Синтез функционализированных по нижнему ободу n-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов и изучение их взаимодействия с рядом дикарбоновых, α-гидрокси- и α-аминокислот тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

АГАФОНОВА МАРИЯ НИКОЛАЕВНА

СИНТЕЗ ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ ПО НИЖНЕМУ ОБОДУ я-нре»1-БУТИЛ(ТИА)КАЛИКС[41АРЕНОВ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С РЯДОМ ДИКАРБОНОВЫХ, а-ГИДРОКСИ- И а-АМИНОКИСЛОТ

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Казань-2012

1 7 МДй 2012

005044250

005044250

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: доктор химических наук, профессор

Стоиков Иван Иванович

Официальные оппоненты: Галкина Ирина Васильевна,

доктор химических наук, профессор кафедры высокомолекулярных и элементоорганических соединений ФГАОУВПО «Казанский

(Приволжский) федеральный университет», г. Казань

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

Ведущая организация: ФГБУН «Институт химии растворов

им. Г.А.Крестова» РАН, г. Иваново

Защита диссертации состоится «31» мая 2012 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.081.03 по химическим наукам при ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18, Химический институт им. A.M. Бутлерова, Бутлеровская аудитория.

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

Автореферат разослан « Л апреля 2012 г.

Ученый секретарь (й^цЛ

диссертационного совета Cyyli** Казымова Марина Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Молекулярное распознавание синтетическими рецепторами природных соединений (карбоновых кислот и биогенных аминов, аминокислот, пептидов, белков), участвующих в разнообразных биологических процессах, является предметом исследований в ряде областей знания - биохимии, супрамолекулярной, органической и аналитической химии, медицине, фармакологии. Это обуславливает бурное развитие подходов к дизайну рецепторов с заданными свойствами и определенными функциями, обеспечивающими их сродство и селективность к биологически значимым соединениям. Создание новых рецепторов (молекул-«хозяев») для решения задач обнаружения, разделения, трансмембранного переноса субстратов, содержащих карбоксильную или карбоксилатную группу, открывает новые перспективы для создания сенсорных и диагностических устройств, систем разделения и концентрирования органических соединений па основе реализации принципов биомиметики, а также для более глубокого понимания принципов транспорта веществ через биологические мембраны.

Как известно, формирование и функционирование природных супрамолекулярных систем обусловлено нековалешными взаимодействиями. Однако при дизайне рецепторов на дикарбоновые, а-гвдрокси- и а-аминокислоты помимо указанных взаимодействий необходимо учитывать ряд дополнительных факторов (самоассоциация органических кислот, сильная гидратация заряженной цвиттер-ионной формы аминокислот, необходимость распознавания гидрофобной боковой цепи, обычно не содержащей заряженных или полярных групп), усложняющих достижение требуемых характеристик распознавания. В связи с этим направленное конструирование указанных рецепторов является комплексной задачей, более сложной, чем распознавание катионов и анионов. Комбинирование различных по природе центров взаимодействия в рамках макроциклической системы открывает новые возможности дизайна «хозяев» для дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот.

Каликсарены с уникальной трехмерной и конформационно подвижной структурой являются одной из популярных строительных синтетических платформ для синтеза молекул-«хозяев». Благодаря синтетической доступности исходных соединений, сравнительно легкой функционализации верхнего и/или нижнего ободов макроцикла, способности образовывать несколько информационных изомеров каликсарены становятся в один ряд с такими хорошо известными классами «хозяев», как краун-эфиры, криптанды и циклодекстрины.

Целью работы является молекулярное моделирование и направленный синтез рецепторов на а-гидрокси- и дикарбоновые кислоты, ароматические и алифатические а-аминокислоты на основе и-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов, функционализированных сложноэфирными, пенгафторфенильными и амннофосфонатныин фрагментами, установление структуры полученных макроциклов комплексом физических методов и

характеристика их способности к молекулярному распознаванию методами мембранной экстракции, УФ-спектроскопии и ВЭЖХ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- синтезирован рад новых 1,3-дизамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилкаликс[4]аренов в конфигурации конус, функционализированных ароматическими, алкильными, сложноэфирными, пентафторфенильными, а-аминофосфонатнымн фрагментами;

- впервые показано, что при замене двух етрети-бутильных заместителей в 1,3-дизамещенных по нижнему ободу каликс[4]аренах, содержащих пенгафторфенильные и сложноэфирные фрагменты, на электроноакцспторные ншро-группы происходит избирательное связывание глутаминовой кислоты;

- впервые разработаны подходы к синтезу моно- и тетразамещенных по нижнему ободу и-т/>е/и-бутилтиакаликс[4]аренов в конформациях конус и 1,3-,альтернат, содержащих а-аминофосфонатные фрагменты;

- установлено, что предорганизация аминофосфонатных заместителей на макроциклической платформе (тиа)каликс[4]арена увеличивает избирательность связывания а-гидрокси- и дикарбоновых кислот;

- впервые на примере соединений, содержащих а-аминофосфонатные фрагменты, продемонстрировано, что переход к тиакаликс[4]арену от его «классического» аналога усиливает способность синтетического рецептора взаимодействовать с дикарбоповыми и а-аминокислотами.

Практическая значимость работы. Предложены и реализованы подходы к получению новых рецепторных соединений для эффективного связывания а-гидрокси-, дикарбоновых и а-аминокислот. Синтезированы и охарактеризованы 1,3-дизамещенные по нижнему ободу и-стреот-бутилкаликс[4]арены в конформации конус, среди которых найдены эффективные и селективные переносчики глутаминовой и винной кислот. Оптимизированы методики синтеза аминофосфонатных производных на основе п-трет-бутил(тиа)каликс[4]арена в конфигурациях конус и 1,3-тыпернат, среди которых выявлены рецепторы для связывания аспарагиновой, гликолевой, щавелевой, винной и глутаминовой кислот. Реализовано разделение смесей дикарбоновых и а-аминокислот в ряду близких по структуре субстратов, что открывает новые возможности доя создания систем анализа и очистки сложных биологических смесей.

На защиту выносятся:

Синтез ряда новых 1,3-дизамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилкаликс[4]аренов в конформации конус, содержащих фрагменты для связывания дикарбоновых и а-аминокислот.

Синтез новых производных «-т/;ет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих один, четыре или восемь аминофосфонатных фрагментов в конфигурациях конус и 1,3-апыпернат.

