ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Проект направлен на разработку способов получения и изучение свойств новых типов молекул трубчатой структуры, состоящих из двух и более макроциклов, удерживаемых ковалентными связями для их последующего использования в качестве крупных «строительных блоков» при дизайне новых высокоструктурированных материалов с расширенным набором свойств.
Research in the field of organic supramolecular chemistry is highly important in the development and improvement of modern technologies. Such works include the development of molecular sensors and selective ligands, construction of novel metal-complex and organocatalysts, design and synthesis of self-sealing capsules, container molecules, and supramolecular polymers, as well as the design of molecular machines. Calixarenes are cyclic phenolic oligomers linked by methylene groups and possess almost unlimited possibilities to extend research in these fields. The successful application of calixarenes as multifunctional molecular platforms is inextricably linked to the development of methods for their chemical modification, including methods of covalent and noncovalent association of several macrocycles into more complex (supramolecular) assemblies. Investigations in this area include studying the possibility to get molecular tubes of a new type which are oligocalixarene tri- and pentamacrocycles containing 1,2,3-triazole linker fragments, which have their own ionophore activity and are easily available by copper(I)-catalyzed cycloaddition of azides to alkynes (CuAAC). It is expected that due to the presence of triazole substituents, molecular tubes of the new type will bind cations of transition metals into stable polynuclear complexes and/or will provide the possibility of intramolecular cation oscillations between ionophore sites, which will find application, for example, in the development of molecular switches, logic gates and molecular machines. The purposes of this Project are to develop novel methods for the controlled assembly of calixarenes containing cation-binding triazole groups into covalent and/or non-covalently bound molecular objects of a multimacrocyclic structure and to study the receptor properties of the compounds obtained. The Project involves comprehensive research which follows advanced directions of world science in the field of supramolecular chemistry, and the expected results will also be significant in organic and analytical chemistry, catalysis, materials science, etc.
– Из каликсаренов, предорганизованных в стереоизомерных формах конус и 1,3-альтернат, и содержащих ацетиленовые и азидные заместители, будет получена серия бис- и трискаликсареновых молекулярных трубок новых типов, в которых рецепторные полости сформированы триазольными группами. – Будет оценена возможность дальнейшего контролируемого наращивания числа каликсареновых звеньев в структурах триазолсодержащих молекулярных трубок. – Для полученных молекулярных трубок новых типов будет исследована рецепторная активность в отношении катионов переходных металлов, связанная, в частности, с образованием одно- и полиядерных комплексов, и с внутримолекулярными осцилляциями катионов в одноядерных комплексах. Полученные результаты, как ожидается, позволят оценить перспективы использования разрабатываемых ковалентно связанных олигокаликсаренов для создания молекулярных переключателей, гомо- и гетерополитопных катионофоров и металлсодержащих олигомеров. Полученные в Проекте результаты будут способствовать созданию олигомерных/полимерных материалов новых типов, элементов молекулярных машин и решению других экологических, материаловедческих и технологических задач, требующих разработки политопных катионных рецепторов различной сложности
В ходе исследований, ранее проведенных руководителем Проекта, были детально изучены особенности протекания реакций катализируемого солями меди(I) циклоприсоединения азидов к пропаргилированным каликсаренам и ацетиленов к 2-азидоэтильным производным каликсаренов. Была обнаружена беспрецедентная селективность протекания реакций CuAAC между пропаргилированными каликсаренами и азидами, взятыми в недостатке. Исследованы наиболее вероятные причины селективного протекания реакций CuAAC с участием пропаргилированных каликсаренов. Проведенное масштабное исследование ионофорных свойств триазолсодержащих каликсаренов, полученных как из азидсодержащих, так и из пропаргилированных макроциклов, показало, что расположение триазольных гетероциклов относительно макроциклической платформы оказывает значительное влияние на рецепторную активность соединений в отношении катионов переходных металлов: олиготриазольные производные, полученные при присоединении азидов к пропаргилированным каликсаренам склонны к образованию комплексов внутреннего строения с катионами меньшего размера, в то время как олиготриазольные производные, полученные при присоединении ацетиленов к азидсодержащим каликсаренам, активны в отношении катионов большего размера, с которыми образуют комплексы экзо-строения. На основе каликсареновых бисиндолов, содержащих дополнительные катионофорные сайты, были созданы и исследованы новые эффективные рецепторы и флуоресцентные сенсоры для анионов, катионов а также ионных пар. Кроме того, было показано, что реакции CuAAC могут быть использованы для введения в молекулы каликс[4]- и каликс[6]аренов сложных полифункциональных заместителей пептидной природы, в результате чего были получены соединения, проявившие уникальные свойства хиральных гетеродитопных молекулярных рецепторов для ионов свинца и меди.
