Комплексы «включения» циклодекстринов

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Лекция 3-4. Молекулярное распознавание (продолжение)

Ознакомьтесь с лекцией и пришлите письменные ответы на почту kapralova . ts @ ssau . ru

1. Опишите кратко строение и применение каликсаренов. Укажите молекулы гостей, связываемые каликсаренами.

2. Опишите кратко строение и применение циклодекстринов. Укажите молекулы гостей, связываемых циклодекстринами.

3. Опишите кратко состав и применение цеолитов.

4. Как используют супрамолекулярные системы в биологических процессах?

5. Опишите кратко методы исследования комплексообразования в растворах.

Супрамолекулярные комплексы каликсаренов

В последние два десятилетия внимание исследователей привлечено к синтезу соединений, содержащих большие молекулярные полости. Основная причина активных исследований в этой области является способность таких соединений образовывать комплексы «включения» с неорганическими и органическими молекулами. Одним из популярных типов соединений являются каликсарены. Название происходит от комбинации греческого слова каликс – чаша и органического термина арен. Это означает, что соединения состоят из нескольких ареновых звеньев, которые располагаясь по кругу, образуют структуру, напоминающую по форме чашу (рис. 1).

Рис.1. Структура каликс[4]арена.

Названия таких соединений по номенклатуре ЮПАК весьма громоздки. Поэтому было предложено тривиальное название, которое включает в себя слово каликс для обозначения типа структуры, квадратную скобку, внутри которой указывается цифра, соответствующая количеству ареновых звеньев, и слово арен. Например, соединение на рис.1 называется каликс[4]арен. Впереди или в середине названия можно добавить названия заместителей, присутствующих дополнительно в молекуле.

Методы синтеза каликсаренов. Основной реакцией образования каликсаренов является конденсация резорцинов с альдегидами в присутствии кислот (рис.2). Механизм реакции заключается в электрофильном замещении резорцинов карбокатионом, который образуется из альдегидов в присутствии кислоты. Получающийся циклический продукт имеет низкую растворимость, выпадает из реакционной смеси и таким образом, выводится из реакции, смещая равновесие в сторону образования продукта. Хорошие результаты были получены для уксусного альдегида или бензальдегида (выход около 20 %). Конечно, в смеси содержатся как линейные, так и циклические изомеры различного состава. Как правило, циклические изомеры с большим числом аренов образуются с меньшими выходами. Точный механизм реакции не установлен. Не понятно, какова движущая сила образования циклического изомера. Есть предположение, что в циклическом изомере образуются водородные связи, которые стабилизируют молекулу каликсарена и делают её образование выгодным (рис. 2).

Рис. 2. Схема получения производного каликс[4]арена

В принципе формальдегид обладает повышенной активностью, способен атаковать все свободные места ароматического ядра, поэтому в результате образуются олигомеры различного размера и структуры: линейные или циклические. Провести конденсацию успешно возможно лишь в том случае, если все места возможной атаки заняты другими заместителями.

Очевидны два похода к получению функционально замещённых каликсаренов. Возможно провести реакцию получения каликсаренов из исходных соединений, содержащих необходимые функциональные группы. Однако можно и провести функционализацию каликсарена. Поскольку в каликсарене существуют гидроксильные группы, то возможно проводить модификацию с целью получения различных производных. Например, простые эфиры получают обработкой алкилгалогенидами в присутствии гидрида натрия, щелочей, а сложные эфиры – обработкой хлорангидридами кислот (ацетаты, бензоаты, тозилаты) (рис.3).

Рис. 3. Схема модификации каликс[4]арена

Трудность проведения подобных реакций заключается в неполной этерификакции, осложняющей выделение чистых продуктов.

Методы исследования каликсаренов. Температура плавления производных каликсаренов высока (250 - 450 ^оС). Второй особенностью каликсаренов является низкая растворимость в органических растворителях. Это усложняет очистку и анализ соединений. Наиболее подходящим растворителем является хлороформ. Растворимость соединения значительно изменяется при введении заместителей, при этом алкилзамещённые производные обладают более высокой растворимостью в органических растворителях по сравнению с арилзамещёнными.

