Методичка_Громов

-стэкинг-взаимодействия;

-стерические эффекты.

Вопрос о том, какие эффекты являются доминирующими, постоянно обсуждается. Например, аргументом в пользу гидрофобных взаимодействий является то, что:

1)добавление органического растворителя дестабилизирует комплекс;

2)константа устойчивости комплексов находится в прямой зависимости от коэффициента распределения органического субстрата между фазами октанол-вода (это мера липофильности вещества).

Обобщая, можно сказать, что нельзя выделить одну силу, управляющую процессом комплексообразования. Именно сочетание прочности и способности к быстрым и обратимым изменениям (за счет множественности взаимодействий) – характерное свойство всех биологических молекулярных структур.

Эффективность природных циклодекстринов может быть значительно улучшена модифицированием их гидроксильных групп. В зависимости от вводимых заместителей образуются структуры:

1)незаряженные (метилированный, ацилированный, гидроксиэтилированный, гидроксипропилированный);

2)заряженные (аминированный, мелиламинированный, фосфатированный, карбоксилированный, и т.д.).

Модифицированные циклодекстрины проявляют лучшую растворимость в водных средах, низкую токсичность, более высокую селективность по отношению к молекуламгостям за счет образования дополнительных водородных связей или повышения степени гидрофобности [25].

Обычное соотношение молекул хозяина и гостя в комплексе 1:1, хотя известны также комплексы 1:2, 2:1 и более сложные (рис. 26) [26]. Согласно литературным данным, комплексы ЦД являются относительно слабыми, lgK = 1–3.5.

Комплексы 1:1

161

Рисунок 26 – Комплексы циклодекстрина различной стехиометрии.

Кукурбитурилы – тривиальное название синтетических органических соединений на основе гликольурила, данное им в связи с внешним сходством формы молекул с тыквой (семейство Cucurbitaceae). Действительно, строение этих интересных молекул напоминает тыкву или бочку. Первое такое соединение было получено еще в 1905 г. немецким химиком Р. Берендом. Однако методы того времени не позволили правильно определить состав и структуру кукурбитурила, и только в 1980-е годы это соединение было полностью охарактеризовано [27].

Кукурбитурил получают конденсацией гликольурила с формальдегидом. Полученный кристаллический осадок представляет собой кукурбитурил, состоящий из 6-ти гликольурильных звеньев. Совсем недавно – в 2000 г. – были синтезированы кукурбит[n]урилы, где число гликольурильных звеньев n = 5, 7, 8, 9 и 10.

На рисунке 27 показаны размеры молекулы кукурбит[6]урила (CB[6]), ширина и глубина бочкообразной полости составляют около 5 и 9 Å, соответственно.

Рисунок 27 – Размеры молекулы кукурбит[6]урила.

162

Кукурбитурилы – бесцветные кристаллические вещества, ограниченно растворимые в воде или органических растворителях, но хорошо растворимые в некоторых минеральных кислотах (HCl, H2SO4), карбоновых кислотах (например НСOOН) и в водных растворах солей щелочных металлов.

Кукурбитурилы имеют гидрофобную полость и высокий отрицательный заряд на донорных атомах кислорода (так называемых «порталах»), что повышает стабильность их аддуктов с положительно заряженными ионами.

Поскольку электростатические взаимодействия могут играть ключевую роль при молекулярном распознавании как в водных, так и в органических растворах, представляет интерес сравнение электростатических потенциалов кавитандов – β-ЦД и CB[7] (он лучше других растворим в воде), имеющих сравнимый размер полости. Из карты потенциалов следует, что отрицательный заряд порталов CB[7] заметно выше, чем у β-ЦД, что повышает стабильность его аддуктов с положительно заряженными ионами, в то время как β-ЦД лучше связывает нейтральных и анионных гостей [28].

4.0

3.0

2.0

1.0

Рисунок 28 – Зависимость логарифма константы образования соединений включения кукурбит[6]урила с аминами от числа CH2-групп в цепи: 1 – алкиламины, 2 – алкилдиамины, 3 – аминоспирты.

