Самосборка наноразмерных агрегатов на основе тетразамещенных по нижнему ободу n-трет-бутилтиакаликс[4]аренов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

шит

ЮШКОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

САМОСБОРКА НАНОРАЗМЕРНЫХ АГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ ТЕТРАЗАМЕЩЕННЫХ ПО НИЖНЕМУ ОБОДУ я-тя/?ет-БУТИЛТИАКАЛИКС[4]АРЕНОВ

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

1 2 МАЙ

Казань-2011

4846098

Работа выполнена на кафедре органической химии Химического института им. А.М.Бутлерова федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Министерства образования и науки Российской Федерации.

Научный руководитель:

доктор химических наук, доцент

Стойкое Иван Иванович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Казакова Элла Хатибовна

доктор химических наук, доцент Гаврилова Елена Леонидовна

Ведущая организация: Московский государственный университет имени

М.В.Ломоносова, г. Москва.

Защита диссертации состоится «26» мая 2011 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.081.03 по химическим наукам при ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18, Химический институт им. АМ. Бутлерова, Бутлеровская аудитория.

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

Автореферат разослан « 2 апреля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.081.03 кандидат химических наук, доцент

М.А. Казымова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Разработка самособирающихся микро- и наноразмерных супрамолекулярных систем, обладающих заданными свойствами, является одним из перспективных направлений исследований в органической и супрамолекулярной химии. Структура и свойства супермолекул и супрамолекулярных ансамблей могут быть заложены при ковалентном синтезе рецепторов. Дизайн синтетических рецепторов, способных к распознаванию различных типов «гостей», востребован при конструировании сенсоров, каталшаторов, биомиметических систем, селективных экстрагентоа, систем доставки лекарственных веществ и программируемых материалов.

Для создания синтетических рецепторов широко используются различные макроциклические «строительные» платформы: краун-эфиры, циклодекстрины, каликсарены. В настоящее время интенсивно развивается химия тиакаликсаренов - аналогов классических каликсаренов. Замена в структуре п-трет-бутилкаликс[4]арена метиленовых мостиков на сульфидные привела к увеличению конформационной подвижности макроциклического кольца, что позволяет получать стереоизомеры {конус, частичный конус, 1,3-альтернат) тетразамещенных по нижнему ободу л-/ярегл-бутилтиакаликс[4]аренов с высокими выходам. Уникальность тиакаликс[4]аренов заключается в доступности исходных макроциклов одностадийным синтезом; в наличии сульфидных мостиковых фрагментов, способных к координации с катионами переходных металлов; в возможности модификации «верхнего» и «нижнего» ободов соответствующими функциональными группами, содержащими различные центры связывания; в существовании нескольких конфигураций, способных фиксировать требуемую пространственную ориентацию центров связывания; а также в возможности реализации аллостерического эффекта при связывании «гостей».

Нами предложено объединить возможности тиакаликсареновой платформы (существование нескольких конфигураций, возможность реализации положительного и отрицательного аллостерического эффекта) и полифункциональных фрагментов, способных к взаимодействию как с катионами металлов, так и с дикарбоновыми кислотами, для создания на их основе самособирающихся супрамолекулярных наноразмерных частиц с заданными структурой и свойствами.

Целью работыявляется направленный синтез тетразамещенных по нижнему ободу п-трел1-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих аминные, амидные, Л'-замещенные гидразидиые, гетероциклические, гуанидиниевые фрагменты, установление их структуры комплексом физических методов, создание на их основе супрамолекулярных наноразмерных частиц с катионами р- и (/-элементов, дикарбоновыми кислотами, а также изучение закономерностей процесса самоассоциации и агрегации с образованием супрамолекулярных ансамблей в растворах и в твердой фазе.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые синтезированы тетразамещенные по нижнему ободу п-трет-бутилтиакалнкс[4]ареш в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-альтернат, содержащие фрагменты гидразидов никотиновой, изоникотиновой, 3-нитробензойной кислот, 2-гидразидопиридина, фенилгидразина, бензотриазола, а также различно замещенные по нижнему ободу макроциклы, функционализированные гидразидными, аминными, карбоксильными, гуанидиниевыми группами; структура соединений установлена комплексом физических методов;

- разработаны новые подходы к синтезу рецепторов путем пошаговой стереоселективной функционализации нижнего обода л-трет-бутилтиакаликс[4]арена различными группами, обеспечивающими комплементарное по отношению к субстрату расположение центров связывания;

- впервые установлены закономерности самосборки в растворе и твердой фазе супрамолекулярных наноразмерных частиц из функционализированных п-трет-бутилтиакаликс[4]ареюв и катионов металлов и/или дикарбоновых кислот, необходимые для получения новых функциональных наноматериалов;

- впервые па основе тиакаликс[4]аренов получены супрамолекулярные системы, способные к расшзнаванию и катионов металлов, и дикарбоновых кислот.

Практическая значимость работы. Синтезировано 28 новых частично- и тетразамещенных по нижнему ободу л-/ирет-бутилтиакаликс[4]аренов в конформациях конус, частичный конус и 1,3-альтернат. Разработаны методы синтеза функционализированных по нижнему ободу и-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих одновременно центры связывания как катионов металлов, так и дикарбоновых кислот. Установлено, что способность изученных тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]ареюв образовывать наноразмерные агрегаты с катионами металлов в органической фазе приводит к усилению их экстракционных свойств. Показано, что наноразмерные агрегаты на основе синтезированных и-треш-бутилтиакаликс[4]аршов и нитрата серебра (I), закрепленные на полимерных подложках, обладают антимикробной активностью.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Итоговой научной

конференции Казанского государственного университета (Казань, 2009), на Научно-

образовательных конференциях студентов Химического института им. А. М. Бутлерова

(2005-2007 гг.); на V-VIII Научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов

научно-образовательного центра Казанского государственного университета «Материалы и

технологии XXI века» (2005-2008); на Pan-REC Конференции-2007, Пермь; на первой

международной Российско-Японской конференции молодых ученых по наноматериалам и

нанотехнологиям (1st Russian-Japanese young scientists conference on nanomaterials and

nanotechnology, 2008, Москва); на международных научных конференциях: XVIII

Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007); Чугаевской

4

конференции в области супрамолекулярной химии координационных соединений и наноструктур на основе координационных соединений (Санкт-Петербург, 2009); Ш Международной летней школе-конференции «Supramolecular System in Chemistry and Biology» (Львов, Украина, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей и 12 тезисов докладов, 2 патента РФ.

Работа выполнена на кафедре органической химии Химического института им. A.M. Бутлерова Казанского федерального университета, является частью исследований по основному научному направлению «Строение и реакционная способность органических, элементоорганических и координационных соединений» и проведена в соответствии с госбюджетной темой Минобрнауки РФ «Дизайн и закономерности молекулярного распознавания биологически значимых соединений природными и синтетическими наноразмерньши рецепторами» (per. № 1.11.06 308752). Исследования проводились при поддержке грантов РФФИ 06-03-32160-а «Разработка супрамолекулярных систем на основе функционализированных тиакаликс[4]аренов как компонентов программируемых органических наноразмерных материалов следующего поколения» (2006-2008), 09-03-00426-а «Функционализированные тиакаликс[4]арены как компоненты самособирающихся наноразмерных частиц: дизайн и закономерности самоассоциации и агрегации с ионами металлов» (2009-2010), международного гранта РФФИ 08-03-91106-АФГИР_а «Транспорт биомакромолекул через коллоидные нанопоры, модифицированные гуанидинийтиакаликс[4]аренами» (2008-2009), программы совместных грантов CRDF (RUC1-2910-KA-07), программы грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД-2747.2010.3), при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» Министерства образования и науки Российской Федерации, проект № 1092 «Функционализированные материалы и сенсоры на основе тиакаликсаренов для молекулярного распознавания индивидуальных соединений и экспертной оценки сложных объектов».

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 198 страницах машинописного текста, включает 120 рисунков и 26 таблиц. Состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 228 ссылок.