В ИК-спектрах каликсаренов есть валентные колебания ОН-групп в области 3200 см^-1. В УФ-спектрах имеется полоса поглощения при 280-288 нм, при увеличении количества ароматических ядер происходит увеличение интенсивности этой полосы. ЯМР-спектроскопия является весьма информативным методом. Показано, что этим методом можно доказать цикличность структуры. Спектры линейных аналогов являются сложными по структуре. Спектры каликсаренов имеют небольшой набор сигналов вследствие высокой симметричности данных соединений. В масс-спектре каликсаренов также обнаружены доказательства циклической структуры: линейный изомер распадается на отдельные фенольные фрагменты, при распаде каликсарена прежде всего происходит отщепление заместителей.

Форма циклического каликсарена напоминает вазу, когда все ареновые фрагменты расположены в одном направлении. Однако при определённых обстоятельствах возможно нарушение симметричности структуры, например, когда объёмные заместители не могут располагаться вблизи друг друга. Существование формы вазы объясняется наличием сильных водородных связей между гидроксильными группами нижнего обода каликсарена.

Процесс комплексообразования с катионами металлов протекает с замещением протона гидроксильной группы нижнего обода на катион металла. Структура комплекса каликсарен-металл в значительной степени определяется структурой каликсарена, природой катиона металла и составом соли, участвующей в комплексообразовании. Так, показано, что при взаимодействии каликс[6]арена с натрием образуется стабильный комплекс конической структуры при участии двух катионов натрия. Большой катион цезия способен один координировать гидроксильные группы нижнего обода каликс[6]арена, стабилизируя форму конуса (рис. 4).

Рис. 4. Структура комплексов каликс[6]арена с катионами Na⁺, Cs⁺

Структура и состав комплекса каликс[6]арена с солями трехвалентного ниобия NiCl₃ и NiOCl₃ значительно различаются (рис. 5). В случае хлорида ниобия в комплексе катионы ниобия связывают соответственно по три гидроксильные группы каликс[6]арена, в присутствии соли NiOCl₃ происходит образование комплекса димерной структуры.

Рис. 5. Структура комплексов каликс[6]арена с катионами Nb⁺³

Для связывания солей палладия в состав каликсарена вводят фосфатные группы, а для координации солей меди – азагетероциклические фрагменты (рис. 6).

Рис. 6. Структура комплексов каликс[6]арена с катионами Pd⁺² и Cu⁺²

На рис. 7 показана структура каликсарена, в котором при совместном участии амидной и сульфогруппы может происходить прочная координация катионов ртути. Каликсарен был закреплён на поверхности силикагеля для получения сенсорного материала. Сенсор способен детектировать катионы ртути в растворе с концентрацией 10^-7моль/л. Комплексообразование детектируется по спектрам флуоресценции. Исследование комплексообразования широкого круга катионов металла (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cu⁺, Zn²⁺, Pb²⁺) показало, что данный каликсарен является высокоселективным по отношению к катионам ртути.

Рис. 7. Селективный сенсор на катионы ртути на основе каликсарена

Каликсарены способны образовывать прочные ассоциаты с солями аммония. В ассоциатах протон одной из гидроксильных групп нижнего обода замещён на аммонийный остаток, дополнительная координация аммонийной группы обеспечивается за счёт образования водородных связей алкильных фрагментов в составе аммонийной соли с гидроксильными группами нижнего обода каликсарена. На рис. 8 приведены структуры ассоциатов каликсрена с катионами аммония.

Рис. 8. Структура комплексов каликс[6]арена с катионами аммония

Подходящая по размеру внутренней полости каликсарена органическая молекула способна располагаться внутри его полости. На рис. 9 представлен комплекс каликсарена, содержащего сульфогруппы на верхнем ободе, с диаминонафталином, полученный в воде. Комплекс образуется за счёт гидрофобного взаимодействия между арильными фрагментам каликсарена и молекулой нафталина, а также ионной связи аммонийной группы нафталина с сульфогруппами каликсарена. Образование комплекса регистрировалось по изменению положения полосы поглощения производного нафталина.