При успешной оптимизации условий взаимодействия между парами различных каликс[4]аренов, содержащих азидные или пропаргильные заместители в дистальных положениях нижнего обода и предорганизованных в стереоизомерных формах конус или 1,3-альтернат, в реакциях CuAAC (присоединения азидов к алкинам, катализируемое ионами одновалентной меди) была синтезирована широкая серия бискаликсареновых молекулярных трубок нового типа. При варьировании медьсодержащих катализаторов, их количеств, концентрации исходных каликсаренов, температуры синтезов, используемых растворителей для каждой из пар каликсареновый бис(азид)/бис(ацетилен) были подобраны наиболее оптимальные условия, однако, полностью избежать образования побочных продуктов полимерного строения не удалось. При этом выявлены особенности влияния строения исходных соединений и условий проведения синтезов на соотношение бис(каликсарен)/полимер. В ряде случаев зафиксировано образование продуктов олигомерного строения – мультимакроциклов, состоящих из четырех и более каликсареновых звеньев, соединенных между собой только одним триазольным фрагментом – каждый из которых был выделен и охарактеризован методами ЯМР и масс-спектрометрически. Молекулярные структуры большинства синтезированных бискаликсареновых трубок удалось установить с использованием рентгеноструктурного анализа. Исследована способность бискаликсареновых молекулярных трубок к связыванию катионов цинка и серебра триазольным рецепторным сайтом и установлены закономерности влияния конформации каликсаренов, дополнительных заместителей и относительного расположения триазольного сайта внутри молекулярной трубки на рецепторную активность бискаликсареновых лигандов. В условиях реакции присоединения азидов к алкинам, катализируемой катионами одновалентной меди, из каликс[4]аренов, закрепленных в конформациях конус или 1,3-альтернат и содержащих пары пропаргильных или 2-азидоэтильных групп, и каликс[4]аренов в конформации 1,3-альтернат с четырьмя пропаргильными, 2-азидоэтильными или парами 2-азидоэтильных и защищенных пропаргильных групп были синтезированы триазолсодержащие молекулярные трубки, состоящие из трех ковалентно связанных каликсареновых макроциклов. Несмотря на то, что для каждой из комбинаций исходных соединений была проведена оптимизация условий их взаимодействия, хороших выходов в реакциях CuAAC, происходящих одновременно по четырем функциональным группам, удалось достичь при использовании тетрапропаргилового эфира в качестве «центрального» звена молекулярной трубки и бис(азидов) с незамещенными гидроксильными группами. Альтернативный подход, заключающийся в ступенчатом «наращивании» трубок при использовании в качестве ключевого «строительного блока» - каликс[4]арена, с двумя азидными и двумя силилированными пропаргильными заместителями и закрепленного в конформации 1,3-альтернат, при последовательных реакциях CuAAC/десилилирования позволил не только получать трискаликсареновые трубки с возможностью модификации «концевых» каликсареновых макроциклов, но также открыл возможность дальнейшего «наращивания» длины молекулярной трубки при необходимости. Кроме того, свойства трискаликсареновых молекулярных трубок, состоящих из каликсаренов в конформации 1,3-альтернат и имеющих пропильные и/или краунэфирные заместители при «терминальных» каликсареновых макроциклах, были исследованы при связывании катионов серебра и калия. Структурные различия синтезированных трис(каликсаренов), заключающиеся в ориентации триазольных сайтов связывания относительно друг друга и «центрального» каликсарена, а также взаимного расположения триазольных/краунэфирных групп, играли определяющую роль при связывании катионов исследуемых металлов. Выявленные особенности рецепторного поведения молекулярных трубок были установлены с использованием методов ЯМР, подтвержденных данными квантово-химического моделирования и масс-спектрометрии. Было обнаружено, что трискаликсареновые трубки, содержащие только два триазольных сайта связывания, способны к образованию комплексов с серебром одно- и двуядерного строения, причем в одноядерных комплексах показана способность катиона к осцилляциям между триазольными сайтами, при этом, предположительно, катион серебра способен проходить через полость «центрального» каликсарена. В случае трискаликсареновых трубок, содержащих помимо триазольных еще и один или два краунэфирные сайта связывания, при последовательном добавлении катионов серебра и калия было зафиксировано, в зависимости от взаимного расположения триазольных/краунэфирных групп, образование гетеротриядерных комплексов или вытеснение катиона серебра из наиболее близко расположенного триазольного сайта к фрагменту краунэфира, связывающего калий, тем самым локализуя серебро в наиболее удаленном триазольном сайте. Результаты исследования опубликованы в научном журнале https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/QO/D1QO00636C, https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/qo/d2qo00432a и представлены на конференции в виде постерного https://lomonosov2021.chem.msu.ru/uploads/Proceedings_chemlomo2021.pdf и устного https://lomonosov2022.chem.msu.ru/uploads/Proceedings_chemlomo2022.pdf докладов.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 20 июля 2020 г.-30 июня 2021 г. | Молекулярные трубки на основе триазолсодержащих каликсаренов |
Результаты этапа: При выполнении задач настоящего проекта были достигнуты следующие научные результаты. По литературным методикам была синтезирована серия каликс[4]аренов, предорганизованных в стереоизомерных формах конус и 1,3-альтернат и содержащих пропаргильные и 2-азидоэтильные группы на нижнем ободе макроцикла. Разработаны способы получения ранее неизвестных каликс[4]аренов в конформации 1,3-альтернат, которые содержат помимо пропаргильных или азидных групп также и дополнительные сложноэфирные или краун-эфирные заместители при фенольных атомах кислорода. Впервые разработана методика получения и успешно синтезирован каликс[4]арен, предорганизованный в стереоизомерной форме 1,3-альтернат и содержащий одновременно две 2 азидоэтильные группы и две защищенные пропаргильные группы, который может быть использован в качестве универсального «строительного блока» при контролируемом наращивании длины триазолсодержащих молекулярных трубок. В ходе исследования осуществлен масштабный