авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«Учебно-методическое обеспечение для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематического направления ННС «Нанобиотехнологии» _ ...»

-- [ Страница 3 ] --

Координационное число и геометрия связанного аниона — также по тенциально важные параметры. При поисках комплементарного хозяина для катионов металлов надо учитывать, что связывание металлов гораздо сильнее в тех случаях, когда координационное число и геометрия металла соответствуют этим же параметрам лиганда (октаэдрическая, тетраэдричес кая, плоскоквадратная и т.д.). Эта важная особенность не так существенна в случае катионов щелочных металлов, которые не имеют четких координаци онных предпочтений. В кристаллическом NaC1 хлорид-анион находится в регулярном шестикоординационном октаэдрическом окружении. Напротив, хлорид-анион, капсулированный катапинандами, можно считать двухкоор динационным, поскольку он занят в образовании двух водородных связей N-Н···Cl-. В действительности, существует много разнообразных видов коор динационной геометрии анионов, причем число взаимодействий, на которые способен анион, возрастает с увеличением его размера. Синтетические хо зяева галогенидов могут участвовать в образовании двух-шести водородных связей в ациклических и циклических структурах, тогда как большие много атомные анионы могут давать до трех водородных связей в расчете на один концевой атом.

Таким образом, хозяин должен быть достаточно большим, чтобы иметь возможность включать в полость анион, а также не должно существовать больших электростатических отталкиваний. Этим условиям удовлетворяет Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

криптанд тераэдрической координации (содержит четыре триаза-18-кра ун-6), получивший название «футбольный мяч»:

В отличие от катапинандов этот протонированный криптанд имеет край не сильное сродство к хлорид-ионам (lgK 4, растворитель - метанол-вода), а его селективность к хлорид-иону в 50 раз выше, чем к бромид-иону.

Простые по структуре двумерные хозяева (циклические полиэтиленими ны), содержат несколько протонируемых центров и способны образовывать комплексы («суперкомплексы») представленной структуры с различными анионами, включая анионы больших размеров.

Соединение XXI (при n=1 – [18]ан-N6) образует кристаллы XXI-4Н+·2Cl ·2NO3-, в которых нитрат-ион взаимодействуют с хозяином не прямо, а че рез включенные молекулы воды, а в кристалле XXI-6Н+·2Cl-·4NO3-, имеются прямые связи между этими центрами и нитрат-ионами, но каждый нитрат ион приходится только одна такая связь. Макроциклы с большими n образу ют комплексы с такими ионами, как [PdCl4]2-, [Fe(CN)6]4-, причем константы зависят от степени протонирования макроцикла, табл.1.7.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Таблица 1.7.

Устойчивость комплексов XXI с [Fe(CN)6] 4 lgK Хозяин Комплекс n=3 n=4 n= XXI-4H 1:1 4.06 3.69 3. + XXI-5H+ 1:1 5.63 4.78 4. XXI-6H+ 1:1 7.60 6.23 5. XXI-7H+ 1:1 9.33 7.92 6. XXI-8H+ 1:1 - 9.03 8. В литературе приводятся результаты комплексообразования с анионами множества специально сконструированных хозяев, среди которых можно вы белить производные на основе гуанидиния, металлоорганические рецепто ры, цвиттер-ионные соединения и др.

Контрольные вопросы 1. Дайте определение краун-эфирами и приведите их классификацию.

2. Правила систематической номенклатуры для краун-эфиров.

3. От каких факторов зависит устойчивость комплексов внедрения краун эфиров с катионами металлов и где это свойство находит применение?

4. Приведите способы получения краун-эфиров.

5. Классификация комплексов внедрения на базе краун-эфиров.

6. Конформационные особенности строения комплексов краун-эфиров.

7. Методы синтеза краун-эфиров.

8. Области применения краун-эфиров?

9. Что такое супрамолекулярная фотоника, где это направление находит практическое применение?

10. Приведите строение, свойства и применение металлокомплексов с краун-замещенными фталоцианинами.

11. Как получают электриды, опишите их свойства.

12. Какие соединения называют антикраунами, приведите их строение?

13. Дайте определение понятию поданды. История вопроса.

14. Особенности комплексообразования подандами.

15. Дайте определение понятию лариат-эфирами, какими свойствами они обладают?

16. Какие соединения называют криптандами? Номенклатура крип тандов.

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

17. Методы синтеза криптандов.

18. Создание жестких трехмерных структур молекул «хозяина» - сферан дов. Их строение.

19. Алкалиды: содииды и потассиды.

20. Углеводородные хозяева.

21. Какие соединения называют сидерофорами? Их роль в живой при роде.

22. Синтетические сидерофоры.

23. Какие соединения супрамолекулярной химии применяют для связы вания анионов?

24. Опишите концепцию конструирования молекулы «хозяина» для анионов.

1.3. Кавитанды как молекулярные «хозяева»

1.3.1. Циклодекстрины 1.3.2. Применение циклодекстринов 1.3.3. Внутриполостные комплексы нейтральных молекул 1.3.4. Каликсарены 1.3.5.Кукурбитурилы 1.3.1. Циклодекстрины Кавитанд (cavitand) – молекулы в форме контейнеров определенной фор мы. Наличие внутри молекулы структурированной пустоты позволяет ей вступать во взаимодействия «гость-хозяин» с молекулами (частицами) ком плементарной формы и размера. Среди кавитандов выделяют циклодекстри ны, каликсарены и кукурбитурилы.

Циклодекстрины относятся к классу чрезвычайно важных соединений хозяев, которые широко используются в пищевой, косметической и фар мацевтической отраслях промышленности, обычно в качестве агентов для медленного высвобождения и доставки веществ. Они также чрезвычайно важны как имитаторы ферментов. Одно из их преимуществ – абсолютная нетоксичность в широком диапазоне дозировки. Они настолько важны, что им посвящен целый том 11-томного издания “Comprehensive supramolecular chemistry” (J. Atwood et al/ Oxford, “Pergamon”, 1966) – том.3. Промышленное производство наиболее важного представителя семейства циклодекстринов, -циклодекстрина, составляет 1500 т в год с ценой лишь несколько долларов за 1 кг.

Циклодекстрины — углеводы, циклические олигомеры глюкозы, по лучаемые ферментативным путем из крахмала. Они образованы остатками D-(+)-глюкопинарозы, объединенными в макроциклы -D-1,4-гликозидными СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ связями. Историческое название: кристаллические декстрины Шардин гера.

По свойствам циклодекстрины резко отличаются от обычных (линейных) декстринов. Иногда циклодекстрины называют циклоамилозами, цикло мальтоолигосахаридами, цикломальтодекстринами.

Впервые циклодекстрины были обнаружены М. Вилльером (М.А. Villiers) в 1891 г., исследовавшим продукты метаболизма бактерий Clostridium butyricum, и давшим первое описание этих кристаллических углеводов под на званием «целлюлозин» (cellulosine). Наибольший вклад в исследование цик лодекстринов внёс позднее (1903—1911 гг.) Ф. Шардингер (F. Schardinger), в честь которого они длительное время назывались декстринами Шардингера.

Все циклодекстрины представляют собой белые кристаллические порош ки, нетоксичные, практически не имеющие вкуса. Внешне - это белые крис таллические и аморфные субстанции. Количество кристаллизационной воды варьирует от 1 до 18 % в зависимости от методов сушки и приготовления препарата.

Циклодекстрины различают по количеству остатков глюкозы, содержащих ся в одной их молекуле. Так простейший представитель — -циклодекстрин (-СD) - состоит из 6 глюкопиранозных звеньев;

-циклодекстрин (-СD) содержит 7;

а -циклодекстрин (-СD) - 8 звеньев, рис.1.27. Именно эти три типа наиболее распространены и исследованы. Циклодекстрин, молекулы которого состоят из 5 глюкопиранозных звеньев, ферментативными мето дами до сих пор не синтезирован. Более того длительное время (на основе расчетов методами молекулярной механики) считалось, что циклы, содержа щие менее шести глюкозных фрагментов невозможны, но японским ученым удалось синтезировать 5-ти членный циклодекстрин.

Рис.1.27. Структуры некоторых циклодекстринов Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Полное название по правилам ИЮПАК этих соединений достаточно слож ное. Например, - 5,10,15,20,25,30,35-гептакис(гидроксиметил)-2,4,7,9, 12,14,17,19,22,24,27,29,32,34-тетрадекаоксаоктацикло[31.2.2.23,6.28,11.218,21.223,26.

228,31]нонатртраконтан-36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49-тетрадекаол.

В литературе имеется сообщение о проведение синтеза -циклодекстрина в стадию с суммарным выходом 0.3 % и -циклодекстрина с выходом 0.02 %.

При трансформации крахмала в циклодекстрины с помощью микробного фермента циклодекстринглюканотрансферазы (ЦГТазы) также образуются циклические сахара, имеющие девять, десять, одиннадцать и более (до 30— 60) остатков глюкозы в цикле и обозначаемые соответствующими буквами греческого алфавита,,,, и т. д. Это так называемые крупнокольцевые (large-ring) циклодекстрины.

Форма молекул циклодекстринов в грубом приближении представляет собой тор, также напоминающий полый усечённый конус, рис.1.28. Данная форма стабилизирована водородными связями между ОН-группами, а так же -D-1,4-гликозидными связями. Все ОН-группы в циклодекстринах на ходятся на внешней поверхности молекулы. Длительное время считалось, что структура циклодекстринов жесткая, однако ряд исследований с исполь зование ЯМР-спектроскопии свидетельствует об определенной гибкости молекулы, так что оси симметрии высокого порядка применимы только к усредненным структурам. Степени свободы связаны с некоторой гибкостью по связям между пиранозидными кольцами. Макроциклические декстрины имеют скрученную форму без каких-либо полостей.

