Циклодекстринсодержащие супрамолекулярные структуры и молекулярные трубки на их основе тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

На правах рукописи

КАЛАШНИКОВ Филипп Александрович

ЦИКЛОДЕКСТРИНСОДЕРЖАЩИЕ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ТРУБКИ НА ИХ ОСНОВЕ

(02.00.06 -Высокомолекулярные соединения по химическим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

МОСКВА -2004 г.

Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных соединений Химического факультета Московского Государственного Университета им. М. В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор химических наук

Топчиева Ирина Николаевна

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор, Паписов Иван Михайлович

доктор химических наук, профессор, Бакиновский Леон Владимирович

Ведущая организация: Институт физической химии РАН

Защита состоится 8 декабря 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.60 по химическим наукам при Московском Государственном Университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, Лабораторный корпус "А", кафедра высокомолекулярных соединений, ауд. 501.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан ноября 2004 г. Учёный секретарь

диссертационного совета, к.х.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Супрамолекулярная химия — современная быстро развивающаяся междисциплинарная область химии, граничащая с органической, коллоидной, биомиметической химией и химией высокомолекулярных соединений. Начало исследованиям в этой области было положено открытиями краун-эфиров и криптандов. Важность этих открытий была отмечена присуждением нобелевских премий по химии Д. Дж. Крамму, Ж.-М. Лену и К. Педерсену в 1987 году. Сейчас растет интерес к получению и изучению топологически сложных молекулярных структур: ротаксанов, катенанов, узлов. Гораздо меньше исследований посвящено дизайну супрамолекулярных структур с участием полимеров. К числу наиболее ярких исследований в этой области относится синтез полимерных комплексов включения, «молекулярых ожерелий».

В то же время, огромное внимание уделяется получению трубчатых наноструктур. Менее чем за пятнадцать лет с момента открытия углеродных нанотрубок они уже нашли применение в самых различных областях: в зондовой микроскопии, в микроэлектронике, для получения особо прочных материалов и др. Большое внимание уделяется получению растворимых углеродных нанотрубок, а также трубок из неорганических материалов.

Представляемая работа направлена на использование методов супрамолекулярной химии и химической модификации полимеров для синтеза водорастворимых молекулярных трубок на основе циклодекстринов. Использование в качестве «строительных блоков» циклических соединений с определённым размером полости позволяет зафиксировать поперечный диаметр трубки. Наличие гидроксильных групп в молекулах циклодекстринов позволяет путём проведения их химической модификации широко изменять функциональные и физические свойства молекулярных трубок.

Цель и задачи работы заключались в разработке простого метода синтеза циклодекстриновых молекулярных трубок (ЦДМТ) из доступных реагентов, с использованием в качестве прекурсоров «молекулярных ожерелий». В работе планировалось изучить строение и поведение ЦДМТ в растворах, исследовать возможности образования ими комплексов включения с лигандами различной химической природы в водных растворах, а также получить органорастворимые производные путём химической модификации водорастворимых трубок. Научная новизна работы. В работе разработан новый двухстадийный метод синтеза ЦДМТ, в котором стадия сшивания организованных в колончатые структуры молекул циклодекстринов (ЦД) проводится в суспензии. Модификация использовавшегося ранее метода сшивания в гомогенных условиях позволяет исключить трудоёмкую стадию получения полиротаксана. Более того, этот способ позволяет получать трубки на основе различных ЦД, используя в качестве реагентов только коммерческие полимеры. Разработанный метод позволил впервые получить трубки на основе

Проведено многостороннее исследование

гас НАЦИОНАЛЬНАЯ I

Р-ЦД: их структуры, поведения в растворе, термических характеристик в конденсированной фазе. Для этого привлекались такие современные физические методы как MALDI-TOF масс-спектрометрия, ЯМР-спектроскопия высокого разрешения, светорассеяние и др.

Впервые изучены комплексообразующие свойства синтезированных ЦДМТ. Показано, что они способны включать различные лиганды: красители, поверхностно-активные вещества (ПАВ). Методом нелинейного регрессионного анализа определены термодинамические параметры связывания. Обнаружено существование тройных комплексов трубка - краситель -ПАВ, показано, что в отличие от бинарных комплексов их образование протекает необратимо.

Путём ацилирования гидроксильных групп трубок на основе р-ЦД впервые получены гидрофобные производные и изучено их поведение на границе раздела вода—воздух. Показано, что ЦДМТ в монослоях ориентированы торцом к поверхности. Это означает что трубки, расположенные на межфазной границе, способны включать лиганды и могут быть использованы в качестве сенсоров для определения широкого круга органических веществ. Практическая значимость работы. Разработанный метод синтеза молекулярных трубок позволяет миновать стадию получения полиротаксана, что существенно сокращает временные затраты, удешевляет процесс, а также увеличивает выход конечного продукта. В результате этого ЦДМТ становятся доступными для изучения и практического использования. Кроме того, метод позволяет получать трубки на основе всех доступных типов ЦД. Синтезированные образцы ЦДМТ хорошо растворимы в воде и способны образовывать комплексы включения с лигандами различной химической природы. Наличие протяжённой полости позволяет применять ЦДМТ для инкапсулирования лигандов нанометровых размеров, а также использовать в качестве транспортных средств для доставки лекарств в организме. Ещё одним перспективным применением является получение нанокомпозитов с металлами, от которых ожидаются необычные электрические и магнитные свойства. Наличие большого количества гидроксильных групп на поверхности трубок открывает широкие возможности для их модификации, в частности получения их органорастворимых производных. Апробация работы. Результаты работы были представлены на 3-ей и 4-ой Международной конференции «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии» (Санкт-Петербург, 2001 и 2004 гг.), Конференции студентов и аспирантов при Учебно-Научном Центре по химии и физике полимеров и тонких органических плёнок (С-Петербург, 2000 г.), 8-ой Международной Конференции по химии и физикохимии олигомеров (Черноголовка, 2002 г.), 3-ей Всероссийской Каргинской конференции (Москва, 2004 г.). Публикации, По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ. Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, посвященного получению и свойствам различных типов нанотрубок, экспериментальной части, результатов и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы наименований). Работа изложена содержит таблиц и

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для изучения свойств циклодекстриновых молекулярных трубок (ЦДМТ) в первую очередь было необходимо разработать эффективный метод синтеза, протекающий с высоким выходом В описанных в литературе методах синтеза ЦДМТ (рис 1), в качестве прекурсоров использовались полиротаксаны (ПР) В связи с этим на первой стадии работы нами были рассмотрены возможные способы синтеза ПР и выбран оптимальный

Рис 1 Схема синтеза молекулярной трубки на основе а-ЦД

1 ПОЛИРОТАКСАНЫ НА ОСНОВЕ а- ЦИКЛ ОДЕКСТРИНА И ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДА

1.1. Получение полиротаксанов

Синтез ПР проходит в две стадии Первая стадия— получение комплекса циклодекстрина (ЦД) с полиэтиленоксидом (ПЭО), так называемого полипсевдоротаксана (ППР), проводится простым смешением водных растворов реагентов Вторая стадия — введение концевых групп (стопперов) проводилась путем химической модификации концевых амино-групп ППР 2,4-динитрофторбензолом (ДНФБ) Она осложняется тем, что в ходе реакции может происходить соскальзывание молекул ЦД с цепи Это приводит к уменьшению числа молекул ЦД, нанизанных на полимерную цепь в получаемом ПР В связи

5

с этим, были предприняты попытки найти такие условия модификации, в которых процесс соскальзывания был бы сведён к минимуму.

