Пиридилфениленовые дендримеры тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук

Г1ИРИДИЛФЕНИЛЕНОВЫЕ ДЕНДРИМЕРЫ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ

02.00.06 - высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Шифрина Зинаида Борисовна

31 ОКТ 2013

Москва-2013

005536669

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН

(ИНЭОС РАН)

Официальные оппоненты: Пономаренко Сергей Анатольевич,

доктор химических наук, член-корреспондент РАН, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН

ЬСиреев Вячеслав Васильевич,

доктор химических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»

Паписов Иван Михайлович,

доктор химических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Защита состоится «5» декабря 2013 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.250.02 в ИНЭОС РАН по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, В-334, ул. Вавилова, д. 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНЭОС РАН Автореферат разослан 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.250.02,

кандидат химических наук ___ Беломоина Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В химии полимеров 80-ые годы прошлого века ознаменовались появлением нового класса макромолекулярных соединений — монодисперсных полимеров регулярного ветвящегося строения, получивших название дендримеров (от греческого 5£v5pov (dendron) - дерево, ветвь). В настоящее время мир дендримеров обширен, а их специфические свойства многообразны. Дендримеры обладают уникальной молекулярной регулярностью, имеют мультифункциональную периферию и значительные внутренние «полости», причем, внешний слой, внутренние области и ядро дендримеров могут быть произвольно модифицированы. К числу несомненных достоинств дендримеров стоит отнести их монодисперсность и возможность надежного контроля над размерами, формой и функциональностью, реализуемого в процессе многоступенчатого синтеза макромолекулы. Указанные особенности позволяют дендримерам занять определенную нишу в тех современных технологиях, где использование традиционных полимерных соединений невозможно или малоэффективно.

Дендримеры нашли широкое применение в медицине в качестве контрастных агентов в магнито-резонансной томографии, средств доставки лекарств, в in vitro диагностике, в бор-нейтронозахватной терапии, а также в качестве наноразмерных реакторов и систем, имитирующих мицеллы.

Дендримеры эффективно используются в различных химических технологиях. Так, например, дендримеры, содержащие на периферии каталитические активные центры, активируют полимеризацию мономеров, а затем могут быть отделены от реакционной смеси путем микрофильтрации. Известны дендримеры, являющиеся катализаторами в процессах электрохимического восстановления двуокиси углерода в монооксид углерода. Некоторые функционализированные дендримеры используются для экстракции гидрофильных соединений из воды в сверхкритический С02. Кроме того, дендримеры способны инкапсулировать нерастворимые продукты или наночастицы металлов во внутренние «полости» и переносить их в растворители. Особый интерес исследователей вызывают композиты дендримеров с неорганическими наноразмерными частицами, благодаря уникальным свойствам, возникающим в результате сложных физико-химических взаимодействий наноразмерных составляющих неорганической и органической природы.

Обсуждение проблем химии дендримеров, их специфические свойства, а также возможные области применения нашли свое отражение в многочисленных оригинальных статьях и обзорах последнего десятилетия. Достижения химии дендримеров также рассматривались на представительных международных научных форумах.

Среди разнообразных типов дендримеров макромолекулы, состоящие исключительно из ароматических групп, занимают особое место. Полифениленовые дендримеры, известные с 1996 года, используются в качестве химически и термически устойчивых носителей для хромофоров и катализаторов благодаря своим уникальным характеристикам, таким как высокая жесткость, химическая и термостабильность, неизменность формы и нанометровые размеры. Такого рода дендримеры способны выступать как органические темплаты, а также как составляющие супрамолекулярных ансамблей. Их применяли для модификации различных поверхностей. Вместе с тем, отсутствие в структуре данных дендримеров функциональных групп, способных специфически взаимодействовать с химическими соединениями разной природы, приводя к формированию комплексных систем с новыми полезными свойствами, ограничивало развитие и применение этого класса дендримеров. Одним из путей решения проблемы является введение в структуру дендримеров азотсодержащих ароматических фрагментов, что может открыть новые перспективы их использования в современных технологиях. В связи с этим исследования, направленные на развитие химии функциональных ароматических дендримеров, и поиск возможных областей их применения, которые в значительной степени нашли свое отражение в настоящей работе, представляются особенно актуальными.

Цель работы. Разработать подходы к синтезу нового типа сверхразветвленных индивидуальных макромолекул - пиридилфениленовых дендримеров. Установить общие закономерности образования дендримеров, особенности их строения и свойств. Продемонстрировать возможности синтезированных макромолекул для создания широкого спектра функциональных композитных наноматериалов с целью их использования в различных областях науки и технологий.

Научная новизна и практическая значимость работы. Несмотря на большой интерес к химии сверхразветвленных индивидуальных макромолекул -дендримеров, стимулированный первыми публикациями №\усоте,

ТотаНа, Бепкеи/акег в 80-х годах прошлого века, ко времени начала наших исследований в литературе не было упоминаний о полиароматических

дендримерах, содержащих пиридиновые фрагменты. В этой связи систематическое исследование фундаментальных закономерностей синтеза нового типа дендримеров, их физико-химических свойств и поведения, а также возможности практического использования функциональных наноматериалов на основе таких дендримеров, должны восполнить существующий пробел в этой области химии и обладают несомненной новизной. Практическая значимость заключается в реализации идеи создания универсальной платформы для формирования разнообразных функциональных композитных материалов с управляемой морфологией и полезными характеристиками. Активные каталитические системы, нанокомпозиты с оптическими свойствами, полиэлектролитные комплексы с ДНК, высокочувствительные сенсоры для идентификации малых молекул — все эти разнообразные приложения, основанные на использовании единой химической стратегии синтеза дендримеров, указывают на значительную практическую ценность предлагаемого подхода.

В результате проведенного исследования:

■ разработана общая стратегия пошагового дивергентного синтеза индивидуальных ароматических макромолекул на основе совокупности последовательных реакций Дильса-Альдера и десилилирования, которая позволяет получать с высокими выходами монодисперсные дендримеры различных генераций;

■ синтезировано новое семейство ароматических дендримеров -пиридилфениленовые дендримеры; установлены фундаментальные закономерности их синтеза и поведения;

■ показано, что три-, тетра- и гексаразветвляющие соединения различной геометрии, использованные в качестве ядра дендримерной молекулы, позволяют направленно менять архитектуру конечного дендримера;

■ осуществлен направленный синтез пиридилфениленовых дендримеров, позволяющий за счет варьирования «строительного блока» получать дендримеры, различающиеся расположением и соотношением пиридиновых и фенильных фрагментов, архитектурой макромолекул, а также декорированные по периферии додецильными группами. Таким образом, особенностью подхода является возможность осуществления химического контроля над размерами и формой дендримеров и получения макромолекул заданной архитектуры и химического состава;

■ установлено, что вследствие стерических особенностей рост жесткой ароматической дендримерной молекулы ограничен четырьмя генерациями - для три- и тетраразветвляющих ядер и двумя генерациями -для гексафункционального центрального фрагмента;

■ проведен всесторонний анализ свойств синтезированных дендримеров. Определены их химическое строение, размеры и поведение в растворе и на поверхности. Показано, что в растворе дендримеры существуют, как правило, в виде индивидуальных макромолекул. Размер и форма дендримеров определяются структурой и генерацией и, вследствие ограниченной подвижности составляющих жестких фрагментов, не зависят от используемого растворителя. Пиридилфениленовые дендримеры, таким образом, являются объектами с постоянной формой. Некоторые свойства дендримеров, характерные для жесткой ароматической структуры (например, отсутствие фазовых переходов до температуры разложения), могут быть изменены в результате декорирования периферии дендримера терминальными алифатическими (додецильными) цепочками;

■ установлено, что направленное введение пиридильных групп в структуру дендримеров открывает широкие возможности для создания гибридных органических-неорганических композитов за счет взаимодействия с соединениями металлов, с последующим формированием неорганических наночастиц;

■ получены каталитически активные композиты дендримеров с наночастицами металлов (Рс1, Р^). Исследованы закономерности формирования наночастиц, особенности их стабилизации жестким дендримером и морфология нанокомпозитов. Определена каталитическая активность и селективность полученных катализаторов в реакциях селективного гидрирования ацетиленовых спиртов;

■ разработан метод получения квантовых точек (КТ) Сс18 в присутствии пиридилфениленовых дендримеров. Исследованы особенности стабилизации КТ в зависимости от условий синтеза и структуры дендримера. Установлен механизм формирования КТ. Методом синхротронного малоуглового рентгеновского рассеяния определена структурная морфология нанокомпозитов. Определены оптические характеристики нанокомпозитов и квантовый выход фотолюминесценции;

■ установлено, что при формировании КТ дендримеры играют роль термически стабильного мультилиганда, обеспечивающего процесс синтеза и стабилизации наночастиц Сс15, и одновременно служат уникальными

структурами, контролирующими образование наночастиц необычной морфологии;

■ использование в качестве функциональной группы пиридинового кольца позволило провести направленную модификацию дендримеров и изменить гидрофобную природу ароматических дендримеров на гидрофильную с целью получения водорастворимых соединений для биомедицинских применений. Впервые получены и исследованы полиэлектролитные комплексы жестких ароматических дендримеров с различными полианионами. Подробно изучены процессы комплексообразования и показано, что жесткая структура дендримеров создает препятствия для участия внутренних пиридиниевых катионных групп в электростатическом связывании как с жестким полианионом — ДНК, так и с гибким полиметакрилатным анионом, что ведет к полиэлектролитным комплексам со специфическими характеристиками. Впервые показана принципиальная возможность использования полиэлектролитных комплексов водорастворимых пиридилфениленовых дендримеров с ДНК в качестве модельных систем для изучения трансфекции ДНК в живую клетку;

■ установлено, что пиридилфениленовые дендримеры обладают высокой сенсорной чувствительностью по отношению к трипероксиду триацетона, обусловленной их специфической морфологией и химической структурой.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на:

3-ей Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2004»,

(Москва, 2004); International Conference dedicated to 50th anniversary of A.N.

Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds, RAS «Modern Trends in

Organoelement and Polymer Chemistry», (Moscow, 2004); International Conference

«Polycondensation 2004», (Roanoke, USA, 2004); European Polymer Congress 2005,

(Moscow, Russia, 2005); 4-ей Всероссийской Каргинской конференции «Наука о

th

полимерах - 21-му веку», (Москва, 2007); 17 International Symposium on Fine Chemistry and Functional Polymers (FCFP-XVII) & IUPAC 3rd International Symposium on Novel Materials and Synthesis (NMS-II1), (Shanghai, China, 2007); 236 ACS National Meeting & Exposition, (Philadelphia, PA, USA, 2008); Всероссийской конференции по макромолекулярной химии, (Улан-Удэ, 2008); 5-ой Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2010», (Москва, 2010); 242 ACS National Meeting & Exposition, (Denver, CO, USA, 2011); Baltic Polymer symposium (Liepaja, Latvia, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 статей в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах, входящих в систему цитирования Web of Science, включая 3 обзора (Успехи химии 2007, Российские нанотехнологии 2009, Chemical Reviews 2011), представлено 28 докладов на Российских и международных конференциях.

Личный вклад автора. Постановка задач и целей исследования, обсуждение, интерпретация и обобщение полученных результатов, а также формулирование научных положений и выводов, которые выносятся на защиту, принадлежат автору настоящей работы. Экспериментальные исследования, изложенные в диссертации, выполнены в период 2000-2012 г.г. лично автором или совместно с дипломниками и аспирантами. Отдельные разделы исследования являются результатом сотрудничества автора со специалистами Химического факультета МГУ, Физического факультета СПбГУ, Института кристаллографии им. A.B. Шубникова РАН, ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» .

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы по теме диссертации, четырех глав, описывающих оригинальные результаты, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы (569 библиографических ссылок). Материал изложен на 414 страницах, иллюстрирован 173 рисунками, содержит 10 таблиц, 1 приложение.

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИНЭОС РАН, при финансовой поддержке грантов РФФИ, РФФИ-ННИО, Фонда Гумбольдта (Германия), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г. программы ОХНМ РАН «Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений», гранта Седьмой Европейской рамочной программы (FP7) — Polycat.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность научного исследования, определены цели диссертационной работы.

В главе 1 «Литературный обзор» проведен анализ литературных данных по теме диссертации. Поскольку в последнее десятилетие дендримеры являлись предметом рассмотрения большого числа обстоятельных обзоров, в данном разделе кратко рассмотрены основные принципы синтеза, на которых базируется массив полученных к настоящему времени дендримеров. Особое внимание уделено синтезу жестких дендримеров и их характеристикам. В обзоре

6

детально изложены методы получения гибридных нанокомпозитов, состоящих из органической — дендримерной - и неорганической компонент, рассмотрены их полезные свойства и области применения. Проанализирована литература по методам исследования композитов. Значительная часть обзора посвящена работам по изучению комплексов катионных дендримеров и ДНК. Приведены данные по практическому использованию полиэлектролитных комплексов, в частности, их возможному применению для доставки генетического материала в клетки-мишени. Обоснованы выбор направления исследования и задачи диссертационной работы.