подбор условий макроциклизации при варьировании Cu(I)-катализаторов и их количеств, дополнительных лигандов, растворителя, температуры и длительности проведения реакций, концентраций реагирующих каликсаренов. В результате для каждой пары азид-ацетилен найдены оптимальные условия синтеза новых каликсареновых мультимакроциклов – триазолсодержащих молекулярных трубок – из пропаргил- и 2-азидоэтилсодержащих каликс[4]аренов в реакциях катализируемого солями меди(I) циклоприсоединения азидов к алкинам (CuAAC). Впервые получена широкая серия бискаликсареновых молекулярных трубок, связанных пáрами триазольных линкеров и содержащие два каликс[4]ареновых макроцикла, предорганизованных в стереоизомерных формах конус или 1,3-альтернат в различных сочетаниях. Показано, что на выход целевых бискаликсареновых производных значительное влияние оказывает остаточная конформационная подвижность реагирующих бис(алкинов) и бис(азидов). В ряде случаев удалось выделить и охарактеризовать продукты олигомерного строения, содержащие четыре и больше каликсареновых макроцикла в своей структуре. Оценено влияние заместителей в исходных соединениях, а также условий проведения синтезов на содержание их в реакционных смесях. Предложена эффективная процедура выделения целевых бискаликсареновых трубок, включающая две последовательные колоночные хроматографии с использованием различных элюентов – с отделением на первом этапе основного побочного продукта полимерного строения и последующей очисткой целевого соединения от низкомолекулярных примесей на втором. Впервые осуществлен синтез серии бискаликсареновых молекулярных трубок, содержащих фрагменты краун-эфиров или/и сложноэфирные заместители в качестве дополнительных функциональных/рецепторных сайтов. Строение всех ранее не опубликованных соединений доказано с использованием методов ЯМР 1H и 13C и масс-спектрометрии, а структуру некоторых бис(каликсареновых) молекулярных трубок удалось установить с привлечением методов рентгеноструктурного анализа. В экспериментах ЯМР показано, что полученные триазолсодержащие молекулярные трубки способны образовывать комплексы с ионами Zn2+ и Ag+, характер связывания которых в значительной степени определяется стереоизомерной формой каликсареновых фрагментов мультимакроциклов. Так, для связывания цинка наиболее предпочтительная конформация каликсаренового ядра – конус, особенно, если триазольный сайт связывания дополнительно экранирован пропильными заместителями. Для более крупного иона Ag+ было зафиксировано образование комплексов с молекулярными трубками, в которых хотя бы один из каликсареновых компонентов предорганизован в конформации 1,3-альтернат. В данном случае катион серебра, связанный триазольным сайтом, может быть дополнительно стабилизирован альтернированными ароматическими фрагментами каликсаренового макроцикла. Исследование комплексообразования бис(каликсареновой) трубки, содержащей дополнительные краун-эфирные фрагменты, показало, что данное соединение образует комплексы как с ионами серебра (связывание триазольным сайтом), так и ионами калия (связывание краун-эфирной частью молекулы). Однако, при последовательном добавлении этих катионов установлено, что катион калия вытесняет катион серебра из комплекса с молекулярной трубкой, образуя более прочный комплекс. Обратного эффекта при добавлении серебра к калиевому комплексу не наблюдалось. Таким образом, данное соединение перспективно для использования в качестве молекулярного переключателя. | ||
2 | 1 июля 2021 г.-30 июня 2022 г. | Молекулярные трубки на основе триазолсодержащих каликсаренов |
Результаты этапа: Синтез исходных соединений В качестве исходных соединений для получения триазолсодержащих каликсареновых трубок были синтезированы как ацетилен-, так и азидсодержащие каликс[4]арены, предорганизованные в стереоизомерных формах конус и 1,3-альтернат. Синтезы каликсареновых азидов и ацетиленов осуществляли в соответствии c опубликованными методиками или, с использованием разработанных в рамках проекта, для получения новых соединений. Соединения с двумя азид-/алкинильными заместителями, необходимые в качестве «терминальных» фрагментов молекулярных трубок представлены на рис. 1. Рис. 1. Исходные каликс[4]арены, используемые в качестве «терминальных» фрагментов молекулярных трубок. Для использования в качестве «цетральных» компонентов трисмолекулярных каликсареновых трубок были получены каликс[4]арены, закрепленные в конформации 1,3-альтернат и содержащие четыре пропаргильные, четыре 2-азидоэтильные группы или по две чередующиеся 2-азидоэтильные и защищенные пропаргильные группы (рис. 2). Рис. 2. Исходные каликс[4]арены, используемые в качестве «центральных» фрагментов молекулярных трубок. При использовании «гибридного» каликсарена, содержащего как азидоэтильные, так и защищенные пропаргильные заместители, становится возможным проводить синтезы не по четырем, а по двум реакционным центрам одновременно. Полученные соединения были использованы в реакциях азид-алкинового циклоприсоединения, катализируемого ионами меди (I), для синтеза бис- и трискаликсареновых молекулярных трубок. Синтезы бискаликсареновых триазолсодержащих молекулярных трубок С целью создания общей методики синтеза триазолсодержащих молекулярных трубок в настоящей работе на примере синтеза бис(каликсарена) 1 опробованы различные условия проведения реакций CuAAC. В ходе исследования состав смесей продуктов реакций определяли по данным спектров ЯМР 1H образцов, полученных после экстракционного (хлористый метилен/водн. HCl) удаления солей меди. Схема 1 По результатам проведенных исследований для препаративного синтеза бис(каликсарена) 1 как наиболее оптимальные были выбраны следующие условия: CuI (30 мол. %) в качестве катализатора, Et3N (20 экв/Cu) в качестве вспомогательного лиганда, толуол в качестве растворителя; синтез проводили при перемешивании реакционной смеси в закрытой колбе в течение 48 ч. После обработки реакционной смеси и хроматографической очистки бис(каликсарен) 1 был получен c выходом 31% (схема 1). Схема 2 Из-за стерических затруднений, создаваемых н-пропильными заместителями в реакциях CuAAC при комнатной температуре в течение 48 ч была получена смесь, содержащая, наряду с целевыми бис(каликсаренами) и полимерными продуктами реакции, также и исходные каликсарены. Поэтому для полноты