4

Закономерности, связывающие структурные факторы функционализированных п-т/?ет-бутил(тиа)каликс[4]аренов с их комплексообразующей способностью по отношению к дикарбоновым, а-гидрокси- и а-аминокислотам.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Научно-образовательных конференциях студентов Биолого-почвенного факультета (2006-2007 гг.); XV Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Яльчик, Республика Марий-Эл, 2008); Всероссийской школе-конференции «Супрамолекулярные системы на поверхности раздела», посвященной 175-летию со дня рождения Д.И. Менделеева (Москва, 2009 г); Итоговой научной конференции Казанского университета (Казань, 2011); международных научных конференциях: I Международном симпозиуме "Supramolecular and nanochemistiy: toward applications" (Харьков, SNCTA-2008); Чугаевской конференции в области супрамолекулярной химии координационных соединений и наноструктур на основе координационных соединений (Санкт-Петербург, 2009); V Международном симпозиуме "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Киев, 2009); Международном симпозиуме "Advanced Science in Organic Chemistry" (ASOC-Crimea, Крым, 2010); III Международной летней школе-конференции «Supramolecular System in Chemistry and Biology» (Львов, Украина, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи, 1 монография (глава в книге) и 10 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, включает 55 рисунков и 16 таблиц. Состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 234 ссылки.

В первой главе представлен обзор литературных данных, отражающий современное состояние исследований по молекулярному распознаванию карбоновых и аминокислот функционализированными каликсаренами. Также затронуты вопросы по созданию на основе метациклофанов терапевтических агентов, систем доставки, разделения и концентрирования.

Основные результаты экспериментальных исследований и их обсуждение приведены во второй главе. Обсуждены квшлгово-механическое моделирование рецепторных структур на основе (тиа)каликс[4]аренов, синтез моно-, тетра- и 1,3-дизамещенных п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов, содержащих различные заместители для связывания органических кислот. Исследованы комплексообразукяцие свойства полученных соединений по отношению к а-гидрокси-, дикарбоновым и а-аминокислотам, а также показана способность избирательного транспорта ряда изученных субстратов через жидкие липофильные мембраны из смеси, содержащей несколько близких по структуре кислот.

Экспериментальная часть работы, включающая описание проведенных синтетических, экстракционных и спектральных экспериментов, а также ВЭЖХ, приведена в третьей главе диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1 Молекулярный дизайн производных и-/и/)г(я-бут11л(т11а)калнкс[4]аренов, содержащих фрагменты для связывания дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот

Комбинирование в рамках макроциклической системы различных по природе центров взаимодействия открывает новые возможности для дизайна «хозяев». С целью создания рецепторов на основе и-»рет-бутил(тиа)каликс[4]аренов на дикарбоновые, а-гидрокси- и а-аминокислоты были предложены следующие участки связывания соответствующих

«гостей»: фенольные группы —г т ^— (тиа)каликс[4] арена для связывания

карбоксильной функции дикарбоновых и а-гидрокси- а-аминокислот (рис.1 А); электроноакцепторные заместители по верхнему ободу макроцикла, увеличивающие кислотность

свободных гидроксильных групп (рис.1Б); сочетание нескольких связывающих участков различной природы, а именно, протонодонорного и протоноакцепгорного (рис. 1В).

В рамках первого и второго подходов были рассмотрены 1,3-дизамещенные по нижнему и верхнему ободу п-/пре7я-бутилкаликс[4]арены в конфигурации конус 1-4 и 7-10. Третий подход - сочетание нескольких участков связывания - был реализован на примере макроциклов 5, 6, 11, 12, функционализнрованных по нижнему ободу а-аминофосфонатными фрагментами.

1,3-сшыпернат

Рис.1. Подходы к синтезу целевых функционализнрованных (тиа)каликс[4]ареиов.

Н н "К 1: -СН2-С6Н, 2: 11= -СН2-(СН2)6-СНз 3: 11=-СНгС6р5 4: Я=-СН2-СООЕ1 5: Я- -<СН2)4-МН-С(СНзЬ-Р(ОХОС2115)2 6: Я=ЧСН:)2-Ш-СИ(РЬ)-Р(ОХОС2Н5)2

7: Е=-СН2^бН5 в: Я- -СН2ЧСН2)6-СН3 9: -СН2-С6Р5 Ю:К=-СН2-СООЕ1

11: а-ЧСН2)2-ЫИ-С(СИ,)2-Р(ОХОС2Н,)2 12: ^ЧСН2)3-МН-С(СНэ>2-Р(ОХОС'2Н5)2

В качестве субстратов нами были выбраны: а-гидроксикислоты (гликолевая, (1,1-миндальная), дикарбоновые кислоты (<У-винная, щавелевая, малоновая и янтарная), а-аминокислоты (ІІ-глутаминовая, (1,1-аспарапшовая). С целью теоретического обоснования выдвинутых гипотез нами были предварительно проведены расчеты предполагаемой модели связывания органических кислот функционализированными по верхнему и нижнему ободу и-(лреот-бутил(тиа)каликс[4]аренами для выявления стерических и/или электронных препятствий образованию комплекса. Молекулярное моделирование структур было проведено на полуэмпирическом уровне с использованием квантово-механического метода РМЗ.

Сопоставление полученных для рецепторних структур 1-12 оптимизированных значений термодинамических характеристик показывает, что наиболее термодинамически выгодное комплексообразование реализуется в случае рецептора 9 и глутаминовой кислоты (ДЕ~ -16 ккал/моль), тиакаликс[4]арена 11 и щавелевой/малоновой кислот (ДЕ~ -12/-10 ккал/моль), а также соединения 12 и аспарагиновой кислоты (ДЕ~ -48 ккал/моль).

Проведенное теоретическое исследование подтвердило отсутствие значительных стерических препятствий комплексообразованию и комплеменгарносп, потенциальных центров связывания в исследуемых субстратах и рецепторах. Моделирование новых синтетических рецепторов на основе функционализированлых п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов для распознавания ряда дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот с помощью квангово-химических методов (ММ+, РМЗ) позволило предложить новых «хозяев»: макроцикл 5 для связывания винной кислоты, 12 - для аспарагиновой, 11 -для малоновой и щавелевой, 9 и 10 - для глутаминовой, 6 - для янтарной кислоты. В связи с этим для подтверждения теоретических предпосылок и экспериментального установления влияния ряда структурных факторов: природы заместителей, кислотно-основных свойств свободных фенольных групп, размера макроциклической полости (тиа)каликс[4]арена, пространственного расположения связывающих центров на способность связывать органические кислоты нами в дальнейшем были изучены подходы к синтезу рецепторов на основе (тиа)каликс[4]аренов.

2 Синтез функционал изированиых л-т/?сл1-бутил(тиа)кали1сс[4]аренов, содержащих алкпльные, пентафторфеипльные, сложноэфнрные и о-амниофосфоиатные фрагменты по нижнему ободу

Селективным алкилированием и-/яреот-бутилкаликс[4]арена 13 соответствующими алкилгалогенидами в ацетонитриле в присутствии карбоната калия был синтезирован ряд 1,3-дизамещенных по нижнему ободу производных каликс[4]арена 1-4 с выходами 60-80%. Затем две трет-бутильные группы на верхнем ободе макроциклов 1-4 были замещены нитро-группами. Макроциклические соединения 7-10 были получены нитрованием 1,3-

дизамещенных по нижнему ободу каликс[4]аренов 1-4 азотной кислотой в хлористом метилене в присутствии уксусной кислоты при ~20°С.

