ИСТИНА

Настоящий Проект посвящен созданию мультифункциональных (супра)молекулярных систем на основе каликсаренов для использования их в качестве эффективных управляемых/переключаемых сенсоров для ионов переходных и тяжелых металлов. Актуальность проблемы определяется острой необходимостью решения задач, связанных с контролем загрязнения окружающей среды и разработкой эффективных каталитических систем. Ключевой особенностью создаваемых в Проекте мультифункциональных сенсорно-рецепторных систем, является их гетеро- или гомодитопная природа. Два и более ионофорных сайта, сформированные на единой молекулярной платформе, могут быть предназначены для связывания как одноименно, так и разноименно заряженных частиц, что позволяет использовать конформационные изменения молекулярной платформы и кулоновское отталкивание/притяжение заряженных фрагментов в качестве управляющих/регулирующих функций при дизайне молекулярных переключателей сенсоров и логических схем, тонкой настройке избирательности связывания ионных субстратов. В настоящем Проекте при конструировании новых рецепторных систем будет реализован «блочный подход», предполагающий сочетание различных ионофорных, сенсорных и «управляющих» групп на нижнем ободе каликс[4]аренов, закрепленных в конформациях конус и 1,3-альтернат. При создании ионофорных сайтов на каликсареновой платформе будут использованы бета-дикарбонильные, пиразольные, триазольные, пиридиновые и краун-эфирные группы; в качестве сенсорных групп – флуорофорные нафталиновые, пиреновые и 2,2’-бисиндольные группы; конформационное аллостерическое регулирование в рецепторах предполагается осуществлять с использованием 2,2’-бисиндольных мостиковых групп (регулирование при связывании аниона, вызывающем изменение угла между плоскостями индолов), краун-эфирных фрагментов (влияние на конформационную подвижность всей молекулы при связывании катионов щелочных металлов краун-эфирными фрагментами, а также кулоновское отталкивание между связанными катионами) и гибридных пиридин-триазольных рецепторных сайтов со связанными ионами Cu+/Cu2+ (электрохимическое окислительно-восстановительное регулирование, обусловленное различиями в координационном окружении ионов Cu+ и Cu2+).

This project is devoted to novel calixarene-based multifunctional (supra)molecular systems to use them as effective molecular switches/sensors for transition and heavy metal ions. The urgency of the projects is determined by issues related to environment pollution control and the development of efficient catalytic systems. A key feature of the receptor systems proposed in the project is their hetero- or homoditopic nature. Two or more ionophoric sites formed on a common molecular platform, can be designed to bind both ions with similar or opposite charges, which will allow to use the conformational changes in the molecular platform and the Coulomb interactions between the charged fragments to control the behavior of the receptors at the design of molecular switches, sensors and logic gates, fine-tuning the ion selectivity etc. In this project the design of the receptor systems will utilize the "building-block" approach, involving a combination of different ionophoric, sensory and controling groups at the lower rim of calix[4]arenes, fixed in cone or 1,3-alternate conformations. To create the ionophore sites at the calixarene platform the following groups will be used: beta-dicarbonyl, pyrazole, triazole, pyridine as well as the crown-ether linkers. Naphthalene, pyrene and 2,2'-bisindole groups will be used as the fluorescent sensory functions. To allow the allosteric regulation of the receptors the following fragments will be used: 2,2'-bisindole bridges (regulation through anion complexation changing the mutual orientation of the indole units), crown ether bridges (tuning the conformational flexibility of the molecule at binding the alkali metal cations by the crown ring, and the Coulomb repulsion between the bound cations), and hybrid pyridine-triazole binding sites targeted at Cu+/Cu2+ complexation (electrochemical redox regulation due to differences in the coordination environment of Cu+ and Cu2+).

