Синтез полифункциональных производных n-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих пептидные, полигидроксильные и амидоантрахиноновые фрагменты тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

005554886 На правах рукописи

СИТДИКОВ РУЗАЛЬ РУСТАМОВИЧ

СИНТЕЗ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ п-трет-БУТИЛТИАКАЛИКС[4]АРЕНА, СОДЕРЖАЩИХ ПЕПТИДНЫЕ, ПОЛИГИДРОКСИЛЬНЫЕ И АМИДОАНТРАХИНОНОВЫЕ ФРАГМЕНТЫ

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

6 НОЯ 2014

Казань-2014

005554886

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, профессор

Стойкое Иван Иванович

Официальные оппоненты: Гаврилова Елена Леонидовна,

доктор химических наук, профессор кафедры органической химии ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г.Казань

Газнзов Альмир Сабнрович

кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории элементоорганического синтеза ФГБУН «Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова» РАН, г.Казань

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», г.Екатеринбург

Защита диссертации состоится «04» декабря 2014 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.081.30 по химическим наукам при ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18, Химический институт им. А.М. Бутлерова, Бутлеровская аудитория.

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

Автореферат разослан «_»_2014 г.

И.о. Ученого секретаря .

диссертационного совета Д 212.081.30

доктор химических наук С^^ / Я.А. Верещагина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ1

Актуальность темы исследования. Развитие химии метациклофанов открыло исключительно широкие возможности для создания перспективных супрамолекулярных рецепторных структур для распознавания широкого круга «гостей». Применение макроциклических полидентатных структур, сочетающих в себе центры связывания с фрагментами природных биополимеров, направленное на создание биомиметических систем, привлекает все большее внимание исследователей. Решение данной задачи необходимо для разработки высокоселективных систем разделения субстратов, адресной доставки лекарств и медицинской диагностики.

Исключительно удобной исходной синтетической макроциклической платформой является тиакаликс[4]арен. Привлекает лёгкость его получения и синтетическая доступность трёх стереоизомеров (конус, частичный конус и 1,3-алыпернат), способных фиксировать требуемую ориентацию центров связывания в пространстве. Кроме того, возможность функционализации как «верхнего», так и «нижнего» ободов тиакаликсаренов позволяет получить рецепторные структуры, селективность которых легко варьировать путём изменения природы и количества связывающих групп.

Предлагаемый нами подход заключается в объединении преимуществ тиакаликс[4]арена (существование нескольких конфигураций, возможность реализации положительного и отрицательного аллостерического эффекта) со свойствами природных биополимеров (олигопептидов и олигосахаров) и установлении закономерностей молекулярного распознавания некоторых биологически значимых субстратов, что в перспективе может служить фундаментом для конструирования супрамолекулярных рецепторных систем и материалов.

Степень разработанности темы исследования. Большинство ранее проведённых исследований в рамках обозначенной темы было направлено на дизайн и синтез производных каликс[4]аренов, содержащих фрагменты биополимеров (аминокислот и углеводов). Было показано, что полученные производные селективно связывают ряд «гостей» (некоторые аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты). Производные п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащие фрагменты аминокислот или углеводов, ранее не были получены, и, таким образом, в литературе отсутствует информация о методах синтеза и свойствах подобных полидентатных пептидо- и гликотиакаликсаренов.

Цели н задачи работы заключаются в разработке подходов к синтезу пептидо-, полигидроксисодержащих (углеводных) и амидоантрахиноновых производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, а также в оценке их комплексообразующих свойств.

Научная новизна работы состоит в следующем:

впервые синтезированы тетразамещённые по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]арены, содержащие фрагменты 2-амино-2-метилпропанола, 2-амино-2-этил-1,3-пропандиола, дофамина, аминоглюкозы, 1-й 2-амидоантрахинона, глицилглицина,

' Автореферат оформлен в соответствии с ГОСТ Р 7.0.11 - 2011 ДИССЕРТАЦИЯ И АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ Структура и правила оформления

этилового эфира аланина, а также этиловых эфиров, гидразидов и фенилсемикарбазидов на основе глицина и глицилглицина;

- синтезированы новые и-трет-бутилтиакаликс[4]арены, функционализированные гетероциклическими, ароматическими, мочевинными, семикарбазидными, углеводными и аминокислотными группами;

- впервые разработаны синтетические подходы к получению амидоспиртов на основе и-тре/я-бутилтиакаликс[4]арена с различным количеством (от четырех до шестнадцати) гидроксильных групп;

- впервые установлено влияние конфигурации макроциклических производных на комплексообразующие свойства амидокислот, амидоспиртов и амидоантрахинонов на основе «-трет-бутилтиакаликс [4] арена;

- разработан метод получения фенилсемикарбазидов аминокислот на основе трёх конфигурационных изомеров п-трет-бутилтиакаликс[4]арена.