ч^ТТ

— окок он 60-80% 1: Яг-СНз-СбН)

2: Кг-СННСВДб-СНз 3: Яг-СНИУ) 4: Я,= -СНгСООЕ1

он окон он 44-55% 7: Ир -С11г-СбН; 8: Яр -СННСНгМ-СН, 9: Кг-СЦНЖ 1»: Я|"-СНг-СООЕ|

Синтез и-»1реот-бутилтиакаликс[4]аренов 5 и б с двумя а-аминофосфонатными фрагментами по нижнему ободу был осуществлен по реакции Кабачника-Филдса из макроциклов 16 и 17, диэтилфосфита и соответствующих карбонильных соединений. Целевые а-аминофосфонаты 5 и б, закрепленные на каликс[4]ареновой платформе, были получены с выходами 67% и 31% соответственно.

"^¿сЛ™

т

рЧ.о о» -

Н^гО С,Н,0

Таким образом, нами получен и охарактеризован ряд новых 1,3-дизамещенных по

нижнему ободу каликс[4]аренов в конфигурации конус. Структура и состав впервые

полученных соединений 1-10 были охарактеризованы с помощью ряда физико-химических

методов: ЯМР 'Н, |3С, 31Р, ИК-спектроскопии и элементного анализа. Конформация

макроциклического кольца полученных соединений была установлена с помощью

одномерной ЯМР 'Н и двумерной ЯМР 'Н-'Н ШЕБУ спектроскопии.

Для сравнения рецепторной способности фосфоршшрованных производных

каликс[4]арена и ациклических аминофосфонатов, также по реакции с„н3,ынс—иохос^н,);

Кабачника-Филдса были получены соединения 18 и 19. Строение и НзС сн' '8

состав продуктов были подтверждены методами ИК, ЯМР 'Н и 31Р Смнэ»инсн—«охо^нж

РЬ 19

спектроскопии, а также данными элементного анализа.

Успешная функционализация аминофосфонатными фрагментами капикс[4]аренов позволила предположить, что создание аналогичных фосфорилированных структур возможно также и на основе тиакаликс[4]аренового макроцикла. С целью получения

монозамещенного а-аминофосфоната на основе

80% 22

п-трет-бутилтиакаликс[4]арена по литературным методикам было сшггезировано соединение 22. Далее нами была изучена реакция аминированного тиакалшсс[4]арена 22 с диэтилфосфитом и ацетоном в присутствии различных оснований и катализаторов. Получение монозамещенного п-тргт-

бутшггиакаликс[4]арена 11,

содержащего а-амгаюфосфонатный фрагмент, явилось довольно сложной задачей. Первоначально при использовании в качестве оснований карбонатов щелочных металлов (калия, цезия), а также этилата натрия были получены трудноразделимые смеси,

содержащие несколько побочных продуктов. Введение в реакцию в качестве катализатора п-толуолсульфокислоты также не привело к получению целевого продукта. Нами было выдвинуто предположение, что появление побочных продуктов может быть обусловлено наличием воды в реакционной смеси. Однако проведение синтеза с использованием насадки Дина-Старка и молекулярных сит (ЗА) также никак не повлияло на количество образующихся продуктов реакции. Наконец, путем подбора условий реакции удалось установить, что при использовании в качестве основания триэтиламина в спектре ЯМР 3|Р реакционной смеси наблюдается преимущественно один продукт (8р=31.44 м.д.), который и

был выделен при разработке.

Интересно отметить, что изменение условий разработки вышеописанного синтеза позволяет выделить наряду с продуктом 11 также комплекс, состоящий из

монозамещенного тиакаликс[4]арена и триэтиламина в соотношении 1:1

Рис.2. Структура комплекса соединения И с (рис.2) (согласно данным триэтиламшюм в кристаллическом состоянии.

спектроскопии ЯМР 'Н). Структура полученного комплекса подтверждена с помощью данных рентгеноструктурного анализа (рис.2). Рентгенографический анализ показал, что происходит перенос протона от фенольного гидроксила в 3-положении тиакаликсарена И к азоту третичного амина с образованием феноксильной и аммонийной групп со стабилизацией образующегося аниона водородными связями с соседними ОН-группами.

С целью исследования влияния пространственных факторов на рецепторные свойства а-аминофосфонатов также интересным представлялось получение и исследование других конфигураций фосфорилированных макроциклов. В связи с этим при использовании в качестве прекурсора тетразамещенных аминированных макроциклов 23 и 24 в конфигурации 1,3-апътернат были получены соединения 12 и 25 соответственно. Выходы продуктов составили 68% для соединения 12 и 38% для соединения 25.

Структура и состав синтезированных тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов 12 и 25 были охарактеризованы комплексом физических методов. Конформация макроциклического кольца полученных соединений была установлена с помощью одномерной ЯМР 'Н и двумерпой ЯМР 'Н-'Н NOESY спектроскопии. Наблюдаемые в спектре ЯМР 'Н-'Н NOESY макроциклов 12 и 25 кросс-пики, обусловленные диполь-диполъным взаимодействием между протонами ОСНг, CH2NH групп с треш-бутильными и арильными фрагментами макроцшсла, а также этоксильных протонов при атоме фосфора с протонами /ире/л-бутильных фрагментов однозначно свидетельствуют о нахождении п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов 12 и 25 в конфигурации 1,3-альтернат.

Таким образом, впервые были синтезированы моно- и тетразамещенные по нижнему ободу и-/яре/я-бутилтиакаликс[4]арены, содержащие а-аминофосфонатные фрагменты. Получен кристаллический комплекс монофункционализированного по нижнему ободу производного л-мрет-бутилтиахаликс[4]арена с третичным амином, и установлена структура координационного узла в твердом состоянии. Впервые разработан подход к введению а-аминофосфонатного фрагмента в структуру монозамещенного по нижнему

ободу /г-т/?е/я-бутилтиакаликс[4]арена в конформации конус, включающий применение в качестве «темплата» третичного амина.

3. Комплексообразующне свойства функцпонализированиых производных п-»|ре»|-бугил(тиа)кал11кс[4]аренов по отношению к а-амино-, а-гидроксн- и дикарбоиовым кислотам

Для изучения закономерностей образования комплексов н-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов с дикарбоновыми, а-гидрокси- и а-аминокислотами использовались методы мембранной экстракции, УФ-спекгроскопии и высокоэффективной жидкостной хроматографии.

