Функционализация нижнего обода n-трет-бутилтиакаликс[4]арена азотсодержащими фрагментами

Галухин, Андрей Владимирович

Функционализация нижнего обода n-трет-бутилтиакаликс[4]арена азотсодержащими фрагментами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Галухин, Андрей Владимирович АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Функционализация нижнего обода n-трет-бутилтиакаликс[4]арена азотсодержащими фрагментами»

Автореферат диссертации на тему "Функционализация нижнего обода n-трет-бутилтиакаликс[4]арена азотсодержащими фрагментами"

На правах рукописи

ГАЛУХИН АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ НИЖНЕГО ОБОДА Л-ГРЕТ-БУТИЛТИАКАЛИКС[41АРЕНА АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ ФРАГМЕНТАМИ: СИНТЕЗ РЕЦЕПТОРОВ И ИХ КОМПЛЕКСООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА ПО ОТНОШЕНИЮ К НЕКОТОРЫМ АНИОНАМ И ПОЛИАНИОНАМ

02.00.03 - Органическая химия

1 О OKI 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Казань-2013

005534687

Работа выполнена на кафедре органической химии Химического института им. А.М.Бутлерова федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Министерства образования и науки Российской Федерации.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор химических наук, профессор Стоиков Иван Иванович

Гаврилова Елена Леонидовна,

доктор химических наук, профессор кафедры органической химии ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Газнзов Альмир Сабирович

кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории элементоорганического синтеза ФГБУН «Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова» РАН, г.Казань

Научно-исследовательский институт физической и органической химии ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» (НИИ ФОХ ЮФУ), г.Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится «14» ноября 2013 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.081.30 по химическим наукам при ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18, Химический институт им. А.М. Бутлерова, Бутлеровская аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского (Приволжского) федерального университета. Автореферат размещен на сайте www.kpfii.ru. Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18, ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», научная часть.

Автореферат разослан » сентября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.081.30 кандидат химических наук, доцент

М.А. Казымова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современной тенденцией развития органической химии является постепенное усложнение синтезируемых объектов, а также выявление качественных и количественных закономерностей, связывающих структуру соединения с проявляемыми им свойствами. В области молекулярного дизайна супрамолекулярных рецепторов, являющейся одним из наиболее динамично развивающихся направлений современной органической химии, также наблюдается тенденция перехода от изучения связывания «простых» низкомолекулярных субстратов к распознаванию биологических макромолекул.

Постепенное усложнение структуры синтетических рецепторов немыслимо без использования макроциклических соединений, играющих роль молекулярных платформ, задающих ориентацию центров связывания и определяющих селективность и эффективность взаимодействия пары «рецептор-субстрат». Одними из наиболее широко используемых молекулярных платформ являются каликсарены и тиакаликсарены, обладающие набором привлекательных свойств (возможностью функционализации верхнего и нижнего ободов макроцикла, конформационным разнообразием, синтетической доступностью). В связи с этим вызывает большой интерес разработка методик синтеза производных тиакаликс[4]аренов, отличающихся числом и пространственным расположением участков связывания, а также способных к распознаванию различных анионных и полианионных субстратов.

Несмотря на успехи исследователей в создании систем, способных к селективному связыванию и массопереносу анионных субстратов, задача распознавания поверхности полианионов (нуклеиновых кислот) до сих пор не решена. Одним из возможных её решений является применение супрамолекулярных коллоидных экзорецепторов.

Разработка принципов нековалентной самосборки производных каликсаренов с формированием монодисперсных коллоидных частиц, способных к распознаванию целевых субстратов своей поверхностью, является комплексной задачей, требующей глубокого понимания закономерностей протекающих процессов. Подобные ассоциаты показали свою эффективность в процессах массопереноса различных лекарственных препаратов через фосфолипидные мембраны.

Степень разработанности темы исследования. Большинство ранее проведенных исследований в рамках обозначенной темы было направлено на разработку эффективных и селективных рецепторов на анионные субстраты, а также на выявление закономерностей типа «структура-свойство», позволяющих целенаправленно получать соединения, обладающие заданными комплексообразующими характеристиками. Однако полученные закономерности удовлетворительно работают только для простейших сферических анионных субстратов. Современные исследования в данной области имеют тенденцию перехода от изучения селективного связывания сферических анионов к распознаванию сложных биологических полианионов с целью их транспорта через различные мембраны,

каталитических превращений, выявления их антимикробной и антибактериальной активности.

Как показали исследования, постепенное усложнение структуры синтетических рецепторов немыслимо без использования макроциклических соединений, играющих роль молекулярных платформ, задающих ориентацию центров связывания и определяющих селективность и эффективность взаимодействия пары «рецептор-субстрат». Наибольший интерес исследователей привлекает введение гуанидиниевых фрагментов, комплементарных фосфатным и карбоксилатным группам, позволяющих осуществлять распознавание субстрата в широком интервале рН. На сегодняшний день наиболее широко используемой молекулярной платформой является каликсарен, в то время как его тиа-аналог, тиакаликсарен, обладающий большим конформационным разнообразием и синтетическим потенциалом, исследован в гораздо меньшей степени.

Целью работы является синтез замещенных по нижнему ободу п-тргт-бутилтиакаликсаренов, функционализированных азотсодержащими группами (фталимидные, аминные, мочевинные, аммонийные, гуанидиниевые) для распознавания анионных и полианионных субстратов, установление их структуры комплексом физических методов, оценка комплексообразующей способности полученных соединений по отношению к некоторым однозарядным анионам и модельным олиго- и полинуклеотидам.

В задачи работы входят:

• Синтез производных л-/ир>ет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих фталимидные, аминные, мочевинные, аммонийные, гуанидиниевые фрагменты на нижнем ободе макроцикла.

• Установление структуры полученных соединений комплексом физических методов.

• Установление агрегационных характеристик полученных водорастворимых производных и-/ирет-бутилтиакаликс[4]арена.

• Количественная оценка комплексообразующей способности полученных соединений по отношению к некоторым однозарядным анионам

• Оценка комплексообразующей способности полученных соединений по отношению к модельным олиго- и полинуклеотидам.