Было изучено три способа присоединения стопперов. Первый (синтез в растворе) заключался в проведении реакции в растворе ДМФА Во втором, суспензионном, способе к раствору динитрофторбензола в ДМФА прибавляли твёрдый комплекс ЦД с полимером. В этом случае происходило лишь частичное его растворение в реакционной системе. Третий, твердофазный, способ заключался в растирании реагентов в отсутствие растворителя.

1.2. Определение состава ПР

Для анализа образцов использовали метод ЯМР-спектроскопии, который позволяет определять сразу состав ПР, т.е. отношение ЦД к мономерному звену полимера. Хотя из ПМР-спектров некоторых образцов удавалось определить также содержание концевых групп по сигналам ароматических протонов, преимущественно их определяли фотометрически по поглощению динитрофенильной группы (Хтах = 360 нм). Для калибровки использовалось модельное соединение — 2,4-динитро-К-этиланилин.

1.3. Свойства ПР, полученных различными методами

Данные ПМР, а также растворимость образцов, полученных описанными выше методами, позволили обнаружить различия в их свойствах. Оказалось, что в зависимости от способа получения образуются ПР, содержащие различное число молекул ЦД, нанизанных на полимерную цепь. Чем выше содержание ЦД в составе ПР, тем ниже его растворимость в ДМФА и воде. Это подтверждается также тем, что качество ПМР-спектров ПР, синтезированных в растворе, было существенно выше, чем у образцов, полученных другими методами: наблюдалось очень хорошее расщепление сигналов, как от ароматических, так и ЦД протонов, в спектрах же образцов, полученных другими методами, сигналы были заметно уширены. Это, по-видимому, связано с тем, что при высоком содержании ЦД между соседними молекулами происходит образование водородных связей, ограничивающих подвижность протонов. Результаты определения стехиометрического состава ПР, полученных различными методами приведены в табл. 1.

Таблица 1. Состав комплекса и ПР, синтезированных разными методами.

Образец Соотношение ОЭ : ЦД

Исходный ППР 2,5

Синтез в растворе 2,7

Синтез в суспензии 2,6

Синтез в твёрдой фазе 2,6

Синтез в суспензии, после тщательной отмывки

(нерастворимый продукт)

Синтез в твердой фазе, после отмывки водой 6

Из спектров ПМР было найдено соотношение ЦД: звено ПЭО для полученных ПР (табл. 1). Видно, что для образцов, синтезированных разными методами, а также для исходного ППР оно было примерно одинаково: 1 ЦД на 2,5-2,7 звена ПЭО. Укажем, что в соответствии с расчётными и экспериментальными литературными данными соотношение звено ПЭО : ЦД составляет от 2,3 до 2,5. Из данных по молекулярному моделированию следует, что на одну молекулу ЦД могло бы приходиться 2 звена ПЭО. Экспериментальными методами такое соотношение было получено в пионерских работах А. Харады только для комплексов на основе ПЭО молекулярной массы 600-1500. Таким образом, поскольку брутто-состав всех образцов, не подвергавшихся тщательной очистке, практически идентичен, различия в их свойствах могут быть связаны с наличием в образцах свободного ЦД и с различным соотношением свободных и связанных ЦД. В связи с этим, следующей нашей задачей была очистка полученных продуктов от примеси свободного Для этого нами была использована принципиально новая схема выделения ПР, позволяющая полностью освободиться от низкомолекулярных примесей (рис. 2).

| промывка ДМФА до обесцвечивания) Рис. 2. Схема очистки ПР.

| промывка ацетоном для удаления ДМФА|

Тщательную очистку исходного комплекса провести практически невозможно, поскольку он заметно растворим в воде, причём растворение сопровождается его частичной диссоциацией. Тем не менее, определение содержания ЦД в комплексе после отмывки водой позволяет сделать важный вывод о составе ППР. Если при обработке водой в раствор переходит только комплекс, то это не должно приводить к изменению соотношения компонентов в нерастворившемся ППР. Однако ПМР-спектроскопия показала, что после первого же промывания содержание ЦД в комплексе уменьшается. Эти результаты подтверждают предположение о том, что в процессе осаждения ППР происходит сокристаллизация комплексов с не вступившим в реакцию ЦД.

Исследование образца полученного в растворе показало, что он представляет собой растворимый продукт с небольшим содержанием ЦД. Обработка водой образцов ПР, полученных путём твердофазного и суспензионного синтеза, позволила удалить как свободный ЦД, так и полиротаксаны с низким содержанием ЦД. ПМР-спектр полученного продукта (рис. 3) заметно изменился по сравнению с исходным. Помимо уширения наблюдались также и сдвиги сигналов, в результате чего существенно усложнилась процедура их разделения на индивидуальные пики.

л! < а Ак!

I-

Рис. 3. ПМР-спектры ПР, полученного в твёрдой фазе: а) до отмывки, б) после отмывки.

Соотношение звено ПЭО : ЦД для образца, полученного путём твердофазного синтеза после отмывки водой оказалось равным 6 : 1 (табл. 1). Поскольку диссоциация ПР на исходные компоненты в условиях реакции исключена, этот факт можно объяснить только тем, что в ходе отмывки происходит удаление значительной части свободного ЦД, присутствовавшего в исходном ППР. Такой эффект может наблюдаться только для твердофазного синтеза, поскольку в случае синтеза в суспензии свободный ЦД растворяется в ДМФА и отделяется уже на стадии синтеза.

После тщательной отмывки образца, полученного суспензионным методом, ДМФА и водой был окончательно получен продукт, не растворимый ни в одном из растворителей. Выход очищенного продукта составлял около 10% от массы взятого комплекса.

полиротаксана.

Рис. 4. ПМР-спектр нерастворимого

*

Для определения состава этого ПР, ПМР-спектр образца снимали в концентрированном растворе дейтерированной щелочи. При нагревании ПР в таком растворе 8

происходит отщепление концевых динитрофенильных групп с последующим высвобождением молекул ЦД и ПЭО. Разрешение такого спектра (рис 4) существенно хуже разрешения спектров в ДМСО, однако его качество позволило определить соотношение ОЭ : ЦД, которое оказалось равным 3. По причине плохого качества спектра, а также из-за низкого содержания концевых групп, определить их количество в образце не удалось. Тем не менее, описанные выше свойства ПР свидетельствуют об отсутствии в образце не полностью замещённых концевых групп.

2. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ТРУБКИ НА ОСНОВЕ ЦИКЛОДЕКСТРИНОВ

2.1. Синтез молекулярных трубок

Таким образом, изучение методов синтеза и свойств ПР показало, что из-за трудности очистки и низких выходов они мало пригодны для использования в качестве прекурсоров синтеза молекулярных трубок. Второй недостаток— это необходимость использования труднодоступных телехиков — полимеров с функционально замещенными концами. Всё это заставило нас искать другие возможности для получения ЦДМТ.

