Синтез и свойства фотохромных и люминесцентных полиаминокислот тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Российский Химико-Технологический Университет

им. Д. И. Менделеева

На правах рукописи

Сюй Чжон

Синтез и свойства фотохромных и люминесцентных

полиаминокислот

( 02.00.06— Химия высокомолекулярных соединений)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководители: д.х.н.,проф. Киреев В.В. К.Х.Н., в.н. с. Попова Г.В.

Москва -1999

оглавление

стр.

введение_ 3

1.обзор литературы-- 6

1. Свето- и фоточувствительные полипептиды _6

1.1 .Модифицированные полиаминокислоты для молекулярных

электронных устройств_ 7

1.2.Пленкообразующие и жидкокристаллические полиаминокислоты и пептиды- 16

1.3.Мономолекулярные пленки Лэнгмюра-Блоджетт - 28

2.обсуждение результатов --- 40

2.1 .Синтез и свойства фотохромных и

люминесцентных полиаминокислот -42

2.1.1.Модификация полиглутаминовой кислоты индолспиропиранами—43

2.1.2.Получение производных полиглутаминовой кислоты

и гетероциклических красителей (Б-А пар люминофоров) -56

2.1.3.Синтез и свойства производных полилизина, полиглутаминовой кислоты и полиаланина, связанных с краун-эфирами -65

2.1.4.Образование монослоев на поверхности раздела фаз воздух/вода и мультислойных структур типа пленок Лэнгмюра-Блоджетт из синтезированных полиаминокислот-72

з.экипериментальная часть -85

4.выводы--110

5 .литература -112

Введение

Возрастающий интерес к фотоактивным и светочувствительным полимерным материалам связан с их возможным применением в качестве сенсоров, фотомодуляторов, в системах оптической записи и хранения информации, голографических устройствах. Полипептиды, в свою очередь, являются предметом интенсивного изучения их как составной части природных объектов. Искусственные фотохромные полипептиды могут моделировать фотоцикл бактериородопсина. Полипептидные цепи, связанные с определенными группами красителей накапливают и передают энергию электронного взаимодействия вдоль пептидной цепи, что также представляет интерес для понимания механизма действия фотосинтетических реакционных центров природных биополимеров. В качестве биомиметиков существенную роль играют пептидные производные краун-эфиров. Цвит-тер-ионные аминокислотные и пептидные производные краун-эфиров обладают общими чертами с циклическими антибиотиками и ферментами.

Полиаминокислоты, обладающие различными конформациями (клубок, а-спираль, (3-структура), в зависимости от условий их стабилизации, а также имеющие дополнительные функциональные группы в боковой цепи (-СООН у глутаминовой, -NH2 у лизина), являются прекрасными и доступными моделями белковых структур для изучения их поведения в различных условиях. Способность к образованию супрамолекулярных комплексов и ансамблей, изменение их физических свойств при изменении внешних условий (фазовое состояние, УФ-облучение, изменение температуры, рН среды и т. д.) приводит к созданию так называемых «intelligent materials».

К настоящему времени достаточно широко изучаются фотохромные полипептиды, содержащие спиропираны, азосоединения, а также светочувствительные полипептиды, связанные с конденсированными цикличе-

скими соединениями типа фенантрена, антрацена, нафталина. Наиболее интересные результаты получены при исследовании фотохромных полиаминокислот, связанных со спиропиранами через кольцевой атом азота, в растворах, где отмечен реверсивный конформационный переход клубок-спираль, фотоиндуцированный раскрытием спиропиранового цикла. В настоящем исследовании впервые предложены новые структуры, в которых к полиаминокислоте присоединены оригинальные функциональные спиро-пираны через боковые заместители, что позволяет получать соединения с различной скоростью фотохромных переходов, а также расширяет набор • спиропирановых производных полипептидов. Использование различных функциональных гетероциклических люминесцентных соединений, заранее подобранных как донорно-акцепторные пары безызлучательного переноса энергии, позволяет синтезировать разнообразные новые люминесцентные полиаминокислоты. Определенный интерес представляет исследование возможных путей синтеза полипептидных производных краун-эфиров, что достаточно перспективно при дальнейшем создании фото-управляемых «вентилей» с ионной проводимостью.