• Анализ влияния структуры полученных макроциклов на их комплексообразуюгцую способность по отношению к некоторым однозарядным анионам, а также модельным олиго-и полинуклеотидам.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые синтезированы частично- и тетразамещенные по нижнему ободу производные и-/лрети-бутаптиакаликс[4]арена в конфигурациях конус и 1,3-альтернат, содержащие фталимидные, аминные, фенилмочевинные, аммонийные, гуанидиниевые фрагменты. Структура соединений установлена комплексом физических методов;

- установлена стереоселективность реакции и-тре/я-бутилтиакаликс[4]арена и N-(3-бромпропил)фталимида в ацетонитриле, контролируемая природой «темплатного» катиона соответствующего карбоната щелочного металла: в случае карбоната натрия образуется

тетразамещенное производное в конформации конус, а в случае карбонатов калия и цезия -1,3-апьтернат;

- установлено влияние макроциклической платформы «-га/геот-бутилтиакаликс[4]арена на реакционную способность амино- и Л^'-ди-(трет-бутоксикарбонил)гуанидиниевых групп;

впервые получены липидные наночастицы на основе производного тиакаликс[4]арена, содержащие гуанидиниевые группы на поверхности. Методами электронной и флуоресцентной спектроскопии показано эффективное взаимодействие полученных наночастиц с модельным полинуклеотидом, приводящее к денатурации последнего.

Теоретическая и практическая значимость. Синтезированы 24 новых частично- и тетразамещенных по нижнему ободу я-тр>е/я-бутилтиакаликс[4]арена в конформациях конус и 1,3-альтернат, содержащих фталимидные, амииные, фенилмочевинные, аммонийные, гуанидиниевые фрагменты. Структура соединений установлена комплексом физических методов. Методами электронной и флуоресцентной спектроскопии показаны эффективные комплексообразующие свойства полученных макроциклов по отношению к однозарядным анионам и многозарядным олиго- и полинуклеотидам, что открывает новые возможности для создания трансфекционных агентов, а также антибактериальных и противомикробных препаратов. Установленные синтетические, физико-химические и структурные характеристики, а также результаты их интерпретации вносят весомый вклад в развитие экспериментальных и теоретических взглядов на создание рецепторов на анионные субстраты.

Методология и методы исследования. В рамках проведенных исследований был использован широкий набор методов, включая последние методологические разработки в области синтеза макроциклических соединений, современные методы анализа состава смесей веществ и выделения из них индивидуальных соединений (тонкослойная и препаративная хроматография), методы изучения пространственного строения и физико-химических характеристик полученных соединений (одномерная и двумерная ЯМР 'Н, |3С, ИК, флуоресцентная - спектроскопия, масс-спекгрометрия (МА1Х)1 ТОР)).

Личный вклад автора заключается в разработке методов направленного синтеза новых азотсодержащих производных п-«гре/я-бутшггиакаликс[4]арена; идентификации новых полученных соединений и установлении их структуры; исследовании комплексообразующих характеристик синтезированных соединений; обобщении и анализе полученных результатов и литературных данных. Большая часть экспериментальных результатов и выводов сделаны автором лично.

На защиту выносятся:

Синтез ряда новых производных /?-тре/и-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих фталимидные, аминные, фенилмочевинные, аммонийные и гуанидиниевые группы. Разработка методов синтеза тетра- и частично замещенных по нижнему ободу производных л-/яре/и-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих гуанидиниевые группы.

Закономерности, связывающие структурные факторы замещенных по нижнему ободу л-трет-бутилтиакаликс[4]аренов с их комплексообразующей способностью по отношению к некоторым однозарядным анионам, а также модельным олиго- и полинуклеотидам.

Получение липидных наночасгиц на основе производных тиакаликс[4]арена, содержащих гуанидиниевые группы на поверхности, а также их эффективное взаимодействие с модельным полинуклеотидом.

Степень достоверности результатов. Высокая степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается тем, что в ходе выполнения диссертационной работы использован целый ряд различных современных физико-химических методов анализа.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Итоговой научной конференции Казанского федерального университета (Казань, 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Международном конгрессе по органической химии (Казань, 2011), X Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2011), Всероссийской конференции «Органический синтез: химия и технология» (Екатеринбург, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и 11 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включает 40 рисунков и 7 таблиц. Состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 115 ссылок.

В первой главе представлен обзор литературных данных, посвященных рецепторам на основе макроциклических молекулярных платформ, применение которых позволило совершить настоящий прорыв в распознавании анионных субстратов. Отдельные главы посвящены распознаванию полианионных субстратов и сопряженным с распознаванием процессам массопереноса и катализа.

Основные результаты экспериментальных исследований и их обсуждение приведены во второй главе. Обсуждены различные синтетические подходы к получению производных я-/ярет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих аминные, аммонийные, мочевинные и гуанидиниевые фрагменты, исследованы комплексообразующие свойства полученных соединений по отношению к однозарядным анионам, а также ряду модельных олиго- и полинуклеотидов. Методами флуоресцентной спектроскопии показано эффективное взаимодействие полученных рецепторов с изученными анионными и полианионными субстратами.

Экспериментальная часть работы, включающая описание проведенных синтетических, спектральных экспериментов, а также экспериментов по изучению агрегации, приведена в третьей главе диссертации.

(X НОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1 Смит функцмонализированньп но нижнему оболу п-трет-бутнлтнякалнке[4|ирснов с азотсодержащими протонояоиориымн фрш мииаии

При конструировании супрамолекудяриых рецепторов на анионные субстраты значительные успехи достигнуты при использовании в качестве участков связывания мочевинных, аммонийных и гуаннднниевых фупп. Каждый из фратмектов имеет свои преимущества и недостатки мочевинные группы благодаря отсутствию заряда применяются для распознавания анионных субстратов в органических средах, но не зффектнвны в водных, аммонийные группы отличаются легкостью получения, возможностью использования в водных средах, однако в узком интервале рН. а гуаиилиииевые могут истюльзоваться для распознавания анионных субстратов в воде • широком интервале рН.

Создание синтетических рецс!гторов с использованием макроциклических молекулярных платформ, таких как калике арены и тиакаликсареиы. способных пространственно прелортанизовывать центры связывания рецептора (рис. I). позволяет осуществлять дитопнос распознавание ионных пар и цвиттер-ионоь, распознавание субстратов сложной формы и их каталитические превращения, создавать молекулярные контейнеры путем нековалентной самосборки В связи с этим значительный интерес вызывает применение тиакаликс[4)ареновой платформы для конструирования рсцепторных структур на анионные и полнанионные субстраты путем введения различных азотсодержащих фрагментов по нижнему ободу макроииюш Для этого последовательно

решались задачи регио- и стереосеяективиото введения первичных аминогрупп по нижнему ободу макроцикла, дальнейшая их

трансформация в целевые фрагменты, а также изучение комплексообразующих характеристик полученных рецепторов.