Рис. 9. Комплекс замещенного нафталина с каликсареном и изменение положения полосы поглощения нафталина в присутствии каликсарена

Данный пример демонстрирует способность каликсарена к капсулированию органических молекул. Подобное комплексообразование может быть использовано для растворения в воде малорастворимых органических молекул.

Было обнаружено, что в присутствии каликсаренов происходит эффективная экстракция фуллеренов из толуола в воду. Прочное связывание молекул фуллерена и каликсарена основывается на их гидрофобном взаимодействии. Поскольку молекулы фуллеренов имеют большие размеры, то в образовании комплексов, как правило, участвуют две молекулы каликсарена. На рис. 10 показаны примеры таких комплексов. В случае каликсаренов, имеющих в качестве заместителей амидные группы, имеется возможность димеризации каликсаренов при координации амидных групп друг с другом за счёт водородных связей, что значительно стабилизируют комплекс каликсарена с фуллереном.

Рис.10. Комплексы каликсарена с фуллереном

Каликсарены способны связывать карбоновые кислоты и аминокислоты с образованием водородных связей между этими соединениями и функциональными группами в составе каликсарена. На рис. 11 показаны комплексы двух различных замещённых каликсаренов с щавелевой кислотой. Согласно проведенным исследованиям по экстракции дикарбоновых кислот из водной фазы в органическую, каликсарены, представленные на рис. 11, демонстрируют высокую селективность по отношению к щавелевой кислоте. Изменением типа заместителей и их расположения в молекуле каликсарена можно получать селективные экстрагенты для определённых дикарбоновых кислот, что открывает возможности использования замещённых каликсаренов для селективного извлечения дикарбоновых кислот из реакционной смеси.

Рис. 11. Комплексы каликс[4]аренов с щавелевой кислотой

Каликсарены также известны благодаря возможности создания на их основе высокоселективных экстрагентов для аминокислот. Селективность достигается при точной подстройке структуры модифицированного каликсарена к связываемой аминокислоте. На рис.12 приведен комплекс аминокислоты с каликсареном.

Рис.12. Структура комплекса каликс[4]арена с аминокислотам

В верхнем ободе соединения присутствуют фрагменты эфиров аминокислот. Такие заместители способны прочно координинровать аминокислоты и их производные при образовании с ними водородных связей.

Обычно каликсарены не могут абсорбировать газообразные соединения. Однако исследователи из Университета Миссури (Колумбия) продемонстрировали, что после лёгкой подстройки структуры каликсарен получает способность быстро и обратимо абсорбировать ацетилен и углекислый газ. Разработка американских учёных открывает возможность использования каликсаренов и сходных материалов для разделения или хранения газообразных веществ. Исследованное учёными из Миссури твёрдое вещество представляет собой конформационно неоднородную смесь пара-третбутилкаликс[5]аренов – чашеобразных молекул, способных удерживать в полости молекулы «гостей», например, молекул толуола (рис. 13).

Толуол

Рис. 13. Димер пара-третбутилкаликс[5]арена с включенной в полость молекулой толуола (J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15060)

Удаление молекул-гостей из полости каликсаренов-хозяев приводит к тому, что твёрдые вещества меняют кристаллическую структуру материала, частично сохраняя пустые полости, которые возможно заполнять газом.

Каликсарен с частично удалённым из полостей толуолом легко поглощает ацетилен и с несколько меньшей эффективностью может сорбировать метан или углекислый газ, но не поглощает кислород или азот. Селективность в поглощении газов может быть использована для разделения газовых смесей.

Практическое прменение каликсаренов. Важным применением каликсаренов является создание на их основе экстрагирующих реагентов для катионов металлов. Поскольку каликсарены содержат ароматические фрагменты, которые придают лигандам гидрофобные свойства, то катионы легко капсулируются ими и переносятся в органическую фазу.