Теоретическая н практическая значимость работы. Синтезированы новые тетразамещённые по нижнему ободу л-/яреш-бутилтиакаликс[4]арены в конфигурациях конус, частичный конус и 1,3-альтернат, содержащие аминокислотные, гидроксиамидные, мочевинные и амидоантрахиноновые фрагменты. На основе хлорангидридов тетракислот п-/и/?ет-бутилтиакаликс[4]арена получены новые дофамидные производные в конфигурациях частичный конус и 1,3-альтернат. Синтезированы новые ароматические, углеводные, мочевинные и семикарбазидные производные и-т/?ет-бутилтиакаликс[4]арена. Разработаны методы функционализации п-т^>ет-бутилтиакаликс[4]арена фрагментами аминокислот и гидразидов по нижнему ободу и методы синтеза фенилсемикарбазидов на их основе. Предложена и реализована методология синтеза функционализированных углеводных производных тиакаликс[4]арена.

Методология и методы исследования. В рамках проведённых исследований был использован широкий набор методов, в том числе последние методологические разработки в области целенаправленного органического синтеза («темплатный» эффект катиона при функционализации нижнего обода л-/и/>еяг-бутилтиакаликс[4]арена), современные методы установления структуры и состава макроциклических соединений (ИК- и ЯМР-спектроскопия, масс-спектрометрия), размеров и морфологии коллоидных частиц (метод динамического светорассеяния).

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработка методов синтеза тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих гидроксиамидные, 1- и 2-амидоантрахиноновые и сложноэфирные группы. Синтез стереоизомеров тетразамещённых по нижнему ободу производных л-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих дофамидные группы, с использованием метода активированных эфиров на основе тетракислот п-трет-бутилтиакаликс[4]арена.

2. Синтез производных иминодиуксусной кислоты, глицин- и диглицинтиакаликс[4]аренов, содержащих эфирные, гидразидные, мочевинные, семикарбазидные и ароматические фрагменты.

3. Разработка методов функционализации стереоизомеров п-трет-бутилтиакаликс[4]арена флуорофорными 1- и 2-амидоантрахиноновыми фрагментами в качестве потенциальных рецепторных молекул на некоторые анионы и дикарбоновые кислоты.

Лнчный вклад автора. Основная экспериментальная работа и выводы сделаны самим автором.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов проведённых исследований подтверждается использованием целого ряда современных физико-химических методов анализа.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на V Международном симпозиуме «Supramolecular Systems in Chemistry and Biology» (Киев, 2009), V Международном симпозиуме «Design and Synthesis of Supramolecular Architectures» (Казань, 2009), Международном симпозиуме «Advanced science in organic chemistry» (Мисхор, 2010), Итоговой научной конференции Казанского федерального университета (Казань, 2010), X Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2011), VIII Всероссийской конференции по электрохимическим методам анализа "ЭМА-2012" (Уфа, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и 4 тезиса докладов.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста, включает 34 рисунка и 17 таблиц. Состоит из введения, трёх глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 135 ссылок.

В первой главе представлен обзор литературных данных по получению производных каликсаренов, содержащих аминокислотные, пептидные и углеводные фрагменты, синтезу макроциклических рецепторов на их основе, а также их применению.

Основные результаты экспериментальных исследований, их обсуждение приведены во второй главе. Рассмотрены различные подходы к получению тетразамещенных по нижнему ободу производных «-трет-бутилтиакаликс[4]арена. Изучены основные закономерности, связывающие структурные факторы и возможность получения функционализированных пептидо- и гликотиакаликс[4]аренов. Обсуждены основные факторы влияния структуры глицин- и диглицинтиакаликсаренов на комплексообразующие и агрегационные свойства.

Экспериментальная часть работы, включающая описание проведённых синтетических, физико-химических и физических экспериментов, приведена в третьей главе диссертации.

Работа выполнена на кафедре органической химии Химического института им. A.M. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета, является частью исследований по основному научному направлению «Синтез, строение, реакционная способность и практически полезные свойства органических, элементоорганических и координационных соединений». Исследования проводились при поддержке гранта РФФИ 12-03-00252-а «Мульти(тиа)каликс[4]арены как компоненты самособирающихся наночастиц: дизайн и закономерности самоассоциации и агрегации с дикарбоновыми, амино- и гидроксикислотами» (2012-2014).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение в макроциклическую платформу заместителей, содержащих протонодонорные пептидные и полигидроксильные группы, позволяет добиться значительного сродства полученных структур к биомакромолекулам, таким как ДНК, РНК и белки, вследствие большой площади контакта и их способности к многоцентровым полидентатным взаимодействиям. Из «-ш/)ет-бутилтиакаликс[4]арена при использовании «темплатного» эффекта щелочных металлов можно получить тетразамещённые по нижнему ободу производные в трёх конформациях: конус, частичный конус и 1,3-альтернат с различным числом и расположением функциональных групп относительно каликсаренового кольца (рис.1). Сочетая платформу тиакаликс[4]арена и комплексообразующую способность пептидных (карбамоильных) и полигидроксильных фрагментов, можно конструировать рецепторные структуры, достигая максимального соответствия между связывающими сайтами рецептора и субстрата. Конфигурации тиакаликс[4]арена позволяют ориентировать вокруг макроциклической платформы разное количество заместителей (от одного до четырёх), формируя различную топологию «многоруких» подандов.

