Синтез и свойства (гетеро)ароматических хемосенсоров для нитро-, нитрозосоединений, а также органических анионов

• Автор: Зырянов, Григорий Васильевич
• Шифр специальности: 02.00.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 280 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Литературный обзор 6 Синтетические рецепторы для нитро(нитрозо)содержащих молекул
и органических анионов
1.1 Синтетические рецепторы для распознавания оксидов азота
1.2 Хемосенсоры для обнаружения нитроароматических соединений
1.3 Синтетические рецепторы для обнаружения анионов
2. Обсуждение результатов
2.1 Моделирование и синтез рецепторов на основе каликс[4]аренов
2.1.1. Моделирование и синтез рецепторов на основе каликс[4]аренов
для обнаружения, хранения и утилизации окислов азота
2.1.2 Получение инкапсулированных нитрозирующих реагентов на основе каликс[4] аренов и их использование для нитрозирования органических молекул
2.1.3 НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КАЛИКСАРЕНОВ: Получение
синтетических нанотрубок и каликсаренов, иммобилизованных на силикагеле
2.1.4 НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ НИТРОЗИРОВАНИЯ КАЛИКСАРЕНОВ:
Использование каликсаренов для обнаружения амидов и эфиров азотистой кислоты
2.2. Флуоресцентные сенсоры для определения нейтральных молекул
2.2.1 Флуоресцентные материалы для визуального обнаружения
нитроароматических соединений в растворах и в воздухе
2.2.2. Флуоресцентные материалы для визуального обнаружения нитроароматических соединений в воздухе. От синтетического дизайна
к применению на реальных объектах
2.3. Флуоресцентные материалы для визуального обнаружения
физиологически-активных анионов в водных растворах
2.4. Адаптирующиеся флуоресцентные сенсоры для обнаружения
ТНТ и его производных
3. Экспериментальная часть
Выводы
Список литературы

Введение.
Современная органическая химия, супрамолекулярная химия и химия материалов бурно развиваются по двум основным направлениям. Исследования супрамолекулярной химии направлены на конструирование высокоэффективных синтетических рецепторов и молекулярных устройств, обладающих разнообразными функциональными свойствами, используя для этого методы и приемы синтетической органической химии. Получение такого рода объектов связано с необходимостью целевого химического дизайна основных рабочих элементов оптических, (электро)химических и нано(электро)механических сенсорных девайсов, создания новых типов молекулярных переключателей и прочих устройств для эффективного молекулярного распознавания (био)органических субстратов и неорганических веществ. Особое внимание уделяется молекулярным устройствам, изменяющим свои геометрические (пространственные) параметры и/или фундаментальные свойства (цвет, люминесценция, электропроводность и т.д.) под воздействием внешних факторов (например, температура или pH среды), а также в присутствии соединений определенного типа (аналитов). При этом «проблема выбора оптимальной структуры сенсора или рецептора и способа создания микро- и макромолекулярных устройств в первую очередь связана с отсутствием четкого понимания закономерностей, связывающих структуру синтетического рецептора (комплексообразователя, переносчика, катализатора) и аналита (заряженных частиц или нейтральных молекул) с фундаментальными характеристиками зависимости «структура-свойство», включая селективность химических взаимодействий, устойчивость исходных соединений и образующихся комплексов».' Чрезвычайно эффективными молекулярными рецепторами являются производные каликс[4]аренов, обладающие высокой селективностью по отношению к катионам и нейтральным молекулам. Весьма перспективны некоторые гетероциклические соединения, такие как (бенз)пирролы (например, каликс[4]пирролы), циклические азины (диазины и триазины), которые образуют устойчивые водородносвязанные или л-комплексы с анионами, а также поли(гетеро)ароматические системы, распознающие нейтральные молекулы. В этой связи синтез новых синтетических и искусственных рецепторов, изучение их нековалентных взаимодействий (посредством водородных связей, координационных связей, гидрофобных и Ван-дер-Ваальсовых сил, 71-взаимодействий и т. д.) с аналитами (катионы, анионы и малые нейтральные молекулы), а также исследование свойств полученных комплексов в зависимости от состава, строения, природы и расположения рецепторных фрагментов является особенно актуальным.
Исследования химии материалов направлены на получение эффективных функциональных материалов в основе которых лежат искусственные или синтетические молекулы, полученные химическим путем и содержащие один или нескольких ковалентно/нековалентно-связанных или автономных одинаковых или различных рецепторных центров. Материалы, полученные подобным образом, способны эффективно выполнять несколько функций одновременно (по типу «искусственного языка»,