Рис.1.28. Структура циклодекстринов и условный тор Циклодекстрины химически устойчивы, относятся к невосстанавливае мым углеводам. Они могут быть модифицированы полностью или частично (региоселективно), приобретая новые важные свойства. Возможно отщепле СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ ние ОН групп, разрыв С-О, С-Н и С-С-связей. Однако, приготовление цикло декстринов, содержащих заместители в сторого определенных позициях чрез вычайно трудно и требует тщательных (хроматографических) методов очист ки. Напротив, полное метилирование или ацилирование удается выполнить с хорошими выходами, поэтому такие продукты коммерчески доступны.

Перацетилированные циклодекстрины растворимы только в органичес ких растворителях.

Эти свойства являются важными для использования при экстракции, в катализе и т.д. Например, гептакис-2,3,6-С-пентил циклодекстрин использу ется в качестве активной добавки в подвижную фазу в энантиоселективной хроматографии.

Ряд основных свойств индивидуальных -, - и -циклодекстринов пред ставлен в табл.1.8.

-Циклодекстрин плохо растворим в воде, но его гептакис-2,6-О-диметил производное растворяется заметно лучше;

а незамещенные циклодекстрины нерастворимы в органических растворителях, тогда как полностью метили рованные производные растворимы не только в них, но и в воде.

Таблица 1. Основные свойства циклодекстринов Внутренняя полость циклодекстринов является гидрофобной и способ на образовывать в водных растворах комплексы включения с другими моле кулами органической и неорганической природы. В комплексах включения кольцо циклодекстрина является «молекулой хозяином», включённое вещес тво называют «гостем».

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Обычно взаимодействие циклодекстрина с неполярной молекулой-гостем приводит к образованию молекулярных соединений включения состава 1:1, в котором гость встроен в полость циклодекстрина. Включение – термоди намически равновесный процесс с константой равновесия К по обычным соотношениям:

Обычны также равновесные процессы более высокого порядка, в которых входит образование комплексов 1:2 или кратных агрегатов с участием более одного циклодекстрина, часто существующих одновременно.

Для определения констант комплексообразования, К, используют метод растворимости. По этому методу измеряют растворимость сорбата [G]max как функцию концентрации циклодекстрина, [CD], считая растворимость :не включенного в комплекс сорбата постоянной:

Малые концентрации сорбатов могут быть определены флуоресцентны ми, спектрфотометрическими, хроматографическими и др. методами.

Интересен технический момент насыщения раствора сорбатом, который состоит в пропускании раствора через генераторную колонку (стальная ко лонка, заполненная стеклянными шариками, на которые нанесен сорбат, под лежащий растворению).

Комплексы включения в воде диссоциируют на циклодекстрин и исходное вещество, проявляя основные свойства последнего. При нагревании выше 50—60°С комплексы обычно распадаются полностью и обычно восстанав ливают свою структуру при охлаждении.

В процессе образования комплексов меняются многие исходные свойс тва включаемых соединений. Нерастворимые в воде вещества, приобретают большую растворимость, становятся стабильными в процессах окисления и гидролиза, меняют вкус, цвет и запах. Из жидкостей и даже некоторых бла городных газов могут быть получены порошкообразные соединения, из мас лообразных веществ - полностью растворимые в воде препараты (например, жирорастворимые витамины).

В целом, размер наиболее подходящего гостя увеличивается при росте размера полости хозяина (циклодекстрина), однако хозяин обладает некото рой гибкостью, поэтому такое соответствие не является строгим критерием.

Высвобождение высокоэнергетической воды из полости CD и гидрофобный СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ эффект при внедрении гостя создают условия для уменьшения энтальпии.

Однако, если при классическом гидрофобном эффекте наблюдается умень шение энтропии, то для комплексов включения циклодекстринов это не всег да выполняется вследствие условной неполярности внутренней поверхности торов. Дополнительная стабилизация комплексов возможна за счет образо вания водородных связей или за счет диполь-дипольных взаимодействий. По модели К. Коннорс (K. Connors) свободная энергия образования комплекса включает три составляющие:

Здесь индекс «int» относится к энергии взаимодействия хозяин-гость, ко торая должна иметь благоприятный или, в худшем случае, нулевой вклад.

Она включает вклады обусловленные образованием водородных связей, дипольных и дисперсионных взаимодействий. Энергия с индексом «solv»

описывает эффекты растворителя. Она может быть как благоприятной, так и неблагоприятной, но обычно – неблагоприятная. Это – разность между энер гией сольватации комплекса и суммой энергий сольватации хозяина и гостя.

Энергия с индексом «genm» - общий эффект среды, связанный с созданием соответствующих полостей. Следовательно, эффективное комплексообразо вания определяется первой и третьей составляющими. Об условности гид рофобности взаимодействий можно судить по изменения констант комплек сообразования заряженных (менее гидрофобных) и незаряженных частиц, рис. 1.29.

Рис. 1.29. Изменение констант комплексообразования при изменении состояния ионизации гостя Найдено, что при комплексообразовании алифатических гостей типа Me(CH2)nX связывание значительно усиливается, если Х – полярная группа, Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

например, СООН или ОН, но не Ме. Это объясняют выигрышем энтальпии за счет диполь-дипольных взаимодействий или за счет образования водород ных связей.

Следует учесть, что обнаруживаемый методами ЯМР, кругового дихро изма факт образования комплексов в растворе не обязательно соответству ет существованию комплексов в кристаллическом или твердом состояниях вследствие отсутствия гидрофобных эффектов в твердом состоянии. Иногда комплексы, устойчивые в растворе, кристаллизуются в виде тонкой диспер сии отдельных кристаллов гостя и хозяина. Тем не менее, было выделено большое число твердых комплексов внедрения.

В твердом состоянии комплексы декстринов можно разделить на три об ширные категории – канальных, клеточных и слоистых структур, рис.1.30.

При этом учитывают взаимную ориентацию торов относительно друг друга, различая, например оринтации типа «голова-голова» (а также «хвост-хвост») или «голова-хвост»;

и второй критерий определяется по взаимному располо жению осей торов.

Структуры клеточного типа наблюдаются, когда молекула гостя доста точно мала для полного включения в полость циклодестрина. В результа те молекулы циклодекстрина организуются по типу «елочка». Полость -циклодекстрина велика для захвата молекул бензола, метанола, пропано ла-1, 3-иодпропановой кислоты, поэтому для таких соединений включения характерна елочная структура упаковки в твердом состоянии.

С большими молекулами-гостями все три главных циклодекстрина обра зуют канальные структуры, в которых торы выстраиваются в ряд, образуя одну сплошную гидрофобную полость. Метиловый оранжевый простирает ся на три -циклодекстриновые полости, а с ферроценом – на две полости с их ориентацией «голова-к-голове». Известнен случай включения катио на Na+ в две молекулы краун-эфиров, которые, в свою очередь, включены в пару -циклодекстриновых полостей («русская кукла» или «матрешка»), рис.1.31.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Рис.1.30. Варианты упаковки циклодекстриновых торов 1а и 1б – канальный тип;

2 – клеточный тип, 3а и 3б – слоистый тип.

Рис.1.31. Канальная структура комплекса -СD c [Na(12-краун-4)2] 1.3.2. Применение циклодекстринов Циклодекстрины находят широкое применение в ряде отраслей промыш ленности. Рынок циклодекстринов растет благодаря их уникальным свойс Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

твам по включению гостей и кинетике диссоциации комплексов наряду с их стабильностью, нетоксичностью и относительной дешевизной. Основные области интереса к ним представлены в виде распределения резюме статей по циклодекстринам, опубликованным в 1996 г. в «Cyclodextrin News». Око ло 80 — 90% полученных в промышленности циклодекстринов (в основном -CD) расходуется в пищевой промышленности, где использование цикло декстринов предпочтительно из-за их высокотемпературной стабильности в процессах переработки пищевых продуктов. Комплексообразование цикло декстринами дорогих душистых масел и специй, приготовленных из яблок, цитрусовых, корицы, чеснока, имбиря, мяты и тимьяна, значительно умень шает их количества, необходимые для достижения запаха определенной силы при добавлении к пище. Комплексообразование делает такие ароматизаторы более устойчивыми к окислению, фотохимической деструкции, термичес кому разложению и уменьшает их летучесть. Приведем лишь один пример.

Количество луковой приправы для пикантного овечьего сыра можно снизить от 550 г (на 100 порций) до 10 г, если эта специя связана в виде комплекса с -циклодекстрином. Подобная стабилизация достигается в случае пищевых красителей и пигментов, которые могут разлагаться фотолитически или при изменении рН. Привлекательность циклодекстринов для производителей пищевых продуктов возрастает еще более, если учесть преимущества пере работки и взвешивания (сухой порошок в противоположность летучему мас лу), которые снижают цены при упаковке и хранении, а также вероятность микробного загрязнения.