Известно. что при алкнлировании п-т;>ет-

Рис.1. Пространственное расположение участков связывания бутилтиакаликс[4|арена в различных производных л-т/*/я-бупзлтиакаликс(41ареиа ацетоне в присутствии

карбонатов цезия или калия варьирование длины мостика, соединяющего фталнмидный

фрагмент и уходящую группу в бромалкилфталимндах. позволяет получать производные

тиакалнкс{4]арсна, в которых число алкнлфгалимндных трупп варьируется от одной до

четырех Оказалось, что темплатный эффект катиона металла при взаимодействии ЛЧЗ-

^¡гч

о Р

О - „Жн,

бромпропил>фталнмида с л-троя-бутилтиакаликс(4]ареном в ацетоне не проявляется, и единственным продуктом реакции является тегразамешеиный продукт 3, находящийся в конфигурации 1,3-аяыпериат

С целью получения продукт* в конфорчаими конус при проведении реакции в качестве растворителя нами был предложен ацетон итрм л, обладающий более высокой температурой кипения и более слабыми протокоашепторными и сольватируюшими свойствами по сравнению с ранее использованным ацетоном, что делает его перспективным для реализации темплатного эффекта катиона металла. В присутствие карбоната натрия образуется целевой продукт 7 Оказалось, что в зависимости от времени проведения реакции можно выдоить 1,3-дкзамсщенное производное 6 (50 ч, 72 %) и гстразамещениос производное 7 (100 ч, 53 "/*) в конфигурации конус

-Им 6 <50X. 72%) -№,1 <»*)

-Р1И 7 (100 ч. 534) 9 (»4)

Взаимодействием всех синтезированных фталимидсодержапшх производных 2, 3.6, 7 с гидра шн гидратом в смеси этанол-ТГФ были получены соответствующие амины 4. 5, 8. 9 Следует отметить, что количество фталимндных групп в макроциклах 2, 3, 6, 7 не влияет на время протекания реакции Целевые соединения были получены с высокими выходами (8095%)

Для введения протопал опорных мочевинных фрагментов было изучено взаимодействие аминов 5 и 9 с фемилизоцианатом в тетрагндрофуране В результате с высокими выходами были получены соответствующие производные 10 (1,3-аяьтермат) и II (комус), отличающиеся конфигурацией макроцнклнчсской платформы

С целью введения /**\ гидрофобных фрагментов в

N11 мГ структуру тиакалнкс|4|арена.

ни, кн. мн нкН' каличис которых- наряя> с

| С 1 Ч______Ч ^ у полярными группами, позволяет

У^ о(Г '">•' Гч рСГ /у получен, рамнчние коллоидные

^тСстчЭХ тг« чКД системы, было изучено

Уг /-уГ взаимодействие макроцикла 6 с I -

Н,1Ч $ 'УНз 1>=( Ио бромдеканом в ацетоне в

н\' . присутствии карбоната цезня.

\_/ ю (НУ.) Было выделено тстразамешенное производное тиакаликс[4]ареиа 12

у ~~г" X, ~Т у в конфигурации 1.3-аяып*рнат.

/7 которое было превращено в

ч^УгчК И» псо^ »ЛгЫяг»

0 9*? ч —тг*— Р УТ 9 соответствующий амин 13 и далее

Г Г N ) | в целевой макроцикл 14

Н,м ми. |УН) н^^оН о-Г" исЛкк> повышения числа

* Г^ ^^ связывающих фрагментов было

изучено взаимодействие амина 13 и (704) с ЛЦЗ-бромпропилДОталимидом в

ацетонитриле в присутствии карбоната калия Полученный продукт Л'-алкнтнрования 15 гидразииолизом в смеси ланол-ТГФ был превратен в амин 16 и далее в целевое соединение 17 действием фенилизоцианата в тетрагидрофуране

II ыын >НЛ1- 1!И-ИкМ(»»Ч> н,мкн/н,о1

1*Н-КН,<«>Ч)

ИМ0

|< к

РЫ4СО ТТФ

1—«-"н^м-Ч^

(..Н)

(Т»Н)

С целью получения гуаиидинийсолержаших производных п-трет-бутнлтнакалнкс|4|арсна было изучено взаимодействие синтезированных аминов 4. 5, 8, 9, 13

с рядом гуанидирующих реагентов, отличающихся реакционной способностью, синтетической и коммерческой доступностью.

Оказалось, что такие классические реагенты, как 3.5-лимстил-1 Н-пиразол-1 -карбокса.чидан нитрат, иканамнд и соли изотиоурония, успешно применяющиеся для введения гуанидиниевых фрагментов в немакроииклическис производные, независимо от условий реакции, являются неэффективными в случае производных тнакалнкс[4)арскд 4. 5. 8. 9, 13 во всех случаях образуются трудно разделимые смеси продуктов частичной фуикциотлошши.

Поскольку во всех случаях целевые соединения получены не были, решено было использовать дизащищенные трнфлнлгуаинлнны, которые являются одними из самых эффективных гуанидирующих реагентов Наш выбор остановился на бутоксикарбоиил)-Л>"-трифлнлгуанидине. Синтез проводился в два этапа: сначала соответствующие амины вводились в реакцию с ЛГ.Л''-д|М/лрлп-бутоксикарбоиил>-ЛГ'-трифлилгуанндино.ч. далее полученное производное обрабатывалось сильной кислотой для удаления /ярет-бутокенкарбонильных защитных групп Метол удобен тем. что стадия снятия тр?т-бутоксикарбонильной зашиты может протекать под действием различных кислот, что дает возможность варьировать противонои гуаннлиниевой группы в достаточно широких пределах

И чнв«

на тт*

у *Н> * ЯГ Н *

— и -на

ТГФ

мн,

^ 15(Н%>

ЧВос I КНВос

С1

10 (964)

CHjCb

В результате с высокими выходами были получены соответствующие Вос-защищеиные гуаниднниевые производные 18-21 Следует отмстить, что условна и врем* реакции отличались для разных исходных аминов 4, 5. 8, 9, 13: превращение аминов на основе тетразамешенных производных тиакаликс[4]арена 5, 9, 13 протекало быстро и не требовало катализаторов, в случае соединении 4 со свободными фенольными гндрокснмми на нижнем ободе требовался основный катализ ДЛЯ ускорения протекания реакции, в случае же амина 8, независимо от времени н условий реакции, была получек« трудно разделимая смесь продуктов частичною |уаиидирования Гидролиз соединений 18-21 солязой кислотой в водном тетрагидрофуране позволил получить соответствующие соли 23-26, причем тиакаликс{4)грсн 25 оказался водорастворимым

Известно, что водорастворимые катионные производные каликс[4]арсна могут эффективно спяливаться с отрицательно **ряженмЫ1 по«*р*ноотип ряшнчних биомакромолекул, например ДНК, посредством электростатического вз«имодейсп<ня и водородных связей, а также участвовать в процессах переноса ДНК через фосфолипидные мембраны клеток Для оценки влияния водородных связей на эффективность взаимодействия рецептора 25 с полианнонными субстратами нами был смнтезнро»ан модельный водорастворимый рецептор 27. содержащий в своем составе четвертичные аммонийные группы, также способный электростатически взаимодействовать с полиаиионной поверхностью бномакромо теку л, однако не содержащий в своем составе N-11 связей