В связи с этим для синтеза ЦДМТ мы использовали схему, исключающую стадию образования ПР Мы исходили из соображений о том, что химическое сшивание ЦД, предварительно упорядоченных благодаря образованию полимерных комплексов (полипсевдоротаксанов), должно проводиться в гетерогенных условиях, препятствующих соскальзыванию ЦД

НО-(СН2СНО)—(СНзСНгО^Н + СН3

Р-циклодекстрин

НгО

^ПЭО-блок

Рис. 5 Схема разработанного синтеза ЦД-трубок.

С этой целью нами был разработан суспензионный синтез трубок на основе а- и р-ЦД (а- и р-ЦЦМТ). Первая стадия синтеза заключается в формировании не растворимого в воде комплекса на основе двухблочного сополимера ПЭО-ППО (проксанола Б-305) и Р-ЦД (или ПЭО и а-ЦД). Вторую стадию, химическое сшивание молекул ЦД, нанизанных на полимерную цепь, эпихлоргидрином проводили в условиях, в которых комплекс находится в виде суспензии в растворе щелочи. Одновременно с процессом сшивания в щелочной среде происходит высвобождение полимера из полости трубки. Схема синтеза [5-ЦДМТ представлена на рис. 5. После проведения синтеза образцы выделяли из

реакционной среды методом гель-проникающей хроматографии. Суспензионный метод, обладая указанными выше преимуществами, приводит к образованию конечного продукта с более высоким выходом по сравнению со способом, описанным в литературе (менее

1%). Следует отметить, что увеличение соотношения эпихлоргидрин (ЭХГ): ЦД позволяет существенно увеличить выход ЦДМТ, но при этом увеличивается густота сшивок и степень модификации боковых гидроксильных групп трубки 2,3-дигидроксипропильными остатками. В то же время число остатков ЦД, входящих в олигомер остается практически постоянным. Модификация приводит к существенному уменьшению доли активных связывающих центров в трубке, а сами они становятся склонны к ассоциации. В синтезе (3-ЦДМТ использовались три соотношения ЭХГ : ЦД: 3, 10, 15 и, соответственно, были получены три серии образцов Характеристики образцов приведены в табл. 2.

2.2. Свойства молекулярных трубок 2.2.1. Гидродинамическиехарактеристики

В зависимости от соотношения ППР : ЭХГ полученные трубки, проявляли различную склонность к ассоциации. На рис. 6 представлены функции распределения по размерам частиц для разных образцов полученные из данных по динамическому

светорассеянию (ДСР). Видно, что с ростом количества сшивающего агента, а, следовательно, и степени модификации боковой поверхности трубок, наблюдается увеличение количества ассоциатов.

Таблица 2. Образцы

Образец Соотношение ЭХГ:ЦД при синтезе ЭхШ7, см2/с (ИТД) ОхЮ7, см2/с (ДСР) IV, нм (ИТД) Л),*, нм СДСР) [л], да/г Моц юнимера, Да

1 3 15±1 5,3** 1,5 4,3** 0,09±0,01 5000

2 11 6,5±0,8 5,2** 3,5 4,6** 0,08+0,01 —

3 15 — 0,07 — 350 — —

*Рассчитаны из коэффициента диффузии по уравнению Стокса.

**Соответствуют первым пикам на рис. 6. 10

А

а

10"1 101 10! 10'1 10" 10' 10* 10' 10* мкм

в

Рис. 6. Распределение по размерам р-ЦЦМТ в водном растворе (с = 0,5%; 9 = 90"): а) образец 1; б) образец 2; в) образец 3.

По данным ДСР, образец 1 содержал две фракции: со средними размерами частиц 4,3 и 160 нм. Интенсивность рассеяния высокомолекулярной фракции, которая, по-видимому, является ассоциатом, была сравнима с интенсивностью рассеяния первой фракции и превышала её только под углами меньше 60°. Из этого был сделан вывод, что её содержание незначительно. Изотермическая диффузия (ИТД) для того же образца даёт большее значение коэффициента диффузии и, как результат, меньшие размеры частиц (табл. 2). По-видимому, это объясняется тем, что ДСР более чувствительно к большим частицам.

Образец 2 также состоит из двух фракций, различающихся по размерам более чем на порядок, но в этом случае доля высокомолекулярной фракции выше, чем в первом образце. Об увеличении размеров частиц свидетельствует и коэффициент диффузии определённый методом ИТД (табл. 2), который для второго образца оказался вдвое меньше, чем для первого. После фильтрования раствора через фильтр с размером пор 100 нм остаётся только один пик на функции распределения по размерам, причём его максимум смещается в сторону малых размеров при разбавлении раствора. В течение суток никаких изменений в профильтрованном растворе обнаружено не было, но через неделю в нём вновь были обнаружены ассоциаты приблизительно первоначального размера (рис. 7). Образование ассоциатов наблюдалось также и в растворе этого образца в ДМФА.

б (с = 0,5%; а) исходный

раствор; б) раствор после фильтрации; в) профильтрованный раствор неделю спустя.

Рис. 7. Распределение по размерам образца 2 в водном растворе

ю"1 м1 ю* 10' 10* ю' 102 ю' ю* мкм

В случае образца 3 в растворе находятся только в форме ассоциатов. Это

было зафиксировано также и при проведении осмометрических исследований.

Молекулярную массу образца 1 рассчитывали из данных вискозиметрии и ИТД по формуле

где вязкость растворителя (воды); гидродинамический инвариант, который

принимали равным -коэффициент диффузии,

характеристическая вязкость образца. Она составила 5000 Да, что соответствует образованию тетрамера. Молекулярная масса второго образца трубок рассчитанная по результатам измерения вязкости и светорассеяния после фильтрации (рис. 76) в 30 раз превосходит массу трубок первого типа, т.е. можно предположить, что они образуют ассоциаты, содержащие более 100 молекул ЦД.

2.2.2.Структура и физические свойства трубок

Рентгенографическое исследование р-трубок показало, что они представляют собой аморфные вещества. гигроскопичны, поэтому неотожжённые образцы всегда

содержат воду. Данные термогравиметрического анализа показывают, что при нагревании Р-трубки происходит высвобождение воды вплоть до 200°С, а при 300°С наблюдается её разложение.

Зависимость вязкости расплава р-трубки от приложенного давления в температурном интервале 60-100°С показала, что трубка ведет себя как ньютоновская жидкость (вязкость не зависит от скорости течения). Такое поведение обычно свойственно олигомерам, что ещё раз подтверждает невысокую молекулярную массу

2.2.3. ЯМР-спектроскопия

Спектр ПМР образца представляет собой огибающую множества сигналов

из которой невозможно выделить отдельные пики, чтобы хоть как-то оценить долю добавившихся сшивающих групп, но отсутствие сигналов полимера, использовавшегося для получения комплекса свидетельствует о хорошем качестве очистки. В спектре

присутствуют сигналы, соответствующие углеродным ядрам свидетельствуя

о его несомненном вхождении в состав полученного продукта.

2.2.4. MALDI- TOFмасс-спектрометрия

Весьма неоднозначные результаты были получены при анализе трубок методом MALDI-TOF масс-спектрометрии. На рис. 8 приведены масс-спектры двух образцов [5-трубки полученных в совершенно одинаковых условиях. Единственное их различие состояло в том, что первый спектр был снят в течение 1-2 недель после синтеза трубки, а второй спустя полгода. Отметим, что никакими другими методами ни деструкции, и каких

либо ещё изменений в образцах Р-трубок при хранении обнаружено не было. Для образца представленного на рис. 8а средняя молекулярная масса составляет 4000 Да, а рис. 8б показывает, что в образце присутствовали по крайней мере две фракции массой 3600 Да и 5400 Да.

