Хромогенные супрамолекулярные системы на основе дифильных каликс[4]резорцинаренов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи ¥

МИРОНОВА ДИАНА АЛЕКСАНДРОВНА

ХРОМОГЕННЫЕ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ДИФИЛЬНЫХ КАЛИКС[4)РЕЗОРЦИНАРЕНОВ

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

7 МОЯ 2013

Казань-2013

005536897

Работа выполнена в лаборатории Химии каликсаренов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор,

Казакова Элла Хатибовна

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Бакеева Роза Фаридовна, профессор Казанского национального исследовательского технологического университета

кандидат химических наук, доцент Зиганшин Марат Ахмедович, доцент Казанского (Приволжского) федерального университета

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» (г. Саратов)

Защита состоится 27 ноября 2013 года в 143ü часов на заседании диссертационного совета Д 022.005.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук по адресу: г. Казань, ул. Арбузова, 8, конференц-зал Института.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 420088, г. Казань, ул. Арбузова, 8, ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.

Автореферат разослан« » 2013 г.

Ученый секретарь гч1'—7—

диссертационного совета -^fxrptjk. A.B. Торопчина кандидат химических наук

Введение

Актуальность работы. Реализация селективных межмолекулярных взаимодействий или молекулярного распознавания - одна из основных задач супрамолекулярной химии. Основной областью приложения молекулярного распознавания являются сенсорные технологии, основанные на молекулярных сенсорах, которые включают два обязательных фрагмента - элемент химического распознавания и элемент генерирования сигнала (индикатор). Появление или исчезновение сигнала информирует нас о событии связывания/высвобождения детектируемого химического объекта. В идеале возможно детектирование просто при помощи человеческого глаза. Молекулярные сенсоры имеют мощный потенциал для создания новых аналитических реагентов и распознающих элементов высокоселективных лекарств, в целом являясь основной движущей силой развития этого направления.

Настоящая работа сосредоточена на трех актуальных задачах из области современной супрамолекулярной химии, а именно: на расширении спектра известных на сегодняшний день водорастворимых хромофорных систем с участием макроциклов. На визуализации (в видимой области спектра) хромогенной системой процессов распознавания третьего компонента -биологически и технологически значимых субстратов-«гостей». На переходе от молекулярных сенсоров к их наноразмерным агрегатам, позволяющим усилить и изменить свойства индивидуальных молекулярных сенсоров и, таким образом, улучшить параметры отклика - чувствительность, селективность и диапазон детектируемых веществ.

Другой важный и актуальный аспект работы относится к области защиты окружающей среды и состоит в разработке макроциклических веществ, способных к эффективному связыванию красителей, выступающих в роли загрязнителей среды. Синтетические адсорбционные смолы, способные полностью элиминировать органические загрязнители, зачастую рассматривают как альтернативу активированному углю. В этом случае физическая адсорбция играет во взаимодействии незначительную роль, поскольку площадь поверхности полимера невелика, в то время как образование комплексов включения «гость-хозяин» увеличивает эффективность удаления красителей.

Цель работы заключалась в изучении закономерностей формирования хромогенных супрамолекулярных систем из рН-индикаторов и макроциклов каликсрезорцинаренового ряда, в выяснении того, как структура и

агрегированность макроциклов влияют на комплексообразующие свойства в двойных системах «индикатор/макроцикл» и на проявление оптического отклика при введении в двойные системы конкурентных неокрашенных субстратов-«гостей».

Научная новизна проведенного исследования заключается в следующем: Впервые на примере анионных (тетраметиленсульфонатных, октакарбоксизамещенных) и катионных (окгаамидоаммонийных) каликсрезорциновых макроциклов с разной степенью агрегированное™ сформированы хромогенные супрамолекулярные системы, позволяющие контролировать процессы связывания-высвобождения субстратов по оптическому отклику, выявлена роль и влияние структуры на строение образуемых ими агрегатов, на проявляемые рецепторные свойства по отношению к рН-индикаторам: метиловому оранжевому (МО), метиловому желтому (МЖ) и кристаллическому фиолетовому (КФ*). Взаимодействие макроциклов с рН-индикаторами рассмотрено как на уровне индивидуальных макроциклов, так и на уровне их агрегатов.

- Показано, что макроциклы с заместителями, в которых сочетаются ароматические фрагменты с длинной додецильной цепью, инкапсулируют эквимолярные количества рН-индикатора с образованием наноразмерных агрегатов, в которых красители стабилизируются в формах, отличных от присутствующих в растворе. Инкапсулирование вызывает сдвиг эффективных значений рКа индикаторов, что необходимо для проектирования хромогенных супрамолекулярных систем.

Впервые проведено систематическое изучение шести октакарбоксизамещенных каликс[4]резорцинаренов различной липофильности и их взаимодействия с трифенилметановым красителем КФ+. Найдено, что три наиболее липофильных макроцикла, склонных к агрегации, связывая эквимолярные количества КФ+, ведут к появлению у красителя флуоресцентной активности, устойчивости к обесцвечиванию в основных средах как при комнатной температуре, так и при нагревании, а также к блокированию электрохимического редокс процесса.

- Установлено, что водонерастворимое тетрадодецилфеноксипроизводное каликерезорцинарена с восемью аминоамидными группами на верхнем ободе эффективно связывает в твердо-жидкостной экстракции (99%-ная сорбция) три водорастворимых азо-красителя. Высокая эффективность обеспечивается

частичным протонированием аминоамидной группы макроциклического сорбента при контакте с водой.

Методы исследования. В работе использованы методы ЯМР-спектроскопии, цикловольтамперометрии, спектрофотометрии, флуорометрии, ИК-спектроскопии, динамического светорассеяния и рН-метрии.

Практическая значимость. Разработанные «хромогенные системы» могут стать распознающей частью молекулярных сенсоров для выбранных субстратов или новыми аналитическими реагентами для их детектирования в видимой области спектра. Инкапсулирование КФ+ в агрегаты анионных амфифильных макроциклов может использоваться для консервации и стабилизации красителей в агрессивных средах, вызывающих их разложение. Вещества - производные тетрадодецилоксифенилкаликс[4]арена - могут быть эффективными сорбентами азо-красителей из водных растворов и использованы для эффективной солюбилизации водонерастворимых красителей методом твердо-жидкостной экстракции.

На защиту выносятся:

1. Результаты изучения взаимодействия тетраметиленсульфонатных каликс[4]резорцинаренов с различной длиной гидрофобного заместителя (R = СН3, С5НП) с азо-красителями в водных растворах.

2. Оценка оптического отклика хромогенной системы на присутствие третьего неокрашенного компонента.

3. Результаты изучения взаимодействия октаамидоаммонийных каликс[4]резорцинаренов с изменяющейся липофильностью с метиловым оранжевым в водных растворах.

4. Условия визуального и спектрофотометрического распознавания анионных субстратов мицеллярными агрегатами катионных октаамидоаммонийных каликс[4]резорцинаренов.

5. Результаты изучения взаимодействия октакарбоксизамещенных каликс[4]резорцинаренов различной липофильности с красителем трифенилметанового ряда кристаллическим фиолетовым в водных растворах.