График зависимости константы связывания от длины цепи для «хозяина» – кукурбитурила и молекул гостей – протонированных аминов и диаминов (рис. 28) подтверждает принцип комплементарности при образовании комплексов включения [29].

163

Углеводородный радикал алкиламмониевого (или диаммониевого) катиона включается в полость CB[6], вытесняя молекулы растворителя, и удерживается в ней за счет ван-дер- ваальсовых сил, а атом азота фиксируется в области портала за счет электростатического взаимодействия катиона с атомами карбонильных групп. В результате достигается высокая специфичность связывания алкиламмонийных ионов и CB[6]. Данные РСА указывают на образование комплексов типа гость-хозяин состава 1:1.

Установлено, что для катионов первичных аминов наиболее стабильные соединения включения образуются при n = 4, а для диаминов при n = 5, 6. Увеличение или уменьшение длины углеводородной цепи уменьшает количество ван-дер-ваальсовых контактов, и две аммонийные группы не могут одновременно находиться в области порталов, поэтому значение константы связывания уменьшается.

Из литературы известны примеры включения других молекул-гостей в полость CB[n] (что обычно вызывает смещение сигналов в спектрах ЯМР) – ароматических соединений, поверхностно-активных веществ, летучих органических соединений из газовой фазы и инертных газов. При этом стабильность таких комплексов сравнима со стабильностью комплексов с алкиламмониевыми ионами.

Каликсарены представляют собой множество макроциклических соединений, образующихся при конденсации пара-замещенного фенола с формальдегидом. Благодаря мостиковым ароматическим кольцам эти соединения можно формально отнести к семейству циклофанов [18, 30]. Изначально каликсарены былы получены в виде тетрамеров (например, рис. 29). Сейчас известны каликсарены с различным числом фенольных остатков (четным и нечетным) вплоть до каликс[16]арена, появилось множество модифицированных каликсаренов.

Рисунок 29 – Структура каликс[4]арена и его строение в конической конформации.

164

Наиболее распространенным циклическим тетрамером является п-трет- бутилкаликсарен. Каликсарены обладают гидрофобной полостью и многообразными каркасами в зависимости от степени функционализации, и могут служить хозяевами для катионов, анионов и нейтральных молекул, а также применяться в качестве имитаторов ферментов.

Из всех образующихся диастереомеров конический конформер наиболее распространен, поскольку он стабилизирован циклической сеткой внутримолекулярных водородных связей между гидроксильными группами на нижнем ободе молекулы (рис. 30). Было выдвинуто предположение, что ограниченное вращение вокруг арил-метеновых связей делает невозможным превращения этих соединений друг в друга. Действительно, изомерия каликсаренов сильно зависит от природы заместителя R и природы растворителя, и в равновесии могут присутствовать все изомеры. С ростом полярности растворителя доля конического изомера заметно возрастает. Это согласуется с тем, что конический изомер – более полярное соединение, чем частично конический, поскольку в его молекуле все атомы кислорода находятся с одной стороны.

Рисунок 30 – Изображение конформеров каликс[4]арена.

Таким образом, в неполярных растворителях преобладает частично коническая форма, которая не предорганизована для связывания M+ (катиона металла) нижним ободом.

Исходные п-трет-бутил[n]каликсарены (n = 4, 6, 8) почти полностью нерастворимы в воде. Однако, они растворимы в водных растворах гидроксидов и, благодаря сходству с краун-эфирами и сферандами, представляют интерес для межфазного катализа (табл. 4).

Таблица 4 - Экстракция гомологами каликсарена катионов различных металлов из гидроксидов в органическую фазу – хлороформ.

165

* d – диаметр полости нижнего обода каликсарена (Å).

Из данных таблицы по экстракции катионов гомологами каликсарена и диаметров нижнего обода ясно, что фактически ни один из катионов металлов по размеру не соответствует диаметру полости, но, тем не менее, каликсарены достаточно гибки для включения катионов, причем особую селективность проявляют к цезию.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Научные основы химической технологии углеводов / под ред. проф. Захарова А.Г. –

М.: URSS - 2008.