Кроме использования в пищевой промышленности циклодекстрины так же применяют в фармацевтической промышленности в качестве систем до ставки лекарств. Как и в пищевой промышленности, циклодекстрины могут служить защитными агентами, которые предотвращают преждевременный метаболизм лекарств и допускают, таким образом, например, оральное, а не внутривенное введение. Они также могут изменять растворимость лекарства и особенности его биологического транспорта, увеличивая специфичность к мишени. Циклодекстрины могут также увеличивать растворимость слабо растворимых лекарств, что исключает необходимость химического модифи цирования самого лекарства введением гидрофильных остатков, способных вмешиваться в мембранный транспорт этого лекарства. Известно, наконец, что комплексообразование циклодекстринами уменьшает местное раздраже ние или повреждения, вызванные лекарством, а также маскирует неприят ные или горькие привкусы.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ 1.3.3. Внутриполостные комплексы нейтральных молекул Циклофаны — это мостиковые макроциклические системы, включающие ароматические или гетероароматические макроциклы, соединенные между собой алифатическими спейсерами. Эти циклофаны уже упоминались, по тому что они обладают рядом свойств, уникальных из-за наличия в их моле кулах многочисленных арильных колец, и, отчасти, потому что они всесто ронне изучены.

Но целый ряд синтетических циклофановых хозяев был сконструиро ван для связывания органических молекул в водной и неводной средах. По определению, циклофан-хозяин должен содержать, по крайней мере, один макроцикл и замыкающие его группы, обладающие кривизной. Хозяева, со держащие гибриды таких фрагментов, достаточно распространены. Цикло фановые хозяева обычно связывают как нейтральные молекулы, так и ор ганические катионы, причем иногда даже неясно, протонирован ли гость, как, например, в случае кислоты-хозяина, образующей с ним водородные связи, или нет. Циклофановые хозяева могут содержать или не содержать молекулярную полость, и в некоторых случаях такие полости не нужны для достижения высокого сродства к связыванию, если связывающие центры в молекуле хозяина, обладающие стереоэлектронной (т.е. стерической и элек тронной) комплементарностью к гостю, расположены надлежащим образом (предорганизованы). Это может приводить к связыванию по типу «капсула»

или «гнездо» или даже к неполярным поверхностным взаимодействиям, пос ледние часто ведут к агрегированию. Тем не менее встречаются и полости, когда прирост энтропии и энтальпии обусловлен сферическим или трехмер ным капсулированием гостя хозяином, имеющим сходящиеся связывающие центры.

Номенклатура. Если алифатические мостики циклофанов содержат n атомов углерода, то это число заключают в квадратные скобки перед наиме нованием «циклофан» наряду с обозначением (орто-, мета- или пара-), ука зывающим на характер замещения в арильном кольце (кольцах). Количество цифр в квадратных скобках означает число таких мостиков. Так, циклофаны, приведенные в предудущей теме, имеют названия:

XIV [2.2]парациклофан XV [3.3]парциклофан XVI [2.2.2]парациклофан Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Синтез циклофанов обязательно включает образование колец средних и больших размеров и, следовательно, всегда проблематичен из-за конкури рующих реакций олигомеризации и полимеризации. Однако детальное об суждение многочисленных методов получения циклофанов не является зада чей данного пособия. Уместно, однако, привести обычные методы и особые «хитрости» в этой продвинутой области органического синтеза. Несколько важных реакций синтеза циклофанов (и макроциклов вообще) перечислены ниже:

1. Нуклеофильное замещение, включая реакции с участием серы и реак ции с ее удалением.

Сера имеет гораздо большую реакционную способность, чем кислород, вследствие повышенной кислотности группы SH. Промежуточные тиоэфи ры можно окислить в соответствующие S=O- или SO -производные, пиролиз которых приводит к удалению серы с образованием соединений с С-С-свя зью, таких, как XXI, рис.1.32.

Рис.1.32. Схема синтеза макроцикла с тетраэдрической координацией фенильных групп в полости 2. Образование С-С-связи по реакции типа реакции Вюрца:

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ 3. Катализируемое медью сочетание алкинов:

Особые черты, присущие некоторым циклофанам - это достаточно высокая степень структурной жесткости (как и в случае полости в -циклодекстрина) в сочетании с многоточечным связыванием. Эти черты обычно выражаются в виде синергетических эффектов --стэкинга и водородного связывания и приводят к капсулированию гостя.

При рассмотрении химии катионсвязывающих хозяев подчеркивалась прямая взаимосвязь их жесткой предорганизации и высоких констант свя зывания, причем сродство к связыванию возрастало в ряду: поданды, ко ранды, криптанды и сферанды. Поэтому при переходе от подандоподобных пинцетов (см. в разделе Молекулярные машины) к истинным циклофанам, в которых связывающая полость является частью всей циклической структу ры, следует ожидать дальнейшего усиления связывания - благодаря дополни тельной предорганизации хозяина.

Э. Джарви и Х. Витлок (Е. Jarvi and Н. Whitlock) в 1980 г. получили [8.8] парациклофан (XXII), содержащий два дииновых мостика:

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Многоточечное связывание осуществляется путем ион-парного взаи модействия между карбоксилат-анионом и положительным зарядом 2-на фталинметилентриэтил-аммониевого катиона-гостя. Тем не менее, конс танта связывания этой, очевидно комплементарной, пары составляет лишь 55 моль-1. Изучение молекулярных моделей показывает, что такая полость слишком мала для гостя и не подходит ему. Более того, может существовать и открытая конформация, не подходящая для большинства --стэкинг взаимодействий.

Для решения этой проблемы был сконструирован ряд других хозяев, ко торые в некоторых случаях также включали дополнительные предоргани зующие мостики и акцепторные центры водородного связывания. В соеди нении XXIII использованы нафталиновый спейсер и пиридильный остаток, участвующий в образовании водородной связи с гостем. Один из диеновых мостиков соединений типа XXII также заменен более коротким п-ксилиль ным спейсером для создания дополнительных --стэкинг-взаимодействий типа «торец к плоскости» (водородные связи С – Н····). Константа связыва ния этого хозяина с п-нитрофенолом (PNP) уже значительно больше: 9.6· моль-1 в растворе CD2Cl2. Внутриполостное комплексообразование доказано благодаря анализу химических сдвигов для гостя в спектре 1Н ЯМР и данных РСА:

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Рис. 5.62. Кристаллическая структура n-нитрофельного комплекса соединения (5.88). Обратите внимание на водорожные связи С-Н— и ОН–N, а также на — — стэкинг-взаимодействия (Whitlock B.J. and Whitlock H.W., 1990) Одна из наиболее важных попыток найти синтетические хозяева, спо собные связывать органические молекулы в растворах (в частности, вод ных), - получение К. Одашимой с сотрудниками (К. Odashima et al., 1980) 1,6,20,25-тетрааза[6.1.6.1]парациклофана (XXIV). В это соединение для со здания кривизны на двух сторонах почти прямоугольной макроциклической полости введен фрагмент дифенилметана. При этом два таких фрагмента со единены гибкими спейсерами на основе алифатических аминов. При рН хозяин XXIV растворяется в воде вследствие протонирования атомов азота.

Значительные сдвиги отмечены в спектре 1Н ЯМР этого соединения в при сутствии ряда органических молекул, в частности молекул ароматических гостей, таких, как 8-анилино-1-нафталинсульфонат (ANS), за связыванием которого легко проследить с помощью флуоресцентной спектроскопии, и 2,7-дигидроксинафталин. Такие взаимодействия до 1980 г. наблюдали и в других системах, но главное достижение при изучении соединения XXIV сводилось к следующему: при добавлении дурола (1,2,4,5-тетраметилбензо ла) к раствору этого хозяина образуется кристаллическое вещество. Кристал лическая структура этого комплекса имеет вид:

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Эта структура — первое определенное свидетельство включения орга нического гостя в центр макроциклической полости как раз таким образом, как можно было ожидать на основании простой молекулярной модели. Сле довательно, стало возможным сконструировать полностью искусственную полость, способную связывать органические гости в воде. Молекула дуро ла связана с XXIII посредством --стэкинг-взаимодействий типа «торец к плоскости» и «плоскость к плоскости», причем наименьшее расстояние ато мами углерода метильной группы гостя (дурола) и арильного атома углерода хозяина составляет 3.59.

В случае всех хозяев, построенных на основе фрагмента дифенилметана, и, разумеется, большинства циклофановых хозяев связывание органических гостей в водном растворе прежде всего зависит от гидрофобного эффекта.

Органические молекулы, как правило, нерастворимы в воде и ищут убежища в неполярной полости хозяина, если она стерически соответствует размеру и форме гостя. Константы связывания изменяются в том же порядке, что и липофильность гостей, измеряемая коэффициентом распределения гостя в системе октанол-1 - вода. К настоящему времени получено значительное ко личество различных молекул-хозяев, представляющих большой теоретичес кий и практический интерес.

1.3.4. Каликсарены Каликсарены — это макроциклические соединения, продукты цикли ческой олигомеризации фенола и формальдегида. Название каликсарен (ca lixarene), в первые, было предложено Д. Гютше в 1989 г. и происходит от ла тинского слова «calix» или «chalice» чаша, что отображает особенную форму молекулы, рис.1.33, и слова «арен (arene)» указывающее на ароматический строительный блок данного соединения.

В составе классических каликсаренов можно выделить верхний, цент ральный кольцевой обод и нижний обод, образованные трет-бутильными СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ заместителями в пара-положении, ароматическими ареновыми фрагментами и гидрокси- или алкокси- заместителями в нижнем положении макроцикла соответственно. В совокупности данные структурные фрагменты формиру ют внутреннюю полость молекулы каликсарена, объём которой в среднем равен 10 кубическим ангстремам.

Рис.1.33. Каликс[4]арены - чашеподобные соединения Номенклатура. В связи с неудобством номенклатуры ИЮПАК для назва ния каликсаренов, так же как и других объектов супрамолекулярной химии применяется тривиальная номенклатура, учитывающая особенности строе ния макро(гетеро)цикла - номенклатура Д. Гютше, в основе которой лежит название простейшего представителя каликсаренов:

Схематичное отображение калик[4]аренов Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

В соответствии с номенклатурой Гютше данное соединений называется 25,26,27,28-тетрагидроксикаликс[4]ареном, где число в квадратных скобках указывает на размер макроцикла, а природа и положение заместителей в аро матическом ядре уточняется соответствующими цифрами и дескрипторами.

