ИСТИНА

Основной движущей силой современной химической науки является необходимость создания новых функциональных соединений и материалов, обладающих полезными свойствами. Потребности современного общества тесно связаны, в частности, с развитием систем получения и передачи информации, преобразования различных видов энергии, с разработкой новых материалов для сенсорных устройств. Удовлетворение этих потребностей во многом ограничено имеющимися способами создания (супра)молекулярных систем с прогнозируемыми и настраиваемыми свойствами, развитие которых составляет одну из фундаментальных проблем современной органической супрамолекулярной химии. Настоящий Проект посвящен разработке способов синтеза широкой серии полифункциональных органических молекул на основе каликсаренов с 1,3-дикарбонильными группами и получению на их основе люминесцентных комплексов ионов лантаноидов и наночастиц, перспективных для использования в биомедицинских приложениях, в частности – для получения информации об изменениях температуры в микро- и нанометровом масштабе, вызванных протеканием биохимических процессов на клеточном уровне.

The main driving force is modern chemical science is the preparation of novel functional compounds and useful materials. Demands of modern society are closely related to the development of systems for receiving and transmitting information, converting various types of energy, and developing new materials for sensor devices. Particularly, the development of markers and sensors that are very actual in bioanalysis and medicine needs the compounds possessing luminescent properties. Lanthanide complexes are especially attractive as such the luminescent compounds, as they have intense and characteristic lines in their emission spectra. At the same time, the choice of a ligand, which acts as an “antenna” for the lanthanide ion, is crucial, as the ligand is responsible for luminescent emission intensity and its thermal sensitivity, lifetimes of the excited state, as well as for the photo- and thermal stability of the luminophores. In this regard, the main task of the Project is to develop a synthetic strategy for a new generation of antenna ligands possesing predictable properties to create highly efficient luminescent complexes and nanoparticles based on them. To achieve it, it is proposed to develop methods for the synthesis of a wide series of new poly(1,3-diketone) ligands on the calixarene platform. 1,3-Diketones are well-known antennas for sensitizing lanthanide luminescence, while calixarenes are convenient molecular platforms for the design of various multifunctional molecules. Reasonably, the spatial preorganization of several 1,3-diketogroups on the calixarene platform will not only enhance the luminescent properties of the lanthanide complexes, but can also be used as an additional tool to manage them. For the novel calixarene ligands, their ability to form luminescent complexes with lanthanide ions (Tb3 +, Eu3 +, Yb3 +, etc.) will be studied, and the composition of the complexes and their photophysical properties will be determined. This is expected to reveal the influence of structural factors (type of calixarene platform and its conformation, mutual arrangement of 1,3-diketogroups on a macrocyclic platform, the presence of donor and acceptor substituents in 1,3-diketogroups, additional receptor groups or sites, etc.) onto the spectral and luminescent properties of the complexes. The Project also intends to investigate the temperature dependence of luminescence for complexes with new calixarene ligands and evaluate the possibility of their application in molecular thermometry, in particular, for non-invasive and non-contact control of intracellular temperature changes in the range of physiological temperatures and in the development of alternative methods of antitumor therapy. The obtained calixarenes and their lanthanide complexes will be used for the preparation of more complex supramolecular structures, which are biocompatible and colloidally stable hydrophilic nanoparticles. Development of the synthetic approaches to novel 1,3-dicarbonyl-containing calixarenes, as well as the comprehensive systematic study of the structure of the ligands, the composition and photophysical properties of their lanthanide complexes and nanoparticles based on them, will create the scientific basis for the design of optimal ligands and the production of luminescent complexes and nanoparticles possessing predictable properties. The comprehensive studies planned in the Project correspond to the advanced directions of the world science in the field of supramolecular chemistry, and the expected results can also be used in organic, coordination and analytical chemistry, materials science, and in bioapplications.