В первой главе представлен обзор литературных данных, в котором рассмотрены основные закономерности образования наноразмерных частиц на основе метациклофанов. Основные результаты экспериментальных исследований и их обсуждение приведены во второй главе. Экспериментальная часть работы, включающая описание проведенных синтетических, экстракционных и спектральных экспериментов, а также экспериментов по изучению агрегации, приведена в третьей главе диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Синтез функционалгопровапных по нижнему ободу п-трет-бутапггиакаликс[4]аренов с азотсодержащими фрагментами

Одним из подходов к конструированию политопных сорецепторов на определенные типы субстратов является комбинирование участков связывания в рамках макроциклической системы. Тиакаликсарены, содержащие по нижнему ободу амидные, гидразидные, ацилгидразидныеи гетероциклические фрагменты, в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-аяьтернат содержат в своей структуре несколько потенциальных центров координации как с катионами металлов (мостиковые атомы серы, атомы кислорода оксиметиленовых фрагментов, ацилгидразидньк группы и атомы азота гетероциклов), так и с карбоновыми кислотами (протоны гидразидных групп и пиридиновые фрагменты).

С целью синтеза тетразамещенных по нижнему ободу я-трет-бутилтиакаликс[4]аренов в различных конфигурациях, содержащих одинаковые заместители с несколькими центрами координации, и смешанно замещенных макроциклов были предложены два подхода: модификация стереоизомеров тетраэфиров 2а-в на основе и-трет-бутилтиакаликс[4]арена (рис.1, А); прямое взаимодействие исходного макроцикла 1 с соответствующим алкилирующш реагентом (рис. 1, Б).

А

Рис.1. Подходы к синтезу целевых функционализированных тиакаликсаренов.

Для получения тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилгиакаликс[4]ареюв, содержащих ^-замещенные гидразидные фрагменты, в соответствии с предложенной схемой (рис.1, А) было изучено несколько различных путей синтеза (рис.2): а) реакции соответствующих гидразинов с тетраэфирами на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арет 2а-в (рис.2, А); б) гидролиз стереоизомеров тетраэфиров 2а-в до соответствующих тетракислот За-в, с последующими переводом их в ацилирующие производные (активированные сложные эфиры (рис.2, Б), ангидриды (рис.2, В), хлорангидриды (рис.2, Г)) и их взаимодействием с соответствующими гидразинами.

Первый подход (рис2, А) состоит из меньшего количества стадий. Как правило, высокие выходы целевых продуктов достигаются при гидразинализе

сложноэфирных групп при высокой температуре (порядка 150°С), при избытке стерически незагруженного //-замещенного гидразина. Однако при этих условиях используемый реагент может участвовать в побочных реакциях - окисления и полимеризации. В то же время для селективного ацшшрования //-замещенных гидразинов могут быть использованы активированные сложноэфирные и ангидридные фрагменты (рис.2, Б и В). В случае применения более высоко реакционноспособных хлораигидридов карбоновых кислот возможно протекание побочных реакций по функциональным группам в //-замещенных гидразидах (рис.2, Г).

Предварительно алкшшрованием исходного я-/лреш-бутилтиакаликс[4] арена 1 этилбромацегатом в присутствии карбонатов щелочных металлов были синтезированы тетраэфиры в конфигурациях конус-2а, частичный конус-26 и 1,3-алылернат-2в. На примере фенилгидразина как модельного соединения был изучен гидразинояиз стереоизомеров тетраэфиров на основе и-игрет-бутилтиакаликс[4] арена 2а-в. Оказалось, что тетразамещенные фенилщдразидными фрагментами стереоизомеры п-трет-бутилтиакаликс[4]ареи в изученных условиях гидразинолиза не образуются. В зависимости от условий проведения реакции были выделены либо исходные тетраэфиры 2а-в, либо трудноразделимая смесь различно замещенных по нижнему ободу п-трет-бути лти акаликс [4] ареюв.

С целью получения тетразамешрнных по нижнему ободу п-трет-

бутилгиакаликс[4]аренов был изучен второй предложенный подход. Гидролизом тетраэфиров

2а-в в присутствии избытка гидроксида лития в водном тетрагидрофуране были получены

соответствующие тетракислоты на основе п-/лре/и-бутилгиакаликс[4]арена в конфигурациях

конус-За, частичный конус-36 и 1.3-алыпернат-Ъв. Далее in situ были получены

тиакаликсарены, содержащие сложноэфирные фрагменты с и-нитрофенильной группой, и

макроциклы, содержащие смешанные ангидридные фрагменты. Однако в результате

7

Рис.2. Схемы синтеза стереоизомеров тетразамещенных по нижнему ободу л-/этре/я-бутилшакаликс[4]аренов, содержащих//-замещенные гидразидные (¡рагмеиты.

взаимодействия хлорангидридов тетракислот с и-нитрофенолом и последующей реакции продукта ацилирования с фенилгидразином, либо в результате взаимодействия тетракислот с метилхлорформиатом и последующей реакции смешанного ангидрида с фенилгидразином была получена трудноразделимая смесь продуктов. Оказалось, что использование для ацилирования фенилгидразина и-трет-бутилтиакаликс[4]аренов со сложноэфирными, активированными сложноэфирными и ангидридными фрагментами не привело к получению целевых продуктов. Для повышения реакционной способности ацилирующих реагентов три изомерные кислоты За-в были превращены в соответствующие хлорангидриды кипячением в БОСЬ. Было изучено взаимодействие соответствующих Л^-замещенных гидразинов, гидразидов и бензотриазола с хлорангидридами стереоизомеров тетракислот на основе п-/ярет-бутилтаакаликс[4]арена За-в в тетрагидрофуране.

При ацилировании хлорангидридами тетракислот За-в легко окисляющегося фенилгидразина реакцию в тетрагидрофуране проводили при комнатной температуре. Однако в случае стереоизомеров конус и частичный конус с фенилгидразином целевые соединения выделить не удалось вследствие образования (согласно данным спектроскопии ЯМР 'Н) трудноразделимых смесей продуктов. Ацилирование хлорангидридами тетракислот За-в гидразццов никотиновой, изоникотиновой, л<-нитробензойной кислот, 2-гидразидопиридит и бензотриазола проводили в тетрагидрофуране. С выходами 41-95% были получены тетразамепрнные по нижнему ободу и-шрет-бутилтиакаликс[4]арены 6-10, содержащие фрагменты никотиновой, изоникотиновой, л<-нитробензойной кислот, 2-гидразидопиридиш, бензотриазола, в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-альтернат (табл. 1).

За

1) Б ОСЬ

2)ТГФ,КН,МЕ1:

он

Зв

к 1}Ао а и

конус

Я:

с ИН-Лп

9 -

10

частичным коне

Таблица 1. Выходы (%) соединений 5-10.

Соединение 5 6 7 8 9 10

а) конус - 93 90 57 80 77

б) частичный юнус - 90 95 50 50 70

в) 1,3-альтернат 93 91 41 57 89 75

Структура и состав

синтезированных тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-

бутилтиакаликс[4]аренов 6-10 были охарактеризованы комплексом

физических методов: ЯМР 'Н и 13С, ИК-спектроскопией, масс-спектрометрией.

Конфигурация макроциклического кольца полученных соединений была установлена с помощью одномерной ЯМР 'Н и двумерной ЯМР 'Н-'Н NOESY спектроскопии.

Синтез п-трет-

бутилгиакаликс[4]ар;нов, содержащих различные

функциональные группы

(гидразидные, аминные,

карбоксильные, амидные и гуанидиниевые) по нижнему ободу макроцикла, был реализован с применением второго подхода (рис.1, Б) - функционализадаей моно- и дизамещенных по нижнему ободу п-

трглг-бутилтиакаликс[4]аренов. Для получения различно замещенных по нижнему ободу п-трет-

бутилтиакаликс[4]ареюв на основе монозамещенного производного по литературным методикам были синтезированы соединения 11-14.