В главах 2-5 изложены основные оригинальные результаты работы.

Глава 2. Синтез и молекулярные характеристики дендримеров

В главе подробно описаны синтетические схемы получения дендримеров, включая синтез исходных соединений и поиск оптимальных условий, обеспечивающих однозначность протекания реакций и высокий выход продуктов, что является одним из главных факторов успешного синтеза дендримеров. В главе приведены молекулярные характеристики синтезированных дендримеров, полученные физико-химическими методами. Значительное внимание уделено определению размеров дендримеров и их поведению в растворе.

Синтез «строительных блоков» и центральных фрагментов

На рисунке 1 представлены так называемые «строительные блоки», участвующие в конструировании дендримерной молекулы. Среди синтезированных тетраарилзамещенных циклопентадиенонов соединение 1 является АВ2 мономером, обеспечивающим рост дендримерной молекулы, тогда как соединения 2, 3, 4, 5 используются для формирования периферии дендримера.

Синтез осуществляли по реакции Кновенагеля в соответствии со схемой на рисунке 1. Необходимые для синтеза соединения 7, 8, 9 были синтезированы:

7 - взаимодействием пиколиллития и 2-пиридилацетонитрила;

8 - по реакции палладий-катализируемого кросс-сочетания (реакция 8опо§азЫга) 4,4'-дибромбензила с три-изо-пропилсилилацетиленом;

9 - путем присоединения алкильных групп к 4,4'-дибромстильбену по реакции Кумады с использованием №СЬ(<1ррр) в качестве катализатора. Последующее бромирование двойной связи, за которым следовало дегидробромирование

/яреот-бутанолятом калия в кипящем отретя-бутаноле, приводило к диалкилфенилацетилену, окислением которого йодом в диметилсульфоксиде при 155°С получали дикетон 9.

Протекание реакций контролировали с помощью тонкослойной хроматографии и ЯМР. Соединения были охарактеризованы методами ЯМР и масс-спектрометрии. Все конечные продукты получены с высокими выходами.

с> ,о

с.н.он.

ОииО ™

ОО • СииО

n ^ ^ n

7

0 0 О О

СииО-^-

n м'

г\

Рисунок 1 - Схема синтеза тетраарилзамещенных циклопентадиенонов

Согласно механизму реакции Кновенагеля синтез циклопентадиенонов протекает через образование промежуточного енолона (Рисунок 2). При недостаточно эффективном отщеплении воды в соответствии с механизмом образуется смесь продуктов а, б, в. Согласно данным ЯМР-спектроскопии основным продуктом (до 80%) является енолон (б). Превращение промежуточного продукта б в циклопентадиенон в происходит при нагревании в этиленгликоле при Т=200°С. Кроме того, было обнаружено, что превращение енолона б в циклопентадиенон в также происходит in situ в условиях реакции Дильса-Альдера при синтезе дендримеров (описано ниже).

И кон и

R4- Л

СН с + к °ч

н2 н

...........о....................................................|

+ -н r">X-r r^ vr

к"°н ноПГ , но он

о / а

о

R' R'-^/Xj-R'

R он б

Рисунок 2 - Механизм реакции Кновенагеля при образовании циклопентадиенона

Для дивергентного синтеза пиридилфениленовых дендримеров использовали три центральных фрагмента (ЦФ), получение которых описано в следующем параграфе.

Синтез тетракис( 4-этинилфен-1-ил)метана (10) осуществляли йодированием коммерчески доступного тетрафенилметана с последующим Pd-катализируемым кросс-сочетанием с триметилсилилацетиленом по реакции Sonogashira и десилилированием тетракис{ 4-триметилсилилэтинилфен-1-ил)метана (Рисунок 3).

1,2Д4Д6-Гекгдкмс-(4-этинилфенил)-бензол (11) синтезировали по реакции Дильса-Альдера взаимодействием 2,3,4,5-тетракис-[4-(три-изо-пропилсилил-этинил)фенил]-циклопента-2,4-диенона (13) с 4,4'-ди(три-изо-пропилсилилэтинил)толаном с последующим десилилированием в соответствии со схемой на рисунке 4.

1,3,5-триэтинилбензол (12) является коммерческим продуктом.

Строение соединений 10, 11 и промежуточных продуктов их синтеза подтверждено данными 'Н ЯМР-спектроскопии, масс-спектрометрии (полевая десорбция) и элементного анализа.

Синтез дендримеров

Поиск эффективного химического подхода — одна из важнейших задач, которую необходимо решить прежде, чем приступить к синтезу дендримеров. Химические реакции, используемые в синтезе, должны быть простыми, однозначными, протекающими с полной конверсией и высоким выходом. Этим требованиям отвечает реакция Дильса-Альдера (2+4 циклоприсоединение), заключающаяся во взаимодействии сопряженного диена и замещенного алкена (диенофила) с образованием нового шестичленного цикла. Необратимость и однозначность реакции Дильса-Альдера определяется потерей СО в процессе реакции при температуре до 200°С. Поэтому, синтез новых яиридгмфениленовых дендримеров осуществляли с использованием реакции Дильса-Альдера на стадии роста. Дендримеры синтезировали дивергентным методом, позволяющим получать дендримерные молекулы высоких генераций и варьировать их строение в ходе синтеза за счет использования различных «строительных блоков».

Синтез дендримеров состоит из двух основных стадий: рост дендргмера -циклоприсоединение тетраарилзамещенных циклопентадиенонов к этинилсодержащим соединениям по реакции Дильса-Альдера и активация алкинов - удаление триизопропил-силильной (ТиПС) защиты с алкинов. Схематически синтез дендримеров представлен на рисунке 5. Повторяющаяся последовательность указанных реакций позволила осуществить синтез дендримеров разных генераций.

На стадии роста дендримеров в реакционной среде вместо циклопентаденона 1, выполняющего роль диена в [2+4] циклоприсоединении, может присутствовать промежуточный енолон. Нами обнаружено, что

превращение енолона в циклопентадиенон 1 может происходить in situ в условиях реакции Дильса-Альдера. Таким образом, отдельная стадия циклизации с выделением продукта в случае соединения 1 не являлась необходимой.

к следующим генерациям

к следующим генерациям к следующим генерациям

Рисунок 5 - Общая схема синтеза пиридилфениленовых дендримеров

При переходе к более высоким генерациям дендримеров возникает необходимость оптимизации условий синтеза, так как возрастает риск получения «дефектных» макромолекул вследствие экспоненциального увеличения числа одновременных актов взаимодействия терминальных групп со «строительными блоками». Чтобы избежать незавершенности реакции, условия ее проведения варьировали повышением температуры и времени взаимодействия ее участников. Оптимизация условий синтеза дендримеров позволила получить практически бездефектные монодисперсные дендримерные молекулы четырех генераций.

Архитектура дендримерной молекулы определяется геометрией центрального фрагмента. На рисунке 6 представлены модели центральных фрагментов, полученные методом молекулярной механики.

Ш.. -Vv

$гля N і

Рисунок 6 - Модели центральных фрагментов и соответствующих дендримеров на их основе, полученные методом молекулярной механики (ММ2, Chem3D Pro)

При использовании гексафенилзамещенного ядра (Рисунок 6, а) рост дендримера происходит в одной плоскости, его форма остается дискообразной, а высокая плотность упаковки на периферии молекулы достигается уже ко второму поколению, что не позволяет продолжить рост дендримера. В случае тетрафенилметана (Рисунок 6, б) направление роста дендримера определяется вершинами тетраэдра и сферическая форма молекулы достигается к четвертой генерации. Для 1,3,5-триэтинилбензола (Рисунок 6, в) характерен рост от центра к вершинам треугольника; при этом реализуется форма пропеллера. Результаты компьютерных расчетов для жестких дендримеров согласуются с теорией De Gennes и Hervet (J. Phys. Lett., 1983), в соответствии с которой плотность упаковки звеньев на периферии дендримера увеличивается от генерации к генерации до тех пор, пока получение бездефектной макромолекулы становится невозможным.

В результате реализации синтетических схем, приведенных на рисунке 5, были получены 3 семейства пиридилфениленовых дендримеров на основе /ие/и/?акис(4-этинилфен-1-ил)метана (10), 1,2,3,4,5,6-гексатас[4-этинилфенил]-бензола (11) и 1,3,5-триэтинилбензола (12). Универсальность используемого подхода позволила синтезировать дендримеры, различающиеся как архитектурой, так и химическим составом и строением периферии, что определялось использованием того или иного «строительного блока» в ходе роста дендримера и на завершающей стадии синтеза дендримерной молекулы. Так, получены дендримеры с различным расположением пиридиновых фрагментов в структуре молекулы. Синтезированы дендримеры либо с фенильной, либо с пиридильной периферией, а также дендримеры, декорированные по периферии додецильными (С12Н25) цепочками. Кроме того, получены дендримеры, в которых внутренний слой содержит только фенильные фрагменты, а периферийный (терминальный) слой состоит исключительно из пиридильных групп. Всего синтезировано 45 дендримеров различных генераций (полный лист дендримеров приведен в Приложении 1 к диссертации.) В тексте для обозначения дендримеров используется аббревиатура Dgn , где g — номер генерации, п - первоначальное число ветвлений, определяемое выбранным центральным фрагментом; соответственно, п может быть равным 3, 4 и 6. Содержание пиридильных фрагментов в дендримере указывается их числом, а в случае различной периферии к аббревиатуре добавляются термины «фенил», «пиридил», «фенил-пиридил», «(Ci2H25)n» (для додецилзамещенных дендримеров). Например, 044-56К-фенил - это дендример четвертой генерации

на тетрафенилметановом ядре, с 56 пиридильными группами и фениленовой периферией.

Строение, размеры, термические характеристики дендримеров

В качестве основных аналитических методов установления строения синтезированных дендримеров использовались ЯМР спектроскопия и MALDI-TOF (Matrix- Assisted-Laser-Desorption-Ionisation-Time-of-Flight) масс-спектрометрия. Сочетание этих двух методов позволило получить наиболее полную информацию о строении, молекулярной массе, монодисперсности, чистоте дендримеров и, в целом, подтвердить совершенство структуры.

В спектрах *Н ЯМР наблюдались хорошо разрешенные сигналы ароматических протонов, протонов этинильных и три-изо-пропилсилильных групп, а также алифатических протонов додецильных групп. Относительные интенсивности ароматических и алифатических сигналов соответствовали ожидаемой структуре. Дополнительным доказательством строения служили сигналы а-пиридильных протонов, протонов пентазамещенных фенильных звеньев и центральных фрагментов. Число сигналов и положение химических сдвигов протонов повторяющихся пентафенилзамещенных фрагментов зависят от генерации дендримера. Стоит отметить, что для высоких генераций дендримеров ЯМР спектроскопия не является исчерпывающим методом характеризации, позволяющим определить структурные дефекты молекулы. Это обусловлено так называемым «полимерным эффектом», когда присутствие большого числа идентичных фрагментов в макромолекуле приводит к значительному уширению характеристических линий, что затрудняет однозначную идентификацию сигналов.

Так как метод ЯМР спектроскопии вследствие определенных ограничений не дает однозначного ответа о строении и, следовательно, чистоте и монодисперсности синтезированных дендримеров, дополнительно использовали метод MALDI-TOF масс-спектрометрии. Этот метод позволяет определить присутствие дендримерных молекул, в которых реакция прошла не по всем концевым группам, т.е. «дефектных» дендримеров. Поскольку с ростом генерации дендримера количество активных групп, по которым происходит присоединение «строительного блока», растет экспоненциально, число таких дефектов может возрастать, приводя к полидисперсности конечного дендримера. Так как рост дендримера происходит путем мультиприсоединения одного и того же соединения с известной молекулярной массой («строительного блока»), дендримеры с дефектной структурой легко выявляются по разнице в

15

молекулярных массах детектируемых молекулярных ионов, которая должна быть кратна массе «строительного блока» за вычетом молекулярной массы оксида углерода.

В качестве примера на рисунке 7 приведен МЛЫЛ-ТОГ масс-спектр дендримера четвертой генерации. В спектре, наряду с ожидаемой массой ([М+Н]+ 23206.4), наблюдается сигнал от двухзарядного молекулярного иона ([М+2Н]2+ 11603.3).

Рисунок 7 - MALDI-TOF масс-спектр дендримера, показанного на рисунке

справа

Отсутствие в спектрах MALDI-TOF каких-либо дополнительных сигналов, соответствующих продуктам неполного циклоприсоединения

тетраарилзамещенных циклопентадиенонов по реакции Дильса-Альдера, свидетельствует о чистоте синтезированных дендримеров и их монодисперсности (в пределах погрешности метода). Результаты масс-спектрометрии были дополнены данными элементного анализа.

