Комплексообразование циклодекстринов с некоторыми биологически активными соединениями в водных растворах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

005535464

На правах рукописи

Терехова Ирина Владимировна

Комплексообразование циклодекстринов : некоторыми биологически активными соединениями в водных растворах

02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

2 4 ОКТ 2013

Иваново 2013

005535464

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук (ИХР РАН)

Научный консультант: доктор химических наук, профессор

Агафонов Александр Викторович

Официальные оппоненты: Федорова Ольга Анатольевна

доктор химических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук, зав. лабораторией Михайлов Олег Васильевич доктор химических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», профессор кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества Мамардашвили Нугзар Жораевич доктор химических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук, зав. лабораторией

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук

Защита состоится «14» ноября 2013 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 002.106.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химии растворов им. Г.А. Крестова РАН по адресу: 153045, г. Иваново, ул. Академическая, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХР РАН по адресу: 153045, г. Иваново, ул. Академическая, д.1.

Автореферат разослан " Ц " октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

-ш-

Антина Е. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Химия соединений включения, базирующаяся на представлениях о молекулярном распознавании и нековалентных взаимодействиях, является важной составной частью супрамолекулярной химии. Результаты, полученные в данной области, внесли вклад в теорию и практику ферментативного катализа и показали роль избирательного связывания в биохимических и технологических процессах. Интерес к химии комплексов хозяин-гость непрерывно растет. С одной стороны, потребности современной индустрии требуют разработки новых технологий разделения веществ и энантиомеров, создания более усовершенствованных систем доставки лекарств, получения капсулированных форм биологически активных соединений с улучшенными свойствами и перспективных функциональных наноматериалов. Роль процессов формирования соединений хозяин-гость в данных технологиях и материалах определяющая. С другой стороны, современные теоретические представления о механизмах молекулярного распознавания и нековалентном связывании во многих аспектах базируются на результатах квантово-химических расчетов, а так же на интерпретации эффектов в конкретных системах, что недостаточно для разработки прогностической теории. Актуальность описываемых явлений в практическом плане и недостаточность развития базы экспериментальных данных, требующейся для теоретических обобщений в данной области, определяют существенный научный интерес к химии комплексов хозяин-гость.

Комплексы циклодекстринов с биологически активными молекулами, благодаря интересу фармацевтических компаний, представляют собой одни из наиболее интенсивно изучаемых объектов химии соединений включения в последние годы. Главными результатами этих исследований являются открытые эффекты увеличения растворимости органических молекул в составе комплексов с циклодекстринами, повышение их стабильности в среде физиологических жидкостей и при хранении, улучшение вкусовых качеств, усиление фармакологической активности, пролонгирование терапевтического действия, снижение побочных эффектов и т.д. Основным недостатком имеющихся в литературе данных является их фрагментарность, не дающая возможность проведения детального анализа взаимосвязи термодинамических параметров комплексообразования со строением реагентов, их интерпретации с учетом образующихся в растворе структур -внутренних или внешних комплексов, степени вхождения молекул-гостей в макроцик-лическую полость, типов невалентных межмолекулярных взаимодействий.

Очевидно, что проведение систематических исследований взаимодействий природных и замещенных циклодекстринов с широким спектром молекул биологически активных веществ и лекарственных препаратов имеет важное значение как для проведения взаимосогласованного анализа закономерностей, приводящих к эффектам молекулярного распознавания, так и для разработки новых систем разделения, инкапсулирования и доставки на основе комплексов хозяин-гость.

Цель работы состояла в установлении основных закономерностей комплексообразования природных и гидроксипропилированных циклодекстринов с рядом биологически активных соединений в водных растворах, выявлении критериев молекулярного

узнавания, инклюзионного комплексообразования и взаимосвязи между термодинамическими и структурными характеристиками процессов образования комплексов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Провести термодинамическое описание взаимодействий нативных и гидроксипро-пилированных а-, 0- и у-ииклодекстринов с биологически и фармакологически значимыми ароматическими моно-, би- и трициклическими соединениями в водном растворе и на основе полученных данных (А', Ар, А Н и АсБ) проанализировать влияние усложнения строения молекул-гостей, изменения степени гидрофобности и гидратации реагентов, размеров макроциклической полости и модификации внешней поверхности цикло-декстринов на протекание процессов комплексообразования.

Установить стехиометрический состав комплексов и способ их образования в водном растворе. Оценить роль структурного фактора и принципа геометрической комплементарное™ в процессах комплексообразования.

Предложить критерии, на основе которых можно судить об инклюзионном ком-плексообразовании и глубине включения гостя в полость хозяина, а также о возможности поверхностных взаимодействий.

Разработать общее представление о взаимосвязи термодинамических и структурных характеристик комплексообразования, позволяющее предсказать движущие силы взаимодействия и изменения в системе, связанные с процессом образования комплексов.

Оценить способность циклодекстринов к молекулярному распознаванию изомерных и структурно родственных соединений и выделить основные факторы, определяющие селективность взаимодействия.

Выявить влияние свойств среды (рН, присутствие и природа фонового электролита) на образование и устойчивость комплексов включения циклодекстринов с рассматриваемыми молекулами-гостями.

Рассмотреть возможность практического использования полученных результатов в целях солюбилизации, стабилизации, обнаружения и разделения биологически активных веществ и лекарственных препаратов посредством комплексообразования с цикло-декстринами.

Научная новизна. С привлечением различных экспериментальных методов впервые проведено детальное исследование комплексообразования природных и гидрокси-пропилированных а-, [3- и у-циклодекстринов с моно-, би- и трициклическими соединениями, проявляющими биологическую и фармакологическую активность. Получены и интерпретированы новые термодинамические и структурные характеристики процессов комплексообразования циклодекстринов с рассматриваемыми молекулами-гостями в водных растворах, которые значительно пополняют базу данных по супрамолекулярным комплексам олигосахаридов. Выявлены основные закономерности влияния строения и физико-химических свойств реагентов на возможность образования комплексов включения. Проанализирована роль структурного и энергетического факторов в процессах комплексообразования. Впервые предпринята попытка установления взаимосвязи между

термодинамикой и способом комплексообразования циклодекстринов. Предложены критерии, позволяющие судить о движущих силах взаимодействия и протекании инклюзи-онного или поверхностного комплексообразования. Продемонстрирована способность циклодекстринов к молекулярному узнаванию изомерных и структурно родственных соединений. Проанализировано влияние свойств реакционной среды (pH, присутствие фонового электролита) на поведение комплексов включения в растворе.

Практическая значимость. Результаты диссертационной работы расширяют представления об образовании комплексов включения нативных и модифицированных циклодекстринов с ароматическими moho-, би- и трициклическими соединениями в водных растворах. Полученные данные могут быть использованы при разработке процессов микрокапсулирования лекарств, витаминов, косметических и пищевых ингредиентов и других биологически активных веществ. Термодинамические и структурные характеристики комплексообразования позволяют оценить солюбилизирующее и стабилизирующее действие циклодекстринов и степень изменения физико-химических свойств молекул-гостей, капсулированных циклодекстрипами. Выявленные закономерности влияния строения реагентов и свойств среды на комплексообразование дают возможность управлять процессами инкапсулирования и прогнозировать поведение комплексов включения в физиологических условиях. Результаты исследования могут использоваться при моделировании процессов адресной доставки лекарственных препаратов и других биохимических реакций. Выявленная способность циклодекстринов к молекулярному узнаванию структурных и оптических изомеров может служить основой создания сенсоров, аналитических методик разделения изомерных соединений и контроля степени чистоты биологически активных веществ.

Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждены на IX, XI Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Плес 2004, Иваново 2011); International Conference on Supramolecular Science and Technology (Prague, 2004); III, IV International Symposium «Molecular Design and Synthesis of Supramolecular Architectures» (Казань 2004, 2006); XV, XVI, XVII, XVIII Международной конференции по химической термодинамике в России (Москва 2005, Суздаль 2007, Казань 2009, Москва 2013); Conference on Thermal Analysis and Calorimetry (Zakopane 2005, 2009, 2012); X International Seminar on Inclusion Compounds (Казань, 2005); 9-th European Symposium on Thermal Analysis and Calorimetry (Cracow, 2006); International Summer School «Supramolecular systems in chemistry and biology» (Tuapse, 2006, 2008); Всероссийском симпозиуме «Эффекты среды и комплексообразования в растворах» (Красноярск 2006); XIII, XVI Симпозиуме по межмолекулярным взаимодействиям и конформациям молекул (С.-Петербург 2006, Иваново 2012); XV International Conference «Physical methods in coordination and supramolecular chemistry» (Kishinev, 2006); XXIII, XXIIIV XXV Чугаевской конференции по химии комплексных соединений (Одесса 2007, С.-Петербург 2009, Суздаль 2011); International Symposium and Summer School «Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter» (St.-Petersburg, 2007); 8, 9, 11-th Mediterranean Conference on Thermal Analysis and Calorimetry (Palermo 2007, Porto 2011, Athens 2013);

20-th International Conference on Chemical Thermodynamics (Warsaw, 2008); 15-th International Cyclodextrin Symposium (Vienna, 2010); 14-th International Symposium on Solubility Phenomenon (Leoben, 2010); II Международной школе-конференции «Супрамолекуляр-ные системы на поверхности раздела» (Туапсе 2010, 2013); VIII Всероссийской конференции «Химия и медицина» (Уфа 2011, 2013); 15-th International Conference on Thermal Analysis and Calorimetry (Osaka, 2012).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 91 печатной работе, в том числе в 4 коллективных монографиях, 29 статьях в рецензируемых российских и зарубежных журналах и 58 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, проведении экспериментальной работы, обработке полученных данных, обсуждении и обобщении результатов.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 301 странице, содержит 46 таблиц, 113 рисунков и состоит из введения, 7 глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 493 наименований.

Связь работы с научными планами, темами, программами. Диссертационная работа выполнена в лаборатории ИХР РАН «Химия гибридных наноматериалов и суп-рамолекулярных систем» в соответствии с основными направлениями фундаментальных исследований РАН по направлению «Химические науки и науки о материалах» (индекс 5.1) и планами НИР ИХР РАН на 2005-2013 годы: «Физико-химические и координационные свойства растворов сахаридов» № гос. регистрации 01.2.00103066 (2001-2005 гг.); «Функциональные наноматериалы на основе неорганических оксидов и полисахаридов для электрореологии» № гос. регистрации 01.2.00607018 (2006-2008 гг.); «Формирование структуры и свойств жидкофазных дисперсных систем и наноматериалов с использованием химических и физических воздействий» № гос. регистрации 01200950829 (20092011 гг.); «Научные и технологические основы получения функциональных материалов и нанокомпозитов» № гос. регистрации 01201260483 (2012-н.в.).

Работа поддерживалась грантами РФФИ (№03-03-96411-р2003цчр_а (2003-2005 гг.), №06-03-96313-р_центр_а (2006-2008 гг.), №07-03-08413-3 (2007 г.), №09-03-97563-р_центр_а (2009-2011 гг.) и № 12-03-97516-р_центр_а (2012-н/в)); Федеральной целевой программы "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы (№Д3289/2008, 2003 г.); фонда Президента РФ на поддержку молодых российских ученых и ведущих научных школ на выполнение научных исследований (№МК-1060.2003.03, 2003-2004 гг.); Фонда содействия отечественной науке по программе "Выдающиеся ученые. Кандидаты и доктора наук РАН" (2005-2006 гг.); Германской службы академических обменов DAAD (2005, 2008, 2011 г.); Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (№8839, 2012-2013 гг.).

Часть результатов была получена при сотрудничестве с Университетом г.Палермо (Италия), Институтом физической химии ПАН (г.Варшава, Польша), Институтом фар-

мацевтики при Университете им. Ф.Шиллера (г.Йена, Германия) и Институтом математических приложений в естественных науках общества Макса Планка (г.Лейпциг, Германия).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Циклодекстрины как представители отдельного класса макроциклических лигандов в супрамолекулярной химии

В данной главе представлен аналитический обзор по строению, свойствам и основным направлениям практического использования циклодекстринов (ЦД) - макроцик-лических рецепторов природного происхождения, образующихся при ферментативном расщеплении крахмала и состоящих из остатков D-глюкопиранозы, связанных «голова к хвосту» а(1—>4)-гликозидной связью (рис. 1). Молекулы ЦД обладают относительно жесткой тороидной структурой, с одной стороны которой (более широкая часть) находятся гидроксильные группы, присоединенные по 2- и 3-положениям глюкопиранозных единиц, а с другой (более узкая часть) — гидроксильные группы, присоединенные по 6-ноложению (рис. 1). Таким образом, внешняя поверхность молекул ЦД сформирована полярными ОН-группами, в то время как относительно гидрофобная внутренняя полость

включает в себя связи С-Н, С-С и С-О. Наи-

OR RQ OR Л 'OR OR ' , , > « \ \ к" и.!--'- f'"y. "R RQ 0* RO •O'.^L,-0- bR ROT OR

R=H -Р-ЦД R=CH2CHOHCH3 - гидроксипропил-р-ЦД (ГП-(3-ЦД)

Рис. 1. Схематичное представление структуры (3-циклодекстрина.

более хорошо изученными являются а-ЦД, Р-ЦД и у-ЦД, имеющие в своем строении соответственно шесть, семь и восемь глюкопиранозных фрагментов и различающиеся диаметром макроциклической полости. Основные структурные параметры и физико-химические свойства ЦД представлены в табл. I. К настоящему времени синтезированы и интенсивно исследуются различные модифицированные ЦД (гидроксипропили-рованные (ГП-ЦД), метилированные, тсар-боксиметилированные и др.).

ЦД способны к образованию комплексов включения (рис. 2). Проникновение и расположение органического субстрата внутри макроциклической полости реализуется в соответствии с принципами структурной и энергетической комплементарности и включает в себя следующие этапы: 1) изменение конфор-мации ЦД; 2) высвобождение молекул воды, изначально располагавшихся в полости ЦД; 3) непосредственное проникновение гостя

Таблица 1. Геометрические параметры и свойства циклодекстринов

а-ЦД (3-ЦЦ у-ЦД

Число глюкопиранозных единиц 6 7 8

Эмпирическая формула СзбНбоОзо С42Н70О35 С^П^Оф,

Диаметр полости, А 4.7-5.3 6.0-6.5 7.5-8.3

Глубина полости, А 7.9+0.1 7.9±0.1 7.9±0.1

Объем полости, А3 174 262 427

Число молекул Н20 внутри полости 2 6-7 7-8.8

Растворимость (Н20, 298.15 К), М 0.121 0.016 0.168

рК„ (298.15 К) 12.33 12.20 12.08

в полость хозяина и образование комплексов за счет невалентных взаимодействий (вандерваальсовы, гидрофобные, электростатические и стекинг-взаимодействия, водородное связывание, перенос заряда, стерические эффекты).

Низкая токсичность ЦД и коммерческая доступность определяют широкое использование комплексов включения ЦД в фармацевтике при создании лекарственных препаратов нового поколения, в технологиях капсулировния пищевых продуктов и косметических средств, в биоорганической химии и нанохимии, в аналитических методиках по определению и разделению изомеров и др.