Рис. 8. МЛЬЭ1 масс-спектры Р-трубок, снятые в линейном режиме: а — свежеполученного образца; б — образца после длительного хранения. Часто на масс-спектрах наблюдались только низкомолекулярные сигналы (иногда даже меньше 1000, что меньше массы исходного Р-ЦЦ). Такие результаты мы объясняем сложностями поднятия молекул трубок в паровую фазу. Наиболее вероятной причиной этого является сеть межмолекулярных водородных связей, которая должна присутствовать в трубках благодаря наличию огромного числа гидроксильных групп.

3. КОМПЛЕКСООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА ТРУБОК

Одним из наиболее важных свойств молекулярных трубок является их способность к включению лигандов с образованием инклюзионных комплексов. Включение лигандов происходит за счёт их связывания с доступными концевыми группами полимерных трубок, поэтому использование лигандов, обладающих высоким сродством к ЦДМТ, позволяет определить число связывающих центров в образцах.

3.1. Системы трубка — краситель.

Легче всего наблюдать комплексообразование трубок с красителями, в результате которого происходит изменение окраски последних. Это позволяет судить о прохождении реакции даже на основании визуальных наблюдений. В качестве лиганда для был

взят кислотно-основной индикатор фенолфталеин (ФФ), образующий прочные эквимольные комплексы включения с Количественное изучение этого процесса с использованием

метода нелинейного регрессионного анализа позволяет определить два важных параметра: константу диссоциации К комплекса ЦДМТ — краситель и долю ЦД-звеньев в трубках Ы,

13

выполняющих роль связывающих центров. Поскольку комплексообразование сопровождается существенным изменением УФ-спектра ФФ, для наблюдения за процессом связывания был использован спектрофотометрический метод.

Количественное определение связывания проводили путём титрования ЦДМТ фенолфталеином (прямое титрование) или фенолфталеина трубками (обратное титрование). Кривая прямого титрования трубок ФФ представлена на рис. 9. Параметры связывания при прямом титровании рассчитывали по формуле:

где оптическая плотность чистого

наблюдаемая оптическая плотность, Е— коэффициент экстинкции комплекса, С-п^р — концентрация титранта, Л— доля связывающих центров, К— константа диссоциации, — исходная концентрация лиганда в мономерных звеньях*).

Рис. 9. Кривая титрования фенолфталеином (2) (с= 1,6x10"3 осново-моль/л), 1 ■

оптическая плотность чистого ФФ.

Вычисленные параметры связывания приведены в табл. 3. Отметим, что полученные значения К и N для всех изученных систем не зависят от порядка прибавления реагентов. Здесь же для сравнения приведены константы диссоциации комплексов ¡3-ЦЦ и его гидроксипропил-замещённых с ФФ. Как следует из химической структуры трубок, мономерное звено представляет собой модифицированный

2,3-дигидроксипропильными остатками. Поэтому более строго

было бы сравнивать константы диссоциации комплексов ФФ с ЦД-трубками и с замещёнными Р-ЦД. Сопоставление величин К д р-Щ(МТ и модельных ЦД показывает, что с увеличением степени модификации сродство ФФ к концевым группам

1 В качестве мономерного звена р-трубки использовались фрагменты р-ЦД, содержащего три мостиковых заместителя. Молекулярная масса мономерного звена составляет ~ 1300 Да. 14

ухудшается, а последний образец, полученный при большом избытке ЭХГ, вообще не образует комплексов с ФФ.

Таблица 3. Параметры связывания Р-ЦД, ГП-Р-ЦД И Р-ЦДМТ с фенолфталеином

Образцы Кх\0$, моль/л Доля связывающих центров N

Р-ЦД 3,8±0,3- 1

ГП-р-ЦЦ (М„ = 1338) б,0±0,8 1

ГП-Р-ЦД (М„ = 1500) 6+1 1

Р-ЦДМТ (образец 1) б,4±0,4 0,10±0,01

р-ЦДМТ (образец 2) 31±1 0,09±0,02

Р-ЦДМТ (образец 3) — —

Второй важный параметр, характеризующий комплексообразующие свойства трубчатых полимеров — доля связывающих центров. Как видно из табл. 3, эти значения для образцов р-трубок находятся в районе 0,1. Сопоставляя полученные значения с вычисленными, исходя из молекулярной массы трубок (для тетрамера #=0,25) легко видеть, что экспериментально полученные величины оказались существенно ниже. Это позволяет предположить, что в результате присоединения 2,3-дигидроксипропильных фрагментов к концевым группам трубок происходит экранирование последних, т.е. уменьшение эффективного диаметра внутренней полости трубок.

Таблица 4. Параметры связывания ЦД и ЦДМТ с метилоранжем

Образцы К, моль/л Доля связывающих центров N

сс-ЦД (3,51±0,08)х10"ц 1

а-ЦЦМТ (1,03±0,02)х10~5 0,02±0,01

Р-ЦД (1,31±0,02)х10-3 1

ГП-р-ЦД (М„= 1338) (1,25±0,03)х10~3 1

Р-ЦДМТ (образец 1) (5,3±0,1)х10""5 0,13±0,01

р-ЦДМТ (образец 2) (2,1±0,2)х10-4 0,17+0,01

Р-ЦДМТ (образец 3) (¡,9±0,5)х10~4 0,09±0,02

Как отмечалось выше, образец 3 (табл. 2), полученный при наибольшем избытке ЭХГ не образует комплексов с ФФ. Однако он связывает меньший по размеру краситель, метилоранж (МО). В этом случае наблюдается сначала резкое уменьшение константы диссоциации комплекса по сравнению с исходным а затем, при увеличении степени

модификации она опять уменьшается, хотя и остаётся на порядок выше, чем в р-ЦД. Наблюдаемые закономерности можно объяснить следующим образом: в отличие от ФФ молекула МО достаточно протяжённа, поэтому переход от ЦД к трубке приводит к её более глубокому погружению в полость. Этим и объясняется сильное повышение прочности комплекса. Модификация трубки 2,3-дигидроксипропильными остатками в образцах 2 и 3 приводит к увеличению гидрофильности концевых групп, что приводит к ухудшению сродства гидрофобного лиганда. При переходе от образца 2 к 3 изменений практически не наблюдается, поскольку дальнейшая модификация, по-видимому, происходит уже больше на боковой поверхности, а не на торцах трубки. Изменение числа связывающих центров от образца к образцу не носит систематического характера.

МО, благодаря меньшим поперечным размерам, может включаться также в полость а-ЦД и трубки на его основе. Здесь наблюдается результат, аналогичный случаю с (3-ЦД и Р-трубкоЙ: а-трубка образует с МО значительно более прочные комплексы по сравнению с исходным ЦД. Гораздо меньшее значение доли связывающих центров обусловлено тем, что ввиду меньшего диаметра полости сильнее сказываются стерические препятствия,

возникающие при его модификации в ходе сшивания.

3.2. Системы трубка — краситель — третий компонент.

Использование метода конкурентного ингибирования, а именно спектрофотометрического титрования трубок красителем в присутствии ПАВ, также позволяет оценить его сродство к концевым группам и определить долю групп, связывающих ПАВ. В качестве лиганда нами использовался ДСН. Было проведено титрование трубки в смеси с ДСН красителем (прямое титрование) и титрование трубки в смеси с красителем додецилсульфатом (обратное титрование).

