Молекулярные трубки на основе каликсаренов. Функционализация, конформационные и рецепторные свойства

• Автор: Пучнин, Кирилл Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 175 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
2.1 Способы функционализации и конформационной предорганизации каликс[4]аренов
2.1.1 Модификация каликс[4]аренов по нижнему ободу
2.1.2 Модификация каликс[4]аренов по верхнему ободу
2.1.3 Способы ограничения конформационной подвижности каликс[4]аренов
2.2 Влияние внутри- и межмолекулярных водородных связей на остаточную конформационную подвижность каликс|4|аренов
2.2.1 Системы с карбоксильными группами
2.2.2 Системы с амидными группами
2.2.3 Пептидокапиксарены
2.2.4 Каликсарены с фрагментами мочевин
2.3 Внутримолекулярные осцилляции и туннелирование катионов в калнкс[4]ареновых рецепторах
2.3.1 Рецепторы с двумя одинаковыми ионофорными сайтами
2.3.2 Рецепторы с разными ионофорными сайтами
2.3.3 Олигокаликсареновые рецепторы
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1 Синтез функционализированных молекулярных трубок на основе каликсаренов
3.1.1 Адамантилированные молекулярные трубки с четырьмя функциональными группами
3.1.2 Адамантилированные молекулярные трубки с одной и двумя функциональными группами
3.1.3 Адамантилированные молекулярные трубки с шестью и восемью функциональными группами
3.1.4 Функционапизированные молекулярные трубки, не содержащие адамантановых линкеров
3.1.5 Синтез модельных соединений
3.2 Конформационные свойства функционализированных молекулярных трубок
3.2.1 Анализ смесей конформеров С2„-симметричных молекулярных трубок
3.2.2 Влияние функциональных групп на конформационные свойства молекулярных трубок
3.3 Рецепторные свойства функционализированных молекулярных трубок
3.3.1 Анионофорные свойства молекулярных трубок и модельных соединений
3.3.2 Связывание ионных пар молекулярными трубками на основе каликсаренов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа посвящена способам получения молекулярных трубок на основе каликсаренов, содержащих функциональные, рецепторные и сенсорные группы в одном или обоих каликсареновых фрагментах бис-макроциклов, исследованию конформационных и рецепторных свойств полученных соединений в отношении катионов, анионов и ионных пар.
Актуальность работы. Создание молекулярных рецепторов, способных связывать с высокими эффективностью и селективностью нейтральные и заряженные субстраты и имитировать наблюдаемые в природе нековалентные взаимодействия, является актуальной задачей органической и супрамолекулярной химии. Развитием исследований последних десятилетий, направленных на получение монотопных катионных и анионных рецепторов, стали дизайн и синтез политопных рецепторных систем, способных к селективному (синхронному или ступенчатому) распознаванию нескольких одинаковых или разных по заряду ионов. Такие системы особенно привлекательны тем, что в них могут проявляться кооперативные и аллостерические эффекты: конформационные изменения и перераспределение зарядов в молекуле рецептора при связывании субстрата в одном из сайтов могут усиливать или ослаблять активность и изменять селективность других рецепторных центров. Это позволяет использовать политопные рецепторы для солюбилизации и мембранного переноса солей, в качестве молекулярных переключателей, элементов логических устройств, сенсоров и катализаторов, в том числе имитирующих действие биологических систем.
В настоящее время широко востребованной молекулярной платформой для создания политопных синтетических рецепторов являются каликс[4]арены, для которых разработаны эффективные методы конформационной предорганизации и функционализации верхнего и/или нижнего ободов макроциклов. В настоящей работе в качестве структурной основы рецепторов выбран каркас молекулярных трубок на основе каликсаренов - макроциклических соединений, в которых два каликс[4]ареновых фрагмента связаны нижними ободами посредством четырёх этиленовых линкеров. Такие бис-каликсарены отличаются способностью эффективно и селективно связывать ионы калия, а также необычными конформационными свойствами. В связи с тем, что каликсареновые фрагменты, образующие трубку, контролируют вхождение катионов внутрь криптандоподобной полости рецептора, введение на верхние ободы каликсареновых макроциклов функциональных групп и их последующие модификации