Обзор литературы по химии ЦД показал, что, несмотря на большое количество публикаций по комплексообразованию олигосахаридов, основные закономерности этого процесса были выявлены лишь для некоторых классов органических соединений - алифатических карбоновых кислот и спиртов, аминокислот и оснований нуклеиновых кислот. Комплексное исследование и установление взаимосвязи между термодинамическими и структурными характеристиками комплексообразования природных и модифицированных а-, Р- и у-циклодекстринов с рассматриваемыми в работе биологически значимыми moho-, би- и трициклическими ароматическими соединениями не проводились ранее.

Глава 2. Комплексообразование циклодекстринов с простейшими ароматическими карбоновыми кислотами и структурно близкими моноциклическими соединениями

В разделах 2.1 и 2.2. подробно описывается комплексообразование ииклодекстринов с бензойной и ампнобензойными кислотами. Бензойная кислота (БК) — простейшая одноосновная карбоновая кислота ароматического ряда, которая успешно применяется в медицине и пищевой промышленности в качестве консерванта E2I0-213. Аминобензойные кислоты (АБК) - производные БК, у которых NH2-rpynna находится в орто-, мета- или иоря-положении ароматического кольца (оАБК, мАБК и пАБК, соответственно). Среди этих изомерных кислот только пАБК (витамин Вш, бактериальный витамин Н,) обладает биологической и фармакологической активностью.

Анализ приведенных в табл. 2 термодинамических параметров комплексобразова-ния показывает, что ЦД образуют с БК и АБК преимущественно комплексы состава 1:1 (по методу Жоба), исключение составляют только 1:2 (хозяин:гость) комплексы ГП-у-ЦД с БК и пАБК. Для комплексообразования кислот с а-ЦД и Р-ЦД выявлена следующая закономерность, показывающая влияние размера молекулярной полости и присутствия гидроксипропильных заместителей на изменения термодинамических параметров: АСН°: р-ЦД « ГП-Р-ЦД > а-ЦД « ГП-а-ЦД TAeS°: Р-ЦЦ « ГП-Р-ЦД > а-ЦД » ГП-а-ЦД Д,У{Щ): Р-ЦД « ГП-р-ЦД > а-ЦД » ГП-а-ЦД

Рис. 2. Схематичное представление комплексообразования а-, р- и у-циклодекстринов._

Таблица 2. Термодинамические параметры комплексообразования циклодекстринов с бензолом, анилином, бензойной и аминобензойными кислотами в воде при 298.15 К

Комплекс IgA'1 ACG° АсНС: TACS° А ГУ(ЦЦ) Метод

кДж/моль см/моль

а-ЦД'бензол2 1.50 + 0.01 -8.6 + 0.1 -13.1 ±0.3 -4.5 ±0.3 — измерение давления пара

Р-ЦД/бензол3 2.0 + 0.6 -11.6 ±3.5 -3.5+0.6 8.1 ±3.6 — калориметрия

а-ЦД/БК 2.95 ±0.08 2.95 ±0.02 2.9 ±0.1 -16.9 ±0.5 -16.9 ±0.1 -16.7 + 0.6 -38.8 ±0.5 -21.9 ±0.7 -15 ±2 калориметрия 'IIЯМР денсиметр ия

ГП-а-ЦД/БК 2.9 ±0.3 2.86+0.07 2.8 ±0.2 -16.3 ±1.5 -16.3 ±0.4 -15.7 ± 1.2 -29.2 ± 0.5 -12.9 ± 1.6 -19 ± 3 калориметрия !НЯМР денсимеария

Р-ЦД/БК 2.6 ±0.1 2.6 + 0.1 2.4 + 0.2 -14.7 + 0.7 -14.6 ±0.6 -13.5 ± 1.1 -13.4 ± 0.4 1.3 ±0.8 19 ±2 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

ГП-Р-ОД'БК 2.8 ±0.2 2.65 ±0.09 2.6 ±0.2 -15.7 ± 1.1 -15.1+0.5 -14.5 + 1.1 -14.3 ± 0.4 1.4 ± 1.2 31 ±4 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

ГП-у-ЦД'БК(1;2) 3.9 ±0.3 4.3 ±0.1 4.3+0.1 -22.0 ± 1.7 -24.5 + 0.6 -24.6 + 0.6 -24.1 ± 0.7 -2.1 ± 1.8 «0 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

а-ЦЦ/анилин4 0.94 ±0.01 -5.4 ±0.06 — — — УФ-спектрофотометрия

Р-ЦД/анилин5 1.75 ±0.09 -9.9 ±0.5 — — — УФ-спектрофотометрия

а-ЦД'мАБК 1.8 + 0.2 1.8 ±0.4 1.7 ±0.2 -10.3 ±1.1 -10.3 ±2.3 -9.7 ±1.1 -21.9 ±0.6 -11.6 ± 1.3 -8 ±2 калориметрия 'Н ЯМР денсиметрия

ГП-о-ЦД/мАБК 2.0 ±0.2 2.0 ±0.1 1.8 ± 0.1 h -И.4± 1.1 -11.4 ± 0.6 -10.3 + 0.6 -16.7 + 0.3 -15.9 ±0.7 -5.3 ± 1.1 -4.5 ±0.9 -2±1 калориметрия УФ-спектрофотометрия 'Н ЯМР денсиметрия

Р-ЦД'мАБК 1.8±0.1 1.8 ±0.3 1.85 ±0.03 1.8 ±0.2 -10.3 ±0.6 -10.3 ±1.7 -10.6 ±0.2 -10.3 ± 1.1 -2.2 + 0.1 8.1 ±0.6 27 ±2 калориметрия 'Н ЯМР УФ-спектрофотометрия денсиметрия

ГП-р-ЦД/мАБК 1.9 ±0.3 2.0 ±0.1 1.9 ± 0.1 -10.8 ± 1.7 -11.4 ± 0.6 -10.8 ±0.6 «0 = 11.4 24 ±2 'НЯМР УФ-спектрофотометрия денсиметрия

ГП-у-ЦД'мАНК 1.3 + 0.1 6 -7.5 ±0.6 «0 =7.5 «0 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

а-ЦД/пАБК 3.2 ±0.2 3.1+0.6 2.8 + 0.2 -18.3 ± 1.1 -17.7 ±3.4 -16.0 ±1.1 -41.0 ±0.4 -22.7+1.2 -7 ± 1 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

ГП-а-ЦД'пАБК 3.2 + 0.2 3.1+0.3 2.9 ±0.3 -] 8.3 ±1.1 -17.7 ± 1.7 -16.6 ± 1.7 -36.5 ±0.5 -18.2 ± 1.2 -13 ¿2 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

Р-ЦД'дАБК 2.9 ±0.1 2.8 + 0.6 2.8 ±0.3 -16.6 ±0.6 -16.0 + 3.4 -16.0± 1.7 -14.2 + 0.2 2.4 23 ±2 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

ГП-р-ЩУпАБК 2.9 ±0.2 2.8 ±0.4 2.6 + 0.3 -16.6 ±1.1 -15.9 ±2.3 -14.8 ± 1.7 -11.7 ± 0.3 4.9 ± 1.1 18 ± 2 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

ГП-у-ЦД/пА£К( 1 ъ2) т- 3.8 ± 0.2 4.3 ± 0.2 4.1 ±0.4 -21.7±1.1 -24.5 ± 1.1 -23.4 ±2.3 -32.9 ±0.6 = -11.2+1.3 16 ± 2 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

- здесь и в последующих таблицах при расчете А" использовались моляльности реагентов; ^ - Е. П. Tucker et al. // J Am Chem Soc 106 (1984) 1942; -I. Gomez-Orcllana et al. //Thermochim. Acta 221 (1993) 183;'-A.B. Wong et al., // J. Pbaim. Sci. 72 (1983) 388;A. Bu-vari et al. // J. Chera. Soc. Perkin Trans. 2 (19881 543;" -расчет А'оказался затруднительным из-за небольших объемных изменений.

Наблюдается существенное различие в термодинамике комплексообразования кислот с а- и Р-циклодекстринами. Если комплексообразование с а-ЦЦ и ГП-а-ЦД контролируется только энталыгайной составляющей энергии Гиббса (ДеЯ°< 0 , ГДС5°< 0), то связывание с Р-ЦД и ГП-Р-ЦД энтальпийно-энтропийно благоприятно (ДсН°< 0 , ГДГ5° > 0). Взаимодействия с а-ЦД и ГП-а-ЦД характеризуются отрицательными объемными изменениями, а с Р-ЦД и ГП-Р-ЦД - положительными. Данный факт объясняется различием в способе и движущих силах комплексообразования кислот с а-ЦД и Р-ЦД.

Изменения химических сдвигов протонов ЦД, обусловленные комплексообразова-нием с кислотами, приведены в табл. 3. Наибольшее смещение характерно для сигналов протонов ЦД Н-3 и Н-5, которые расположены внутри макроциклической полости и чувствительны к включению гостя. Согласно этому, БК и АБК проникают в макроцикличе-скую полость обоих ЦД, и образуются комплексы включения.

Характер изменения Дс8 протонов а-ЦД и Р-ЦД различен. В случае а-ЦД сигналы протонов Н-3 испытывают сильнопольный, а протонов Н-5 - слабопольный сдвиги, что обусловлено нахождением только части ароматического кольца вблизи Н-3, а карбоксильной группы кислот около Н-5. Одинаковое смещение сигналов протонов Н-3 и Н-5 Р-ЦД в область сильного поля (табл. 3) связано с более глубоким проникновением кислот и расположением всего ароматического кольца внутри макроциклической полости. Карбоксильная группа при таком способе связывания находится вне полости и, вероятнее всего, занимает место у узкого обода молекулы Р-ЦД.

Таким образом, частичное включение БК и АБК и плотное их расположение в меньшей по диаметру полости а-ЦД приводит к более сильному проявлению вандерва-альсовых взаимодействий и удерживанию молекул кислот в составе комплекса. Такой способ комплексообразования характеризуется отрицательными ДСН°, ГДГ5° и Д,ГУ(ЦЦ) (табл. 2). Размеры молекул Р-ЦД соответствуют более глубокому включению кислот, которое сопровождается интенсивной дегидратацией реагентов, усилением гидрофобных

взаимодействий и, как следствие, повышением Д сН°, ГА^" и А„У(ЦД). При доминирующем вкладе от дегидратации частиц в термодинамические параметры комплексообразования можно рас-

Таблица 3. Изменения химических сдвигов протонов ЦД, обусловленные комплексообразованием с бензойной и амнобензойными кислотами в воде при 298.15 К _ _

Комплекс ДМЦД) > м-д-

Н-1 Н-2 Н-3 Н-4 Н-5 Н-6

а-ЦД/БК а-ЦЦ/мАБК -0.06 -0.07 -0.07 -0.37 -0.31 -0.04 0.13 0.16 ~0 -0.04 V-нс,| /—№;) V—им г~"и)

а-ЦД/пАБК -0.06 -0.06 -0.31 -0.03 0.13 -0.04 \н|„>

Р-ЦД/БК -0.05 -0.05 -0.18 -0.03 -0.24 -0.06

Р-ЦД/мАБК -0.06 -0.05 -0.19 -0.3 -0.23 -0.06

Р-ЦЦ/пАБК -0.06 -0.06 -0.18 -0.4 -0.24 -0.07

* - здесь и в следующих таблицах ошибка в определении Д 5 не превышала 0.01 м.д.; ** - пики перекрывались_

считать количество молекул воды п„„, высвобождающихся из полости ЦД [./. Р1гу$. СИет. В 110 (2006) 4487]:

Д,ГУ(ЦД) = п„р ■ У(НгО) - Уф (гость) (1)

, где Д,ГУ(ЦЦ) - разница между кажущимися мольными объемами полностью закомплексованного и свободного ЦД (табл. 2); У(НгО) - мольный объем воды (18.068 см3/моль); Уф(гость) - кажущийся мольный объем гостя (Уф(БК)= 98.0, Уф(мАБК)=93.9 и Уф(пАБК)=102.8 см3/моль). Для комплексообразования Р-ЦД и ГП-р-ЦД было получено «„,,=6-7 молекул, показывающее, что при взаимодействии с БК и АБК полость макроциклов становится полностью дегидратированной (табл. 1).

Гидроксипропильные заместители в молекулах ЦД оказывают несущественное влияние на термодинамику комплексообразования с БК и АБК, приводя, в зависимости от системы, к небольшому ослаблению или усилению связывания (табл. 2).

Были выявлены следующие особенности влияния строения и свойств молекул-гостей на комплексообразование с ЦД. Во-первых, присутствие карбоксильной группы в молекулах кислот является благоприятным для связывания с ЦД и определяется ее участием в образовании Н-связей с макроциклами. Комплексы ЦД с БК и АБК, по сравнению с бензолом и анилином, более устойчивы (табл. 2). Во-вторых, влияние расположения амино-группы в бензольном кольце на термодинамику комплексообразования со всеми рассматриваемыми ЦД отражается в приведенной ниже последовательности: К: пАБК > БК> мАБК ДСН°: мАБК > БК > пАБК 7-Де5": мАБК > БК > пАБК Присутствие амино-группы в молекуле пАБК обуславливает повышение экзотер-мичности взаимодействия и устойчивости комплексов. Перемещение МН2-группы из пара- в л/етя-положение приводит к существенному возрастанию АСН" и Де5° (табл. 2). Согласно литературным данным, мАБК преимущественно находится в водном растворе в форме цвиттер-ионов, которые, по сравнению с незаряженными молекулами БК и пАБК, сильнее гидратированы. В результате этого, комплексообразование ЦД с мАБК менее экзотермично. Кроме того, амино-группа в .иелш-положении может создавать сте-рическое препятствие и предотвращать глубокое проникновение мАБК в макроцикличе-скую полость.

Раздел 2.3 посвящен описанию взаимодействий ЦД с пиридинкарбоновыми кислотами и некоторыми другими биологически активными производными пиридина. Изучение комплексообразования ЦД с пиридинкарбоновыми кислотами (рис. 3), которые отличаются от АБК природой и расположением атома азота, представляет особый научный и практический интерес. Помимо пиридинкарбоновых кислот в качестве объектов исследования были выбраны и другие близкие по строению замещенные пиридина, являющиеся представителями витаминов группы В и лекарственных средств (рис. 3).

СГ" ^к^^соон

никотиновая кислота пнколиновая кислота изоникотиновая кислота нифлумовая кислота (НК) (ПК) (ИК)

1 . с О \ КНСН2он сомнш2 СН;ОН но-х^\р-сн2он НзС^^Г 0=С-Н

никотинамид никодин из они азид пнридоксин пиридоксаль

Рис. 3. Структуры некоторых производных пиридина.