3.1 Индуцированный функционализироеанньши (тиа)каликс[4]аренами мембранный транспорт дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот

Эксперимент по мембранной экстракции проводился в стеклянной термостатируемой ячейке с подвижным цилиндром. Жидкая мембрана представляла собой раствор переносчика в о-шпрофенилоктиловом эфире, импрепшрованный в поры тефлоновой матрицы. В изученных системах процесс транспорта кислот протекал по схеме диализа, т.е. под действием градиента химического потенциала. По механизму массопереноса транспорт классифицируется как индуцированный, т.е. с участием молекулы-переносчика.

Оказалось, что переносчики на основе 1,3-дизамещенных по нижнему ободу каликс[4]аренов 1-4, 7-10 с алкильными, ароматическими, пенгафторфенильными и сложноэфирными фрагментами демонстрируют невысокую транспортную способность по сравнению с холостым экспериментом (рис.3). Полученные результаты подтверждают, что взаимодействия субстратов только с гвдроксильными группами на нижнем ободе 1,3-

дизамещенного каликс[4]арена недостаточно дня связывания и экстракции гидрофильных

карбоновых кислот в липофильную мембранную фазу.

При замене двух трет-бутильных заместителей на нитро-группы в соединениях 7-10 в большинстве случаев наблюдается рост величины массопереноса исследуемых субстратов через ГГ,"3' П0ТОКа мембРанУ в случае соединения 10

наблюдается ускорение транспорта

160 потто «о-6040

го о

¿г ¿Р

3. Ь

ряда органических субстратов через жидкую ипрегнированную мембрану, содержащую переносчики 1-4,7-10. глутаминовой кислоты через

липофильную жидкую мембрану в 23 раза При замене двух отретя-бутильных заместителей на электроноакцепторные нитро-группы был получен селективный и эффективный рецептор на глутаминовую кислоту 9. Очевидно, что в этом случае (макроциклы 9 и 10) эффективность взаимодействия обусловлена увеличением кислотности свободных гидроксильных групп при введении акцепторных заместителей по верхнему ободу. В результате переносчик демонстрирует усиление потока глутаминовой кислоты в 146 раз.

Далее интересные результаты были получены для рецепторних соединений, содержащих а-аминофосфонатные фрагменты. Оказалось, что синтезированные соединения 5 и 6 продемонстрировали отличия в транспортной способности по отношению к субстратам по сравнению с ациклическими переносчиками 18 и 19. Сравнение величин массопереноса с данными «холостого» эксперимента показало, что введение в мембрану модельных переносчиков 18 и 19 приводит к увеличению скорости транспорта субстратов в 10-1000 раз (рис.4). Наибольшее значение коэффициента усиления потока наблюдается для щавелевой кислоты. Для ациклических а-аминофосфонатов явно прослеживается корреляция между силой кислот и интенсивностью трансмембранного переноса. Соответственно, максимальные значения коэффициента усиления потока показаны для дикарбоновых кислот: щавелевая кислота>малоновая кислота>янтарная кислота.

В целом, модельные соединения 18 и 19 продемонстрировали довольно высокую эффективность и селективность транспорта щавелевой кислоты. Для макро циклических рецепторов 5 и 6 наблюдается уменьшение величины коэффициента усиления потока для щавелевой кислоты. Также следует отметить, что происходит переключение селективности на винную кислоту для соединения 5, и на янтарную и аспарагиновую кислоты для соединения 6. Очевидно, что данный факт обусловлен, в первую очередь, повышением степени предорганизованности функциональных заместителей переносчиков, что приводит к выходу на передний план не силы кислот, а характеристик структурного и геометрического соответствия участков связывания субстрату.

Е 140

Рис.4. Коэффициенты усиления потока (£=уУу0) ряда органических субстратов через жидкую импрегнированную мембрану, содержащую переносчики 5,6,18,19.

12

В связи с вышесказанным логично было предположить, что при переходе к тиакаликс[4]ареновой платформе, которая имеет ряд отличий от «классической», также будет наблюдаться уменьшение эффективности и увеличение селективности макроциклов по отношению к кислотам, что и было продемонстрировано на примере тиакаликс[4]аренов 11 и 12.

Наличие одного а-аминофосфонатного фрагмента в структуре тшсаликс[4]арена 11 не

предполагает высокой селективности макроцикла, соединение демонстрирует довольно высокую транспортную способность по отношению к изучаемым субстратам, в целом превосходящую 1,3-дизамещенный а-аминофосфонат 5 на основе каликс[4]ареновой платформы (рис.5). Что касается тетразамещенного макроцикла 12, то при введении данного соединения в мембранную фазу наблюдается значительное уменьшение массопереноса всего спектра кислот хроме аспарагиновой и гликолевой. Наблюдаемое усиление скорости массопереноса аспарагиновой и гликолевой кислот в 174 и 70 раз соответственно позволяет говорить об эффективном молекулярном распознавании данных субстратов.

Таким образом, полученные в ходе мембранной экстракции результаты хорошо согласуются с данными молекулярного моделирования квантово-механическим методом РМЗ. Так, наблюдаемые значения коэффициентов массопереноса для (тиа)каликс[4]аренов 5, 6, 11, 12, содержащих а-аминофосфоиатные фрагменты, являются максимальными в раду исследованных соединений, что свидетельствует об эффективном взаимодействии «переносчик-кислота». Как и ожидалось, макроцикл 5 наиболее эффективно экстрагирует винную кислоту, 12 - аспарагиновую, 11 - малоновую, 9 и 10 - глутаминовую, а б - янтарную.

3.2 Исследование комплексообразующей способности а-аминофосфонатов на основе п-тргт-бутил(тиа)каликс[4]арена методом УФ-спектроскопии

Для более глубокого понимания механизма связывания, были проведены спекгрофотометрические исследования и расширен круг исследуемых аминокислот. Кроме аспарагиновой и глутаминовой были изучены следующие аминокислоты: сЦ-аланин, (1,1-валин, 41- гистидин, (1,1-лейцин, (1,1-лшин.

200'

160 1

120

<0

«има , оЩ* 1 5

Рис.5. Коэффициенты усиления потока (е= Л?/о) ряда органических кислот через жидкую импрегнированную мембрану, содержащую переносчики 11 и 12.

Было установлено, что при взаимодействии каликс[4]арена 5 с винной кислотой в УФ-спектрах «хозяина» наблюдается гипохромный эффект. В то же время широкая полоса поглощения 290-310 нм претерпевает сильный гипсохромный сдвиг относительно исходного спектра макроцикла. По отношению к остальным исследованным субстратам значимых изменений не зафиксировано. Для монозамещенного аминофосфоната 11 наблюдается преимущественное взаимодействие с глутаминовой, малоновой и щавелевой кислотами. В данном случае происходит небольшое смещение полосы поглощения в спектре комплексов в коротковолновую область, а также наблюдается гипохромный эффект.

