Научная статья на тему 'РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТОРОВ ДЛЯ БИОГЕННЫХ КАТИОНОВ CA2+, CU2+ И ZN2+'

РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТОРОВ ДЛЯ БИОГЕННЫХ КАТИОНОВ CA2+, CU2+ И ZN2+ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
33
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БЕНЗОАЗАКРАУН-ЭФИРЫ / РЕЦЕПТОРЫ / КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ / ХЕМОСЕНСОРЫ / BENZOAZACROWN ETHERS / RECEPTORS / COMPLEX FORMATION / CHEMOSENSORS

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Пашанова Анна Вячеславовна, Зубенко Анастасия Дмитриевна, Федорова Ольга Анатольевна

В данной работе проведен синтез 15- и 18-членных бензоазакраун-эфиров. По реакции N-алкилирования в их структуры введены различные по природе хелатирующие группы: карбоксильные, пиридильные и пиколинатные. Исследование комплексообразования бензоазакраун-эфиров с катионами Ca2+, Cu2+, Zn2+ было проведено методом потенциометрического титрования, ЯМР-спектроскопии, а также рентгеноструктурного анализа.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Пашанова Анна Вячеславовна, Зубенко Анастасия Дмитриевна, Федорова Ольга Анатольевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DEVELOPMENT OF RECEPTORS FOR BIOGENIC CATIONS Ca2+, Cu2+ AND Zn2+

In this work the synthesis of 15- and 18-membered benzoazacrown ethers was carried out. By the reaction of N-alkylation various chelating groups are introduced into their structures: carboxyl, pyridine and picolinate. The study of the complex formation of benzoazacrown ethers with Ca2+, Cu2+, Zn2+cations was performed by the method of potentiometric titration, NMR spectroscopy and x-ray analysis

Текст научной работы на тему «РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТОРОВ ДЛЯ БИОГЕННЫХ КАТИОНОВ CA2+, CU2+ И ZN2+»

УДК 547.898

Пашанова А.В., Зубенко А.Д., Федорова О.А.

РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТОРОВ ДЛЯ БИОГЕННЫХ КАТИОНОВ Ca2+, Cu2+ И Zn2+

Пашанова Анна Вячеславовна, обучающаяся Высшего химического колледжа Российской академии наук Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, Миусская пл., д.9, e-mail: 1404an99@mail.ru;

Зубенко Анастасия Дмитриевна, к.х.н., научный сотрудник Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова, Россия, Москва, ул. Вавилова, д.28;

Федорова Ольга Анатольевна, д.х.н., профессор Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, заведующая лабораторией фотоактивных супрамолекулярных систем Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова.

В данной работе проведен синтез 15- и 18-членных бензоазакраун-эфиров. По реакции N-алкилирования в их структуры введены различные по природе хелатирующие группы: карбоксильные, пиридильные и пиколинатные. Исследование комплексообразования бензоазакраун-эфиров с катионами Ca2+, Cu2+, Zn2+ было проведено методом потенциометрического титрования, ЯМР-спектроскопии, а также рентгеноструктурного анализа.

Ключевые слова: бензоазакраун-эфиры, рецепторы, комплексообразование, хемосенсоры.

DEVELOPMENT OF RECEPTORS FOR BIOGENIC CATIONS Ca2+, Cu2+ AND Zn2+

Pashanova A.V.1-2, Zubenko A.D.1, Fedorova O.A.1-2

:A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 2D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

In this work the synthesis of 15- and 18-membered benzoazacrown ethers was carried out. By the reaction of N-alkylation various chelating groups are introduced into their structures: carboxyl, pyridine and picolinate. The study of the complex formation of benzoazacrown ethers with Ca2+, Cu2+, Zn2+cations was performed by the method of potentiometric titration, NMR spectroscopy and x-ray analysis.

Keywords: benzoazacrown ethers, receptors, complex formation, chemosensors.

Химические сенсоры являются неотъемлемой частью нашей жизни. С их помощью определяют состав почвы, продуктов питания, проводят экологический мониторинг и медицинскую диагностику. Принцип их функционирования основан на использовании фотоактивных органических молекул, в которых хромофорный фрагмент, обеспечивающий появление

аналитического сигнала, связан с рецепторной группировкой, ответственной за связывание с определяемым веществом.

В качестве определяемых катионов нами были

г уч 2+ г-/ 2+ уч 2+

выбраны Са , Zn и Си , которые относятся к биогенным элементам, играющим решающую роль в жизнедеятельности. Изменением концентрации кальция управляются многие физиологические процессы, генерируются нервные импульсы,

открываются и закрываются ионные каналы [1].