Для получения информации о размерах и форме дендримеров использовали метод динамического рассеяния света (ДРС), атомно-силовую микроскопию (АСМ) и просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ).

Методами фотонной корреляционной спектроскопии и вискозиметрии исследовали гидродинамические свойства дендримеров третьей (D34 -24N-

1 Совместно с проф. Цветковым Н.В. (Санкт-Петербургский государственный университет)

фенил) и четвертой (Б44-561Ч-фенил) генераций в хлороформе. По экспериментально определенным значениям коэффициента поступательной диффузии В и формуле Эйнштейна-Стокса 7г,=/с7У6лт1()Д

рассчитывали гидродинамические радиусы дендримеров (Таблица 1).

Таблица 1 — Гидродинамические характеристики дендримеров в хлороформе

Дендример ММ, г/моль [jl]l20C) см3/г [Т1І56-С, см3/г DxlO7, см2/с RhXlOs, см

D34 -24N- фенил 10997.97 9.4 8.5 11.2 36

D44- 56Т<Г-фенил 23205.38 9.7 8.7 8.7 46

ММ - рассчитанная молекулярная масса дендримера; [r|]i2°c и [лЬб-с - соответственно характеристическая вязкость раствора дендримера при 12°С и 56°С; D — коэффициент поступательной диффузии; Rh - гидродинамический радиус дендримера

Размеры дендримеров, полученные методом динамического рассеяния света, хорошо коррелируют с результатами, полученными методами ПЭМ, АСМ и малоуглового рентгеновского рассеяния, и разумно согласуются со структурой изученных соединений. Из результатов исследования гидродинамических свойств в растворах следует, что Б34-24М-фенил и 044-561Ч-фенил подобны непротекаемым частицам с неизменной асимметрией формы при вариации их размеров. Этот вывод полностью согласуется с результатами, полученными ранее для сферических дендримеров.

Вискозиметрические исследования В34-241чГ-фенил и 044-56Ы-фенил были выполнены в температурном интервале Т=12-56°С (Таблица 1). Видно, что в пределах погрешности эксперимента характеристическая вязкость [г]] обоих дендримеров практически не зависит от температуры в широком интервале ее изменения. Это свидетельствует о "жесткости" дендримеров, связанной, очевидно, с крайне ограниченным конформационным набором, который присущ таким макромолекулам.

Сочетание высокой устойчивости к изменению конформации, низкой плотности дендримера в эквивалентной сфере и способности полностью увлекать при своем движении попавший внутрь растворитель создает чрезвычайно благоприятные условия для инкапсулирования дендримерами наночастиц различной химической природы, как это будет показано далее.

Атомно-силовая микроскопия является информативным инструментом для исследования топографии поверхности, образованной дендримерами, их размеров, адсорбции к поверхности и склонности к агрегации. Использование слюды в качестве подложки минимизирует взаимодействие между поверхностью и дендримерами, тем самым уменьшая агрегацию на поверхности и «уплощение» объектов. При нанесении на свежую слюду дендримера D44-56N-

фенил из 108 М раствора в дихлорметане методом центрифугирования (spin coating) на изображениях АСМ наблюдались индивидуальные объекты с высотой 4.9±0.3 нм (Рисунок 8, а). Одинаковая форма объектов и узкое распределение по размерам свидетельствуют, что на поверхности слюды присутствуют только индивидуальные молекулы. Разницу между измеренной высотой (4.9 нм) и размером дендримера, определенным методом молекулярной механики (6.0 нм), можно объяснить следующим образом. Геометрическая форма дендримера представляет собой тетраэдр с четырьмя гранями А, В, С и D (Рисунок 8, б). Полученный методом молекулярной механики размер молекулы является длиной ребра тетраэдра. При этом размер молекулы, определенный методом АСМ, является высотой объекта, расположенного на поверхности. Наиболее вероятная конформация молекулы дендримера на поверхности представлена на рисунке 8 в), где ветви В, С, D контактируют с поверхностью слюды, а ветвь А направлена вверх. При такой конфигурации высота тетраэдра измеряется от вершины А к центру поверхности О. Таким образом, полученное значение 4.9±0.3 нм находится в хорошем соответствии с результатами модельных расчетов (h=6.0xV6/3=4.9).

а) б) в)

Рисунок 8 - Изображение АСМ 044-56Ы-фенил (а), геометрическая форма дендримера (б), наиболее вероятная конформация молекулы дендримера на

поверхности слюды (в)

При увеличении концентрации растворов до 10"7 М наблюдали агрегацию дендримеров с образованием протяженных цепочек. Наличие полярных пиридильных фрагментов в терминальном слое дендримера также способствовало формированию агрегатов в результате усиленной адсорбции на поверхности слюды.

Просвечивающая электронная микроскопия является прямым доказательством существования синтезированных макромолекул, тем более что применяемое оборудование позволяет получить изображения с молекулярным разрешением. В качестве примера приведена микрофотография ПЭМ дендримера четвертой генерации после обработки образца в парах \У/Та. На микрофотографии видны хорошо разделенные объекты с диаметром порядка 6.0 нм и широким распределением по размерам, что может быть обусловлено как многочисленными ориентациями молекулы дендримера на подложке, так и невозможностью в некоторых случаях отделить единичные молекулы от суперпозиции двух или трех. Размер дендримера третьей генерации, составляет 5.3 ± 1.2 нм. Результаты ПЭМ хорошо коррелируют с данными других методов.

Рисунок 9 - ПЭМ микрофотография дендримера В44-561Ч-фенил

Исследование термической стабильности дендримеров важно в связи с перспективами их использования в высокотемпературном катализе в виде композитов с наночастицами металлов, а также в случае высокотемпературного синтеза КТ (см. Главу 3). Согласно данным динамического термогравиметрического анализа (ТГА), дендримеры демонстрируют высокую

19

термическую стабильность как в инертной атмосфере (азот), так и на воздухе. Для дендримеров, начиная со второй генерации с фенильной периферией 5%-ная потеря веса происходила при ~ 450°С на воздухе и при ~550°С в азоте. По данным ДСК в дендримерах отсутствовали какие-либо фазовые переходы до начала температуры разложения. Исключением явились дендримеры, декорированные додецильными цепочками, в которых наблюдался эндотермический переход, соответствующий плавлению кристаллической фазы додецильных групп.

Глава 3. Функциональные нанокомпозиты на основе пиридилфениленовых

дендримеров

Синтез каталитически активных наночастиц металлов в присутствии дендримеров

Основными задачами в синтезе наночастиц металлов являются: управление процессом формирования наночастиц заданного размера и формы с узким распределением по размерам и надежная стабилизация наночастиц. Пиридилфениленовые дендримеры, вследствие своего мультилигандного характера и присутствия внутренних полостей, могут выступать в качестве организующей структуры - темплата - для синтеза и стабилизации каталитических наночастиц. Дендримеры с полифениленовой периферией и пиридильными фрагментами во внутренней сфере молекулы должны удерживать ионы металлов за счет комплексообразования с пиридильными группами, сохраняя при этом растворимость после введения соединений металлов. Отсутствие пиридильных фрагментов на периферии дендримеров предотвращает возможное межмолекулярное взаимодействие дендримеров, следствием которого может быть образование агрегатов и переход всего комплекса в осадок. Формирование металлических наночастиц после восстановления солей металлов в матрице дендримера происходит в соответствии с общей схемой, представленной на рисунке 10. Таким образом, дендримеры предоставляют уникальную возможность сочетать преимущества как гомогенного, так и гетерогенного катализа, поскольку нанокомпозиты сохраняют растворимость, что необходимо для наиболее полного анализа каталитического процесса.

• Ме (II)

с Ме(0)

Рисунок 10 - Схема формирования металлических наночастиц в растворе дендримера при введении солей металла с последующим восстановлением

Размер и морфология синтезированных наночастиц обуславливают их использование в той или иной области материаловедения. Было проведено исследование влияния типа химического восстановителя, скорости восстановления ионов металлов, концентрации соли металла и дендримера, а также размера (генерации) дендримера на характеристики и морфологию синтезированных наночастиц.

Эксперименты проводили с участием дендримеров третьей и четвертой генераций с различной периферией, оценивая ее влияние на процесс формрования наночастиц. В качестве источника металла использовали соли Рс1(СН3СОО)2 и (N114)2Р1СЦ.

Было обнаружено, что для успешного металлирования концентрация дендримера в растворе не должна превышать 0.1 вес.%. Количество загружаемой соли (Рс1 или Р1) определялось количеством пиридильных лигандов в дендримере. Согласно элементному анализу, содержание Рс1 и Р1 в дендримере после введения соли металла соответствовало рассчитанному значению, исходя из соотношения Ме:Ру=0.5 при загрузке соли.

Для изучения влияния скорости восстановления на зародышеобразование и рост наночастиц использовали 1лВ(С2Н5)3Н - в качестве быстрого и (С2Н5)38Ш - в качестве медленного восстанавливающих агентов. В случае 1лВ(С2Н5)3Н практически сразу происходило образование осадка, а восстановление с помощью (С2Н5)381Н приводило к реакционным растворам стабильным, по крайней мере, в течение 6 месяцев. Вероятно, быстрое восстановление приводит

к одновременному образованию большого количества очень маленьких металлических частиц, которые, обладая огромной поверхностной энергией, стремятся к формированию агрегатов. Такие частицы трудно стабилизировать жесткими структурами, вследствие чего происходит осаждение металла из раствора. При медленном восстановлении дендримеры служат эффективной стабилизирующей матрицей.

При использовании дендримеров с пиридильной периферией образование агрегатов наблюдалось сразу после добавления соли металла вне зависимости от других условий реакции. При этом элементный анализ показал полное связывание вводимой соли. Очевидно, происходит межмолекулярное связывание дендримеров ацетатом Рс1. Последующее восстановление приводит к осаждению металлического Р<1(0).

Для доказательства взаимодействия солей металлов с дендримерами использовался метод УФ спектроскопии. При взаимодействии дендримера с ацетатом палладия X тдх сдвигается примерно на 35 нм по сравнению со спектром исходного ацетата Рс1 (Рисунок 11). Сдвиг обусловлен переносом заряда с лиганда на РсЗ (II). Кроме того, коэффициент экстинкции (е) для комплекса палладия с дендримером выше в 1000 раз, чем для ацетата Рё. Эти факты свидетельствуют о том, что соль Рс1(П) эффективно координируется с атомами азота пиридильных фрагментов дендримера. После восстановления комплекса Б44-56]Ч-фенил-Рс1(11) полоса при 425 нм полностью исчезает и спектр поглощения (3) выглядит как типичный спектр наночастиц РсЗ(О).

Рисунок 11 - (а) УФ-спектры поглощения Р(1(СНзСОО)2 (вставка), дендримера Б44-фенил (1) и В44-561М-фенил-Рс1(11) (2); (б) спектры поглощения Б44-56К-фенил-Рс1(П) до (2) и после восстановления (3)

350 400 450 500 550 600 650 длина волны,нм

350 400 450 500 550 600 650 длина волны,нм

б)

Кроме того, в диссертации описан синтез биметаллических наночастиц Pd/Zn с участием Б44-56М-фенил. Каталитическая активность полученных композитов была исследована в реакции гидрирования ацетиленовых спиртов.

Исследование комплексных систем дендример/металл

Для изучения комплексов солей металлов с дендримерами и наночастиц металлов, стабилизированных дендримерами, были использованы методы ПЭМ, ДРС и рентгеновской дифракции в больших углах (РД).

Как видно из электронных микрофотографий комплексов дендримеров третьего (а) и четвертого (б) поколений с ацетатом палладия (Рисунок 12), средний размер дендримеров после комплексообразования для третьей генерации составляет 4.8 ±0.7 нм, а для дендримеров четвертой генерации -5.7±0.6 нм, что хорошо коррелирует с данными, полученными при исследовании исходных дендримеров ПЭМ и АСМ (см. Глава 2). Очевидно, присутствие металлической соли в дендримере обеспечивает контрастность изображения и позволяет увидеть отдельные макромолекулы.

*

100 им юо им

а) б)

Рисунок 12 - ПЭМ микрофотографии комплексов дендримеров третьей (а) и четвертой (б) генераций с Р(1(СН3СОО)2

На рисунке 13 представлена микрофотография наночастиц Рс1(0), полученных в присутствии дендримера В44-561ч[-фенил после восстановления иммобилизованной соли металла. Средний размер частиц составляет около 2 нм. Исходя из загрузки соли Рс1 и из предположения, что единичная частица палладия сформировалась внутри единичного дендримера, размер наночастиц превышает рассчитанный в 2 раза. Вероятно, в данном случае имеет место обмен «зародышами» или очень мелкими частицами палладия между молекулами дендримера, поскольку небольшие частицы (меньше 2 нм)

23

недостаточно стабильны и стремятся сформировать более крупные частицы. Такая же ситуация наблюдалась в случае дендримера третьей генерации.