– Будет разработан общий подход к синтезу каликсареновых 1,3-дикетонов новых типов, в которых дикарбонильные заместители закреплены на макроциклической платформе посредством одной из карбонильных групп. – Будет получена широкая серия каликсареновых и тиакаликсареновых лигандов новых типов, предорганизованных в стереоизомерных формах конус и 1,3-альтернат, содержащих 1,3-дикетогруппы в составе заместителей при фенольных атомах кислорода или в п-положениях к ним. – Будут получены новые каликсареновые лиганды со сложными рецепторными сайтами, образованными фрагментами 1,3-дикетонов одновременно с карбамоилметилфосфиноксидными группами или триазольными гетероциклами, а также гетеродитопные 1,3-дикетонсодержащие каликсарены. – Будет исследована способность синтезированных 1,3-дикетонов образовывать комплексы с ионами лантаноидов, определены состав, структуры комплексов и их фотофизические характеристики. – Будут установлены общие закономерности сенсибилизации f-люминесценции лантаноидов синтезированными макроциклическими лигандами: влияние типа макроциклической платформы, ее стереоизомерной формы, способа закрепления 1,3-дикетогрупп, дополнительных рецепторных групп и т.п. на люминесцентные свойства комплексов с ионами лантаноидов. – Будет установлено влияние температуры в физиологическом диапазоне (20–50°C) на интенсивность и время жизни люминесценции лантаноидных комплексов, определены коэффициенты термочувствительности, проанализировано влияние структурных факторов на эти свойства, выявлены соединения-лидеры для использования в молекулярной термометрии. – Будет разработана и оптимизирована методика получения полиэлектролитных наночастиц «ядро-оболочка» на основе наиболее перспективных лантаноидных комплексов новых каликсареновых 1,3-дикетонов. – Будет проведена количественная оценка размера наночастиц и электрокинетического потенциала, будут получены сведения о коллоидной устойчивости частиц и их люминесцентных характеристиках, включая термочувствительность. Как ожидается, впервые синтезированные в Проекте соединения расширят библиотеку макроциклических лигандов, полученные комплексы обогатят химию координационных соединений лантаноидов, что представляет собой фундаментальную значимость Проекта. Выявленные за время выполнения Проекта закономерности позволят выработать рекомендации для дальнейшего развития химии и рационального дизайна поли(1,3-дикетонов), металлокомплексов и наночастиц на их основе. Высокие функциональные, а именно фотофизические характеристики, в частности – термосенсорные свойства, которые впервые планируется исследовать для макроциклических комплексов с ионами лантаноидов, являются предпосылкой использования полученных комплексов для целей биовизуализации, биосенсорики и в качестве тераностических агентов (фототермальная и фотодинамическая терапия). Разработанный способ перевода нерастворимых в воде комплексов в гидрофильные коллоиды будет, как ожидается, способствовать созданию новых наноматериалов, полезных для практического применения.

В ходе исследований, ранее проведенных участниками коллектива авторов Проекта, осуществлен синтез и изучены свойства широкой серии макроциклических соединений каликс[4]аренового ряда («классических» каликсаренов, тиакаликс[4]аренов, каликс[4]резорцинаренов) с предорганизованными на единой молекулярной платформе фрагментами амидов, ацилгидразидов, карбамоилметилфосфиноксидов, мочевин, бисиндолов, триазолов и дикетонов. Синтезированы и изучены каликсареновые олигомакроциклические соединения (ковалентно и нековалентно связанные бис(каликсарены), каликсареновые мостиковые производные), детально исследованы особенности строения таких соединений и их конформационной динамики. Получены гетеродитопные рецепторные молекулы, способные образовывать двуядерные комплексы с одно- и разноименно заряженными ионными субстратами. Созданные рецепторные молекулы проявили свойства эффективных комплексонов и люминесцентных молекулярных сенсоров для катионов щелочных, тяжелых и переходных металлов, включая ионы лантаноидов и актиноидов, а также различных органических и неорганических анионов. Участники коллектива авторов Проекта имеют большой опыт в исследовании спектральных характеристик комплексов лантаноидов. Так, в частности, по единой методике в одинаковых концентрационных и температурных условиях в растворах ДМФА были установлены УФ-спектральные характеристики, триплетные уровни лигандов в комплексах лантаноидов, сопоставлена интенсивность люминесценции различных лигандов в комплексах одного состава, выявлено влияние заместителей на люминесцентные свойства.