Верхний

Рис.1. А) Стереоизомеры тиакаликс[4]арена. Б) Возможные типы организации центров связывания в пространстве.

В то же время пептидные и полигидроксильные фрагменты способны формировать высокоорганизованную пространственную структуру полифункциональных синтетических рецепторов. Помимо участков связывания «гостей» особый интерес представляет введение в макроциклическую структуру «сигнальных» групп. Одним из наиболее успешных подходов для внедрения данной функциональности является введение светочувствительных

фрагментов. Особый интерес представляет получение колориметрических и флуоресцентных рецепторов на каликсареновой платформе вследствие простоты и высокой чувствительности спектральных методов. В связи с этим нами была исследована возможность введения в состав макроцикла флуоресцентных и хромофорных антрахиноновых групп как одних из наиболее доступных и эффективных сигнальных меток.

1 Синтез производных п-;и/7е/и-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих полигидроксильные фрагменты по нижнему ободу

Сложность поставленной задачи заключается в том, что зачастую разработанные ранее синтетические методы трудно применимы в случае производных тиакаликс[4]арена и низкомолекулярных прекурсоров, являющихся полифункциональными соединениями, содержащими несколько реакционных центров, что особенно характерно при проведении реакции с аминоспиртами и семикарбазидами.

Первым этапом исследования являлась разработка подходов к синтезу тиакаликс[4]аренов 9-20, содержащих амидные и гидроксильные фрагменты, такие как аминосахара. Для решения поставленной задачи было решено исследовать ацилирование модельных аминов, содержащих одну и две гидроксильные группы с разной степенью доступности аминогруппы и нуклеофильности гидроксилов. Оказалось, что аминолиз тетраэфиров 3-5 на основе тиакапикс[4]арена приводит к целевым соединениям только в случае стерически менее загруженного 2-амино-2-метилпропанола в конфигурации частичный конус (табл.1). Реакция с 2-амино-2-этил-1,3-пропандиолом не проходила совсем, и были выделены исходные соединения.

Таблица 1. Выходы продуктов 9-14, %.

3-5

Я=ОЕ1

9-11

я= ны

мн2

он

3-5

Я=ОЕ1

НО^х^ОН 1МН2

12-14 он

1*=Н?А-ч

он

6-8

я-он

1) 80С12

ОТ13,СН2С12 9-11

6-8

и=он

1) Б0С12 [

2) НО^^-ОН

ын2

ЫЕ13, СН2С12

12-14 он

юА-\

он

конус (3, Я-ОШ; 6, К-ОП) -(9) -(12) 36% (9) -(12)

частичный конус (4, Я=ОЕ1; 7, Я=ОН) 98% (10) -(13) 53% (10) 45% (13)

1,'¡-альтернат (5, Я=ОЕ1; 8, Я=ОН) -(И) -(14) 34% (11) 59% (14)

В связи с полученными результатами было изучено ацилирование ряда аминоспиртов (табл.1) хлорангидридами тетракислот на основе тиакапикс[4]арена 6-8. Целевые амиды 911, 13, 14 были получены с удовлетворительными выходами. По-видимому, невысокие выходы продуктов 9-11, 13, 14 обусловлены как стерической загруженностью реакционных центров, так и протеканием побочных реакций О-ацилирования.

конус (4) L Л 1,3-альтернат (5) I

конус (6), vOH частичный конус (7) 1,3-альтернат (8)

В случае дофамина при прямом ацилировании хлорангидридами тетракислот 6-8

удалось получить только производное 17 в конфигурации 1,3-альтернат с выходом 81%. В

(RH) остальных случаях образовывалась

Y^4! h-J- \ смесь продуктов N- и О-

i^nu I Г I 1 1 „

ацилирования, из которой выделить в

индивидуальном виде целевые

продукты не удалось.

Для варьирования

реакционной способности

карбоксильной группы было решено

применить более селективные

методы с использованием

активированных эфиров. Оказалось,

что при использовании и-нитрофениловых

эфиров тиакаликс[4]арена, получаемых in situ

по реакции и-нитрофенола с хлорангидридами,

удалось получить соединение 17 в

конфигурации 1,3-альтернат, а также

частичный конус 16. Однако в случае

конфигурации конус 15 целевой продукт

сильно загрязнен частичнозамещенными

побочными компонентами.