2.0 ±0.5 им

1U0 им 0 А

2 3 им

а) б)

Рисунок 13 - ПЭМ микрофотография наночастиц Pd, синтезированных в присутствии дендримера 044-56М-фенил (а) и гистограмма распределения по

размерам (б)

Размеры наночастиц Pd, определенные из микрофотографий ПЭМ, совпадают с результатами рентгеновской дифракции (РД). Как видно из рисунка 14, на дифрактограмме отчетливо наблюдаются широкие 5°-6° (111)-, (200)-, (220)- и (311)-рефлексы фазы металлического палладия. Средний размер кристаллитов, определенный по формуле Дебая-Шеррера по наиболее интенсивному (Ш)-рефлексу, равен ~ 2 нм, что соответствует размерам, полученным ПЭМ. На дифрактограмме также наблюдается значительный фон некогерентного рассеяния от органической матрицы дендримера.

Рисунок 14 - Дифрактограмма образца нанокомпозита наночастиц палладия с дендримером 044-561Ч-фенил

Размеры нанокомпозитов дендримеров с соединениями Рс1 в растворе определяли методом ДРС (Рисунок 15). Видно, что введение ацетата палладия в дендример приводило к росту его гидродинамического диаметра по сравнению с «пустым» дендримером (Рисунок 15, а и в), а также к возрастанию размеров агрегатов дендримера без увеличения фракции агрегатов. По-видимому, наблюдаемое увеличение размеров происходит вследствие образования сольватной оболочки растворителя вокруг макромолекулы, благодаря введению полярной соли палладия, абсорбирующейся вместе с молекулами растворителя (ТГФ). При этом дендримеры, насыщенные ацетатом палладия, остаются в растворе в основном в виде индивидуальных молекул. После восстановления соли металла в результате формирования наночастиц палладия образуются агрегаты с размером около 145 нм (б) стабильные, по меньшей мере, 6 месяцев.

6 4 20 :

10 им

73 н м

I» „ 100

1>|„ нм

а)

им III

а 20--

а

| Ю

= 0

I»

145 нм

А

КМ)

1>||. н м

б)

нмш

= К) а

5 5

£ о

7 нм

34 нм

И) КМ)

1>||, им

В)

НИМ)

Рисунок 15 - Распределение по гидродинамическим диаметрам Б4 -561\1-фенил-Рс1(СН3СОО)2 (а), 044-56Ы-фенил-Рс1(0) (б) и «пустого» дендримера Б44-56№

фенил (в)

Несмотря на то, что пиридилфениленовые дендримеры, содержащие металлические частицы, образуют агрегаты значительных размеров, стабильность растворов и доступность металлических наночастиц, вследствие открытой и жесткой структуры дендримера, делает их потенциальными кандидатами для создания новых эффективных каталитических систем для реакций тонкого органического синтеза. При этом высокая термостойкость таких систем придает им дополнительные преимущества.

Исследования каталитических свойств нанокомпозитов2 проводили на примере реакции селективного гидрирования дегидролиналоола (3,7-диметилоктаен-6-ин-1-ол-3, ДГЛ) до линалоола (3,7-диметилотадиен-1,6-ол-3, ЛН) — душистого вещества, используемого в парфюмерной индустрии (Рисунок 16.) В случае неселективного протекания процесса в качестве побочного продукта образуется перегидрированный дигидролиналоол (3,7-диметилоктаен-6-ол-З, ДиГЛ).

XX

дгл ЛН ДиГЛ

побочный продукт

Рисунок 16 — Схема гидрирования дегидролиналоола

Было обнаружено, что каталитическая активность наночастиц Рс1, стабилизированных дендримерами, значительно выше активности промышленного катализатора (Таблица 2, № 5), обычно используемого в процессе селективного гидрирования тройной связи. Селективность же дендримерного катализатора 044-56>1-фенил-Рс1(0) оказалась сопоставимой с селективностью промышленного.

Видно, что активность биметаллических наночастиц превышала активность аналогичного Р(1 катализатора и, в значительной мере, зависела от количества введенного модифицирующего металла (№ 3, 4 в Таблице 2). Так, если при соотношении Рс1/2п=6/1 (0.7 масс.% Тп) активность катализатора увеличивалась незначительно, то при увеличении содержания модифицирующего металла до 1.2 масс.% (РА/Ъл = 4/1) она возрастала почти в два раза. Модификация катализатора небольшим количеством Ъп положительно влияла на его селективность (при 100% конверсии ДГЛ), тогда как дальнейшее

2 Совместно с профессором Сульман Э.М. (Тверской государственный технический университет)

увеличение содержания модифицирующего металла значительно ухудшало селективность гидрирования ДГЛ.

Эти данные демонстрируют принципиальную возможность использования в качестве активных и селективных катализаторов гидрирования тройной связи моно- и биметаллических наночастиц, стабилизированных пиридилфениленовыми дендримерами.

Таблица 2 - Селективность и каталитическая активность для различных каталитических систем

№ Катализатор Селективность,% TOF,*c_1

1 В34-24КГ-фенил-Pd(0) 94.6 5.0

2 044-56№фенил-Pd(0) 97.9 7.7

3 В44-561Ч-фенил-Pd/Zn (4.2/0.7%) 99.0 9.2

4 В44-56К-фенил-Pd/Zn (4.95/1.2%) 97.9 17.5

5 Pd/АЬОз 99.5 2.0

*TOF( turnover frequency) — каталитическая активность, определяемая как максимальное количество молекул, прореагировавших на одном активном центре в единицу времени.

Синтез квантовых точек CdS в присутствии дендримеров

Интерес к исследованиям полупроводниковых наночастиц, так называемых квантовых точек (КТ), обусловлен их необычными оптическими свойствами, которые определяют применение таких материалов в оптоэлектронике и в биоаналитических устройствах. Оптические свойства КТ непосредственно связаны с размерами наночастиц. Пиридилфениленовые дендримеры представляются подходящими объектами для высокотемпературного синтеза КТ CdS из CdO и серы. Большое число хелатных атомов азота во внутренней сфере дендримера обеспечивает многоточечную адсорбцию на поверхности наночастицы, в то время как фениленовая периферия дендримера минимизирует взаимодействие между наночастицами. Дендримеры

27

третьей генерации различной архитектуры, определяемой структурой центрального фрагмента, были использованы в качестве мультилигандного стабилизирующего агента. Исследовано влияние различных факторов: формы дендримера, концентрации прекурсоров, температуры реакции (зародышеобразования и роста кристаллов) на процесс формирования и основные характеристики КТ. Результаты экспериментов суммированы в Таблице 3.

На рисунке 17 (а) в качестве примера приведена микрофотография ПЭМ КТ Сс18 с диаметром 3.2 нм и стандартным отклонением 9.4% для нанокомпозитов Сё8/Б34-24№фенил (КТ-2 в Таблице 3). Синими стрелками показаны агрегаты молекул дендримера, не участвующие в образовании нанокомпозита Сс13/дендример.

а) б)

Рисунок 17 - ПЭМ (а) и ПЭМ высокого разрешения (ВР) (б) наночастиц Сс18, сформированных в присутствии Бз4-24К-фенил при молярном соотношении Т\1:Сс1:8=1:0.2:2 и концентрации дендримера 0.85 ммоль/л. Темные объекты правильной формы на фотографии (а) - наночастицы СёБ, пятна большего размера и неправильной формы, отмеченные синими стрелками, - дендримерные агрегаты. Вставка на (б) - преобразование Фурье.

Таблица 3 - Условия синтеза и характеристики KT CdS

Обозначение Ядро дендримера N:Cd:Sa> Т3> °С 6> Т„,°С 6) С, ммоль/л"' Элементный анализ, % Cd:S,Ä D, нм е) а, %ж) Выход, %

Cd S

Теор.г) Найдено Теор.г) Найдено

КТ-1 10 1:0.1:1 265 240 0.85 2.38 4.62 0.68 1.25 1.05:1 3.1 19.3 74

KT-2 10 1:0.2:2 265 240 0.85 4.61 6.00 1.31 1.60 1.07:1 3.2 9.4 71

КТ-3 10 1:0.3:3 265 240 0.85 6.72 6.33 1.91 1.65 1.09:1 3.0 20.0 60

КТ-4 10 1:0.2:2 265 240 0.23 4.61 4.45 1.31 1.28 1.01:1 1.6 12.5 75

КТ-5 12 1:0.2:2 265 240 0.85 4.70 6.70 1.34 1.87 1.02:1 3.6 16.7 70

КТ-6 12 1:0.2:2 250 220 0.85 4.70 6.44 1.34 1.78 1.03:1 4.3 20.0 71

КТ-7 10 1:0.2:2 250 220 0.85 4.61 6.50 1.31 1.66 1.10:1 3.9 15.4 77

КТ-8 10 1:0.2:2 250 220 0.23 4.61 6.49 1.31 1.92 0.96:1 2.4 20.8 78

КТ-9 12 1:0.2:2 250 220 0.23 4.70 5.37 1.34 1.61 0.95:1 2.9 23.1 69

KT-10 10 1:0.2:2 265 240 0.43 4.61 4.37 1.31 1.23 1.01:1 2.2 9.7 76

дендримера, ' содержание элементов, рассчитанное исходя из загрузки; ' атомное соотношение из данных элементного анализа;е) диаметр НЧ из данных ПЭМ, по трем независимым экспериментам; ошибка в определении 0. Ihm; ж) стандартное отклонение в определении размеров из данных ПЭМ.

В случае, когда загрузка Сс10 уменьшается в 2 раза (Ы:С<±8=1:0.1:1), при прочих одинаковых условиях, формируются наночастицы CdS близкого размера, но с большим распределением по размерам (КТ-1 в Таблице 3). Та же тенденция сохраняется при увеличении загрузки CdO (N:Cd:S=l:0.3:3, КТ-3 в Таблице 3). Однако в последнем случае стабилизация наночастиц недостаточна, что ведет к их агрегации. Очевидно, что надежная стабилизация наночастиц обеспечивается ниже определенного соотношения Cd:N. Из данных элементного анализа композитов (Таблица 3) следует, что хотя атомарное соотношение Cd:S близко к 1:1, общее количество Cd и Б в большинстве случаев выше, чем рассчитанное исходя из загрузки реагентов. Это можно объяснить частичной потерей избытка дендримера в процессе переосаждения вследствие лучшей растворимости дендримера-прекурсора по сравнению с нанокомпозитом. Энергодисперсионный рентгеновский анализ показал, что наночастицы состоят из Cd и Б при атомном соотношении Сс1:8=1:1.

По данным РД было невозможно разделить кубическую и гексагональную фазы CdS. С другой стороны, электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМ ВР) (Рисунок 17, б) показывает решетку с расстояниями между плоскостями 0.31 нм, что близко к расстояниям, соответствующим гексагональной кристаллической структуре CdS (0.33 нм). Изображение с преобразованием Фурье (вставка в Рисунке 17, б) свидетельствует, что наночастицы являются единичными кристаллами с гексагональной фазой.

Очевидно, что размер КТ (~3 нм) не позволяет реализоваться механизму инкапсулирования в пустоты внутри одной дендримерной молекулы. КТ CdS должны быть окружены несколькими дендримерами, формируя, таким образом, наночастицы, стабилизированные несколькими дендримерами, образующими оболочку.

Для того чтобы выяснить влияние архитектуры дендримера на формирование КТ, также были использованы дендримеры с 1,3,5-триэтинилбензольным ядром (12) (Таблица 3). Стабилизация КТ дендримером с тетрафенилметановым ядром оказалась эффективнее, чем в случае дендримеров с триэтинилбензольным ядром, очевидно, вследствие более открытой структуры последнего и суммарно меньшего содержания в нем пиридиновых фрагментов, обеспечивающих адсорбцию дендримера на наночастице. Снижение температуры зародышеобразования до 250°С и температуры роста до 220°С привело к формированию больших по размеру частиц в присутствии обоих типов дендримеров. Мы полагаем, что при снижении температуры образуется меньше зародышей наночастиц, что в результате приводит к формированию

наночастиц больших размеров. Кроме того, чем ниже концентрация дендримера при постоянном молярном соотношении компонентов, тем меньше размер образующихся наночастиц, что может быть объяснено общим снижением загрузки СсЮ в реакционной смеси.

Таким образом, размер нанокристаллов и эффективность их стабилизации можно контролировать как с помощью архитектуры дендримеров, так и варьируя концентрационный и температурный режимы в процессе формирования наночастиц.

Оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов являются основными характеристиками, ответственными за потенциальные применения КТ.

Согласно проведенным исследованиям, размер КТ, определенный по краю полосы поглощения в разностном спектре поглощения с соответствующим дендримером (Рисунок 18), составил порядка 2 нм. Вместе с тем, в спектре имелись дополнительные полосы поглощения, которые свидетельствовали о присутствии КТ Сс18 с различным диаметром вплоть до 4.5 нм.