2.Cserlati, T. Cyclodextrins in chromatography / T. Cserlati, E. Forgacs – RSC - 2003.

3.Calixarenes in the Nanoworld / edited by J. Vicens and J. Harrowfield – Springer - 2007.

4.Gutsche, C.D. Calixarenes. An Introduction. / C.D. Gutsche - RSC – 2008.

5.Герасько, О.А. Супрамолекулярная химия кукурбитурилов. / О.А. Герасько, Д.Г.

Самсоненко, В.П. Федин // Усп. химии - 2002. – 71(9) - С. 840-860.

6.Федин, В.П. Кукурбитурил: играем в молекулы. / В.П. Федин, О.А. Герасько //

Природа – 2002.- № 8 – C. 3-8.

7. Lagona, J. The cucurbit[n]uril family. / J. Lagona, P. Mukhopadhyay, S. Chakrabati,

L.Isaacs // Angewandte Chemie – 2005. – 44 – P. 4844-4870.

ГЛ А В А 12. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ УСТРОЙСТВА И МАШИНЫ НА ОСНОВЕ

КАВИТАНДОВ

Молекулы-кавитанды представляют интерес с точки зрения создания оптических молекулярных сенсоров (ОМС) и других молекулярных устройств на их основе. Основная концепция молекулярного сенсора такова [18]:

166

-субстрат (гость, аналит), должен приблизиться к рецепторной части сенсора – это акт молекулярного распознавания;

-связывание должно быть селективным для данного субстрата в присутствии ряда других потенциальных гостей, и это зависит от системы и ее окружения;

-рецептор должен быть связан с сигнальным элементом, который реагирует на связывание гостя, генерируя сигнал, который можно измерить (например, фотохимический отклик).

Сигнальный Спейсер Рецептор Субстрат элемент

Рисунок 31 – Схематическое изображение устройства химического сенсора.

При этом подразумевается, что спейсер, соединяющий сигнальный и рецепторный элементы, должен обеспечивать сообщение между ними, и что событие связывания должно запускать механизм изменения свойств образовавшегося комплекса (которые отличаются от свойств свободного гостя или хозяина) и, соответственно, генерировать сигнал (рис. 31).

Большой интерес в качестве перспективных ОМС представляют монозамещенные производные циклодекстринов. При добавлении к водному раствору органического растворителя, в частности, ДМСО, азобензол-модифицированный циклодекстрин претерпевает конформационные превращения (рис. 32) [26].

O NNNO2

167

Рисунок 34 – Структура аминобензофуранозил-модифицированного циклодекстрина и его конформационные превращения при вхождении в полость молекулы-гостя.

В этой ситуации в водном растворе часть молекул воды находится в полости циклодекстрина, и флуорофор находится в гидрофильном окружении. При вхождении в полость циклодекстрина молекулы-гостя, флуорофор оказывается в непосредственной близости от его гидрофобной поверхности. Поскольку гидрофобность окружения флуорофора увеличивается, наблюдается разгорание флуоресценции. Следует отметить, что форма гостей, способных вызывать разгорание флуоресценции, ограничена размером полости циклодекстрина. Более того, флуорофор способен играть для гостя роль «гидрофобной крышки», увеличивая таким образом сродство молекулярного сенсора к гостю. ОМС оказался чувствительным к желчным кислотам и молекулам сферической формы

Одним из интереснейших применений молекул-кавитандов является построение на их основе ротаксановых комплексов и полиротаксанов, способных служить функциональными молекулярными устройствами. Рассмотрим некоторые из них, а также виды контроля, которые управляют этими устройствами.

Ротаксаны – это соединения, молекулы которых состоят из макроцикла и длинной открытой цепи, продетой сквозь этот цикл (рис. 35) [18].

Псевдоротаксан [1]ротаксан

Рисунок 35 – Перемещения в ротаксане. Строение ротаксанов с основной цепью.

170