CC BY
48
УДК 544.72
АСМ-ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРИРОВАНИЯ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА N-СТЕАРОИЛГЛУТАМИНОВОЙ КИСЛОТЫ
© Р. Р. Гарафутдинов1*, И. М. Сахаутдинов2, Н. А. Сергеева3, И. С. Шепелевич3, Ф. З. Г алин2,3, А. Р. Сахабутдинова1, А. В. Чемерис1
1 Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.
Тел./факс: +7 (347) 235 60 88.
2Институт органической химии Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.
Тел./факс: +7 (347) 235 55 60.
3Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Тел./факс: +7 (347) 273 67 78.
E-mail: garafutdinovr@mail.ru
Самоорганизация молекул представляет интерес в связи с разработкой наноразмерных структур и молекулярных устройств, а также при изучении особенностей образования вторичных и третичных структур биомолекул. В данной работе представлены результаты исследования самоорганизации небольшой линейной молекулы — сложного эфира N-стеароилглутаминовой кислоты на поверхности твердых атомарно плоских подложек. С помощью методов атомно-силовой микроскопии визуализированы структуры, образуемые данным соединением. Показано различие в форме и распределении структур в зависимости от способа нанесения на подложку. Обнаружено перемещение объектов под воздействием зонда микроскопа, не приводящее к их разрушению.
Ключевые слова: самоорганизующиеся молекулы, сканирующая зондовая микроскопия, диметил-N-стеароилглутамат, пирографит.
Введение
В последние годы в связи с расширением возможностей ряда инструментальных методов наблюдается повышенный интерес к изучению самоорганизации органических молекул (SAMs, selfassembled molecules) в растворах и на твердой поверхности. Особое внимание уделяется исследованию нитевидных образований субмикронного размера [1], стабилизированных межмолекулярными взаимодействиями различной природы, поскольку они являются аналогами вторичных структур биомолекул. К настоящему времени целенаправленно с использованием принципов супрамолекулярной химии синтезированы хиральные соединения (замещенные фенилены и ряд других), содержащие в молекуле полярные фрагменты, способные к образованию межмолекулярных водородных связей, и неполярные (алкильные и/или арильные) группы, обеспечивающие гидрофобные и/или стэкинг-взаимодействия [2]. Данные соединения при определенных условиях могут сворачиваться в спирали за счет «винтового» смещения молекул в цепи. Однако структурирование возможно и для линейных амфифильных молекул [3, 4], для изучения которых активно используются методы сканирующей зон-довой микроскопии [5].
Целью данной работы стало исследование особенностей самоорганизации линейной молекулы - замещенного аналога глутаминовой кислоты, на твердой поверхности методами атомно-силовой микроскопии.
Экспериментальная часть
ИК-спектры зарегистрированы на приборе Spekord-M 80 в вазелиновом масле. Спектры ЯМР 1Н и 13С записаны на спектрометре Bruker АМ-500 с рабочими частотами 500.13 и 125.76 МГц соот-
ветственно, внутренний стандарт - тетраметилси-лан. За ходом реакции следили с использованием тонкослойной хроматографии на пластинках 8огЪй1 ПТСХ-АФ-А, обнаружение вещества проводили с помощью паров йода.
Диметилглутамат получен известным способом [6]. Диметил-Ы-стеароилглутамат синтезировали согласно следующей методики. К суспензии 12 ммоль (3.42 г) стеариновой кислоты в 60 мл сухого бензола добавили 30 ммоль хлористого тионила и кипятили с обратным холодильником 3 ч. После упаривания растворителя и избытка хлористого тио-нила полученный хлорангидрид без дополнительной очистки вовлекали в дальнейшую реакцию. К суспензии 12 ммоль (2.10 г) хлоргидрата диметилового эфира глутаминовой кислоты в 30 мл сухого хлороформа добавили 26.4 ммоль (2.64 г) триэтиламина, затем 12 ммоль (3.48 г) хлорангидрида стеариновой кислоты и смесь оставили на 6 ч при комнатной температуре. Раствор дважды промыли водой, органический слой сушили безводным сульфатом натрия, растворитель отогнали в вакууме. Продукт реакции выделили с помощью колоночной хроматографии на силикагеле 40/100 (элюент петролейный эфир/этилацетат = 4/1). Выход 5.03 г (95%). Порошкообразное вещество белого цвета. Тпл = 70-71°С. ИК спектр (в.м.) v/см-1: 3333, 1751, 1730, 1647, 1458, 1377, 1213. Спектр ЯМР 1Н (СБС13, 5, м.д., //Гц): 6.27 (уш. с, 1Н, 1ЧН), 4.55-4.67 (м, 1Н, СН), 3.73 (с, 3Н, СН3), 3.64 (с, 3Н, СН3), 2.29-2.49 (м, 2Н, СН2глут), 2.15-2.24 (м, 2Н, СН2), 1.91-2.04 (м, 2Н, СН2глут), 1.53-1.66 (м, 2Н, СН2), 1.15-1.35 (м, 28Н, 14СН2), 0.85 (т, 3Н, СН3, / = 6.4). Спектр ЯМР 13С (СБС13, 5, м.д): 22.68 (СН3), 25.56 (СН2), 27.37 (СН2), 29.25
* автор, ответственный за переписку
(CH2r^), 29.34 (CH2), 29.48 (CH2), 29.68 (CH2), 30.08 (CH2), 31.92 (CH2), 36.52 (CH2), 51.43 (СН), 51.83 (СНз), 52.74 (СН3), 172.51 (СООСН3), 173.13
(СООСН3), 173.31 (СОШ). Найдено, %: С 67.70, Н 10.45, N 3.32. C25H47NO5. Вычислено, %: C 67.99, H 10.73, N 3.17, O 18.11.