6. Результаты исследования сорбции водонерастворимыми окта-замещенными производными тетрадодецилоксифенилкаликс[4]резорцинарена красителей азо-группы.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования были представлены на V International Symposium «Design and Synthesis of

Supramolecular Architectures» (Казань, 2009г.); 3rd International Summer School «Supramolecular Systems in Chemistry and Biology» (Львов, Украина, 2010г.); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011г.); International Congress on Organic Chemistry (Казань, 2011г.); 1-м Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011г.); XI Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2012г.); 6th International Symposium "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Страсбург, Франция,2012 г.); 3rd International Symposium "Molecular Ph0tonics"(PenHH0, 2012r.); 4 Всероссийской с международным участием научной школе-конференции для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Московская область, 2012г.); Всероссийской научной конференции «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2012г.); Итоговых научных конференциях ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН (2010-2013г.г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в рекомендованных ВАК РФ изданиях, 1 патенте на изобретение и 11 тезисных докладах на конференциях различного уровня.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 163 страницах печатного текста, включая 24 таблицы, 95 рисунков и 6 схем. Список литературы включает 128 наименований. Работа выполнена в лаборатории Химии каликсаренов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук, является частью исследований, проводимых в соответствии с научным направлением Института по государственным бюджетным темам «Дизайн рецепторных и амфифильных макроциклических соединений и создание многофункциональных супрамолекулярных структур и наночастиц» (№ гос. регистрации 0120.1157530), «Закономерности процессов самоорганизации и распознавания с участием макроциклических соединений циклофановой природы и создание наноразмерных систем и устройств с различными функциональными свойствами» (№ 0120. 803973). Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований №10-03-00266а «Хромогенные

супрамолекулярные системы на базе амфифильных каликсрезорцинаренов: Синтез, свойства, влияние агрегации и связывания субстратов на их оптический отклик» (2010-2012г.г.), № 13-03-00147-а «Синтез и свойства полимерных конъюгатов каликс[4]резоцинаренов. Супрамолекулярные полимерные системы, основанные на комплексообразовании "гость-хозяин"» (2013-2015 г.г.); программой № 6 ОХНМ РАН «Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров»: "Молекулярное конструирование, синтез и комплексообразующая способность наноразмерных полигонных рецепторов на основе каликсаренов" (2009 -2011 г.г.); программой №6 ОХНМ РАН "Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров": "Дизайн молекулярных рецепторов на основе амфифильных каликсаренов, способных к встраиванию в мембраны и везикулы" (2012-2013 г.г.). Работа поддержана грантами президента РФ для поддержки ведущих научных школ (НШ-4522.2010.3, НШ-4301.2012.3).

Личный вклад автора. Экспериментальные данные, приведенные в диссертационной работе, получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в обработке и обсуждении полученных результатов, в написании статей и представлении докладов на конференциях различного уровня.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Предпринятое нами исследование имело целью получить представление о структуре и характере агрегации систем, состоящих из рН-индикаторов и макроциклов каликсрезорцинаренового ряда и сформировать супрамолекулярные рН-индикаторные системы.

В качестве элементов распознавания (рецепторов), были выбраны водорастворимые молекулы-«хозяева» из класса каликсаренов, способные образовывать комплексы включения. Это каликс[4]резорцинарены различной природы: две группы анионных и одна группа катионных макроциклов (Рис. 1), способных к связыванию «гостевых» молекул - органических и неорганических ионов, нейтральных молекул и цвиттер-ионов. Амфифильность структуры обеспечивает макроциклам способность к самоорганизации, подобно той, которую проявляют ПАВы и липиды, но кроме того, они обладают еще и способностью связывания субстратов-«гостей» в полости по типу «гость-хозяин».

^'сг

О" N3

Ж

И

N11

Я= СН3 82 Я= С5Н11

С1 И= РИОСНз

С2 К=С5НП

СЗ К_= РЬОС5Н, 1

С4 Я=С8Н17

С5 К=СцН2з

С6 Я= РЮС12Н25

А1 Я=СН3

А2 К=С5Н„

АЗ К=С8Н17

А4 К=СПН23

А5 Я= РЮС,2Н25

Рисунок 1. «Элементы распознавания» - каликс[4]резорцинарены

В роли преобразователей химического распознавания в физически детектируемые сигналы были использованы молекулы красителей (Рис. 2), позволяющие, будучи связанными с макроциклами, следить за молекулярным распознаванием (взаимодействием) по изменению цвета растворов, изменению спектров и/или параметров абсорбции, при добавлении третьего компонента.

метиловый желтый (МЖ) Я- Н метиловый оранжевый (МО) И= вОз"

Монокатионная фиолетовая форма Бесцветная карбинольная форма

Рисунок 2. «Элементы генерирования сигнала» - рН индикаторы

Взаимодействие тетраметпленсульфоиатных каликс[4]резорцинарепов с азо-краснтелями в водных средах

Ранее в нашей лаборатории было показано, что амфифильный тетраметнлеясульфонатный каликсрезорцинарен в2 (Рис. 1) в зависимости от концентрационных условий существует как в виде индивидуальных молекул, так и в виде димеров и агрегатов диаметром 3-4 нм. Макроцикл не образует агрегатов в области концентраций 0-10 ммоль/л. Агрегаты в2 эффективно связывают «гостевые» молекулы в совместных полостях между соседними молекулами, ориентированными «голова-к-хвосту».

Мы рассмотрели солюбилизацию водонерастворимого МЖ макроциклами и 82, Положение А,,^ МЖ свидетельствует о том, что солюбилизация МЖ происходит за счет протонирования красителя. Более высокая солюбилизационная емкость макроцикла 82 в сравнении с 81 по отношению к МЖ объясняется возможностью дополнительной стабилизации красителя в гидрофобном окружении агрегированного в2. Для выяснения характера взаимодействий, происходящих в системе МЖ/макроцикл удобно было использовать его водорастворимый аналог — краситель метиловый оранжевый (МО).

В абсорбционных спектрах МО/ 81 (в2) небольшой батохромный сдвиг МО позволяет предположить, что протонируется лишь небольшая часть МО. При этом величина Д?-тм для МО в присутствии в2 меньше, чем в присутствии

(6 и 14 нм соответственно), что согласуется с большей ионизированностью в водных растворах.

Методом ЯМР ИГМП (ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля) установлено, что в присутствии 4,5-кратного избытка .У2 степень связывания МО < 35 %, гидродинамический радиус (Иц) совместных агрегатов 20 А (для свободного МО 5 А) , число агрегации Ма„= 14. В тоже время 20 ЫОЕЗУ-спектр системы МО/82 (С52 = 4,5 ммоль/л, Смо = 1 ммоль/л) не содержит межмолекумрных кросс-пиков, которые бы свидетельствовали о близких контактах МО и макроцикла. Вероятно, МО не погружается глубоко в полость, а связывается электростатически с сульфонатными группами калшссарена. Межмолекулярные кросс-пики, подтверждающие для $2 существование агрегационного мотива «голова-к-хвосту» при этом сохраняются.

Таким образом, взаимодействие с МЖ и МО определяется двумя процессами: 1) переносом протона на азо-краситель и 2) стабилизацией

9

протонированной азониевой формы путем связывания ее как электростатически, так и за счет возможных СН - к взаимодействий с полостью макроцикла. В присутствии 81 расширяется интервал существования протонированной формы МО и МЖ в диапазоне нейтральных рН: АрКа ~ 1,05-1,55. В присутствии 82 кислотно-основное равновесие сдвигается на ~ 1,90. Достаточный сдвиг рКа, позволяет использовать новую супрамолекулярную индикаторную систему МО/82 для получения визуального и спектрофотометрического отклика на присутствие третьего компонента (субстрата, «гостя»).