Рисунок 18 - Спектр поглощения нанокомпозита CdS/дендример (КТ-7) (красный) в хлороформе (С=1.6хЮ5 М, L=0.2 см) и разностный спектр поглощения с соответствующим дендримером (синий). Вставка: разностный спектр с увеличением

Одной из гипотез, объясняющей, почему размеры наночастицы, полученные оптическими методами, не соответствуют данным ПЭМ, может быть формирование несферических КТ, например, дисков или «oblate spheroids», имеющих проекцию круга. Последнее объясняет результаты, полученные с

300 400 500

длина волны (нм)

600

помощью ПЭМ, поскольку такие наночастицы могут иметь, по крайней мере, два характеристических размера, определяющих их оптические свойства. Принимая во внимание важность формы полупроводниковых наночастиц, было проведено исследование методом малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР).

Исследование структурной морфологии нанокомпозитов дендример/CdS

методом МУРР3

Метод позволяет определить размер и форму различных наночастиц, их распределение и расположение в нанокомпозите, а также получить информацию о структурной организации системы в целом. Для того чтобы исчерпывающе охарактеризовать морфологию нанокомпозитов, в работе было предпринято исследование МУРР как исходных дендримеров, так и их композитов с КТ. Здесь будут кратко изложены результаты, относящиеся к исследованию таких нанокомпозитов.

Кривая МУРР нанокомпозита содержит рассеяние как от КТ, так и от их дендримерного окружения. Этот факт необходимо учитывать при определении размеров и формы КТ по данным МУРР. Для получения малоуглового рассеяния непосредственно от КТ необходимо вычесть из кривой рассеяния нанокомпозитов в целом рассеяние от дендримеров. Для нанокомпозитов КТ-6 и КТ-7 (Таблица 3) эта процедура является корректной, так как профили рассеяния нанокомпозитов аналогичны профилям рассеяния исходных дендримеров и, следовательно, их структура практически не меняется при формировании в них КТ. Для КТ-8 (Таблица 3), кривая рассеяния которого сильно отличается от рассеяния исходного дендримера, такое вычитание проводить нельзя из-за явных структурных изменений полимерной матрицы. Поэтому форма КТ, сформированных в нанокомпозите КТ-8 и восстановленных с помощью ab initio протокола и программы DAMMIN, неизбежно будет носить искажения из-за влияния рассеяния от дендримера. Тем не менее, и в данном случае можно получить представление о форме и размере КТ в этом нанокомпозите благодаря разности электронных плотностей квантовых точек и дендримеров: электронная плотность дендримеров значительно ниже и влиянием рассеяния матрицей до известной степени можно пренебречь. Полученные данные вместе с рассчитанными функциями распределения по расстояниям р(г) представлены на рисунке 19 и в таблице 4.

3 Совместно с профессором Д.И.Свергуном и к.б.н Э.В. Штыковой

32

Рисунок 19 - Восстановление формы для KT в композитах КТ-6 (а), КТ-7 (б) и КТ-8 (в): экспериментальные кривые (1); модельная кривая рассеяния (DAMMIN) (2); обработанные кривые, приведенные к нулевому углу (3). Вставки: функция распределения по расстояниям, рассчитанная программой GNOM из экспериментальных кривых МУРР (внизу слева) и ab initio модели, восстановленные из данных рассеяния (наверху справа)

Таблица 4 - Радиусы инерции Rg и максимальные размеры D,

Образцы Rg, Dmaxi

нм HM

КТ-6 2.1±0.1 6.0±0.5

КТ-7 2.6±0.1 8.0±0.8

КТ-8 1.65±0.05 4.5±0.3

Восстановленные ab initio формы квантовых точек (Рисунок 19, а, б) представлены в виде слегка вытянутых плотных тел с максимальными

размерами 6.0 им (КТ-6) и 8 нм (КТ-7) с поперечным сечением ~ 2.5 нм. Оба размера превышают размеры, полученные методом ПЭМ, скорее всего вследствие вклада остаточного дендримера, несмотря на процедуру вычитания рассеяния от дендримера. При этом размеры, полученные с помощью МУРР, согласуются с данными ДРС для нанокомпозитов CdS/дендример. Что касается размера 2.5 нм — он не поддерживается данными ПЭМ, однако согласуется с данными УФ - спектроскопии для нанокомпозитов (см. в разделе оптических свойств КТ выше). Значения Rg и Dmax для КТ-8 (Таблица 4) являются самыми маленькими среди всех квантовых точек, что соответствует данным ПЭМ.

Вышеописанные модели низкого разрешения позволяют предложить механизм инкапсулирования КТ дендримером. Наиболее простая гипотеза, предполагающая, что единичный дендример инкапсулирует наночастицу CdS, не реализуется, так как размер наночастиц слишком велик для такого подхода. Второй сценарий предлагает образование наночастиц, стабилизированных дендримером, когда НЧ окружены дендримерами как обычными ПАВ. Однако в этом случае размер нанокомпозитов был бы значительно больше, чем в случае описанных экспериментов с дендримерами. Число молекул дендримера, приходящихся на одну КТ, может быть приблизительно оценено с помощью породовских объемов, определенных из ab initio моделей. КТ в нанкомпозитах КТ-6, КТ-7, и КТ-8 имеют объемы Порода 70 ± 7, 90 ± 8 и 40 ± 4 нм3, соответственно, тогда как объемы дендримеров D33 и D34, соответственно, - 10 ± 1 и 15 ± 2 нм3. Принимая в расчет объемы КТ, можно ожидать, что от двух до четырех макромолекул дендримера могут быть сорбированы единичной КТ. Таким образом, инкапсуляция КТ может быть метафорически представлена как «сплющенный сфероид» (НЧ CdS) в "руках" (дендримерах), при этом поверхность «сфероида» покрыта дендримерами.

Для визуализации гипотетической модели строения нанокомпозитов «сплющенный сфероид в руках» был применен метод молекулярной тектоники (моделирование жесткими телами). Подход позволяет построить по данным МУРР модели композитных частиц, состоящих из отдельных компонентов (жестких тел), рассеяние и электронная плотность которых предварительно определены.

В результате моделирования было установлено, что композит КТ с дендримерами представляет собой эллипсоид вращения с разным числом дендримерных молекул, от двух до четырех, в зависимости от размера КТ. Для КТ-6 с четырьмя молекулами дендримера на одну частицу наилучшее соответствие экспериментальных кривых рассеяния и рассеяния от моделей

наблюдалось, когда в качестве формы КТ рассматривался сплющенный сфероид (oblate), тогда как вытянутый сфероид (prolate) и нормальный сфероид давали систематически худшие соответствия (Рисунок 20).

I, relative

Рисунок 20 - Моделирование жесткими телами КТ-6. Часть 1 экспериментальная кривая рассеяния (1), кривая рассеяния модели КТ с полуосями 1.7 х 2.0 х 2.3 нм, показанная на рис 2 а) (2), кривая рассеяния модели КТ с полуосями 2.5 х 2.5 х 1.5 нм, показанная на рис 2 б) (3). Часть 2 -восстановление формы с помощью программы ЗАБИТТ (синий: КТ, другие цвета - молекулы 033 ). Часть 3 - трехмерный график отклонения модельных кривых от экспериментальных данных МУРР в зависимости от параметров эллипсоидальных КТ с полуосями а, Ь и с. Значения выражены в цветовых кодах. Выраженный минимум (наилучшее совпадение с экспериментом) наблюдается в области частиц с размерами а=2.5 нм, с=1.5 нм.

Аналогичный анализ модели композита КТ-7 выявил лучшее соответствие для сплющенного сфероида с размерами 3.0 х 3.0 * 1.5 нм в качестве ядра. Таким образом, КТ в композитах КТ-6 и КТ-7 имеют практически одинаковый

35

размер, который хорошо соответствует данным ПЭМ. Для КТ-8, имеющего наименьший размер, лучшее соответствие с экспериментальными данными найдено в случае двух, а не четырех макромолекул дендримера, приходящихся на одну КТ.

В целом результаты моделирования методом молекулярной тектоники полностью поддерживают гипотезу о морфологии нанокомпозитов Сс18/дендример, как «сплющенный сфероид в руках». Важно, что ни для одного из множества других модельных тел, отличающихся размером и формой, не было найдено хорошего соответствия экспериментальным данным рассеяния, что указывает на тесную связь рассеяния и формы нанокомпозитов. Такая необычная форма наночастиц согласуется с оптическими данными, фиксирующими несколько характеристических размеров для наночастиц Сс15, и с ПЭМ, на изображениях которой видны проекции наночастиц с размерами, соответствующими размерам, полученным из экспериментов МУРР. Кроме того было установлено, что помимо индивидуальных композитных частиц в растворе существуют несколько связанных нанокомпозитов КТ/дендример, которые в отличие от ассоциатов свободных дендримеров, представляющих собой длинные цепочки, являются короткими практически линейными объектами с жесткой конформацией. Фракция ассоциатов не превышает одного процента.

Проведенное исследование, кроме доказательства специфичной структурной морфологии нанокомпозитов Сс18/дендример, может сыграть катализирующую роль в более эффективном использовании МУРР для изучения современных композитных материалов.

Глава 4. Водорастворимые дендримеры. Взаимодействие с полианионами

Синтез катионных пиридилфениленовых дендримеров

Наличие в молекулах пиридилфениленовых дендримеров пиридильных фрагментов создает предпосылки для получения катионных дендримеров путем алкилирования пиридильных групп по реакции Меншуткина (Рисунок 21). Высокая плотность положительного заряда обеспечивает взаимодействие таких дендримеров с отрицательно заряженными синтетическими полианионами и ДНК с образованием полиэлектролитных комплексов. При проведении исследования были использованы дендримеры 4-х генераций на основе 1,3,5-триэтинилбензольного ядра (Б83) с различным расположением и числом пиридильных фрагментов в структуре молекулы.

Рисунок 21 — Схема алкилирования дендримеров на примере дендримера первой

генерации

При алкилировании диметилсульфатом в оптимальных условиях достигались максимальные значения степени алкилирования (Д), приведенные в таблице 5. Там же перечислены синтезированные катионные дендримеры с указанием числа пиридиниевых групп IV4" или которые рассчитывали

соответственно с учетом степени алкилирования /? или в предположении алкилирования всех пиридильных групп дендримера.

Таблица 5 - Некоторые характеристики алкилированных дендримеров

Катионный дендример N + Ст. алкилирования В,% Растворимость в воде

Эл. анализ (8) 'НЯМР

6 6 99 98,4 +

о,11+ 12 11 97 98,6 +

Б214+ 18 14 77,8 78,0 +

в227+ 30 27 90 89,3 +

0333+ 42 33 78,6 78,3 -

Б354+ 66 54 81,8 81,1 +

Бз16+ 18 16 88,9 88,4 -

0337+ 48 37 77 77,6 -

Б469+ 90 69 76,7 76,1 -

б4115+ 138 115 82,6 81,9 +

Дендримеры третьей генерации с пиридиниевыми группами, локализованными исключительно во внутренней части молекулы (0316+) или только на периферии (Б337+), а также дендримеры третьей (Б333+) и четвертой (0469+) генераций с пониженным содержанием пиридиниевых групп на периферии, оказались неспособны в заметной степени растворяться в воде.

Для дальнейших исследований были отобраны растворимые дендримеры первых четырех генераций одного семейства, а именно 0]"+, Б227+, Б354+ и Б4И5+(Рисунок 22).

Рисунок 22 - Водорастворимые алкилированные дендримеры в предположении алкилирования всех пиридильных групп (Веы+шах)

Интерполиэлектролитные комплексы дендримеров с полиметакрилатпым

анионом

Использование в качестве модельного полианиона флуоресцентно-меченой полиметакриловой кислоты (ПМА*) позволило исследовать комплексообразование флуоресцентным методом. Кроме того, чтобы определить границы существования растворимых комплексов и выявить факторы, определяющие возможность их получения, исследовали фазовое состояние смесей растворов дендримеров с ПМА методами седиментационного анализа и турбидиметрии. Также был измерен ¡^-потенциал для комплексов с высокомолекулярным и низкомолекулярным анионами. В результате было сделано заключение о том, что комплексообразование происходит в основном с пиридиниевыми группами, расположенными во внешнем слое дендримера, тогда как значительная часть заряженных групп дендримеров внутри дендримерного скелета оказывается недоступной для электростатического взаимодействия с высокомолекулярным полианионом. При этом могут образовываться как отрицательно, так и положительно заряженные водорастворимые нестехиометрические полиэлектролитные комплексы НПЭК, проявляющие повышенную устойчивость к действию соли. Есть все основания полагать, что отличительные черты комплексов обусловлены двумя обстоятельствами — жесткостью молекулы пиридилфениленового дендримера и наличием в ней сравнительно большого числа гидрофобных групп.