Рис. 10. Схема образования комплексов в системе Р-трубка— краситель — третий компонент.

Было обнаружено, что в таких системах образуются тройные комплексы, в которых в полость трубки одновременно включаются и краситель и ПАВ, причём краситель частично выталкивается из полости. Последнее приводит к наличию некоторого поглощения у самого комплекса, в то время как бинарный комплекс ЦДМТ - краситель бесцветен. С |3-ЦЦ и его гидроксипропил-замещённым образование тройных комплексов протекает обратимо, в случае же Р-Т.ЩМТ этот процесс необратим. По всей вероятности это связано с тем, что стадии комплексообразования и диссоциации комплекса существенно замедляются, что затрудняет достижение равновесия в наблюдаемые интервалы времени. Схематически процессы, протекающие в тройной системе трубка— краситель— третий компонент, представлены на рис. 10.

Зависимость числа активных центров, полученных в результате обсчёта нелинейных участков кривых титрования трубок фенолфталеином в присутствии ДСН, от концентрации ДСН представляет собой прямую линию, отсекающую на оси абсцисс величину, равную концентрации ДСН, при которой все концевые группы заполнены молекулами

ПАВ. Отношение этой величины к концентрации активных центров в (3-ЦДМТ равно двум, т.е. число активных центров в трубке, включающих молекулы ДСН оказалось вдвое больше соответствующей величины, характеризующей включение молекул красителя. Этот факт можно объяснить тем, что ввиду большего размера молекулы ФФ способны включаться только в широкие концы трубок, в то время как ДСН включается как в широкие, так и в узкие концы.

3.3. Системы ЦДМТ — ПАВ.

Учитывая особенности строения концевых групп ЦДМТ, можно ожидать, что наиболее эффективными лигандами будут линейные алифатические соединения, характеризующиеся малым диаметром поперечного сечения, например, ПАВ. В качестве такого лиганда был взят додецилсульфат натрия (ДСН). Известно, что он образует комплексы с концевыми группами т.е. одна молекула трубки связывает две

молекулы ДСН. На это указывают и описанные выше результаты изучения тройных систем. Принимая этот факт во внимание, можно по числу связанных молекул ПАВ определить молекулярную массу трубки.

Для изучения взаимодействия ДСН с ЦДМТ, был использован метод изотермической титрационной калориметрии (ИТК). На рис. 11 приведены данные по титрованию ДСН а-трубкой. Этот процесс происходит с выделением тепла (рис. 11а). На рис. 116 приведена кривая связывания в координатах ¿¡(УШМоощ — молярное отношение а-ЦЦМТ/ДСН. Расчёт констант взаимодействия проводили по формуле (I) с использованием метода нелинейного регрессионного анализа. Процесс комплексообразования хорошо описывается этим уравнением.

выделившееся тепло, АН" — энтальпия реакции, V,о— начальный объём, Кдисс— константа диссоциации комплекса, пN— число активных центров, М^щ И Ьобщ — общие концентрации трубки и лиганда, соответственно.

Рис. 11. Изотермическая титрационная калориметрия трубки на основе а-ЦД: а) кривая титрования Р-трубкИ додецилсульфатом натрия; б) кривая связывания.

Таблица 5. Термодинамические параметры связывания ДСН циклодекстрин-содержащими

трубками (Т = 298 К).

№ Образец Метод синтеза К, моль/л К АН", кДж/моль

1 а-ЦДМТ суспензионный (4,7±1,9)х10''1 2,1 ±0,4 -21 ±5

2 а-ЦДМТ* в растворе 3,2x10"4 2,22 -110

3 а-ЦД* — Зх1СГ3 0,52 -35,2

* Литературные данные

Были определены энтальпия комплексообразования (АН°), (константы диссоциации (Кцисс) и доля связывающих центров (Щ, значения которых приведены в табл. 5. Число связывающих центров указано для молекулярной массы а-Трубки равной 7000 Да. Для сравнения в этой же таблице приведены литературные данные по связыванию и

а-ЦДМТ. Анализ параметров связывания показал, что Кдисс к о м п И-ЩкИса с ДСН приблизительно в 150 раз выше соответствующей величины для и приблизительно

в 15 раз выше комплекса с ДСН. Таким образом, эти величины можно

расположить в следующем ряду: В этом же ряду изменяются и

18

значения энтальпии. Таким образом, а-ЦЦМТсус обладают наименьшим сродством по отношению к ДСН. Это, по-видимому, обусловлено тем, что по сравнению с концевые группы содержат большее количество 2,3-дигидроксипропильных

заместителей, которые оказывают стерическое препятствие включению лиганда в полость трубки. Другая причина может состоять в изменении микроокружения концевых групп в ходе модификации, которое становится более полярным, что, в свою очередь, может приводить к уменьшению сродства к гидрофобным лигандам.

Поскольку в литературе отсутствуют данные о синтезе и комплексообразующих свойствах большой интерес представляло определение количественных

характеристик связывания в системе (5-ЦДМТ — ДСН. Был использован образец 3 ЦДМТ (табл. 2), который, исходя из данных светорассеяния, образовывал ассоциаты. Данные по титрованию приведены на рис. 12. Их обсчёт, производимый по формуле (1),

показал очень низкую долю активных центров, величина N составила 0,093. По-видимому, это обусловлено тем, что ассоциация ЦДМТ приводит к уменьшению доли доступных связывающих центров. Из представленных на рис. 12 данных, видно, что тепловые эффекты, имеющие тот же знак, что и для системы — ДСН, по абсолютной величине

значительно ниже. Поэтому метод ИТК дает лишь качественную картину, свидетельствующую о способности взаимодействовать с ДСН.

Рис. 12. Кривая титрования трубки на основе додецилсульфатом

натрия.

4. МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ТРУБКИ

4.1. Ацнлированные

Чтобы придать гидрофобные свойства полученным трубкам, было проведено их ацилирование уксусным ангидридом. Для использования в качества стандарта для сравнения свойств было также получено ацилированное производное

Методом MALDI-TOF масс-спектрометрии было показано, что в результате модификации не произошло полного замещения гидроксильных групп, а была

получена смесь производных, содержащих в среднем 17 ацетильных групп, т.е. степень

модификации составила ~ 80%. Как и ожидалось ацилированный ЦД нерастворим в воде, зато хорошо растворим в органических растворителях, таких как хлороформ и толуол.

При анализе Ас-Р-ЦЦМТ метод MALDI-TOF масс-спектрометрии оказался неэффективен, поэтому степень её ацилирования оценивали с помощью ИК-спектроскопии по интенсивности поглощения карбоксильной группы. Следует отметить, что, ошибка определения степени ацилирования этим методом превышает 25%, поэтому его можно использовать только для получения оценочных значений. Точно определить степень замещения в этом случае, помимо низкой точности метода, невозможно ещё и потому, что неизвестно число гидроксильных групп в ЦДМТ. В процессе сшивания могут проходить два процесса: образование мостиков между двумя ОН-группами или модификация одиночных ОН-групп 2,3-дигидроксипропильными остатками в результате присоединения остатка эпихлоргидрина. В первом процессе происходит уменьшение числа гидроксильных групп по сравнению с исходным ЦД, а во втором — увеличение. Оценочные расчёты показали, что степень ацилирования составила чуть меньше 50%.