На данный момент название данной структуры является основой номенкла туры для обширного класса модифицированных каликсаренов, резорцинаре нов, тиакаликсаренов с различным числом ареновых фрагментов.

Начало развития химии каликсаренов связано с именем немецкого учено го Адольфа Фон Байера. Проведенная им в 1872 г. реакция бензальдегида с пирогаллолом в присутствии сильной кислоты, привела к образованию по лимера, структура которого так и осталась не установленной в связи с не достаточным развитием аналитических методов в то время. Байером пред полагалось использовать данные соединения как красители в текстильной промышленности. Следующий шаг в развитии химии каликсаренов был сделан бельгийским Лео Бакеландом, исследовавшим реакцию конденсации формальдегида с фенолом, которая также привела к образованию полимера.

Первая попытка контроля реакции полимеризации была проделана Цинге и Циглером в 1941 г. Использованный ими пара-трет-бутилфенол, в котором заместитель в пара-положении ингибирует образование разветвленных по лимеров, в результате реакции с формальдегидом в льняном масле в присутс твии NaOH образует линейный полимер.

В тот же год Ниедерл и Фогель проведя реакцию практически в тех же условиях но, используя вместо фенола замещенный резорцинол, смогли до биться образования циклического тетрамера, будущего каликс[4]резорцина рена, что являлось настоящим прорывом в развитии химии каликсаренов. Д.

Корнфорт в 1955 году был одним из первых кто осознал потенциал каликса ренов как чаше-подобных соединений, аналогов ферментов и повторив экс перименты Цинге и Циглера, доказал что данная смесь содержит несколько компонентов.

Синтез. Впервые получить эти соединения методом ступенчатой цикли зации удалось в 1956 году группе Хантера. Методом постадийной конденса ции 2-бром-4-алкилзамещенных фенолов в бисфенольное производное были получены линейные олигомеры с тремя и четырьмя фенольными фрагмен тами. После дебромирования на последней стадии в результате внутримоле кулярной циклизации было получено производное, имевшее в своём составе четыре ароматических фрагмента. Подобная методика синтеза макроцикла в дальнейшем была использована так же Каммерером с сотр. для получения других каликсаренов. В табл.1.9 собраны некоторые варианты синтеза ка ликсаренов.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Таблица 1. Синтез каликсаренов и тиакаликсаренов Существенным недостатком методов ступенчатой циклизации являлся низкий (5-30%, в зависимости от размера макроцикла) выход конечных про дуктов. Повышение эффективности реакций циклизации стало возможным благодаря работам группы Д. Гютше, в которых синтез трет-бутилкаликс[4, или 8]аренов проводился с использованием темплатного эффекта и привёл к образованию макроциклов с высокими (50-82%) выходами. Из таблицы сле дует, что результат реакции циклизации зависит от размера катиона щелоч ного металла, гидроксид которого используется как основа, и температуры протекания реакции. Таким образом было установлено, что трет-бутилка ликс[8]арен это продукт кинетического контроля, трет-бутилкаликс[4]арен – термодинамического, а трет.-бутилкаликс[6]арен – темплатного контроля, то есть получается исключительно в случае использования КОН или RbOH.

Темплатный синтез предполагает четкое соответствие между размерами катиона щелочного металла и размерами образующегося макроцикла. Пос ледующие изучение комплексов (алкокси)каликсаренов с ионами щелочных и щелочно-земельных позволило выявить ряд условий для образования про чных комплексов такого состава, к которым относятся соответствие разме ров иона металла и полости макроцикла, пространственное расположение атомов кислорода в нижнем ободе макроцикла, и заряд иона металла. В дан ный момент известен подход к синтезу разнообразного числа каликсарен производных соединений с различными мостиковыми группами (С, S, Se) и различным количеством от 3 до 20 структурных блоков (ареновых фрагмен тов). Но, несмотря на столь огромное разнообразие каликсарен производных соединений включая каликсрезорцинарены, наибольшее применение как ор ганические рецепторы получили каликсареновые и тиакаликсареновые плат формы с 4,6, и в редких случаях с 8 ареновыми фрагментами.

Каликсарены могут существовать во множестве различных конформаций за счет возможности двух типов инверсии кислород-через-центральный обод (oxygen-through-annulus) и пара-заместитель-через-центральный-обод (para-substituent-through-annulus) (рис.1.34). Следует отметить, что трансану лярное вращение становится невозможным при введении объемных групп, как в нижний обод макроцикла, так и в пара-положения ароматических колец (верхний обод).

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Рис.1.34.

Транс-аннуальный переход Производные каликс[4]аренов и тиакаликс[4]аренов могут находиться в четырех основных конформациях (рис.1) конус (а), парциальний конус (b), 1,2-альтернат (c), и 1,3-альтернат (d), рис.1.35.

Рис.1.35. Основные конформации каликс[4]аренов Они различаются взаимным положением ароматических фрагментов от носительно главной плоскости макроцикла, которая условно проходит по ме тиленовым связкам. Следует выделять конформационно мобильные и кон формационно жесткие остовы каликсаренов, то есть каликсарены в которых возможны или не возможны переходы между основными конформациям.

Расчеты по методам молекулярной механики вместе с методом ЯМР (1H, C) показали, что для конформации конус в растворе наблюдается быстрый динамический переход уплощенный конус - уплощенный конус (рис.1.36), за счет перехода двух вертикально ориентированных ароматических фраг ментов в наклонное положения, а двух других - из наклонного положения в вертикальное. Поэтому в растворе все четыре ареновых фрагмента эквива лентны, данный факт наблюдается так же для каликсаренов с большим коли чеством структурных фрагментов.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Рис.1.36. Мобильность структур каликсаренов 4.1.4. Каликсарены в электрохимических сенсорах Группа Маккерви (McKervey) с 1980 г. поставила задачу получения и исследования свойств каликсаренов с модифицированными верхним и/или нижнем ободами. В качестве объектов были выбраны тера-, гекса- и окта-ка ликсарены. Простой одностадийный способ модификации, рис.1.37, привел к получению веществ с очень высокой селективностью по отношению к раз личным ионам, которые могут быть использованы при создании потенцио метрических ионных сенсоров.

Рис.1.37. Одностадийная модификация каликсаренов Вещества: а) R1 = трет-бутил;

b) R1 = трет-бутил, R2 = этил;

с) R1 = трет-бутил, R2 = метил;

d) R1 = H, R2 = этил;

e) R1 = H, R2 = метил.

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Каликс[4]арены (b-e) проявили высокую селективность по отношению к ионам Na+ (наивысшей селективностью обладало производное b). Считает ся, что объемные трет-бутильные группы так ориентируются на верхнем ободе каликсарена, что стабилизируется тороподобная конформация, в кото рой этильные группы формируют полость необходимого размера. Гесамеры образуют более рыхлые струтктуры, недостаточно эввективные для ионов натрия, но увеличение размеров иона при переходе к калию, рубидию или цезию способствует увеличению стабильность комплексов включения. Ок тамеры не проявили высокой афинности ни к одному из исследованных ио нов металлов.

В 1994 году McKervey et al обобщили результаты исследования 19 сим метричных или асимметричных и мостиковых производных каликс[4]аренов с эфирными, кетонными, амидными, аминными и тиоэфирными группами.

Особо селективностью и стабильностью (более двухсот дней) обладали че тыре производные. Каликс[4]арен тераэтиловый эфир в настоящее время коммерчески доступен и используется для приготовления натрий-селектив ных электродов. Электроды такого типа используются главным образом в больницах для измерения концентрации натрия в крови. Предложены также производные, селективные по отношению к калию и цезию (гексамерный каликсарен). При этом было показано, что введение новых координирующих заместителей в нижний обод молекулы позволяет регулировать связываю щую активность заместителей и целенаправленно изменять размеры образу емых пустот, т.е. получать материалы с заданной селективностью.

Для увеличения комплексообразующей активности были в структуру ка ликсаренов введены группы, обычно образующие устойчивые комплексные соединения с d- и f- металлами. Пример таких соединений - оксофосфино вые производные, I.

Изначально предполагалось создание соединений, селективных по отно шению к радиоактивным элементам отходов ядерной энергетики, но выяс нилось, что такой каликсарен селективно связывает кальций в присутствие магния и щелочных металлов. Новые возможности были реализованы за счет разработки методов неполного введения функциональных групп при сохра нении их взаимной ориентации, например, в 1,3 или 2,4-положениях, II, или получения производных, содержащий различные группы как в верхнем, так и в нижнем ободах. Производные с азот- и серо-содержащими функциональ ными группами проявили селективность по отношению к ионам серебра.

Изготовлены Pb2+-селективные электроды на основе каликс[5]аренов оксо фосфинного ряда. Производные с тиамидными группами оказались эффек тивными при вольтамперометическом определении ртути, свинца и меди.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Применение. Каликсарены как оптические сенсоры. Оптические сен соры исследуются интенсивно, начиная с конца 1980-ых годов. Этот метод рассматривается как альтернатива электрохимическим методам благодаря низкому шуму в сигнале при передаче на большие расстояния и возможнос ти анализа полного спектра в отличие от одноканального варианта при элект рохимических сенсорах. Требование к работе оптических сенсоров: ответная реакция (по оптическому механизму) должны сопровождаться комплексооб разованием в паре «ион – лиганд». Хромоионофор – это обычно кислотно основной индикатор. Если известно рН (для этого можно воспользоваться буферными растворами), то активность аналита может быть определена по изменению абсорбции сенсорной мембраны. В случае, например, каликс[4] арена, к которому прикреплен нитрофенилазофенол, изменения (смещения) спектральных характеристик наблюдаются образовании комплексов с опре деленными металлами.