В реакциях п-хлорметилированных каликсаренов, содержащих алкильные заместители разной длины при фенольных атомах кислорода, с ацетилацетонатом натрия осуществлен синтез новых каликсареновых тетра- и бис(1,3-дикетонов) в стереоизомерной форме 1,3-альтернат, в которых дикарбонильные группы связаны с молекулярной платформой посредством C(2)-атомов. С использованием ацилирования магниевых енолятов ацетофенонов 1-ацилбензотриазолами разработан подход к получению каликсареновых 1,3-дикетонов, в которых дикарбонильные группы связаны с макроциклической платформой посредством C(1)-атомов. Получена широкая серия (тиа)каликсареновых 1,3-дикетонов этого типа в стереоизомерных формах конус и 1,3-альтернат, в которых дикарбонильные заместители закреплены в п-положениях фенольных фрагментов или у атомов кислорода посредством метиленовых или пропиленовых линкеров. Детально исследованы особенности дикетонового синтеза с использованием каликсареновых субстратов разного строения, получены гибридные производные, содержащие наряду с дикетоновыми также и другие функциональные/рецепторные группы. Разработан альтернативный подход к получению каликсаренов, в которых дикетогруппы закреплены в п-положениях ароматических фрагментов макроцикла посредством С(1)-атомов, состоящий в прямом ацилировании п-ацетилкаликсаренов карбоновыми кислотами в среде трифторуксусного ангидрида в присутствии Et2O•BF3. Всего в ходе реализации Проекта получены и охарактеризованы (в том числе данными РСА) более 40 новых дикарбонильных производных (тиа)каликсаренов разных типов, исследованы составы смесей таутомеров этих соединений в растворах, показано преобладание енольной формы в большинстве случаев. В растворах некоторых каликсареновых дикетонов обнаружены также неканонические енольные формы, в которых енольная группа OH стабилизирована водородной связью с атомами кислорода макроцикла. Установлено, что каликс[4]арены с C(2)-закрепленными дикетогруппами образуют устойчивые комплексы с ионами Ln3+. Низкая скорость образования комплексов с лигандами этого типа обусловлена невысоким содержанием енольной формы и медленной кето-енольной трансформацией лигандов. Исследование свойств лигандов другого типа – каликс[4]аренов с C(1)-закрепленными дикето-фрагментами при фенольных атомах кислорода – показало, что образование комплексов происходит значительно быстрее, благодаря доминированию енольной формы дикетонов для соединений этого типа. Существенное отличие наблюдалось и в УФ-спектральных и люминесцентных свойствах каликсареновых лигандов этих двух типов. Состав Ln3+-комплексов каликс[4]аренов с C(2)-закрепленными дикетогруппами зависит как от изомерной формы лиганда, так и от заместителей при фенольных атомах кислорода. Так, конус-1,3-дикетоны этого типа образуют комплексы состава 1:1, а в случае 1,3-альтернат-лиганда преобладают димерные комплексы (2:2). Образование Ln3+-комплексов каликс[4]аренов с C(1)-закрепленными дикетогруппами сопровождается их депротонированием и формированием в растворах ДМФА преимущественно (65–88%) димерных структур. Для гибридных лигандов, содержащих в структурах дикарбонильные и триазольные рецепторные фрагменты, связывание Eu3+ приводит к образованию преимущественно комплексов 1:1 в случае 1,3-альтерант-каликсарена, в то время как в случае конус-каликсарена образуются билигандный (2:1) и димерный (2:2) комплексы с необычно медленным лигандным обменом между ними. Для лантаноидных комплексов каликсареновых 1,3-дикетонов в растворах определены люминесцентные свойства и фотофизические параметры (интенсивность и средние времена жизни люминесценции, энергии триплетных состояний лигандов в