превращения исходных соединений температура проведения реакций была повышена до 70 °C (при уменьшении времени синтеза до 9 ч), что позволило получить изомерные каликсареновые трубки 2 и 3 с выходами 26% и 44% соответственно (схема 2). а) б) Рис. 3. Молекулярные структуры каликсаренов 2 (а) и 3 (б) в двух проекциях, тепловые эллипсоиды приведены с 50%-ной вероятностью. При синтезе молекулярной трубки из калик[4]аренов, каждый из которых содержит по две пропильные группы на нижнем ободе, был получен неожиданный результат. Так, при попытке провести эту реакцию при комнатной температуре в присутствии CuI и Et3N в спектрах ЯМР 1H обработанной реакционной смеси были обнаружены сигналы только исходных каликсаренов, а при нагревании – сигналы исходных соединений, полимерного побочного продукта реакции, и два набора сигналов, каждый из которых соответствует структуре молекулярной трубки. Предпринятое варьирование условий проведения реакций позволило определить, что полная конверсия исходных каликсаренов может быть достигнута, как и при синтезах молекулярных трубок 2 и 3, при использовании каталитической системы CuI/Et3N и при нагревании реакционной смеси (70 °C) в течение 9 ч (схема 3). В препаративном синтезе, проведенном в этих условиях, была получена смесь, в спектре ЯМР 1H которой сигналы двух неполимерных продуктов реакции имеют близкие интенсивности. Схема 3 С использованием колоночной хроматографии оба компонента этой смеси были выделены в индивидуальном виде, а также охарактеризованы с использованием данных ЯМР, масс-спектрометрии и рентгеноструктурного анализа (рис. 4). Рис. 4. Молекулярные структуры каликсаренов 4 (а) и 5 (б), тепловые эллипсоиды приведены с 50%-ной вероятностью. При оптимизации условий содержание бис(каликсарена) 6 удалось повысить при проведении синтеза в присутствии эквивалентного (в расчете на любой из каликсаренов) количества иодида меди при одновременном увеличении количества триэтиламина. В результате, после хроматографической очистки, бис(каликсарен) 6 был получен с выходом 19% (схема 4). Схема 4 Как и при синтезах молекулярных трубок 2 и 3 для обеспечения протекания реакции CuAAC между бис(азидом) и пространственно более затрудненным дипропаргиловым эфиром температура проведения синтеза была повышена до 70 °C, что позволило получить бис(каликсарен) 7 с относительно высоким выходом (41%, схема 4). Несмотря на ограниченную растворимость в толуоле дипропаргилового эфира, предорганизованного в стереоизомерной форме 1,3-альтернат, реакция этого соединения с бис(азидом), проведенная при комнатной температуре в присутствии 30 мол. % CuI и триэтиламина, прошла с образованием значительно меньших количеств побочных продуктов реакции, и молекулярная трубка 8, изомерная бис(каликсарену) 6, но с инвертированными относительно каликсареновых макроциклов триазольными линкерами, была получена с выходом 46% (схема 4). Как и ожидалось в реакции CuAAC между пропаргилированным каликсареном (1,3-альтернат) и азидом (конус), в которых также присутствуют пропильные заместители, преобладающими продуктами могут быть каликсарены олигомерного/полимерного строения. И действительно, сложные смеси продуктов реакции и полимерных примесей были получены при взаимодействии этих каликсаренов в различных условиях. При оптимизации условий синтеза было выявлено, что полная конверсия исходных соединений с минимальным содержанием полимерных продуктов была достигнута с использованием 0.3 экв CuI и избытка Et3N в толуоле при 60 °С (схема 5). Схема 5 Каждый из сложной смеси полученных продуктов реакции был выделен в индивидуальном виде с использованием колоночной хроматографии и охарактеризован методами диффузионного ЯМР (DOSY) и масс-спектрометрии. Использование «стандартных» условий проведения синтеза CuAAC между каликсаренами, предорганизованными в конформации 1,3-альтернат, приводило к образованию смесей большого количества продуктов как полимерного, так и низкомолекулярного строения, разделить которые с использованием колоночной хроматографии не представлялось возможным. В связи с этим была проведена дополнительная оптимизация условий получения трубки димерного строения. В ходе подбора условий было установлено, что использование каталитической системы сульфат меди/аскорбат натрия в смеси ТГФ/вода позволило получить такую смесь, в которой в качестве основного продукта реакции был зафиксирован целевой бис(каликсарен) 11, а среди примесей – полимер, который удалось отделить хроматографически (схема 6). Схема 6 В результате с высоким выходом (40%) была выделена триазолсодержащая каликсареновая трубка 11, в которой оба каликсареновых макроцикла зафиксированы в конформации 1,3-альтернат. Данная каталитическая система (сульфат меди/аскорбат натрия) была исследована в реакциях CuAAC для всех описанных выше пар бис(азидов) с бис(алкинами). Однако, во всех случаях значительного улучшения (при анализе спектров ЯМР реакционных смесей) в сторону образования димерных продуктов реакции не наблюдали. Для некоторых пар каликсаренов была выявлена неполная конверсия исходных соединений, для других – образования больших количеств продуктов полимерного/олигомерного строения. При взаимодействии бис(азидов), содержащих дополнительные функциональные краун-эфирные и сложноэфирные заместители соответственно, с каликсареновым бис(ацетиленом) удалось получить бис(каликсареновые) трубки 12 и 13 (схема 7). Оптимизация условий проведения синтезов показала, что при наличии фрагментов краун-эфира в структуре исходного каликсарена лучше подходят условия сульфат меди/аскорбат натрия (в смеси ТГФ/вода), а при наличии сложноэфирных – система CuI/триэтиламин (в толуоле). Схема 7 Аналогичные результаты были получены и в синтезе изомерных соединениям 12 и 13 бис(каликсареновых) трубок 14 и 15, в которых триазольный сайт расположен ближе к каликсареновому макроциклу, содержащему дополнительные функциональные группы (схема 8). При этом во всех случаях использовали увеличенное количество катализатора (до 1 экв на каждый бис(азид)/бис(ацетилен)). Схема 8 При взаимодействии каликсаренов, в составе которых присутствуют краун-эфирные фрагменты, была синтезирована бис(каликсареновая) трубка 16, содержащая триазольный рецепторный сайт «внутри» молекулярной трубки и два краун-эфирных сайта на ее «периферии» (схема 9). Стоит отметить, что выход в