4.2. Исследования монослоёв

Нами были получены и исследованы монослои на основе ацилированных и

молекулярной трубки. Полученные зависимости поверхностного давления от площади, приходящейся на одну молекулу приведены на рис. 13. Полученные монослои имеют заметные различия. Для Ас-Р-ЦД площадь, при которой начинается сжатие монослоя составляет 500 А2 на молекулу, а для ацилированной трубки— 1000 А2 на молекулу. Площади монослоев, определяемые по пересечению линейных участков кривых сжатия, составили соответственно 415 и 790 А2 на молекулу. Максимально достижимые величины давления составили 18 мН/м (Ас-Р-ЦД) и 29 мН/м (Ас-Р-ЦДМТ) при площади 200 А2 на молекулу. Разрушения монослоя ни в одном из случаев не наблюдалось.

Положение молекул в монослое можно определить, сопоставляя экспериментально полученные величины с расчётными. Вычисления проводили на основании данных по молекулярному моделированию ЦД, принимая, что длина ацетильной группы приблизительно на 2,5 А больше гидроксильной. Расчётная площадь п о с а^К-ЭДД р и вертикальном положении (рис. 14а) составляет 400 Аг, а при горизонтальном (рис. 14б) — 260 А2. Отсюда следует, что на поверхности раздела молекулы Ас-|3-ЦД располагаются вертикально.

с

Л Л

—.

1 ' „ \1 1 !!

а б в г

Рис. 14. Возможные положения ЦД и трубки в монослое, а — вертикальное положение ЦД, б — горизонтальное положение ЦД, в — вертикальное положение трубки, г — горизонтальное положение трубки. Наблюдаемые положения заштрихованы.

Аналогичные расчёты для Ас-|5-ЦДМТ показывают, что их молекулы также ориентированы вертикально (рис. 14в). Таким образом, поскольку в монослоях молекулы ацилированных располагаются так, что оси их полостей оказываются

перпендикулярными к плоскости слоя, есть все основания полагать, что они могут участвовать в реакциях комплексообразования.

ВЫВОДЫ

1. Изучена стадия образования полимерных комплексов включения, являющихся прекурсорами при синтезе циклодекстрин-содержащих молекулярных трубок. Показано, что комплексы включения, получающиеся при взаимодействии циклодекстрина и полиэтиленоксида в водных растворах, включают в себя непрореагировавший циклодекстрин, который сокристаллизуется с основным продуктом реакции.

2. Методом ЯМР показано, что при растворении полипсевдоротаксана в диметилформамиде и диметилсульфоксиде, происходит его частичная диссоциация на исходные компоненты. При этом образуются комплексы с низким содержанием молекул циклодекстрина, свободно перемешающихся вдоль цепи.

3. Проведено сравнение трёх методов синтеза полиротаксанов и показано, что наилучшим для получения продуктов с высоким содержанием циклодекстрина является синтез в суспензии. Предложен метод очистки, позволяющий выделить полиротаксан с высоким содержанием циклодекстрина и показано, что очищенный этим способом полиротаксан не растворим ни в одном из растворителей.

4. Разработан эффективный гетерогенный метод синтеза циклодекстриновых молекулярных трубок, применимый для различных циклодекстринов и позволяющий исключить трудоёмкую и требующую дорогостоящих реактивов стадию получения полиротаксанов. Этим методом впервые были получены трубки на основе Р-циклодекстрина.

5. Методами динамического светорассеяния, MALDI-TOF масс-спектрометрии, а также по совокупности диффузионно-вязкостных характеристик, определена молекулярная масса получаемых трубок. Показано, что молекулярные трубки на основе циклодекстрина представляют собой олигомеры, содержащие преимущественно четыре циклодекстриновых кольца.

6. Показано, что трубки, содержащие боковые 2,3-дигидроксипропильные группы (Р-трубкИ, синтезированные с большим избытком эпихлоргидрина), образуют ассоциаты в водных растворах, причём степень ассоциации увеличивается с ростом числа этих групп.

7. Определены термодинамические константы связывания молекулярных трубок с красителями и поверхностно-активными веществами. Показано, что объёмистые молекулы красителей включаются только в широкие концы трубок, в то время как молекулы поверхностно-активного вещества— в оба конца. Обнаружено образование тройных комплексов в системе молекулярная трубка - краситель - поверхностно-активное вещество. В отличие от бинарных, образование тройных комплексов проходит необратимо.

8. Путём ацилирования гидроксильных групп трубок на основе циклодекстрина получены гидрофобные производные и изучено их поведение на границе раздела вода — воздух. Определение площади, приходящейся на молекулу, показало, что молекулярные трубки в монослоях ориентированы торцом к поверхности. Отсюда следует, что трубки, расположенные на межфазной границе, могут участвовать в реакциях комплексообразования.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. ФА. Калашников "Полиротаксаны на основе а-циклодекстрина и полиэтиленоксида" // Сборник тезисов конференции студентов и аспирантов при Учебно-Научном Центре по химии и физике полимеров и тонких органических плёнок, Санкт-Петербург, 2000, с. 37.

2. Ф.А. Калашников, И.Н. Топчиева, Н.М. Лойм, Н.С. Хрущёва, В.И. Соколов «Твердофазный синтез полиротаксанов на основе а-циклодекстрина и полиэтиленоксида» // Тезисы докладов 3-ей Международной конференции «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии», Санкт-Петербург, 2001, с. 267-269.

3. I.N. Topchieva, I.G. Panova, Ph.A. Kalashnikov "Synthesis and characterization of polymer nanotubes based on cyclodextrins" // Abstracts of 11th cyclodextrin symposium, Reykjavik, Iceland, 2002,IY-P-27.

4. И.Н. Топчиева, Ф.А. Калашников, В.В. Спиридонов, И.Г. Панова, В.И. Ильин «Трубчатые олигомеры на основе циклодекстринов» // Тезисы докладов восьмой международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «0лигомеры-2002», Черноголовка, 2002, с. 108.

5. И.Н. Топчиева, Ф.А. Калашников, В.В. Спиридонов, А.Б. Мельников, Т.Е. Полушина, А.В. Лезов «Наноразмерные циклодекстрин-содержащие трубки — основа для создания полимерных материалов новой архитектуры» //Докл. РАН, 2003, т. 390, №2, с. 200-204.

6. И.Н. Топчиева, Ф.А. Калашников, В.В. Спиридонов, Ю.А. Захарова «Полимерные нанотрубки на основе циклодекстринов» // Высокомол. Соед., Серия А, 2003, т. 45, №11, с. 1797-1806.

7. Ф.А. Калашников, В.В. Спиридонов, Г.В. Котельников, СП. Моисеева, И.Н. Топчиева «Синтез и свойства молекулярных нанотрубок на основе циклодекстринов» // Тезисы докладов Третьей Всероссийской Каргинской Конференции «Полимеры-2004», Москва, 2004, т. 1.С.279.

8. Ф.А. Калашников, Г.В. Котельников, С.П. Моисеева, И.Н. Топчиева «Комплексы включения, образуемые додецилсульфатом натрия и циклодекстриновыми нанотрубками» // Коллоидный журнал, 2004, т. 66, №5, с. 608-612.