В случае же тетразамещенного аминофосфоната 12 изменения происходят только при взаимодействии с гликолевой и аспарагиновой кислотами (рис.6). Наблюдается гипохромный эффект и смещение полосы поглощения с максимумом при 270 нм в область более коротких волн относительно исходного спектра макроцикла. Кроме того, в спектре комплекса тетразамещенного аминофосфоната 12 и гликолевой кислоты наблюдается гиперхромный эффект в диапазоне 225-240 нм, тогда как для других субстратов значимых изменений не зафиксировано. Что касается соединения 25, то при взаимодействии каликс[4]арена с винной кислотой в УФ-спектрах «хозяина» наблюдается гиперхромный эффект. По отношению к остальным исследованным субстратам значимых изменений не зафиксировано.

Рис.6, (а) УФ-спекгры растворов п-трет-5ушлкаликс[4]арена 12 (1-Ю'5 М) (1) в дихлормегане после добавления различных кислот: гликолевая (2), аспарагиновая (3). (б) Результаты моделирования методом РМЗ комплекса и-^е/я-бутшгтиакаликс[4]арена 12 с аспарагиновой кислотой.

Изучение с помощью УФ-спекгроскопии способности к молекулярному распознаванию ряда дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот (тиа)каликс[4]аренами 5, б, 11, 12, 25 в дихлормегане выявило в некоторых случаях значительные изменения в

нм

электронных спектрах поглощения макроциклов при взаимодействии с данными субстратами.

Для количественной характеристики молекулярного распознавания кислотных субстратов функционализированными производными и-ш/зею-бутил(тиа)каликс[4]арена методом разбавления были установлены константы устойчивости образующихся комплексов (табл. 1). Также с помощью метода построения кривых изомолярных серий была установлена стехиометрия комплексов субстрат-и-яі/геиі-бутилтиакаликс[4]арен, образующихся в дихлорметане.

Таблица І. Значешія логарифмов констант устойчивости комплексов (1:1) (тиа)каликс[4]аренов 5,6,11,12,25 с рядом органических кислот в дихлорметане при 20°С.

соединение М

5 6 11 12 25

щавелевая з.о±ол 2.3±0.1 4.3±0.1 2.3±0.1 2.8±0.1

малеиновая 2.3±0.1 2.1±0.1 2.2±0.1 2.5±0.2 2.7±0.2

аспарагиновая 2.4±0.1 4.4±0.1 2.5±0.1 5.7±0.1 2.4±0.1

глутаминовая 2.1±0.1 2.3±0.1 3.9±0.1 2.1±0.1 2.1±0.1

лизин 2.3±0.1 2.3±0.1 2.9±0.1 3.1±0.1 4.1±0.1

фенилалашш 2.1±0.2 2.0±0.2 2.7±0.2 2.8±0.2 2.9±0.2

валин 2.1±0.2 2.3±0.2 2.8±0.2 2.9±0.2 4.3±0.1"

лейцин 2.2±0.0 2.Ш.0 2.4±0.0 3.4±0.0 З.Ш.1

алашш 2.4±0.1 2.3±0.1 2.7±0.1 3.2±0.1 4.7±0.2"

триптофан 2.1±0.2 2.0±0.2 2.6±0.2 2.6±0.2 3.1±0.1

малоновая 2.4±0.1 2.3±0.1 4.1±0.1 2.2±0.2 2.3±0.2

фумаровая 2.6±0.1 2.1±0.1 2.6±0.1 2.9±0.1 2.2±0.1

винная 5.3±0.2 2.5±0.2 2.7±0.2 3.2±0.2 5.5±0.2"

гликолевая 3.6±0.1 3.2±0.1 2.9±0.1 6.1 ±0.1" 2.4 ±0.1

янтарная 3.1±0.1 5.0±0.1 3.4±0.1 3.4±0.1 2.1±0.1

( Стехиометрия 1:2).

Значения логарифмов констант устойчивости комплексов изученных а-аминофосфонатов с рядом дикарбоновых, а-гцдрокси- и а-аминокислот изменяются от 2.1 до 6.1, что свидетельствует об эффективном и в ряде случаев селективном связывании изученных «гостей». Как было показано в процессе квангово-механических расчетов энергии комплексов, подобное эффективное взаимодействие возможно благодаря тому, что карбоксильная, гидроксильная и аминогруппы субстратов могут образовывать водородные связи с атомами азота и кислорода аминофосфонатного фрагмента.

Таким образом, в ходе проведенных исследований с помощью методов мембранной экстракции и УФ-спектроскопии изучена комплексообразующая способность синтезированных производных (тиа)каликс[4]аренов по отношению к некоторым а-амино-(аспарагиновая, глутаминовая, аланин, валин, лизин, лейцин, триптофан, фенилалашш), а-

гидрокси- (винная, гликолевая) и дикарбоновым кислотам (малоновая, малеиновая, фумаровая, щавелевая, янтарная). Установлена способность изученных рецепторов к эффективному и избирательному взаимодействию с гликолевой, малоновой, глутаминовой, щавелевой, аспарагиновой кислотами. Эффективность связывания определяется природой субстратов, а также количеством потенциальных центров координации рецептора. Поскольку фосфоршгированные соединения 5, б, И, 12, 25 продемонстрировали довольно высокие значения логарифмов констант устойчивости по отношению к узкому кругу субстратов, для дополнительной оценки селективности синтезированных рецепторов нами были проведены эксперименты ВЭЖХ, в ходе которых была исследована их способность к селективному взаимодействию с определенным видом субстратов, близких по структуре.

Поглощение (А) винная

3.3 Исследование комплексе/образующей способности фосфорипированных п-трет-бутш(тиа)ка1шкс[4]оренов методом ВЭЖХ

Для дополнительной оценки селективности синтезированных соединений 5 и 12 при проведении эксперимента по индуцированному рецепторами-переносчиками мембранному транспорту методом ВЭЖХ нами контролировалось содержание кислот в принимающей

фазе. Параметры эксперимента аналогичны условиям, описанным в разделе 3.1. Единственным отличием являлось наличие в подающей фазе смеси различных кислот (тогда как ранее нами исследовалась способность рецепторов к массопереносу определенной кислоты) (рис.7). Отбор образцов принимающей фазы

осуществлялся каждый час в течение всего эксперимента (7 часов). В случае макроцикла 5 в принимающей фазе в первые три часа детектировался только пик

янтарная

шлоновая

1 I .........I т

Я 15 20 Время удержнвания(шн)

Рис.7. Хроматографнческий анализ подающей фазы в мембранной экстракции смеси винной, малоновой и янтарной кислот соединением 5.

винной кислоты (рис.8).

[ЬгяшкшкСМ '

Время удерживанием™)

1 I 1 1 1 Ч > 1 1 ' I 1 19 19 20 Врсыя ркржнвамфщн)

Рис.8. Хроматографнческий анализ принимающей фазы для соединения 5 и смеси винной, малоновой и янтарной кислот после трех (а) и пяти (б) часов эксперимента по мембранной экстракции.