открывают широкие возможности для получения новых молекулярных рецепторов, в том числе гетеродитопных, обладающих уникальными свойствами.
Научная новизна работы:
- Разработаны синтетические подходы к недоступным ранее функционализированным молекулярным трубкам на основе каликс[4]аренов.
- Показана эффективность использования и-(3-Я-1-адамантил)каликс[4]аренов в качестве «строительных блоков» при получении каликсареновых трубок, содержащих одну, две, четыре, шесть и восемь функциональных групп (сложноэфирных, карбоксильных, амидных, гидроксильных, аминогрупп и фрагментов мочевин).
- Показано, что исчерпывающее нитрование каликсареновых трубок является эффективным способом их функционализации; разработаны способы получения каликсареновых трубок, содержащих восемь функциональных групп (нитро-, аминогруппы и фрагменты мочевин) непосредственно в ароматических фрагментах бис-каликсаренов.
- Выявлены особенности конформационного поведения функционализированных молекулярных трубок; разработан способ анализа состава смесей конформеров каликсареновых трубок, содержащих две дистально расположенные функциональные группы; обнаружено влияние внутримолекулярных водородных связей на конформационное равновесие в каликсареновых трубках, содержащих карбоксильные группы и фрагменты мочевин.
- Показано, что молекулярные трубки, содержащие фрагменты мочевин, являются эффективньми анионофорами; обнаружена способность таких молекулярных трубок проявлять свойства гетеродитопных ион-парных рецепторов.
Возможность практического использования результатов работы: Разработанные способы получения функционализированных молекулярных трубок на основе каликсаренов могут найти применение при синтезе высокоэффективных и селективных молекулярных рецепторов, веществ-переносчиков, при моделировании основных функций биохимических процессов. Полученные результаты исследований рецепторных, конформационных и агрегационных свойств соединений могут быть использованы для создания новых сенсорных систем, молекулярных переключателей и супрамолекулярных полимеров.
109, К1 = 1_-А1аСЬг, И2 = Ь-А1аОМе
110, И’ = /.-А1аСЬг, И2 = 0-А1а0Ме
111, № = /_-А1аСЬ2, № = Г-РИеОМе
112, № = (ОЦ-ЬеиАс, Я2 = ауОМе
113, = /--А1а-1-А1аСЬг, № = Ь-А1аОМе
114, И' = С-А1а-/.-А1аСЬг, Я2 = Г-А1а-Г-А1аОМе
115, R1 = Ы1е-Ы_еиСЬг, И2 = Т-Уа1-С-Р|1еОМе
116, R1 = С-А1а-{.-А1а-С-А1аСЬ2, И2 = С-А1а-/.-А1а-/.-А!аОМе
,нн мн

( (ОЦ-Ьеи

ч У|Н ч ЫН
». У.о И»- >И_
Подобно гибридному диамиду 101, пептидокаликсарен 108, содержащий две различные пептидные группы, в хлороформе находится в конформации уплощённый конус с пространственно сближенными за счёт образования внутримолекулярных водородных связей аминокислотными остатками, что подтверждено наличием в спектре МОЕБУ кросспика между СН-протонами двух фрагментов аланина. Спектры ЯМР 'Н этого соединения концентрационно не зависимы, но изменяются при увеличении полярности растворителя и соответствуют уже конформеру с пространственно удалёнными заместителями верхнего обода.[|02)
Напротив, пептидокаликсарены 109-116 с частично алкилированным нижним ободом способны образовывать в СБОз димерные структуры, в которых каликсарен находится в конформации уплощённый конус с пространственно удалёнными пептидными группами: спектры ЯМР ‘Н соединений 109-116 в СБОз концентрационно зависимы, причём наибольшие сдвиги наблюдаются для сигналов протонов Аг>Щ, ИНСЬг и АгН. Образование димеров подтверждают также данные масс-спектрометрии - в спектрах Е81-МБ этих соединений в метаноле (10ЧМ) присутствуют относительно интенсивные сигналы, отвечающие димеру (10-15% интенсивности сигнала мономера).[102,1031
Согласно математическому моделированию (ММЕБ), пептидокаликсарены 109-116, аналогично амидному производному 102, образуют димерные капсулы (рис. 10). Каликсарены в димере удерживаются водородными связями между пептидными фрагментами, напоминающими системы водородных связей в антипараллельных [5-листах пептидов. Димерную структуру подтверждают данные спектров Ж)Е8У при высокой концентрации соединений (>10'2М в СБС1з): например, в спектре соединения 114 присутствуют кросс-пики между протонами АгЫН и АгНсо, и между протонами СН двух разных фрагментов аланина (связанных с платформой посредством амино- и карбоксильной групп, соответственно).11031