9. Ф.А. Калашников, В.В. Спиридонов, Г.В. Котельников, СП. Моисеева, И.Н. Топчиева, А.В. Оленин «Синтез циклодекстриновых молекулярных нанотрубок и комплексы включения на основе» // Авторефераты докладов 4-ой Международной конференции «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии», Санкт-Петербург, 2004, с. 86-87.

10.I.N. Topchieva, A.E. Tonelli, I.G. Panova, E.V. Matuchina, F.A. Kalashnikov, C.C. Rusa, M. Rusa, M.A. Hunt "Two-phase channel structures based on a-cyclodextrin-polyethylene glycol inclusion complexes" // Langmuir, 2004, v. 20, №21, p. 9036-9043.

>22771

Подписано в печать // 2004 года. Заказ №<?/ Формат60х90/1в. Усл. печ. л. . Тираж экз. л А А

Отпечатано на ризографе в отделе оперативной печати и информацииX ¿/ X Химического факультета МГУ.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1. Углеродные нанотрубки.

1.1. Получение углеродных нанотрубок.

1.1.1. Дуговые методы синтеза.

1.1.2. Лазерный синтез.

1.1.3. Электролитический метод.

1.1.4. Пиролитические методы.

1.2. Очистка углеродных нанотрубок.

1.2.1. Химические способы.

1.2.2. Физико-химические и механические способы.

1.3. Строение и свойства.

1.4. Химические свойства и модификация.

1.4.1. Заполнение нанотрубок.

1.4.2. Химическая модификация поверхности.

1.5. Потенциальные области применения углеродных нанотрубок.

2. Бор- и азотсодержащие нанотрубки.

3. Металлсодержащие нанотрубки.

4. Органические нанотрубки.

5. Циклодекстриновые нанотрубки.

5.1. Циклодекстрины.

5.2. Комплексы циклодекстринов.

5.2.1. Комплексы включения с низкомолекулярными веществами.

5.2.2. Комплексы включения циклодекстринов с полимерными лигандами.

5.3. Полимеры на основе циклодекстринов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

1. Использованные соединения.

2. Синтез комплексов а-циклодЕкстринА с полиэтиленоксидом.

3. Синтез комплекса Р-циклодекстрина с проксанолом.

4. Синтез полиротаксанов на основе а-циклодЕкстринл.

5. Синтез молекулярных трубок, включающий стадию образования полиротаксанов.

6. Синтез молекулярных трубок в суспензии.

7. Гель-проникающая хроматография.

7.1. Выделение молекулярных трубок.

7.2. Выделение полиротаксанов.

8. Изучение гидродинамических характеристик трубок.

9. Динамическое светорассеяние.

Ю.Поляриметрия.

11. ЯМР-спектроскопия.

12. Расчёт выхода комплекса, исходя из состава фаз.

13. Масс-спектрометрия (метод матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации).

14. Спектрофотометрические измерения в УФ и видимом диапазоне.

15. Изотермическая титрационная калориметрия.

16. Осмометрические измерения.

17. Ацетилирование (3-циклодекстрина и (3-трубок.

18.ИК-спектроскопи я.

19. Определение степени ацетилирования методом ИК-спектроскопии.

20. Исследование монослоёв на границе раздела вода — воздух.

21. Метилирование (3-трубок.

22.рентгенофазовый анализ.

23. Дифференциальная сканирующая калориметрия.

24. Седиментация.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

1. полиротаксаны на основе а-циклодекстрина и полиэтиленоксида.

1.1. Получение полиротаксанов.

1.2. Определение состава полиротаксанов.

1.3. Свойства полиротаксанов, полученных различными методами.

2. Молекулярные трубки на основе циклодекстринов.

2.1. Синтез молекулярных трубок.

2.2. Свойства молекулярных трубок.

2.2.1. Молекулярная масса и гидродинамические характеристики.

2.2.2. Фазовое состояние трубок.

2.2.3. Термомеханические свойства трубок.

2.2.4. ЯМР-спектроскопия.

2.2.5. MALDI-TOF масс-спектрометрия.

2.2.6. Седиментационный анализ.

3. Комплексообразующие свойства молекулярных трубок.

3.1. Системы трубка — краситель.

3.2. Системы трубка — краситель — третий компонент.

3.3. Системы трубка — поверхностно-активное вещество.

4. Производные молекулярных трубок.

4.1. Сильно замещённые ацетилированные р-циклодекстрины и Р-трубки.

4.1.1. Термомеханические свойства.

4.1.2. Исследования монослоёв.

4.2. Слабо замещённые ацетилированные p-трубки.

4.3. Метилированные Р-трубки.

ВЫВОДЫ.

В последние годы всё большее внимание уделяется структурам, построенным не из атомов, а из отдельных молекул. Движущей силой образования этих структур являются нековалентные взаимодействия: водородные связи, гидрофобные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Несмотря на то, что такие связи считаются слабыми, их высокая кооперативность и селективность делают такие, супрамолекулярные структуры достаточно устойчивыми. Супрамолекулярные взаимодействия отвечают за многие процессы в живом организме, которые, как известно, являются предельно селективными. Поэтому изучение супрамолекулярных ансамблей является весьма важным как для понимания биологических процессов, так и для их имитации. Исследования в этой области привели к развитию такого направленного метода синтеза веществ как матричный или темплатный синтез, который протекает в живых клетках, но лишь недавно начал применяться для направленного химического синтеза. Высокая специфичность молекулярных взаимодействий, в результате которых супрамолекулярные структуры способны собираться из множества разнородных молекул, породила такие термины как молекулярное узнавание и самосборка. Благодаря способности собираться или разрушаться под действием таких факторов как облучение, изменение температуры или рН раствора, материалы на основе супрамолекулярных структур называют «умными», smart, материалами. Важнейшее значение для образования молекулярного ансамбля имеет комплементарность отдельных составляющих его частей.

Наиболее изученными супрамолекулярными структурами являются комплексы включения. В них одни молекулы играют роль хозяев, предоставляя полости, а другие являются гостями, встраиваясь в эти полости. Такие структуры лежат в основе получения прочных молекулярных композиций, в которых молекулы, несмотря на отсутствие ковалентных связей, оказываются топологически замкнутыми. К их числу относятся ротаксаны и катенаны. Первые представляют собой циклические молекулы, нанизанные на стержень, содержащий на концах объёмные группы, благодаря чему соскальзывание макроциклов становится невозможным, а вторые — две сцепленные наподобие звеньев цепи циклические молекулы.

Наиболее часто для получения подобных композиций применяются циклодекстрины, являющиеся циклическими олигосахаридами, наиболее распространённые из которых содержат от 6 до 8 глюкозных остатков. Их молекулы представляют собой полый усечённый конус, внутренняя полость которого способна включать в себя различные органические молекулы. На их основе был впервые получен полиротаксан — структура, в которой на один стержень нанизано множество циклических молекул. Из него, путём ковалентного сшивания молекул циклодекстрина, впоследствии были получены молекулярные трубки.