Растворы диметил^-стеароилглутамата готовили простым растворением вещества из расчета 1.0 или 0.1 мг на 1 мл растворителя (хлороформ, ацетонитрил, этанол) с последующим фильтрованием через шприцевые фильтры CHROMAFIL Xtra PET с размером пор 0.45 мкм производства Mache-rey-Nagel. АСМ-изображения получены на сканирующем зондовом микроскопе Solver PRO-M (NT-MDT, Россия) с использованием пьезокерамического сканера на 3 мкм и кантилеверов CSG01 (жесткость 0.03 Н/м, радиус кривизны зонда 10 нм). Параметры сканирования: контактный режим, метод постоянной высоты, двухпроходная методика с регистрацией сигнала DFL. Растворы вещества наносили на поверхность свежего скола слюды (мусковит) или высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), закрепленных с помощью двустороннего скотча на сапфировой подложке, и давали растворителю медленно улетучиться. Обработку изображений проводили с помощью встроенного пакета программ «Image Analysis».
Результаты и обсуждение
Активное использование сканирующей зондо-вой микроскопии для исследования небольших органических молекул обусловлено возможностью визуализации данным методом тонких структур, образуемых соединениями на поверхности. Для АСМ-исследований нами был синтезирован димети-ловый эфир N-стеароилглутаминовой кислоты (1).
Молекула 1 характеризуется наличием полярной части, представляющей собой фрагмент со сложноэфирными и пептидными группами, и длинный гидрофобный углеводородный фрагмент. Строение молекулы позволяет предположить, что это вещество способно к образованию агрегатов и/или упорядоченных структур на поверхности твердых подложек по аналогии с производными высших алканов.
Самоорганизацию эфира 1 на поверхности исследовали с использованием контактного метода атомно-силовой микроскопии. В качестве твердых подложек применяли слюду и пирографит (ВОПГ), поскольку они имеют атомарно гладкую поверхность, позволяющую с наибольшей точностью визуализировать объекты субмикронного размера. При нанесении эфира на полярную подложку - слюду, из изученных органических растворителей (хлороформ, ацетонитрил, этанол) образование каких-либо упорядоченных структур не происходит, что объясняется, по-видимому, неспецифической сорбцией вещества на поверхности (данные не приведены). При
нанесении 1 на поверхность ВОПГ в виде раствора в хлороформе не наблюдается каких-либо упорядоченных объектов, в то время как при нанесении из этанола и ацетонитрила визуализируются образования удлиненной формы (рис. 1 и 2).
Рис. 1. Соединение 1, нанесенное на поверхность ВОПГ из этанола (1.0 мг/мл). Размер скана 5x5 мкм.
По-видимому, большая полярность данных растворителей по сравнению с хлороформом наряду с высокой гидрофобностью поверхности ВОПГ способствует формированию наблюдаемых протяженных структур. В связи с этим в дальнейших экспериментах при приготовлении растворов 1 использовали исключительно ацетонитрил и этанол.
При нанесении на подложку растворов с концентрацией 1.0 мг/мл поверхность почти полностью покрывается веществом (рис. 1), хотя и удается наблюдать отдельные нитевидные объекты. С целью уменьшения загрузки исходный раствор разбавляли до 0.1 мг/мл, что позволило визуализировать уже отдельные образования (рис. 2).
При этом ацетонитрильный раствор дает морфологически более короткие и утолщенные объекты, являющиеся, возможно, кристаллами субмик-ронного размера (рис. 2а), в то время как высаживание из этанола приводит к образованию весьма удлиненных структур (рис. 2б). Анализ геометрических параметров показывает, что их высота составляет 50-100 нм, а длина варьирует в более широких пределах, от 200 до 1200 нм.