Получение аминогрупп в триэфирах на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]ареш в 94%

конфигурациях конус - 12 и 1,3-альтернат - 13 является более сложной задачей. Для снятия фталимидной защиты возможна реализация двух подходов: щелочной гидролиз и гидразинолиз соединений 12 и 13. В результате гидролиза соединений 12 и 13 в присутствии избытка

12 П fo >f0

юн I ©

,0 ¿

LiOII ТГФ/Н

Já

CH,CN, NEt_,

SSVhoHh

OH

fe™' HjN ©

h'n®no,-

гидроксида лития в водном тетрагидрофуране только в случае конфигурации конус возможно образование аминокислоты 15, фталимидная группа стереоизомера 1,3-алыпернат гидролизуется только до амида 16. Гидразинолизом в этаноле триэфира 13 с выходом 97% был получен тиакаликсарен 17. Далее была изучена модификация аминогрупп синтезированных тиакаликсаренов 15 и 17. Введение гуанидиниевых фрагментов в структуру макроциклов является комплексной синтетической задачей. Для селективного введения в структуру тиакаликсарена одного гуанидиниевого фрагмента с сохранением дополнительных участков связывания (амидных, гидразидных, карбоксильных групп) было решено использовать один из наиболее селективных реагентов - 3,5-диметил-1Н-пиразол-1-карбокеамидин нитрат, который является достаточно реакционноспособным амидинирующимреагентом по отношению к первичными вторичным аминам. Вовлечением в реакцию аминогрупп л-тй/?ет-бутшпиакаликс[4]аретв 15 и 17 с 3,5-диметил-1Н-пиразол-1-карбоксамидин нитратом с хорошими выходами были получены гуанидиниевые

он

производные 18 и 19.

Для синтеза тетразамещенных макроциклов в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-алыпернат было предложено защитить аминогруппу монозамещенного по нижнему обоДу п-тргт-бутилтиакаликс[4]арена 14 и одновременно получить прекурсор с полифункциональным заместителем. Ацилированием моноамина 14 ангидридом янтарной кислоты было получено соединение 20. Далее была изучена реакция полученного монопроизводного 20 с N-(3-бромпропил)-фталимидом в

присутствии карбонатов щелочных металлов. Отсутствие темплатного эффекта катионов щелочных металлов (К+, Сз+) при алкилировании Л^-(3-бромпропил)-фталимидом п-трет-бутилтиакаликс[4]арша 20 приводит к образованию только стереоизомера 1,3-апътгрнат-1\.

23

92%

22

99%

Реакцией стереоизомера 1,3-

альтернат л-нгрет-бутилтиакаликс[4] арена 21 с гидразингидратомв этаноле с выходом 99% был получен соответствующий тетраамш 22. Оказалось, что в случае трифталимида на основе и-/ярет-бутшггиакаликс[4] арена 21 в конфигурации 1,3-альтернап в реакции принимают участие не только фталимидные фрагменты, но и амидная группа. В результате реакции соединения 22 с 3,5-димети1ь1Н-пиразол-1-карбоксамидин нитратом с высоким выходом был получен п-т/7е/и-бутилтиакаликс[4]арш 23 с двумя гуанидиниевыми фрагментами. Образование соединения 23, содержащего гуанидиниевые фрагменты и аминогруппы по разные стороны макроциклической платформы, по-видимому, определяется способностью гуанидиниевого фрагмента активировать соседнюю аминогруппу, что облегчает ее дальнейшую модификацию. Однако электростатическое отталкивание соседних гуанидиниевых фрагментов приводит к отрицательному аллосгерическому эффекту, вследствие которого аминоэтоксильный и аминопропильный фрагменты сближаются в пространстве, что препятствует их дальнейшей модификации в гуанидиниевые группы. Наблюдаемые в спектре ЯМР 'Н-'Н 1ЮЕЗУ макроцикла 23 кросс-пики, обусловленные диполь-дипольным взаимодействием между протонами ОСН>СН>СН71ЧН? группы с протонами ОСТЬСЩ'Ш? фрагмента, также свидетельствуют о наличие отрицательного аллостерического эффекта. Таким образом, из монозамещенных производных п-трет-бутилтиакаликс[4]ареш 11, 14, 20 были синтезированы полифункциональные макроциклы 18, 19, 23 в конфигурациях конус и 1,3-альтернат, содержащие наряду с гуанидиниевыми и другие функциональные группы (гцдразидные, карбоксильные, аминные).

Следующим этапом исследования стала функционализация 1,3-дизамещенных по нижнему ободу и-т/?ет-бутилтиакаликс[4]ареюв, содержащих сложпоэфирные и Л'-пропппфталимидные фрагменты. Взаимодействием макроцикла 1 с этилгидроксиасртатом и Л,-(3-гадроксипропил)фталимидом в системе трифенилфосфин/диэтилазодикарбассилат (ТРР/Т)ЕАЦ) при комнатной температуре в тетрагидрофуране были получены макроциклы 24 и 25 с выходами 73% и 64% соответственно.

С целью синтеза различно замещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]ареюв была изучена реакция 1,3-дизамещенного тиакапиксарена 25 с этилбромацегатом в присутствии карбонатов щелочных металлов в ацетоне. Только в случае использования карбоната цезия с выходом 81% было выделено соединение 26 в конфигурации 1,3-альтернат. В случае карбоната натрия был количественно выделен исходный макроцикл 25, а проведение реакции в присутствии карбоната калия привело к образованию трудноразделимой смеси продуктов полного алкилирования в конфигурациях 1,3-альтернат и частичный конус.

Далее была изучена реакция л-т/зет-бутилтиакаликс[4]арена 24 с N-(3-

бромпропил)фталимидом в ацетоне, при этом варьировались природа темплатного катиона

(Ыа+, К+, Се4) и время протекания процесса (24-72 часа). Было установлено, что, независимо

от условий проведения реакций, образуется продукт 26 в конфигурации 1,3-альтернап с

выходом 34% в присутствии карбоната калия и 45% - карбоната цезия. Гидразинолизом п-

11

) 73%

Г \

Оу». /^о

трет-бутилгиакаликс[4]арена 26 в этаноле с выходом 75% было получено соединение 27. По реакции макроцикла 27 с 3,5-диметил-1Н-пиразол-1-карбоксамидин нитратом с хорошим выходом был синтезирован тиакаликсарен 28 в конфигурации 1,3-алыпернат, содержащий с одной стороны

м,со, (М-К, Сз) ацетон

26

34%, м=к 45%, м>с5 {а) 81%,м»сз(6)

макроцикла фрагменты, а гуанидиниевые. Структура

гидразидные другой

состав

и

полученных соединений 18-23,23-28 были охарактеризованы рядом физико-химических методов:

одномерной ЯМР 'Н и 13С спектроскопией, двумфной ЯМР ЯОЕЗУ 'Н-'Н спектроскопией, ИК-спекгроскопией, электроспрей масс-спекгрометрией и элементным анализом.

Таким образом, были реализованы два подхода к синтезу тетразамещенных по нижнему ободу и-т/л»/и-бутилтиакаликс[4]аренов в различных конфигурациях,

содержащих заместители с несколькими центрами координации как катионов металлов, так и дикарбоновых кислот, а также макроциклов, функционализированных по нижнему ободу различными по природе заместителями, способных к связыванию различных типов субстратов (например, катионов металлов и дикарбопэвых кислот).

2. Двух- и трехкомпонснтные супрамолекулярные системы на основе замещенных по

нижнему ободу л-т/?е/л-бутнлтнакалнкс[4|аренов с катионами металлов и

дикарбоновымн кислотами

Для изучения закономерностей процесса самоассоциации и агрегации с образованием

супрамолекулярных ансамблей (двухкомпонентных систем) в растворах и в твердой фазе

были выбраны модельные п-трет-бутилтиакаликс[4]арены 29-36 в трех конфигурациях

12

{конус, частичный конус и 1,3-алътернат), функционализированные по нижнему ободу вторичными, третичными амидными и гидразидными группами. Предварительно методом пикратной экстракции были изучены комлексообразующж свойства соединений 29-36 по отношению к катионам металлов.

n

-О

«гЛ >д д^ьл

34 О

35 36.