2+ 2+

Содержание /п и Си в организме мало, поэтому их относят к микроэлементам. /п2+ является важным каталитическим или структурным элементом многих белков и принимает участие в протекании различных биохимических процессов [2]. Катионы Си2+ являются компонентами многих ферментов, принимает участие в метаболизме, а также в образовании соединительной и костной ткани. Визуализация этих катионов и измерение их концентрации является одной из важнейших биологических задач.

Одними из важных характеристик работы хемосенсоров являются скорость образования комплекса с катионами металлов, а также их устойчивость. Поэтому идея, предложенная в данной работе, заключается в создании азакраун-эфиров, содержащих структурно жесткий фрагмент, который ограничивает стерическую подвижность

макроцикла, способствуя быстрому связыванию катиона метала. Кроме того, для увеличения устойчивости образующихся комплексов

необходимо наличие дополнительных

координирующих групп. Разнообразие размера макроциклической полости и природы хелатирующих групп позволит оценить влияние тех или иных факторов на комплексообразующую способность полученных соединений, а также установить возможную селективность по отношению к определенным катионам металлов. Таким образом, целью данной работы является изучение зависимости комплексообразующих свойств бензоазакраун-соединений с катионами Ca2+, Zn2+ и Си2+ в зависимости от размера макроцикла и типа хелатирующих групп.

По реакции макроциклизации между диэтиловым эфиром 1,2-фенилендиоксидиэтановой кислоты и соответствующими диаминами (1,5-диамино-3-оксапентаном и 1,8-диамино-3,6-оксаоктаном) были получены амидные краун-эфиры, которые далее восстанавливали комплексом борана с ТГФ с количественным выходом [3].

Для создания более эффективных рецепторов, способных образовывать прочные комплексы и проявлять селективность к тем или иным катионам, необходимо введение дополнительных

координирующих групп. В основном для улучшения комплексообразующих свойств вводят

карбоксильные группы, которые обеспечивают более прочное связывание катиона за счет кулоновских сил. В бензоазакраун-эфиры 1 и 2 карбоксильные группы вводились по реакции N алкилирования третбутиловым эфиром

бромуксусной кислоты в ацетонитриле при кипячении в присутствии карбоната калия в качестве основания с последующим гидролизом третбутильных групп кипячением в воде.

Пиридильные группы в качестве хелатирующих также представляют интерес, поскольку содержат более мягкие гетероциклические атомы азота и хорошо координируют катионы тяжелых металлов, а также могут проявлять к ним селективность. Производные 5 и 6 с пиридильными группами

1.ВГ

получали по реакции К-алкилирования 1-хлорметилпиридином при кипячении в ацетонитриле в присутствии основания.

Пиколинатные группы содержат в своем составе как жесткие донорные атомы кислорода, так и мягкие гетероциклические, способные действовать одновременно при координации катиона металла, поэтому особенности их комплексообразующих свойств представляют большой интерес. N Алкилирование бензоазакраун-соединений

метиловым эфиром хлорметилпиридин-2-карбоновой кислоты проводили в условиях, аналогичных синтезу карбоксильных и пиридильных производных, затем сложноэфирные группы гидролизовали в щелочной среде (Схема 1).

Для определения устойчивости образуемых комплексов и состава частиц в водных растворах был использован метод потенциометрического титрования (Таблица 1).

"С001Ви, к2со3

МеСГЧ, Д

ХООЕ1

СООЕ1

1. N42 1МН2,ЕЮН

2. ВН3'ТНР, 0е

3. н£о, на, д

О

г.Н20. Д

П=1

п=2

78% 59%

N—ч Н 1

X?

, К2С03

МеСМ, Д

ГХ

о у о

о 1 он

^гО

Г N—4 о у-

о

О X

\ N-/¡1

п—1 79% 3 п=2 69% 4

п=] 64% 5 п=2 59% 6

ЫаООС

. ■ N СООМе

1.а

КгС03, Мэ1 меси, д

г иаон меон, д

О

Схема 1. Синтез бензоазакраун-соединений.

"V

О

11=1 59% 7 п-2 40% 8

Таблица 1. Константы протонирования и устойчивости комплексов 3-8 (25 °С, 0.1 М К1103).