Анализ приведенных в табл. 4 термодинамических параметров позволяет выделить следующие закономерности 1:1 комплексообразования ЦД с пиридинкарбоновыми кислотами. Во-первых, присутствие атома азота в ароматическом кольце не благоприятствует образования комплексов. Устойчивость комплексов ЦД с пиридинкарбоновыми кислотами, по сравнению с бензойной и аминобензойными кислотами, значительно ниже (табл. 2). Во-вторых, месторасположение -СООН группы в пиридиновом кольце и размеры полости ЦД оказывают существенное влияние на термодинамику комплексообразования. В-третьих, ЦД образуют с пиридинкарбоновыми кислотами более устойчивые комплексы, чем с их амидам и другими замещенными пиридина (витаминами В6), лишенными -СООН группы, что подтверждает участие карбоксильной группы во взаимодействии.

Согласно результатам 'Н ЯМР спектроскопического исследования (табл. 5), расположение молекул-гостей в полости а-ЦД сопровождается более существенным сдвигом сигналов его протонов Н-3 и менее значительным сдвигом сигналов протонов Н-5, что связано с неглубоким включением кислот в полость а-ЦД. В случае комплексообразования с Р-ЦД сигналы протонов Н-3 и Н-5 претерпевают примерно одинаковые по величине сдвиги, которые обусловлены глубоким проникновением гостей в макроцикличе-скую полость.

На основе значений Дс<) для комплексов ЦД с изомерными пиридинкарбоновыми кислотами и их производными можно отметить следующие особенности комплексообразования, определяющиеся структурой молекул-гостей. Во-первых, в комплексообразова-нии ЦД с некоторыми из рассматриваемых гостей проявляется существенная роль поверхностных взаимодействий. Химические сдвиги внешних протонов Н-1, Н-2, Н-4 и Н-6 как а-ЦД, так и р-ЦЦ заметно смещаются при связывании с ПК и амидами пиридин-карбоновых кислот и не претерпевают особых изменений при взаимодействиях с НК и ИК (табл. 5).

Во-вторых, при взаимодействиях а-ЦД с амидами кислот сильнопольный сдвиг сигнала протона Н-5 несущественный, а при комплексообразовании с НК и ИК он изме-

Таблица 4. Термодинамические параметры комплексообразования ЦД с пиридинкар-боновыми кислотами и другими производными пиридина в воде при 298.15 К

Комплекс К д£с° ДСЯ° Метод

кДж/моль

а-ЦД/НК 33 ±5 30 ±2 23.4 ±0.8 17 ±5 -8.7 ± 1.3 -8.4 + 0.6 -7.8 + 0.3 -7.0 + 2 -26.4 ±0.3 -25 ±3 -17.7 ± 1.3 -16.6 + 3 калориметрия капиллярный электрофорез 'НЯМР денсиметр ия

ГП-а-ЦД/НК 23+4 17 ±1 14 ± 2 -7.8+1.3 -7.0 + 0.4 -6.5 + 0.9 -24.3 ± 0.3 -16.5 ± 1.3 калориметрия капиллярный электрофорез денсиметрия

р-цд/нк 6+1 6.5 ±0.5 5 ± 1 -4.4 + 0.7 -4.6 + 0.4 -4.0 ±0.8 -0.6 + 0.1 3.8 ±0.7 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

гп-р-цд/нк комплекс не образуется калориметрия, 1Н ЯМР

а-ЦД/ИК 7 ± 2 5.3 ±0.1 12 ± 6 -4.8+ 1.4 -4.1 ±0.1 -6.2 ± 3 -13.4 ±0.4 -8.6 ± 1.5 калориметрия "НЯМР капиллярный электрофорез

ГП-а-ЦД/ИК комплекс не образуется калориметрия, 'Н ЯМР

р-цд/ик 3.3 ±0.1дмр 3.3 ±0.1 -3.0 ±0.1 -3.0 ±0.1 -1.9 ±0.2 1.1 ±0.2 калориметрия 'НЯМР

гп-р-цд/ик комплекс не образуется калориметрия, 'Н ЯМР

а-ЦД/ПК 1.8 + 0.3 < 1 -1.5 + 0.3 -12.1 +0.6 -10.6 ±0.7 калориметрия 'НЯМР

р-цд/пк 1.8 + 0.3 1.0±0.1 1.3 ±0.9 8 ± 2 -1.5 ±0.3 -10.8 + 0.5 -9.3 ± 0.6 калориметрия '11 ЯМР

а-ЦД/НфК*(анион > -0.7 ± 0.5 -5.2 ±1.3 -40 ± 1 -39.3 + 1.1 калориметрия 'НЯМР

ГП-а-ЦД/НфК (анион) 63 ±7 -10.3 ± 1.1 — — 'НЯМР

Р-ЦД-НфК (анион) 316+13 100+15 251 ±42 -14.3 + 0.6 -11.4+ 1.7 -13.7 + 2.3 -22.1 ±0.5 -7.8 ±0.8 калориметрия 'НЯМР денсиметрия

ГП-р-ЦД/Нфк'(анион) 158 + 7 199 ±9 631 +90 126 ± 6 -12.6 ±0.6 -13.1 ±0.6 -16.0 + 2.3 -12.0 ±0.6 -20.1 ±0.6 -19 ± 2 -7.5 ±0.8 -7 ±2 калориметрия 'НЯМР денсиметрия метод растворимости

а-ЦД/никотинамид 4 ± 2 4.5+0.2 -3.4 ± 1.7 -3.7 + 0.2 -6.6 ±0.4 -3.2 ± 1.7 калориметрия 'НЯМР

Р-ЦД/никотинамид 8 + 3 5.6 ± 0.3 -5.2 ±2.0 -4.3 ±0.2 -9.8 ±0.5 -4.6 ±2.1 калориметрия 'НЯМР

а-ЦД/никодин 4 ± 1 8.8 + 0.3 -3.4 ±0.8 -5.4 ±0.2 -13.7 ±0.3 -10.3 ±0.9 калориметрия 'НЯМР

Р-ЩУникодин 4 ± 1 5.3 ± 0.4 -3.4 ±0.8 -4.1 ±0.3 -11.6 ±0.7 -8.2 ±1.1 калориметрия 'НЯМР

а-ЦД/изониазид 2.2 ±0.6 2.7 + 0.1 -1.9 ±0.5 -2.5 + 0.1 -19.6 ±0.7 -17.7 ±0.9 калориметрия 'НЯМР

Р-ЦДизониазид 9.2 ±0.7 4.7 ± 0.2 -5.5 ±0.4 -3.8 ±0.2 -2.9 ±0.2 2.6 + 0.4 калориметрия 'НЯМР

а-ЦД/пиридоксаль 1.2 ±0.4 -0.5 ± 0.2 — _ 'НЯМР

р-ЦД/пиридоксаль 1.1 ±0.4 -0.2 + 0.1 — — 'НЯМР

* - кажущиеся величины (фосфатный буфер, рН 7.4)

Таблица 5. Изменения химических сдвигов протонов ЦД, обусловленные 100% комплексообразованием с пиридинкарбоновыми кислотами и их амидами в водном растворе при 298.15 К

Комплекс АС6(ЦЦ), м.д.

Н-1 Н-2 Н-3 Н-4 Н-5 Н-6

а-ЦД/ШС р-цд/пк -0.39 -0.37 -0.39 -0.35 -0.66 -0.57 -0.37 -0.35 -0.19 -0.57 -0.27 -0.38

а-ЦД/ИК р-цд/ик -0.07 -0.07 -0.08 -0.07 -0.48 -0.29 -0.04 -0.05 0.09 -0.31 <0.01 -0.14

а-ЦЦ/НК Р-ЦД/НК -0.05 -0.06 -0.07 -0.06 -0.42 -0.27 -0.01 -0.05 0.11 -0.26 -0.01 -0.07

а-ЦД/никагинамид р-ЦД/никотинамид -0.09 -0.11 -0.09 -0.09 -0.28 -0.24 -0.09 -0.10 -0.05 -0.29 -0.04 -0.10

а-ЦД/никоднн Р-ЦД/никодин -0.06 -0.13 -0.07 -0.11 -0.21 -0.21 -0.07 -0.15 -0.04 -0.26 <0.01 -0.14

а-ЦД/изониазвд р-ЦД/изониазид -0.12 -0.10 -0.12 -0.08 -0.34 -0.31 -0.12 -0.10 -0.02 -0.30 -0.04 -0.11

рнм и направлен в сторону слабого поля. Это связано с расположением ионизированной карбоксильной группы кислот вблизи Н-5 протонов а-ЦЦ и ее участием в образовании водородных связей с макроциклической полостью. Полное отсутствие -СООН группы в молекулах витаминов В6 (пири-доксин и пиридоксаль) приводит к значительному ослаблению комплексообразо-вания (табл. 4). Таким образом, полагаясь на полученные результаты, можно сказать, что карбоксильная группа играет важную роль в образовании комплексов включения с ЦД.

Интересно отметить, что если в молекуле кислоты имеются примерно одинаковые по размерам гидрофобный и гидрофильный фрагменты, то при комплексообразовании 1:1 (рис. 4) ЦД отдают предпочтение связыванию с первым из перечисленных. Об этом свидетельствуют приведенные в табл. 6 данные 'Н ЯМР по комплексообразованию ЦД с нифлумовой кислотой. Как видно, наблюдается наибольшее смещение сигналов протонов бензольного кольца НфК (Н-9\ Н-10' и Н-12'). Тенденция изменения Л ,.<5 в целом одинакова для всех ЦД, т.е. размер макроциклической полости и введение гидроксипро-пильных заместителей не оказывают существенного влияния на способ образования комплексов.

Влияние размера макроциклической полости на термодинамику комплексообразо-вания ЦД с пиридинкарбоновыми кислотами интерпретируется с учетом установленного способа связывания. Образование комплексов а-ЦД со всеми рассматриваемыми пиридинкарбоновыми кислотами (НК, ИК, ПК и НфК) характеризуется отрицательными значениями АСН и ТАг%

Таблица 6 кислоты, растворе (с Изменения химических сдвигов протонов нифлумовой бусловленные комплексообразованием с ЦД в водном ¡осфатный буфер, рН 7.4) при 298.15 К

ЦД АсЗ(НфК), м.д.

Н-2' Н-3' Н-4' Н-8' Н-9' Н-10' Н-12'

а-ЦД ГП-а-ЦД р-цц гп-р-цд <0.01 0.13 0.06 0.10 -0.04 0.02 0.03 0.05 <0.01 0.04 0.04 0.06 0.04 0.07 -0.06 -0.05 0.15 0.12 0.16 0.16 0.21 0.19 0.41 0.53 -0.19 0.13 -0.34 -0.14

Рис. 4. График Жоба, подтверждающий 1:1 комплексо-образование НфК с ГП-р-ЦЦ.

(табл. 4). Поскольку а-ЦД обладает наименьшим размером полости, то можно ожидать более сильное проявление вандерваальсовых взаимодействий между молекулой кислоты и полостью макроцикла. Кроме того, значительный экзо-эффект может быть обусловлен образованием водородных связей и электростатическими взаимодействиями, в которые могут включаться молекулы пиридинкарбоновых кислот, существующие в растворе в форме цвиттер-ионов. Перечисленные типы взаимодействий способствуют ограничению конформационной подвижности гостя и хозяина и образованию более структурированных комплексных частиц.

Комплексообразование пиридиттсарбоновых кислот с Р-ЦД сопровождается повышением ДсЯ° и Де5° (табл. 4), происходящим в результате возрастания положительного вклада от дегидратации при глубоком включении гостей в полость хозяина. Однако величины остаются все еще отрицательными для комплексов с ПК и НфК, что, ве-

роятно, связано с дополнительным вкладом от поверхностных взаимодействий, которые реализуются совместно с процессом включения. Положительные значения ТА.Х" для комплексов Р-ЦД с НК и ИК свидетельствуют об интенсивной дегидратации частиц. Факт полной дегидратации полости Р-ЦД подтверждается результатами денсиметрии. Изменение кажущегося мольного объема Р-ЦД за счет комплексообразования с НК составляет А1гУ(ЦД)=55 см3/моль. Используя выражение (1) и значение кажущегося мольного объема незакомплексованной никотиновой кислоты Уф(НК)= 80 см3/моль, можно показать, что все молекулы воды (ппо= 7.5), находящиеся в макроциклической полости

Р-ЦЦ, замещаются кислотой и переходят в объем растворителя.

На примере взаимодействия ГП-у-ЦЦ с НК показано, что образование комплексов с наибольшим из рассматриваемых макроциклов не происходит, поскольку концентрационные зависимости экспериментально измеряемых свойств (Д 1гН, А5, К,) не проявляли тенденции к заметному изменению. Это связано с пространственным строением реагентов и сильной сольватацией НК в растворе.

При сравнительном анализе термодинамических характеристик комплексообразования природных и замещенных ЦД обнаружено, что в большинстве случаев присутствие гидроксипропильных групп в молекулах а-ЦД и Р-ЦД приводит к ослаблению комплексообразования с пиридинкарбоновыми кислотами.

Значения констант устойчивости комплексов с а-ЦД и р-ЦД с изомерными пиридинкарбоновыми кислотами изменяются в ряду: НК > ИК > ПК (табл. 4). Однако, влияние местонахождения -СООН группы на величины АСН и Ас$ зависит от вида ЦЦ, и, как следует из рис. 5, тенденция изменения ДсН и противоположна для сс-ЦД и Р-ЦД. При рассмотрении комплексообразования пиридинкарбоновых с а-ЦД наблюдается повышение ДСН и при переходе от НК к ПК. Вероятно, положительно заряженный атом водорода, находящийся у атома азота в цвиттер-ионе НК, ближе, по сравнению с ИК и ПК, расположен к ОН-группам ЦД и способен к образованию Н-связей с ними, что

приводит к повышению экзотермичности и упорядоченности в системе НК+а-ЦД. Более энтальпийно благоприятное комплексообразование Р-ЦД происходит уже с ПК. Отрицательные ДсН и Дс5, полученные для комплексов Р-ЦД с ПК, обусловлены значительным вкладом от поверхностных взаимодействий посредством внешних полярных групп.

Молекулы амидов пиридинкарбоновых кислот в водном растворе не заряжены, что должно приводить к усилению их комплексообразования с ЦД. Однако, константы устойчивости комплексов а-ЦД с никотинамидом, изониазидом и никодином ниже, чем с соответствующими кислотами. Для комплексов р-ЦД с амидами заметно некоторое повышение К, но оно несущественное, т.к. lgК< 1. На примере систем а-ЦД+НК и а-ЦД+никотинамид проанализирована роль группы -СОО" в процессах комплексообразования. Как следует из данных табл. 4, при переходе от НК к никотинамиду наблюдается значительное повышение Д Н и ДcS. Вероятно, отрицательно заряженная карбоксильная группа НК участвует во взаимодействиях с макроциклической полостью, в то время как боковая группа никотинамида способна только к образованию Н-связей с протонами, расположенными внутри полости а-ЦД.