«искусственного носа» и т. д.) или осуществлять запрограммированные функции в результате внешнего химического или механического воздействия (так называемые «умные материалы» (stimuli responsive materials). При этом они могут значительно более эффективно распознавать аналиты даже в смеси с другими молекулами, вследствие положительных аллостерических и кооперативных эффектов, усиливающие комплексообразующие свойства материалов и повышающие их ионную селективность в различных средах. Следует также принять во внимание то, что при функционировании в водных растворах (биотических средах) такие рецепторы и материалы могут моделировать процессы живых организмов.
Настоящая работа выполнена в рамках гранта Американского фонда гражданских исследований и развития для независимых государств бывшего Советского союза НОЦ -Перспективные материалы REC-005, грантов РФФИ Ведущие научные школы 00-15-97390 (2000), РФФИ 99-03-32923-а (1999), РФФИ 00-03-32776 (2000), РФФИ 01-03-96443-р2001урал (2001), гранта Petroleum Research Fund (AC-type Grant, administered by the American Chemical Society) (2002-2003), гранта American Cancer Society, Institutional Research Grant to the Unversity of North Texas Health Science center at Fort Worth (2003), гранта BGSU (Technology Innovations Enhancement Grant) (2009-2010), гранта NSF (SENSOR № 0330267) (2009-2010), гранта NSF (EXP-LA № 0731153), Минобрнауки РФ (соглашение № 8430 и ГК № 14.740.11.1020 от 23.05.2011), Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (ГК № 9154р/15042), гранта Президента РФ (НШ-5505.2012.3).
Цель работы. Целью настоящей работы является дизайн (включая расчетные методы) и последующий целевой синтез высокоэффективных молекулярных рецепторов на основе каликс[4]аренов, бенз(пирролов), циклических азинов и иптиценов, которые способны инкапсулировать и/'или через создание супрамолекулярных (нековалентносвязанных) архитектур распознавать аналиты органической или неорганической природы (окислы азота, нитро(нитрозо)соединения и анионы) для последующего внедрения данных рецепторов для изготовления устройств для анализа и очистки промышленных выбросов, анализа и контроля пищевой и лекарственной продукции и питьевой воды, нанотехнологий (производство компонентов для микро- и наноэлектронных устройств, изготовление микро- и наноразмерных сенсоров и сенсорных материалов), обеспечения безопасности страны (изготовление новых высокоэффективных сенсорных устройств для дистанционного обнаружения химических и бактериологических отравляющих веществ (взрывчатых веществ) в условиях театра военных действий и гражданской жизни в местах повышенной террористической опасности), медицинской промышленности (устройства для целевой доставки и дозированного выделения лекарственных средств in vivo и in vitro) и других направлений. Реализация поставленных целей возможна при решении следующих проблемных задач:
• Использование теоретических методов для поиска высокоселективных химических рецепторов,
• Разработка эффективных синтетических методов и приемов для целевого синтеза высокоселективных органических рецепторов для заданных катионов, анионов и нейтральных молекул,

1.3 Синтетические рецепторы для обнаружения анионов
При диспропорционировании NOx газов (состоящих главным образом из NO2/N2O4) и их синтетических эквивалентов (NOC1, NOBr, NOF, NOxSbF6, NOxBF4 и т.д.) в присутствии органических молекул происходит образование катионов нитрозония(нитрония) и соответствующих анионов (галогенидов, нитратов, нитритов и т.д.). Данные анионы, как и другие органические и неорганические анионы, широко распространены в природе, используются в пищевых добавках, в качестве поверхностно активных веществ, в синтетических моющих средствах, лекарственных препаратах, удобрениях, а также играют важную роль в биологических/физиологических процессах, происходящих внутри живых организмов.75’76'
Многообразие анионов, представленных в живых организмах, и их (анионов) участие в важных физиологических процессах в биохимических системах служит основой для целого ряда исследований, посвященных направленному дизайну искусственных платформ для селективного узнавания и связывания анионов.
Настоящий раздел посвящен анализу описанных в литературе эффективных синтетичеких рецепторов и приемов для определения анионов в растворах. В основном, внимание будет уделено пиррол-, триазин-содержащим рецепторам, а также треножниковым рецепторам.
Так, рапространенными элементами синтетических рецепторов для связывания анионов являются доноры водородных связей, доноры я-связей, а также искусственные полости, способные инкапсулировать анион. В качестве сигнального отклика может использоваться изменение физического сигнала.
Наиболее распространенными донорами водородных связей могут выступать (бенз)пирролы, амиды, (тио)мочевины и арилбороновые кислоты.
Амидные фрагменты присутствуют в полипептидах, поэтому разработка синтетических рецепторов на анионны, включающих фрагменты амидов является перспекивным направлением с точки зрения получения новых данных относительно нековалентных взаимодействий анионов с белками и ферментами in vivo, а также расширения возможностей целевого конструирования искусственных анионных каналов. Амид-содержащие анионные рецепторы зачастую используются в комбинации с другими NH-содержащими молекулами. Удачное сочетание различных типов доноров NH-связсй приводит к получению эффективных рецепторов анионов.
Так, Гейлом и соавторами были синтезированы индол-содержащий рецептор на основе пиридин-2,6-карбоксальдегида и изофталимида 47а,б показал эффективное связывание