данном случае оказался выше (35%), чем для пропилированных производных. Предположительно, более жесткая структура исходных соединений способствует предорганизации молекул и пространственному сближению азидных и пропаргильных групп, тем самым способствуя образованию продуктов димерного строения, нежели процессам полимеризации. Схема 9 Строение всех впервые синтезированных бис(ацетиленов), бис(азидов), а также бис(каликсареновых) молекулярных трубок надежно доказано с использованием методов ЯМР и масс-спектрометрии, а для некоторых соединений также удалось установить их молекулярные структуры с привлечением рентгеноструктурного анализа. Синтез трискаликсареновых молекулярных трубок Общая стратегия синтеза триазолсодержащих молекулярных трубок, состоящих из трех каликс[4]ареновых макроциклов, как и при получении бис(каликсареновых) трубок, заключается в проведении поиска наиболее оптимальных условий при взаимодействии тетраалкина или тетраазида с соответствующими бис(азидами) или бис(алкинами), взятыми в двукратном избытке. При этом варьировали тип катализатора, его количество, наличие дополнительных лигандов, концентрацию реагирующих соединений, растворители, температуру и время проведения синтезов. Во всех случаях проводили анализ спектров ЯМР реакционных смесей (после удаления солей меди) и выявляли условия, при которых конверсия была наиболее близка к 100%-ной, а содержание целевых соединений – наибольшим. В препаративном синтезе, проведенном при нагревании смеси исходных бис(ацетилена) и тетра(азида), CuI (30 мол. %) и триэтиламина в толуоле при 70 °C в течение 9 ч, с использованием двухступенчатой колоночной хроматографии удалось выделить чистый трис(каликсарен) 17 – первую молекулярную трубку нового структурного типа, содержащую три каликсареновых макроцикла, связанных двумя парами триазолсодержащих линкеров. Выход в синтезе составил 6% (схема 10). Схема 10 В аналогичных условиях удалось провести реакцию между детрет-бутилированным каликсареном бис(ацетиленом) и тетраазидом. При этом выход молекулярной трубки 18 оказался также невысоким и составил 14% (схема 10). Дополнительная оптимизация условий проведения реакции потребовалась и при синтезе трис(каликсарена) 19 из тетра(азида) и пространственно более затрудненного бис(ацетилена). Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение количества катализатора и температуры проведения синтеза способствуют повышению конверсии исходных каликсаренов, однако при избыточном (200 мол. %) количестве CuI образуются заметно бóльшие количества полимерных продуктов реакции. Препаративный синтез молекулярной трубки 19 был осуществлен при нагревании смеси исходных каликсаренов в толуоле (70 °C) в присутствии 100 мол. % CuI и триэтиламина. После хроматографической очистки выход соединения 19 составил 22% (схема 11). Схема 11 Ввиду ограниченной растворимости в толуоле дипропаргилового эфира, при подборе условий получения на его основе молекулярной трубки 20 в реакционную смесь добавляли 1,2-дихлорэтан, что способствовало значительному увеличению конверсии исходных соединений. В то же время, нагревание реакционной смеси приводило к образованию заметно бóльших количеств полимерных продуктов реакции. Схема 12 Квантово-химическое моделирование структуры соединения 20 (рис. 5) показало, что формирующие его три каликсареновых макроцикла, с одной стороны, испытывают взаимные стерические отталкивания (между направленными друг к другу ароматическими фрагментами соседних макроциклов), а с другой стороны – удерживаются относительно короткими триазолсодержащими линкерами (в наиболее вытянутой трансоидной конформации). Благодаря этому молекула трис(каликсарена) 20 становится жесткой и приобретает форму линейной трубки с единым внутренним «каналом», образованным тремя каликсареновыми макроциклами и двумя парами триазольных линкеров. Рис. 5. Оптимизированная структура трис(каликсарена) 20 в двух проекциях; DFT BLYP/def2-SVP, пакет квантово-химических программ ORCA 4.1.1. В реакции CuAAC между тетрапропаргиловым эфиром (1,3-альтернат) и каликсареном (конус), содержащим в дистальных положениях нижнего обода две 2-азидоэтильные группы, взятыми в мольном соотношении 1:2, впервые была получена трискаликсареновая молекулярная трубка другого структурного типа (схема 13). Уже в первых опробованных для получения этого соединения условиях макроциклизации (30 мол. % CuI, триэтиламин, толуол, комнатная температура) был получен образец, спектр ЯМР 1H которого содержал, на первый взгляд, почти исключительно сигналы целевого трис(каликсарена) 21. Однако, в ходе хроматографического разделения продуктов препаративного синтеза, проведенного в этих условиях, наряду с образцом чистого трис(каликсарена) 21 был также получен и близкий по массе образец полимерного продукта реакции, сигналы в спектре ЯМР 1H которого чрезвычайно уширены. Выход целевой молекулярной трубки 21 составил 38%. Схема 13 При медленном упаривании раствора соединения 21 в смеси хлористый метилен/метанол были получены кристаллы, позволившие охарактеризовать эту молекулярную трубку с использованием рентгеноструктурного анализа (рис. 6). Рис. 6. Молекулярная структура трис(каликсарена) 21 в двух проекциях, тепловые эллипсоиды приведены с 50%-ной вероятностью. По сравнению с молекулярной трубкой 20, в соединении 21 стерические отталкивания каликсареновых макроциклов, лишь один из которых закреплен в стереоизомерной форме 1,3-альтернат, выражены в значительно меньшей степени, вследствие чего молекулы этого мультимакроцикла имеют нелинейную форму (по крайней мере, в кристаллах). При взаимодействии тетраалкина с детрет-бутилированным бис(азидом) в условиях получения трубки 21 исходные каликсарены присутствовали в реакционной смеси (по данным ЯМР реакционных смесей) даже после перемешивания в течение 6 суток. Полной конверсии удалось достичь при выдерживании смеси в течение 24 ч при 60°C. После хроматографической очистки молекулярную трубку 22 удалось выделить с выходом 29% (схема 14). Схема 14 Стоит отметить, что в процессе очистки методом колоночной хроматографии в качестве побочного продукта удалось выделить бис(каликсарен) 23, который является продуктом присоединения только одной молекулы бис(азида) к тетраалкину. Образование подобного продукта может быть связано с ограниченной растворимостью бис(азида) в толуоле, но