Анализ коэффициентов диффузии тройной системы 82/ТМА+(катион тетраметиламмония)/МО (4,5:3:2) показывает, что в присутствии МО размеры агрегатов тройного комплекса уменьшаются в сравнении с размерами двойного комплекса 82/ТМА+ (14 и 32 соответственно); понижается и степень связывания МО (18 %) , но ТМА+ остается связанным на 99 %. Т.е. подтверждается вывод, сделанный из данных абсорбционной спектроскопии о том, что в тройной системе при добавлении конкурентного «гостя» (ТМА+) идет образование совместных агрегатов 82/ТМА+/МО наряду с частичным высвобождением и депротонированием МО (Схема 1).

Схема 1. Схема образования агрегатов 82, МО/82, 82/ТМА+, 82/ТМА+/МО

Показано (методом динамического светорассеяния - ДРС), что в присутствии молекул-«гостей» (G) макроцикл S2 организуется в наноразмерные агрегаты, что позволяет использовать их в качестве конкурентных субстратов для системы MO/S2.

Спектрофотометрический отклик на внесение в раствор каждого из конкурентных неокрашенных субстратов может быть идентифицирован в координатной системе: « S2/MO/G (40/1/100)/ a S2/M0/G(40/1/40), где а - доля непротонированной формы МО, появляющаяся в растворе при добавлении конкурентных субстратов к индикаторной системе MO/S2, и наблюдаемая в виде изменения интенсивности абсорбционной полосы МО (505 нм) при двух разных соотношениях MO/G, относительно нулевого опыта в системе MO/S2 (Рис. 3).

-мо ^25Г —*— / ТМА+

fiï I

- МО/ S2

.....МО/ S2/ BriJ 3SP

МО/ S2J Хуго+ MO/S2/T¡VIA+

а)

б) 25

J. 20

i е 15

10

5

0

к, нм

S2-MO-G 40 / I / 40 1.00 г

MebiPyr. ^^choline+

_n-MePyr Xym, ' TMA+ ' '

Tyratfiine

став,4'

Brij 35P MV2+

AlkPyr

Adrenalin TBA+

Pmph

0.50

ci (MO)

S2-MO-G 40/1/100

Рисунок 3. а) Спектры поглощения МО, МО/82, МО/82/С в среде универс.буф. рН=4,2; б) Распределение агрегатов $2/С по размеру; в) а МО в тройной системе МО/82/С при 40- и 100-кратном избытке «гостей»

Однако МО в нейтральных растворах является анионной частицей и в отсутствие возможностей для протонирования МО должна электростатически взаимодействовать с катионными макроциклами. Эту ситуацию мы рассмотрели на примере взаимодействия МО с катионными амидоаммонийными каликс[4]резорцинаренами.

Влияние ампдоаммопийных калике [41резорцинаренов на протолнтическое равновесие метилового оранжевого: Суирамолекулярные индикаторные

системы

Было установлено (ЯМР ИГМП), что агрегация индивидуальных макроциклов Al - А5 (Рис. 1) зависит от липофильности заместителей у нижнего обода. Например, в 0,1 ммоль/л растворах А1 и А2 присутствуют как мономеры, A3 как димер, а A4 и AS как агрегаты (Nag 13 и 46, соответственно). Размеры агрегатов в присутствии МО увеличиваются: соответствующие RH возрастают от 14 до 16 Â для А2 и от 25 до 27 À для A3. Установлено, что в присутствии 1 эквивалента А2-А4 и 2 эквивалентов А1, 94 - 99 % МО связываются макроциклом. В 2D NOESY спектрах А2-А4 присутствуют кросс-пгаси между сигналами всех протонов МО и сигналами алифатических протонов макроцикла, подтверждая погружение МО в гидрофобный слой и взаимодействие -S03" с экваториально ориентированными -CH2N+(CH3)3 группами. В водном растворе МО/А5 сосуществуют ассоциаты диаметром около 59 нм, 255 нм и 400 нм (метод ДРС).

Спектрофотометрически и визуально было установлено, что в кислой среде (рН 1,8), добавление 1 эквивалента A4 или А5 к раствору МО приводит к резкому изменению цвета: красный раствор превращается в желтый и соответствующий абсорбционный максимум сдвигается от 508 до 465 и 436 нм в присутствии A4 и А5, соответственно (Рис. 4). Это однозначное свидетельство стабилизации эквимолярными количествами A4 и А5 азо-формы даже в высококислых средах.

Спектрофотометрическим рН-титрованием МО/А1-А5 определены эффективные рК„ МО (Рис. 4). Присутствие А1 не отражается на рКа МО; более липофильные А2 и A3 уменьшают их менее чем на одну логарифмическую единицу, в то время как A4 и AS изменяют их более значительно, позволяя использовать комплексы с этими макроциклами в качестве супрамолекулярных индикаторных систем.

а)

б)

рН 1,8 МО f

МО Al А2 A3 A4 А5

m '

в)

И збы токМО

Ч,

Xmdx 507 нм Q ^ ^

Водная псевдофаза

Эквимолярные количества МО

Водная псевдофаза

Рисунок 4. а) Растворы МО и МО/А1-А5, универс.буфер, рН 1,8 (а); Кривые титрования МО и МО/А1-А5, универс.буфер (б); Схематичное изображение локализации МО в агрегатах амидоаммонийных макроциклов (в)

Связанный МО стабилизируется в непротонированной форме (для А5 уже при рН 1,8). При соотношении МО/ А5 > 1 сверхэквимолярный избыток МО протонируется, раствор начинает краснеть (Рис. 4).

Комплексы МО (1:1) с агрегированными A4 и А5 стабильны в пределах концентраций 0,1 - 0,005 моль/л при рН 2,8 и 2,4, соответственно. Высвобождение МО из супрамолекулярного комплекса с А5 в объем раствора с рН 2,4 сопровождается протонированием красителя (МОН+), вызывая появление полосы при 508 нм и покраснение раствора.

Эквимолярная индикаторная система МО/А5 применима для детектирования соединений, конкурентно замещающих МО в этом комплексе, что продемонстрировано на примере одноступенчатого визуально-спектрофотометрического определения анионных сурфактантов SDS и АОТ в

водных растворах (рН 2,4) при концентрации ниже критической концентрации мицеллообразования (6 и 2,7 ммоль/л, соответственно) (Рис. 5).