Интерполиэлектролитные комплексы дендримеров с ДНК

На следующем этапе работы были исследованы закономерности образования полиэлектролитных комплексов дендримеров с ДНК (дендриплексов). В условиях экспериментов (0.01 НЕРЕБ буфер, рН 7.2) комплексообразование определялось взаимодействием положительно заряженных пиридиниевых групп дендримера и отрицательно заряженных фосфатных групп ДНК.

Взаимодействие ДНК с поликатионом отслеживали по изменению

интенсивности флуоресценции I интеркалирующего красителя бромистого

этидия (БЭ), поскольку связывание вводимого катионного партнера с

комплексом ДНК-БЭ приводит к конкурентному вытеснению БЭ в раствор, что

сопровождается уменьшением I. Титрование ДНК-БЭ растворами дендримеров

сопровождалось линейным понижением I. Было установлено, что

эффективность связывания катионного партнера с ДНК различается для

дендримеров разных генераций. Эффективность взаимодействия

39

последовательно нарастала от первой к третьей генераций дендримеров, а при переходе к 4-ой генерации падала, свидетельствуя о том, что в интерполиэлектролитном взаимодействии с ДНК участвовала лишь треть заряженных групп молекулы В4'15+. Характерно, что дендримеры связывались с ДНК заметно менее эффективно, чем подавляющее большинство изученных ранее линейных поликатионов. Такой результат может быть обусловлен структурными особенностями взаимодействующих компонентов, а именно, жесткостью двойной спирали ДНК и фиксированным пространственным расположением заряженных пиридиниевых групп в жесткой молекуле исследуемых дендримеров.

Устойчивость дендриплексов в водно-солевых средах оценивали по результатам титрования раствором хлорида натрия смеси растворов ДНК и дендримеров в присутствии БЭ. Титрование сопровождалось увеличением относительной интенсивности флуоресценции Шо (I - интенсивность флуоресценции раствора смеси, 10 - интенсивность раствора (ДНК-БЭ) при одной и той же концентрации соли) благодаря встраиванию БЭ в освобождающиеся участки ДНК. Было установлено, что стабильность комплексов возрастает от первой к четвертой генерации; в случае последней достигалась устойчивость к действию соли вплоть до 0.25 М №С1.

Таким образом, данные флуориметрического титрования не выявили принципиальных различий в поведении комплексов полиметакрилатного аниона и дендриплексов.

Седиментационный анализ также продемонстрировал сходство в поведении обеих систем. Так, данные изучения смесей растворов Б354+ с ДНК качественно не отличались от результатов аналогичных опытов со смесями Б354+и ПМА. В обоих случаях фиксировали образование растворимых НПЭК того или другого знака заряда и смещение области максимального образования осадков в сторону избыточных количеств 0354+, причем для осаждения дендриплексов требовалось больше дендримера. В растворах Б354+ зарядовое соотношение возрастало от [+]/[-] ~ 2 для ПМА до [+]/[-] ~ 3 для ДНК, что разумно объясняется увеличением доли недоступных для взаимодействия пиридиниевых катионов дендримера при замене гибкого ПМА на жесткую ДНК. В пользу этого предположения свидетельствуют результаты измерения потенциала в смесях растворов Э354+ с ДНК и ПМА. При использовании гибкого ПМА-аниона перезарядка частиц происходит при [+]/[-] ~ 2, тогда как в растворах дендриплексов нулевое значение ¡^-потенциала достигается при [+]/[-] = 3 (Рисунок 23).

Рисунок 23 - ^ -потенциал комплексов Э35 + с ДНК (I) и ПМА (II) при различных зарядовых отношениях [+]/[-]

Кривые турбидиметрического титрования растворов дендриплексов позволили установить границы существования растворимых нестехиометричных полиэлектролитных комплексов (НПЭК) для дендримеров разных генераций. Иллюстрацией могут служить данные по устойчивости положительно заряженных комплексов Б354+ в водно-солевых средах (Рисунок 24). Подобные дендриплексы представляют особый интерес как модели носителей генетического материала, т.к. положительный заряд обеспечивает связывание с отрицательно заряженной мембраной клетки, что определяет первую стадию трансфекции.

Рисунок 24 - Кривые турбидиметрического титрования раствором смесей растворов Э354+ и ДНК различных составов [+]/[-]: 4 (1), 6 (2), 12 (3) и 24 (4)

С ростом в смеси относительного содержания В354 появляется начальный участок, соответствующий растворимому НПЭК (кривая 2), причем его протяженность закономерно увеличивается (кривые 3,4). При составе смеси

[+]/[—]=24 (кривая 4) дендриплекс сохранял растворимость вплоть до 0.1 М NaCl, то есть при ионной силе, близкой к физиологическому значению.

По данным ДРС размеры положительно заряженных растворимых НПЭК при [+]/[-] > 4 составили 110±10 нм (рисунок 25). Это означает, что комплексы неагрегированы и могут проникать в клетку по механизму эндоцитоза, поскольку их гидродинамический диаметр Dh не превышает критического значения 150 нм.

D_,hm 700

600 500 400 300

200 100

0,1

Hi

і і

ї $ її

10

Рисунок 25 - Зависимость размеров частиц дендриплекса Оз3 от соотношения зарядов компонентов [+]/[—]

С уменьшением относительного содержания D35 + при 2 < [+]/[—] < 4 в смесях обнаруживались агрегаты микронных размеров (рисунок 25), а при [+]/[—] < 2 значения Dh вновь снижались до ~ 100 нм, свидетельствуя об образовании растворимых дендриплексов, что согласуется с результатами седиментационного анализа. Согласно данным ДРС, вплоть до состава [+]/[-] ~ 1 система диспропорционирует на два типа частиц, которые можно отнести к растворимому дендриплексу и практически свободным молекулам ДНК. Аналогичное явление наблюдалось при исследовании растворов дендриплексов на основе алифатических дендримеров.

Методом АСМ была исследована морфология комплексных частиц дендриплексов, сформированных при большом избытке положительно заряженного компонента. На АСМ фотографии (Рисунок 26, б) видны агрегаты в виде «ожерелья с бусинками», полученные при зарядовом соотношении [+]/[-]=12. Средняя высота агрегатов больше, чем свободной ДНК (Рисунок 26, а). Основываясь на данных АСМ, была предложена модель дендриплекса в виде цепочки, декорированной положительно заряженными «шариками». Если такая модель верна, то при разной плотности зарядов на ДНК и в дендримере часть

дендримерных положительных зарядов, находящихся внутри жесткой дендримерной сферы, остаются нескомпенсироваными, обеспечивая растворимость комплекса. Такая гипотеза хорошо согласуется с моделью, предложенной Schiessel (J. Chem. Phys. 2001), рассматривающим комплексы, образованные положительно заряженной жесткой сферой макроиона и линейным полиэлектролитом. Кроме того, из данных АСМ следует, что комплекс включает несколько нитей ДНК, связанных через дендримерный мостик. Основная часть поверхности подложки покрыта, скорее всего, отдельными дендримерами или дендримерными агрегатами.

а) б)

Рисунок 26 - АСМ микрофотографии плазмидной pC4W-KCopGFP ДНК на слюде (а) и дендриплекса, полученного смешением растворов D3541 и той же ДНК, на графите при соотношении [+]/[-] = 12 (б)

Склонность катионных дендримеров к формированию стабильных растворимых комплексов, участию в гидрофобных взаимодействиях и предотвращению направленной диффузии высокомолекулярных анионных биополимеров в свою внутреннюю сферу, оставаясь при этом проницаемыми для олигомерных анионов, может представлять большой практический интерес. Такие системы могут быть перспективны при разработке средств направленной доставки, в которых дендример является одновременно носителем генетического материала и гидрофобных низкомолекулярных лекарственных вешеств. Проведенные в работе измерения флуоресценции в смесях растворов катионного пиридилфениленового дендримера, ДНК и двух отрицательно заряженных пиренильных зондов различной гидрофобности выявили повышенное сродство гидрофобного зонда к дендримеру. Электростатическое

связывание ДНК с дендримером, содержащим гидрофобный зонд, не приводило к вытеснению зонда в раствор, а присутствие зонда в дендримере не влияло на образование дендриплекса. Данные модельных исследований демонстрируют принципиальную возможность создания дендримерных носителей двойного действия.

Для определения возможности и эффективности трансфекции с помощью катионных дендримеров, а также их токсичности были проведены опыты in vitro с клетками почек человеческих эмбрионов НЕК-293 по известному протоколу.4 Клетки обрабатывали раствором положительно заряженного дендриплекса на основе D354+ и ДНК pC4W-KCopGFP. С помощью флуоресцентного микроскопа была обнаружена заметная трансфекция ДНК (Рисунок 27, а), эффективность которой, тем не менее, оказалась значительно ниже, по сравнению с наиболее эффективным трансфецирующим агентом - Lipofectamine 2000 (Рисунок 27, б). Выживаемость клеток в экспериментах оставалась достаточно высокой, что свидетельствует о незначительной токсичности дендримера.

а) б)

Рисунок 27 - Трансфекция клеток НЕК-293 дендримером D334+ (а) и Lipofectamine 2000 (б). Флуоресцентный микроскоп, увеличение 150 раз

4 Совместно с Власик T.H и Руткевич п.н ( ФГБУ « Российский кардиологический научно-производственный комплекс»)

44

Глава 5. Пиридилфениленовый дендример как детектор трипероксида

триацетона (ТПТА)1

Присутствие функциональных групп в полостях дендримерной структуры усиливает их склонность к включению специфических гостевых молекул. Так, было обнаружено, что дендример 044-561Ч[-фенил с пиридильными фрагментами, расположенными внутри молекулы, обладает необычайно высоким сродством к трипероксиду триацетона (ТПТА).6

С использованием кварцевых микровесов было проведено сравнение сенсорной чувствительности дендримеров с холатом натрия и циклодекстрином, также обладающими сродством к ТПТА. Была оценена селективность вышеуказанных соединений по отношению к различным аналитам пероксидной природы и воде. Как видно из диаграммы (Рисунок 28), каждое анализируемое соединение вызывает специфический отклик, который позволяет провести четкое распознавание. В то время как холат натрия активно реагирует на воду и перекись водорода, циклодекстрин на ацетон, - дендример дает наилучший отклик при контакте с ТПТА.

Очевидно, что связывание происходит скорее внутри пустот дендримера, чем на поверхности молекулы. При этом дендример, представляющий собой систему ядро-оболочка с гидрофобной периферией, отторгает полярные молекулы. Кварцевые микровесы с нанесенным слоем дендримера детектировали ТГТТА с чувствительностью 0.1 ррт, а отклик составил всего 4 с.

Необходимо отметить, что предлагаемый подход позволяет детектировать ТПТА непосредственно в воздушных смесях, тогда как известные аналитические методы основаны на определении перекиси водорода в жидкостях после гидролиза ТПТА.

3 Совместно с Prof. Waldvogel S.R. (Johannes Gutenberg-University Mainz. Germany)

6 ТПТА является взрывчатым веществом со взрывной силой, сопоставимой с тринитротолуолом, при этом его легко синтезировать из средств бытовой химии. С точки зрения общественной безопасности, мониторинг за ТПТА представляется насущной необходимостью.

н,с сн

з

14111

^^^ холат натрия

0 о циклодвкстрин

1 -V ^ о"1 о ^ / / **

£ * /

Рисунок 28 - Диаграмма селективности 044-561М-фенил, холата натрия и циклодекстрина в отношении различных анализируемых соединений

Использование особенностей дендритной структуры, а именно способности захвата гостевых молекул различной природы, открывает перед дендримерами широкие перспективы для применения в качестве сенсоров. При этом необходимо учитывать, что множество параметров, такие, например, как электронная плотность гостевых молекул и дендримеров, генерация дендримера, определяющая, как правило, размер пустот и т.д., играют важную роль в селективности таких систем.

ВЫВОДЫ

1. Разработан дивергентный синтез нового семейства ароматических сверхразветвленных макромолекул — пиридилфениленовых дендримеров, позволяющий получать монодисперсные индивидуальные макромолекулы заданной архитектуры, химического состава и функциональности. Систематическое исследование дендримеров выявило фундаментальные закономерности их образования и особенности поведения. Химическое строение дендримеров можно направленно изменять за счет варьирования «строительных блоков» в синтезе макромолекулы. Использование три-, тетра- и гексаразветвляющих соединений различной геометрии в качестве ядра молекулы определяет архитектуру конечного дендримера. Особенностью подхода является возможность контролирования размера и формы дендримера и получения макромолекул заданной архитектуры и химического состава. В

46

результате всестороннего анализа структуры, свойств и поведения дендримеров установлено, что они являются жесткими монодисперсными наноразмерными структурами с постоянной формой. Наличие пиридильных групп в молекуле дендримера открывает перспективы для создания гибридных органических-неорганических композитов за счет комплексообразования с соединениями металлов с последующим формированием наночастиц, а высокая термическая стабильность дендримеров определяет возможность их использования в высокотемпературных химических процессах.