тем не менее его наличие может свидетельствовать о том, что процесс образования трискаликсареновой молекулярной трубки 22 происходит ступенчато и каликсарен 23 является интермедиатом. Для реакции CuAAC между тетра(алкином) и бис(азидом) в конформации 1,3-альтернат, взятыми в мольном соотношении 1:2, также был осуществлен поиск наиболее оптимальных условий (схема 15). Схема 15 По результатам проведенных экспериментов, для препаративного синтеза молекулярной трубки 24 была использована каталитическая система CuI/Et3N при загрузке катализатора 0.3 экв. Синтез проводили в толуоле при 60 °С в течение 24 ч, и в результате после двухступенчатой хроматографичекой очистки трискаликсареновая молекулярная трубка 24 была получена с выходом 15% (схема 15). Центральные каликсареновые фрагменты изомерных молекулярных трубок 20 и 24 содержат одинаковые 1-R-4-триазолилметильные или 4-R-1-триазолилэтильные заместители по обе стороны макроцикла и, соответственно, в этих трис(каликсаренах) сформированы по два симметрично расположенных бистриазольных рецепторных сайта. Однако, для более полного исследования свойств трискаликсареновых молекулярных трубок, связанных пáрами триазольных линкеров, необходим и третий изомер – молекулярная трубка, в которой центральный каликсареновый фрагмент содержит одновременно пáры разных заместителей (два 1-R-4-триазолилметильных и два 4-R-1-триазолилэтильных). В качестве исходного соединения для синтеза такого трис(каликсарена) использовали бискаликсареновую молекулярную трубку 25 с двумя силилированными пропаргильными группами в одном из каликсареновых макроциклов (схема 16). Схема 16 Полученный бис(каликсарен) 26 вводили в реакцию CuAAC с бис(азидом). Синтез проводили при использовании каталитической системы сульфат меди(II)/аскорбат натрия, обеспечивающей более высокие выходы при синтезах бис(каликсаренов), при нагревании в смеси тетрагидрофурана и воды (схема 17). Схема 17 За ходом реакции следили по изменениям в спектрах ЯМР обработанных проб. Полная конверсия исходных каликсаренов была достигнута после 36 ч нагревания реакционной смеси, и после экстракционного удаления неорганических солей и хроматографической очистки с выходом 26% была получена целевая трискаликсареновая молекулярная трубка 27. Трискаликсареновые молекулярные трубки 20, 24 и 27 при внешнем сходстве структур являются изомерами, имеющими разное строение и, соответственно, сильно различающиеся спектры ЯМР (рис. 7). Рис. 7. Фрагменты спектров ЯМР 1H трис(каликсаренов) 24 (а), 27 (б) и 20 (в); красным выделены сигналы триазольных протонов, зеленым – сигналы протонов метиленовых мостиковых групп каликсареновых макроциклов; CDCl3, 400 МГц. Так, в спектре ЯМР 1H симметричной молекулярной трубки 24 (рис. 7а), при синтезе которой в качестве центрального каликсарена использован тетрапропаргиловый эфир, присутствуют, в частности, три набора (дублет и триплет) сигналов ароматических протонов каликсареновых макроциклов двух видов и один синглет триазольных протонов, в то время как метиленовым мостиковым группам каликсареновых макроциклов отвечают синглет (симметричный центральный макроцикл) и пара дублетов (несимметричные терминальные макроциклы). Спектр ЯМР 1H симметричной молекулярной трубки 20 (рис. 7в), полученной на основе тетра(азида), содержит такое же число сигналов, но значительно смещенных относительно аналогичных сигналов в спектре ЯМР 1H соединения 24. В частности, синглет триазольных протонов в молекулярной трубке 20 смещен в слабое поле относительно такого сигнала в спектре молекулярной трубки 24, что свидетельствует о меньшем экранировании триазольных протонов в случае соединения 20. Спектр ЯМР 1H несимметричной молекулярной трубки 27 (рис. 7б) драматически отличается от спектров симметричных соединений 20 и 24. В частности, в спектре присутствуют не один, а два синглета триазольных протонов, каликсареновым ароматическим протонам соответствуют по шесть дублетов и триплетов, а метиленовым мостиковым группам каликсаренов – три пары дублетов, что свидетельствует о том, что молекулярная трубка 27 сформирована тремя разными каликсареновыми макроциклами. Для изучения возможности синтеза молекулярных трубок большей длины в реакцию CuAAC c бис(каликсареном) 26, содержащим две пропаргильные группы, был введен каликсареновый бис(азид), в котором пропаргильные группы защищены. Синтез проводили в условиях, успешно использованных при синтезе несимметричной трискаликсареновой молекулярной трубки 27 с использованием в качестве катализатора смеси сульфата меди(II) и аскорбата натрия (схема 17). В результате, после обработки реакционной смеси и хроматографического разделения продуктов реакции, с выходом 25% была получена молекулярная трубка 28, содержащая две защищенные пропаргильные группы в одном из терминальных каликсареновых макроциклов молекулы. Схема 17 Соединение 28 является трискаликсареновым аналогом бис(каликсарена) 25 и может быть введено в дальнейшем в последовательные реакции удаления силильных защитных групп и CuAAC с участием различных каликсареновых бис(азидов) при синтезах молекулярных трубок, состоящих из четырех каликсареновых макроциклов или для введения функциональных групп с использованием реакции CuAAC. На заключительном этапе синтетической части Проекта была синтезирована серия трискаликсареновых молекулярных трубок, состоящих из макроциклов в стереоизомерной форме 1,3-альтернат и содержащих один или два краун[5]эфирных фрагмента на «терминальных» каликсаренах. При использовании смеси сульфата меди и аскорбата натрия в качестве катализатора и проведении синтеза в смеси ТГФ/вода при нагревании удалось выделить трискаликсареновую трубку 29 с выходом 33% (схема 18). Схема 18 Схема 19 Аналогично методу получения бискаликсареновой трубки 26 из краунсодержащего дипропаргилового эфира и бис(азида), содержащего защищенные ацетиленовые группы, был успешно осуществлен синтез бис(каликсарена) 31 (схема 19). При дальнейшем введении этого соединения в реакции CuAAC с бис(азидами) были получены трискаликсареновые молекулярные трубки 32 и 33 с одним и двумя краунэфирными заместителями с выходами 14% и 23% соответственно (схема 20). Схема 20 Исследования рецепторных свойств триазолсодержащих молекулярных трубок Способность полученных в проекте молекулярных трубок на основе каликсаренов образовывать комплексы