Предложенные выше подходы не позволили получить тиакаликс[4]арены 18-20, содержащие фрагмент глюкозамина. Поэтому гидроксильные функциональные группы глюкозамина предварительно были превращены в сложноэфирные, а свободная аминогруппа проацилирована хлорангидридами тетракислот 6-8 на основе тиакаликс[4]арена. Выходы соединений 21-23 составили 50-80%. Удаление защитных групп проводили действием метилата натрия в спирте. Так было получено производное 20 в конфигурации 1,3-альтернат с выходом 95%.

er он

конус (6), частичный конус (7)

1,3-альтернат (8)

О R

1М13+СГ конус (15), частичный конус (16, 35%) 1,3-альтернат (17, 47%)

0=\ NEt3, ТГФ

ОН

конус (6),

частичный конус (7). 1,3-альтернат (8)

0=^ ОАс HN,А^ОАС

0=< он

HN.. A .ОН

конус (21, 81%), конус (18),

частичный конус (22, 85%), частичный конус (19), 1,3-альтернат (23, 46%) 1,3-альтернат (20, 95%)

2 Синтез производных и-тре/я-бутилтиакаликс(4]арена, содержащих пептидные фрагменты по нижнему ободу

Следующим этапом исследования стала разработка подходов к синтезу аминокислотных производных тиакаликс[4]арена. Олигопептиды представляют собой удобные строительные блоки для конструирования синтетических рецепторов. В отличие от углеводов, роль которых, в основном, структурообразующая, белки в организме несут разнообразную функциональную нагрузку, начиная с процессов генетического кодирования до тонкой регуляции всех биохимических реакций. Поэтому введение пептидных фрагментов в состав полифункциональных макроциклических производных открывает новые пути как для создания искусственных ферментов и ионных каналов, так и для распознавания поверхности белка.

Ацилированием предварительно полученных этиловых эфиров аминокислот хлорангидридами тетракислот 6-8 получены производные тиакаликсарена 24-35, содержащие фрагменты этиловых эфиров глицина, диглицина, аланина и иминодиуксусной кислоты в трёх стереоизомерных конфигурациях: конус, частичный конус и 1,3-алътернат. Выходы составили 60-95%.

Структура соединения 25 в конфигурации частичный конус

подтверждена методом

рентгеноструктурного анализа (рис.2).

(24-35)

Я конус частичный конус 1,3-альтернат

ын ЕЮ 82% (24) 81% (25) 85% (26)

Ш /

^=0 ны \ 87% (27) 85% (28) 89% (29)

OEt

0 ОЕ1 72% (33) 61% (34) 91% (35)

84% (30) 90% (31) 85% (32)

1

'Vе 1\ I т, у д;

Т «] X

ГГ 7

г * V

Рис.2. Молекулярная структура соединения 25 в кристалле.

Для оценки способности полученных макроциклов 2429 к распознаванию ионов и оценки степени внутримолекулярной водородной связи были проведены эксперименты по жидкостной пикратной экстракции. Экстракция иона А§+ в случае диглицильных производных 27-29, по-видимому, эффективнее, чем в случае глицильных производных 24-26, что, вероятно, объясняется большей доступностью тиольных фрагментов вследствие усиления степени водородного связывания между заместителями нижнего обода макроцикла. Для выяснения характера водородных связей (меж- или

внутримолекулярных) в соединениях 24-29 методом динамического светорассеяния в

метаноле показано отсутствие наноассоциатов в диапазоне концентраций 10"2—10"4 моль/л.

Исследование зависимости ИК-спектров от

концентрации раствора пептидотиакаликсаренов

24-26 в хлороформе также подтверждает

внутримолекулярный характер водородных

связей. Полное отсутствие самоассоциации в

растворах полученных пептидотиакаликсаренов

24-29 является нехарактерным для ранее

описанных амидов на основе тиакаликс[4]арена, а

также каликс[4]аренов, содержащих пептидные

фрагменты по верхнему ободу.

Гидролизом синтезированных этиловых камус (36, 80%), „

частичный конус (28), частичный конус (37,84%), эфиров соединении l /-zy получены кислоты на 1,3-альтернат (29) 1,3-альтернат (38, 84%) г л, ~0

И основе и-тре/и-бутилтиакаликс[4]арена 36-38.

3 Синтез производных и-/н/»е/и-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих пептидогидразидные фрагменты по нижнему ободу

Введение дополнительных карбамоильных фрагментов потенциально способно изменить комплексообразующие свойства полученных соединений. В связи с этим интересно проследить изменения реакционной и рецепторной способности в ряду производных тиакаликс[4]арена, содержащих фрагменты этиловых эфиров глицина, глицилглицина и иминодиуксусной кислоты. Гидразинолизом синтезированных этиловых эфиров 24-29 были получены гидразиды на основе и-терет-бутилтиакаликс[4]аренов 39-44. На выходы целевых продуктов 39^14 большое влияние оказывает конформация макроцикла, а именно растворимость продуктов. Так, высокие выходы были получены в случае конфигурации 1,3-альтернат.