В биохимических исследованиях каликсарены используют в качестве искусственных каталитических систем, с их помощью возможно моделирование сложных ферментативных процессов. Так, тетраметокси(тиа)каликсарен может выступать в качестве аналога белка аквопорина для моделирования процессов транспорта воды через клеточную мембрану.

Комплексы «включения» циклодекстринов

Циклодекстрины (ЦД) – природные циклические олигосахариды, построены из определённого числа D-глюкопиранозных звеньев, связанных между собой α-1,4-глюкозидной связью (рис. 1).

а б

Рис. 1. Структура a-циклодекстрина (а) и нумерация атомов в глюкопиранозном фрагменте (б)

Внимание исследователей к данному типу соединений связано с тем, что ЦД способны образовывать прочные комплексы с широким кругом неорганических солей и органических молекул. В настоящее время ЦД различного размера и модификации выпускают в ряде стран мира, в том числе и в России.

ЦД получают путем расщепления крахмала ферментом амилазой либо криолизом водных растворов крахмала. Наиболее распространёнными являются a- (6 глюкопиранозных звеньев), b- (7 глюкопиранозных звеньев) и g-циклодекстрины (8 глюкопиранозных звеньев).

Строение ЦД определено с использованием совокупности физико- химических методов. Установлено, что все глюкопиранозные звенья имеют конформацию кресла (рис.1б).

Следствием такой конформации является то, что все гидроксильные группы у С-6 направлены в одну сторону, а гидроксильные группы у С-2 и С-3 – в другую. При таком расположении гидроксильных групп создаётся возможность образования водородных связей, что придаёт жёсткость структуре ЦД. Структура ЦД напоминает усечённый конус, по нижнему и верхнему ободу которого расположены гидроксильные группы (рис. 2).

Гидрофобная полость Гидрофильная оболочка

Рис. 2. Структура циклодекстрина

Внутри конуса гидроксильных групп нет, поэтому внутренняя полость является гидрофобной, а внешняя оболочка – гидрофильной. ЦД хорошо растворим в воде, внутри полости ЦД могут разместиться гидрофобные молекулы. Таким образом, ЦД может капсулировать гидрофобные молекулы и переносить их в водный раствор.

Циклодекстрины плохо растворимы в органических растворителях, устойчивы в щелочных растворах, но гидролизуются в кислой среде. В табл.1 представлены некоторые физико-химические характеристики ЦД.

Таблица 1. Физико-химические характеристики ЦД

Характеристики	α-ЦД	β-ЦД	γ-ЦД
Молекулярный вес	972,85	1134,99	1297,14
Внешний диаметр, Å	13,7	15,3	16,9
Внутренний диаметр, Å	5,2	6,6	8,4
Высота, Å	7,8	7,8	7,8
Растворимость в воде при 25 °С, г/100 мл	14,5	1,85	23,2
Температура разложения, °С	278	299	267

Поскольку ЦД имеют симметричное строение, в ЯМР-спектре ЦД все глюкопиранозные звенья имеют одинаковые химические сдвиги протонов. На положение сигналов протонов ЦД оказывает существенное влияние природа растворителя.

Большое внимание исследователей привлекают модифицированные ЦД. Реакции модификации гидроксильных групп традиционны для олигосахаридов. Основной трудностью при синтезе является образование производных ЦД с различной степенью замещения гидроксильных групп. Для выделения индивидуальных соединений успешно используется препаративная жидкостная хроматография.

Процессы комплексообразования ЦД весьма разнообразны. Так, с участием гидроксильных групп возможна координация органических и неорганических катионов, в то время как незаряженные органические молекулы могут располагаться внутри полости ЦД (рис.3).

Рис.3. Схема комплексообразования циклодекстринов

На рис. 4 представлены константы устойчивости комплексов замещённых нитрофенолов с a-ЦД.