-о

-КН-мн2

~-ГччГ

й)конус 6)частичный конус в)7,3-алътернат

Для определения количественной характеристики молекулярного распознавания катиоиов щелочных металлов (1Л+, Ыа+, К+, (А13+, РЬ2+) и (/-элементов (Ре3+, №2+, Си2+,

Hg2+, Со3+, С(12+, Ag+) функционализированными производными п-трет-бутилтиакаликс(4]арена 29-36 методом пикратной экстракции были установлены величины констант устойчивости и стехиометрия комплексов катион:макроцикл, образующихся в органической фазе. Оказалось, что в случае макроциклов 34 и 35, содержащих третичные амидные фрагменты, стехиометрия образующихся комплексов зависит от конфигурации рецептора (рис.3). Как и следовало ожидать, в случае сгереоизомера конус взаимодействие возможно только с одной стороны макроциклической платформы с образованием комплексов состава 1:1 (рис.3, а), у стереоизомеров частичный конус и ],3~альтернат связывающж фрагменты находятся с обеих сторон макроцикла, в результате чего одна молекула рецептора способна связывать один или два катиона с образованием комплексов 1:1 или 2:1 (рис.3, б-д). Однако для большинства комплексов стереоизомеров макроциклов 34 и 35 с рядом катионов были порчены другие значения стехиометрии (табл.2).

б)часмичный конус в)частичпый конус

а)конус

РнсЗ. Возможные структуры комплексов бутилтиакаликс[4]ареюв с катионами металлов.

г)1,3-альтернат д)1,3-алътернат

стереоизомеров п-трет-

Аналогачная тенденция наблюдается и для л-«?реш-бутилтиакаликс(4]аренов Зба-в, тетразамещенных гидразидными фрагментами Так, было установлено, что для каждого стереоизомера {конус, частичный конус, 1,3-шьтернагп) возможно образование комплексов с катионами р- и ¿/-элементов с различным набором стехиометрических коэффициентов. В случае систем, содержащих макроциклы 29-33, тетразамещгшше вторичными амидными группами, и катионы серебра (1), стехиометрия не зависит от конфигурации и составляет 1:1, а меняется в пределах двух порядков (от 3.2 до 5.4).

Таблица 2. Логарифмы констант экстракции (lgKjx) и стехиометрия (п («гость»:«хозяин»)) комплексов стереоизомеров л-я7/?ети-бутилтиакаликс[4]арена 34, 35 с катионами металлов s-, р- и rf-элементова._

конус частичный конус 1,3-алыпгрнат

34a 35a 346 356 34в 35b

катионы n n lgKe* n lgK„ n Igf^ n n

Li+ 1:1 3.39 1:2 8.43 2:1 1.83 1:1 4.51 2:1 1.81 1:1 3.31

Na+ 1:1 4.03 1:2 9.16 1:1 3.53 2:3 6.96 1:1 5.33 1:2 8.33

Г 1:1 3.05 1:1 5.43 2:1 3.11 2:3 732 1:2 9.47 1:2 9.06

Cs+ - - 3:2 2.39 3:2 2.45 1:1 3.95 2:3 6.88 1:2 8.52

3:2 4.20 1:1 6.08 2:3 8.37 2:3 8.18 1:2 9.93 1:2 9.83

Fe 2:1 4.07 1:1 6.45 2:1 3.93 - - 2:1 4.56 - -

ье 2:1 5.70 1:1 7.69 3:2 5.40 - - 2:1 4.43 1:1 8.03

Pt/+ 2:1 5.17 1:2 12.70 - - - - 2:1 4.16 1:1 6.95

CoJ+ - - 3:2 5.36 2:1 3.91 - - 3:2 5.13 - -

Nii+ - - 1:1 6.68 2:1 3.98 - - 2:1 5.14 - -

Al* - - 1:1 6.55 - - 2:1 4.62 2:1 3.98 - -

c<r - - 2:1 4.68 - - - - 2:1 4.28 3:2 6.26

- - - - 3:2 4.42 - - 2:1 4.75 - -

а) [Ц0ГВ„ы, = 10"4 - 2.5* 1О М, [MPicjjq.jini,. = 2.32* 10"4 М

В связи с разнообразными значениями стехиометрических коэффициентов для комплексов катион : тиакаликсарда, а также публикациями о возможности образования твердофазных ансамблей тиакаликс[4]арешв с трифлатом серебра (I) было высказано предположение о способности макроциклов 29-36 образовывать самоассоциаты, а также агрегаты с катионами металлов s-, р- и rf-элементов в органической фазе. Была изучена агрегация тетразамещенных по нижнему ободу «-шрет-бутилтиакаликс[4]ареюв в условиях, близких к условиям пикратной экстракции. Для определения количества структурных единиц (N), т.е. молекул л-трет-бутилтиакаликс[4]аренов и катионов металлов, образующих наноразмерные агрегаты, были установлены значения молекулярных масс. Из стехиометрических коэффициентов п («гость»:«хозяин»), определенных с помощью метода пикратной экстрации, и молекулярных масс наноразмерных частиц, полученных с помощью метода динамического светорассеяния, было оценено количество молекул рецептора и субстрата, участвующих в формировании супрамолекулярныхассоциатов.

Методом динамического светорассеяния было установлено, что вторичные и третичные амиды на основе я-треш-бутилтиакаликс[4]аренов 29-33, 35а способны к самоассоциации. Так, например, л-/л/?«т-бутилтиакаликс[4]арен 35а, содержащий пирролидадные фрагменты, способен к самоассоциации за счет диполь-дипольного взаимодействия третичных амидных групп. Однако при введении катионов лития в систему, состоящую из самоассоциировашых н-трет-бутилтиакаликс[4]аренов 35а, происходит образование димеров с гидродинамическим диаметром 1 нм и молекулярной массой 2.7 1^Да. Образование наноразмерных частиц с гидродинамическим диаметром 150 нм (за исключением макроцикла 336 - размер частиц составляет 66.8 нм) также происходит после

добавления к растворам самоассоциированных макроциклов 29-33, тетразамепрнных вторичными амидными фрагментами, нитрата серебра (I). В зависимости от природы атшльных заместителей вторичных амидных групп соединений 29-33 значения молекулярной массы наноразмерных частиц с AgNOä варьируются в широких пределах. Одинаковый размер ассоциатов, но различные значения молекулярных масс свидетельствуют о том, что агрегаты могут отличаться друг от друга формой.

На примере стерсоизомеров п-»г/?е/?1-бутилтнакали<с[4]арена 36, содержащего гидразидные фрагменты, было показано, что размер наноагрегатов зависит как от конфигурации макроцикла, так и от природы субстрата Для стереоизомера конус 36а характерно образование с катионами переходных металлов димерных капсул со стехиометрией 2:1, размером 6-8 им п молекулярной массой 2.5 кДа. Для стереоизомера частичный конус 366 в зависимости от природы субстрата значения молекулярной массы наноагрегатов варьируются в широких пределах от обычных комплексов состава 1:1 до наноразмерных агрегатов с молекулярной массой более ¡215.0 кДа. В отличие от вышеперечисленных стереоизомеров 1,3-альтернат 36в с катионами серебра (I), меди (II) и железа (III) склонен к образованию ассоциатов, содержащих от 4 до 22 молекул п-трет-бутилтиакаликс[4]арет.

В случае стереоизомеров п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов 34 и 35, содержащих третичные амидные фрагменты, размер образующихся частице нитратом серебра (I) зависит от конфигурации макроцшспа (табл.3). «-яг/?ет-Бутилтиакаликс[4]аржьг, для которых характерны близкие по величине константы экстракции и стехиометрии, способны образовывать с нитратом серебра (I) агрегаты с одинаковыми гидродинамичгскими диаметрами (346, 356 (частичный конус) - 134.0, 131.3 нм, а 34в, 35в (1,3-аяьтернат) - 140.0 и 141.9 нм соответственно).