В качестве дополнительной характеристики наблюдаемых объектов были определены величины адгезии с помощью специальной АСМ-методики -спектроскопии адгезионных сил. Расчет величины адгезии в точке проводится по уравнению ^дг = кАН, где к - жесткость кантилевера, АН - «продолжительность» скачка («носика») кривой отвода в единицах длины. Величина к является характеристичной для каждого типа кантилевера, в нашем случае для С8в01 она составляет 0.03 Н/м.
O COOMe
а б
Рис. 2. Соединение 1, нанесенное на поверхность ВОПГ из ацетонитрила (0.1 мг/мл) (а), из этанола (0.1 мг/мл) (б).
Размер скана 5x5 мкм.
Рис. 3. Динамика перемещения объектов на поверхности. Размер скана 5x5 мкм.
Оказалось, что в точке приложения кантиле-вера на поверхность чистого ВОПГ величина силы адгезии в одной из проанализированных точек равна ^адГ=0.03 Н/мх340х10-9 м = 13.5 нН, а на поверхность объекта - ^адг=0.03 Н/мх340х10-9 м = 25.8 нН. Измерение силы адгезии на разных участках поверхности показывает воспроизводимую, почти двукратную разницу данного параметра. Большее
значение величины адгезии для объектов свидетельствует о более сильной адсорбции вещества к кантилеверу.
Сканирование образцов, приготовленных нанесением вещества из этанола, показало воспроизводимость по наличию удлиненных, иглообразных образований. При этом часто наблюдается локальная анизотропия - однонаправленность данных
образований на поверхности (рис. 3). По-
видимому, она объясняется перемещением границы капли от периферии к центру при испарении растворителя. В этом случае можно предположить, что в растворе к моменту испарения растворителя уже имеются сформированные агрегаты молекул, которые упорядочиваются на подложке движущейся границей капли. Маловероятным представляется процесс формирования объектов из исходного идеального раствора в ходе его испарения, поскольку, скорее всего, скорость самоорганизации молекул вещества меньше скорости перемещения границы капли.
Многократное сканирование одного и того же участка поверхности позволило выявить еще одну особенность поведения объектов: часть из них удаляется с поверхности, часть подвергается переориентации по направлению движения зонда микроскопа (рис. 3а-г). Поскольку контактный режим атомно-силовой микроскопии подразумевает непосредственный контакт зонда с поверхностью подложки и объектами на ней, исчезновение (удаление) части иммобилизованных структур объяснимо механическим воздействием кантилевера. Однако часть объектов достаточно прочно сорбирована (в данном случае за счет физисорбции) на подложке, но при контакте с зондом вынуждена постепенно менять направление структурирования. При этом сохранение целостности объекта, отсутствие его «размывания» под воздействием зонда свидетельствует о наличии межмолекулярных сил, стабилизирующих данные структуры, и наиболее существенным представляется вклад гидрофобных взаимодействий углеводородных радикалов.
Таким образом, совокупность наблюдаемых эффектов свидетельствует о самоорганизации ди-метил-К-стеароилглутамата несмотря на отсутствие в молекуле ароматических колец. По-видимому, даже малые линейные органические молекулы при определенных условиях способны образовывать достаточно прочные упорядоченные пространственные структуры, поддающиеся визуализации с помощью контактного метода атомно-силовой микроскопии.
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (контракт №16.518.11.7047).
ЛИТЕРАТУРА
1. Hoeben F. J. M., Jonkheijm P., Meijer E. W., Schenning A. P. H. J. About Supramolecular Assemblies of n-Conjugated Systems // Chem. Rev. 2005. V. 105. P. 1491-1546.
2. Praveen V. K., Babu S. S., Vijayakumar Ch., Varghese R., Ajayaghosh A. Helical Supramolecular Architectures of SelfAssembled Linear n-Systems // Bull. Chem. Soc. Jpn. 2008. V. 81, No. 10. P. 1196-1211.
3. Terech P., Weiss R.G. Low Molecular Mass Gelators of Organic Liquids and the Properties of Their Gels // Chem. Rev. 1997. V. 97. P. 3133-3159.
4. Pham Q. N., Brosse N., Frochot C., Dumas D., Hocquet A., Jamart-Gregoire B. Influence of the gelator structure and solvent on the organisation and chirality of self-assembling fibrillar networks // New J. Chem. 2008. V. 32. P. 1131-1139.
5. Жавнерко Г. К., Парибок И. В., Агабеков В. Е. Атомносиловая микроскопия в процессах самоорганизации поверхностно-активных веществ на твердой поверхности / Тез. докл. 6-го Белорусского семинара по сканирующей зондовой микроскопии «БелСЗМ-6». Минск. 12-15 октября 2004 г. Минск: Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2004 г. с. 131-136.
6. Гринштейн Дж., Виниц М. Химия аминокислот и пептидов. Москва: Мир, 1965. 822 с.
Поступила в редакцию 01.11.2012 г.