39-47

R,= R2= конус частичный конус 1,3-альтернат

24-26 о HN. А ^^ NHNH2 39-41 61% (41) 56% (40) 94% (39)

о н О 27-29 О HN^An^nhnh2 н <5 42-44 72% (42) 54% (43) 91% (44)

OEt 33-35 о м^А L^>HNH2 nhnh2 45-47 -(45) -(46) -(47)

конус (48), частичный конус(49) 1,3-альтернат (50)

ЫНЫН,

частичный конус (46, 59%) 1,3-альтернат (47, 80%)

При переходе к производным 3335, то есть при увеличении количества близкорасположенных функциональных групп, выделить целевые продукты реакции не удаётся. В связи с этим были синтезированы метиловые эфиры иминодиуксусной кислоты на основе тиакаликсарена 48-50. Взаимодействием метиловых эфиров производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 48-50 с гидразингидратом были получены соответствующие гидразиды 45^17 с

высокими выходами.

Исследования комплексообразующих свойств полученных эфиров 24-29 и гидразидов 39-44 по отношению к ряду анионов (фториду, хлориду, бромиду, иодиду, ацетату, нитрату и дигидрофосфату) показали, что макроциклы не взаимодействуют со всеми изученными анионами, что, очевидно, связано с образованием внутримолекулярных водородных связей. Кроме этого при помощи УФ-спектроскопии были изучены комплексообразующие свойства синтезированных глицил- и глицилглицилгидразидов 39^14 на основе тиакаликс[4]арена по отношению к нитратам ртути (II), серебра (I) и меди (II). Наиболее существенные изменения в электронных спектрах указанных и-тре/я-бутилтиакаликс[4]аренов в присутствии изученных нитратов металлов, а именно батохромный сдвиг и гипохромный эффект полосы поглощения при 260 нм, наблюдаются при взаимодействии данных макроциклов с нитратом серебра.

Далее были исследованы способы функционализации полученных пептидотиакаликсаренов фрагментами, содержащими хромофорные и дополнительные протонодонорные группы. Было предложено введение семикарбазидных фрагментов в структуру тиакаликс[4]аренового макроцикла. Первоначально было проведено ацилирование семикарбазида в различных условиях, ни одно из которых не привело к получению целевых продуктов, и были выделены исходные макроциклы. В связи с этим был предложен иной способ синтеза целевых соединений, заключающийся в реакции изоцианатов с гидразидными производными тиакаликс[4]арена. В качестве изоцианата был выбран фенилизоцианат, так как фенильный фрагмент можно использовать для изучения комплексообразования полученных соединений методом УФ-спектроскопии. Таким образом, были получены фенилсемикарбазиды на основе и-/и/>ет-бутилтиакапикс[4]арена 54—59 и 61 с хорошими выходами. Выходы продуктов уменьшаются с увеличением расстояния от макроциклического кольца и количества функциональных групп.

1*2

РЬЫСО ТГФ

1*3

конус частичный конус 1,3-альтернат

-ОТЛ-Шг 51-53 —ынын о 80% (54) 82% (55) 92% (56)

ьш №1 к^МНШг О 42-44 ™ ,0 м НЫ—ч Укн 0 лн 0=< 1МН й 60% (57) 61% (58) 86% (59)

0 ШИНг 45-47 н ^ЫНМН^Ы^ -(60) 51% (61) -(62)

4 Синтез флуоресцентно-активных производных тиакаликс[4]арена

С целью синтеза новых флуоресцентно-активных производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена было изучено получение макроциклов, содержащих антрахиноновые фрагменты, обладающие стабильной окраской красных оттенков. Доступность, биологическая активность и высокий квантовый выход флуоресценции привели к тому, что в последние десять лет производные антрахинона привлекают особое внимание в качестве сигнальных меток, люминофоров, лекарственных препаратов, сорбентов, полимерных добавок, а также в качестве интеркаляторов для распознавания нуклеиновых кислот и служат прекурсорами для синтеза антибиотиков антрациклинового ряда. Помимо флуоресцентных свойств химия антрахинонов привлекает особое внимание исследователей благодаря возможностям для создания электрохимических сенсоров за счёт окислительно-восстановительных реакций антрахинонов, в частности, использование равновесий антрахинон-антрагидрохинон (оксантрон).

Первоначальные эксперименты показали, что даже с высокоэффективными ацилирующими реагентами, такими как хлорангидриды тетракислот 6-8 на основе тиакаликс[4]арена, образуются смеси продуктов, что связано с очень низкой нуклефильностью аминогруппы вкупе со стерическими препятствиями, а также с низкой растворимостью аминоантрахинонов. Кроме перечисленного, особенности спектров ЯМР 'Н смесей, полученных при взаимодействии хлорангидридов тетракислот 6-8 с 1- и 2-аминоантрахинонами, указывают на вероятное протекание побочных реакций.