Интересно отметить, что время гидролиза m/vm-бутокснкарбонилъних производных 18-21 также значительно отличается: в случае макроцнкла 18, содержащего свободные фенольные группы на нижнем ободе макроцнкла. время завершения гидролиза было больше в несколько раз по сравнснгао с тстразамешеиными производными тиакалигс|4)эрена 19-21. После проведения реакции в течение 24 часов в случае макроцикла 18 реакционная смесь содержала наряду с целевым соединением 23 продукт частичного гкаролиза трет-

бутоксикарбои ильных групп 22 в соотношении 23 22 - 45:55 Методом препаративной

колоночной хроматографии удалось выделить промежуточный продукт гидролиза 22 и охарактеризовать его. Было выдвинуто предположение, что наличие свободных фенольных групп в структуре макроникля приводит к образованию прочной водородной евши между фенольнымн гидроксилами нижнего обода макроцнша и защищенными

стабилизирует образующее* структуру 22 Данное предположение было подтверждено данными одномерной и двумерной спектроскопии ЯМР Для повышения числа катионных фрагментов в макроцикле было изучено взаимодействие амина 5 в конфигурации /,3-альтернат с Л'-<3-бромгропил)фталимндом Полученное в результате соединение 28, содержащее восемь фталимидных фрагментов, превращалось в амин 29 действием гидразингидрата в смеси этаиол-ТГФ н далее, действием Э-аллилизотиомочевины в кипящем тетрагидрофуране. в целевую октагуанндиниевую соль 30. растворимую в воде

9 ^ Г 5 .О ,0 Оч

н н Нн V Т

N4 Вое

Н^ЧКИ.-НгО)-

ЕЮН-ТТф"

» К-ЫН] (»94)

н,ы"мн7Г<Й1--30 Ц.

N14; в

Структура н состав новых производных тиакаликс[4]арена 7-30 были доказаны ЯМР *Н, "С. ИК-спсктроскопии, масс-спектрометрии (МАЬР1-Т0Р) и элементным анализом Для установления пространственной структуры макроинклов 7-30 были использованы методы двумерной МОЕЭУ !Н-'Н ЯМР-спектроскопии

Таким образом. установлена стсрсосслекгивностъ алкнл* рованкя п-трст-бутилтиакаликс(4]арена Л'-(3-бромпропил)-фталимидом в ацетоннтр^яе в присутствии карбоната натрия. Показано влияние макроцнклической платформы п-тргт-бутилтиакаликс[4]арена на реакционную способность амнио- н N-ди-(трет-бутоксикарбоннл)гуанидиниевых групп.

2 Компле «сообразующие и агрегациониые свойства синтезированных макроцаклов

С целью изучения влияния ряда структурных факторов (конформации макроцнкла, числа и природы заместителей) ив комплексообразующие свойства замешенных по нижнему ободу л-и|рет-бутилтиакаяикс|4]аренов по отношению к анионным и полианионным субстратам была проведена оценка рсцепторной способности синтезированиях соединений П. 14, 17 по отношению к солям тетрабутиламмоикя н-ВшЫХ (X «Г, СГ, Вг\ СНзСОз. НгРО/. N03") в трнхлорметане, а водорастворимых макроциклов 25. 2?. 29, 30 - 110 отношению к различным иолианионным субстратам (олмгоиуклеотиду СКХПТААССС, ДНК из молок лосося и тимуса теленка) методами электронной и флуоресцентной спектроскопии, а также методом динамического светорассеяния В связи с низкой растворимостью соединения 10 его комплексообразующие свойства изучены не были.

Предварительно для оценки возможности связывания тстрабутиламмотвтйного катиома синтезированными тнакаликс(4]аренами растворы соединений II, 14, 17 в присутствии 10-кратиого избытка »-ВшЫХ (X -Г, СГ. Вт'. СН>С02. Н2РО/, N00 » СОСЬ были изучены с помощью спектроскопии ЯМР 'Н В спектрах ЯМР 'Н химедвиги протоюв и-ВщЫ' не меняются. что свидетельствует об отсутствии взаимодействия полученных тиакаликс[4]аренов с тстрабутиламмоннйиым катионом

Для количественной оценки комплексообразующей способности сосдивеннй II. 14, 17 по отношению к ряду однозарядных анионов (Г, СГ, Вт, СНзСОг', НгРО/, N0)') были определены величины констант устойчивости и стехиометрия образующихся комплексов Методом нзомолярных серий было установлено, что стехиометрия всех комплексов составляет 11 Методом спектрофотометрнческого титрования были оценены константы ассоциации образующихся комплексов (рис 2). Расчет коиста!гт устойчивости комплексов проводили методом Г>еиешн-Хильлебранта (табл.1).

Из приведенных данных (табл.1) хорошо видно, что тиакаликсареи II с четырьмя фенилмочевинными фрагментами В конформации конус связывает ряд анионов (Г, Н2РО». СНзСОО! с близкой эффективностью

О .18 0.1« 0 14 0.« 0.10 0,08 о.ое

С.04 0.02 0.00

О 20 40 «О 80 С"Г0еТЪ"/С"10М(ВВ"

0.2 0 3 0.4 0$ Об 0.7 0 8 С"10ити"/(С " хгаягоГ'+С"гоеть"*)

Рис.2. (А) Кривая титрования и (Б) график Джоба для системы 11 с н-Ви«№

Таблиц* I. Логарифмы констант ассоциации комплексов синтезированных

соединений с аннонами

Соединение Анион

Г сг Вт' НгРОч СНСОО- ЫО,

II 483*0.25 3.41*0.17 - 4.01*0 51 4.44*0.45

14 3.2б±0.09 3.16*030 • 3 44*0.31 4.и*040 -

17 4.1210.20 - - 491*0.14 4.20*0.24 395*0 58

- нет изменений в УФ спектрах

В случае макроцикла 14 максимальное значение логарифма константы ассоциации комплекса наблюдается при связывании аиетат-аниона, а для соединения 17 -дигидрофосфат-аннона При переходе от производного нулевой генерааии (макроцикл 14) к первой (соединение 17) увеличивается число рецепторных фрагментов и. как следствие, в целом наблюдается повышение эффективности рецептора Однако при этом происходит изменение в ряду связываемых «гостей»: тиакаликсарен 14 не связывает и-Вщ^г н н-ВииЫЖ)>, а «хозяин» 17 - к-В^ЫС! и и-ВщЫВг Наличие в соединениях 11 и 17 одинакового числа участков связывания позволило оценить влияние третичных атомов азота (соединение 17) на комппексообразующие свойства тиакалнксарена наличие джшых фрагментов в структуре рецептора повышает его селективность по отношению к днгидрофосфат-аниону Также следует отметить, что макроиикл 17 образует весьма прочный комплекс со слабо координирующимся нитрат-анионом Видимо, рсцс[гторныс фрагменты макроцнкла 17 обладают достаточной гибкостью для образования комплементарной для данного аннона псевдополостн