Таким образом, исследование пяти окта-замещенных каликс[4]резорцинаренов и их взаимодействия с МО позволяет предложить схему их взаимодействия. В отличие от их незамещенных аналогов, которые легко принимают С4У конформацию, благоприятствующую образованию комплексов включения,

б 2.0

1.6

1.2

а < 0.8

0.4

0.0

МО МО / А5 / 0,2 мМ вОБ

МО / А5 //~\\ МО / Л5 / 1/\\\ 0,1 мМ БОв ГЛ \

■ Й \\ \\ \\ \\ \ \\\

440 510 X, нм

^а-О-^-О-Ь^-о) О ГЧа\оН

Диостилнатрийсульфосукцинат (АОТ)

2-аминоэтансульфоновая кислота (Таурин)

Нуклеотиды:

п = 0 АМР; п = 1 АЭР; п = 2 АТР

V0

но\

]ЧН,

Додецилсульфат натрия (вОв)

Сульфаниловая кислота

Рисунок 5. Спектры поглощения МО, МО/А5 при добавлении 0,01 - 0,2 ммоль/л 8И8 в универс.буфере, рН 2,4 (а); Зависимость (1-а) МО в присутствии эквимолярного количества А5 от концентрации 808 и АОТ в растворе универс. буфера, рН 2,4 (б)

ароматическая полость окта-замещенных каликсрезорцинаренов имеет конформацию симметрии С2у делая образование комплексов включения менее предпочтительным. Два противолежащих бензольных кольца в С2м конформере ориентированы вдоль оси симметрии (аксиально), а два других лежат в общей плоскости (экваториально), способствуя максимальному понижению плотности заряда по верхнему кольцу макроцикла. Агрегация конформеров С2У ориентирует

14

экваториально связанные -СНгГ^СНзЭз группы внутрь агрегатов, а аксиальные -во вне, в воду. Таким образом, связывание МО возможно по двум сценариям: при взаимодействии сульфонатных групп красителя с аксиальными -СН2М+(СНз)з группами макроцикла, ориентированными в водный раствор (поверхностное связывание, «а» на схеме 2) и связывание с экваториально расположенными -СН2М+(СН3)3 группами, что способствует локализации МО в гидрофобном интерьере агрегата («б» на схеме 2). Взаимодействие с конкурентным субстратом разрушает наноразмерную систему («в» на схеме 2).

% ч а>

гидрофобная зона мономер

к = с5н„

или

СяН)7

К ^„Нн

V «г.

И = РЬОС12Н25

рН 2,4

агрегат

Схема 2. Обобщенная схема взаимодействия МО с окта-замещенными амидоаммонийными макроциклами А1-А5

Изучение системы кристаллический фиолетовый / карбоксизамещеииые каликс[4]резорцииарены

Чтобы выяснить, насколько общими являются способы формирования хромогенных супрамолекулярных систем из индикаторов и О-замегценных макроциклов каликерезорцинаренового ряда, мы провели исследование шести водорастворимых каликс[4]резорцинаренов С1 - С6 с восемью карбоксилатными группами по верхнему ободу и разными по длине алкильными и алкилароматическими заместителями у нижнего обода (Рис. 1), а также их взаимодействия с трифенилметановым красителем КФ+ (Рис. 2). Для этой цели

была выбрана реакция обесцвечивания КФ+ в основной среде (рН 11) с образованием бесцветной карбинольной формы КФ-ОН.

Было установлено, что присутствие СЗ-С5 уменьшает скорость обесцвечивания, а наиболее липофильный макроцикл С6 блокирует обесцвечивание эквимолярных количеств КФ+ (Рис. 6). Для раствора, содержащего 2 экв. КФ+ и 1 экв. С6, обесцвечивается только 1 экв. красителя, причем с той же скоростью, что и свободный КФ+. Очевидно, что стехиометрия связывания 1:1 сохраняется, поскольку обесцвечивание блокируется только для эквимолярного количества КФ+.

В процессе циклического нагревания-охлаждения растворов КФ+ и эквимолярных количеств С2 и С4-С6 было показано, что КФ+ обесцвечивается в присутствии С2 после первого же нагревания до 70°С, в то время как в С5 и С6 сохраняют абсорбцию КФ+ неизменной после двух последовательных циклов нагревания (70°С)/охлаждения (25°С). С С4 изменение обратимо, хотя первоначальная оптическая плотность не достигается.

С1 С2 СЗ С4 С5 С6

\\ __.•— КФ+ / С4

0.3 - \\

25 70 25 70 25

Температура, С

Рисунок 6. Растворы КФ+ и КФ+/ С1-С6, универс.буфер, рН 11 (а); А(КФ+) в присутствии макроциклов С2, С4-С6 (универс.буфер, рН 11) в двух последовательных циклах нагревания/охлаждения (б)

В области концентраций (0,01 - 10 ммоль/л) С4-С6 имеют А^ 2,3, 5,1 и 72, соответственно, показывая, что Сб - единственный макроцикл, образующий в этих условиях полноценные агрегаты.

Данные ЯМР ИГМП, для С2-С5 свидетельствуют о связывании красителя с макроциклами, а большие кросс-пики в МОЕЭУ спектрах между всеми протонами К'Ф+ и алифатическими заместителями макроциклов СЗ-С5 (Рис. 7) -о локализации красителя вблизи заместителей нижнего кольца. Для менее липофильного С! кросс-пики не наблюдались, свидетельствуя о электростатическом связывании КФ* вблизи анионных групп С!.

В агрегатах С2-С6, сформированных конформерами в Сгу-симметрии, заряженные группы аксиальных колец направлены к поверхности агрегатов, а заместители экваториальных ориентированы к гидрофобному слою, сформированному липофильными заместителями нижнего кольца. Тагам образом, наряду с электростатическим взаимодействием КФ+ с отрицательно заряженными группами агрегированного макроцикла появляется дополнительная стабилизация красителя благодаря погружению его в гидрофобный слой агрегата.

Методом ДРС было показано, что в системе Сб/КФ+ (0,02 ммоль/л) преобладают агрегаты размером 8 нм, что находится в хорошем согласии с оценкой диффузионной ЯМР спектроскопии: Ян = 41 А в 0,1 ммоль/л растворе.

-(СН2)9 с.ч

(СН2)9 С5

Рисунок 7. 2В МОРГ>У спектр системы КФ+/С5, локализации КФ* в агрегатах Сб

Мы проследили влияние наиболее липофильного Сб на электрохимическую активность КФ+ в среде универсального буфера (рН=11).

Редокс-процесс КФ+ при соотношениях С6 ПСФ* ниже эквимолярных блокируется и возобновляется в присутствии избытка КФ+, приводя нас к заключению, что количества КФ+ ниже эквимолярных полностью инкапсулируются внутрь агрегатов, не позволяя им контактировать с поверхностью электрода и восстанавливаться. Сверхэквимолярное количество КФ+ электростатически связывается по поверхности агрегатов, делая его доступным для электрохимического восстановления. Факт связывания по поверхности подтверждается сдвигом потенциала восстановления 1СФ+ и ре-окисления КФ" в сторону значений более отрицательных, чем потенциал свободных частиц (Рис. 8).

КФ+, не являясь флуоресцирующим красителем, проявляет это свойство при повышении вязкости среды, ограничивающей конформационную подвижность молекулы. С повышением концентрации макроциклов и увеличением длины гидрофобных заместителей у нижнего кольца флуоресценция КФ возрастает. В присутствии 100 экв С5 и С6 наблюдается 200 и 400-кратное усиление флуоресценции, соответственно (Рис. 8). Макроциклы С4-С6 образуют с КФ+ комплексы 1:1. Константы связывания КФ+ в присутствии С5 и С6 6,96x104М'' и соответственно (флуоресцентное титрование).

В тройной системе КФ+/С6/БСА (бычий сывороточный альбумин) наблюдается синергетическое усиление флуоресценции КФ+ макроциклом С6, что свидетельствует о положительном кооперативном эффекте связывания КФ+ в тройном комплексе по сравнению с КФ+/С6 и КФ+/БСА (Рис. 8).

Таким образом, исследование пяти окта-замещенных каликсрезорцинаренов и их взаимодействия с КФ+ позволяет предложить приведенную ниже схему их взаимодействия (СхемаЗ).

Резюме: Анализ полученной информации о свойствах двойных систем «рН-индикатор - макроциклы» с рядом каликсареновых молекул-«хозяев» с разной степенью липофильности, а также о влиянии липофильности на структуру, агрегацию и оптический отклик при введении неокрашенных конкурентных субстратов, позволяет выделить некоторые общие черты, а также различия, в свойствах ассоциатов каликсареновых амфифилов с рН-индикаторами.