Варьирование условий ацилирования 1- и 2-аминоантрахинонов показало, что для синтеза целевых соединений 63-68 наиболее эффективно использовать смесь карбоната калия с каталитическими количествами диметиламинопиридина (ДМАП) в ацетоне.

И. конус частичный конус 1,3-альтернат

/=ч О 71% (63) 56% (64) 27% (65)

О 48% (66) 81% (67) 23% (68)

5 Рецепторные свойства л-/иреяг-бутилтиакаликс|4]аренов, содержащих IV-амидоантрахиноновые флуорофорные группы

Сочетание в макроциклической структуре пространственной предорганизации стереоизомеров тиакаликс[4]арена {конус, частичный конус, 1,3-альтернат) с хромофорными антрахиноновыми фрагментами и протонодонорными амидными группами открывает перспективы создания высокоэффективных синтетических рецепторов на биологически важные анионы.

При сравнении флуоресцентных спектров амидоантрахинонов 63-65 на основе тиакаликс[4]арена хорошо заметны значительные изменения вида и интенсивности спектра излучения для различных стереоизомеров (рис.3).

* • * 63

шшшфте* 64

— • ; -с й5

£

® 35СШ&

дГ

Д'*^ н^ Длит адяны, нг*

Рис.3. Спектры флуоресценции соединений 63-65 (1(Г5 М, возбуждение при 420 нм) и 66-68 (10"5 М, возбуждение при 380 нм) в дихлорметане.

Вероятной причиной такой дифференциации является образование внутримолекулярных эксимеров. Так, по-видимому, в случае конфигурации конус 63, более сильная флуоресценция наблюдается в результате образования устойчивого эксимерного комплекса за счёт жёсткой структуры стереоизомера, в сочетании с максимально близким расположением четырёх флуорофоров друг относительно друга. В отличие от производных

1-аминоантрахинона, в спектрах испускания макроциклических тетраантрахинонамидов 6668, содержащих фрагмент 2-аминоантрахинона, присутствуют два максимума при 550 нм и 600 нм, относящиеся к испусканию изолированной антрахиноновой группы и эксимера, образуемого двумя пространственно сближенными антрахиноновыми остатками соответственно. По-видимому, это обусловлено снижением доли эксимерного продукта, а также общим ухудшением способности к флуоресценции и участию во внутримолекулярной сети водородных связей 2-амидоантрахинонового фрагмента по сравнению с производными 1-аминоантрахинона. Так, неожиданно, более эффективным по сравнению с соединением конус 66 оказался стереоизомер частичный конус 67. В связи с этим взаимодействие производных 2-аминоантрахинона на основе тиакаликс[4]арена с анионами отражается более сложным образом на спектрах флуоресценции, за счёт изменения сигналов флуорофора и связанного эксимера.

Тетраамиды 66-68 проявляют сенсорные свойства по отношению ко всем представленным анионам, причём характер аналитического сигнала и специфичность сенсоров 66-68 определяются конфигурацией тиакаликс[4]аренового макроцикла (табл.2).

Влияние взаимодействия амидов, содержащих антрахиноновый флуорофор, с анионами тетрабутиламмония на спектральные характеристики обобщены в таблице 2. Разнонаправленный характер изменений люминесцентных свойств соединений 66-68 при взаимодействии с каждым из анионов указывает на возможность применения данных соединений для создания массива флуоресцентных молекулярных сенсоров на анионы в физиологическом (миллимолярном) диапазоне концентраций.

Таблица 2. Изменения в спектрах флуоресценции соединений 66-68 при взаимодействии с анионами тетрабутиламмония. Приведены изменения интенсивности испускания при 550 нм и при 600 нм.

Г er Br- r H2po4- Ac" NCV

550 нм 600 нм 550 нм 600 HM 550 HM 600 HM 550 HM 600 HM 550 HM 600 HM 550 HM 600 HM 550 HM 600 HM

конус- 66 ii ft ft ft ft ® ft ® ft ft ft ® u u

частичный конус-61 п U ft ® ® ■U u u 11 u ® ®

1,3-альтернат-6% в - fi+H - ® - u - - II - и -

*1Т - интенсивность испускания увеличивается, -Ц- интенсивность испускания уменьшается, <8>-интенсивность испускания не изменяется, В-батохромный сдвиг, Н-гипсохромный сдвиг.