Для каждого из исследовательских направлений ожидается получение следующих результатов по итогам выполнения всех этапов Проекта: Флуориметрические гетеродитопные рецепторы и сенсоры открытого типа: Будут выявлены катионофорная и сенсорная активность и селективность каликсареновых β-дикарбонил-содержащих рецепторов различного строения и гетеродитопных супрамолекулярных систем на их основе. Гетеродитопные рецепторы и сенсоры, содержащие мостиковые фрагменты: Будет выявлено влияние свободных и занятых катионом краун-эфирных связывающих центров на сенсорную активность и селективность каликсареновых β-дикарбонил-содержащих рецепторов; будет показана способность анионофорного 2,2’-бисиндольного мостикового фрагмента выполнять функцию конформационного регулятора свойств гетеротритопных каликсареновых сенсоров. Переключаемые медьсодержащие каликсареновые сенсоры: Будет показана возможность использования пары катионов Cu+/Cu2+ для окислительно-восстановительного конформационного регулирования в гибридных триазол-пиридиновых каликсареновых рецепторах. Кроме того, будут созданы регулируемые политопные рецепторы и сенсоры, содержащие Cu+/Cu2+ управляющий сайт. По итогам первого года выполнения Проекта ожидаются следующие результаты: 1. На основе каликс[4]аренов, содержащих в дистальных положениях нижнего обода два остатка хлорангидридов уксусной, масляной и валериановой кислот, будут оптимизированы условия получения соответствующих дикетонов в реакциях с ацетофеноном. Разработанные методики синтезов будут применены и для получения дикетонов в реакциях хлорангидридов с другими карбонильными соединениями. Каликс[4]арены, модифицированные на нижнем ободе двумя 2-аминоэтильными, 3-аминопропильными и 4-аминобутильными группами будут изучены в реакциях со смешанным ангидридом 2,4-бис(1-адамантил)ацетоуксусной и трифторуксусной кислот в качестве модельной реакции для получения кетоамидов. Рецепторные свойства полученных соединений будут изучены в отношении катионов меди, свинца, кадмия, цинка и др. методами спектрофотометрического титрования (константы устойчивости комплексов), ЯМР (установление возможной структуры комплексов) и с применением квантово-химических расчетов. 2. При взаимодействии каликс[4]аренов, содержащих на нижнем ободе две пропаргильные группы и два изомерных α-, β- и γ-пиколильных фрагмента (рис. 5), с бензилазидом, 1-азидометилнафталином и 1-азидопиреном в условиях катализируемого медью циклоприсоединения азидов к алкинам (CuAAC) будут получены соответствующие гибридные лиганды, содержащие на нижнем ободе одновременно триазольные и изомерные пиридиновые фрагменты. Ионофорная активность полученных соединений в отношении ионов меди(I) и меди(II) будет изучена флуориметрически (для нафталиновых и пиреновых производных). С использованием циклической вольтамперометрии будут исследованы электрохимические характеристики медных комплексов и возможность конформационного переключения в молекулах лигандов при окислении/восстановлении ионов меди в комплексах. 3. Будет осуществлено квантово-химическое моделирование процесса взаимного вращения индольных фрагментов в 2,2'-бисиндолах в присутствии хлорид, бромид, йодид, гидросульфат- и дигидрофосфат-анионов. С использованием полученных расчетных данных будут интерпретированы экспериментальные данные (флуориметрическое титрование) об анинофорной активности каликс[4]аренов, содержащих 2,2'-бисиндольные мостиковые группы на нижнем ободе. С привлечением данных спектров ЯМР таких анионных комплексов и их квантово-химического моделирования будут предложены оптимальные условия (расположение бисиндольного мостика на каликсареновой платформе, выбор аниона) для реализации процессов внутримолекулярного конформационного переключения в гетерополитопных каликсареновых рецепторах, содержащих 2,2’-бисиндольный фрагмент.

Научным заделом для выполнения Проекта являются результаты, полученные в лаборатории макроциклических рецепторов Химического факультета МГУ при проведении исследований по разработке методов синтеза и изучению свойств молекулярных рецепторов на основе каликсаренов. Синтезированы новые эффективные каликсареновые лиганды для ионов щелочных, щелочноземельных металлов, лантаноидов и актиноидов, рецепторы и сенсоры для анионов и эфиров аминокислот, получены комплексы включения с нейтральными соединениями, в том числе ароматическими. В лаборатории изучены следующие типы производных каликсаренов: функционализированные адамантилкаликсарены, молекулярные трубки на основе каликсаренов, флуоресцентные индол- и 2,2'-бисиндолсодержащие каликсарены, каликсарены с остатками дифенилфосфинилуксусной кислоты, каликсарены с фрагментами мочевин, пептидокаликсарены. Впервые разработаны методы частичного и исчерпывающего адамантилирования верхнего обода каликсаренов, способы получения сложных полифункциональных каликсаренов с использованием предварительно модифицированных производных (блочный синтез), найден эффективный способ введения в молекулы каликсаренов мостиковых групп при внутримолекулярной димеризации/циклизации индолсодержащих заместителей на нижнем ободе. Таким образом, в рамках исследований, проводимых в лаборатории, накоплен значительный опыт теоретической и экспериментальной исследовательской работы в области химии каликсаренов, необходимый для выполнения данного Проекта.

Разработаны подходы к получению молекулярных гомо- и гетеродитопных рецепторов новых типов на основе каликс[4]аренов в стереоизомерной форме 1,3 альтернат. - Предложены способы синтеза ранее не доступных каликс[4]аренов, закрепленных в конформации 1,3-альтернат и содержащих пары сложноэфирных, карбоксильных и пропаргильных групп в различных сочетаниях по разные стороны макроциклической платформы. - Продемонстрирована возможность создания триазольных, 2,2'-бисиндольных и β дикарбонильных производных каликс[4]аренов в стереоизомерной форме 1,3 альтернат, содержащих дополнительные функциональные/рецепторные группы. - Впервые осуществлен синтез каликсаренов, содержащих триазольные рецепторные сайты и 2,2'-бисиндольные или β-дикарбонильные ионофорные фрагменты по разные стороны макроциклической основы. - Предварительно показана способность каликсарена, содержащего одновременно фрагменты β-дикетонов и триазольные группы, связывать ионы переходных металлов разными рецепторными сайтами в зависимости от условий получения комплексов.