+ е

0.6SB

+ С6

[С6 & КФ ]

к.

[Сб & КФ j КФ

Ii +ё

-0,63В -0,77В

[Сб8" & КФ+] + п!СФ°

I«

1-1,ИВ

КФ (нейтр)

-....... КФ Я|Л1УСЙ15ииМуБСА Г46ЙИМ)

--КМ>+(| иМ>/ БСА (1.165 мМ)

Рисунок 8. Распределение частиц по размеру в системе К@"7Сб (а); Редокс процесс КФ+ в присутствии Сб в среде универ.буфера, pH 11 (б); Флуоресцентные свойства КФ^ в отсутствии и присутствии С1-С6 и БСА (А.ех 580 нм) (в)

öjW'o

ftf" kl

Сь «-N- R

•щ + он и

но ■ы^Г ■I

V м

R-CJOPIumuCS

"Од <У

/ШЩт.

: Р

fr °ir

/ + ОЕГ Редокс процесс '

1:1] Усиление флуоресценции

Схема 3. Обобщенная схема прекращений в системах «ХФ7макроциклы»

Так, мономерные катионные и анионные макроциклы (тетраметиленсульфонатные, октаамидоаминные и октакарбоксилатные) с метилышми заместителями по нижнему ободу проявляют свойства классических солей с объемными гидрофильными анионами. Они не склонны к агрегации и их связывание с рН-индикатором определяется кулоновскими силами. Связывание красителя не отражается существенно на спектральных и протолитических свойствах рН-индикаторов.

Тетраметиленсульфонатные каликсрезорцинарены с пентильными заместителями слабо связывают такой рН-индикатор как МО, но хорошо связывают подходящие по размеру органические соединения с формированием комплексов включения в кооперативные полости каликсареновых молекул, ориентированных по типу «голова-к-хвосту». Напротив, МО, не соответствующий критерию «size-match-rule», связывается слабо по поверхности полости за счет кулоновских сил между ободком макроцикла и протонированным им индикатором. Тем не менее, при соотношении MO/S2 1/40 в среде универсального буфера с рН 4,2 может быть сформирована индикаторная система, реагирующая на присутствие третьих субстратов («гостей») спектрофотометрически - уменьшением интенсивности аналитической полосы МО за счет образования тройных систем MO/S2/G и частичного высвобождения депротонированного МО.

С другой стороны, окта-замещенные амфифильные макроциклы (рктаамидоаммонийные и октакарбоксилатные) в конформации лодки с симметрией C2v образуют смесь мономеров и агрегатов. Последние укрупняются в присутствии рН-индихаторов, и связывание происходит не через образование хорошо известных классических комплексов включения в ароматическую полость, а при электростатическом взаимодействии рН-индикатора с противоположно заряженными заместителями агрегированного макроцикла и погружением остальной части красителя в гидрофобную зону (бислой), сформированную молекулами каликсаренов.

Наиболее эффективное связывание со стехиометрией 1:1 достигается с макроциклами, в которых заместители по нижнему ободу сочетают ароматический фрагмент с длинной додецильной цепью. В отличие от неагрегированных гидрофильных макроциклов ассоциация существенно меняет спектральные и протолитические свойства рН-индикаторов (эффективные pKJ.

Инкапсулирование красителей в агрегаты амфифильных макроциклов может использоваться для консервации и стабилизации красителей в агрессивных средах, вызывающих их химическую деградацию, а также в качестве флуоресцентного зонда. Комбинация «рН-индикатор - агрегированный макроцикл» представляет собой супрамолекулярную индикаторную систему, позволяющую получать визуальный и спектрофотометрический отклик на внесение конкурентных органических субстратов.

Сорбция водорастворимых азо-красителей из водных растворов производными тетрадодецилоксибензилкаликс[4]резорцинарепа

Рецепторные свойства каликсрезорцинареновых макроциклов могут проявляться не только в растворенном состоянии. Водонерастворимые макроциклы могут выступать адсорбентами в твердо-жидкостной экстракции растворенных субстратов. Была изучена способность водонерастворимого тетрадодецилоксифенилкаликс[4]резорцинарена (Н1) и его производных с карбокси- (Н2), сложноэфирными (НЗ) и аминоамидными (Н4) группами к сорбции азо-красителей Метилового оранжевого (МО), Тропеолина ОО (ТРОО), Конго красного (КК) из водных растворов (Рис. 9).

Метиловый оранжевый (МО)

Тропеолин (ТРОО) N11, /==ч /=\ ГЧН2

Н1 Я=-Н

ш к-снвнсн

Н4 1="-СН^(о]шС& Конго красный (КК) Рисунок 9. Объекты исследования: производные

тетрадодецилоксибензилкаликс[4]резорцинарена Н1 — Н4 и азо-красители

Незначительная растворимость Н4 в воде вызывает сдвиг рН раствора до значений 8,8 - 9,5 за счет протонирования Н4, которое уменьшает гидрофобность макроцикла, и обуславливает его участие в электростатическом взаимодействии с красителями. При концентрациях красителей 0,01-0,02 ммоль/л сорбция

нейтральными производными Н1 - НЗ ([$, %) не превышает 8%, для Н4 она близка и даже превосходит 90% (Таблица 1).

Таблица 1. Сорбция азокрасителей Н1-Н4 (т = 0,01 г; У<1уе = 4 мл)

МО КК _ТРОО

Макроциклы Ср ЛмМ 3 % ^

Н1 0,019 < 1 0,012 < 1 0,009 6

Н2 0,011 4 0,013 3 0,008 4

Ш 0,009 < 1 0,017 8 0,009 5

Н4 0,009 98_0,017 >99 0,016 >99

Влияние времени сорбции красителя на сорбционную активность Н4, которая осуществлялась в отсутствие перемешивания, показало, что диффузия играет решающую роль в сорбции: в первые 2 ч сорбция составляет 10 - 50 %, а максимальная емкость достигается через 24 ч.

Высокая степень сорбции Н4 по отношению к растворам красителей достигается при концентрациях 0,08 ммоль/л для МО и КК и 0,89 ммоль/л для ТРОО без потери эффективности. Увеличение концентрации красителей в питающем растворе не влияет на эффективность их сорбции Н4.

Наблюдаемые смещения частотных полос в ИК-спектрах совместных ассоциатов отражают взаимодействие каликсарен - краситель и образование ассоциата за счет межмолекулярных водородных связей, в которых участвуют амино- и амидные группы каликсарена и амино- и сульфогруппы красителя.

Сорбционная емкость по отношению к ТРОО в 13 и 6,5 раз выше, чем для МО и КК, соответственно. Это может быть объяснено наиболее благоприятными стерическими условиями для образования комплекса включения. В то же время низкая степень сорбции ТРОО соединениями Н1-НЗ показывает, что ее эффективность обеспечивается в большей степени взаимодействиями электростатическими. Сорбент Н4 может быть регенерирован промыванием ДМСО при 80 "С. В результате краситель, десорбируясь, уходит в растворитель, окрашивая его, а нерастворимый каликсарен образует белый осадок, который легко отделяется, промывается и сушится.