Способность соединений 65 и 68 к эффективному и селективному транспорту некоторых дикарбоновых, а-гидрокси- и а-аминокислот через липофильную мембрану была исследована методом мембранной экстракции (табл.3). Величины потока массопереноса субстратов - ацетата натрия и ряда кислот: глутаминовой, аспарагиновой, винной, щавелевой, гликолевой, малоновой, янтарной и миндальной приведены в таблице 3. Сравнение величин массопереноса с данными «холостого» эксперимента показало, что введение в мембрану переносчиков 65 и 68 приводит к увеличению скорости транспорта субстратов в 140 раз. Наибольшее значение коэффициента усиления потока наблюдается для щавелевой кислоты. Величины потоков (/¡) через мембрану рассчитывались по начальным

линейным участкам зависимости концентрации транспортируемого вещества в принимающей фазе от времени.

Таблица 3. Величины потоков массопереноса (//', кмоль'м"2х"') ряда «гостей» через жидкую липофильную мембрану (25°С), содержащую переносчики 65 и 68.

№ Л

транспортируемые субстраты

Ацетат натрия Глугаминовая кислота Аспарагиновая кислота Винная кислота Щавелевая кислота Гликолевая кислота Малоновая кислота Янтарная кислота Миндальная кислота

рКа - 2.10 1.99 3.03 1.25 3.83 2.85 4.21 3.37

/ 1.3-10"" 2.8' 10"'2 5.7-1012 4.4-10'" 5.0'Ю"12 9.410"12 2.9-10'" 1.3-10"" 1.510''

65 2.110" ЗЛЮ" 6.5-1012 4.7-Ю"9 7.3-10-'° 3.11010 4.310"" 3.810" 2.110''

68 1.710" 3.2-10"'-' 6.810'2 2.110"9 3.210"10 1.310'10 3.510'" 3.910" 4.4-10'8

а) Погрешность определения величины потока массопереноса ±5%. Площадь мембраны

8=9.616 см2.

Оказалось, что введение соединений 65 и 68 в мембранную фазу приводит к различным величинам коэффициентов усиления потока (е = у^о) изученных субстратов через жидкие импрегнированные мембраны. Для амидоантрахинонов 65 и 68 прослеживается зависимость между силой кислот и интенсивностью трансмембранного переноса (рис.4). Соответственно, максимальные

значения коэффициента усиления потока показаны для дикарбоновых кислот: щавелевая кислота>

винная кислота> гликолевая кислота. Тиакаликс[4]арен 65, содержащий 1-амидоантрахиноновый фрагмент, оказался более эффективным переносчиком, продемонстрировав наибольшую транспортную способность по отношению к щавелевой кислоте. В случае винной кислоты высокая степень связывания, на наш взгляд, объясняется наличием потенциальных центров координации в молекуле винной кислоты и, как следствие, образованием дополнительных водородных связей, стабилизирующих комплекс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведённых исследований можно сделать следующие выводы: 1. Впервые синтезированы 48 тетразамещённых по нижнему ободу п-трет-бутилтиакапикс[4]аренов, содержащих мочевинные, семикарбазидные, 1-амидоантрахиноновые, аминокислотные и углеводные фрагменты, а также сложноэфирные,

Рис.4. Коэффициенты усиления потока (е) ряда органических субстратов через жидкую импрегнированную мембрану, содержащую переносчики 65, 68. Возможные типы связывания кислот с 1- и 2-амидоантрахиноновыми фрагментами.

гидразидные и гидроксильные группы в конформациях конус, частичный конус и 1,3-алътернат, структура которых установлена комплексом физических методов (одномерной ЯМР 'Н, 13С и двумерной ЯМР МОЕЭУ 'Н-'Н спектроскопией, ИК-спектроскопией, масс-спектрометрией).

2. Разработана методика ацилирования хлорангидридами тетракислот на основе п-трет?г-бутилтиакаликс[4]арена полифункциональных соединений, содержащих гидроксильные группы. Показано, что:

• Реакционная способность тетразамещённых сложноэфирными группами производных л-т/>ет-бутилтиакаликс[4]арена в реакции со стерически затруднёнными аминоспиртами (2-амино-2-метилпропанол и 2-амино-2-этил-1,3-пропандиол) недостаточна для получения соответствующих производных аминолизом.

• Выход целевых продуктов в реакции со стерически затруднёнными аминоспиртами (2-амино-2-метилпропанол и 2-амино-2-этил-1,3-пропандиол) в большинстве случаев понижается вследствие сближения реакционных групп друг с другом, что приводит к получению трудноразделимых смесей частично замещённых продуктов.

• Реакция с дофамином (3-гидрокситирамин) приводит к образованию целевого продукта только в случае конфигурации 1,3-алътернат (81%), что может быть связано с увеличением доли продуктов О-ацилирования для конфигурации конус и частичный конус.

• Использование хлорангидридных производных тетракислот п-трет-бутилтиакаликс[4]арена при увеличении количества гидроксильных групп в структуре аминоспирта (глюкозамин) без введения защитных групп не приводит к образованию целевых продуктов.