Взаимодействие между водорастворимыми рецепторами 25, 27, 30, 31 и модельными биомакромолскулами первоначально было изучено методом УФ спектроскопии (рис.3) В качестве объектов исследования мы остановили свой выбор на двухцепочечном олигонуклеотиде (ОСОТТААС(ЗС), ДНК из молок лосося и тимуса теленка Выбор объектов исследования обусловлен возможностью получения структурных характеристик образующихся ассоциатов в случае олигонуклеотида. а также доступностью и различием в размерах и форме в случае природных ДНК из тимуса теленка и молок лосося.

целью

1«

дополнительного подтверждения взаимодействия синтезированных

тиакаликсаренов 25, 27, 30,

. смесь

олнгонлклеопи

длина волну, мм

31 е синтетическим олигонуклеотидом и

нуклеиновыми кислотами нами было проведено исследование методом

флуоресцентной спектроскопии Известно, что этот метод обладает высокой чувствительностью и широко используется для изучения ассоциации

биологических макромолекул с

рецепторами

Поскольку ни ДИК, ни изучаемые тиакаликсарены заметной флуоресценцией не

обладают, в качестве флуоресцентной метки нами был выбран зтидийбромид (ЭБ) Хорошо известно, что флуоресценция свободного зтидийбромида незначительна из-за тушения При связывании же с ДНК (встраивании в малую бороздку) зтидийбромид экранируется от влияния кислорода и растворителя, его эмиссия значительно возрастает

Далее было изучено влияние тнакаликсареиов 25. 27. 30, 31 на спектры флуоресценции комплекса ДНК из молок лосося с этндийбромидом В качестве примера приведены спектры люминесценции комплекса ДНК лосося с этидийбромидом в присутствии различных количеств гуанидиннйсодсржашего рецептора 25 (рис.4). При добавлении рецептора 25 к раствору комплекса ДНК/ЭБ смещения максимумов испускания практически не наблюдается, однако наблюдается уменьшение интенсивности люминесценции с ростом концентрации макроцнкла 25 (рис 6). При этом следует отметить, «гго наибольшие изменения наблюдаются при достаточно низких концентрациях калнксарсна (-50-100 мкМ), при

Рис.3. Спектры поглощения синтетического олигонуклеолиа (4*1 (ИМ), рецептора 31 (3* 1 СИ) н их смеси в 5 мМ буфере Тп*-НС1

МО оос ем roo

алнма волны. ни

Рнс.4. Спектры эмиссии ассоциата ДНК из молок лосося (0.11 мг/мл) с ЭБ (20 мкМ) в 5 мМ буфере Tris-HCI (рН 7.S) в присутствии тнакалнксарена 25 ($-136 мкМ)

увеличении же концентрации рецептора более 110 мкМ значение эмиссии достигает своего

минимума и более не и (меняется $ ыкМ Очевидно. что связывание

катиошюго реиеггтора 25 с полианионной ДНК препятствует нкгеркаляцми этидийбромида в биомакромолекулы Особо следует отметить тот факт. что взаимодействие изученных ДНК с тиакаликсареном 25 наблюдается уже при его низких концентрациях ($•10"* М). В случае модельного соединения 27. содержащего тетраалкиламмонийные группы на нижнем ободе макроиикла. выявлено значительно меньшее сродство ко всем полианионным субстратам, по сравнению с соединением 25, проявляющееся в отсутствии изменений в спектрах флуоресценции комплекса ДНК с этиднйбромилом, что свидетельствует о существенном вкладе водородных связей в эффективность взаимодействия рецептора с полианионным субстратом.

Далее с целью изучения размеров образующихся ассоциатов биомакромолекул с рецепторами 25. 30. 31 был применен истод динамического светорассеяния Как известно, для осуществления грансфекции важно не только наличие взаимодействия биополимера с рецептором, но и размер образующегося агрегата. Таким образом, нам необходимо было установить не только сам факт афегации, но и размеры получающихся комплексов с целью оценки потенциальной способности к трансфекцни. Оказалось, что в случае макроциклов 25 и 31 размер ассоциатов с ДНК из молок лосося составил 83 и 190 нм соответственно, что является приемлемым ляя трансфекционных экспериментов.

3 Няиочастииы на основе гуамндни нй co.tr ржи шею производного 1иакаликс|4|арена

Значительный интерес представляло получение наночастиц на основе нерастворимою в воде макроцикла 26, содержащего в своей структуре гидрофобные децильные группы и гидрофильные гуанидинкеные фрагменты, пространственно разделенные по обе стороны макрошосла. Для получения частиц решено было использовать метод нанопрсципитации, позволяющий легко получать монодисперсные лнпндные наиочастицы. Размер полученных наночастиц был определен методом динамического светорассеяния и составил 145 нм. индекс полидисперсности •

0 11. что соответствует монодисперсной системе Дзета-похснтъп наночастиц на основе макроиикла 26. определяющий эффективность их взаимодействия с полнаиионными субстратами, был определен измерением электрофорстической подвижности частиц (+60 мВ)

Сродство полученных лнпидных наночастиц к полианионным биомакромолекулам

было изучено на примере ДНК из молок лосося методом

флуоресцентной спектроскопии Было показано, что липидные ианочастицы на основе соединения 26 эффективно взаимодействуют с поверхностью биополимера,

пн1 ибируя иитеркаляцию тткдай бромида (рис.5).

Следует отметить, что уменьшение интенсивности

флуоресценции интеркалятора наблюдалось независимо от очередности добавления дипидиых

и ш м ш длин» полны, им

Рис.5. Влияние лнпидных наночастии на основе соединения 26 (5-130 мкМ) на флуоресценцию комплекса ДНК из молок лосося (5*10'7 М) с этидийбромндом (0 5 мкМ)

Д-0.052

ом:

наночастиц и этндийбромида

В связи с этим било выдвинуто предположение, что высокий поверхностный положительный заряд частиц приводит к эффективному взаимодействию с молекулой ДНК.