Рис.4. Структура и константы комплексообразования a-ЦД с производными нитрофенола

Молекула нитрофенола может образовывать комплекс, погружая в полость a-ЦД либо нитрогруппу, либо гидроксильную группу (как видно из рис. 4). Нитрофенол, имеющий метильные группы в 3,5-положениях бензольного ядра, т.е. в непосредственной близости к нитрогруппе, не образует комплекса с a-ЦД. В случае нитрофенола с расположением метильных групп в 2,6-положениях бензольного ядра вблизи гидроксильной группы обнаружено образование комплекса с константой утойчивостью немного ниже той, что обнаружена для нитрофенола. Это означает, что объёмные заместители вблизи нитрогруппы препятствуют вхождению молекулы в полость циклодекстрина. Следовательно, в комплексе расположение нитрофенола в a-ЦД таково, что нитрогруппа погружена в a- ЦД, а гидрокильная группа располагается на уровне верхнего обода a-ЦД. Дополнительным доказательством структуры комплекса являются данные ЯМР-спектроскопии. В двумерных ЯМР-спектрах обнаружены кросс-пики Н-6¢(нитрофенол) « H-5 (ЦД) и Н-5¢(нитрофенол) « H-3(ЦД) (рис. 4).

На рис. 5 показаны структуры комплексов a-ЦД с коричной кислотой. Результаты исследования показали, что комплекс, в котором a-ЦД располагается на двойной С=С связи, имеет более высокую устойчивость (К₁₁) по сравнению с комплексом, когда a-ЦД включает в свою полость ароматический фрагмент (К₁₂).

O O

OH OH

K 11 K 12

Рис. 5. Структуры комплексов a-ЦД с коричной кислотой

Комплексообразование органических молекул с ЦД используется для модификации характеристик молекул-«гостей». Так, был получен краунсодержащий 2-стирилбензотиазол, имеющий свойства оптического сенсора на катионы металлов. Координация катионов металлов по краун- фрагменту приводит к изменению флуоресценции лиганда. Следует отметить, что растворимость данного лиганда в воде низка, что препятствует его использованию для ионного анализа в воде. С b-ЦД краунсодержащий 2-стирилбензотиазол образует комплекс-«включения», который имеет высокую растворимость в воде (рис.6). Оказалось также, что комплекс имеет более яркие флуоресцентные характеристики. Таким образом, капсулирование флуоресцентного лиганда молекулой b-ЦД приводит к образованию нового супрамолекулярного лиганда для катионов металла со свойствами, улучшенными по отношению к исходному молекулярному сенсору.

Рис. 6. Комплекс b-ЦД с краунсодержащим 2-стирилбензотиазолом

Комплексообразование ЦД с катионами металлов аналогично по механизму комплексообразования каликсаренов: наблюдается замещение протона в гидроксильной группе на катион металла. Для облегчения отрыва протона реакцию проводят в присутствии оснований.

Было показано (рис. 7), что медь координируется по двум противоположным гидроксильным группам молекулы, а положение координации меняется при изменении размера ЦД. Аналогичный комплекс образует и марганец.

Рис. 7. Комплексообразование циклодекстринов с солями металлов

В присутствии катионов свинца наблюдается димеризация ЦД. Свинец как бы по кругу сшивает две молекулы ЦД. Следует отметить, что комплексообразование происходит с участием гидроксильных групп при вторичных атомах углерода.

На рис. 8 приведен пример двухточечного комплексообразования. Если в качестве «шапочки» у ЦД используется заместитель, включающий азотсодержащий гетероцикл, то катионы меди координируются прежде всего с таким гетероароматическим фрагментом. Органический фрагмент медной соли погружается в полость ЦД за счёт гидрофобного взаимодействия его с ЦД. В результате осуществляется двухточечное связывание органической соли меди с ЦД.

Рис. 8. Двухточечное комплексообразование циклодекстрина с солями меди

В литературе описаны многочисленные примеры по синтезу полимерных циклодекстринов. Для осуществления синтеза полимерного ЦД на первом этапе получают его комплекс с мономерным фрагментом, а затем проводят полимеризацию закомплексованных мономеров. В конце процесса добавляют реагенты, присоединение которых прекращает полимеризацию. Если вводимые терминальные группы имеют большой размер, то они являются стопором для предотвращения соскальзывания ЦД с полимерной цепи (рис.9).