Таким образом, в твердо-жидкостной экстракции макроцикл с группами верхнего кольца, способными к ионизации, сопровождающейся их протонированием, является наиболее эффективным для протестированных анионных красителей. Показано, что хотя сильные кулоновские взаимодействия обеспечивают сорбцию красителей, эффективность сорбции, емкость и

22

селективность зависят от специфических взаимодействий на молекулярном уровне (Рис. 10).

ТРОО/ Н1

ТРОО ТРОО/ Н2 ТРОО/ нз ТРОО/ Н4

.. —

Схема строения ассоциата ТРОО/ Н4 (1/1) (б)

Основные результаты и выводы

1. Сформированы супрамолекулярные хромогенные системы на основе комбинации «рН-индикатор (МО, КФ+) - агрегированный макроцикл каликсрезорцин[4]аренового ряда», с тетраметилсулъфонатными (в), октаамидоаммонийными (А) и октакарбоксилатными (С) группами на верхнем ободе и с углеводородными заместителями (11) разной протяженности на нижнем ободе.

2. Установлено, что все гидрофильные макроциклы (в1, А1, С1) не склонны к агрегации и проявляют свойства классических солей с объемными гидрофильными анионами или катионами. Ассоциация макроциклов с рН-индикатором обусловлена кулоновскими силами и не отражается на спектральных и протолитических свойствах красителя. Напротив, амфифильные макроциклы (82, А2-А5, С2-С6) образуют смесь мономеров и агрегатов. Ассоциация с рН-индикаторами обусловлена не только кулоновскими силами, но

23

и гидрофобными эффектами и отражается на спектральных и протолитических свойствах последних.

3. Показано, что комбинация МО с амфифильным тетраметилсульфонатным макроциклом (S2, К=С5Нц) дает спектрофотометрический отклик на присутствие конкурентных субстратов, G, с образованием трехкомпонентных ассоциатов МОН+/ S2/ G и частичным выходом в раствор депротонированного МО. Для G = Dmph, Xym, ТМА+, Chx+, ТВА+, Туг, MeBip+, MV2+ ассоциаты организуются по типу комплексов включения G в кооперативные полости каликсареновых молекул, ориентированных по типу «голова-к-хвосту».

4. Агрегаты О-октазамещенных амфифильных макроциклов (А5 и С6) в конформации лодки (C2V) укрупняются в присутствии рН-индикаторов. Ассоциация обусловлена кулоновскими взаимодействиями с противоположно заряженными группами макроциклов и погружением гидрофобной части красителя в кооперативный бислой, сформированный углеводородными заместителями.

5. Самые липофильные AS и С6 (R = РЮС12Н25) образуют с индикаторами устойчивые наноразмерные агрегаты (1:1) МО/А5 и КФ+/С6. Найдено, что инкапсулирование красителя в агрегатах КФ+/С6 вызывает появление флюоресцентной активности, блокирование химического и электрохимического редокс-процессов, и может использоваться для консервации и стабилизации красителей в агрессивных средах, вызывающих их разложение, а также в качестве флуоресцентного зонда. Супрамолекулярная индикаторная система МО/А5 позволяет визуальное и спектрофотометрическое определение анионных субстратов. Отклик формируется при вытеснении МО из бислойных агрегатов МО/А5 в объем кислого раствора, последующем протонировании МО и окрашивании раствора в красный цвет.

6. Установлено, что в ряду водонерастворимых макроциклов (R = PhOCi2H2s) с разными группами по верхнему ободу (фенокси Н1, карбоксильные Н2, сложноэфирные НЗ и аминоамидные Н4), самым эффективным сорбентом для анионных красителей (МО, ТРОО, КК) в твердо-жидкостной экстракции является аминоамидное производное Н4, способное к ионизации (а, мг/г - 9,7; 130,5; 20,3, соответственно). Сорбция обусловлена электростатическими взаимодействиями ионов красителей и протонированного сорбента. Эффективность сорбции, емкость и селективность зависят от специфических взаимодействий красителей и каликсрезорцинаренов на молекулярном уровне.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Morozova, Ju.E. Investigation of Tetramethylenesulfonated Calix[4]resorcinarene Interactions with Azo Dyes in Aqueous Solution [Text] / Ju.E. Morozova, E.Kh. Kazakova, D.A. Mironova, Y.V. Shalaeva, V.V. Syakaev, N.A. Makarova, A.I. Konovalov //J. Phys. Chem. B.-2010. U4.-P. 13152-13158.

2. Kazakova, E.Kh. Sorption of azo dyes from aqueous solutions by tetradodecyloxybenzylcalix[4]resorcinarene derivatives [Text] / E.Kh. Kazakova, Ju.E. Morozova, D.A. Mironova, A.I. Konovalov // J Incl Phenom Macrocycl Chem. -2012.-74.-P. 467-472.

3. Kazakova, E.Kh. Influence of Amidoammonium Calix[4]resorcinarenes on Methyl Orange Protolytic Equilibrium: Supramolecular Indicator Systems [Text] / E.Kh. Kazakova, Ju.E. Morozova, D.A. Mironova, V.V. Syakaev, L.A. Muslinkina, A.I. Konovalov // Supramolecular Chemistry. - DOI: 10.1080/10610278.2013.809085

4. Mironova, D.A. Crystal violet dye in complexes with amphiphilic anionic calix[4]resorcinarenes: Binding by aggregates and individual molecules [Text] / D.A. Mironova, L. A. Muslinkina, V. V. Syakaev, Ju. E. Morozova, V. V. Yanilkin, A. I. Konovalov, E. Kh. Kazakova // J.ColIoid&Interface Science. - 2013. - V. 407. -P. 148-154.

5. Пат. 2489205 Российская Федерация, МПК B01J 20/22 С07С 233/30 С07С 235/34 С07С 235/68 С07С 231/02 B01D 15/08. Композиция каликс[4]аренов для сорбции азо-красителей из водных растворов / Морозова Ю.Э., Миронова Д.А., Казакова Э.Х.; заявитель и патентообладатель ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН. - № 2012132874/04, заявл. 31.07.12; опубл. 10.08.13, Бюл.№ 22. -8 с.

Имеются тезисы 11 докладов, представленных на всероссийских и международных конференциях

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

Тел: 295-30-36, 564-77-41, 564-77-51. Лицензия ПДШ-0215 от 01.11.2001 г Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 23.10.2013 г. Печ.л. 1,5 Заказ № К-7317. Тираж 80 экз. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ им.А.Е. АРБУЗОВА КАЗАНСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

МИРОНОВА ДИАНА АЛЕКСАНДРОВНА

ХРОМОГЕННЫЕ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ДИФИЛЬНЫХ КАЛИКС[4]РЕЗОРЦИНАРЕНОВ

диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

02.00.04 - Физическая химия

£ «

ЧУ II Научный руководитель:

со 8

О^ доктор химических наук,

^¡8 ^ профессор Э.Х. Казакова

Казань - 2013

Оглавление

Введение.....................................................................................................8

Глава 1. Литературный обзор..........................................................................14

1.1. Супрамолекулярная химия. Определение и развитие, движущие силы и

концепции.................................................................................................14

1.1.1. Супрамолекулярные системы «host - guest» на основе каликсаренов..........17

1.2. Супрамолекулярная самосборка макроциклов на примере амфифильных

каликсаренов..........................................................................................18

1.3. Рецепторные свойства амфифильных каликсаренов.......................................26

1.4. Взаимодействие водорастворимых каликсаренов с красителями........................29

1.5. Сенсорные системы на основе каликсареновых макроциклов..........................35

1.6. Тетраметиленсульфонатные каликс[4]резорцинарены..................................40