Пропраноламидное производное пара-аллилкаликс{4]арена было предло жено в качестве оптического хирального селектора для распознавания ами нов на основе их формы и хиральности. Такие молекулы различают энантио меры фенилаланинола по тушению флуоресценции в метаноле.

Каликсарены как хиральные дескрипторы. Одна из важнейших проблем, решение которой необходимо фармацевтической промышленности – опре деление оптической чистоты лекарственных субстанций, поскольку обычно только один из энантиомеров обладает действительно биоактивным терапев тическим действием. Сегодня эту проблему решают с помощью хиральной (энатиоселективной) хроматографии. Сенсорные приспособления, способ ные различать такие изомеры, должны быть дешевле и проще в работе.

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Группой Маккеври был синтезирован (S)-динафтилпролинокаликс[4] арен, показавший высокую селективность относительно энатиомеров фени лглоцинола, фенилэтиламина и норэфедрина. Механизм оптического откли ка в данном случае связан с тушением флуореценции при образовании ком плексов с одним из энантиомеров. Этот каликсарен был иммобилирован на стенках капилляров для капиллярного электрофореза и позволил разделить изомеры фенилглицинола.

Каликсарены в твердофазной экстракции. Известно использование гидроксиматных производных каликсаренов для твердофазной экстракции при концентроровании следовых количеств меди, цинка и магния в образцах воды. Известно использование каликсарены в хроматографии и как компо нентов подвижных фаз, и как дериватизаторов стационарных фаз.

Применение технологии молекулярного распознавания позволяет раз работать катализаторы на основе макроциклических каликсареновых плат форм, для которых активность и селективность определяется межмоле кулярными взаимодействиями субстрат-катализатор. При этом возможно рассмотрение каталитических систем, включающих некоординированные макроциклические рецепторы выступающие, в качестве «микрореакторов»

стабилизирующих переходное состояние реакции или влияющего на регио- и стереоселективность процесса за счет специфической ориентации субстрата.

Особое внимание исследователей привлекают катализаторы представленные металлическим центром и лигандом, Таким образом, связывания субстрата полостью лиганда-рецептора определяет его ориентацию по отношению к металлическому центру, что существенно влияет на распределение продук тов и субстратную селективность реакции. В гомогенном катализе возмож но использование комплексов на основе серосодержащих каликсаренов с золотом для каталитического окисления различных вредных сульфидов, например, горчичного газа, в мягких условиях. В биохимии каликсарены находят использование как соединения аналоги ферментов, с помощью ко торых возможно моделирования сложных ферментативных процессов. Так тетраметокси(тиа)каликсарен может выступать в качестве аналога белка ак вопорина, для моделирование транспорта воды через клеточную мембрану.

В твердой фазе каликсарены находятся в качестве бислоистых структур с ориентацией молекул голова к голове, образую внутреннюю полость спо собную включать молекулы гостей строго определенного размера. Этвудом было установлено, что данные кристаллические соединения могут абсорби ровать СО2 и практически не абсорбируют Н2, что может быть использовано для очищения последнего при реформинге для дальнейшего использования водорода в топливном элементе.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ 1.3.5.Кукурбитурилы Кукурбитурил - тривиальное название органического макроциклического соединения состава C36H36N24O12, данное ему в 1981 г. В. Фриманом в связи с внешним сходством формы молекулы с тыквой (род Cucurbita). Действи тельно, строение этой интересной молекулы напоминает тыкву или бочку: в областях ее дна и крышки располагаются по шесть атомов кислорода сильно поляризованных карбонильных групп, рис.1.38. Соединение было впервые получено еще в 1905 г. немецким химиком Р. Берендом. Однако методы того времени не позволили правильно определить состав и структуру кукурбиту рила, и лишь сравнительно недавно это удалось сделать с помощью рентге ноструктурного анализа. Высота “бочки” оказалась равной 6, максималь ный внутренний диаметр - 4.5, атомы же кислорода карбонильных групп образуют два одинаковых портала (т.е. вход и выход) с ван-дер-ваальсовым диаметром 4.2. Размеры ее внутренней полости позволяют включать “гос тей” - небольшие органические молекулы или ионы.

Рис.1.38. Структура кукурбитурила Атомы кислорода показаны коричневым цветом.

Кукурбит[n]урилы (CB[n], С6nH6nN4nO2n (n=5-10) – тривиальное название органических макроциклов, построенных из n гликольурильных фрагментов, соединенных 2n метиленовыми мостиками.

Методика синтеза этих соединений довольно простая и состоит в конден сации в кислой среде формальдегида и гликольурила (продукта конденсации мочевины и глиоксаля), см. ниже схему синтеза кукурбитурилов:

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

При синтезе определенные сложности возникают лишь на этапе разделе ния образующейся в результате реакции смеси гомологов.

Исторически первым и наиболее хорошо изученным примером этого се мейства органических молекул является кукурбит[6]урил, полученный еще в 1905 г. немецким химиком Р. Берендом [11]. Методы того времени не позво лили правильно определить его состав и структуру, и лишь в 1981 г. это уда лось сделать с помощью рентгеноструктурного анализа [12]. Последующее открытие новых гомологов (n=5, 7, 8 и 5@10) [13, 14], размеры которых со поставимы с такими известными в супрамолекулярной химии рецепторами, как циклодекстрины и каликсарены, привело к бурному развитию химии ку курбитурилов. В табл.1.10 представлено строение кукурбит[n]урилов (n=5 8) и сравнение их структурных параметров.

Таблица 1. Некоторые свойства кукрбитурилов СВ(5) СВ(6) СВ(7) СВ(8) Внешний диаметр, 13.1 14.4 16.0 17. Диаметр полости, 4.4 5.8 7.3 8. Диаметр портала, 2.4 3.9 5.4 6. Высота, 9.1 9.1 9.1 9. Объем полости, 3 82 164 279 Кукурбитурил растворим в кислотах и щелочах, легкодоступен, устойчив и способен к координации различных частиц, что делает его удобным для синтеза разнообразных супрамолекулярных соединений.

Способность кукурбит[6]урила в водных растворах связывать ионы метал лов была обнаружена Берендом в 1905 г. В конце 90-х годов были получены и структурно охарактеризованы комплексы кукурбит[6]урила (далее – СВ[6]) СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ с катионами щелочных металлов. Даже при очень низкой концентрации он чрезвычайно легко связывает кальций - один из наиболее важных и много функциональных элементов в живых организмах. Синтез таких комплексов обычно представляет собой кристаллизацию из водных растворов, содержа щих СВ[6] и аквакомплекс металла. Аквакомплексы металлов связываются с атомами кислорода карбонильных групп порталов, образуя «крышки», ко торые эффективно закрывают «бочку» – молекулу СВ[6], при этом каждый портал макроцикла выступает как би- или четырехдентатный лиганд.

В структуре комплекса [{Ca(H2O)3(HSO4)(CH3OH)}2(СВ[6])](HSO4)24H2O каждый катион кальция связан с двумя молекулами СВ[6], в результате чего молекулы макроцикла выстраиваются друг над другом и, чередуясь с катио нами кальция, образуют бесконечные полимерные цепи – молекулярные «тру бы», рис.1.39. Интересно отметить, что метильная группа координированной к кальцию молекулы метанола располагается внутри полости кукурбитурила, что свидетельствует о ее гидрофобности. Координация с Ca2+, как известно, необходима для изменения конформации протеинов в процессе их активации;

в процессе мышечного сокращения актиновые и миозиновые волокна приво дятся в контакт через координацию с ионами кальция. Полученное соединение с СВ[6] моделирует некоторые аспекты поведения таких систем: катион Ca2+ выступает не только в структурообразующей роли (создание полимерной цепи из молекул кукурбит[6]урила за счет координации Ca-O), но и в роли места ко ординации для субстрата (в данном случае метанола), причем специфичность позиции, по которой происходит эта координация, определяется стремлением CH3 группы метанола войти в гидрофобную полость СВ[6] для максимизации числа возможных ван-дер-ваальсовых взаимодействий.

Рис.1.39. Молекулярные “трубы”, образованные супермолекулами кукурбитурила с катионами кальция Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Такие высокоупорядоченные органические-неорганические гибридные материалы с большими каналами, размеры и форму которых можно конт ролировать, представляют несомненный интерес для тонкой очистки, раз деления и выделения веществ, супрамолекулярного катализа, а также опто электроники. В координационных полимерах кукурбит[n]урилов (n=6, 8) с другим щелочно-земельным металлом – стронцием – молекулы макроциклов чередуются с четырехъядерными [Sr4(H2O)12(NO3)4(СВ[6])] (NO3)43H2O или биядерными {[Sr2(H2O)12][Sr(H2O)3(NO3)2]2(СВ[8])}(NO3)48H2O акваком плексами, в которых катионы Sr2+ связаны мостиковыми аквалигандами и нитрат-анионами. Использование кукурбитурилов для выделения стронция из водных растворов может оказаться перспективным для связывания радио изотопов стронция: при переработке отходов атомных станций изотоп 90Sr является одним из наиболее токсичных радионуклидов, образующихся в ре зультате радиоактивного распада 235U и 239Pu.