Учитывая то обстоятельство, что основная часть исследований фото-и светочувствительных полипептидов проводится в растворах, в данной работе предприняты попытки оценить возможности образования супрамо-лекулярных ансамблей типа пленок Лэнгмюра-Блоджетт и функционирования синтезированных соединений в указанном квазидвумерном твердом состоянии, в качестве потенциальных материалов для молекулярных электронных устройств, действующих в нанометрическом диапазоне.

Изучению условий синтеза, свойств свето-, фоточувствительных полиаминокислот (полиглутаминовой, полилизина, полиаланина), содержащих функциональные индолоспиропираны, производные нафталина, акридина, родамина, флуоресцеина, некоторые краун-эфиры, а также выявлению условий образования мультислойных структур - типа пленок Лэнгмюра-Блоджетт - из полученных соединений посвящена настоящая рабо-

та.

В первом разделе работы - обзоре литературы - рассмотрены данные по получению и исследованию различных фотохромных полипептидов и донорно-акцепторных комплексов полипептидов, способных к передаче энергии электронного взаимодействия, дана оценка исследований в растворах и тонких пленках.

Во втором разделе обсуждаются собственные результаты синтеза полиглутамилиндолспиропиранов, производных полиглутаминовой кислоты и люминесцентных гетероциклических красителей, полиаминокислотных производных функциональных краун-эфиров. Обсуждаются результаты образования монослоев синтезированных соединений и конструирования ультратонких пленок Лэнгмюра-Блоджетт.

В третьем разделе работы приведены экспериментальные данные по синтезу полиаминокислотных производных фотохромов, люминофоров,

краун-эфиров. Приведены условия получения и измерения параметров мо}

нослоев и пленок Лэнгмюра-Блоджетт.

1. Обзор литературы

1. Свето- и фоточувствительные полипептиды

Светочувствительные природные протеины являются, как правило, фотосенсорами и преобразователями энергии. Два наиболее изученных объекта - это бактериородопсин [1] и бактериальный фотосинтетический реакционный центр [2]. Понятие фотохромизма включает два основных явления: свет и цвет, взаимозависимость которых впервые ясно показана в работе [3]. Световая адсорбция фрагментами красителей в белках приводит в результате к фотоиндуцированной передаче энергии электрона, что хорошо моделируется взаимодействием донорно-акцепторной пары при облучении простого протеина.

Полиаминокислоты являются уникальными объектами, моделирующими природные белки и меняющими конформацию под действием даже малых внешних влияний, что влечет за собой изменения физико-химических, физических и механических свойств макромолекулы в целом [4]. В последние годы в связи с возросшим интересом к биомолекулярной электронике, наноразмерным и супрамолекулярным системам, получены обнадеживающие результаты по синтезу и применению в молекулярных электронных устройствах (МЭУ) различных модифицированных производных полиаминокислот и полипептидов. Основной интерес исследователей проявлен к фотохромным и светочувствительным полипептидам, что отражено в обзорах и обобщающих статьях Н. Yamamoto [5], О. Pieroni [6, 7], Т. Cooper [8, 9], G. Wegner [10], L Willner [11] и др.

В настоящей работе рассмотрены наиболее распространенные пути синтеза свето- и фоточувствительных полиаминокислот и / или полипепти-

дов, показана возможность их применения в качестве молекулярных материалов в различных устройствах.

1.1. Модифицированные полиаминокислоты для молекулярных электронных устройств (МЭУ)

Полиаминокислоты, связанные с другими химическими соединениями, можно получать в общем случае двумя путями:

а) синтезировать мономер, т. е. аминокислоту, в данном случае, глута-миновую, связать с фрагментом другого соединения любым доступным методом пептидной или общей органической химии и в дальнейшем полимери-зовать этот мономер, получая регулярную полиаминокислоту, в каждом звене которой находится указанный фрагмент;

б) получить полиаминокислоту, затем химически связать ее с заданным объектом (ПАВ, красителем и др.). Определенный интерес представляет модификация полиаминокислот, например, красйтелем, путем физического взаимодействия за счет сил адсорбции, ионного обмена.

Существуют также приемы модификации непосредственно пленок из полиглутаматов какими-либо соединениями, т. е. прививка на пленку или ее сшивка.