В раздел 2.4. обобщаются полученные данные и обсуждаются закономерности комплексообразования ииклодекстринов с ароматическими капроновыми кислотами в водном растворе. Строение ЦД и ароматических карбоновых кислот оказывает значительное влияние на комплексообразование. Если а- и Р-циклодекстрины образуют с кислотами только комплексы состава 1:1, то полость ГП-у-ЦД способна вмещать 2 молекулы гостя. Как следует из диаграмм, приведенных на рис. 6, увеличение диаметра полости при переходе от а-ЦД к Р-ЦД способствует более глубокому включению кислот и расположению всего ароматического кольца внутри молекул Р-ЦД.

а-ЦД о

Р-ЦД

□ БК

Ш пАБК

□ мАБК ЙИК ВПК

н-з

Н-5

Н-З

Н-5

Рис. 6. Величины Д5С протонов а-ЦД (слева) и Р-ЦД (справа) при комллек-сообразовании с ароматическими карбоновыми кислотами._

Различие с способе связывания ароматических карбоновых кислот с а-ЦД и Р-ЦД отражается на термодинамических параметрах комплексообразования (рис. 7). Комплексы а-ЦД/кислота стабилизированы только энтальпийной составляющей энергии Гиббса, в то время как комплексы Р-ЦЦ/кислота являются энтальпийно-энтропийно стабилизированными. Разрушение сольватных оболочек реагентов и полная дегидратация макро-циклической полости вносят основной положительный вклад в изменения энтальпии и энтропии комплексообразования Р-циклодекстринов.

Сравнение термодинамических параметров комплексообразования ЦД с ароматическими карбоновыми кислотами показывает, что наиболее устойчивые комплексы образуются с БК и пАБК, а склонность ЦЦ к связыванию с мАБК, НК и ИК значительно ниже (рис. 7). Как известно из литературы, мАБК, НК и ИК в водном растворе находятся в виде цвиттер-ионов, в то время как БК и пАБК представляют собой неионизированные молекулы. Гидратация биполярных соединений значительно сильнее и снижает их способность вступать в реакции комплексообразования. Присутствие боковой МН2-группы в иаро-положении ароматического кольца является структурно подходящим для комплексообразования с ЦЦ и определяется ее возможным участием в образовании Н-связей с внешними ОН-группами макроцикла. Напротив, для пиридинкарбоновых кислот нахождение атома азота в .меша-положении благоприятно сказывается на комплексообразова-нии.

Рис. 7. Термодинамические параметры комплексообразования а-ЦД и Р-ЦД с ароматическими карбоновыми кислотами в воде при 298 15 К

В разделе 2.5 исследуются эффекты суеды в колтлексообуазовашш ииклодекст-ринов с ароматическими карбоновыми кислотами. В водных растворах рассматриваемые ароматические карбоновые кислоты могут существовать в форме катионов, анионов, цвиттер-ионов и неионизированных молекул. Сопоставление комплексообразующей способности ЦД по отношению к различным формам кислот можно провести на основе анализа термодинамических характеристик, наглядно представленных на диаграммах

(рис. 8).

В большинстве случаев ЦД проявляют большую склонность к комплексообразованию с кислотами, находящимися в недиссопииро-ванном состоянии или в форме цвиттер-ионов. Взаимодействия с электрически нейтральными молекулами сопровождаются более низкими изменениями энтальпии и энтропии и образованием более устойчивых комплексов. Как известно, ионизированные формы молекул сильнее гидратированы и, следовательно, проявляют меньшее сродство к полости ЦД.

Не проводившееся ранее изучение солевых эффектов во взаимодействиях ЦД с рассматриваемыми ароматическими кислотами представляет научный и практический интерес, поскольку комплексы включения используются в фармацевтике и пищевой промышленности, что подразумевает их попадание в среду живого организма. С этой целью, комплексообразование а-ЦД с БК, АБК и НК было исследовано на фоне биологически значимых солей ЫаС1, КС1 и КВг.

Анализ констант устойчивости комплексов а-ЦД с цвиттерионными НК и мАБК, а также с анионными БК, пАБК и мАБК (табл. 7) позволяет отметить избирательность влияния катионов №+ и К+. Как видно, ослабление устойчивости комплексов наблюдается на фоне №С1, в то время как КС1 не проявляет заметного эффекта.

При обсуждении солевых эффектов рассматривались явления всалива-ния/высаливания, образование тройных комплексов а-ЦД/кислота/ион и взаимодействия кислота/катион и а-ЦД/анион. Доказано, что включение СГ и К+ в полость а-ЦД не происходит, тройные комплексы не образуются и эффект ионной силы незначителен.

Рис. 8. Термодинамические параметры комплексообразования а-ЦД и Р-ЦД с различными ионизированными формами кислот (298.15 К).

Таблица 7. Константы устойчивости комплексов а-ЦД с ароматическими карбоновыми кислотами, полученные методом 'Н ЯМР при 298.15 К

Комплекс Эксперимент, условия К, кг/моль

а-ЦД/БК pH 8.5, КОН pH 8.5, NaOH О.ОЗМ КОН+0.2М KCl О.ОЗМ КОН+0.2М NaCl н,о 0.2М KCl 0.2М КВг 19.1 ± 1.5 17.5 ± 1.6 18.9 ± 1.6 16.0 ±0.6 897 ±20 862 ± 20 773 ± 19

а-ЦД/НК н2о 0.2М KCl 0.2М NaCl 0.2М КВг 27.0 ±0.4 26.1 ±0.6 23.5 ±0.7 21.1 ± 0.7

а-ЦД/пАБК pH 8.5, КОН pH 8.5, NaOH Н20 0.2М КВг 30 ±1 9 ± 1 1259 ±42 1058 ±29

о-ЦД/мАБК pH 8.5, КОН pH 8.5, NaOH Н;0 0.2М KCl 0.2М NaCl 0.2M КВг 4 ± 1 - 1 59 ±1 55 ±2 60 ±1 47 ±3

а)

Рис. 9. Рассчитанные потенциалы средней силы (а) и плотности распределения (б) молекул воды и катионов вокруг -СОО" группы бензойной (сверху)и никотиновой (снизу) кислот._

Поэтому, наблюдаемое влияние катионов на комплексообразование ЦД/кислота связано с их специфическими взаимодействиями с группой -СОО" молекулы-гостя. На основе результатов компьютерного моделирования (рис. 9) и литературных данных показана селективность взаимодействия Na+ и К+ с ионизированной карбоксильной группой кислот. Способность Na+, по сравнению с К+, к образованию устойчивых ионных пар с -СОО" выше (рис. 9), и этот процесс, конкурируя с реакцией образования комплексов включения, смещает равновесие комплексообразования в обратную сторону.

Совместное образование комплексов включения а-ЦД/кислота и ионных пар Na+.. .-СОО" отражается не только на константах устойчивости комплексов (табл. 7), но и на величинах ДсН и ДCS (табл. 8). На примере комплексообразования а-ЦД с НК показано, что повышение экзотермичности взаимодействия и упорядоченности системы в присутствии Na+ обусловлено дополнительным отрицательным вкладом от электростатических взаимодействий между Na+ и -СОО". Эффекты Na+ и К+ не проявляются для комплексообразования а-ЦД цвиттер-ионом мАБК (табл. 7 и 8). Вероятно, близкое расположение -СОО" и -NH3+ групп приводит в возможному переносу протона и образованию внутримолекулярной водородной связи [J. Molec. Struct. 744-747 f2005) 345]. Таким образом, заряды на этих группах экранируются, и сродство катионов к карбоксилату понижается. При переходе к аниону мАБК (рН 8.5) солевые эффекты проявляются вновь, и устойчивость комплексов включения понижается в присутствии Na+.

Таблица 8. Термодинамические параметры комплексообразования а-ЦД с никотиновой и аминобензойными кислотами при 298.15 К

Комплекс К, кг/моль д р д сн TACS

кДж/моль

а-ЦД/НК (Н20)' а-ЦД/НК (Н30)" а-ЦД/НК (0.2М КС1)" а-ЦД/НК (0.2М NaCI)' а-Ц Д/НК (.0.2М КВг)" 27±4 27.0±0.4 30±5 19±4 21.1±0.7 -8.2±1.2 -Е.2±0.1 -8.4±1 4 -7.3±1 5 -7.6±0.3 -25.2±0.3 -25±! -24.0±0.3 -29 3±0 4 -23±1 -17.0±1.2 -16.8±1.0 -15.6±L4 -22.Ш.6 -15.4±1.0

а-ЦД/мАБК (Н20)' а-ЦД/мАБК (0.2М КСЛ)" а-ЦД/мАБК (0.2М NaCI)' 62±4 63±4 62±4 -10.2±0.7 -10 3±0.7 -10.2±0.7 -20.9±0.7 -22.5±0.9 -22.0±0.9 -10.7±1.0 -12.2±1.1 -11 8±1.1

а-ЦД/пАБК (Н,0)" а-ЦД/пАБК (0.2М КВг)" 59±1 47±3 -17 .7±0 3 -17.3±1 1 -39±2 -36±1 -21.3±2.0 -18 7±1.5

- данные калориметрии; - данные

НЯМР

Рис. 1С. Влияние СГ и Вг" на комплексообразование а-ЦД с ароматическими карбоновыми кислотами.

Влияние анионов на устойчивость комплексов можно оценить из диаграммы, построенной на основе данных табл. 7 и приведенной на рис. 10. Как видно, введение в раствор Вг" вызывает понижение устойчивости комплексов, в то время как эффект СГ менее выражен. Уменьшение К в присутствии КВг связано с предпочтительным включением более объемного и менее гидратированного, по сравнению с СГ, аниона Вг' в полость а-ЦЦ, о чем свидетельствуют результаты 'Н ЯМР спектроскопического исследования взаимодействий а-ЦД с КС1 и КВг (рис. 11).

Как видно из рис. 11, при взаимодействии а-ЦД с Вг" сигнал протонов Н-5 сдвигается более значительно, и концентрационная зависимость Д<5 не совсем прямолинейна. Это говорит о проникнове-

ние. П. Зависимости изменений химического сдвига протонов а-ЦД

от концентрации КВг (слева) и КС1 (справа)._

нии Вг" в полость а-ЦД и его расположении вблизи протонов Н-5. Сосуществование в растворе КВг двух равновесий комплексообразования (а-ЦЦ/кислота и а-ЦД/ВГ) отражается на термодинамических характеристиках ДсН и Дс5 (табл. 8).

Таким образом, эффекты №С1, КС1 и КВг в комплексообразовании а-ЦД с ароматическими карбоновыми кислотами определяются конкуренцией аниона за полость макроцикла и катиона за молекулу-гостя.

Глава 3. Комплекеообраювание циклодекстринов е некоторыми биологически активными бициклическими соединениями

Изучение процессов комплексообразования ЦД с биологически значимыми бициклическими соединениями - пуриновыми алкалоидами и менадионом - дает возмож-

ность проанализировать влияние усложнения строения молекул-гостей, проявляющееся в добавлении второго ароматического кольца, на процессы комплексообразования с ЦД.

Раздел 3.1. посвящен изучению взаимодействий ЦП с пуриновыми алкалоидами (ксантином и его производными), структуры которых изображены на рис. 12.

Н 2 • н 0 V TV) ¿Н, „ ° с"3 ДО ¿Hj

ксантин (Хап) теофиллин (Tph) теобромин (Tbr) кофеин (Caf)

О н СО н ПО nh2 из

имидазол бензимидазол индол аденин

Рис. 12 CTDVKTVDHbie формулы гтуриштыу апкяппитон и бпииги* пл строению соединений.

В табл. 9 приведены константы устойчивости 1:1 комплексов ЦЦ с ксантином и его метилированными производными. Как видно, взаимодействия ЦЦ с ксантинами сопровождаются образованием очень слабых молекулярных комплексов, что было дополнительно подтверждено методами 'Н ЯМР, калориметрии и спектрофотометрии. Незначительные изменения измеряемых свойств, наблюдаемые при добавлении 100-кратного избытка одного из компонентов, и прямолинейность изотерм связывания свидетельствовали о слабой комплексообразующей способности ЦД по отношению к пуриновым алкалоидам. Причиной этого может быть способность ксантинов к самоассоциации и сильная гидратация, обусловленная присутствием гетероатомов в структуре. Анализ данных, приведенных в табл. 9, показывает, что ГП-у-ЦД в большей степени подходит для связывания с ксантинами. При этом предпочтение отдается комплексообразованию с незамещенным ксантином, как с наиболее простым по строению гостем, и с кофеином, как с наиболее гидро-

Таблица 9. Константы устойчивости комплексов ЦД с ксантинами в воде при 298.15 К, полученные с помощью метода растворимости

Алкалоид К

а-ЦД Р-ЦД гп-р-цд ГП-у-ЦД

ксантин теобромин теофиллин кофеин 3.0+0.1 1.2 + 0.1 4.5 ±0.1 2.1 ± 0.1 2.010.1 4.1 ±0 2 10.7 ±0.1 < 1 < 1 < 1 20.8 ±0.1 4.1 ±0.1 3.1 ±0.1 5.5 ±0.2

фобным.

В разделе 3.2. рассматриваются комплексы ЦД с ме-надионом (витамином Кт). который, в сравнении с пуриновыми алкалоидами, tie имеет гетероатомов в составе ароматических колец (рис. 13) и проявляет более выраженные гидрофобные свойства. В табл. 10 приведены константы

о о

Л

a) ° т б) °

Рис. 13. Структуры менапиона

(a, Men) и 1,4-бензохинона (б).

Таблица 10. Термодинамические параметры комплексообразования менадиона с циклодекстринами в воде при 298.15 К

Комплекс калориметрия м.р.1 'НЯМР с/ф"

К А/?0' А СЯ"' ГД^'" К к К

ГП-а-ЦЦ/менадион Р-ЦД/менадион ГП-р-ЦЦ/менадион ГП-у-ЦД/менадион 14 ±8 240 ± 23 218 ± 31 16 ±4 -7 + 4 -13.6 + 1.3 -13.3 + 1.9 -6.9 ±1.7 -17 ± 8 -10.4 ±0.7 -7.9 ±0.7 -1.9 + 0.3 -10 ±10 3.2 ±0.5 5.4 ± 1.2 5.0 + 2.0 73 ±5 190 ±9 223 ±8 21 +4 32 + 2 224 ± 10 251 ±7 34 + 6 45 ±25 208 ± 37 233 ±29 12 ± 10

- метод растворимости; - спектрофотометрия;" - в кДж/моль

устойчивости 1:1 комплексов ЦД с меиадионом Как видно, комплексообразующая способность ЦД к витамину К3 определяется диаметром макроциклической полости и изменяется в ряду: Р-ЦД » ГП-Р-ЦД » ГП-а-ЦД а ГП-у-ЦД » а- ЦД.