с ионами переходных металлов была оценена с использованием спектров ЯМР 1H для бис- и трис(каликсареновых) производных. Для исследования были выбраны диамагнитные соли AgClO4•H2O, KClO4 и Zn(ClO4)2•6H2O, в качестве среды использовали смесь CD3CN/CDCl3 (1:1 или 1:4), обеспечивающую растворение в необходимых для эксперимента количествах как каликсареновых производных, так и солей. В ходе исследований сравнивали спектры ЯМР 1H растворов каликсаренов и их равновесных смесей с перхлоратами металлов, взятыми в 10-кратном мольном избытке. Исследования, проведенные для бискаликсареновых молекулярных трубок, в которых один или оба каликсареновых макроцикла закреплены в конформации конус, показали, что для координации катиона цинка наиболее эффективным является триазольный сайт связывания, расположенный в молекулярной трубке, в которой оба каликсарена закреплены в конформации конус. Дополнительную стабилизацию при этом обеспечивают объемные пропильные группы, расположенные при фенольных кислородах каликсаренов, как в соединении 4. Для катиона серебра наиболее предпочтительным оказалось такое расположение триазольного сайта, при котором дополнительная стабилизация обеспечена ароматическими фенольными кольцами в каликсаренах, закрепленных в конформации 1,3-альтернат. При этом наибольшие изменения в спектрах ЯМР наблюдали для комплексов соединений 6, 7, 8, 9 и 11, в которых один или оба каликсарена находятся в конформации 1,3-альтернат. Для не содержащих дополнительные функциональные группы трех изомерных трискаликсареновых молекулярных трубок 20, 24 и 27 (рис. 8), в структуре которых присутствуют два триазольных рецепторных сайта, изучена способность образовывать комплексы в смесях с недостатком или с избытком ионов Ag+, взятых в виде соли AgClO4∙H2O. Рис. 8. Молекулярные трубки 20, 24 и 27, исследованные при образовании комплексов с ионами Ag+. В ходе исследований сравнивали спектры ЯМР 1H растворов каликсаренов и их равновесных смесей с перхлоратом серебра, взятым в количестве 0.5, 1, 2, и 10 экв по отношению к молекулярным трубкам. Проведенные исследования показали, что число и взаимное расположение рецепторных триазольных сайтов в молекулярных трубках в значительной степени влияют на их способность образовывать катионные комплексы. В спектрах ЯМР 1H трискаликсареновой молекулярной трубки 24 постепенное добавление соли серебра сопровождается уширением и смещением в слабое поле сигнала триазольных протонов, в то время как сигналы каликсареновых ароматических протонов оказываются смещенными практически без уширения (рис. 9). Рис. 9. Фрагменты спектров ЯМР 1H трис(каликсарена) 24 и его смесей с перхлоратом серебра ; красным выделен сигнал триазольных протонов; CDCl3/CD3CN (4:1), 400 МГц. При этом, даже при добавлении 0.5 экв Ag+ не происходит увеличения числа сигналов в спектре, что происходило бы при прочном связывании катиона в одном из бистриазольных рецепторных сайтов соединения 24 и, соответственно, понижении симметрии молекулы трис(каликсарена). Вероятно, при добавлении перхлората серебра происходит образование смеси свободного трис(каликсарена) 24, и его одно- и двуядерных комплексов, находящихся в динамическом равновесии, причем в одноядерном комплексе оказываются возможными быстрые в шкале времени ЯМР перемещения катиона из одного бистриазольного рецепторного сайта в другой. Данные масс-спектра смеси молекулярной трубки 24 с избытком перхлората серебра подтверждают образование как одно (m/z 1976.7916 [M+Ag]+ для C116H116AgN12O12 (1976.7915)), так и двуядерного (1042.3468 [M+2Ag]2+ для C116H116Ag2N12O12 (1042.3462)) комплексов. В отличие от трис(каликсарена) 24, добавление перхлората серебра к раствору симметричной молекулярной трубки 20, в которой два бистриазольных рецепторных сайта расположены дальше друг от друга, сопровождается уширением не только сигнала триазольных протонов, но также и сигналов ароматических протонов одного из каликсареновых макроциклов, образующих молекулярную трубку (рис. 10). Примечательно, что добавление в раствор больших избытков Ag+ приводит к частичному восстановлению «острой» формы этих сигналов. Как и в случае молекулярной трубки 24, полученные спектры могут соответствовать равновесной смеси соединения 20 и его одно- и двуядерных серебряных комплексов, что подтверждают данные масс-спектра смеси молекулярной трубки и избытка перхлората серебра (комплекс 20∙Ag+: m/z 1976.7903 [M+Ag]+ для C116H116AgN12O12 (1976.7915), комплекс 20∙2Ag+: 1042.3466 [M+2Ag]2+ для C116H116Ag2N12O12 (1042.3462)). Рис. 10. Фрагменты спектров ЯМР 1H трис(каликсарена) 20 и его смесей с перхлоратом серебра ; красным выделен сигнал триазольных протонов, зеленым – уширяющиеся сигналы каликсареновых ароматических протонов; CDCl3/CD3CN (4:1), 400 МГц. При добавлении перхлората серебра к раствору молекулярной трубки 27, в которой все три каликсареновых макроцикла содержат разные пáры заместителей, происходит уширение и смещение обоих сигналов триазольных протонов (рис. 11), однако среди шести наборов сигналов каликсареновых ароматических протонов уширению при образовании одноядерного комплекса 27∙Ag+ (m/z 1976.7902 [M+Ag]+ для C116H116AgN12O12 (1976.7915)) с последующим частичным восстановлением формы при образовании двуядерного комплекса 27∙2Ag+ (m/z 1042.3465 [M+2Ag]2+ для C116H116Ag2N12O12 (1042.3462)) оказываются подвержены только один дублет и триплет. Рис. 11. Фрагменты спектров ЯМР 1H трис(каликсарена) 27 и его смесей с перхлоратом серебра; красным выделен сигнал триазольных протонов, зеленым – уширяющиеся сигналы каликсареновых ароматических протонов; CDCl3/CD3CN (4:1), 400 МГц. В отличие от трис(каликсаренов) 24 и 20, два рецепторных сайта в молекулярной трубке 27 различны, и наблюдаемое в спектрах ЯМР 1H уширение сигналов только одной пары каликсареновых ароматических протонов могло бы свидетельствовать о предпочтительном связывании иона Ag+ только в одном из бистриазольных рецепторных сайтов молекулы. Однако, квантово-химическое моделирование структур двух одноядерных комплексов 24∙Ag+ не выявило значимых различий в их устойчивости (разница полных электронных энергий < 1 ккал/моль), что указывает на почти одинаковые вероятности их образования. Кроме того, наблюдаемое в спектрах уширение и смещение затрагивают не один, а оба сигнала триазольных протонов соединения 27, что указывает