Таблица 3. Размер агрегатов (гидродинамический диаметр d, нм), индекс полндисперсности (PDI), логарифмы констант экстракции (lgKc), стехиометрические коэффициенты (п («гость»:«хозяин»)), количество структурных единиц (N), молекулярная масса (ММ, кДа), второй вириальный коэффициент (А2, мл*моль/г2) агрегатов, образованных в результате

dt, HM/PDI ММ, кДа А2, мл* моль/г7 N n lgK„

конус(34а) 84.2/0.18 61.65 -0.04 20.8 3:2 4.20

конус (35а) 153.3/0.08 12.25 -0.25 9.2 1:1 6.08

частичный конус (346) 134.0/0.16 38.50 -0.08 9.6 2:3 8.37

частичный конус (356) 131.3/0.17 38.30 -0.23 10.0 2:3 8.18

1,3-ачьтгрнат (34в) 140.0/0.18 14.35 -0.54 5.5 1:2 9.93

1,3-алыпернсип (35в) 141.9/0.23 7.44 -0.67 3.0 1:2 9.83

Следует отметить, что только макроциклы 346 и 356 (частичный конус) с AgNOз образуют ассоциаты с одинаковым значением молекулярной массы 38.5 кДа (табл.3). Как в случае пирролидидов 356 и 35в, так и для морфолидов 34а-в с увеличением гидродинамического размера частиц в ряду конус, частичный конус и 1,3-алыпернат

количество фрагментов, образующих наноагрегаты, уменьшается. Исключение составляет п-/я/?е>я-бутшпиакаликс[4]ар0Н 35а с пирролидидными фрагментами в конфигурации конус. В случае соединения 35а были получены относительно высокие значения размера частиц 153.3 нм, а молекулярная масса составила 12.2 кДа (табл.3). Уменьшение значений молекулярных масс, но увеличение размеров частиц, образованных соединениями 34а и 35а, содержащими морфолидные и пирролидидные фрагменты, в конфигурации конус с нитратом серебра (I), может свидетельствовать о разной форме данных агрегатов.

Методом атомно-силовой микроскопии было установлено, что морфолид 34а с нитратом серебра (I) образует сферические агрегаты, а пирролидид 35а - плоские и круглые ассоциаты. Образование плоских и круглых частиц, размер которых совпадает с размером, определенным методом динамического светорассеяния, характерно для большинства агрегатов каликсаренов с нитратами металлов. Однако в зависимости от природы катиона металла возможно получение круглых агрегатов (пирролидид 35а и нитрат серебра (I)), частиц в виде «наноколец» (пирролидид 35а и нитрат никеля (II)) или эллипсоидных образований (пирролидид 35а и нитрат свинца (Щ). Конфигурация рецептора также оказывает существенное влияние на формирование частиц различной формы. Так, в случае тиакаликсаренов 32 с нитратом серебра (I) при переходе от стереоизомера 1,3-алътернат к конфигурациям частичный конус и конус происходит изменение формы частиц от круглых до разветвленных. Противоположная тенденция, обусловленная, по-видимому, различной природой заместителя, наблюдается для гвдразидов 36 с А§Ы03 - протяженные образования формируются в случае стереоизомера 1,3-алътернат.

Таким образом, методами динамического светорассеяния и атомно-силовой микроскопии было установлено, что, в зависимости от конфигурации макроцикла, природы связывающих центров и природы катиона металла, изученные п-тргт-бутилгиакаликс[4]аре1ы способны образовывать с нитратами металлов как комплексы типа «гость-хозяин», так и димеры, сферические, эллипсоидные и протяженные наноразмерные частицы (рис.4).

Наличие в структуре рецептора дополнительных центров координации (карбоксильных, аминных, гуанидиниевых групп, гетероциклических фрагментов) позволяет я-тредг-бутилгиакаликс[4]аренам взаимодействовать не только с катионами металлов, но и с дикарбоновыми кислотами. В связи с этим было высказано предположение, что в результате конкуренции связывания того (катион металла) или иного (дикарбоновая кислота) субстрата одним центром связывания (гидразидный, гетероциклический фрагмент) появляется дополнительная возможность формирования каскадных или коммутативных трехкомпонентаых супрамолекулярных систем.

В коммутативной системе не имеет значения, какой из субстратов будет связываться в первую очередь, тогда как в каскадных системах связывание нескольких субстратов должно происходить только в определенной последовательности (рис.5).

везшулы

Рнс.4. Возможные типы структур, образованных футшионализированными п-трет-бутшггаакаликс[4]аретми и катионами металлов.

^ V к

^ *•? тиакаликсареп, катион металла

у,, у" - >т>

^ Ж УУ

* г- V

•£ ¡Г - л

каскаднме системы

Г

-V

0

,0 9.,

О Я>

о , а й^ага*

дикарбонобаякпслота ^ ^

® ру

качмутвтнвные сиап£.\ш б, ^ЧЭ^гС5,

1« г^оа?

V

(О О-

а) конус 6) частичный комп \

0 <,55-

>■" ' 1

Рпс.5. Возможные способы образования каскадных трехкомпонентных систем.

и коммутативных

В качестве рецепторов для создания систем были выбраны тетразамещенные по нижнему ободу п-/;7ря7!-бутилтиакаликс[4]арены 5-10, 37 в различных конфигурациях, содержащие одинаковые заместители с несколькими центрами координации, а также макроциклы 18, 19, 23, 28, функционализированные по нижнему ободу различными по природе заместителями.

Предварительно методом УФ-спектроскопии было изучено взаимодействие нитрата серебра (I) и модельных дикарбоновых (щавелевая, малоновая, янтарная) кислот с макроциклами 5-10, 18, 19, 23, 28, 37. Оказалось, что для большинства систем, независимо от конфигурации рецептора, природы субстрата и связывающих центров, стехиометрия составляет 1:1. При этом эффективность взаимодействия для макроциклов 8а и 376 в ряду кислот - щавелевая, малоновая, янтарная - уменьшается (табл.4). В то же время в ряде

случаев с дикарбошвыми кислотами и нитратом серебра (I) были получены другие значения стехиометрических коэффициентов - 2:3, 3:2 и 1:2.

да/

¿МЛ ро

а)конус б)частичный коне в) 1,3-альтернат 0 37

Таблица 4. Логарифмы констант ассоциации (^Касс) и стехиометрия (п(«гость»:«хозяин»)) комплексов нитрата серебра (I) и дикарбоновых кислот с макроциклами 8а, 376"._

нитрат серебра щавелевая кислота малоновая кислота янтарная кислота

п lgK.cc п lgK.cc п п 1?К*=

8а 1:1 4.90 1:1 4.10 1:1 3.24 1:1 2.43

376 1:1 4.18 1:1 4.38 1:1 3.26 1:1 2.69

а) [ЦМ = 10'5 М, [к-та]ы,. = 10 ' М.

В связи с этим, а также исходя из возможности образования агрегатов макроциклов 34-41 с катионами металлов в дихлорметане, можно предположить, что п-трет-бутилтиакаликс(4]арены 5-10,18,19, 23,28,37, содержащие различные участки связывания, будут образовывать супрамолекулярные ассоциаты как с катионами серебра (I), так и с дикарбоновымикислотами в растворе.

Методом динамического светорассеяния в метаноле было показано, что п-трет-

бутилтиакаликс[4]арены 18, 19, 23, 28, содержащие гуанидиниевые фрагменты, способны только к самоассоциации (рис.6). В то время как л-тре/я-бутилтиакаликс[4]арены 5-10, 37, содержащие Л'-замещенные гидразидные и гетероциклические фрагменты, в дихлорметане формируют наноразмерные частицы как с AgNOз, так и с кислотами Для

Рнс.б. Распределение частиц по размеру (интенсивности) в системах, образованных макроциклами 18,19,23, 28 в СН3ОН.

большинства изученных систем наблюдается общая зависимость: увеличение размера агрегатов при переходе от щавелевой к малоновой кислоте. Таким образом, п-трет-бутилтиакаликс[4]арены 5, 6, 8-10, 37, содержащие центры связывания как с катионами металлов, так и с карбоновыми кислотами, могут быть использованы для создания трехкомпонентных каскадных или коммутативных систем.