Доступность и устойчивость кукурбитурилов как в сильнокислой, так и в сильнощелочной среде весьма ценные преимущества по сравнению с пред лагаемыми для этой цели полиэфирами (например, краун-эфиры) или поли этиленгликолями.

Итак, имея один строительный блок - кукурбитурил, образно говоря, “боч ку без дна и крышки”, - можно пристроить недостающие детали, способные закрывать ее с одной или двух сторон. “Крышки” должны хорошо подходить по размеру и образовывать межмолекулярные контакты с самой “бочкой”, и чем таких взаимодействий больше, тем лучше “крышки” будут удерживать ся. Удачными в таком качестве оказались трехъядерные кластеры молибдена или вольфрама состава [M3Q4(H2O)9]4+ (M = Mo, W;


Q = S, Se), рис.1.40.

Строение этих комплексов хорошо известно: атомы металла образуют треугольник, а из четырех имеющихся мостиковых атомов халькогена - серы или селена - один соединен с тремя атомами металла по одну сторону треу гольника М3, а три располагаются по другую. Атомы металла дополнительно координированы молекулами воды, шесть из которых лежат примерно в од ной плоскости и способны образовывать водородные связи с шестью атома ми кислорода в портале. Кислотные свойства трехъядерных аквакомплексов облегчают образование водородных связей.

Рис.1.40.

Трехъядерные координационные кластеры [M3Q4(H2O)9]4+ (M = Mo, W;

Q = S, Se).

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Для создания прочных супрамолекулярных соединений необходимо как совпадение размеров “крышки” и “бочки”, так и образование между ними развитой системы водородных связей. Экспериментальные исследования подтвердили, что кластеры [M3Q4(H2O)9]4+ и кукурбитурил прекрасно отве чают обоим этим условиям. В результате удалось получить “бочки” двух ти пов: с одной “крышкой” и с двумя. Размеры таких супермолекул составляют 15 и 25 A соответственно. “Крышка” плотно закрывает “бочку” кукурбитури ла с одной или с обеих сторон, а шесть молекул воды кластера соединяются с атомами кислорода портала максимально возможным числом водородных связей - 12 (!), благодаря чему строительные блоки прочно удерживаются вместе, рис.1.41. Супрамолекулярные комплексы, полученные в виде кра сивых кристаллов из смеси разбавленных растворов исходных соединений - кукурбитурила и кластеров, - уже более не растворяются ни в воде, ни в кислотах.

Рис.1.41. Супермолекулы-“бочки”: с одной “крышкой” (слева) и с двумя.

Водородные связи показаны пунктирными линиями Сделаем следующий шаг: попробуем использовать в качестве строитель ных блоков уже сами супермолекулы и посмотрим, как они организуются дальше, как взаимодействуют друг с другом, как образуют твердое тело.

Обычно в кристалле супермолекулы - “бочки”, независимо от того, с од ной они “крышкой” или с двумя, выстраиваются в бесконечные полимерные цепочки. Здесь свою роль играют не только водородные связи, но и меж Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

молекулярные ван-дер-ваальсовы взаимодействия между атомами серы (или селена) соседних трехъядерных координационных кластеров, рис.1.42.

Образование коротких контактов сера-сера или селен-селен в супрамоле кулярных соединениях чрезвычайно интересно тем, что они могут служить молекулярной моделью для слоистых дихалькогенидов переходных метал лов, значение которых в промышленности трудно переоценить. Например, дисульфид молибдена - это прекрасный смазочный материал, сохраняющий свои свойства при очень низких температурах и в глубоком вакууме (даже в космосе!). В структуре подобных дихалькогенидов слои из атомов металла чередуются с двумя слоями из атомов халькогена (серы или селена), причем последние взаимодействуют друг с другом в соседних слоях тем же самым образом, что и в полученных нами супрамолекулярных соединениях.

Рис.1.42. Полимерные цепочки из супермолекул, соединенных между собой атомами халькогена (S или Se) или за счет координации ртути к атомам халь когена. Пунктирными линиями показаны водородные связи и контакты между атомами халькогенов.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Характернейшая особенность слоистых дихалькогенидов металлов - спо собность включать между слоями халькогена “гостей”: атомы металлов или малые молекулы. Такое внедрение приводит к раздвиганию слоев и позво ляет целенаправленно менять свойства материалов. Атомы серы (или селе на) трехъядерных кластеров могут, например, координировать атомы ртути.

Важно, что при этом размеры и геометрия треугольного кластерного фраг мента практически не меняются, а значит, он также способен взаимодейс твовать с кукурбитурилом и образовывать супрамолекулярные соединения.

В них атом ртути координируется через атомы селена к “крышкам” соседних супермолекул кукурбитурила, связывая их в бесконечные цепочки. За счет включения ртути расстояние между атомами селена увеличивается так же, как в слоистых дихалькогенидах металлов при интеркалировании “гостей” между слоями.

Эти результаты наглядно показывают, что химия твердого тела гораздо теснее связана с химией молекулярных кластеров, чем можно было ожидать.

Даже вторичные эффекты, например нековалентные взаимодействия между атомами халькогена, служат важным фактором в образовании структуры как для создания неорганических материалов (дихалькогенидов переходных ме таллов), так и для упаковки изучаемых нами супермолекул.

А теперь рассмотрим упомянутую ранее способность кукурбитурила включать в свою полость небольшие молекулы. Известно, что подобные яв ления играют исключительно важную роль в самых разнообразных процес сах: дыхании и регенерации кислорода растениями, ферментативном ката лизе, анестезии, формировании залежей природного газа и т.д. Наличие у кукурбитурила одной или двух “крышек” создает более благоприятные усло вия для внедрения и удержания “гостя” в полости супермолекулы. Так, если добавить в реакционную смесь пиридин, он окажется внутри “бочки” с дву мя “крышками”, несмотря на то, что ван-дер-ваальсов радиус этой органи ческой молекулы (5.9 A) несколько больше внутреннего диаметра входного отверстия кукурбитурила (4.2 A), рис.1.43. Образование такого супрамолеку лярного соединения настолько выгодно, что в условиях реакции атомы кис лорода порталов, по-видимому, отклоняются от своих позиций и впускают “гостя” в полость. Отметим, в новом соединении немного искажены молеку лы и “гостя”, и самого кукурбитурила, но во всем остальном строение этого супрамолекулярного комплекса сходно с теми цепочками, которые получа ются без пиридина. В полость кукурбитурила можно включать также другие небольшие молекулы, такие как тетрагидрофуран, бензол, диоксан.

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Рис. 1.43. Ансамбль “хозяин-гость”.

«Хозяин” - это супермолекула, закрытая с двух сторон “крышками”, “гость” включенная в полость молекула пиридина (зеленые шары).

Итак, закрывая “бочку” “крышками”, мы вполне надежно размещаем в ней “гостей”. Ясно, что они способны покинуть “бочку” только при откры тых “крышках”. Можно ли подобрать экспериментальные условия, которые позволили бы контролировать образование и разрыв связей между исходны ми строительными блоками и, следовательно, открывать и закрывать “крыш ки”, впускать и выпускать “гостя” из полости? Да, и, как оказалось, очень легко. Увеличивая, например, концентрацию соляной кислоты, мы заменяем атомами хлора молекулы воды, координированные к металлу треугольного кластера и ответственные за образование водородных связей. Их система рушится, “крышки” снимаются, и “гость” покидает полость. Если условия реакции снова изменить, так чтобы молекулы воды заняли места атомов хло ра, опять получатся супрамолекулярные соединения, в которых “крышки” эффективно закрывают “бочку” кукурбитурила.

Изучение обратимого включения “гостей” в полость молекулы “хозя ина” представляет интерес не только с научной точки зрения. Оно вносит существенный вклад и в развитие исследований по возникшей в последнее время проблеме транспорта веществ, в том числе лекарств, и позволяет осу ществлять направленное конструирование молекулярных “контейнеров”. За счет взаимодействия “гость-хозяин”, например, можно было бы включать в полости органических макроциклических соединений сильнодействующие лекарственные препараты, избирательно доставлять их в необходимое место в организме человека и в нужный момент открывать “крышки”.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Простота в получении, стабильность в растворах минеральных кислот, термическая устойчивость (кукурбитурил не разлагается при нагревании до 400°С!), высокая тенденция к координации различных частиц делают кукур битурил более приемлемым для создания супрамолекулярных соединений, чем другие широко используемые макроциклы, такие как циклодекстрины, каликсарены. К настоящему времени разработаны методы синтеза кукурби турилов более крупных размеров, “бочек” большего диаметра, с семью, восе мью и более атомами кислорода в каждом портале. Такие молекулы способ ны образовывать больше водородных связей, за счет чего супрамолекуляр ные соединения становятся прочнее. Большие молекулярные “контейнеры” смогут вмещать в себя и более крупных “гостей”. Например, трехъядерные кластеры, которые мы использовали в качестве “крышек”, здесь будут вы ступать уже в качестве включенных в полость макроциклического лиганда “гостей”. Это открывает уникальные возможности для создания новых гиб ридных органических-неорганических материалов.

Контрольные вопросы 1. Дайте определение кавитандами, и в чем их специфичность?

2. Какие соединения называют циклодекстринами, их строение и свойс тва?

3. Приведите классификацию циклодекстринов по количеству остатков глюкозы. Как их получают?

4. Охарактеризуйте соединения включения, образуемые циклодекстрина ми? Каков их состав?

5. Какие комплексы включения образуют циклодекстрины? Опишите их свойства и области применения.

6. Каков метод определения констант устойчивости комплексов включе ния циклодекстринов?

7. Какова причина устойчивости таких комплексов?

8. Как можно классифицировать комплексы включения циклодекстринов в твердом состоянии?