Взаимодействия между менадионом и а-ЦД носят поверхностный характер и не приводят к образованию комплексов включения. Введение гидроксипропильных заместителей в молекулу а-ЦД способствует комплексообразованию с менадионом, но, несмотря на то, что процесс характеризуется отрицательными изменениями энтальпии и энтропии (табл. 10), образующийся комплекс является малоустойчивым. При переходе к более объемным Р-циклодекстринам значения К. АСН и Дс5 заметно возрастают (табл. 10), связывание становится менее энтальпийно и более энтропийно благоприятным. Более глубокое проникновение менадиона в полость Р-ЦД и ГП-Р-ЦД, по сравнению с ГП-а-ЦД, сопровождается вытеснением молекул воды из макроциклической полости и сольватных оболочек взаимодействующих частиц в объем растворителя, что приводит к росту беспорядка в системе (> 0). Кроме того, возможны гидрофобные взаимодействия между ароматическими кольцами менадиона и макроциклической полостью Р-ЦД. При связывании менадиона с ГП-у-ЦД вновь образуются неустойчивые комплексные частицы (табл. 10). Вероятно, прочного удерживания витамина К3 в макроциклической полости ГП-у-ЦД не происходит из-за относительно большого ее диаметра и несоответствия размерам молекулы-гостя.

Результаты Н ЯМР спектроскопического исследования показывают, что сигналы всех протонов менадиона смещаются в область слабого поля (табл. 11). На основе величин Ас8 можно сказать, что включение менадиона идет в аксиальном направлении, и в

макроциклическую полость может проникать как первое, так и второе ароматическое кольцо, что приводит к сосуществованию несколько конфигураций комплексных частиц.

Таблица 11. Изменения химических сдвигов протонов менадиона, обусловленные комплексообразованием с ЦД в воде при 298.15К

Комплекс Ас5 , м.д.

Н-3' Н-6', Н-9' Н-7', Н-8' Н-1 Г

ГП-а-ЦД/менадион 0.14 0.26 0.15 0.08

Р-ЦЦ/менадион 0.10 0.06 0.16 005

ГП-Р-ЦД/менадион 0.12 0.09 0.14 0.06

ГП-у-ЦД/менадион ~0 ~0 0.08 0.04

В разделе 3.3. проводится сравнительный анализ комплексе/образования 0-циклодекстринов с биииклическими молекулами-гостями. Константы устойчивости комплексов (3-ЦД с ксантинами и менадионом были сопоставлены с имеющимися в литературе К для комплексов с другими близкими по структуре би- и моноциклическими гостями (рис. 12). Из диаграммы, изображенной на рис. 14, прослеживается зависимость между степенью гидро-фобности гостя и устойчивостью комплексов. (3-ЦД проявляет меньшую склонность к связыванию с бицикличе-скими азотсодержащими гетероциклами. Образование устойчивых комплексов включения (3-ЦД с наименее полярными молекулами-гостями реализуется за счет гидрофобных взаимодействий и структурной перестройки растворителя. Вероятно, принцип структурного соответствия играет существенную роль, и включение бициклов в полость (3-ЦД является предпочтительным, чем моноциклических соединений одинаковой полярности.

Подводя итог изучению взаимодействий а- и (3-циклодекстринов с бициклическими соединениями разной природы можно отметить, что наиболее предпочтительным является связывание p-циклодекстринов с наименее полярными бициклами. Комплексообразование в этом случае является энтальпийно-энтропийно благоприятным, контролируется гидрофобными взаимодействиями и существенной ролью растворителя. Удерживание бициклов в составе комплекса при их частичном включении в полость а-ЦД осуществляется посредством вандерваальсовых взаимодействий.

Глава 4. Комплексообразование циклодекстринов с трициклическими соединениями и их структурными фрагментами

Последовательное изучение комплексообразования циклодекстринов с моно- и бициклическими биологически значимыми соединениями показало, что в процессе образования комплексов включения принцип структурной комплементарное™ играет существенную роль. Если наименьший по размерам а-ЦД предпочтительнее связывается с моноциклами, то полость Р-ЦД в большей степени подходит для размещения бициклов. Логично ожидать, что для капсулирования более крупных молекул должен использоваться у-ЦД. Это предположение инициировало дальнейшее рассмотрение комплексообразования с трициклическими гостями.

В разделе 4.1. представлены результаты исследования комплексообразования циклодекстринов с уибофлавином, люмихромом и аллоксазином - соединениями, относящимися к группе флавинов (рис. 15).

325215' I

_

0 Л 1 п л

* лР ¿Р ^ у ** * *

Рис. 14. Константы устойчивости комплексов (3-ЦД с некоторыми ароматическими соединениями.

ОН он он ( 1 1 СН;-СН-С Н- СН-СНзОН о V '"с*" " •А

рибофлавин (№0

О пгуу0 0

люмихром (Тит) аллоксазин (А1х)

1'ис. 15. Структурные формулы рибофлавина, люмихрома и аллоксазина.

Таблица 12 Константы устойчивости комплексов ЦД с флавинами в воде при 298 15 К

Комплекс м. р. 'Н ЯМР

рибофлавин/а-ЦД рибофлавин/ГП-а-ЦД рибофлав ин/Р-ЦД рибофлав ин/ГП-Р-ЦД рибофлав ин/ГП-у-ЦД 3.9 ±0.2 5 ± 1 38 ±2 21 ±2 5+1 6±1 7 + 1 32 ±1 33 ±1 4 ± 1

люмихром/а-ЦД люмихром/ГП-а-ЦД люмихром/р-ЦД люмихром/ГП-р-ЦД люмихром/ГП-у-ЦЦ 24 ±5 18 ± 2 480 ± 22 239 ± 13 20 ± 3 -

аллоксазин/а-ЦД аллоксазин/ГП-а-ЦД аллоксазин/р-ЦЦ аллоксазин/ГП-Р-ЦД аллоксазин/ГП-у-ЦД н/к" 16 ± 2 78 + 5 66 ±6 н/к -

- комплекс не образуется; - эксперимент не проводился из-за низкой растворимости реагентов

В табл. 12 приведены константы 1:1 комплексообразования ЦД с рибофлавином (витамином В2) и продуктами его фотодеструкции - люмихромом и аллоксазином. Для всех выявлена одинаковая зависимость К от диаметра макроциклической полости: 0-ЦД > ГП-Р-ЦД » а-ЦД ~ ГП-а-ЦД = ГП-у-ЦД. Самые прочные комплексы образуются с р-ЦЦ и ГП-Р-ЦЦ. Устойчивость комплексов флавинов с а-ЦД, ГП-а-ЦД и ГП-у-ЦЦ примерно одинаковая (|§/С< 2) несмотря на то, что диаметр полости этих ЦД существенно отличается.

Принимая во внимание размеры молекул-гостей (рис. 15) и тот факт, что а-ЦД не образует комплексов с аллоксазином, можно предложить участие боковых метильных групп в комплексообразовании. Вероятно, именно они включаются в гидрофобную полость макроцикла, и 1Н ЯМР спектроскопия подтверждает это.

В табл. 13 приведены изменения химических сдвигов протонов рибофлавина, обусловленные комплексообразовапием с ЦД. В присутствии а-ЦД сигналы протонов бензольного кольца (Н-б- и Н-9') и боковых СН3-групп (Н-7' и Н-8-) смещаются в сторону слабого поля, что подтверждает включение этой части молекулы в полость макроцикла. Модифицирование внешней поверхности а-ЦД путем введения гидроксипропильных групп благоприятно для комплексообразования, и Дс<5 становятся значительно выше.

Это связано с возрастанием глубины макроциклической полости ГП-а-ЦД и возможным участием гидроксипропильных заместителей во взаимодействиях с молекулой гостя. Как свидетельствуют данные табл. 13, способ связывания рибофлавина с Р-ЦД, ГП-Р-ЦД и ГП-у-ЦД не меняется.

Таблица 13. Изменения химических сдвигов протонов рибофлавина, обусловленные комплексообразовапием с циклодекстринами в воде при 298.15 К

Комплекс Дс<5 , м.д.

Н-6 1 Н-7 Н-8' Н-9'

рибофлавин/а-ЦЦ 0.05 0.05 0.03 0.06

рибофлавин/ГП-а-ЦД 0.16 0.15 0.14 0.20

рибофлав ин/р-ЦД 0 12 0 14 0.09 0 15

^ибофлавин/ГП-Р-ЦЦ 0.14 0.13 0.06 0.18

рибофлав ин/ГП-у-ЦД 0.13 0.08 0.08 0 19

Выбранные молекулы-гости отличаются друг от друга наличием и природой боковых групп (рис. 15), поэтому целесообразно проанализировать влияние строения флавинов на устойчивость образующихся комплексов. Как следует

из табл. 12, величины К изменяются в последовательности: люмихром > аллоксазин > рибофлавин. Таким образом, ЦД проявляют большее сродство к люмихрому, и образование комплексов включения с Р-ЦД и ГП-Р-ЦД характеризуется высокими отрицательными изменениями энтальпии и энтропии (табл. 14). Высокая экзотермичность связывания обусловлена не только вандерваальсовыми взаимодействиями, но и образованием водородных связей. Все перечисленные виды взаимодействий способствуют повышению структурированности системы. Боковая рибитильная группа рибофлавина, которая является полярной и достаточно гидратированной, создает стерические препятствия и предотвращает глубокое проникновение в макроциклическую полость, что делает комплек-сообразование менее эффективным процессом (табл. 14). Напротив, в структуре аллокса-зина отсутствуют боковые заместители, его молекула более полярна и сольватирована, по сравнению с люмихромом, поэтому комплексообразование сопровождается возросшим положительным вкладом от десольватации в величины А,//" и (табл. 14).

Тот факт, что бензольное кольцо флавинов проникает в макроциклическую полость, а два оставшихся его гетероцикла располагаются снаружи и могут взаимодействовать с внешней поверхностью ЦД, подтверждается данными, приведенными в разделе 4.2. где рассматриваются взаимодействия ииклодекстринов с люмазином и урацилом -структурными фрагментами флавинов (рис. 16). Результаты *Н ЯМР спектроскопического исследования взаимодействий а- и Р-циклодекстринов с люмазином и урацилом показали, что изменения химических сдвигов протонов ЦД находятся в пределах погрешности измерений (0.004>Д<5(ОД)>-0.008 м.д.). Это свидетельствует о том, что образование комплексов включения не происходит или оно очень слабое, и его сложно выявить в рассматриваемом концентрационном диапазоне. Изменения химических сдвигов протонов молекул-гостей более заметные, но, несмотря на это, рассчитанные константы устойчивости комплексов принимают очень низкие значения (табл. 15).

Таблица 14. Термодинамические параметры комплексообразования Р- и гидроксипропил-Р-циклодекстринов с флавинами в воде при 298.15 К

Комплекс Метод Д сС° д сн° ТА^"

кДж/моль

рибофлавин/р-ЦД рибофлавин/ГП-р-ЦД м.р. 'НЯМР м.р. 'НЯМР с/ф -9.0 ± 0.5 -8.6 ±0.3 -7.5 ± 0.7 -8.7 ±0.3 -8.3 ±0.5 -11.9 ±0.4 -10.1 ±1.0 -12.2 ±1.1 -10.3 ±1.0 -11.8 ±0.6 -3.9 ±0.3 -1.5 ± 0.2 -4.7 ±0.8 -1.6 ±0.2 -3.5 ±0.4

люмихром/р-ЦД люмихром/ГП-р-ЦД м.р. м.р. -15.3 ±0.8 -13.6 ± 0.7 -41.0 ±2.0 -26.1 ±1.1 -25.7 ±2.5 -12.5 + 1.1

аллоксазин/р-ЦД аллоксазин/ГП-р-ЦД м.р. м.р. -10.8 ±0.7 -10.4 ± 0.9 -15 6 ±1.2 -13.6± 1.6 -4.8 ±0.7 -3.2 + 0.7

N Ш ,0 О ЫН ^Р Г 1 т^ иг^'мн о

люмазин урацил

Рис. 16. Структуры люмазина и урацила.

Взаимодействия ЦЦ с лю-мазином и урацилом дополнительно были изучены с помощью УФ-спектрофотометрии. Добавление 500-кратного избытка ЦД к растворам люмазина и урацила приводило лишь к небольшому изменению оптической плотности растворов, в то время как максимумы поглощения практически не смещались. Незначительное и линейное изменение оптической плотности с ростом концентрации ЦД показывает, что комплексы малоустойчивы и расчет К затруднителен.

Таким образом, низкая устойчивость молекулярных комплексов (табл. 15) и отсутствие изменений химических сдвигов протонов циклодекстринов Н-3 и Н-5, располагающихся внутри макроциклической полости, свидетельствуют о том, что комплексы включения с люмазином и урацилом не образуются. Эти соединения имеют в своей структуре большое количество гетероатомов (Ч О), которые способны образовывать водородные связи с молекулами воды, что делает их сильно гидратированными и препятствует включению в макроциклическую полость ЦЦ. Вероятнее всего, взаимодействия носят поверхностный характер и реализуются посредством образования водородных связей между полярными группами молекулы гостя и ОН-группами, окружающими полость хозяина.

Подводя итог рассмотрению комплексообразования ЦД с флавинами и их структурными фрагментами, можно сказать, что включение трициклических соединений в макроциклическую полость является частичным, и предпочтение отдается связыванию с наиболее гидрофобной частью молекулы. Определяющими факторами во взаимодействии являются геометрические размеры, полярность и сила гидратации молекулы гостя.

Глава 5. Взаимосвязь между термодинамическими и структурными характеристиками процессов комплексообразования циклодекстринов с биомолекулами

В разделе 5.1 рассматривается явление энтальпийно-энтропийной компенсации. Отмечено, что реакции комплексообразования с участием биологически активных молекул, имитирующие процессы, протекающие в живых организмах, сопровождаются небольшими отрицательными изменениями свободной энергии, несмотря на то, что изменения энтальпии могут быть существенными. Это обусловлено проявлением термодинамического компенсационного эффекта (КЭ):

ТАс5° = а ■ АсН° + 7*Дс5'° (2)

Коэффициент а, являясь степенью компенсации, показывает, что только (1-а) энталь-пийного вклада идет на непосредственную стабилизацию комплекса, а остальная его а

Таблица 15. Константы устойчивости комплексов и изменения химических сдвигов протонов люмазина и урацила, обусловленные 100% комплексообразованием с циклодек-стринами в воде при 298.15 К

Комплекс К Ас8, м.д.

Н-7' Н-8"

люмазин/а-ЦД люмазин/ГП-Р-ЦД урацил/а-ЦД урацил/ГП-р-ЦЦ < 1 1.3+0.3 1.9 + 1.5 3.7+1.4 0.15 ±0.02 0.16 ±0.03

Н-5 Н-6

0.12 ±0.08 0.03 + 0.01 0.26 ±0.16 0.07 + 0.02

- расчет давал большую погрешность из-за низкого значения К

часть полностью компенсируется энтропийным вкладом. Величина 7ЛД,' представляет собственную устойчивость комплекса, т.е. возможность комплексообразования при

АСН° = 0 и Д,.5°>0.

В разделе 5.2 описывается термодинамический энтальпийно-энтротшный компенсационный эффект в комплексообразовании циклодекстринов. На рис. 17 изображены зависимости ТА^° = /(ДСН°), построенные на основе данных табл. 2, 4, 10 и 14. Рассчитанные значения наклона (а) и отсекаемого отрезка (7Л.Д") приведены в табл. 16.