2. Природа металла в нанокомпозите с дендримером и морфология наночастиц определяют свойства и области применения таких функциональных материалов. Созданные на основе дендримеров композиты с наночастицами Pd проявили высокую каталитическую активность и селективность в реакциях селективного гидрирования тройной связи в ацетиленовом спирте Сю-

3. Использование синтезированных дендримеров в качестве термически стабильных мультилигандов в синтезе КТ CdS позволило получить нанокомпозиты необычной морфологии, определяемой уникальной структурой дендримеров и механизмом формирования КТ. Методом малоуглового рентгеновского рассеяния форма наночастиц определена как «сплющенный (oblate) сфероид» - фигура, полученная при вращении эллипса вокруг своей меньшей оси. Установлено, что при этом от двух до четырех дендримерных молекул окружают наночастицу, стабилизируя ее в растворе. Такая морфология нанокомпозита хорошо соотносится с данными оптической спектроскопии и электронной просвечивающей микроскопии.

4. Наличие пиридиновых фрагментов в структуре дендримеров определяет возможность получения водорастворимых макромолекул (за счет алкилирования пиридиновых групп) и их использования для биологических приложений. В результате изучения поведения полиэлектролитных комплексов дендримеров с полианионами установлено, что жесткая структура синтезированных дендримеров создает препятствия для участия внутренних пиридиниевых катионных групп в электростатическом связывании как с жестким полианионом — ДНК, так и с гибким полиметакрилатным анионом, что ведет к специфическим характеристикам формирующихся полиэлектролитных комплексов. Впервые показана принципиальная возможность использования полиэлектролитных комплексов водорастворимых пиридилфениленовых дендримеров с ДНК в качестве модельных систем для изучения трансфекции ДНК в живую клетку.

5. Наличие гидрофобных пустот в дендримерном скелете, размер которых определяется генерацией дендримера, способствует захвату специфических

«гостевых» молекул. Обнаружено, что пиридилфениленовые дендримеры обладают высокой сенсорной чувствительностью по отношению к трипероксиду триацетона, обусловленной их специфической морфологией и химической структурой.

Таким образом, разработка подхода к синтезу пиридилфениленовых дендримеров различного состава и архитектуры, определение закономерностей их синтеза и поведения, возможность направленного варьирования структуры дендримеров и, в конечном счете, управления свойствами получаемых макромолекул открывает широкие возможности для их использования в различных областях науки и технологии. В свою очередь, реализованная идея создания разнообразных функциональных композитных наноматериачов с необходимым комплексом свойств на основе дендримерной матрицы открывает новые горизонты для развития химии дендримеров.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Shifrina Z.B., Averina M.S., Rusanov A.L., Wagner M., Müllen К. Branched polyphenylenes by repetitive Diels-Alder cycloaddition // Macromolecules. - 2000, -V.33, - № 10, - P. 3525-3532.

2. Андреева Л.Н., Бушин C.B., Беляева Е.В., Безрукова М.А., Аверина М.С., Кештов М.Л., Шифрина З.Б., Русанов А.Л., Цветков Н.В. Гидродинамические, оптические и конформационные свойства молекул фенилзамещенного полифенилена // Высокомол. соед. Сер. А. - 2002, - Т. 44, - № 2, - С. 248-256.

3. Lebedev B.V., Kulagina T.G., Smirnova N.N., Shifrina Z.B., Averina M.S., Rusanov A.L. Thermodynamics of phenylated polyphenylene between 0 and 340 К // J. Therm. Anal. Calorim. - 2003, - V. 74, - № 3, - P. 735-748.

4. Цветков Н.В., Бушин C.B., Иванова В.О., Безрукова М.А., Астапенко Э.П., Кузьмина O.A., Шифрина З.Б., Русанов А.Л., Аверина М.С., Булычева Е.Г. Гидродинамические, конформационные и электрооптические свойства фенилированных полифениленов в растворах // Высокомол. соед. Сер. А и Б. -

2004, - Т. 46, - № 10, - С. 1695-1703.

5. Smirnova N.N., Kulagina T.G., Markin A.V., Shifrina Z.B., Rusanov A.L. Thermodynamics of phenylated polyphenylene in the range from T -> 0 to 640 К at standard pressure // Thermochimica Acta. - 2005, - V. 425, - № 1-2, - P. 39-46.

6. Шифрина З.Б., Аверина M.C., Фирсова H.B., Русанов А.Л., Мюллен К. Полифениленовые дендримеры с пиридиновыми фрагментами // Доклады РАН. -

2005, - Т.400, - № 6, - С. 774-778.

7. Shifrina Z.B., Rajadurai M.S, Firsova N.V., Bronstein L.M., Huang X., Rusanov

A.L., Müllen К. Poly(phenylene-pyridyl) dendrimers: synthesis and templating of metal nanoparticles // Macromolecules. - 2005, - V. 38, - № 24, - P. 9920-9932.

8. Цветков H.B., Филиппов C.K., Кудрявцева T.M., Иванова В.О., Шифрина З.Б., Аверина М.С., Фирсова Н.В., Русанов A.JT. Гидродинамические свойства жестких пиридинсодержащих полифениленовых дендримеров в растворах // Высокомол. соед. Сер. А. - 2006, - Т. 48, - № 4, - С. 692-698.

9. Шифрина З.Б., Кучкина Н.В., Русанов АЛ., Изумрудов В.А. Водорастворимые полипиридилфениленовые дендримеры и их полиэлектролитные комплексы с ДНК // Доклады РАН. - 2007, - Т. 416, - № 1, -С. 66-69.

10. Раджадураи М.С., Шифрина З.Б., Кучкина Н.В., Русанов A.JL, Мюллен К. Жесткоцепные ароматические дендримеры // Успехи химии. - 2007, - Т. 76, - № 8,-С. 821-838.

11. Кучкина Н.В., Бронштейн JIM., Русанов A.JT., Шифрина З.Б. Синтез нанокристаллов CdS в присутствии жесткого ароматического дендримера // Известия РАН. Сер. Хим. - 2009, - №4, - С. 844-846.

12. Изумрудов В.А., Кучкина Н.В., Русанов A.JL, Шифрина З.Б. Взаимодействие водорастворимых полипиридилфениленовых дендримеров с полиметакрилатным анионом // Высокомол. соед. Сер. А. - 2009, - Т. 51, - № 3, -С. 355-368.

13. Shifrina Z.B., Kuchkina N.V., Rutkevich P.N., Vlasik T.N., Sushko A.D., Izumrudov V.A. Water-Soluble Cationic Aromatic Dendrimers and Their Complexation with DNA // Macromolecules. - 2009, - V. 42, - № 24, - P. 9548-9560.

14. Шифрина З.Б., Бронштейн JI.M. Наночастицы в дендримерах: от синтеза к применению // Российские нанотехнологии. - 2009, - Т. 4, - № 9-10, - С. 32-55.

15. Шифрина З.Б., Кучкина Н.В., Русанов AJL, Изумрудов В.А. О способности олигомерного аниона проникать в жесткий катионный ароматический дендример // Доклады РАН. - 2009, - Т. 425, - № 4, - С. 497-500.

16. Кучкина Н.В., Лаптинская Т.В., Цветков Н.В., Русанов А.Л., Изумрудов

B.А., Шифрина З.Б. Особенности образования растворимых комплексов катионных полипиридилфениленовых дендримеров с ДНК // Высокомол. соед. Сер. С. - 2010, - Т. 52, - № 7, - С. 1341-1347.

17. Смирнова H.H., Маркин A.B., Захарова Ю.А., Кучкина Н.В., Русанов А.Л., Шифрина З.Б. Термодинамические свойства пиридинсодержащего полифениленового дендримера второй генерации // Журнал физич. химии. Сер. А. - 2010, - Т. 84, - № 4, - С. 628-633.

18. Lubczyk D., Siering С., Loergen J., Shifrina Z.B., Muellen К., Waldvogel S.R. Simple and sensitive online detection of triacetone triperoxide explosive // Sensors and Actuators, В: Chemical. - 2010, - V. 143, - № 2, - P. 561-566.

19. Белов Н.А., Санфирова О.Ю., Шифрина З.Б., Ямпольский Ю.П. Исследование жесткоцепного дендримера методом обращенной газовой хроматографии // Высокомол. соед. Сер. А. - 2010, - Т. 52, - № 5, - С. 769-775.

20. Bronstein L.M., Shifrina Z.B. Dendrimers as encapsulating, stabilizing, or directing agents for inorganic nanoparticles // Chemical Reviews. - 2011, - V. Ill, -№9, -P. 5301-5344

21. Жирякова M.B., Кучкина H.B., Шифрина З.Б., Изумрудов В.А. Водорастворимый ароматический дендример как модельная основа лекарственного препарата двойного действия // Высокомол. соед. Сер. А. - 2011, -Т. 53,-№8,-С. 1384-1393.

22. Смирнова Н.Н., Маркин А.В., Захарова Ю.А., Кучкина Н.В., Русанов А.Л., Шифрина З.Б. Термодинамические свойства пиридинсодержащих полифениленовых дендримеров первой - четвертой генераций // Известия РАН. Сер. Хим. - 2011, - Т. 60, - № 1, - С. 132-138.

23. Kuchkina N.V., Morgan D.G., Stein B.D., Puntus L.N., Sergeev A.M., Peregudov A.S., Bronstein L.M., Shifrina Z.B. Polyphenylenepyridyl dendrimers as stabilizing and controlling agents for CdS nanoparticle formation // Nanoscale. - 2012, - V. 4, -№ 7, - P. 2378-2386.

24. Shtykova E.V., Kuchkina N.V., Shifrina Z.B., Bronstein L.M., Svergun D.I. Unusual structural morphology of dendrimer/CdS nanocomposites revealed by synchrotron X-ray scattering // J. Phys. Chem. С - 2012, - V. 116, - № 14, - P. 80698078.

25. Zhiryakova M.V., Shifrina Z.B., Izumrudov V.A. Competitive reactions in dendriplex and polyplex solutions //Eur. Polym. J. - 2013, - V. 49, - № 2, - P. 558-566.

26. Лезов A.B., Полушина Г.Е., Лезов A.A., Изумрудов В.А, Кучкина Н.В., Юзик-Кпимова Е.Ю., Шифрина З.Б. Водорастворимые полиэлектролитные комплексы пиридинсодержащих полифениленовых дендримеров // Высокомол. соед. Сер. А. - 2013, - Т. 55, - № 2, - С. 149-157.

27. Kuchkina N.V, Yuzik-Klimova E.Yu., Sorokina S.A., Peregudov A.S., Antonov D.Yu., Gage S.H., Boris B.S., Nikoshvili L.Z., Sulman E.M., Morgan D.G., Mahmoud W.E., Al-Ghamdi A.A., Bronstein L.M., Shifrina Z.B. Polyphenylenepyridyl dendrons with functional periphery and focal points: syntheses and applications II Macromolecules. - 2013, - V.46,- №15, - P.5890-5898.

In memoriam

Успешное выполнение настоящей работы было бы невозможно без всесторонней поддержки, доброжелательного отношения и общего научного руководства моего Учителя - профессора Александра Львовича Русанова (19392010), глубокое уважение и память о котором я храню в своем сердце.