В дальнейшем, по прошествии пяти часов, наблюдалось появление на хроматограмме пика, соответствующего янтарной кислоте. Что касается малоновой кислоты, то ее появления не наблюдалось в течение всего эксперимента.

Полученные результаты хорошо согласуются с данными мембранной экстракции. Так, при снижении коэффициента усиления потока в 6 раз (для янтарной кислоты по сравнению с винной) рецептор 5 способен селективно переносить через мембрану исключительно винную кислоту.

В случае соединения 12 происходит переключение селективности экстракции «гостя» с винной кислоты на аспарагиновую. Из приведенной хроматограммы (рис.9) видно, что даже после семи часов эксперимента детектируется только гак аспарагиновой кислоты. Что касается остальных кислот, содержащихся в подающей фазе (малоновой, винной, янтарной), то их появления не наблюдается в течение всего эксперимента. Полученные результаты хорошо согласуются с данными, полученными с помощью УФ-спектроскогащ, так как константы ассоциации комплексов для этих кислот различаются на несколько порядков.

аспарзгиновая 140 125

-V И»

С

Г »

s

с М

15

51А.Л

мцлоновая

Wfl о „ ОС,в, н с ^0С,Н'

Hj< К Vfc-CHj

НАО

Время удерживания (мин)

ш

HN NH

НЛОАТ° нcF™

12

tí 3 4 s ' S'7 к■■ i> ion'ii "iS'ii" iVirírWYirzr' Время удерживания (мин)

Рис.9. Хроматографический анализ: (а) подающей фазы, состоящей из смеси аспарагиновой, винной, малоновой и янтарной кислот и (б) принимающей фазы после 7 часов эксперимента по мембранной экстракции для соединения 12.

В заключение следует отметить, что в ходе проведенных исследований удалось определить кинетические зависимости процессов мембранного транспорта и величины потока субстратов через жидкие импрегнированные мембраны. Показано, что введение а-аминофосфонатных групп в (тиа)каликс[4]арен приводит к существенному изменению комплексообразующих свойств аминофосфонатных фрагментов по сравнению с ациклическими аналогами. Сравнение селективности «классических» каликс[4]аренов и их тиа-аналогов показало преимущество последних.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе моделирования квангово-химическими методами предложены новые синтетические рецепторы на основе функционал изированных п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов для распознавания винной, аспарагиновой, малоновой, глутаминовой и янтарной кислот.

2. Синтезирован ряд новых я-/я^е/л-бутил(тиа)каликс[4]аренов, содержащих алкильные, арияьные, сложноэфирные, пентафторфенильные и а-аминофосфонатные фрагменты. Показана возможность применения полученных соединений в качестве переносчиков дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот через жидкие липофильные мембраны.

3. Впервые получен кристаллический комплекс монофункционализированного по нижнему ободу производного п-/лргт-бутилтиакаликс[4]арена с третичным амином, и установлена структура координационного узла в твердом состоянии. Показано, что происходят перенос протона от фенольного гидроксила к амину с образованием феноксильной и аммонийной групп и стабилизация образующегося аниона водородными связями с соседними ОН-группами.

4. Разработан подход к введению а-аминофосфонатного фрагмента в структуру монозаиещенного по нижнему ободу /!-/я/7етя-бутилтиакаликс[4]арена в конформации конус, включающий применение в качестве «темплага» третичного амина.

5. Методами мембранной экстракции и электронной спектроскопии (методы разбавления и изомолярных серий) изучены комплексообразующие свойства синтезированных соединений по отношению к ряду органических кислот. Установлены закономерности влияния структуры макроциклических рецепторов на основе замещенных по верхнему и нижнему ободам п-трет-бутил(тиа)калш1с[4]аренов на их комплексообразующую способность по отношению дикарбоновым, а-гидрокси- и а-аминокислотам:

- для 1,3-дизамещенных по нижнему ободу и-/яре/я-бутилкаликс[4]аренов, содержащих сложноэфирные и пентафторфенильные фрагменты, успешное связывание глутаминовой кислоты осуществляется как заместителями по нижнему ободу макроцикла, так и свободными гидроксильными группами, выступающими в качестве протонодоноров;

при переходе от ациклических аминоалкил(арил)фосфонатов к их махроциклическим аналогам на основе каликс[4]арена происходит увеличение селективности синтетических рецепторных структур, в частности, наблюдается избирательное взаимодействие с винной, янтарной и аспарагиновой кислотами;

- при увеличении количества а-аминофосфонатных фрагментов, вводимых в структуру и-/прет-бутилтиакаликс[4]арена, от одного до восьми наблюдается усиление селективности рецешорных соединений по отношению к исследуемым субстратам.

6. Методом ВЭЖХ установлено, что синтезированные п-трет-бутил(тиа)каликс[4]арены с а-аминофосфонагными фрагментами в составе жидких импрегнированных мембран способны осуществлять селективное извлечение винной и аспарагиновой кислот из смесей дикарбоновых, а-гвдрокси- и а-аминокислот.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1. Stoikov, I.I. New membrane carrier for glutamic acid based on p-tert-butylcalix[4]arene 1,3-disubstituted at the lower rim. / I.I. Stoikov, M.N. Agafonova, P.L. Padnya, E.N. Zaikov, I.S. Antipin // Mendeleev Communications. - 2009. - V. 19, N. 3. - P. 163-164.

2. Stoikov, I.I. Molecular Recognition: Biotechnology, Chemical Engineering and Materials Applications. Molecular Recognition of Carboxylic Acids and Carboxylate Anions by Synthetic Receptor [Text] / I.I. Stoikov, M.N. Agafonova, L.S. Yakimova, I.S. Antipin, A.I. Konovalov // NY: Novapublisher. - 2011. - p. 337 (ISBN: 978-1-61122-734).

3. Agafonova, M.N. Selective transmembrane carriers for hydroxycarboxylic acids: influence of a macrocyclic calix[4]arene platform / M.N. Agafonova, O.A. Mostovaya, I.S. Antipin, A.I. Konovalov, I.I. Stoikov // Mendeleev Communications. - 2012. - V. 22. - P. 80-82.

4. Агафонова, M.H. Молекулярное распознавание дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот искусственными рецепторами на основе функционализированных по нижнему ободу тиакаликс[4]аренов, содержащих аминофосфонатные фрагменты / М.Н. Агафонова, О.А. Мостовая, К.С. Шибаева, И И. Стойков, И.С. Антипин, А.И. Коновалов // Ученые записки Казанского государствешгаго университета. Серия «Естественные науки». - 2012. -Книга 1. -С. 7-17.