9. Опишите использование циклодекстринов в хроматографии?

10. Опишите области промышленного применения циклодекстринов.

11. Какие соединения называют циклофанами? Их номенклатура, свойс тва.

12. Опишите методы синтеза циклофанов и их применение.

13. Какие соединения называются кукурбитурилами? Когда и кем они были получены впервые?


14. Как можно осуществлять синтез кукурбитурилов?

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

15. Опишите свойства кукурбитурилов.

16. На чем основана способность кукурбитурилов образовывать высоко упорядоченные материалы с большими каналами, размеры и форму которых можно контролировать?

17. Образование кукурбитурилами трехъядерных кластеров с некоторы ми металлами, их использование. Пространственное строение этих соеди нений.

18. Образование полимерных цепочки из супермолекул, соединенных между собой атомами халькогена (S или Se).

19. Какие соединения типа “гости” в “бочке” способны образовывать ку курбитурилы и где такие соединения применяются?

1.4. Ротаксаны и катенаны 1.4.1. Общие вопросы 1.4.2. Катенаны в природе 1.4.3. Принципиальные схемы синтеза катенанов 1.4.4. Геликаты 1.4.5. Геликаты: синтетические аспекты 1.4.1. Общие вопросы Катенаны и ротаксаны отличаются от всех до сих пор синтезированных соединений тем, что отдельные части их молекулы связаны механически.

Построение структур, еще не найденных в природе, всегда было определен ным вызовом для химиков. Поэтому идея синтеза молекул, составленных из отдельных самостоятельных частей» которые связаны между собой механи чески, привлекала, пусть даже случайно, интерес многих исследователей.

Эта идея воплощается в структуре цепи, или катенана, в которой макроцик лические молекулы соединены чисто механически, без участия химической связи. По воспоминаниям Прелога, соединения подобного типа обсуждались Вильштеттером на семинарах в Цюрихе в период между 1900 и 1912 гг., т. е.

задолго до того, как стали известны макроциклические молекулы.

По законам статистики при полимеризации мономеров можно ожидать, что кроме линейных и циклических полимеров и олигомеров, должны обра зовываться молекулы, построенные подобно цепи, а также циклы с узлом.

Фриш, Мартин и Марк в 1951 г. высказали довольно смелое предположение, объясняя аномальные физические свойства полисилоксанов тем, что поли меры содержат не только линейные участки, но и циклы, связанные подобно звеньям цепи, которые в свою очередь состоят из 50—100 мономерных еди ниц. Кроме того, предполагалось наличие разнообразных циклов от очень больших до малых, которые могут охватывать линейную молекулу полиси СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ локсана. Авторы полагали, что такие цепеподобные молекулы, строение ко торых еще предстояло доказать, действовали как пластификаторы, и этим объясняется тот факт, что, несмотря на высокий молекулярный вес — от ста тысяч до одного миллиона, подисилоксаны являются жидкими или воскооб разными веществами.

На основании данных по деполимеризации полифосфонитрилхлоридов Патат и Дерет в 1959 г. считали очевидным, что эти соединения построены из статистически сцепленных циклов. Авторы полагали, что индивидуальные циклы имеют низкий молекулярный вес (степень полимеризации в зависи мости от температуры колебалась от 10 до 50 гримерных единиц), однако мо лекулярный вес цепеобразных агрегатов достигал 1 млн. Этим и объяснялась малая растворимость и ограниченное набухание полифосфонитрилхлорида в растворителях, а также эластичность этого полимера, подобная эластич ности каучука.

Идея построения катенанов обрела реальность лишь благодаря успехам в синтезе макроциклических соединений, достигнутым в период с 1930 по 1950 г. Первая экспериментальная работа, в которой были рассмотрены тре бования, предъявляемые к размеру цикла, и намечены реальные пути синтеза катенанов, была выполнена в Фрейбургском университете Люттрингхаузом и сотрудниками в 1958 г. Анализ молекулярных моделей и расчеты пока зали, что для свободного сплетения нужно иметь не менее чем двадцати членные циклы, т. е. катенан 20,20 — минимально возможный. Увеличение размеров цикла облегчает сплетение и повышает вероятность образования катенана. Но с другой стороны, чем больше молекулы, тем труднее их созда вать и сложнее с ними работать, так как растворимость вещества с ростом его молекул резко падает. В 1960 г. Вассерман впервые сообщил о синте зе катенана. Он поставил задачу получения катенана 34,34 в расчете на его случайное образование при циклизации линейной молекулы в присутствии готового цикла. Тридцатичетырехчленный цикл строился в присутствии го тового тридцатичетырехзвенного углеводородного цикла. После многократ ной очистки Вассерман получил 5,66 мг катенана 34,34. Но выход катенана в этом статистическом методе крайне мал — только одна из миллиона линей ных молекул сплетается с готовым циклом. После нескольких лет интенсив ных модельных исследований успешный направленный синтез катенана был осуществлен Шиллом в 1964 г. Строение катенана было подтверждено масс спектрометрически. Люттрингхаузу и Изеле удалось значительно повысить вероятность сплетения циклов. В их полустатистическом синтезе линейная молекула была прикреплена к готовому циклу. При ее циклизации уже из миллиона молекул сплетались и после разрыва связи, скрепляющей цик лы (волнистая линия), образуя катенан. Остальные молекулы после разрыва Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

этой связи давали разобщенные циклы. Этим методом получено 60 мг кате нана 28,36. Принципиально теми же методами Харрисон в 1967 г. получил систему «гантель в цикле».

Ванг и Шварц получили катенан статистическим методом — циклизацией ДНК фага X, меченной 5-бромурацилом, в присутствии циклической фаговой ДНК. Возможность образования катенанов подтверждается теоретическими доводами и данными по стехиометрии. Предположения о существовании катенанов в природе были подтверждены Виноградом и сотр. (1967 г.). Ме тодом электронной микроскопии авторы убедительно продемонстрировали наличие сцепленных циклических двуспиральных митохондриальных ДНК в клетках HeLa, а также в лейкоцитах людей, больных белокровием.

Катенаны (от лат. catena - цепь), соединения, молекулы которых состоят из двух или более циклов (I), продетых один сквозь другой подобно звеньям цепи:

Циклы связаны между собой не химической, а так называемой топологи ческой (механической) связью. Известны катенаны с двумя и тремя циклами.

Синтезированные катенаны содержат не менее 26 атомов в цикле. По хими ческим свойствам катенаны аналогичны образующим их циклам. Они имеют характерные масс-спектры (отсутствие пиков в средней части спектра), что используется для их идентификации.

Ротаксаны (II) (от лат. rota — кoлесо и axis — ось), химические соеди нения, построенные из циклической и пронизывающей её линейной моле кул так, что объёмные группы на концах линейной молекулы препятствуют разобщению системы. Из-за пространственных препятствий, создаваемых объемистыми группами X, разъединить такую композицию без разрыва хим.

связи невозможно. Поэтому ротаксаны ведут себя подобно обладающим то пологической связью катенанам.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ По химическим свойствам ротаксаны аналогичны составляющим их мо лекулам. В редких случаях, при размере цикла С27-С29, удается наблюдать равновесие между ротаксаном и парой составляющих его молекул.

Номенклатура. Фриш и Вассерман назвали соединение, состоящее из двух 34-членных макроциклов, [34,34]-катенан. Аналогичной терминологи ей пользовался Таубер. Дитрих в работе, которая не получила эксперимен тального подтверждения, предложили вводить между названиями индивиду альных компонентов катенана латинский предлог сит, соответствующий with или русскому «с». Катенан (III) в таком случае должен быть назван цикло тетратриаконтан-1,18-дион-1-оксим сит циклотетратриаконтан-1,18-ди-он 1-оксим.

Согласно обозначению, до сих пор использовавшемуся Шиллом, соеди нение III называли «катенан из циклотетратриаконтан-1,18-дион-1-оксима и циклотетратриаконтан-1,18-дион-1-оксима».

Единая номенклатура предложена Шиллом Г. Слово «катенан» или «ро таксан» ставится в конце названия обозначаемого соединения. В начале на звания в квадратных скобках указывается число молекулярных составляю щих.

Таким образом, простейший катенан (типа соединения I) будет назван [2]-катенан. После скобок следуют названия молекулярных составляющих, которые также заключены в квадратные скобки. Циклы катенана нумеруются по аналогии с нормальными или разветвленными парафинами;

номер каж Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

дого цикла помещается перед его названием. При отсутствии разветвлений механической связи такая система нумерации необязательна. Названия цик лов, образующих ответвления от главной цепи, нумеруются подстрочными значками и помещаются в те же квадратные скобки, что и названия цикла, от которого они ответвляются. Для катенанов и ротаксанов, в которых имеется несколько витков, необходимо указать их число а. Величина а обозначает, таким образом, сколько раз один макроцикл обвивается вокруг другого. Ка тенаны, образующие замкнутую цепь, называются циклокатенанами.

По стереохимическим признакам для простых карбоциклических [2]-ка тенанов можно сформулировать следующие положения:

1. Незамещенные катенаны не могут существовать в виде антиподов.

2. Катенаны, замещенные только в одном из двух циклов, по стереохимии сходны с соответствующими некатенановыми макроциклами.

3. Катенаны, в которых каждый цикл содержит два заместителя у одного и того же атома, стереохимически относятся к алленам и спиросоединениям.

Если каждый цикл имеет два заместителя А и В, то необходимым и достаточ ным условием существования энантиомеров является А В.

4. Катенаны, в которых каждая молекулярная составляющая имеет два за местителя при разных атомах цикла, как правило (но не всегда), существуют в виде энантиомерных пар.