на участие обоих триазольных рецепторных сайтов в стабилизации катиона Ag+ даже при недостатке перхлората серебра в растворе. Таким образом, уширение сигналов каликсареновых ароматических протонов в спектре ЯМР 1H молекулярной трубки 27 при добавлении в раствор перхлората серебра, как и в случае трис(каликсарена) 20, свидетельствует о перемещениях катиона между двумя рецепторными сайтами молекулы. Наиболее вероятно, такие перемещения происходят внутримолекулярно и сопровождаются разными структурными изменениями в несимметричном центральном каликсареновом макроцикле при вхождении в него катиона с 1-R-4-триазолилметилированной или 4-R-1 триазолилэтилированной «стороны». Трискаликсареновые трубки 29, 32 и 33, которые являются структурными аналогами соединения 27, но содержат в составе еще и дополнительные краунэфирные фрагменты, способные эффективно связывать катионы калия, были исследованы в качестве гетерополитопных рецепторов при взаимодействии с катионами серебра и калия (рис. 12). Рис. 12. Молекулярные трубки 29, 32 и 33, исследованные в качестве гетерополитопных рецепторов при образовании комплексов с ионами K+ и Ag+. При добавлении избытка твердого перхлората калия к раствору трис(каликсарена) 29 (CDCl3/CD3CN 4:1) в спектре ЯМР 1H происходили ожидаемые изменения положений практически всех сигналов, однако сильнее всего были смещены сигналы, отвечающие протонам краунэфирного фрагмента, при этом уширения сигналов не происходило, в том числе и тех, которые соответствуют триазольным протонам (рис. 13а). Наблюдаемые изменения соответствуют образованию комплекса 29∙K+, в котором катионы калия локализованы в полости краун[5]эфирного фрагмента молекулы. Когда к раствору трубки 29 прибавляли 1 экв AgClO4, то спектр ЯМР 1H полученного комплекса оказался очень похожим на спектр серебряного комплекса некраунированного аналога 27∙Ag+. При этом положения и форма сигналов, отвечающих протонам краунэфирного фрагмента, практически не изменились, в то время как, сигналы протонов триазольных гетероциклов оказались сильно уширенными и смещенными в слабое поле, что соответствует образованию комплекса 29∙Ag+, в котором катион серебра связан триазольными сайтами. Кроме того некоторые сигналы из набора шести дублетов и шести триплетов, соответствующих протонам ароматической системы каликсаренов, оказались значительно уширены, что может происходить вследствие миграции катиона серебра между двумя различными триазольными сайтами связывания в комплексе 29∙Ag+. Добавление избытка перхлората калия к раствору комплекса 29∙Ag+ не приводило к восстановлению формы или положений уширенных сигналов протонов, принадлежащих триазольным группам и каликсареновым ароматическим фрагментам. Наибольшие изменения в спектре наблюдали в области протонов метиленовых групп краунэфирного фрагмента, что подтверждает связывание катиона калия комплексом 29∙Ag+. Причем, в новом дикатионном комплексе 29∙Ag+∙K+ катион серебра не локализован строго в каком-то одном из двух триазольных сайтов, а продолжает осциллировать между ними. Рис. 13. Фрагменты спектров ЯМР 1H трис(каликсаренов) 29 (а), 32 (б) и 33 (в) при добавлении 1 экв перхлората серебра и/или избытка перхлората калия; красным выделен сигнал триазольных протонов, зеленым – уширяющиеся сигналы каликсареновых ароматических протонов; CDCl3/CD3CN (4:1), 400 МГц. Трис(каликсареновая) молекулярная трубка 32, в которой один из триазольных сайтов расположен гораздо ближе к краунэфирному фрагменту, чем в изомерной трубке 29, проявляет схожее поведение при связывании катионов калия или серебра по отдельности. Изменения в спектрах одноядерных комплексов 32∙Ag+ и 32∙K+ аналогичны таковым в случае соединения 29, что говорит о связывании калия краунэфирной частью молекулы, а серебра – одним из триазольных сайтов, причем уширение сразу двух сигналов триазольных протонов свидетельствует о возможной осцилляции катиона серебра между триазольными сайтами (рис. 13б). Однако, при добавлении избытка перхлората калия к раствору комплекса 32∙Ag+ вид спектра сильно отличался от спектра двуядерного комплекса изомерной трубки 29∙Ag+∙K+. Сигналы, отвечающие ароматическим протонам фенольных колец каликсаренов, вновь становились хорошо разрешенными, но при этом сильно смещенными. Более того, один из двух сигналов протонов триазолов оставался сильно уширен, а второй становился острым и смещенным в сильное поле. Такое наблюдение, во-первых, подтверждает образование двуядерного комплекса 32∙Ag+∙K+ и, во-вторых, доказывает, что катион серебра локализован только в одном триазольном сайте, наиболее удаленном от краунэфирного фрагмента. Причем, в комплексе такого типа становятся невозможными осцилляции катиона Ag+ между двумя триазольными сайтами. При проведении аналогичной серии экспериментов для молекулярной трубки 33, содержащей в молекуле два краунэфирных и два триазольных сайта связывания, было установлено, что при добавлении избытка перхлората калия к раствору трис(каликсарена) 33 после установления равновесия в системе образуется двуядерный калиевый комплекс. При добавлении 1 экв катионов Ag+ уширение и смещение соответствующих сигналов протонов триазольных групп и ароматических колец каликсарена свидетельствовало об образовании комплекса 33∙Ag+, для которого характерны осцилляции катиона серебра между триазольными сайтами (рис. 14в). Однако, при добавлении избытка K+ к раствору комплекса 30∙Ag+ наблюдали, как и в случае с соединением 32, один четкий сигнал протонов триазолов, не связывающих катион серебра, а также набор разрешенных дублетов и триплетов, отвечающих ароматическим протонам каликсаренов. Таким образом, соединение 33 способно образовать гетеротриядерный комплекс состава 33∙Ag+∙2K+, в котором катион серебра локализован только в том триазольным сайтом, который расположен ближе к «центральному» каликсареновому макроциклу, и перемещения катиона серебра между сайтами, как и в случае трубки 32, становятся невозможными. Таким образом, при связывании катионов серебра и калия бис- и трискаликсареновыми трубками выявлены способности полученных соединений к образованию полигетероядерных комплексов или к управляемому перемещению катиона серебра внутри молекулярной трубки в зависимости от взаимного расположения различных сайтов связывания внутри трубок. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".