вызывающему денатурацию (разрыв водородных связей н стэкинг-взанмодействий. что приводит к расплетанию и разделению иепей) ДНК В связи с этим для выяснения механизма взаимодействия

полученных дипидных наночастии с модельным олнгонуклеотидом

решено было использовать метод ж электронной спектроскопии

Оказалось. что прибавление лнпидных наночастиц к раствору ДНК в буфере приводит к гиперхромному эффекту (X - 260 нм) (рис.6), что является критерием

)М зоо

ЛЛвж! а«1ни. 14

Рис.6. Спектры поглощения ДНК из молок лосося (4,10**М), лнпидных наночастиц (4 6* 10"* М) и их смеси.

нарушения епкимга оснований ДНК при разделении двух полниуклеотидиых цепей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Осуществлен постадийный синтез 24 новых, ранее не доступных, замещенных по нижнему ободу я-/и/>е>я-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих фталимидные, аминные, фенилмочевинные, аммонийные и гуанидиниевые фрагменты, в конформациях конус и 1,3-альтернат, структура которых установлена комплексом физических методов (одномерной ЯМР 'Н, С и двумерной 'Н-'Н ЫОЕБУ спектроскопией, ИК-спектроскопией, масс-спекгрометрией).

2. Исследованы стереохимические закономерности протекания реакции п-трет-бутштгиакаликс[4]арена с Д'-(3-бромпропил)фталимидом в ацетонитриле. Установлено, что стереоселективность взаимодействия контролируется природой «гемплатного» катиона соответствующего карбоната щелочного металла: в случае карбоната натрия образуется тетразамещенное производное в конформации конус, а в случае карбонатов калия и цезия -/, 3-алыпернат.

3. Показано влияние макроциклической платформы п-трет-бутилгиакаликс[4]арена на реакционную способность амино- и -ди-(трет-бутоксикарбонил)гуанидиниевых групп:

- пространственная сближенность п-трет-бугильиых. и аминогрупп в тетразамещенных производных в конфигурации 1,3-альтернат, а также вовлечение аминогрупп во внутримолекулярную цепь водородных связей в случае частично замещенных производных приводит к понижению их реакционной способности;

- методами одномерной и двумерной спектроскопии ЯМР выявлено, что свободные фенольные группы способны координировать Л',ДР-ди-(трет-бутоксикарбонил)гуанидиниевый фрагмент в положении, затрудняющем гидролиз защитных групп.

4. Предложены новые синтетические рецепторы на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащие фенилмочевинные фрагменты на нижнем ободе макроцикла, способные эффективно связывать фторид-, ацетат-, дигидрофосфат- и нитрат-ионы. Установлено, что введение третичных атомов азота в структуру рецептора, находящегося в конфигурации 1,3-алътернат, повышает его селективность по отношению к дигидрофосфат-аниону.

5. Методами электронной и флуоресцентной спектроскопии показано сродство синтезированных катионных производных по отношению к модельным биомакромолекулам: олигонуклеотиду (ОССТТААСОС), низкомолекулярной и высокомолекулярной ДНК. Размер ассоциатов в случае некоторых полученных производных, определенный методом динамического светорассеяния, оказался в пределах, оптимальных для трансфекции (200 нм).

6. Впервые получены однокомпонентные монодисперсные липидные наночастицы на основе производного тиакаликс[4]арена, содержащие гуанидиниевые группы на поверхности. Методом измерения электрофоретической подвижности частиц показан их высокий дзета-потенциал (+60 мВ). Методами электронной и флуоресцентной

спектроскопии установлено эффективное взаимодействие полученных наночастиц с модельным полинуклеотидом (ДНК из молок лосося), приводящее к денатурации (разрушение водородных связей между комплементарными основаниями) ДНК.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1. Fayzullin, D. Influence of nature of functional groups on interaction of tetrasubstituted at lower rim p-tert-butyl thiacalix[4]arenes in 1,3-aIternate configuration with model lipid membranes / D. Fayzullin, N. Vylegzhanina, O. Gnezdilov, V. Salnikov, A. Galukhin, I. Stoikov, I. Antipin, Y. Zuev // Applied Magnetic Resonance. - 2011. - V. 40, N. 2. - P.231-243.

2. Мостовая, O.A. Супрамолекулярный рецептор на основе олигоаммонийного производного п-трет-бутилтиакаликс[4]арена: взаимодействие с нуклеиновыми кислотами / О.А. Мостовая, А.В. Галухин, И.С. Антипин, А.И. Коновалов, И.И. Стойков // Буглеровские сообщения. - 2011. - Т.28, №18. - С.57-62.

3. Galukhin, A. Mono-, 1,3-Di- and tetrasubstituted p-tert-butylthiacalix[4]arenes containing phthalimide groups: Synthesis and fimctionalization with ester, amide, hydrazide and amino groups / A. Galukhin, E. Zaikov, I. Antipin, A. Konovalov, I. Stoikov // Macroheterocycles - 2012. - V.5, N.3. - P.266-274.

4. Galukhin, A.V. Phenylurea-equipped p-tert-butylthiacalix[4]arenes as the synthetic receptors for monocharged anions / A.V. Galukhin, K.V. Shabalin, I.S. Antipin, A.I. Konovalov, I.I. Stoikov//Mendeleev Commun. -2013. - V. 23, N.l. -P.41-43.

5. Галухин, А.В. Синтез гиперразветвленных структур на основе тиакаликс[4]арена и их комплексообразование с биомакромолекулами / А.В. Галухин, О.А. Мостовая, И.С. Антипин, А.И. Коновалов, И.И. Стойков // Тезисы докладов XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. - Волгоград, 2011. — С.237.

6. Галухин, А.В. Синтез и распознавание анионных субстратов производными тиакаликс[4]арена, содержащими фенилмочевинные фрагменты / А.В. Галухин, К.В. Шабалин, И.С. Антипин, И.И. Стойков // Сборник тезисов Всероссийской конференции «Органический синтез: химия и технология». - Екатеринбург, 2012. - С.У 10.

7. Galukhin, A.V. Synthesis and complexation abilities of hyperbranched structures based on thiacalix[4]arene: towards biomacromolecules / A.V. Galukhin, O.A. Mostovaya, I.S. Antipin, A.I. Konovalov, I.I. Stoikov // Book of Abstracts International Congress on Organic Chemistry. -Kazan, 2011,-P.274.

8. Галухин, А.В. Разработка подходов к синтезу гиперразветвленных структур на основе тиакаликсарена / А.В. Галухин, К.В. Шабалин, И.И. Стойков // Тезисы докладов итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского (Приволжского) федерального университета. - Казань, 2011. — С.67.

9. Галухин, А.В. Дизайн гиперразветвленных структур на основе тиакаликс[4]арена / А.В. Галухин, К.В. Шабалин, И.И. Стойков, И.С. Антипин // Тезисы докладов X Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра

Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI века». - Казань, 2011. - С.31.