5. Еще один тип изомерии соответствует различию последовательностью сегментов в одном из циклов. Это различие делает их циклоэнантиомерами.

Для того чтобы такая разница имела место, каждое кольцо катанана должно состоять по крайней мере из трех различных сегментов, если даже каждый из сегментов присутствует в обоих циклах.

6. Особые случаи возникают, когда один из двух циклов катенана настоль ко мал или его заместители настолько велики, что свободное вращение одно го цикла внутри другого затруднено.

7. [2]-Катенан, имеющий число витков а = 2, не идентичен своему зер кальному изображению и поэтому должен быть оптически активным. Такой вид изомерии соответствует соотношению зеркальных изображений - и -спирали.

Строго говоря, существует множество других структур в пределах циклов со сложной архитектурой. Например, часто выделяют структуры, называе мые узлами. Простейшим примером узла является трилистник:

Такое соединение хирально, и потому возможно его разделение на опти ческие антиподы. Основываясь на теории Кирквуда Корнегай и др. в 1968 г.

рассчитали величину оптической активности узла-трилистника.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Таблица 1. Названия некоторых простых структур катенанов и ротаксанов Могут также существовать и более сложные узлы, несовместимые со своим зеркальным изображением. Однако имеются случаи, когда подобные соединения не обладают оптической активностью, т.е. совместимы со своим зеркальным изображением:

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Если же в таких узлах имеется определенное направление внутренней последовательности, они становятся циклоэнантиомерами.

1.4.2. Катенаны в природе В живых организмах широко распространены циклические двунитчатые ДНК1. Впервые они были обнаружены в вирусах полиом Далбеко и Вогтом а также Вейлем и Виноградом в 1963 г.

Все эти ДНК существуют в виде ковалентно замкнутых кольцевых дву нитчатых молекул без концевых цепей. Поскольку эти молекулы ДНК спи рализованы, они образуют два замкнутых кольца с топологической связью, имеющей множественное число витков. Такие два внутризамкнутых цикла образуются, если линейная двойная нить ДНК циклизуется с четным числом полуповоротов, как это можно показать на примере ленты Мёбиуса, разре занной вдоль по длине.

Связь с механическим объединением катенановых циклов характеризует ся числом витков а, которое для вирусов полиомы и опухоли SV40 составля ет около 450, а для кольцевой митохондриальной ДНК — около 1500. Если молекулу поместить в плоскость, то топологическое число витков а покажет, сколько раз одна нить обвивается вокруг другой.

По физическим и физико-химическим свойствам замкнутые циклические ДНК несколько отличаются от линейных и от кольцевых двунитчатых ДНК, 1 *ДНК, построенные из двух циклических комплементарных однонитчатых цепей, не имеющих разрывов в фосфатно-сахарном остове, называют еще циркулярными, кольце выми или ДНК-I. Кольцевые ДНК, имеющие один или несколько разрывов в фосфатно сахарном остове той или другой полинуклеотидной цепи, называют раскрытыми кольце выми ДНК или ДНК-II. Линейные двунитчатые ДНК по этой номенклатуре — ДНК-Ш.

Если ось спирали ДНК принимает спиральную форму, то получается сверхспираль (или суперспираль) первого порядка или просто сверхспираль. Такая ДНК — третично заспи рализованная, сверхскрученная или суперспирализованная.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ имеющих одну или несколько одиночных цепей с разрывом или брешью.

Так, замкнутые кольцевые ДНК имеют более высокую устойчивость к дена турации, скорость осаждения и плавучую плотность в щелочных растворах.

Все эти свойства можно объяснить неспособностью полинуклеотидных ни тей к раскручиванию.

Методы определения и выделения замкнутых кольцевых двунитчатых ДНК основаны на их устойчивости к денатурации и изменении плавучей плотности в присутствии аминоакридинов или этидийбромида (IV), который способен внедряться между парой оснований ДНК. В последнем случае суть метода состоит в том, что молекула красителя лишь в ограниченной степени внедряется в замкнутую кольцевую ДНК.

Обычно такое внедрение вызывает частичное раскручивание двойной спирали молекул ДНК, которое достигает 12°. Замкнутые кольцевые ДНК не могут раскручиваться и потому связывают меньшие количества красите ля, чем ДНК с открытой или «разорванной» цепью. Связывание этидийбро мида, имеющего низкую плотность, понижает плотность ДНК в градиенте Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

плотности хлористого цезия;

в результате смесь незамкнутых и циклических ДНК после, центрифугирования образует два хорошо разделенных слоя.

Методом последовательной седиментации в сочетании с методом элект ронной микроскопии Хадсону и Винограду удалось показать, что митохонд риальная ДНК из клеток HeLa содержит катенановые молекулы. Самый ниж ний слой в градиенте плотности хлорида цезия содержит около 10% димеров и 90% мономеров, тогда как промежуточный слой содержит около 60% ди меров и 40% мономеров. Из электронно-микрограммы очевидно, что димеры в нижнем слое состоят из замкнутых в виде катенанов мономеров, тогда как димеры промежуточного слоя представляют собой двунитчатую молекулу ДНК, состоящую из одного замкнутого и одного «разорванного» циклов.

Дважды замкнутые катенановые димеры имеют тот же коэффициент се диментации, что и замкнутые циклические димеры. Электронно-микроско пическими измерениями было показано, что длина каждого компонента ка тенана составляет приблизительно 5 мкм, т. е. не отличается от длины несвя занного мономера. В литературе упоминалось о существовании олигомеров с n 2;

методом электронной микроскопии удается отчетливо зарегистри ровать не только катенановые тримеры, тетрамеры, пентамеры, но даже и гептамеры.

1.4.3. Принципиальные схемы синтеза катенанов Статистические методы. Эти методы включают образование катенанов наряду с их молекулярными составляющими в определенном соотношении согласно законам статистики. Определяющими факторами являются размер и структура исходного продукта, конформационные условия, стерические затруднения и т. п. Это означает, что выход катенана в данной химической системе может меняться в зависимости от условий эксперимента. Посколь ку теория конформационного поведения больших молекул, как циклических, так и открытых, в растворе еще недостаточно разработана, невозможно сде лать определенных предсказаний относительно вероятности образования ка тенанов.

Группой Люттрингхауза было предложено несколько теоретически на дежных путей статистического синтеза катенанов. Все они основаны на про стом допущении образования сцепленных циклов, если молекула с открытой цепью «продевается» через цикл. Ими предложено четыре основные схемы синтеза.

Схема 1. Циклизация молекулы с длинной цепью, содержащей терминаль ные функциональные группы X, в присутствии макроцикла может привести к катенану, если в момент замыкания цикла цепь принимает интрааннуляр СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ ное положение. Вероятность образования катенана таким способом невели ка, но может быть увеличена за счет дополнительных стерических факторов и путем временной связи макроцикла с длинноцепочечной молекулой, как это обсуждается в схеме 2.

Схема 2. Соединение с открытой длинной цепью присоединяется к циклу посредством вспомогательной связи (показана пунктиром) с образованием двух типов аддуктов со внутренним и внешним расположением длинной цепи. Таким образом достигается вынужденное тесное сближение двух мо лекул. Подбирая подходящую вспомогательную связь, можно влиять на кон формационное равновесие между этими аддуктами. Циклизация приведет к образованию связанных между собой циклов и прекатенана, которые при разрыве вспомогательных связей превращаются в два изолированных макро цикла и катенан, соответственно.

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Схема 3. Макроцикл с интрааннулярным мостиком присоединяется по мостиковому положению к одной из концевых функциональных групп со единения с длинной цепью. Циклизация образующегося при этом соеди нения должна дать экстрааннулярно связанное соединение и прекатенан.

Разрыв вспомогательных связей приводит к катенану и его молекулярным составляющим.

Схема 4. Эта схема похожа на схему 2. Две длинноцепочечные молекулы, имеющие концевые функциональные группы, соединяются с образованием соединения. Поскольку последующая циклизация осуществляется в две ста дии, по существу создаются те же условия, что и в схеме 2, за исключением того, что дополнительно образуется мостиковый макроцикл, который после расщепления вспомогательной связи дает макроцикл.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ Схема 5. В рассмотренных схемах (за исключением схемы 3) имеется сходство: циклы прекатенана соединены только одной связью. Если же ис пользовать множественные вспомогательные связи, вероятность образова ния катенана может существенно возрасти. Соединение с длинной открытой цепью, имеющее концевые функциональные группы Y, и макроцикл с функ циональной группой X соединяются, образуя продукты и с различным поло жением заместителя. Характер концевых функциональных групп Y должен быть таким, чтобы они могли реагировать с X, но не друг с другом. Продукты циклизации после разрыва вспомогательных связей и связи заместителя X с макроциклом должны превращаться в катенан и его молекулярные составля ющие.

Во всех рассмотренных статистических методах синтеза наряду с катена ном образуются и его молекулярные составляющие. Строго говоря, статисти ческим является лишь первый из приведенных методов, так как в остальных случаях делаются попытки влиять на статистику созданием благоприятных стерических условий. По этой причине Люттрингхауз и Изеле ввели термин «полустатистический» для тех методов, в которых делаются попытки влиять на образование катенанов созданием стерических условий замыкания цикла путем выбора соответствующих компонентов.

Дейнека В.И., Лебедева О.Е.

Направленный синтез заключается в создании такого пространственно го взаимного расположения потенциальных составляющих катенана, при котором интрааннулярная циклизация с образованием прекатенана являет ся единственной возможностью замыкания цикла. Такие схемы достаточно сложны и могут быть найдены в соответствующих публикациях.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.