Как видно, значения а для комплексообразования а-ЦЦ и ГП-а-ЦД близки и, в то же время, меньше соответствующих величин для Р-ЦД и ГП-Р-ЦД. Согласно выражению (2), комплексы, образованные а-циклодекстринами, в большей степени стабилизированы энтальпийной составляющей энергии Гиббса. Выявленное различие обусловлено разными движущими силами взаимодействия а- и Р-циклодекстринов с одними и теми же молекулами-гостями. Как было продемонстрировано в предыдущих главах, в комплексообразовании а-циклодекстринов превалирующими являются вандерваальсовы взаимодействия и образование Н-связей, а в комплексообразовании р-циклодекстри-нов - дегидратация частиц и возможные гидрофобные взаимодействия.

Тот факт, что дегидратация играет значительную роль при образовании комплексов включения Р-циклодекстринов, хорошо согласуется с величинами 7ДГ5°, приведен-

Таблица 16. Наклон (а ) и отсекаемый отрезок (ГАС$Ц) зависимостей ТАС5° = /(ДСН°) для комплексообразования ТТД с рассматриваемыми молекулами-гостями а воде при 298.15 К_

цц а ТАс8", кДжЛюль Я' И"

а-ЦД 0.6 ±0.1 0.26 ±2.3 0.91 10

ГП-а-ЦД 0.5 ±0.1 1.27 ±2.8 0.93 4

Р-ЦД 0.7 ±0.1 5.8 ±1.7 0.87 15

ГП-Р-ЦД 0.9 ±0.1 11.8 + 2.3 0.93 8

* Я - коэффициент корреляции;

** N - количество экспериментальных точек на зависимостях.

ными в табл. 16. Значения ГДг5,°, отражающие степень десольватации частиц, изменяются в последовательности: ГП-р-ЦД > Р-ЦЦ » ГП-а-ЦД > а-ЦД, причем наблюдается резкий скачок при переходе от а- к Р-циклодекстринам. Сопоставление ТА^" для природных и гидроксипропилированных ЦД показывает, что при комплексообразовании замещенные макроциклы испытывают более интенсивную дегидратацию. Это соответствует выявленной разнице в термодинамике комплексообразования: для большинства систем наблюдалось повышение А.Н" и Дс5° для комплексов с ГП-а-ЦД и ГП-Р-ЦД, по сравнению с а-ЦД и Р-ЦД (табл. 2, 4, 10, 14).

Таким образом, предложенная интерпретация энтальпийно-энтропийной компенсации в комплексообразовании ЦД свидетельствует о том, что КЭ не артефакт. Полученные параметры линейной корреляции ТА= /(Дс№) являются логичными и согласуются с реальной картиной комплексообразования ЦД.

В разделе 5.3 обсуждается соотношение между термодинамическими и структурными характеристиками комплексообразования а- и В-ииклодекстринов. На рис. 18 показана зависимость ТА З" = /(ДСН°), построенная для комплексообразования природных и гидроксипропилированных а- и Р-циклодекстринов со всеми гостями, рассматриваемыми в данной работе. На графике обозначены три области пространства, соответствующие энтальпийно (I), энтальпийно-энтропийно (II) и энтропийно (III) стабилизированным комплексам. В первую термодинамическую группу попадают комплексы, образование которых характеризуется отрицательными АсН и Дг5'. Это все комплексы а-ЦД и ГП-а-ЦД (обозначены черным цветом), образующиеся в результате частичного включения гостя в макроцикли-ческую полость (|Д/(Н-3)| > |Д,<НН-5)|). При таком способе связывания дегидратация не является интенсивной, и силы притяжения, действующие между частицами, вносят основной отрицательный вклад в значения АсН" и Дс5°. К этой же группе относятся комплексы Р-ЦД (отмечены на рис. 18 синим цветом) с достаточно объемными гостями (би- и трициклическими соединениями), одна часть молекул которых целиком размещается в макроциклической полости, вызывая ее полную дегидратацию, а оставшаяся часть находится снаружи и взаимодействует с внешней поверхностью ЦД и/или с молекулами растворителя. Как правило, образуются множественные Н-связи между полярными группами гостя и ОН-группами хозяина, которые в основном обусловливают экзотермичность связывания и повышение структурированности системы.

ТД Su, кДж/моль

(i» (III)

Д H°<0; AcS°>0 i. д Н°Х); д s°>0

.40 -30 -29 Г. -10 *„ ■ о

'í i ' Д Н°, кДж/моль -10

(D -20

Д Н°<0; Д S°<0

Рис. 18. Энтальпийно-энтоопийный компенсаци-

онный эффект для комплексообразования ЦД с

moho-, би- и трициклическими молекулами-

гостями в воде при 298.15 К.

Ко второй термодинамической группе принадлежат комплексы (точки красного цвета), у которых гость глубоко располагается в полости макроцикла и становится полностью капсулированным. Это комплексы (?-ЦД и ГП-р-ЦД с моноциклическими соединениями, для которых были получены Ас3 (Н-3) ~ Дс5 (Н-5), небольшие отрицательные ДСН° и положительные Дс1?°. Взаимодействие сопровождается частичным разрушением сольватных оболочек реагентов и полной дегидратацией полости, в результате чего большое количество молекул воды высвобождается в объем растворителя, т.е. дегидратация вносит определяющий вклад в термодинамику комплексообразования.

Таким образом, на основе термодинамических характеристик комплексообразования можно предложить два основных способа образования комплексов. Первый из них контролируется силами притяжения между взаимодействующими частицами и сопровождается отрицательными АсНйи Дс5°. Второй способ характеризуется существенной реорганизацией растворителя и, как следствие, небольшими отрицательными ДсН° и положительными Дс5"°.

К структурным перестройкам в растворе чувствительны объемные свойства Д1ГУ. В случае частичного включения гостей в полость а-циклодекстринов и связывания посредством невалентных взаимодействий величины Д„У(ОД)<0> и, наоборот, ДпУ(ЦД)> О для комплексообразования Р-циклодекстринов, которое сопровождается глубоким проникновением гостя в макроциклическую полость и переустройством растворителя. Выявлена следующая закономерность изменения термодинамических параметров: отрицательным Д/)У(а-ЦД) соответствуют отрицательные ДСН° и Дс5"0, и, наоборот, положительным Д„К(Р-ЦД) соответствуют небольшие отрицательные ДсН° и положительные Д^0 (рис. 19).

Таким образом, различие в термодинамике и способе комплексообразования а-ЦД и р-ЦД

определяется разной глубиной включения молекул-гостей в макроциклическую полость и ролью растворителя. Выявленная взаимосвязь структурных и термодинамических параметров комплексообразования имеет предсказательный характер и позволяет получить достаточно полную информацию об образовании комплексов при проведении одного вида исследований.

ДиУ(ЦЦ), см3/мс ■ комплексы а-ЦД и ГП-а-ЦД * комплексы р-ЦД и ГП-р-ЦД АН, кДж/моль ль А№У(ЦД), С 61Г 45" JlT 1? <3/моль

■ а .¡Л ' - " -IS" -31Г TAcSu, кДж/MOjn.

-40 -за -211 " -10 2«

Рис. 19. Зависимости АиУ от А Н° (слева") и ТА Я0 (справа! символом * обозначены литературные данные для комплексов с салициловой и ацетилсалициловой кислотами

Глава 6. Некоторые аспекты практического использования полученных результатов

Использование олигосахаридов в технологиях капсулирования лекарственных и биологически активных препаратов относится к основным направлениям практического применения ЦД. Преимуществами капсуляции посредством ЦД являются возрастание растворимости, повышение физической и химической стабильности, увеличение биодоступности, улучшение переносимости и снижение риска побочного действия препарата.

В разделе 6.1 изучено солюбилизирующее действие ииклодекстринов по отношению к тем из рассматриваемых гостей, которые плохо растворимы в водной среде. На рис. 20 приведены диаграммы, наглядно показывающие солюбилизирующий эффект различных ЦД. Как видно, степень проявления солюбилизирующего действия ЦД определяется, прежде всего, возможностью образования комплексов включения и степенью их устойчивости в водном растворе. Р-Циклодекстрины являются более эффективными солюбилизаторами для исследуемых би- и трициклических соединений. Существенное возрастание растворимости (>100%) наблюдается в системах Р-ЦЦ+люмихром, р-ЦД+аллоксазин и р-ЦД+менадион, в которых образуются наиболее устойчивые комплексы. Согласно результатам 'Н ЯМР, гидрофобная часть этих соединений включается в макроциклическую полость и становится экранированной от водного окружения. Гидрофильная внешняя поверхность таких комплексов, сформированная многочисленными ОН-группами ЦД, делает их хорошо растворимыми в водной среде.

плексообразования могут эффективно применяться на практике для предсказания солюбилизирующего эффекта ЦД.

В разделе 6.2 циклодекстрины рассматриваются как возможные стабилизирующие агенты. ЦД успешно применяются в качестве пищевой добавки Е459, принадлежащей к категории стабилизаторов. Стабилизирующее действие ЦД было продемонстрировано по отношению к рибофлавину, который под действием света разрушается и переходит в вещества, лишенные биоактивности. Спектры поглощения водных растворов рибофлавина в присутствии ГП-а-ЦД, ГП-Р-ЦД, ГП-у-ЦД и глюкозы ежедневно регистрировались в течение 10 дней (рис. 21). Свежеприготовленные растворы чистого рибофла-

Таким образом,

Рис. 20. Солюбилизирующее действие ЦЦ (0.01 моль/кг) по отношению к би- и трициклическим соединениям._

приведенные примеры показывают, что повышение растворимости биологически активных соединений может быть достигнуто за счет комплексо-образования с ЦД. Данные по термоди-

намике и способу ком-

вина и с добавками ЦД имели одинаковое желтое окрашивание, и спектры поглощения практически совпадали. Начиная с седьмого дня и далее, растворы, содержащие ЦД и глюкозу, постепенно обесцвечивались, и в спектрах поглощения наблюдалось исчезновение максимума при 445 нм и возникновение нового при 356 нм, что свидетельствовало о появлении в растворе люмихрома.

а) < 0.211.0 - 1-ый день Л А 1 лЛ \у V б) < 0б_ 7-ой день \1 -»глюкоза / ч гл~ги,д

200 300 400 500 ^ 3»0 4110 500 А. им

Рис. 21. Спектры поглощения раствора рибофлавина (210'4 моль/кг) в присутствии 50-кратного избытка различных ЦД и глюкозы (а - свежеприготовленные растворы; б - растворы после 7-ми дневного хранения при комнатных условиях).

Полученные результаты согласуются с предложенным способом комплексообра-зования. Согласно результатам 'Н ЯМР исследования, в макроциклическую полость ЦД включается только первое бензольное кольцо витамина В2, в то время как оставшаяся часть молекулы располагается снаружи, остается незащищенной от действия внешних факторов и в первую очередь подвергается распаду. Таким образом, ЦД не проявляют стабилизирующего действия по отношению к рибофлавину, а, наоборот, ускоряют разложение, выступая в роли катализаторов этого процесса.

В разделе 6.3 показано возможное использование ЦД в аналитической химии, базирующееся на способности макроциклов к молекулярному узнаванию молекул-гостей. ЦД хиральные рецепторы, поэтому они широко применяются в технологиях определения и разделения не только структурных, то и оптических изомеров, обладающих разной биологической активностью.

Как следует из полученных данных (табл. 2 и 4), ЦД проявляют селективность при взаимодействии с изомерными кислотами, образуя более устойчивые комплексы с пАБК (рис. 22 (а)) и

Ь-ЦД ГП-г-ЦД

а-ЦД

Рис■ 22■ Значения ^ К комплексов ЦД с аминобензойными (а) и пиридинкарбоновыми (б) кислотами.

с НК (рис. 22 (б)). Как обсуждалось выше, избирательность комплексообразования определяется структурой, а также ионизационным и сольватным состоянием молекул-гостей.

Возможность разделения стереоизомеров дипеп-тидов аланил-фенилаланинкна (Ala-Phe), аланил-тирозина (Ala-Туг) и аспартама (Asp-PheOMe) методом капиллярного электрофореза с использованием Р-ЦД в качестве мобильной фазы продемонстрирована на рис. 23. Как видно, разрешение пиков зависит от концентрации fi-ЦД. При рН 2.2, когда пептиды преимущественно существуют в форме катионов, подвижность комплексов Р-ЦД с LL- и DD-энантиомерами одинакова, и порядок миграции определяется константой устойчивости комплексов. DD-энантиомеры, мигрирующие последними, образуют с Р-ЦД более устойчивые комплексы, что было подтверждено термодинамическими параметрами комплексобразования (табл. 17). Понижение экзотер-

мичности взаимодействия и возрастание разупорядо-ченности системы в процессе образования комплексов с DD-дипептидами обусловлено более глубоким включением этих форм в полость Р-ЦД [Eur. J. Org. Chum. (2007) P.2921; Bull. Chem. Soc. Jpn. 59 (1986) 1129].

Таким образом, различие в термодинамике и способе связывания ЦД с оптическими изомерами позволяет использовать эти макроциклические рецепторы в качестве анализаторов хиральной чистоты биологически активных соединений.

рН 2.2

10 мг/ьст 20 кг/шл 50 мг/ш

li. и.

Мэ-Phe jDD loo JPO

J L I ____ L

9 50 It 10 .11 12 11 12 13

11 .IX i±[

AliTyr 00 iOD j: DO

1 1___ L

9 - 1. 10 и Lj '10 ■ ч 1 12 11 12 LL j (Э

Asp-PfteOM©. Г i Jij DO ^00 JL

9 Iff 11 11 2 13 12 13 14 [мин]

Рис. 23. Разделение энантиомеров дипептидов методом капиллярного электрофореза с использованием р-дд.

Таблица 17. Термодинамические параметры комплексообразования R-ТТП с энаятиомерами дипептидов в фосфатном буфере при 298.15К

Комплекс К Д CG Д еН TACS

кДж/моль

L-Ala-L-Phe'P-ЦД 48+8 -9.6±1.6 -11.2±0.3 -1.6+1.6

D-Ala-D-Phe'P-ЦД 80+13 -10.6+1.7 -10.6±0.3 0.0±1.7

L-Ala-L-Tyr/p-ЦД 4818 -9.611.6 -15.4±0.3 -5.8+1.6

D-Ala-D-Tyr/p-ЦЦ 76+9 -10.7±1.3 -14.1±0.3 -3.411.3

LL-Asp-PheOMe/р-ЦД 76+9 -10.7±1.3 -12.9±0.3 -2.211.3

DD-Asp-PheOMe/р-ЦД 131+15 -12.1+1.4 -9.6±0.3 2.511.4

Глава 7. Краткое описание используемых экспериментальных методов

В разделах данной главы приводится описание привлекаемых экспериментальных методов (калориметрия растворения и титрования, 'Н ЯМР спектроскопия, метод растворимости, УФ-спектроскопия, капиллярный электрофорез и денсиметрия) и методов расчета, а также дается краткая характеристика используемым реактивам.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Впервые проведено систематическое термодинамическое и структурное исследование комплексообразования природных и гидроксипропилированных а-, ¡3- и у-циклодекстринов с ароматическими moiío-, би- и трициклическими соединениями, проявляющими биологическую и фармакологическую активность. На основе полученных данных проанализировано влияние строения реагентов и свойств среды на протекание процессов комплексообразования. Установлены основные закономерности образования комплексов «хозяин-гость» в водном растворе и выявлена способность циклодекстринов к молекулярному узнаванию. Предложен новый подход, концептуально связывающий данные о термодинамических характеристиках и структуре образующихся комплексов и позволяющий детализировать движущие силы взаимодействия.