10. Мостовая, O.A. Взаимодействие олигокатионных производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена с биополимерами [Текст] / O.A. Мостовая, Д.В. Попова, Д.Б. Пуплампу, A.B. Галухин, Ю.Ф. Зуев, И.С. Антипин, А.И. Коновалов, И.И. Стойков // Сборник тезисов XIV Молодежной научной школы-конференции по органической химии. -Екатеринбург, 2011. - С. 177.

11. Стойков, И.И. Синтез гииерразветвленных структур на основе тиакаликс[4]аренов [Текст] / И.И. Стойков, A.B. Галухин, И.С. Антипин, А.И. Коновалов // Book of Abstract of International Symposium on Advanced Science in Organic Chemistry (ASOC CRIMEA10). -Miskhor, Crimea, 2010. -Р.У-44.

12. Мостовая, O.A. Взаимодействие полиаминного производного тиакаликс[4]арена с ДНК [Текст] / O.A. Мостовая, Д.В. Попова, A.B. Галухин, И.И. Стойков, И.С. Антипин, А.И. Коновалов // Book of Abstract of International Symposium on Advanced Science in Organic Chemistry (ASOC CRIMEA10). - Miskhor, Crimea, 2010. - C.151.

13. Галухин, A.B. Разработка подходов к синтезу гиперразветвленных структур на основе тиакаликс[4]арена [Текст] / A.B. Галухин, К.В. Шабалин, И.И. Стойков, И.С. Антипин // Тезисы докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы органической химии». - Казань, 2010. - С. 17.

14. Шабалин, К.В. Синтез и комплексообразующие свойства новых производных тиакаликс[4]арена, содержащих фенилмочевинные фрагменты [Текст] / К.В. Шабалин, A.B. Галухин, И.И. Стойков // Тезисы докладов XI Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI века». - Казань, 2012. - С.79.

15. Галухин, A.B. Синтез, распознавание анионных субстратов и агрегационные свойства производных тиакаликс[4]арена, содержащих фенилмочевинные фрагменты [Текст] / A.B. Галухин, К.В. Шабалин, И.И. Стойков, И.С. Антипин // Тезисы докладов XV Молодежной школы-конференции по органической химии. - Уфа, 2012. - С.115.

Отпечатано в ООО «Печатный двор». г. Казань, ул. Журналистов, 2А, оф.022

Тел: 295-30-36, 564-77-41, 564-77-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТРРФ. Подписано в печать 25.09.2013 г. Печл. 1,5 Заказ № К-7300. Тираж 100 экз. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Галухин, Андрей Владимирович, Казань

Федеральное государственное автономное образовательное учремедение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ НИЖНЕГО ОБОДА п-трет-БУТИЛТИАКАЛИКС[41АРЕНА АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ ФРАГМЕНТАМИ: СИНТЕЗ РЕЦЕПТОРОВ И ИХ КОМПЛЕКСООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА ПО ОТНОШЕНИЮ К НЕКОТОРЫМ АНИОНАМ И ПОЛИАНИОНАМ

На правах рукописи

Галухин Андрей Владимирович

02.00.03 - Органическая химия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Стойков Иван Иванович

КАЗАНЬ-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ РЕЦЕПТОРЫ НА АНИОННЫЕ И ПОЛИАНИОННЫЕ СУБСТРАТЫ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)..............................12

1.1 Рецепторы на основе тетраалкиламмонийных солей. Распознавание посредством электростатического взаимодействия пары «рецептор-субстрат» .................................................................................................................................14

1.2 Рецепторы, содержащие амидные, мочевинные и тиомочевинные фрагменты. Распознавание посредством водородного связывания в паре «рецептор-субстрат»............................................................................................15

1.3 Рецепторы, содержащие аммонийные и гуанидиниевые фрагменты. Связывание субстрата рецептором через электростатическое взаимодействие и водородные связи.............................................................................................18

1.4 Каталитическая активность азотсодержащих рецепторов на анионные субстраты..............................................................................................................20

1.5 Распознавание ионных пар и цвиттер-ионов азотсодержащими макроциклическими рецепторами..................................................................24

1.6 Самосборка производных каликсарена, содержащих мочевинные фрагменты, в молекулярные капсулы...........................................................27

1.7 Гуанидинийсодержащие рецепторы на основе каликсарена: распознавание полианионных субстратов, трансфекционная, антибактериальная и антимикробная активность......................................34

1.8 Липидные наночастицы на основе каликсареновых производных,

взаимодействующие с анионными субстратами...........................................40

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ ПО НИЖНЕМУ ОБОДУ п-mpem-БУТИЛТИАКАЛИКС [4] АРЕНОВ С АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ ПРОТОНОДОНОРНЫМИ ФРАГМЕНТАМИ И ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ PIX ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С АНИОННЫМИ И ПОЛИАНИОННЫМИ СУБСТРАТАМИ (ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ)..........44

2.1 Синтез производных я-/я/7ет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих аминогруппы, гуанидиниевые и фенилмочевинные фрагменты.............50

2.1.1 Синтез функционализированных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов с фенилмочевинными фрагментами...............54

2.1.2 Синтез функционализированных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов с гуанидиниевыми фрагментами.....................57

2.2 Комплексообразующие и агрегационные свойства синтезированных макроциклов.........................................................................................................69

2.2.1 Взаимодействие /1-т/?£/и-бутилтиакаликс[4]аренов с фенилмочевинными фрагментами с анионными субстратами.................69

2.2.2 Взаимодействие я-тр£/я-бутилтиакаликс[4]аренов с гуанидиниевыми фрагментами с полианионными субстратами...............................................73

2.3 Липидные наночастицы на основе гуанидинийсодержащего

производного тиакаликс[4]арена.....................................................................87

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...........................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................116

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ...............................118

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ.....119

ВВЕДЕНИЕ

Разработка принципов нековалентной самосборки производных каликсаренов с формированием монодисперсных коллоидных частиц, способных

к распознаванию целевых субстратов своей поверхностью, является комплексной задачей, требующей глубокого понимания закономерностей протекающих процессов. Подобные ассоциаты показали свою эффективность в процессах массопереноса различных лекарственных препаратов через фосфолипидные мембраны.

Целью работы является синтез замещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликсаренов, функционализированных азотсодержащими группами

(фталимидные, аминные, мочевинные, аммонийные, гуанидиниевые) для распознавания анионных и полианионных субстратов, установление их структуры комплексом физических методов, оценка комплексообразующей способности полученных соединений по отношению к некоторым однозарядным анионам и модельным олиго- и полинуклеотидам.