5. Stoikov, 1.1. Design of novel sensing materials for glutamic acid on the basis of calix[4]arene derivatives / I.I. Stoikov, M.A. Agafonova, E.N. Zaikov, L.I. Shamova, I.S. Antipin, A.I. Konovalov // Book of abstracts of International Symposium on Olfaction and Electronic Noses. - St. Petersburg, 2006. - P. 109-110.

6. Мостовая, O.A. Индуцированный а-аминофосфонатами транспорт дикарбоновых и гидроксикислот через липофилыше мембраны / О.А. Мостовая, М.А. Агафонова, И.И. Стойков, И.С. Антипин, А.И Коновалов // Тезисы докладов VI Всероссийского научного семинара с молодежной научной школой "Химия и медицина". - Уфа, 2007. - С. 195.

7. Агафонова, М.Н. Молекулярное распознавание а-гидроксн- и дикарбоновых кислот а-аминофосфонатами и рецепторами на основе каликс[4]арена, дизамещенного по нижнему ободу пиридиновыми фрагментами / М.Н. Агафонова, И.И. Стойков // Тезисы докладов Итоговой научно - образовательной конференции Биолого-почвенного факультета. — Казань, 2007. - С. 3.

8. Zhukov, A.Yu. Synthesis and study of the complex agent capability of the new thiacalix[4arene derivatives to a range of organic acids / A.Yu. Zhukov, M.N. Agafonova, I.I.

Stoikov, I.SAntipin, A.I.Konovalov // Book of abstracts of First International symposium "Supramolecular and nanochemistry: toward applications" SNCTA. - Kharkov, 2008. - P. 1-6.

9. Агафонова, M.H. Синтез и исследование комплексообразующей способности новых производных тиакаликс[4]арена по отношению к ряду органических кислот / М.Н. Агафонова, А.Ю. Жуков, И.И. Стойкое, И.С. Антипиц // Тезисы докладов Всероссийской школы-конференции «Супрамолекуляршле системы на поверхности раздела», посвященной 175-летию со дня рождения Д.И. Менделеева. - Москва, 2009. - С. 60.

10. Agafonova, M.N. The 1,3-disubstituted at lower rim p-tert-butylcalix[4]arenes as efficient a-amino, a-hydroxy and dicarboxylic acid membrane carriers / M.N. Agafonova, I.I. Stoikov, E.N. Zaykov, P.L. Padnya, I.S. Antipin // Book of abstracts of Vth International Symposium "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology". - Kyiv, 2009. - P. 192.

11. Agafonova, M.N. The complexation ability of the synthetic receptors based on calix[4]arenes toward a number of ц-hydroxy and dicarboxylic acid / M.N. Agafonova, A.Yu. Zhukov, I.I. Stoikov, V.I. Kalchenko, I.S. Antipin // Тезисы докладов XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии и Молодежной конференции-школы «Физико-химические методы в химии координационных соединений». - Санкт-Петербург, 2009.-С. 504.

12. Агафонова, М.Н. Молекулярное распознавшие а-амино-, а-гидрокси- и дикарбоновых кислот синтетическими рецепторами на основе каликс[4]аренов / М.Н. Агафонова // Тезисы докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы. — Белгород, 2009.-С. 108.

13. Агафонова, М.Н. Синтетические рецепторы на основе функционапизированных каликс[4]аренов, способных индуцировать транспорт дикарбоновых, амино- и гидроксикислот через липофильные мембраны / М.Н. Агафонова, И.И. Стойков, И.С. Антипин, А.И. Коновалов // Тезисы докладов Международного симпозиума "Advanced Science in Organic Chemistry" (ASOC-Crimea). - Крым, 2010. - С. 4.

14. Агафонова, M.H. Молекулярное распознавание дикарбоновых, а-гидрокси- и аминокислот искусственными рецепторами на основе функционапизированных каликс[4]аренов / М.Н. Агафонова, П.Л. Падня, И.И. Стойков, И.С. Антипин, А.И. Коновалов // Тезисы докладов II Международной молодежной школы-конференции «Супрамолекуляршле системы на поверхности раздела». - Туапсе, 2010. - С. 62.

15. Agafonova, M.N. The design and synthesis of receptor structures based on thiacalix[4]arenes capable to recognition a number of a-hydroxy- and dicarboxylic acids / M.N. Agafonova, A.Yu. Zhukov, A. V. Galukhin, I.I. Stoikov, I.S. Antipin, A.l. Konovalov // Book of abstracts of 3rd International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology". - Lviv, 2010.-P. 46.

Подписано в печать 27.04.12 Бумага офсетная. Печать ризографическая. Формат 60x84 1/16. Гарниіура «Times New Roman». Усл. печ. л. 1,1 Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 120 экз. Заказ 229/4

Отпечатано с готового оригинала-макета в типографии Издательства Казанского университета

420008, г. Казань, ул. Профессора Нужина, 1/37 тел. 233-73-59,292-65-60

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СИНТЕТИЧЕСКИЕ РЕЦЕПТОРЫ НА ОСНОВЕ (ТИА)КАЛИКС [п]АРЕНОВ НА АМИНО-, ГИДРОКСИ-, КАРБОНОВЫЕ И ДИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1 Синтетические рецепторы на основе калике [п]аренов.

1.1.1 Сульфонатокаликс[п]арены.

1.1.2 Каликс[п]арены, функционализированные азотсодержащими фрагментами

1.1.3 Каликс[п]арены, содержащие ароматические, сложноэфирные и алкильные заместители.

1.1.4 Фосфорсодержащие каликс[п]арены.

1.1.5 Рецепторы на основе каликс[п]аренов, содержащие металлокомплексные фрагменты.

1.1.6 Хиральные каликс[4]арены.

1.1.7Пептидо- и гликокаликсарены.

1.2 Синтетические рецепторы на основе тиакаликс[4]арена.

1.2.1 Бисмакроциклическиерецепторы на основе (тиа)каликс[4]аренов.

1.3 Биологическая активность (тиа)каликс[п]аренов и сенсорные и транспортные системы на их основе.

1.3.1 Противовирусная активность.

1.3.2 Антибактериальная активность.

1.3.3 Противоопухолевая активность.

1.3.4 Антитромботическая активность.

1.3.5 Распознавание белковых молекул.

1.3.6Каликсарены влечении и предупреждении нейродегенеративныхзаболеваний

1.3.7 Каликсарены как составные части транспортных систем и молекулярных наноустройств.

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ РЯДА ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ ПО НИЖНЕМУ ОБОДУ л-/ирет-БУТИЛ(ТИА)КАЛИКС[4]АРЕНОВ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С РЯДОМ а-АМИНО-, а-ГИДРОКСИ- И ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ).

2.1 Молекулярный дизайн производных п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов, содержащих фрагменты для связывания дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот.

2.1.1 Молекулярный дизайн производных п-трет-бутилкаликс[4]арена, содержащих алкильные, арильные, сложноэфирные и пентафторфенильные фрагменты.