3. Предложена и реализована методика синтеза амидопроизводных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, основанная на применении активированных и-нитрофениловых эфиров.

4. Разработан метод получения л-/я/>е/и-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих аминокислотные фрагменты (глицин, диглицин, иминодиуксусная кислота, Ь-аланин). Методом динамического светорассеяния доказано отсутствие наноразмерных ассоциатов этиловых эфиров глицин- и диглицинтиакаликсаренов в диапазоне концентраций 10"2-1СИ моль/л в метаноле. Впервые синтезирован ряд гидразидов и фенилсемикарбазидов на основе полученных диацетат-, глицин- и диглицин-тиакаликс[4]аренов.

5. Методом пикратной экстракции определены экстракционные свойства п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, модифицированных фрагментами этиловых эфиров глицина и диглицина, по отношению к широкому кругу катионов металлов. Показано, что эффективность и селективность экстракции катионов металлов производными п-трет-бутилтиакаликс[4]арена зависит от конформации макроциклического кольца и, вследствие образования сильных внутримолекулярных связей, малоэффективна, за исключением связывания катиона серебра (I).

6. В случае модификации п-т/>ет-бутилтиакаликс[4]аренов 1- и 2-аминоантрахиноновыми фрагментами показана необходимость использования сильного

основания - карбоната калия. Впервые показана возможность использования амидоантрахиноновых производных на основе п-/пре/и-бутилтиакаликс[4]арена в качестве флуоресцентных сенсоров на анионы различной геометрии и основности, а также в качестве мембранных переносчиков некоторых дикарбоновых кислот.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1. Стойкое, И.И. Антрахинонамидные производные на основе п-трет-

бутилтиакаликс[4]арена. Синтез и флуоресцентные свойства. / И. И. Стойков, Р. Р. Ситдиков, О. А. Мостовая // Журн. орг. химии. - 2014. - Т.50. - С.581-588.

2. Evtugyn, G.A. Dopamine Sensor Based on a Composite of Silver Nanoparticles Implemented in the Electroactive Matrix of Calixarenes. / G. A. Evtugyn, R. V. Shamagsumova, R. R. Sitdikov, 1.1. Stoikov, I. S. Antipin, M.V. Ageeva, T. Hianik // Electroanalysis. - 2011. - V.23. - P.2281-2289.

3. Evtugyn, G.A. Electrochemical Aptasensor Based on a Macrocyclic Ligand Bearing Neutral Red. / G. Evtugyn, T. Kostyleva, R. Sitdikov, A. Porfireva, M. Savelieva, I. Stoikov, I. Antipin, T. Hianik // Electroanalysis. - 2012. - V.24. - P.91-100.

4. Стойков, И.И. Синтез стереоизомеров тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих остатки глицина, диглицина и иминодиуксусной кислоты. / И.И. Стойков, P.P. Ситдиков, П.Л. Падая, И.С. Антипин // Ученые записки Казанского университет. Серия: Естественные науки. -2010. - Т.152. - С.190-205.

5. Sitdikov, R.R. Synthesis and alkali metals picrate extraction study of/7-tert-butylthiacalix[4]arene, containing iminodiacetic ether fragments in the lower rim. / R.R. Sitdikov, P.L. Padnya, I.S. Antipin, I.I. Stoikov // Book of abstracts Vth International Symposium Supramolecular Systems in Chemistry and Biology, Kyiv, Ukraine, 12 -16 May, 2009. - Kyiv, 2009. - P.184.

6. Sitdikov, R.R. p-rert-butylthiacalix[4]arene derivatives with hydroxyl- and amide groups. / R.R. Sitdikov, O.T. Alekseeva, I.S. Antipin, I.I. Stoikov // Book of abstracts Vth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", Kazan, Russia, 12-16 October 2009. - Kazan, 2009.-P.136.

7. Sitdikov, R.R. Synthesis of tetrasubstituted on the lower rimp-fert-butylthiacalix[4]arenes with peptide and hydrazide fragments. / R.R. Sitdikov, P.L. Padnya, I.S. Antipin, I.I. Stoikov // Book of abstracts Vth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", Kazan, Russia, 12 -16 October 2009. - Kazan, 2009. - P.135.

8. Sitdikov, R.R. Synthesis of thiacalix[4]arene derivatives, tetrasubstituted by phenylurea fragments. / R.R. Sitdikov, R.T. Nosov, I.S. Antipin, I.I. Stoikov // Book of abstracts Vth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", Kazan, Russia, 12- 16 October 2009. - Kazan, 2009.-P.134.

Подписано в печать 07.10.2014. Бумага офсетная. Печать цифровая. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times New Roman». Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 35/10

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства Казанского университета

420008, г. Казань, ул. Профессора Нужина, 1/37 тел. (843) 233-73-59, 233-73-28