В настоящем обзоре рассмотрены модифицированные полиаминокислоты, пригодные для получения обычных пленок и мембран, некоторые их характеристики и свойства, а также полиаминокислоты, из которых можно получать пленки в мономолекулярном слое, т.е. сверхтонкие пленки по технологии Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ-пленки), имеющие большую перспективу для использования в материалах микроэлектроники, медицины, экологии и других направлениях.

Начальные работы по получению пленок (мембран), а также жидкокристаллических структур из полиаминокислот относятся к концу 70-х годов и принадлежат японским и американским ученым.

Наличие упорядоченной структуры практически для всех полиаминокислот, Н-[-МН-СНЯ-СО-]п-ОН, начиная с п > 8, приводит, к образованию а-спирали и к существованию жидкокристаллической структуры. С другой стороны, наличие свободных функциональных групп (К.) позволяет модифицировать полиаминокислотные цепи практически любыми объектами - ПАВ, красителями, ненасыщенными соединениями, получать комплексы переноса заряда и комплексы с металлами.

По химической природе описанные в литературе пленкообразующие полиаминокислоты подразделяются на следующие группы:

1. собственно полиаминокислоты (полиглутаминовая и полилизин);

2. сополимеры аминокислот (с бутилакрилатом, гидроксипропилцел-люлозой и др.);

3. полипептиды и блок-сополимеры аминокислот (глутаминовая с лизином и другими аминокислотами, с полисахаридами, полиэтиленом и прочее);

4. полиаминокислоты, связанные с ПАВ (лаурилсульфат, тридецилфе-нилсульфат натрия, додецилсульфат натрия и другие);

5. полиаминокислоты, связанные с полимеризующимися фрагментами (ацетиленовые и винильные производные);

6. мономеры, связанные с аминокислотой или пептидом (стерилпепти-

ды);

7. гребнеобразные полимеры (алкилполиаминокислоты);

8. комплексы переноса заряда;

9. фотоактивные пептиды;

10. комплексы с металлами.

Соединения групп 1-8 практически все обладают жидкокристаллической структурой. Наиболее стабильные пленки, в том числе и ЛБ, образуют соединения групп 1-9.

В качестве связанных фотохромных групп достаточно широко изучены производные спиропиранов, фульгидов, азобензолов и тринитрометана. Фотохимические реакции, ответственные за фотохромное поведение соответствующих полипептидных производных, представлены на схеме 1.

Схема 1.

а)

Ь)

<1)

сн3 сн3 о

с) 0\7 о —/

н3сХс- т сн3 л о

о

/ \

X

\ А

Ч^

Ч^

па

Н3С сн3 о

о

(>-\х //

X"

Подобно биологическим системам, синтетические полимеры, содержащие фотохромные фрагменты, ответственны за фотохромный эффект. Фактически существует два фотоизомера, которые характеризуются различной геометрией л поляризуемостью, их взаимопревращения могут влиять на всю макромолекулу. Фотоиндуцированные структурные изменения, в свою очередь, сопровождаются обратимыми изменениями физических и химических свойств. По этим причинам, фотохромные полимеры являются много-

обещающими материалами для оптических технологий, так же как и для дизайна и функционирования фоторегулируемых МЭУ [7].

Фотохромные полипептиды - синтетические полимеры с четко существующими различными конформациями (подобно естественным белкам): они существуют в упорядоченном (а-спираль) или неупорядоченном состоянии (|3-структура). Если фотохром связан с полипептидом, фотореакция может вызывать кооперативный конформационный переход «порядок / беспорядок». Поэтому макромолекула может работать как усилитель и / или трансдуктор, имея фоточувствительный фрагмент в боковой цепи [6].

Упорядоченная (а-структура) полипептида схематически изображена на рис. 1. Если повторяющиеся остатки аминокислот находятся в Ь-кон-фигурации, мы имеем правовращающую а-спираль. Если виток включает 3-6 аминокислотных единицы, то спираль не интегрируется.