2.1.2 Молекулярный дизайн производных п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов, содержащих а-аминофосфонатные фрагменты.

2.2 Синтез функционализированных по нижнему ободу п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов, содержащих алкильные, пентафторфенильные, сложноэфирные и а-аминофосфонатные фрагменты.

2.2.1 Синтез 1,3-дизамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилкаликс[4]аренов, содержащих алкильные, арильные, пентафторфенильные и сложноэфирные фрагменты.

2.2.2 Функционализация п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов а-аминофосфонатными фрагментами.

2.3 Комплексообразующие свойства функционализированных производных п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов по отношению к ar-амино-, а-гидрокси- и дикарбоновым кислотам.

2.3.1 Индуцированный функционализированными (тиа)каликс[4]аренами мембранный транспорт дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот.

2.3.2 Исследование комплексообразующей способности аминофосфонатов на основе п-трет-бутил(тиа)каликс[4]арена методом УФ-спектроскопии.

2.3.3 Исследование комплексообразующей способности фосфорильных производных п-трет-бутил(тиа)каликс[4]аренов методом ВЭЖХ.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1 Синтез и подготовка исходных реагентов и растворителей.

3.2 Приборы и методы эксперимента.

3.2.1 Проведение мембранной экстракции.

3.2.2 Определение констант устойчивости комплексов каликсарен-кислота методом УФ-спектроскопии.

3.2.3 Определение кислот методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Актуальность. Молекулярное распознавание синтетическими рецепторами природных соединений (карбоновых кислот и биогенных аминов, аминокислот, пептидов, белков), участвующих в разнообразных биологических процессах, является предметом исследований в ряде областей знания - биохимии, супрамолекулярной, органической и аналитической химии, медицине, фармакологии. Это обуславливает бурное развитие подходов к дизайну рецепторов с заданными свойствами и определенными функциями, обеспечивающими их сродство и селективность к биологически значимым соединениям. Создание новых рецепторов (молекул-«хозяев») для решения задач обнаружения, разделения, трансмембранного переноса субстратов, содержащих карбоксильную или карбоксилатную группу, открывает новые перспективы для создания сенсорных и диагностических устройств, систем разделения и концентрирования органических соединений на основе реализации принципов биомиметики, а также для более глубокого понимания принципов транспорта веществ через биологические мембраны.

Как известно, формирование и функционирование природных супрамолекулярных систем обусловлено нековалентными взаимодействиями. Однако при дизайне рецепторов на дикарбоновые, а-гидрокси- и а-аминокислоты помимо указанных взаимодействий необходимо учитывать ряд дополнительных факторов (самоассоциация органических кислот, сильная гидратация заряженной цвиттер-ионной формы аминокислот, необходимость распознавания гидрофобной боковой цепи, обычно не содержащей заряженных или полярных групп), усложняющих достижение требуемых характеристик распознавания. В связи с этим направленное конструирование указанных рецепторов является комплексной задачей, более сложной, чем распознавание катионов и анионов. Комбинирование различных по природе центров взаимодействия в рамках макроциклической системы открывает новые возможности дизайна «хозяев» для дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот.

Каликсарены с уникальной трехмерной и конформационно подвижной структурой являются одной из популярных строительных синтетических платформ для синтеза молекул-«хозяев». Благодаря синтетической доступности исходных соединений, сравнительно легкой функционализации верхнего и/или нижнего ободов макроцикла, способности образовывать несколько конформационных изомеров каликсарены становятся в один ряд с такими хорошо известными классами «хозяев», как краун-эфиры, криптанды и циклодекстрины.

В связи с вышесказанным целью работы явилось молекулярное моделирование и направленный синтез рецепторов на а-гидрокси- и дикарбоновые кислоты, ароматические и алифатические a-аминокислоты на основе и-тре?и-бутил(тиа)каликс[4]аренов, функционализированных сложноэфирными, пентафторфенильными и аминофосфонатными фрагментами, установление структуры полученных макроциклов комплексом физических методов и характеристика их способности к молекулярному распознаванию методами мембранной экстракции, УФ-спектроскопии и ВЭЖХ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- синтезирован ряд новых 1,3-дизамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилкаликс[4]аренов в конфигурации конус, функционализированных ароматическими, алкильными, сложноэфирными, пентафторфенильными, а-аминофосфонатными фрагментами;

- впервые показано, что при замене двух mpem-бутильных заместителей в 1,3-дизамещенных по нижнему ободу каликс[4]аренах, содержащих пентафторфенильные и сложноэфирные фрагменты, на электроноакцепторные нитро-группы происходит избирательное связывание глутаминовой кислоты;

- впервые разработаны подходы к синтезу моно- и тетразамещенных по нижнему ободу я-ш/?ет-бутилтиакаликс[4]аренов в конформациях конус и 1,3-альтернат, содержащих а-аминофосфонатные фрагменты;

- установлено, что предорганизация аминофосфонатных заместителей на макроциклической платформе (тиа)каликс[4]арена увеличивает избирательность связывания а-гидрокси- и дикарбоновых кислот;

- впервые на примере соединений, содержащих а-аминофосфонатные фрагменты, продемонстрировано, что переход к тиакаликс[4]арену от его «классического» аналога усиливает способность синтетического рецептора взаимодействовать с дикарбоновыми и а-аминокислотами.

Практическая значимость работы.

Предложены и реализованы подходы к получению новых рецепторных соединений для эффективного связывания a-гидрокси-, дикарбоновых и а-аминокислот. Синтезированы и охарактеризованы 1,3-дизамещенные по нижнему ободу п-трет-бутилкаликс[4]арены в конформации конус, среди которых найдены эффективные и селективные переносчики глутаминовой и винной кислот. Оптимизированы методики синтеза аминофосфонатных производных на основе и-т/?е/и-бутил(тиа)каликс[4]арена в конфигурациях конус и 1,3-альтернат, среди которых выявлены рецепторы для связывания аспарагиновой, гликолевой, щавелевой, винной и глутаминовой кислот. Реализовано разделение смесей дикарбоновых и a-аминокислот в ряду близких по структуре субстратов, что открывает новые возможности для создания систем анализа и очистки сложных биологических смесей.

На защиту выносятся:

Синтез ряда новых 1,3-дизамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилкаликс[4]аренов в конформации конус, содержащих фрагменты для связывания дикарбоновых и а-аминокислот.

Синтез новых производных и-т/>ет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих один, четыре или восемь аминофосфонатных фрагментов в конфигурациях конус и 1,3-алътернат.

Закономерности, связывающие структурные факторы функционализированных п-т/?е«?-бутил(тиа)каликс[4]аренов с их комплексообразующей способностью по отношению к дикарбоновым, а-гидрокси- и а-аминокислотам.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, включает 55 рисунков и 16 таблиц. Состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 234 ссылки.