1. В комплексообразовании циклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами определяющую роль играют размер макроциклической полости хозяина и строение гостя. Частичное расположение кислот в полости а-циклодекстринов контролируется энтальпийной составляющей энергии Гиббса за счет превалирования вандерваальсовых взаимодействий и возможного образования водородных связей. Глубокое проникновение кислот в полость p-циклодекстринов сопровождается интенсивной дегидратацией частиц и ростом энтропийного фактора. у-Циклодекстрины проявляют высокую избирательность при взаимодействии с кислотами, отдавая предпочтение связыванию с менее гид-ратированными молекулами, имеющими в строении наименьшее количество боковых групп.

2. Принцип структурного соответствия и состояние молекул-гостей в водном растворе (самоассоциация, сольватация и т.п.) определяют комплексообразование циклодекстринов с бициклическими соединениями - ксантинами и менадионом. Согласно данным 'Н ЯМР спектроскопии, образование комплексов включения а-циклодекстринов с бициклами стерически затруднено, взаимодействия являются слабыми и поверхностными. Инк-люзионное комплексообразование с Р-циклодекстринами реализуется посредством гидрофобных взаимодействий и структурной перестройки растворителя и сопровождается образованием более устойчивых комплексов с менее полярными и гидратированными бициклическими соединениями.

3. Исследование взаимодействий а-, р- и у-циклодекстринов с трициклическими соединениями - рибофлавином, люмихромом и аллоксазином показало, что 0-циклодекстрины проявляют большее сродство к флавинам. Способность циклодекстринов к молекулярному распознаванию флавинов определяется размером макроциклической полости хозяина и полярностью гостя. Образование энтальпийно стабилизированных комплексов состава 1:1 происходит в результате частичного проникновения наиболее гидрофобной части молекулы гостя в полость хозяина, при этом оставшаяся его часть располагается вне полости и взаимодействует с внешней поверхностью р-циклодекстрина.

4. Модификация внешней поверхности циклодекстринов гидроксипропильными заместителями оказывает несущественное влияние на комплексообразование макроциклов с moho-, би- и трициклическими гостями. Небольшое повышение энтальпии и энтропии комплексообразования, наблюдающееся для большинства систем, обусловлено возросшим положительным вкладом от дегидратации объемных гидроксипропильных групп.

5. Предложены термодинамические и структурные критерии, позволяющие определить способ и движущие силы комплексообразования:

- частичное включение гостя в полость хозяина характеризуется заметным смещением 'И ЯМР сигнала только одного из внутренних протонов циклодекстрина и отрицательными изменениями энтальпии и энтропии, обусловленными превалированием вандерваальсовых взаимодействий;

- глубокое проникновение гостя в макроциклическую полость хозяина сопровождается существенными изменениями химических сдвигов обоих внутренних протонов циклодекстрина и значительной переорганизацией растворителя, в результате этого процесс является энтальпийно-энтропийно благоприятным;

- глубокое включение гостя, сочетающееся с дополнительными поверхностными взаимодействиями, характеризуется смещением ЯМР сигналов внутренних и внешних протонов циклодекстрина и отрицательными изменениями энтальпии и энтропии комплексообразования;

- образование комплексов за счет поверхностных взаимодействий сопровождается изменениями химических сдвигов только внешних протонов циклодекстринов, а также отрицательными изменениями энтальпии и энтропии комплексообразования.

6. Впервые проанализировано влияние рН на комплексообразование циклодекстринов с рассматриваемыми ароматическими карбоновыми кислотами. Образование наиболее устойчивых комплексов включения происходит с кислотами, находящимися в недиссо-циированном состоянии или в виде цвиттер-ионов. Инклюзионное комплексообразование с катионными и анионными формами кислот также возможно, причем расположение отрицательно заряженных групп внутри макроциклической полости является предпочтительным.

7. С привлечением методов калориметрии, 'Н ЯМР спектроскопии и молекулярного моделирования впервые изучены и интерпретированы эффекты биологически значимых неорганических солей (NaCl, КС1 и КВг) в комплексообразовании а-ЦЦ с ароматическими карбоновыми кислотами. Понижение устойчивости комплексов включения, наиболее выраженное в присутствии Na+ и Вг\ обусловлено конкурирующими процессами, связанными с образованием ионных пар между катионом и карбоксильной группой кислот, а также с проникновением аниона в макроциклическую полость. Проявление солевых эффектов зависит как от природы и свойств неорганического иона, так и от строения молекулы-гостя.

8. Предложены основные направления практического использования полученных результатов. Показано, что Р-циклодекстрины являются наиболее эффективными солюби-лизаторами, поскольку образуют устойчивые комплексы включения с большинством из

рассматриваемых соединений. Цикдодекстрины не проявляют стабилизирующего действия по отношению к рибофлавину, поскольку не способны капсулировать его молекулу полностью. Выявленная избирательность в комплексообразовании определяет применение циклодекстринов в аналитических технологиях обнаружения и разделения структурно родственных соединений.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Главы в монографиях:

1. Terekhova I.V., Kulikov O.V. Physical-chemical aspects of formation of complexes "host-guest" and molecular selectivity in relation to biologically active compounds // Ch.2 in monograph "Chemistry of polysaccharides" Ed. by G.E. Zaikov. Brill. Academic Publ. Netherlands. 2005. P.38

2. Terekhova I.V. Selective interactions of native and modified cyclodextrins with some B-vitamins in aqueous solution //' Ch. 4 in monograph "Solution Chemistry Research Progress". Ed. D. V. Bostrelii. Nova Science Publ. Inc. 2007. P.93.

3. Терехова И.В., Куликов О.В. Физико-химические аспекты образования комплексов «хозяин-гость» и молекулярная избирательность по отношению к биологически активным соединениям // Гл. 2 в моногр. «Научные основы химической технологии углеводов» под ред. А.Г. Захарова, М.: Изд. ЛКИ. 2008. С.39.

4. Terekhova I.V. Inclusion complex formation of cyclodextrins with aminobenzoic acids in aqueous solution // Ch. 8 in Macrocyclic Chemistry: New Research Developments. Eds. D.W. Fitzpatrick and H.J. Ulrich. Nova Sc. Publ. 2010. P.263.

Статьи:

1. Terekhova I.V., Obukhova N.A. Thermodynamics of nicotinic acid interaction with some saccharides //' Journal of Solution Chemistry. - 2005. - V.34. - №11. - P. 1273-1282.

2. Терехова И.В., Обухова H.A., Кумеев P.С., Альпер Г.А. Взаимодействия а- и гидро-ксипропил-а-циклодекстринов с никотиновой кислотой в водном растворе // Журнал физической химии. - 2005. - Т.79. - №12. - С, 1215-1219.

3. Terekhova I.V., Volkova T.V., Perlovich G.L. Experimental analysis of complex formation of niflumic acid with p-cyclodextrins // Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry. - 2006. - V.55. - №3-4. - P.335-340.

4. Zielenkiewicz W., Terekhova I.V., Kozbial M., Poznanski J., Kumeev R.S. Inclusion of menadione by cyclodextrins studied by calorimetry and spectrophotometric methods // Journal of Physical Organic Chemistry. - 2007. - V.20. - №9. - P.656-661.

5. Terekhova I.V., Volkova T.V., Perlovich G.L. Interactions of theophylline with cyclodextrins in water // Mendeleev Communications. - 2007. - V. 17. - №4. - P.244-246.

6. Terekhova I.V., Scriba G.K.E. Study on inclusion complex formation of biologically active pyridine derivatives with cyclodextrins by capillary electrophoresis // Journal of Pharmaceutical Biomedical Analysis. - 2007. - V.45. - №4. - P.688-693.

7. Терехова И.В., Кумеев Р.С., Альпер Г.А. Взаимодействие кофеина с замещенными циклодекстринами в воде // Журнал физической химии. - 2007. - Т.81. - №7. - С. 12211226.

8. Terekhova I.V., Obukhova N.A. Study on inclusion complex formation of m-aminobenzoic acid with native and substituted p-cyclodextrins // Journal of Solution Chemistry. - 2007. -V.36. -№9.-P. 1167-1176.

9. Terekhova I.V., Kumeev R.S., Alper G.A. Inclusion complex formation of a- and P-cyclodextrins with aminobenzoic acids in aqueous solution studied by 'H NMR // Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry. - 2007. - V.59. - №3-4. - P.301-306.

10. Terekhova I.V., De Lisi R., Lazzara G., Milioto S., Muratore N. Volume and heat capacity studies to evidence interactions between cyclodextrins and nicotinic acid in water // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2008. - V.92. -№1. - P.285-290.

11. Zielenkiewicz W., Terekhova I.V., Marcinowicz A., Kozbial M., Poznanski J. Interactions of native and modified cyclodextrins with some B-vitamins // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2008. - V.93. - №2. - P.365-372.

12. Terekhova I.V. Interactions of p- and hydroxypropyl-P-cyclodextrins with some purine alkaloids: thermodynamic study // Current Drug Discovery Technologies. - 2008. - V.5. - №2. -P. 168-172.

13. Terekhova I.V., Kumeev R.S., Alper G.A. *H NMR and calorimetric study on binding ability of cyclodextrins to isomeric pyridinecarboxylic acids in aqueous solution // Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry. - 2008. - V.62. - №3-4. - P.363-370.

14. Zielenkiewicz W., Terekhova I.V., Kozbial M., Wszelaka-Rylik M., Kumeev R.S. Com-plexation of niflumic acid with native and hydroxypropylatcd a- and p-cyclodextrins in aqueous solution // Journal of Physical Organic Chemistry. - 2008. - V.21. - №10. - P.859-866.

15. Terekhova I.V. Volumetric and calorimetric study on complex formation of cyclodextrins with aminobenzoic acids // Mendeleev Communications. - 2009. - V.19. - №2. - P.110-112.

16. Терехова И.В., Кумеев P.С. Термодинамика комплексов включения циклодекстринов с изониазидом // Журнал физической химии. - 2010. - Т.84. — №1. - С. 5-10.

17. Терехова И.В. Взаимодействие циклодекстринов с ксантином и его производными в водном растворе // Известия академии наук. Серия химическая. - 2010. - №3. - С.521-526.

18. Терехова И.В., Кумеев Р.С., Альпер Г.А. Комплексообразование циклодекстринов с никотинамидом и никодином в водном растворе // Журнал общей химии. - 2010. - №2. -С.309-315.

19. Zielenkiewicz W., Terekhova I.V., Wszelaka-Rylik М., Kumeev R.S. Thermodynamics of inclusion complex formation of hydroxypropylated a- and P-cyclodextrins with aminobenzoic acids in water // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2010. - V.101. - №1. - P.15-23.

20. Zielenkiewicz W., Terekhova I.V., Kozbial M., Kumeev R.S. Thermodynamic study on complex formation of riboflavin with hydroxypropyl-P-cyclodextrin in water // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry.-2010.-V.101. - №2.-P.595-600.

21. Terekhova I.V., Hammitzsch-Wiedemann M., Shi Y., SungthongB., Scriba G.K.E. Investigation of the pH-dependent complex formation between p-cyclodextrin and peptide enanti-omers by capillary electrophoresis and calorimetry // Journal of Separation Science. - 2010. -V.33. -№16. -P.2499-2505.

22. Terekhova I.V., Romanova A.O., Kumeev R.S., Fedorov M.V. Selective Na+/K+ effects on the formation of a-cyclodextrin complexes with aromatic carboxylic acids: competition for the guest// Journal of Physical Chemistry B. - 2010. - V.114. -№39. -P.12607-12613.

23. Terekhova I.V., Tikhova M.N., Volkova T.V., Kumeev R.S., Perlovich G.L. Inclusion complex formation of a- and P-cyclodextrins with riboflavin and alloxazine in aqueous solution: thermodynamic study // Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistty. — 2011. — V.69. - №1-2. — P. 167-172.

24. Terekhova I.V., Kozbial M., Kumeev R.S., Alper G.A. Inclusion complex formation between modified cyclodextrins and riboflavin and alloxazine in aqueous solution // Journal of Solution Chemistty. - 2011. - V.40. -№8. - P. 1435-1446.

25. Терехова И.В., Кумеев P.C., Альпер Г.А., Агафонов А.В. Термодинамические характеристики реакций образования комплексов а- и Р-циклодекстринов с люмихромом, люмазином и урацилом в водном растворе // Журнал физической химии. - 2011. - Т.85. -№10.-С. 1977-1982.

26. Terekhova I.V., Kozbial М„ Kumeev R.S., Gierycz P. Complex formation of native and hydroxypropylated cyclodextrins with benzoic acid in aqueous solution: volumetric and 111 NMR study // Chemical Physics Letters. -2011. -V.514. -№4-6. -P.341-346.

27. Terekhova I.V. Comparative thermodynamic study on complex formation of native and hydroxypropylated cyclodextrins with benzoic acid // Thermochimica Acta. - 2011. - V.526. -№1-2.-P. 118-121.

28. Terekhova I.V., Chibunova E.S., Kumeev R.S., Alper G.A. Role of biologically active inorganic anions СГ and Br" in inclusion complex formation of a-cyclodextrin with some aromatic carboxylic acids // Chemical Physics Letters. -2013. -V.557(Februaiy)- -P.134-139.

29. Romanova A.O., Chibunova E.S., Kumeev R.S., Fedorov M.V., Terekhova I.V. a-Cyclodextrin/aminobenzoic acid binding in salt solutions at different pH: dependence on guest structure// International Journal of Biological Macromolecules. -2013. - V.57(June). -P.255-258.

Автор выражает искреннюю благодарность д.х.н., проф. Алъперу Г.А., к.х.н. Кумееву Р.С. за помощь в проведении ЯМР измерений и д.х.н. Перловицу Г.Л. за помощь в осуществлении эксперимента по растворимости.

Подписано в печать 02.10.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 2,00. Уч.-изд.л. 2,06 Тираж 100 экз. Заказ 3349

Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г. А. Крестова Российской академии наук

Комплексообразование циклодекстринов с некоторыми биологически активными соединениями в водных растворах

02.00.04 - физическая химия

Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук

На правах рукописи

05201352011

Терехова Ирина Владимировна

Научный консультант:

д.х.н., проф. Агафонов А.В.