Открытие в начале прошлого десятилетия углеродных нанотрубок произвело целый переворот в науке. Их уникальное строение и необычные электрические свойства породили множество идей по их использованию, в частности наполнение их другими веществами. Углеродные нанотрубки действительно удалось наполнить металлами и их соединениями, а также молекулами газов. Но для такой задачи, как инкапсулирование органических молекул, которая является очень важной для направленной доставки лекарственных препаратов в организме, углеродные нанотрубки оказались малопригодными. Основным недостатком является то, что они не растворимы ни в одном из органических растворителей и не содержат функциональных групп. Этих недостатков лишены синтезированные недавно циклодекстриновые трубки. Благодаря наличию гидроксильных групп на поверхности они хорошо растворимы в воде, а поскольку эти группы достаточно реакционноспособны, их легко можно модифицировать, в том числе и с целью придания гидрофобных свойств. Диаметр их внутренней полости задаётся размером исходного циклодекстрина и, поэтому, является строго детерминированным для каждого типа трубок. Но самым привлекательным свойством является унаследованная ими от циклодекстринов способность к образованию комплексов включения с различными органическими молекулами. Это делает их уникальными объектами для доставки лекарственных веществ. Помимо этого их можно применять в качестве микрореакторов для проведения стереоспецифического синтеза. Здесь могут сыграть роль и оптически активные свойства циклодекстриновых трубок, что позволило бы осуществлять асимметрический синтез. Подобные молекулярные трубки являются альтернативой для мицеллярной солюбилизации.

Несмотря на все эти свойства циклодекстриновые трубки не имеют пока широкого распространения и изучаются всего несколькими научными группами в мире, хотя открыты они были всего на два года позже углеродных. Главной причиной этого, по-видимому, является трудоёмкость их получения. В связи с этим данная работа посвящена поиску новых более доступных методов получения молекулярных трубок на основе циклодекстринов.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

выводы

1. Изучена стадия образования полимерных комплексов включения, являющихся прекурсорами при синтезе циклодекстринсодержащих молекулярных трубок. Показано, что комплексы включения, получающиеся при взаимодействии а-циклодекстрина и полиэтиленоксида в водных растворах, включают в себя непрореагировавший цикл о декстрин, который сокристаллизуется с основным продуктом реакции.

2. Методом ЯМР показано, что при растворении полипсевдоротаксана в диметилформамиде и диметилсульфоксиде, происходит его частичная диссоциация на исходные компоненты. При этом образуются комплексы с низким содержанием молекул циклодекстрина, свободно перемещающихся вдоль цепи.

3. Проведено сравнение трёх методов синтеза полиротаксанов и показано, что наилучшим для получения продуктов с высоким содержанием циклодекстрина является синтез в суспензии. Предложен метод очистки, позволяющий выделить полиротаксан с высоким содержанием циклодекстрина и показано, что очищенный этим способом полиротаксан не растворим ни в одном из растворителей.

4. Разработан эффективный гетерогенный метод синтеза циклодекстриновых молекулярных трубок, применимый для различных циклодекстринов и позволяющий исключить трудоёмкую и требующую дорогостоящих реактивов стадию получения полиротаксанов. Этим методом впервые были получены трубки на основе (3 -циклодекстрина.

5. Методами динамического светорассеяния, MALDI-TOF масс-спектрометрии, а также по совокупности диффузионно-вязкостных характеристик, определена молекулярная масса получаемых трубок. Показано, что молекулярные трубки на основе (3-циклодекстрина представляют собой олигомеры, содержащие преимущественно четыре циклодекстриновых кольца.

6. Показано, что трубки, содержащие боковые 2,3-дигидроксипропильные группы (p-трубки, синтезированные с большим избытком эпихлоргидрина), образуют ассоциаты в водных растворах, причём степень ассоциации увеличивается с ростом числа этих групп.

7. Определены термодинамические константы связывания молекулярных трубок с красителями и поверхностно-активными веществами. Показано, что объёмистые молекулы красителей включаются только в широкие концы трубок, в то время как молекулы поверхностно-активного вещества — в оба конца. Обнаружено образование тройных комплексов в системе молекулярная трубка - краситель - поверхностно-активное вещество. В отличие от бинарных, образование тройных комплексов проходит необратимо.

8. Путём ацилирования гидроксильных групп трубок на основе Р-циклодекстрина получены гидрофобные производные и изучено их поведение на границе раздела вода— воздух. Определение площади, приходящейся на молекулу, показало, что молекулярные трубки в монослоях ориентированы торцом к поверхности. Отсюда следует, что трубки, расположенные на межфазной границе, могут участвовать в реакциях комплексообразования.

1. S. Iijima "Helical microtubules of graphitic carbon"// Nature, 1991, v. 354, №6348, p. 56-58.

2. Ю.Е. Лозовик, A.M. Попов "Образование и рост углеродных наноструктур — фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов"// УФН, 1997, т. 167, №7, с. 751-774.

3. T.W. Ebbesen, P.M. Ajayan "Large-scale synthesis of carbon nanotubes" // Nature, 1992, v. 358, №6383, p. 220-222.

4. T.W. Ebbesen "Carbon nanotubes" // Ann. Rev. Mater. Sci., 1994, v. 24, p. 235-264.

5. T.W. Ebbesen "Carbon nanotubes" // Phys. Today, 1996, v. 49, p. 26-32.

6. M.B. Nardelli, C. Brabec, A. Maiti, C. Roland, J. Bernholc "Lip-lip interactions and the growth of multiwalled carbon nanotubes" // Phys. Rev. Lett., 1998, v. 80, №2, p. 313-316.

7. J.-C. Charlier, A. De Vita, X. Blase, R. Car "Microscopic growth mechanisms for carbon nanotubes" // Science, 1997, v. 275, №5300, p. 647-649.

8. S. Iijima, T. Ichihashi "Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter"// Nature, 1993, v. 363, №6430, p. 603-605.

9. D.S. Bethune, C.H. Klang, M.S. De Vries, G. Gorman, R. Savoy, J. Vazquez, R. Beyers "Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls" // Nature, 1993, v. 363, №6430, p. 605-607.

10. C.-H. Kiang, M.S. Dresselhaus, R. Beyers, D.S. Bethune "Vapor-phase self-assembly of carbon nanomaterials" // Chem. Phys. Lett., 1996, v. 259, №1-2, p. 41-47.

11. C.-H. Kiang, W.A. Goddard III, R. Beyers, J.R. Salem, D.S. Bethune "Catalytic synthesis of single-layer carbon nanotubes with a wide range of diameters" // J. Phys. Chem., 1994, v. 98, №26, p. 6612-6618.

12. C.-H. Kiang, W.A. Goddard III "Polyyne ring nucleus growth model for single-layer carbon nanotubes" // Phys. Rev. Lett., 1996, v. 76, №14, p. 2515-2518.

13. X. Zhao, M. Wang, M. Ohkohchi, Y. Ando "Preparation of carbon nanotubes in vertically installed electrodes apparatus for carbon evaporation" // Meijo Daigaku Sogo Kenkyusho Kiyo, 1996, v. 1, p. 7-13; Chem. Abstr., 1998, v. 129, 155957.

14. X. Zhao, M. Ohkohchi, M. Wang, S. Iijima, T. Ichihashi, Y. Ando "Preparation of high-grade carbon nanotubes by hydrogen arc discharge"// Carbon, 1997, v. 35, №6, p. 775-781.

15. T. Guo, P. Nikolaev, A.G. Rinzler, D. Tomanek, D.T. Colbert, R.E. Smalley "Self-assembly of tubular fullerenes" // J. Phys. Chem., 1995, v. 99, №27, p. 10694-10697.16.