Подписано в печать:

02.09.2013

Заказ № 8780 Тираж -130 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 «ту. autoreferat.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова

Российской академии наук

На правах рукописи

05201351373

Шифрина Зинаида Борисовна

ПИРИДИЛФЕНИЛЕНОВЫЕ ДЕНДРИМЕРЫ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ

02.00.06 - высокомолекулярные соединения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора химических наук

Москва 2013

*

1п тетопат

Выполнение настоящего исследования было бы невозможно без всесторонней поддержки,

доброжелательного отногиения и общего научного руководства моего Учителя - профессора Апександра Львовича Русанова (1939-2010), глубокое уважение и память о котором я храню в своем сердце.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................6

Глава 1. Литературный обзор..........................................................................................10

1.1 Ароматические дендримеры..................................................................................13

1.2 Нанокомпозиты дендримеров с неорганическими частицами...........................18

1.2.1 Методы формирования композитов наночастица/дендример.....................18

1.2.1.1. Инкапсулирование неорганических наночастиц дендримерами: дендример-темплатный подход...............................................................................19

1.2.1.2. Формирование наночастиц между дендримерными молекулами..........29

1.2.1.3. Наночастицы с дендронами.....................................................................31

1.2.1.4. Направленный синтез НЧ или самоорганизации дендримеров с образованием двух (2В) и трехмерной (ЗЭ) структуры.......................................40

1.2.2. Методы характеризации композитов НЧ/дендример (дендрон).................51

1.2.2.1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)...............................51

1.2.2.2. Атомная силовая микроскопия (АСМ)......................................................52

1.2.2.3. Сканирующая туннельная микроскопия...................................................54

1.2.2.4. Методы характеризации в растворе...........................................................55

1.2.2.5. Исследование неорганической структуры НЧ и состава.........................57

1.2.3. Связь морфологии и свойств нанокомпозитов НЧ/дендример (дендрон) 71

1.2.3.1.Оптические свойства....................................................................................71

1.2.3.2.Магнитные свойства.....................................................................................77

1.2.4. Применение в биомедицине...........................................................................82

1.2.5. Дендримерные нанокомпозиты в качестве биосенсоров............................97

1.2.6. Дендримерные нанокомпозиты в катализе.................................................105

1.2.6.1. Гомогенный катализ с композитами НЧ/дендример..............................105

1.2.6.2.Гетерогенный катализ с композитами НЧ/дендример............................109

Глава 2. Синтез и молекулярные характеристики пиридилфениленовых дендримеров....................................................................................................................118

2.1. Синтез «строительных блоков»..........................................................................119

2. 2 Синтез центральных фрагментов........................................................................128

2.3 Синтез дендримеров..............................................................................................131

2. 4. Характеризация дендримеров............................................................................143

2.4.1 .ЯМР-спектроскопия.......................................................................................144

2.4.2.Определение молекулярной массы дендримеров. MALDI-TOF - масс-спектрометрия..........................................................................................................147

2.5. Исследование гидродинамических свойств дендримеров ..............................151

2.6 Определение размеров дендримеров методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ)..............................160

2.7. Исследование термического поведения дендримеров.....................................166

Глава 3. Функциональные нанокомпозиты на основе пиридилфениленовых дендримеров....................................................................................................................170

3.1 Синтез каталитически активных наночастиц металлов в присутствии дендримеров.................................................................................................................170

3.1.1. Исследование комплексных систем дендример/металл............................182

3.1.2. Исследование каталитических свойств металлических наночастиц......190

3.2. Синтез квантовых точек CdS в присутствии дендримеров.............................195

3.2.1. Влияние архитектуры дендримера и условий реакции на формирование KT..............................................................................................................................197

3.2.2. О механизме образования наночастиц CdS................................................204

3.2.3. Поведение в растворе композитов CdS/дендример...................................207

3.2.4. Оптические свойства нанокомпозитов CdS/дендример............................209

3.2.5 Исследование структурной морфологии нанокомпозитов дендример/CdS методом малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР)...............................214

Глава 4. Водорастворимые дендримеры. Взаимодействие с полианионами............228

4.1. Синтез водорастворимых дендримеров.............................................................230

4.2 Комплексообразование водорастворимых пиридилфениленовых дендримеров

с полианионами...........................................................................................................236

4.2.1 Интерполиэлектролитные комплексы дендримеров с полиметакрилатным анионом и их свойства............................................................................................236

4.2.2. Интерполиэлектролитные комплексы дендримеров с ДНК и их свойства ...................................................................................................................................254

4.2.3. Интерполиэлектролитные комплексы дендримеров с полианионами различной длины......................................................................................................277

4.2.4 Исследование морфологии интерполиэлектролитных комплексов методом атомно-силовой микроскопии................................................................................281

4.3 In vitro трансфекция клеток.................................................................................284

Глава 5. Пиридилфениленовый дендример как детектор трипероксида триацетона (ТПТА) ............................................................................................................................286

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..................................................................293

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...............................................................................295

Приложение 1...........................................................................................................334

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.............................................................................................355

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................358

ВВЕДЕНИЕ

80-ые годы прошлого века ознаменовались появлением нового класса макромолекулярных соединений - монодисперсных полимеров с регулярной и сильно разветвленной трехмерной архитектурой и четко определенной химической структурой, получивших название дендримеры (от греческого 8гу8ро\' (ёепёгоп) -дерево, ветвь). Дендримеры получают путем повторяющейся последовательности химических превращений, в которой каждая дополнительная итерация приводит к увеличению генерации дендримера. Синтез дендримеров с помощью специально разработанных химических реакций, протекающих с высоким выходом, является одним из примеров управляемого иерархического синтеза.

Первыми подробно изученными дендритными системами стали полиамидоаминные дендримеры (ПАМАМ), синтезированные в группе профессора ТотаНа [1] и «агЬого1» дендримеры профессора Кешкоте [2]. Оба типа дендримеров были синтезированы дивергентным методом, когда рост молекулы осуществляется от многофункционального центра к периферии. Позднее, взяв за основу пионерские работы, [3], МЫНаирг [4] и ёе ВгаЬапс1ег [5] описали

полипропилениминовые дендримеры (ППИ), также полученные дивергентным методом. В 1990 году РгёсЬе! разработал конвергентный подход к синтезу дендримеров [6,7]. В случае конвергентной процедуры синтез начинается от периферии и развивается к центру молекулы. Известные к настоящему времени дендримеры получают либо дивергентным, либо конвергентным методом, в некоторых случаях возможна комбинация обоих подходов.

В настоящее время мир дендримеров обширен, а их специфические свойства многообразны. Дендримеры обладают уникальной молекулярной регулярностью, имеют мультифункциональную периферию и значительные внутренние «полости». Периферия, внутренние области и ядро дендримеров могут быть произвольно модифицированы. К числу несомненных достоинств дендримеров стоит отнести их монодисперсность и возможность надежного контроля над размерами, формой и функциональностью, реализуемого в процессе многоступенчатого синтеза макромолекулы. Указанные особенности позволяют дендримерам занять

определенную нишу в тех современных технологиях, где использование традиционных полимерных соединений невозможно или малоэффективно.

Дендримеры нашли широкое применение в медицине в качестве контрастных агентов в магнито-резонансной томографии, средств доставки лекарств, в in vitro диагностике, в бор-нейтронозахватной терапии, а также в качестве наноразмерных реакторов и систем, имитирующих мицеллы.

Дендримеры эффективно используются в различных химических технологиях. Так, например, дендримеры, содержащие на периферии каталитические активные центры, активируют полимеризацию мономеров, а затем могут быть отделены от реакционной смеси путем микрофильтрации. Известны дендримеры, являющиеся катализаторами электрохимического восстановления двуокиси углерода в монооксид углерода. Некоторые функционализированные дендримеры используются для экстракции гидрофильных соединений из воды в сверхкритический СО?. Кроме того дендримеры способны инкапсулировать нерастворимые продукты или наночастицы металлов во внутренние «полости» и переносить их в растворители. Особый интерес исследователей вызывают композиты дендримеров с неорганическими наноразмерными частицами благодаря уникальным свойствам, возникающим в результате сложных физико-химических взаимодействий наноразмерных составляющих неорганической и органической природы.

Обсуждение синтеза дендримеров и каталитических, оптических, магнитных и некоторых других свойств таких систем, а также их возможные применения нашли свое отражение в многочисленных оригинальных статьях и обзорах последнего десятилетия. Проблемы химии дендримеров также рассматривались на многочисленных международных научных форумах.

Первые дендримеры, содержащие только ароматические группы, были синтезированы в 1990 году по конвергентной схеме Miller и Neenan[8] с использованием реакции Pd катализируемого кросс-сочетания. Дивергентный метод, который позволил получить полифениленовые дендримеры, не прибегая к металлорганическому синтезу, был разработан в 1996 году в группе профессора Muellen [9]. Позднее в этой группе был разработан и конвергентный подход [10].

Полифениленовые дендримеры имеют ряд особенностей, определяемых их химической структурой. Так, дендримеры обладают высокой жесткостью и постоянной формой, обусловленной присутствием в структуре разветвленных цепочек фенильных колец, соединенных между собой в пара-положении (Рис. 1).

Рисунок 1 - Модель дендрона: разные цепи жестких полифениленовых фрагментов

показаны разным цветом В то время как достаточно длинные цепи пара-фениленов могут в некоторой степени изгибаться[11], относительно короткие цепочки (что характерно для дендримеров), состоящие из 3-9 фенильных колец, остаются неизменно прямыми и не загибаются внутрь. Средняя персистентная длина 20 нм соответствует цепочке, состоящей из 46 фенильных колец [12-15]. Таким образом, в отличие от других типов дендримеров, состоящих их гибких блоков, полифениленовые дендримеры не изменяют форму в зависимости от внешних условий. Этому также способствует и достаточно плотная упаковка ветвей. Жесткость и неизменная форма дендримеров были доказаны с помощью ряда методов, таких как малоугловое нейтронное рассеяние (МУНР) [16], атомно-силовая микроскопия (АСМ) [17] и ЯМР твердого тела [18,19]. Химическая структура полифениленовых дендримеров определяет их высокую термическую и химическую стабильность.

Полифениленовые дендримеры нашли свое применение в органической оптоэлектронике [20,21], а также в качестве составляющих супрамолекулярных ансамблей [22,23]. Вместе с тем отсутствие в структуре полифениленовых дендримеров функциональных групп, способных специфически взаимодействовать

с химическими соединениями разной природы, приводя к формированию комплексных систем с новыми полезными свойствами, ограничивает развитие и области применения этих дендримеров. Нами было предложено введение в структуру фениленовых дендримеров азотсодержащих ароматических фрагментов, что приводило к получению нового типа ароматических дендримеров и открывало перспективы для их использования в современной науке и технологиях. При этом постоянная форма, высокая термическая и химическая стабильность, внутренние гидрофобные полости также характерны для новой группы дендримеров. Присутствие азотсодержащих ароматических фрагментов в дендримерах способствует разработке широкого спектра композитных наноматериалов на основе процессов комплексообразования с различными соединениями металлов. Кроме того, возможность изменения гидрофобной природы дендримеров на гидрофильную за счет функционализации пиридиновых фрагментов, приводит к получению дендримеров, способных взаимодействовать с биологическими объектами, расширяя области возможных применений дендримеров.

Таким образом, исследования, направленные на развитие химии функциональных ароматических дендримеров, разработку молекулярного дизайна таких дендримеров, а также поиск возможных областей их применения, представлялись весьма актуальными и важными.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Дендримеры являются сложными химически монодисперсными макромолекулами с регулярным строением и сильно разветвленной архитектурой. [1-3,7,24-49] Дендримеры получают путем повторяющейся последовательности химических превращений, в которой каждая дополнительная итерация приводит к увеличению генерации дендримера. Синтез дендримеров с помощью специально разработанных химических реакций с высоким выходом является одним из примеров управляемого иерархического синтеза. Мы не будем подробно останавливаться на методах синтеза дендримеров, что является предметом рассмотрения большого числа исчерпывающих обзоров последнего времени[24-52], а кратко упомянем основные принципы синтеза, на которых базируется массив ч полученных к настоящему моменту дендримеров.

Существует два основных подхода к синтезу дендримеров (рис. 2): дивергентный метод [24,25], когда рост молекулы осуществляется от центра к периферии и конвергентная схема [7,8,50], когда построение дендримера начинается с периферийных фрагментов и распространяется к центру. Выбор между дивергентным и конвергентным методами синтеза определяется доступностью химических реакций, требованиями к молекуле дендримера, или типом "строительных блоков", используемых при построении дендримера. Преимуществом дивергентного подхода является возможность получения дендримеров высоких генераций, в то время как основным недостатком представляется сложность контролирования чистоты дендримеров, поскольку на каждом этапе роста происходят одновременные многочисленные реакции взаимодействия. При этом число актов взаимодействия возрастает экспоненциально с ростом генерации дендримера. Коммерчески доступные дендримеры, такие как поли(пропиленимины) (РР1) и поли(амидоамнны) (РАМАМ) синтезируются дивергентным методом. С другой стороны, конвергентный метод позволяет лучше контролировать структуру молекулы вследствие небольшого числа реакций присоединения на стадии роста. Однако такой метод не позволяет синтезировать дендримеры высоких генераций из-за стерических ограничений. Вместе с тем,

конвергентный подход обеспечивает направленную функционализацию ядра и поверхности дендрона, позволяя проводить дальнейшие химические реакции с высоким выходом и получать дендритные продукты высокой чистоты. Примером коммерчески доступных дендримеров, синтезированных конвергентным методом, являются полиэфирные дендримеры (РгёсЬе! дендримеры). Следует отметить, что большинство дендримеров могут быть синтезированы комбинированием обоих методов.

Большинство известных дендримеров синтезируются за счет образования ковалентной связи, как описано в многочисленных обзорах [1,8,24,29,40,42,44,4651]. Однако существуют также дендримеры, полученные путем самоорганизации металлов с высокими координационными числами и мультидентантных лигандов. Такие дендримеры были впервые описаны Ва1гаш [53,54], а затем получены и рядом других исследовательских групп [26,31-34,36,38,51,55].

Дивергентный синтез

V

^ Конвергентный синтез Т СЛУЛО" цл'

тж1 * 1йжХ

фокальная точка

Ядро

Q Точки ветвления

Терминальные группы

Дендрон

Рисунок 2 - Схематичное изображение дивергентного и конвергентного методов

синтеза дендримеров

В то время как подавляющее число публикаций посвящено синтезу гибкоцепных дендримеров, жесткие ароматические дендримеры, не содержащие

алифатических фрагментов, привлекают значительно меньше внимания. Между те