Иваново 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ... 5

ГЛАВА 1. Циклодекстрины как представители отдельного класса макроциклических лигандов в супрамолекулярной химии ... 12

1.1. Получение, структура и классификация циклодекстринов ... 12

1.2. Физико-химические свойства циклодекстринов ... 17

1.3. Основные представления о комплексообразовании циклодекстринов ... 22

1.4. Направления практического использования циклодекстринов ... 29

1.5. Заключение к главе и обоснование цели работы ... 34

ГЛАВА 2. Комплексообразование циклодекстринов с простейшими ароматическими карбоновыми кислотами и структурно близкими моноциклическими соединениями ... 37

2.1. Комплексообразование циклодекстринов с бензойной кислотой ... 37

2.2. Комплексообразующая способность циклодекстринов по отношению

каминобензойным кислотам ... 57

2.3. Взаимодействия циклодекстринов с пиридинкарбоновыми кислотами

и некоторыми другими биологически значимыми производными пиридина ... 83

2.4. Закономерности комплексообразования циклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами в водном растворе ... 114

2.5. Эффекты среды в комплексообразовании циклодекстринов с

ароматическими карбоновыми кислотами ... 119

ГЛАВА 3= Комплексообразование циклодекстринов с некоторыми биологически активными бициклическими соединениями ... 141

3.1. Взаимодействия циклодекстринов с пуриновыми алкалоидами ... 142

3.2. Комплексы циклодекстринов с менадионом (витамином Кз) ...

3.3. Сравнительный анализ комплексообразования а- и

(3-циклодекстринов с бициклическими молекулами-гостями ... 174

ГЛАВА 4. Комплексообразование циклодекстринов с трициклическими соединениями и их структурными фрагментами ... 181

4.1. Комплексообразование циклодекстринов с рибофлавином,

люмихромом и аллоксазином ... 181

4.2. Взаимодействия циклодекстринов с люмазином и урацилом -

структурными фрагментами флавинов ... 196

ГЛАВА 5. Взаимосвязь меяеду термодинамическими и структурными характеристиками процессов комплексообразования циклодекстринов

с биомолекулами ... 204

5.1. Явление энтальпийно-энтропийной компенсации ... 204

5.2. Термодинамический энтальпийно-энтропийный компенсационный

эффект в комплексообразовании циклодекстринов ... 207

5.3. Соотношение между термодинамическими и структурными

характеристиками комплексообразования а- и р-циклодекстринов ... 213

ГЛАВА 6. Некоторые аспекты практического использования '

полученных результатов ... 219

6.1. Солюбилизирующее действие циклодекстринов ... 219

6.2. Циклодекстрины как возможные стабилизирующие агенты ... 222

6.3. Использование циклодекстринов в аналитической химии ... 225 ГЛАВА 7. Краткое описание используемых экспериментальных методов ... 229

7.1. Калориметрия растворения ... 229

7.2. Калориметрия титрования ... 232

7.3.'НЯМР спектроскопия ... 233

7.4. Метод растворимости ... 235

7.5. УФ-спектроскопия ... 237

7.6. Капиллярный электрофорез ... 238

7.7. Денсиметрия ... 241

7.8. Определение стехиометрии комплексов (метод Жоба) ... 243

7.9. Реактивы ... 244 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ... 245 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ... 249

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

А1х - аллоксазин

Ьиш - люмихром

ИМ - рибофлавин

Меп - менадион

БК - бензойная кислота

ГП-ЦД - гидроксипропил-циклодекстрин

ИК - изоникотиновая кислота

КЭ - компенсационный эффект

мАБК - мета-аминобензойная кислота

м.р. - метод растворимости

НК - никотиновая кислота

НфК - нифлумовая кислота

оАБК - орто-аминобензойная кислота

пАБК - пара-аминобензойная кислота

ПК - пиколиновая кислота

с/ф - спектрофотометрия

ЦД — циклодекстрин

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Химия соединений включения, базирующаяся на представлениях о молекулярном распознавании и нековалентных взаимодействиях, является важной составной частью супрамолекулярной химии. Результаты, полученные в данной области, внесли вклад в теорию и практику ферментативного катализа и показали роль избирательного связывания в биохимических и технологических процессах. Интерес к химии комплексов хозяин-гость непрерывно растет. С одной стороны, потребности современной индустрии требуют разработки новых технологий разделения веществ и энантиомеров, создания более усовершенствованных систем доставки лекарств, получения капсулированных форм биологически активных соединений с улучшенными свойствами и перспективных функциональных нанома-териалов. Роль процессов формирования соединений хозяин-гость в данных технологиях и материалах определяющая. С другой стороны, современные теоретические представления о механизмах молекулярного распознавания и нековалентном связывании во многих аспектах базируются на результатах квантово-химических расчетов, а так же на интерпретации эффектов в конкретных системах, что недостаточно для разработки прогностической теории. Актуальность описываемых явлений в практическом плане и недостаточность развития базы экспериментальных данных, требующейся для теоретических обобщений в данной области, определяют существенный научный интерес к химии комплексов хозяин-гость.

Комплексы циклодекстринов с биологически активными молекулами, благодаря интересу фармацевтических компаний, представляют собой одни из наиболее интенсивно изучаемых объектов химии соединений включения в последние годы. Главными результатами этих исследований являются открытые эффекты увеличения растворимости органических молекул в составе комплексов с циклодекстринами, повышение их стабильности в среде физио-

логических жидкостей и при хранении, улучшение вкусовых качеств, усиление фармакологической активности, пролонгирование терапевтического действия, снижение побочных эффектов и т.д. Основным недостатком имеющихся в литературе данных является их фрагментарность, не дающая возможность проведения детального анализа взаимосвязи термодинамических параметров комплексообразования со строением реагентов, их интерпретации с учетом образующихся в растворе структур - внутренних или внешних комплексов, степени вхождения молекул-гостей в макроциклическую полость, типов невалентных межмолекулярных взаимодействий.

Очевидно, что проведение систематических исследований взаимодействий природных и замещенных циклодекстринов с широким спектром молекул биологически активных веществ и лекарственных препаратов имеет важное значение как для проведения взаимосогласованного анализа закономерностей, приводящих к эффектам молекулярного распознавания, так и для разработки новых систем разделения, инкапсулирования и доставки на основе комплексов хозяин-гость.

Цель работы состояла в установлении основных закономерностей комплексообразования природных и гидроксипропилированных циклодекстринов с рядом биологически активных соединений в водных растворах, выявлении критериев молекулярного узнавания, инклюзионного комплексообразования и взаимосвязи между термодинамическими и структурными характеристиками процессов образования комплексов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Провести термодинамическое описание взаимодействий нативных и гидроксипропилированных а-, и у-циклодекстринов с биологически и фармакологически значимыми ароматическими moho-, би- и трициклически-ми соединениями в водном растворе и на основе полученных данных {К,

Д/7, АсЯ и Дс5") проанализировать влияние усложнения строения молекул-гостей, изменения степени гидрофобности и гидратации реагентов, размеров макроциклической полости и модификации внешней поверхности циклодек-стринов на протекание процессов комплексообразования.

Установить стехиометрический состав комплексов и способ их образования в водном растворе. Оценить роль структурного фактора и принципа геометрической комплементарности в процессах комплексообразования.

Предложить критерии, на основе которых можно судить об инклюзи-онном комплексообразовании и глубине включения гостя в полость хозяина, а также о возможности поверхностных взаимодействий.

Разработать общее представление о взаимосвязи термодинамических и структурных характеристик комплексообразования, позволяющее предсказать движущие силы взаимодействия и изменения в системе, связанные с процессом образования комплексов.

Оценить способность циклодекстринов к молекулярному распознаванию изомерных и структурно родственных соединений и выделить основные факторы, определяющие селективность взаимодействия.

Выявить особенности влияния свойств среды (рН, присутствие и природа фонового электролита) на образование и устойчивость комплексов включения циклодекстринов с рассматриваемыми молекулами-гостями.

Рассмотреть возможность практического использования полученных результатов в целях солюбилизации, стабилизации, обнаружения и разделения биологически активных веществ и лекарственных препаратов посредством комплексообразования с циклодекстринами.

Научная новизна. С привлечением различных экспериментальных методов впервые проведено детальное исследование комплексообразования природных и гидроксипропилированных а-, (3- и у-циклодекстринов с моно-, би- и трициклическими соединениями, проявляющими биологическую и

фармакологическую активность. Получены и интерпретированы новые термодинамические и структурные характеристики процессов комплексообразо-вания циклодекстринов с рассматриваемыми молекулами-гостями в водных растворах, которые значительно пополняют базу данных по супрамолекуляр-ным комплексам олигосахаридов. Выявлены основные закономерности влияния строения и физико-химических свойств реагентов на возможность образования комплексов включения. Проанализирована роль структурного и энергетического факторов в процессах комплексообразования. Впервые предпринята попытка установления взаимосвязи между термодинамикой и способом комплексообразования циклодекстринов. Предложены критерии, позволяющие судить о движущих силах взаимодействия и протекании инк-люзионного или поверхностного комплексообразования. Продемонстрирована способность циклодекстринов к молекулярному узнаванию изомерных и структурно родственных соединений. Проанализировано влияние свойств реакционной среды (рН, присутствие фонового электролита) на поведение комплексов включения в растворе.

Практическая значимость. Результаты диссертационной работы расширяют представления об образовании комплексов включения нативных и модифицированных циклодекстринов с ароматическими moho-, би- и три-циклическими соединениями в водных растворах. Полученные данные могут быть использованы при разработке процессов микрокапсулирования лекарств, витаминов, косметических и пищевых ингредиентов и других биологически активных веществ. Термодинамические и структурные характеристики комплексообразования позволяют оценить солюбилизирующее и стабилизирующее действие циклодекстринов и степень изменения физико-химических свойств молекул-гостей, капсулированных циклодекстринами. Выявленные закономерности влияния строения реагентов и свойств среды на комплексообразование дают возможность управлять процессами инкапсули-

рования и прогнозировать поведение комплексов включения в физиологических условиях. Результаты исследования могут использоваться при моделировании процессов адресной доставки лекарственных препаратов и других биохимических реакций. Выявленная способность циклодекстринов к молекулярному узнаванию структурных и оптических изомеров может служить основой создания сенсоров, аналитических методик разделения изомерных соединений и контроля степени чистоты биологически активных веществ.

Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждены на IX, XI Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Плес 2004, Иваново 2011); International Conference on Supramolecular Science and Technology (Prague, 2004); III, IV International Symposium «Molecular Design and Synthesis of Supramolecular Architectures» (Казань 2004, 2006); XV, XVI, XVII, XVIII Международной конференции по химической термодинамике в России (Москва 2005, Суздаль 2007, Казань 2009, Москва 2013); Conference on Thermal Analysis and Calo-rimetry (Zakopane 2005, 2009, 2012); X International Seminar on Inclusion Compounds (Казань, 2005); 9-th European Symposium on Thermal Analysis and Calo-rimetry (Cracow, 2006); International Summer School «Supramolecular systems in chemistry and biology» (Tuapse, 2006, 2008); Всероссийском симпозиуме «Эффекты среды и комплексообразования в растворах» (Красноярск 2006); XIII, XVI Симпозиуме по межмолекулярным взаимодействиям и конформа-циям молекул (С.-Петербург 2006, Иваново 2012); XV International Conference «Physical methods in coordination and supramolecular chemistry» (Kishinev, 2006); XXIII, XXIIIV XXV Чугаевской конференции по химии комплексных соединений (Одесса 2007, С.-Петербург 2009, Суздаль 2011); International Symposium and Summer School «Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter» (St.-Petersburg, 2007); 8, 9, 11-th Mediterranean Conference on Thermal Analysis and Calorimetry (Palermo 2007, Porto 2011, Athens 2013); 20-th Interna-

tional Conference on Chemical Thermodynamics (Warsaw, 2008); 15-th International Cyclodextrin Symposium (Vienna, 2010); 14-th International Symposium on Solubility Phenomenon (Leoben, 2010); II Международной школе-конференции «Супрамолекулярные системы на поверхности раздела» (Туапсе 2010, 2013); VIII Всероссийской конференции «Химия и медицина» (Уфа 2011, 2013); 15th International Conference on Thermal Analysis and Calorimetry (Osaka, 2012).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 91 печатной работе, в том числе в 4 коллективных монографиях, 29 статьях в рецензируемых российских и зарубежных журналах и 58 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, проведении экспериментальной работы, обработке полученных данных, обсуждении и обобщении результатов.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 301 странице, содержит 46 таблиц, 113 рисунков и состоит из введения, 7 глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 493 наименований.

Связь работы с научными планами, темами, программами. Диссертационная работа выполнена в лаборатории ИХР РАН «Химия гибридных наноматериалов и супрамолекулярных систем» в соответствии с основными направлениями фундаментальных исследований РАН по направлению «Химические науки и науки о материалах» (индекс 5.1) и планами НИР ИХР РАН на 2005-2013 годы: «Физико-химические и координационные свойства растворов сахаридов» № гос. регистрации 01.2.00103066 (2001-2005 гг.); «Функциональные наноматериалы на основе неорганических оксидов и по-

лисахаридов для электрореологии» № гос. регистрации 01.2.00607018 (20062008 гг.); «Формирование структуры и свойств жидкофазных дисперсных систем и наноматериалов с использованием химических и физических воздействий» № гос. регистрации 01200950829 (2009-2011 гг.); «Научные и технологические основы получения функциональных материалов и нанокомпо-зитов» № гос. регистрации 01201260483 (2012-н.в.).

Работа поддерживалась грантами РФФИ (№03-03-96411-р2003цчр_а (2003-2005 гг.), №06-03-96313-р_центр_а (2006-2008 гг.), №07-03-08413-3 (2007 г.), №09-03-97563-р_центр_а (2009-2011 гг.) и №12-03-97516-р_центр_а (2012-н/в)); Федеральной целевой программы "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы (№Д3289/2008, 2003 г.); фонда Президента РФ на поддержку молодых российских ученых и ведущих научных школ на выполнение научных исследований (№МК-1060.2003.03, 2003-2004 гг.); Фонда содействия отечественной науке по программе "Выдающиеся ученые. Кандидаты и доктора наук РАН" (2005-2006 гг.); Германской службы академических обменов DAAD (2005, 2008, 2011 г.); Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (№8839, 2012-2013 гг.).

Часть результатов была получена при сотрудничестве с Университетом г.Палермо (Италия), Институтом физической химии ПАН (г.Варшава, Польша), Институтом фармацевтики при Университете им. Ф.Шиллера (г.Йена, Германия) и Институтом математических приложений в естественных науках общества Макса Планка (г.Лейпциг, Германия).

ГЛАВА 1. Циклодекстрины как представители отдельного класса макроциклических лигандов в супрамолекулярной химии

Супрамолекулярная химия - это довольно молодая и быстроразвиваю-щаяся отрасль науки, объектами изучения которой являются супермолекулы и ансамбли, самопроизвольно образующиеся за счет невалентных взаимодействий. Супрамолекулярная химия как самостоятельная дисциплина появилась в конце 60-х - начале 70-х годов, у ее истоков стояли работы трех нобелевских лауреатов: Ч. Педерсена по краун-эфирам [1], Д. Крама по получению сферандов [2] и Ж.-М. Лена по криптандам [3, 4]. Далее эта область исследований расширилась, и важнейш