1.7. Постановка задачи исследования...........................................................48

Глава 2. Обсуждение результатов.....................................................................50

2.1. Изучение взаимодействия тетраметиленсульфонатных

каликс[4]резорцинаренов с азо-красителями в водных растворах..................50

2.1.1. Изучение двойных систем макроцикл / рН-индикатор методом спектрофотометрии видимого света..................................................................51

2.1.1.1. Солюбилизация Метилового желтого растворами макроциклов ................................................................................................................52

2.1.1.2. Взаимодействие Метилового оранжевого со 100-кратным избытком макроциклов в нейтральных условиях...............................................................55

2.1.1.3. Определение рКа рН-индикаторов в присутствии 100-кратного избытка макроциклов в буферной среде.........................................................................56

2.1.2. ЯМР-исследования двойной системы Метиловый оранжевый / макроцикл и тройной системы в присутствии конкурентного «гостя»........................................60

2.1.3. Изучение систем макроцикл / молекула - «гостя» (S2/G) методом динамического рассеяния света (ДРС).................................................................64

2.1.4. Спектрофотометрическое исследование тройных систем Метиловый оранжевый / Агрегированный макроцикл / «Гость» (МО/ S2/ G)......................................67

2.2. Изучение взаимодействия Амидоаммонийных каликс[4]резорцинаренов с Метиловым оранжевым................................................................................72

2.2.1. Изучение агрегации макроциклов методами ЯМР-спектроскопии.............73

2.2.2. Исследование взаимодействия Метилового оранжевого с макроциклами методами ЯМР-спектроскопии.................................................................75

2.2.3. Изучение растворов агрегированного макроцикла (А5) в присутствии Метилового оранжевого методом ДРС........................................................77

2.2.4. Спектрофотометрическое изучение протолитических свойств Метилового оранжевого в присутствии макроциклов......................................................78

2.2.5. Стехиометрия и константы связывания макроциклов и Метилового оранжевого..........................................................................................81

2.2.6. Влияние разбавления на комплексы Метилового оранжевого с максимально агрегированными макроциклами...............................................................82

2.2.7. Тройные системы Метиловый оранжевый / Агрегированный макроцикл / «Гость» (MO/A5/G)............................................................................83

2.3. Изучение системы Кристаллический фиолетовый / Карбоксизамещенные каликс[4]резорцинарены..........................................................................87

2.3.1. Влияние макроциклов на скорость реакции нуклеофильного замещения Кристаллического фиолетового................................................................90

2.3.2. Агрегация макроциклов и комплексов с Кристаллическим фиолетовым по

данным методов ЯМР: 'H, 2D NOES Y и ИГМП.............................................93

2.3.3. Изучение системы Кристаллический фиолетовый / Агрегированный макроцикл (С6) методом динамического рассеяния света (ДРС).......................96

2.3.4. Электрохимическое исследование Кристаллического фиолетового и системы Кристаллический фиолетовый / Агрегированный макроцикл (С6).....................97

2.3.5. Флуоресценция Кристаллического фиолетового в присутствии макроциклов.......................................................................................100

2.3.6. Связывание Кристаллического фиолетового агрегатами и индивидуальными молекулами каликсрезорцинаренов. Резюме...............................................102

2.4. Сорбция водорастворимых азо-красителей из водных растворов производными тетрадодецилоксибензилкаликс[4]резорцинарена..................107

Глава 3. Экспериментальная часть..................................................................114

3.1. Синтез и описание веществ..................................................................114

3.2. Методы исследования.........................................................................119

3.3. Проведение экспериментов..................................................................123

Основные результаты и выводы.....................................................................139

Список литературы.....................................................................................141

Приложение..............................................................................................155

Список условных обозначений и сокращений

Тетраметиленсульфонатные каликс[4]резорцинарены:

81 - с метальными заместителями на нижнем ободе

82 - с дентальными заместителями на нижнем ободе Амидоаммонийные каликс[4]резорцинарены:

А1 - с метальными заместителями на нижнем ободе

А2 -с пентильными заместителями на нижнем ободе

АЗ -с октальными заместителями на нижнем ободе

А4 -с ундецильными заместителями на нижнем ободе

А5 -с феноксидодецильными заместителями на нижнем ободе

Карбоксилатные каликс[4]резорцинарены:

С1 - с феноксиметильными заместителями на нижнем ободе

С2 - с пентильными заместителями на нижнем ободе

СЗ - с феноксипентильными заместителями на нижнем ободе

С4 - с октальными заместителями на нижнем ободе

С5 - с ундецильными заместителями на нижнем ободе

С6 - с феноксидодецильными заместителями на нижнем ободе

Тетрадодецилоксибензилкаликс[4]резорцинарены

Н1 - с незамещенными гидроксо-гуппами на верхнем ободе

Н2 - с карбоксильными группами на верхнем ободе

НЗ - со сложноэфирными группами на верхнем ободе

Н4 - с аминоамидными группами на верхнем ободе

МЖ - азо-краситель Метиловый желтый МО - азо-краситель Метиловый оранжевый ТРОО - азо-краситель Тропеолин 00 КК - азо-краситель Конго красный

МОН+- протонированная форма Метилового оранжевого ТФМ - трифенилметановые красители

КФ+- трифенилметановый краситель Кристаллический фиолет

КФ"- радикал Кристаллического фиолетового

КФ*+ - катион-радикал Кристаллического фиолетового

ПАВ - поверхностно - активное вещество

Хут - ксимедон

ВтрЬ - димефосфон

МеРуг+ - И-метилпиридиний йодид

МеВ1р - N. метилбипиридиний гексафторфосфат

Туг - тирамин

Ас1г - адреналин

ТМА+ - тетраметиламмоний бромид ТВА+ — тетрабутиламмоний бромид СЬх+ - холин хлористый МУ2+ - метилвиологен

Вгц 35Р - ПАВ трикосаэтилен додецилэфир гликоль А1кРуг+ - децилпиридиний бромид

СТАВ+ - ПАВ цетилтриметиламмоний бромид SDS - ПАВ додецилсульфат натрия

AMP - нуклеотид аденозин-5'-монофосфат динатриевая соль

ADP - нуклеотид аденозин-5'-дифосфат динатриевая соль

АТР - нуклеотид аденозин-5'-трифосфат динатриевая соль

АОТ - пищевая добавка Аэрозоль ОТ

БСА - белок бычий сывороточный альбумин

ЯМР - ядерно-магнитный резонанс

ИГМП - импульсный градиент магнитного поля

2D NOESY - (Nuclear Overhauser Spectroscopy) спектроскопия с использованием ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО)

DOESY - диффузионно ориентированная спектроскопия

Nag- числа агрегации

КСД - коэффициент самодиффузии

logP - логарифм коэффициента липофильности рассчитанный программой Molinspiration Cheminformatics 2013

ККМ - критическая концентрация мицеллообразования

ЦВА - циклическая вольтамперограмма

СУЭ - стеклоуглеродный электрод

ДРС - динамическое рассеяние света

d - гидродинамический диаметр, нм

ММВС - межмолекулярные водородные связи

Введение

Актуальность работы. Реализация селективных межмолекулярных взаимодействий или молекулярного распознавания - одна из основных задач супрамолекулярной химии. Основной областью приложения молекулярного распознавания являются сенсорные технологии, основанные на молекулярных сенсорах, которые включают два обязательных фрагмента - элемент химического распознавания и элемент генерирования сигнала (индикатор). Появление или исчезновение сигнала информирует нас о событии связывания/высвобождения детектируемого химического объекта. В идеале возможно детектирование просто при помощи человеческого глаза. Молекулярные сенсоры имеют мощный потенциал для создания новых аналитических реагентов и распознающих элементов высокоселективных лекарств, в целом являясь основной движущей силой развития этого направления [1 -6].

