетовый, а зеленый цвет открытой формы соединения 82в. . ЭСП соединения 82в в ацетонитриле до УФ-облучения:(1); после УФ-облучения: (2).
Отмеченные изменения объясняются, по-видимому, двумя причинами. Во-первых, при виц-расположений атома кислорода кетогруппы и вторичной аминогруппы может возникать ВМВС, приводящая к увеличению эффекта как электроноакцептора (С=0), так и электронодонора (ArNH). Во-вторых, увеличивается цепочка сопряженной полидиеновой системы, в которую включена ариламиногруппа, что обусловливает батохромное смещение длинноволновой полосы поглощения. ЭСП соединения 82г в ацетонитриле до УФ-облучения:(1); после УФ-облучения: (2). Для соединения 82г принципиально возможны два варианта происхождения длинноволновой полосы в спектре. Ее можно рассматривать как батохромно смещенную полосу мероцианиновой формы (до введения ариламиногруппы) нафтопирана, или как полосу, обусловленную я-тс -электронным переходом в полидиеновой системе, включающей конденсированное бензольное кольцо с ариламиногруппой.
В первом случае не представляется возможным объяснить батохромный сдвиг (АХ =100 нм), так как основной электроноакцептор (С=0) мероцианиновой структуры будет опосредованно испытывать электронодонорное влияние ариламиногруппы. С другой стороны, включение ее в сопряжение с полидиеновой тс-электронной системой может привести к появлению соответствующей полосы поглощения в результате тете -электронного перехода с переносом заряда с атома азота аминогруппы. А гипсохромный сдвиг данной полосы относительно аналогичной полосы в спектре соединения 826 объясняется тем, что в открытой форме бензопирана 826 ариламиногруппа непосредственно взаимодействует с полидиеновой системой, а в случае соединения 82г - только через тс-электронную систему бензольного кольца. Поглощение собственно мероцианиновой структуры нафтопирана 82г проявляется в спектре как перегиб в области 400-450 нм, где происходит его наложение на длинноволновую полосу закрытой формы этого соединения.
Следует отметить, что в спектрах открытой формы всех бензо- и нафтопиранов, содержащих ариламиногруппу, в области 350-360 нм присутствует новая полоса поглощения, положение которой практически не зависит от строения бензо- и нафтопирановых частей молекул. В связи с этим можно считать, что ее появление обусловлено локальным поглощением Tt-электронной системы 1-фенил стирильного фрагмента открытой формы бензо- и нафтопиранов.
Нами также было рассмотрено влияние комплексообразования на фотоизомеризацию краунсодержащих хроменов. Обнаружено, что при УФ-облучении краунированного нафтопирана 82 г в присутствии 10-кратного избытка катионов Na+ или Са2+ интенсивность поглощения в области 270 нм понижается по сравнению со спектром свободного незакомплексованного
Модификация хроменов п-нитрофенил-, п-аминофениламиногруппами и аминокраун-эфирами не только привела к интересным изменениям в их свойствах, но также позволяет рассматривать их как синтоны для дальнейших превращений. Используя реакционную способность аминогруппы можно синтезировать новые модифицированные хромены: например, аминохромены могут быть ацилированы различными составляющими с биологической активностью. Аминогруппа также играет важную роль в процессе присоединения другой фотохромной системы к существующему хромену с целью получения двухволновых селективных меток.
Основой для создания блоков памяти и компьютерных процессоров являются компоненты (ключи), имеющие два возможных положения (например, включено-выключено или 1-0). Несколько лет назад исследователи компании Hewlett-Packard в качестве такого ключа предложили молекулу, названную «ротаксан» [111]. Ротаксаны представляют собой молекулярную систему «ось в колесе»: линейная молекула пронзает макроцикл и удерживается в нем за счет концевых объемных групп, предотвращающих диссоциацию компонентов. Таким образом, две молекулы связаны не ковалентно, а механически. Кольцевидная структура может перемещаться вдоль оси всей молекулы, изменяя её свойства, что может служить основой для создания компонентов с двумя состояниями.
Доктор Дж. Тоур (университет Rice, США), отметил [112], что если бы каждая молекула представляла собой один бит информации, то вся история и культура человечества могла бы поместиться во что-то размером с банку от Кока-Колы. Уже сейчас исследователи Hewlett-Packard нашли способ соединять молекулы для получения отдельных блоков памяти [112].
Создание новых ротаксанов является актуальным, интересным и перспективным. В последнее время удалось создать переключающиеся молекулярные ансамбли, изменяющие свою пространственную структуру в зависимости от действия таких внешних факторов, как показатель рН или электрохимический потенциал среды [112]. Разработка систем, переключательная способность которых могла бы управляться облучением определенной длинЫ волны, а также наличием или отсутствием комплексообразования с катионом металла, существенно бы расширила существующую область исследований. Краун-эфиры и хромены являются подходящими строительными блоками для такой системы, поэтому мы решили сконцентрировать внимание на разработке синтетической стратегии, позволяющей сконструировать на их основе новый ротаксан.