комплексах, термочувствительность). Показано, что C(2)-закрепленные каликсареновые 1,3-дикетоны эффективно сенсибилизируют Tb3+-люминесценцию, но не сенсибилизируют Eu3+, в то время как лиганды с C(1)-закрепленными арил-1,3-дикетогруппами, наоборот, эффективны при сенсибилизации люминесценции Eu3+ и Sm3+. Исследование термозависимых свойств комплексов показало, что 1,3-альтернат каликс[4]арен, содержащий четыре дикетогруппы в п-положениях фенольных фрагментов и бутильные заместители при фенольных атомах кислорода, является лидером среди изученных соединений по температурной чувствительности зеленой Tb3+-люминесценции. Рекордная термозависимая Eu3+-люминесценция была установлена для комплексов лигандов, в которых дикетогруппы закреплены на каликсареновой платформе через C(1)-атомы посредством пропиленовых линкеров (до 8.32 %/K при 35 °C), в литературе имеются единичные примеры соединений, проявляющих столь высокую температурную чувствительность в диапазоне 20 – 50 °C. Полученные данные свидетельствуют о том, что совместное введение комплексов Eu3+ и Sm3+ с исследованными лигандами в какой-либо материал может быть использовано для создания люминесцентных ратиометрических термометров, работающих в диапазоне физиологических температур. Лантаноидные комплексы каликсареновых 1,3-дикетонов были переведены в состав гидрофильных коллоидов с использованием метода замены растворителя. Варьирование экспериментальных условий и оптимизация методики позволили получить наночастицы, характеризующиеся низким гидродинамическим диаметром и дисперсией по размерам. Исследование методов ПЭМ высушенных коллоидов показало, что для всех частиц характерно образование нанодисперсных структур сферической или червеобразной формы в зависимости от структуры каликсаренового лиганда. Проведено детальное исследование фотофизических свойств полученных водных коллоидов, для наночастиц каждого вида получены спектры возбуждения и эмиссии, определены времена жизни возбужденного состояния. Наличие интенсивных полос в зеленом и красном диапазонах электромагнитного спектра для, соответственно, тербиевых комплексов и комплексов европия и самария послужило основой для создания методик определения глифосата при весьма низком пределе обнаружения. Установлено, что интенсивность люминесцентного отклика наночастиц, синтезированных из каликсареновых 1,3-дикетонатных комплексов европия и тербия, существенно меняется при изменении температуры в достаточно узком диапазоне физиологических температур. Получены образцы наночастиц со значениями относительной термочувствительности люминесценции сопоставимыми с лучшими литературными примерами (до 6.04 %/K). При конструировании люминесцентного термометра, наряду с классическим подходом варьирования лигандов для регулирования ширины энергетического зазора между триплетным уровнем лиганда и резонансным уровнем лантаноида, при создании гетеробиметаллического ратиометрического нанотермометра была впервые предложена фиксация триплетного уровня и варьирование резонансного уровня за счет замены лантаноида. Предложенный подход позволил получить высокочувствительный люминесцентный нанотермометр за счет комбинирования изоструктурных комплексов европия и самария в составе наночастицы в соотношении 1 к 8, соответственно. В свете потенциального биомедицинского применения полученных гидроколлоидов показана их низкая цитотоксичность по отношению к клеткам M-HeLa и Chang liver. Изображения, полученные с помощью люминесцентного микроскопа, свидетельствуют об эффективной интернализации наночастиц в состав клеток M-HeLa и о том, что наночастицы не проникают в ядро, локализуясь преимущественно в эндосомальном положении.