Методом динамического светорассеяния было показано, что в результате введения третьего компонента (дякарбоновой кислоты или нитрата серебра (I)) в систему на основе супрамолекулярных ансамблей (я-тре/я-бутилтиакаликс(4]арен и нитрат серебра (I) или и-трея|-бутшт1акаликс[4]арен и дикарбоновая кислота) происходит изменение гидродинами'Еского размера частиц, то есть происходит образование трехкомпонентных систем. По изменению гидродинамичгского размера частиц в результате их взаимодействия с третьим компонентом можно оценить тип трехкомпонентной системы - каскадная или коммутативная. Например, при взаимодействии макроцикла 66 с нитратом серебра (I) (система А) и щавелевой кислотой (система Б) в дихлорэтане происходит образование наноразмерных частиц с размерами порядка 51.6 и 168.6 нм соответственно (рис.7). В результате взаимодействия супрамолекулярных ассоциатов (соединение 66 и щавелевая кислота) с нитратом серебра (I) происходит изменение размера частиц до 124.4 нм (система В) (рис.7). Однако при взаимодействии супрамолекулярных ансамблей (соединение 66 и нитрат серебра (I)) с щавелевой кислотой изменение гидродинамического диаметра наночастиц не происходит. Следовательно, в данном случае речь идет о каскадном типе системы.

1 ю 100 юоо юооо

размер нм)

Рнс.7. Распределение частиц по размеру (интенсивности) в системах, образованных (А) макроциклсм 66 и нитратом серебра (I), (Б) макроциклэм 66 и щавелевой кислотой, (В) в трехкомпонентных супрамолекулярных ассоциатах (щавелевая кислота - п-трет-бутилтиакаликс[4]арен6б - нитрат серебра (I)) в СНгСЬ-

К каскадному типу можно отнести и те системы, в которых п-трет-бутилтиакаликс[4]арен способен образовывать супрамолекулярные ансамбли (двухкомпонентную систему) только с одним из субстратов - с нитратом серебра (I) или дикарбоновой кислотой, при этом полученные супрамолекулярные агрегаты должны

обладать способностью взаимодействовать с третьим компонентом. Например, система [частичный конус(1 OO^AgNCbjjjp.+iiaB. к-та. Гидродинамический размер частиц для (двухкомпонентной системы) составляет 84.8 нм, а для трехкомпонентной 37.4 нм.

К коммутативным относятся те системы, для которых в результате взаимодействия супрамолекулярных ансамблей (п-трет-бутилтиакаликс[4]ара1 и нитрат серебра (I) или п-трет-бутилтиакаликс[4]арен и дикарбоновая кислота) с соответствующими субстратами происходит образование трехкомпонентных наноразмерных частиц с одинаковыми размерами, например, гидродинамический диаметр супрамолекулярных ансамблей на основе макроцикла 6в не зависит от последовательности связывания субстратов и составляет 86 нм. Следует отметить, что в результате изменения конфигурации рецептора 6 частичный конус-1,3-альтернат происходит изменение системы с каскадной на коммутативную.

Варьирование конфигурации макроцикла, природы субстратов и заместителей по нижнему ободу и-т/>еот-бутилтиакаликс[4]арена позволило получить каскадные системы в виде наночастиц с различными гидродинамическими диаметрами. При этом для большинства п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов характерно образование каскадных систем типа «макроцикл - нитрат серебра (I) - дикарбоновая июлота».

Таким образом, на примере синтезированных макроциклов также было показано, что в зависимости от природы субстрата и конфигурации макроцикла возможно получение двух-и трехкомпонентных супрамолекулярных систем. В зависимости от последовательности связывания субстратов макроциклами образующиеся трехкомпонентные системы были охарактеризованы как каскадные или коммутативные.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена и реализована стратегия пошаговой сгереоселекгивной функционализации гцлразидными, гуанвдиниевыми, пиридиновыми фрагментами и карбоксильными группами нижнего обода п-трет-бугилтиакаликс[4]арена для синтеза гетеротопных рецепторов на катионы металлов и дикарбоновые кислоты.

2. Синтезировано 28 новых функционализированных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакапикс[4]аренов, содержащих //-замещенные гидразидные, аминные, амидные, гуанидиниевые группы, фрагменты гидразидов никотиновой, изоникотиновой, 3-нитробензойной кислот, 2-гидразцдопиридина, фенилгидразина, бензотриазола; структура соединений установлена комплексом физических методов (одномерной ЯМР 'Н, |3С и двумерной 'Н-'Н NOES Y спектроскопией, Ж спектроскопией, масс-спекгрометрией).

3. Показано, что активация карбоксильных групп изученных тиакаликс[4]аренов в реакциях с //-замещенными гидразидами реализуется путем превращения их в высокореакционноспособные хлоранпадриды кислот и недостаточна в случае сложноэфирных, активированных сложноэфирных и ангидридных фрагментов.

4. Разработан метод селективного введения одного или двух гуанидиниевых фрагментов в структуру л-т/жт-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих различные функциональные группы.

5. Методами динамического светорассеяния, пикратной экстракции и электронной спектроскопии установлен ряд закономерностей образования супрамолекулярных наноразмерных агрегатов синтезированных л-тргт-бутилтиакаликс{4]аренов с рядом катионов s-, р- и (/-элементов и дикарбоновых кислот в органической фазе. Выявлено, что способность изученных макроциклов образовывать наноразмерньв агрегаты с катионами металлов в органической фазе приводит к усилению их экстракционных свойств. Показано, что образование димеров и супрамолекулярных ансамблей с катионами р- и d-элемеигов зависит от конфигурации и функциональных групп тетразамещенных по нижнему ободу n-mpem-бутилтиакаликс(4]аренов и природы «гостей».

6. Методом атомно-силовой микроскопии установлено, что форма и размер супрамолекулярных ансамблей в твердой фазе определяется природой заместителей и конфигурацией изученных макроциклов и природой субстрата (катиона металла или дикарбоновой кислоты). Показано, что, как правило, размер частиц, образованных изученными и-трет-бутилгиакаликс[4]аренами с катионами р- и (/-элементов, уменьшается при переходе от стереоизомера конус к стереоизомерам частичный конус и 1,3-альтернат.

7. Методами динамического светорассеяния и электронной спектроскопии установлено, что л-шреш-бутилтиакаликс[4]арены, содержащие //-замещенные гидразидные и гетероциклические фрагменты, являются сорецепторами, способными к одновременному взаимодействию с катионами серебра (!) и дикарбоновыми кислотами. Выявлено, что для изученных тиакаликсаренов, содержащих //-замещенные гидразидные и пиридиновые фрагменты, характерно образование каскадных систем «макроцикл - нитрат серебра (I) -дикарбоновая кислота».

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1. Юшкова, Е.А. Самосборка наноразмерных агрегатов из п-трет-бутилтиакаликс[4]ареюв, тетразамещенных по нижнему ободу гидразидными фрагментами, и катионов р- и (/-металлов [Текст] / Е.А. Юшкова, И.И. Стоиков, И.С. Антипин, А.И. Коновалов // Ученые записки Казанского государствешюго университета. Серия «Физико-математические науки». - 2007. -Т. 149. - С.97-115.

2. Stoikov, I. I. Solvent extraction and self-assembly of nanosized aggregates of p-tert-butyl thiacalix[4]arenes tetrasubstituted at the lower rim by tertiary amide groups and monocharged metal cations in the organic phase [Text] /1.1. Stoikov, E. A. Yushkova, A. Yu. Zhukov, I. Zharov, I. S. Antipin, A. I. Konovalov // Tetrahedron. - 2008. - V. 64, N 32. - P.7489-7497.

3. Stoikov, I. I. The synthesis of p-tert-butyl thiacalix[4]arenes functionalized with secondary amide groups at the lower rim and their extraction properties and self-assembly into nanoscale aggregates [Text] /1. I. Stoikov, E. A. Yushkova, A. Yu. Zhukov, I. Zharov, I. S. Antipin, A. I. Konovalov // Tetrahedron. - 2008. - V. 64, N 30-31. - P.7112-7121.