Катион Частица 1ОЙ К

3 4 5 6 7 8

Н+ НЬ Н2Ь Н3Ь 8.31 15.62 18.08 8.25 15.51 18.54 7.74(7) 13.76(8) 7.64(8) 13.3(1) 10.25(4) 17.20(6) 21.04(7) 8.42(9) 14.8(1) 18.6(1)

Н„Ь - - - - 22.9(1) 22.2(1)

Са2+ СаЬ 6.43(7) 7.5(1) * * * *

Си2+ СиЬ СиН^Ь СиН-2Ь 16.4(7) 13.92(3) 13.2(4) 5.9(4) -5.1(4) 11.0(1) 11.28(4) 14.8(3) 5.5(4)

СиНЬ СиН2Ь - 16.83(5) - 17.4(3) 19.99(7) 23.29(9) 20.1(3)

ги2+ гпь гпНЬ гпН-1ь 10.55(4) 8.25(3) 10.76(8) 14.8(1) 3.0(1) 7.2(2) 13.1(2) -1.2(3) 9.74(5) 17.34(5) 11.1(1) 16.75(3) 2.2(2)

*комплексообразование не исследовалось

Лиганды 5-8 имеют несколько центров координации протона, включая ароматические и алифатические атомы азота, а также карбоксилатные группы. Соединения 5 и 6 содержат как амино-, так и пиридильные группы, таким образом каждый лиганд имеет четыре основных центра, но только две константы протонирования были определены. Поскольку лиганды 5 и 6 показывают относительно высокие значения первой и второй констант протонирования, можно предположить, что протонируются алифатические атомы азота, т.к. они являются наиболее основными. Соединения 7 и 8 имеют по шесть основных центров. Первая и вторая константы связаны с протонированием макроциклических атомов азота, а третья и четвертая -карбоксилатных групп. Значения первой и второй констант протонирования 7 и 8 значительно выше аналогичных значений для 5 и 6, вероятно, за счет взаимодействия пиколинатных групп с протонированной аминогруппой

макроцикла.

Изучение комплексообразования лигандов 5-8 с катионами Са2+, Zn2+ и Си2+ показало, что все макроциклы образуют комплексы состава ML. Среди изученных катионов металлов все краун-соединения образуют наиболее прочные комплексы с Си2+, причем в случае лигандов 3-6 значения констант показывают большую устойчивость комплексов с макроциклами меньшего размера, а в случае соединений 7 и 8 - наоборот. Во всех случаях были показано образование протонированных и/или гидрокси- форм комплексов.

Для полученных производных бензоазакраун-эфиров была исследована структура комплексов с катионами металлов методом рентгеноструктурного анализа. Установлено, что в комплексе 5^п2+ катион располагается внутри полости, координируясь со всеми гетероатомами макроцикла и хелатирующими группами, расположенными над и под его плоскостью (Рисунок 1), что объясняет высокую прочность комплекса 5-2гГ+.

Рисунок 1. Рентгеноструктурный анализ комплекса бензоазакраун-соединения 5 с катионом Zn2+.

Для больших по размеру 18-членных лигандов 6 и 8 с катионом Си2+ появляется возможность образовывать биядерные комплексы (Рисунок 2), однако константа их устойчивости низкая,

поскольку не была определена методом потенциометрического титрования.

с/ К с

Рисунок 2. Рентгеноструктурный анализ комплексов

бензоазакраун-соединений 6 и 8 с катионом Cu2+.

В результате исследования

комплексообразования бензоазакраун-эфиров с катионами Ca2+, Cu2+, Zn2+ методом потенциометрического титрования было показано, что все лиганды способны образовывать устойчивые комплексы с катионами изученных металлов в водных растворах. Наиболее прочный комплекс образует 15-членный макроцикл с карбоксилатными группами с катионом Cu2+. В дальнейшем планируется создание конъюгатов на основе полученных рецепторных молекул с нафталимидными красителями и изучение их оптических свойств для выявления наиболее эффективного сенсора, работающего в биологических средах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента РФ 075-02-2018-779, подтверждение структуры полученных соединений проведено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации с использованием научного оборудования Центра исследования строения молекул ИНЭОС РАН.

Список литературы

1. Campbell A. K. Calcium as an Intracellular Regulator // Proceedings of the Nutrition Society. -1990. - V. 49. - P. 51-56.

2. Choi D. W. Zinc and brain injury // Annu. Rev. Neurosci. - 1998. - V. 21. - P. 347-75.

3. Зубенко А.Д., Пашанова А.В., Федорова О.А. Синтез новых бензодиазакраун-эфиров с различным типом хелатирующих групп // Успехи в химии и химической технологии - 2018. - Т. 32(5). - С. 88-90.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.