Настоящая работа сосредоточена на трех актуальных задачах из области современной супрамолекулярной химии, а именно: на расширении спектра известных на сегодняшний день водорастворимых хромофорных систем с участием макроциклов. На визуализации (в видимой области спектра) хромогенной системой процессов распознавания третьего компонента - биологически и технологически значимых субстратов-«гостей». На переходе от молекулярных сенсоров к их наноразмерным агрегатам, позволяющим усилить и изменить свойства индивидуальных молекулярных сенсоров и, таким образом, улучшить параметры отклика - чувствительность, селективность и диапазон детектируемых веществ.

В качестве элементов распознавания, или рецепторов, были выбраны водорастворимые молекулы-хозяева из класса каликсаренов, способные образовывать комплексы включения. Это каликс[4]резорцинарены различной природы: две группы анионных и одна группа катионных макроциклов, способных к связыванию «гостевых» молекул - органических и неорганических ионов, нейтральных молекул и цвиттер-ионов. Амфифильность структуры обеспечивает им способность к самоорганизации, подобную той, которую проявляют сурфактанты и липиды, но обладающие, кроме того, еще и способностью связывания субстратов-«гостей» в полости, по типу «гость-хозяин».

В роли преобразователей химического распознавания в физически детектируемые сигналы были использованы молекулы красителей (рН-индикаторы), позволяющие следить за молекулярным распознаванием (взаимодействием) по изменению цвета растворов, изменению спектров и/или параметров абсорбции.

Другой важный и актуальный аспект работы относится к области защиты окружающей среды и состоит в разработке макроциклических веществ, способных к эффективному связыванию красителей, выступающих в роли загрязнителей среды. Синтетические адсорбционные смолы, способные полностью элиминировать органические загрязнители, зачастую рассматривают как альтернативу

активированному углю. В этом случае физическая адсорбция играет во взаимодействии незначительную роль, поскольку площадь поверхности полимера невелика, в то время как образование комплексов включения «гость-хозяин» увеличивает эффективность удаления красителей.

Цель работы заключалась в изучении закономерностей формирования хромогенных супрамолекулярных систем из рН-индикаторов и макроциклов каликсрезорцинаренового ряда, в выяснении того, как структура и агрегированность макроциклов, разная степень которой обеспечивается систематически возрастающей липофильностью макроциклов, влияют на комплексообразующие свойства в двойных системах «индикатор-макроцикл» и на проявление оптического отклика при введении конкурентных неокрашенных субстратов-«гостей».

Научная новизна проведенного исследования заключается в следующем:

Впервые на примере анионных (тетраметиленсульфонатных,

октакарбоксизамещенных) и катионных (октаамидоаммонийных) каликсрезорциновых макроциклов с систематически возрастающей липофильностью сформированы хромогенные супрамолекулярные системы, позволяющие контролировать процессы связывания-высвобождения субстратов по оптическому отклику; выявлена роль и влияние структуры на строение образуемых ими агрегатов, на проявляемые рецепторные свойства по отношению к рН-индикаторам: Метиловому оранжевому (МО), Метиловому желтому (МЖ) и Кристаллическому фиолетовому (КФ+). Взаимодействия макроциклов с рН-индикаторами рассмотрены как на уровне индивидуальных макроциклов, так и на уровне их агрегатов.

- Показано, что макроциклы с заместителями, в которых сочетаются ароматические фрагменты с длинной додецильной цепью, инкапсулируют эквимолярные количества рН-индикатора, с образованием наноразмерных агрегатов, в которых красители стабилизируются в формах отличных от присутствующих в растворе. Инкапсулирование вызывает сдвиг эффективных значений рКа индикаторов, что необходимо для проектирования хромогенных супрамолекулярных систем.

- Впервые проведено систематическое изучение шести октакарбоксизамещенных каликс[4]резорцинаренов различной липофильности и их взаимодействия с трифенилметановым красителем Кристаллическим фиолетовым (КФ+). Найдено, что три наиболее липофильных макроцикла, склонных к агрегации, связывая эквимолярные количества КФ+, ведут к появлению у красителя флуоресцентной активности, устойчивости к обесцвечиванию в основных средах как при комнатной температуре, так и при нагревании, а также к блокированию электрохимического редокс процесса.

- Установлено, что водонерастворимое тетрадодецилфенокси-производное каликсрезорцинарена с восьмью аминоамидными группами на верхнем ободе эффективно для твердо-жидкостной экстракции (99% сорбции) трех водорастворимых азо-красителей. Высокая эффективность обеспечивается частичным протонированием аминоамидной группы макроциклического сорбента при контакте с водой.

Методы исследования. В работе использованы методы ЯМР-спектроскопии, цикловольтамперометрии, спектрофотометрии, флуорометрии, ИК - спектросокпии, динамического светорассеяния и рН-метрии.

Практическая значимость. Разработанные «хромогенные системы» могут стать распознающей частью молекулярных сенсоров для выбранных субстратов или новыми аналитическими реагентами для их детектирования в видимой области спектра. Инкапсулирование КФ+ в агрегаты анионных амфифильных макроциклов может использоваться для консервации и стабилизации красителей в агрессивных средах, вызывающих их разложение. Вещества - производные

тетрадодецилоксифенилкаликс[4]арена - могут быть эффективными сорбентами азо-красителей из водных растворов, и использованы для эффективной сорбции водонерастворимых красителей методом твердо-жидкостной экстракции.

На защиту выносятся:

1. Результаты изучения взаимодействия тетраметиленсульфонатных каликс[4]резорцинаренов с различной длиной гидрофобного заместителя (R = СН3, C5H| i) с азо-красителями в водных растворах.

2. Оценка оптического отклика хромогенных систем (MO/S2 и МО/А5) на присутствие третьего неокрашенного компонента.

3. Результаты изучения взаимодействия октаамидоаммонийных каликс[4]резорцинаренов с изменяющейся липофильностью с Метиловым оранжевым в водных растворах

4. Условия визуального и спектрофотометрического определения анионных субстратов мицеллярными агрегатами катионных октаамидоаммонийных каликс[4]резорцинаренов.

5. Результаты изучения взаимодействия октакарбоксизамещенных каликс[4]резорцинаренов различной липофильности с красителем трифени л метанового ряда Кристаллическим фиолетовым в водных растворах

6. Результаты исследования сорбционной емкости водонерастворимых октазамещенных производных тетрадодецилоксибензилкаликс[4]резорцинарена с красителями азо-группы.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Vth International Symposium «Design and Synthesis of Supramolecular Architectures» (Казань. Россия, 2009г.); IX Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, Россия, 2009г.); 3rd International Summer School «Supramolecular Systems in Chemistry and Biology» (Львов, Украина, 2010г.); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, Россия, 2011г.); International Congress on Organic Chemistry (Казань, Россия, 2011г.); 1-м Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, Россия, 2011г.); XI Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, Россия, 2012г.); 6th International Symposium "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Страсбург, Франция, 2012г.); 3-rd International Symposium

"Molecular Ph0t0nics"(PenHH0, Россия, 2012г.); Четве