Рис. 9. Пример синтеза полимерного ЦД

Полимеры такого типа могут использоваться для создания на их основе различных современных материалов.

Одним из основных применений ЦД является его использование в качестве реакционного контейнера. Например, было показано, что ЦД способны образовывать комплексы с 4-стирилпиридином (рис. 10).

Рис.10. Примеры фотохимических реакций в полости циклодекстрина

Облучение этих комплексов ведёт к протеканию фотохимических процессов, зависящих от размера полости ЦД. Так, комплекс 4-стирилпиридина с a-ЦД остаётся инертным к облучению светом. Видимо, в ограниченном пространстве a-ЦД конформационные перестройки молекулы, сопровождающие фотореакции, невозможны. В комплексе с b- ЦД наблюдается протекание обратимой реакции тран-цис-изомеризации. В комплексе с g-ЦД была обнаружена реакция [2+2]-циклоприсоединения, поскольку размер полости g-ЦД позволяет разместиться в ней двум молекулам гетеростильбена с образованием димера с ориентаций молекул «голова-к-хвосту» (рис. 10).

Капсулирование органических молекул ЦД приводит к модификации их реакционной способности. В табл. 2 приведены примеры влияния капсулирования на протекание различных химических реакций.

Таблица 2. Изменение скоростей ряда реакций в присутствии ЦД

Реакции	Субстрат	Ускорение, раз
Гидролиз эфиров	Фениловые эфиры	300
Гидролиз амидов	Пенициллины	89
Расщепление фосфатов	Диарилметилфосфаты	66
Декарбоксилирование	Цианоацетаты	44
Реакции Дильса-Альдера	Циклопентадиен+бутен	14

Следует отметить, что реакционная способность молекул в полости ЦД не коррелирует с прочностью комплекса. Наиболее важным моментом является наиболее выгодная пространственная ориентация субстрата по отношению к реакционному центру или реагирующим группам для эффективного их взаимодействия.

По данным международной Ассоциации в настоящее время циклодекстрины находят применение в следующих областях:

- Защита материалов от окисления и старения под воздействием УФ- излучения в течение срока хранения или использования.

- Стабилизация ароматизаторов и специй.

- Маскировка горечи и неприятного запаха пищевых продуктов, лекарств и косметических средств.

-Преобразование жидких материалов в сухие формы.

-Улучшение растворимости веществ с низкой растворимостью в воде.

-Эмульгирование гидрокарбонов, стероидов, жиров и жирных кислот.

-Управляемое действие активных компонентов лекарств и ароматизаторов.

-В качестве катализаторов химических реакций.

-Искусственная среда химического синтеза.

ЦЕОЛИТЫ

Название происходит от шведского минералога и химика Акселя Фредрика Кронштедта, который обнаружил никель в 1751 году. Он придумал термин «цеолит» после нагревания минералов с помощью пламени, что означает от греческого слова «zeo» (кипятить) и «líthos» (камень).

Цеолиты взаимодействуют с водой, выделяя большое количество газов с пузырьками, а при нагревании очень долго выделяется водяной пар.

Сотовая структура цеолитов позволяет им поглощать большое количество молекул газа, влаги и многих химических веществ.

В качестве сушильного агента превосходит другие популярные варианты, такие как силикат алюминия и силикат кальция. Это делает его отличным выбором для дезодорации и осушения влажных темных помещений, например, подвалов.

В дополнение к поглощению избытка воды и плесени, цеолит доказал свою эффективность против тяжелых металлов и других веществ, таких как:

· Радиоактивные газы;

· Бактериальные запахи;

· Формальдегид;

· Диоксид серы;

· Свинец;

· Аммиак.

Вот почему его используют в чрезвычайных ситуациях загрязнения, разливах нефти и ядерных авариях (например, Три-Майл-Айленд и Чернобыль).

Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 373; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!