Репликация структуры происходит через 18 мономерных единиц. Это повторение соответствует 5 виткам спирали с линейной протяженностью оси

27 Á и шагом 5.4 Á. Диаметр спирали без боковой цепи ~ 6 Á. Наиболее важным свойством a-спирали, как известно, является сильная способность к водородному связыванию. Все боковые цепи L-аминокислотных остатков направлены наружу от продольной оси, поэтому структура может иметь любой тип гибкой боковой цепи и совсем не обязательно химически одинаковый. Иными словами, совершенно разные производные пептидов имеют одинаковую в общих чертах структуру «белкового цилиндра с водородными связями». Необходимо при этом учитывать конформационное энергетическое предпочтение. Например, в полипептидах, имеющих заряженные боковые цепи, электростатическое взаимодействие между ними дестабилизирует спираль и приводит к структуре клубка, т. е. реализуется максимальное расстояние между заряженными боковыми цепями и сводится к минимуму распределение электростатической свободной энергии.

Другой важной структурой является (З-конформация, рис. 1. Конфор-мационные углы в ргструктуре относительно близки к значениям углов полностью вытянутой конформации, макромолекула имеет почти плоскую (zigzag) геометрию. С=0 и NH-группы участвуют в водородном связывании, но эти связи более выгодны при внешнем (inter-), чем внутреннем (intra-) взаимодействии, и связи двух полипептидных цепей образуют структуру «листа» (sheet). В такой складчатой структуре боковые цепи располагаются выше и ниже плоскости листа и стабилизируют макромолекулу за счет гидрофобного взаимодействия. Другие цепи могут располагаться либо параллельно (в одном направлении), либо антипараллельно одна другой. Последний случай более выражен в Р-структуре синтетических полипептидов.

Предпочтение той или иной упорядоченной структуры в макромолекуле является ее определяющим признаком, поэтому основным методом при установлении конформационных переходов остается круговой дихроизм (CD), особенно при изучении фотохромизма полипептидов в растворе.

Наиболее широко изучены фотоиндуцированные реверсивные конфор-мационные переходы для азобензолсодержащих полиаминокислот и пептидов [12-14], схемы 2, 3. Тем не менее, в азобензолпроизводных полипептидах образование eis- и trans-фотоизомеров, так же как и фоторегуляция конфор-мации макромолекулы требует искусственного источника UV-облучения.

Схема 2.

О NH

N Н

V

он

о

350 пш

450 пш ог dark

О

О NH

N Н

Vой

о

Схема 3.

О

(СН2)п

HN..0

N.

'N

О

HN^O

N-

ЧУ

Ч

п = 1, 2, 3, 4.

Наиболее подходящей должна бы быть система, реагирующая на солнечный свет. Такие соединения были получены при введении спиропиранов в боковые цепи полиаминокислот (ПАК) [9, 15, 16].

Структура и фотохромное поведение модифицированной спиропира-нами полиглутаминовой кислоты и полилизина показаны на схемах 4, 5.

Н3С сн,

Ww

Spiropyran form

OH

dark

light

Схема 4. - 01и.

HX сн

Merocyanine form

H3c CH3

dark

light

vVu.

Кинетика конформационных переходов в растворах спиропирансодер-жащих полиаминокислот, их фотохромизм, фоторегуляция конформационно-го состояния детально изучены О. Pieroni [6], а также Т. Cooper [8, 9].

Для изучения фотоиндуцированного переноса энергии были синтезированы полипептиды, содержащие различные донорно-акцепторные хромофоры в определенной последовательности и ориентации [17-20]. Наиболее интересные примеры представлены на схеме 6.

Миграция заряда осуществляется специфическим путем от донора к акцептору электрона. a-Спиральная конформация в данном случае способствует электронпроводящей системе в целом [17]. Определенной последовательности в полипептидной цепи удалось добиться при полимеризации три-пептида, содержащего а-(п-диметиламинофенил)аланин как донор электрона и а-(нафтил-1)аланин как акцептор, схема 6В, [18]. Данные CD показали наличие a-спиральной конформации с сильным экситонным эффектом в электронном переходе у хромофоров. Спектры испускания подтвердили явный фотоиндуцированный переход электрона с образованием эксимеров [18]. Расчет энергии конформационного превращения предполагает единственную возможность ориентации боковой цепи для донорно-акцепторной пары. Пи-рен-содержащий полипептид, схема 6С, получен методом ступенчатой полимеризации при инициировании пирен-олигопептид