4. Stoikov, I. I. Supramolecular self-assemblies of stereoisomers of p-tert-butyl thiacalix[4]arenes functionalized with hydrazide groups at the lower rim with some metal cations [Text] /1.1. Stoikov, E. A. Yushkova, A. I. Zharov, I. S. Antipin, A. I. Konovalov // Tetrahedron. -2009,-V. 65, N34.-P.7109-7114.

5. Yushkova, E.A. p-tert-Butyl thiacalix[4]arenes functionalized with amide and hydrazide groups at the lower rim in cone, partial cone, and 1,3-altemate conformations are "smart" building

blocks for constructing nanosized structures with metal cations of s-, p-, and d-elements in the organic phase [Text] /Е.A. Yushkova, I.I. Stoikov//Langmuir.-2009. -V.25, N9. -P.4919-4928.

6. Stoilcov, I.I. Self-assembly of stereoisomers of p-tert-butyl thiacalix[4]arenes tetrasubstituted at the lower rim by a tertiary amide group with cations of p- and d-elements in the organic phase [Text] / Stoikov, E.A, Yushkova, A.A. Bukharaev, D.A. Biziaev, S.A. Ziganshina, I. Zharov//J. Phys. Chem. C. -2009. - V. 113,N. 36.-P.15838-15844.

7. Пат. 2381222 Российская Федерация, МГПС7 C2 C07D341/00, B82B1/00, Наноразмерные агрегаты на основе производных стереоизомеров п-трет-бутилтиакаликс[4]арет и катионов серебра / Антипин И.С., Стойков И.И., Жуков А.Ю., ЮшковаЕ.А., Коновалов А.И.; заявка № 2008113417/04; заявл.31.03.2008, Опубл. 10.02.2010 - 6 с.:ил.

8. Пат. 2389812 Российская Федерация, МПК7 С2 С22В26/10, С22В11/00, С22ВЗ/26, В82В1/00, Способ извлечения из водных растворов солей щелочных металлов и серебра / Антипин И.С., Стойков И.И., Жуков А.Ю., Юшкова Б.А., Коновалов А.И.; заявка № 2008113414/02; заявл. 3103.2008, Опубл. 20.05.2010-6 с.:ил.

9. Юшкова, Е-А. Пикратная экстракция катионов металлов синтетическими рецепторами на основе тиакаликс[4]ареновой платформы [Текст] / Е.А. Юшкова, Л.И. Гафиуллина, И.И. Стойков, И.С. Антипин, А.И. Коновалов // Тезисы докладов V научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета "Материалы и технологии XXI века". - Казань, 2005. - С.86.

10. Юшкова, Е.А. Пикратная экстракция катионов металлов синтетическими рецепторами на основе тиакаликс[4]ареновой платформы [Текст] / Е.А. Юшкова // Тезисы докладов итоговой научно-образовательной конференции Химического Института им. A.M. Бутлерова. - Казань, 2005. - С.49.

11. Юшкова, Е.А. Исследование взаимодействия тетразамещенных амидными и гидразидными группировками тиакаликс[4]аршов с рядом катионов металлов [Текст] / Е.А. Юшкова, Л.И. Гафиуллияа, Д.Б. Пуплампу, Л.И. Гафиуллина, И.И. Стойков, И.С. Антипин, А.И. Коновалов // Тезисы докладов VI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета "Материалы и технологии XXI века". - Казань, 2006. - С. 127.

12. Юшкова, Е.А. Комплексообразующге свойства тиакаликс[4]аренов, содержащих амидные и гидразидные фрагменты, по отношению к ряду катионов металлов [Текст] / Е.А. Юшкова // Тезисы докладов итоговой научно-образовательной конференции студентов Химического Института им. A.M. Бутлерова. - Казань, 2006. - С.46.

13. Юшкова, Е.А. Изучение способности к самоассоциации систем на основе тетразамещенных по нижнему ободу морфолидными фрагментами п-трет-бутилгиакаликсаренов и ряда катионов металлов [Текст] / Е.А. Юшкова, С.В. Жукова, А.Ю. Жуков, И.И. Стойков, И.С. Антипин // Тезисы докладов VII научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета "Материалы и технологии XXI века". - Казань, 2007. - С.138.

14. Stoikov, I.I. Tetrasubstituted on the lower rim p-tert-butyl thiacalix[4]arenes, containing carbomoyl groups: synthesis and study of complexation abilities [Text] / I.I. Stoikov, A.Yu. Zhukov, E.A. Yushkova, D.Sh. Ibragimova, I.S. Antipin, A.I. Konovalov // Book of abstracts of XVIII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, Moscow, 2007. - Moscow, 2007. -P.2256.

15. Юшкова, E.A. Молекулярное распознавание ряда катионов металлов стереоизомерами некоторых тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутшггиакаликс[4]аренов [Текст] /

Е.А. Юшкова // Тезисы докладов итоговой научно-образовательной конференции студентов Химического Института им. A.M. Бутлерова. - Казань, 2007. -С.59.

16. Юшкова, Е.А. Самосборка ассоциатов тетразамещенных амидными фрагментами по нижнему ободу п-трет-бутилшакаликс[4]аршов и катионов металлов [Текст] / Е.А. Юшкова, С.В. Жукова, А.Ю. Жуков, И.И. Стойков., И.С. Антипин // Pan-REC Конференция-2007. -Пермь, 2007. - С.11.

17. Yushkova, Е.А. Supramolecular architecture-controlled self-assemblies of derivatives p-tert-butyl thiacalix[4]arene with some cations metal: toward nanotechnology smart materials [Text] / E.A. Yushkova // Book of abstracts of 1st Russian-Japanese young scientists conference on nanomaterials and nanotechnology. - Moscow, 2008. - P.38.

18. Юшкова, Е.А. Самосборка наноразмерных агрегатов п-1рет-бутилтиакалшсс[4]арешв, содержащих гидразидпые фрагменты, с катионами металлов р- и d- элементов [Текст] / Е.А. Юшкова, И.И. Стойков, И.С. Антипин, А.И. Коновалов // Тезисы докладов VIII научной конференции молодых учёных, аспирантов и студентов научно-образователького центра Казанского государственного университета «Материалы и технологии XXI века». - Казань, 2008.-С.88.

19. Yushkova, Е.А. Self-assembly of stereoisomers of p-tert-butylthiacalix[4]arenes tetra-substituted at the lower rim by amide and hydrazide groups with metal cations in the organic phase [Text] / E.A. Yushkova, I.I. Stoikov // Тезисы докладов XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии и Молодежной конференции-школы «Физико-химические методы в химии координационных соединений». - Санкт-Петербург, 2009. -С.511.

20. Stoikov, I.I. Supramolecular assembles based on stereoisomers of p-tert-butyl thiacalix[4]arenes and some metal cations: structure and biological activity of nanoparticles [Text] / I.I. Stoikov, E.A. Yushkova, I.S. Antipin, A.I. Konovalov // Book of abstracts of 3rd International Summer School "Supramolecular System in Chemistry and Biology". - Ukraine, 2010. - P.177.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства Казанского университета Тираж 150 экз. Заказ 117/4

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

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ САМОСБОРКА НАНОСТРУКТУР ИЗ КАЛИКСАРЕНОВ И ТИАКАЛИКСАРЕНОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1 Самосборка замещенных по верхнему и нижнему ободу каликсаренов в наноразмерные агрегаты.

1.1.1 Самосборка калике[п]аренов за счет ван-дер-ваалъсовых сил, сольвофобных и гидрофобных эффектов.

1.1.2 Тетразамещенные калике[4]арены, образующие водородные связи.

1.1.3 Самосборка ионных каликсаренов.

1.2 Супрамолекулярные ансамбли на основе каликсаренов.

1.2.1 Каликсарены а тиакаликс[4]арены, способные к самосборке в двумерные и трехмерные молекулярные слои.

1.2.2 Тетразамещенные каликсарены, образующие жидкокристаллическую фазу.

1.2.3 Каликсарены, образующие супрамолекулярные нанотрубки.

1.2.4 Молекулярные устройства на основе каликсаренов.

1.3 Самосборка металлосупрамолекулярных архитектур.