В задачи работы входят:

• Синтез производных я-трет-бутилтиакаликс [4] арена, содержащих фталимидные, аминные, мочевинные, аммонийные, гуанидиниевые фрагменты на нижнем ободе макроцикла.

• Установление структуры полученных соединений комплексом физических методов.

• Установление агрегационных характеристик полученных водорастворимых производных и-т/?ега-бутилтиакаликс [4] арена.

• Анализ влияния структуры полученных макроциклов на их комплексообразующую способность по отношению к некоторым однозарядным анионам, а также модельным олиго- и полинуклеотидам.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые синтезированы частично- и тетразамещенные по нижнему ободу производные я-трет-бутилтиакаликс [4] арена в конфигурациях конус и 1,3-алътернат, содержащие фталимидные, аминные, фенилмочевинные, аммонийные, гуанидиниевые фрагменты. Структура соединений установлена комплексом физических методов;

- установлена стереоселективность реакции гс-т/?ет-бутилтиакаликс[4]арена и N-(3 -бромпропил)фталимида в ацетонитриле, контролируемая природой «темплатного» катиона соответствующего карбоната щелочного металла: в случае

карбоната натрия образуется тетразамещенное производное в конформации конус, а в случае карбонатов калия и цезия - 1,3-альтернат;

установлено влияние макроциклической платформы п-трет-бутилтиакаликс[4]арена на реакционную способность амино- и М^Г-ди-(трет-бутоксикарбонил)гуанидиниевых групп;

- впервые получены липидные наночастицы на основе производного тиакаликс[4]арена, содержащие гуанидиниевые группы на поверхности. Методами электронной и флуоресцентной спектроскопии показано эффективное взаимодействие полученных наночастиц с модельным полинуклеотидом, приводящее к денатурации последнего.

Теоретическая и практическая значимость. Синтезированы 24 новых частично- и тетразамещенных по нижнему ободу и-трет-бутилтиакаликс[4]арена в конформациях конус и 1,3-альтернат, содержащих фталимидные, аминные, фенилмочевинные, аммонийные, гуанидиниевые фрагменты. Структура соединений установлена комплексом физических методов. Методами электронной и флуоресцентной спектроскопии показаны эффективные комплексообразующие свойства полученных макроциклов по отношению к однозарядным анионам и многозарядным олиго- и полинуклеотидам, что открывает новые возможности для создания трансфекционных агентов, а также антибактериальных и противомикробных препаратов. Установленные синтетические, физико-химические и структурные характеристики, а также результаты их интерпретации вносят весомый вклад в развитие экспериментальных и теоретических взглядов на создание рецепторов на анионные субстраты.

характеристик полученных соединений (одномерная и двумерная ЯМР 'Н, 13С, ИК, флуоресцентная - спектроскопия, масс-спектрометрия (МАЬОГ ТОБ)).

Личный вклад автора заключается в разработке методов направленного синтеза новых азотсодержащих производных и-я2/?е/я-бутилтиакаликс[4]арена; идентификации новых полученных соединений и установлении их структуры; исследовании комплексообразующих характеристик синтезированных соединений; обобщении и анализе полученных результатов и литературных данных. Большая часть экспериментальных результатов и выводов сделаны автором лично.

На защиту выносятся:

Синтез ряда новых производных и-тр£т-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих фталимидные, аминные, фенилмочевинные, аммонийные и гуанидиниевые группы. Разработка методов синтеза тетра- и частично замещенных по нижнему ободу производных и-тре/и-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих гуанидиниевые группы.

Закономерности, связывающие структурные факторы замещенных по нижнему ободу и-трет-бутилтиакаликс [4] аренов с их комплексообразующей способностью по отношению к некоторым однозарядным анионам, а также модельным олиго- и полинуклеотидам.

Получение липидных наночастиц на основе производных тиакаликс[4]арена, содержащих гуанидиниевые группы на поверхности, а также их эффективное взаимодействие с модельным полинуклеотидом.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включает 40 рисунков и 7 таблиц. Состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 115 ссылок.

В первой главе представлен обзор литературных данных, посвященных рецепторам на основе макроциклических молекулярных платформ, переход к которым позволил совершить настоящий прорыв в распознавании анионных

субстратов. Отдельные главы посвящены распознаванию полианионных субстратов и сопряженным с распознаванием процессам массопереноса и катализа.

Основные результаты экспериментальных исследований и их обсуждение приведены во второй главе. Обсуждены различные синтетические подходы к получению производных л-т/?е»7-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих аминные, аммонийные, мочевинные и гуанидиниевые фрагменты, исследованы комплексообразующие свойства полученных соединений по отношению к однозарядным анионам, а также ряду модельных олиго- и полинуклеотидов. Методами флуоресцентной спектроскопии показано эффективное взаимодействие полученных рецепторов с изученными анионными и полианионными субстратами.

Работа выполнена на кафедре органической химии Химического института им. A.M. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета, является частью исследований по основному научному направлению «Синтез, строение, реакционная способность и практически полезные свойства органических, элементоорганических и координационных соединений». Исследования проводились при поддержке грантов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК №14.740.12.1384 от 19 октября 2011 г., ГК № п1107 от 26 августа 2009 г., №16.740.11.0472 от 13 мая 2011 г.), РФФИ 09-03-00426-а «Функционализированные тиакаликс[4]арены как компоненты

самособирающихся наноразмерных частиц: дизайн и закономерности самоассоциации и агрегации с ионами металлов» (2009-2010), 10-03-92661-ННФ_а «Мировая Сеть Материалов: Гибридные тиакаликс[4]арен-силикатные нано-фритты (nano-frits) - новое поколение селективных нанопористых мембран» (2010-2012), 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), 12-0390414-У кр_а «Разработка принципов конструирования каликсареновых рецепторов биологически важных молекул и ионов» (2012-2013).

Апробаиия работы. Результаты исследований докладывались на Итоговой научной конференции Казанского федерального университета (Казань, 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Международном конгрессе по органической химии (Казань, 2011), X Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2011), Всероссийской конференции «Органический синтез: химия и технология» (Екатеринбург, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и 11 тезисов докладов, которые написаны в соавторстве с доктором химических наук, профессором И.И. Стойковым, осуществлявшим руководство исследованием, к.х.н. E.H. Зайковым, студентом К.В. Шабалиным, учавствовавших в синтезе прекурсоров целевых соединений, к.х.н., с.н.с. O.A. Мостовой под руководством которой выполнялось исследование комплексообразующих свойств рецепторов методами электронной и флуоресцентной спектроскопии, к.б.н., н.с. Д.А. Файзуллиным, к.ф.-м.н., с.н.с. О.И. Гнездиловым, д.б.н. В.В. Саль