1.3.1. Самосборка наноразмерных агрегатов на основе каликсаренов в присутствии катионов металлов в растворе.

1.3.2 Агрегация каликсаренов и тиакаликсаренов с катионами различных металлов, приводящая к образованию в твердой фазе наноразмерных структур.

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ ПО НИЖНЕМУ ОБОДУ п-трет-БУТИЛТИАКАЛИКС [4]АРЕНОВ С АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ ФРАГМЕНТАМИ И ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С РЯДОМ КАТИОНОВ

МЕТАЛЛОВ И ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ).

2.1 Синтез тетразамещенных по нижнему ободу «-т/?еш-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих фрагменты для связывания катионов металлов и дикарбоновых кислот.

2.2 Синтез различно замещенных по нижнему ободу л-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих гидразидные, карбоксильные, аминные, амидные и гуанидиниевые группы.

2.2.1 Синтез тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов на основе монозамещенных производных.

2.2.2 Синтез различно замещенных по нижнему ободу п-третбутилтиакаликс[4]аренов из 1,3-дизамегценных производных.

2.3 Двух- и трехкомпонентные супрамолекулярные системы на основе замещенных по нижнему ободу я-отрет-бутилтиакаликс[4]аренов с катионами металлов и дикарбоновыми кислотами.

2.3.1 Экстракционные свойства тетразамещенных по ниэ/снему ободу п-трет-бутштиакаликс[4]аренов, содержащих вторичные и третичные амидные и гидразидные фрагменты, по отношению к катионам металлов.

2.3.1.1 Константы экстракции и стехиометрия комплексов производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена и катионов металлов.

2.3.1.2 Самосборка агрегатов тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакалпкс[4]аренов с нитратами металлов в растворе.

2.3.1.3 Определение формы агрегатов тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутгштиакаликс[4]аренов с нитратами металлов.

2.3.2 Взаимодействие тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов с дикарбоновыми кислотами и нитратом серебра (I).

2.3.2.1 Распознавание производными п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов дикарбоновых кислот и катионов серебра (I).

2.3.2.2 Самосборка агрегатов производных п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов с нитратом серебра (I) и дикарбоновыми кислотами в растворе и твердой фазе.

2.3.3 Трехкомпонентные системы на основе наноразмерных агрегатов, образованных тетразамещенными по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренами, дикарбоновыми кислотами и нитратом серебра (I).

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1 Синтез и подготовка исходных реагентов и растворителей.

3.2 Приборы и методы эксперимента.

3.2.1 Метод пикратной экстракции.

3.2.1.1 Определение константы экстракции.

3.2.1.2 Определение стехиометрии методом изомолярных серий.

3.2.2 Определение констант ассоциации lgKacc и стехиометрии комплексов с помощью УФ-видимой спектроскопии.

3.2.3 Метод динамического светорассеяния.

3.2.3.1 Определение гидродинамического размера частиц.

3.2.3.2 Определение молекулярной массы агрегатов.

3.2.3.3 Определение форлт агрегатов.

3.2.4 Метод сканирующей электронной микроскопии.

3.2.5 Метод атомно-силовой микроскопии.

Актуальность. Разработка самособирающихся микро- и наноразмерных супрамолекулярных систем, обладающих заданными свойствами, является одним из перспективных направлений исследований в органической и супрамолекулярной химии. Структура и свойства супермолекул и супрамолекулярных ансамблей могут быть заложены при ковалентном синтезе рецепторов. Дизайн синтетических рецепторов, способных к распознаванию различных типов «гостей», востребован при конструировании сенсоров, катализаторов, биомиметических систем, селективных экстрагентов, систем доставки лекарственных веществ и программируемых материалов.

Для создания синтетических рецепторов широко используются различные макроциклические «строительные» платформы: краун-эфиры, циклодекстрины, каликсарены. В настоящее время интенсивно развивается химия тиакаликсаренов -аналогов классических каликсаренов. Замена в структуре и-треот-бутилкаликс[4]арена метиленовых мостиков на сульфидные привела к увеличению конформационной подвижности макроциклического кольца, что позволяет получать стереоизомеры {конус, частичный конус, 1,3-альтернат) тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов с высокими выходами. Уникальность тиакаликс[4]аренов заключается в доступности исходных макроциклов одностадийным синтезом; в наличии сульфидных мостиковых фрагментов, способных к координации с катионами переходных металлов; в возможности модификации «верхнего» и «нижнего» ободов соответствующими функциональными группами, содержащими различные центры связывания; в существовании нескольких конфигураций, способных фиксировать требуемую пространственную ориентацию центров связывания; а также в возможности реализации аллостерического эффекта при связывании «гостей».

Нами предложено объединить возможности тиакаликсареновой платформы (существование нескольких конфигураций, возможность реализации положительного и отрицательного аллостерического эффекта) и полифункциональных фрагментов, способных к взаимодействию как с катионами металлов, так и с дикарбоновыми кислотами, для создания на их основе самособирающихся супрамолекулярных наноразмерных частиц с заданными структурой и свойствами.

Целью работы является направленный синтез тетразамещенных по нижнему ободу я-/яре/?7-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих аминные, амидные, //-замещенные гидразидные, гетероциклические, гуанидиниевые фрагменты, установление их структуры комплексом физических методов, создание на их основе супрамолекулярных наноразмерных частиц с катионами 5-, р- и ¿/-элементов, дикарбоновыми кислотами, а также изучение закономерностей процесса самоассоциации и агрегации с образованием супрамолекулярных ансамблей в растворах и в твердой фазе.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые синтезированы тетразамещенные по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]арены в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-алътернат, содержащие фрагменты гидразидов никотиновой, изоникотиновой, 3-нитробензойной кислот, 2-гидразидопиридина, фенилгидразина, бензотриазола, а также различно замещенные по нижнему ободу макроциклы, функционализированные гидразидными, аминными, карбоксильными, гуанидиниевыми группами; структура соединений установлена комплексом физических методов;

- разработаны новые подходы к синтезу рецепторов путем пошаговой стереоселективной функционализации нижнего обода я-от/7еш-бутилтиакаликс[4]арена различными группами, обеспечивающими комплементарное по отношению к субстрату расположение центров связывания;

- впервые установлены закономерности самосборки в растворе и твердой фазе супрамолекулярных наноразмерных частиц из функционализированных п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов и катионов металлов и/или дикарбоновых кислот, необходимые для получения новых функциональных наноматериалов;

- впервые на основе тиакаликс[4]аренов получены супрамолекулярные системы, способные к распознаванию и катионов металлов, и дикарбоновых кислот.

Практическая значимость работы. Синтезировано 28 новых частично- и тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов в конформациях конус, частичный конус и 1,3-альтернат. Разработаны методы синтеза функционализированных по нижнему ободу и-ш/>ет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих одновременно центры связывания как катионов металлов, так и дикарбоновых кислот. Установлено, что способность изученных тетразамещенных по нижнему ободу и-т/7ети-бутилтиакаликс[4]аренов образовывать наноразмерные агрегаты с катионами металлов в органической фазе приводит к усилению их экстракционных свойств. Показано, что наноразмерные агрегаты на основе синтезированных п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов и нитрата серебра (I), закрепленные на полимерных подложках, обладают антимикробной активностью.

На защиту выносятся:

Разработка методов синтеза различно замещенных по нижнему ободу производных л-ятрет-бутилтиакаликс[4]арена. Синтез ряда новых производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих одновременно фрагменты для связывания катионов 5-, р- и ¿/-элементов и дикарбоновых кислот.

Закономерности, связывающие структурные факторы функционализированных по нижнему ободу я-шрет-бутилтиакаликс[4]аренов с их комплексообразующей способностью по отношению к катионам металлов и дикарбоновым кислотам.

Закономерности образования в твердой и жидкой фазах супрамолекулярных агрегатов на основе функционализированных по нижнему ободу и-тре/и-бутилтиакаликс[4]аренов с р- и ¿-элементами и дикарбоновыми кислотами.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 198 страницах машинописного текста, включает 120 рисунков и 26 таблиц. Состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 228 ссылок.