Исследование водорастворимых соединений на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена методом ЯМР диффузометрии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование водорастворимых соединений на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена методом ЯМР диффузометрии

Введение

Дифильные свойства разнообразных соединений определяют их тенденцию к самоассоциации в растворах, которая проявляется в образовании агрегатов, изменении площади контакта полярной или неполярной поверхности, приводящей к минимизации по отношению к жидкости противоположной полярности. Классическими представителями таких дифильных соединений являются мицеллообразующие поверхностно-активные вещества (ПАВ) [1]. Для мицеллообразующих ПАВ при определенной концентрации (ККМ) наблюдается кооперативный переход, когда на фоне свободных молекул формируются мицеллы практически одинакового размера, концентрация которых растет с увеличением концентрации ПАВ. В водной среде в результате действия противоположно направленных сил (гидрофобного взаимодействия углеводородных радикалов и отталкивания полярных головных групп) молекулы ПАВ образуют прямые мицеллы - сфероидальные ассоциаты, ядро которых сформировано углеводородными радикалами ПАВ, а полярные головные группы ориентированы к объемной фазе. Мицеллообразование ПАВ в водных растворах интенсивно исследуется экспериментально и теоретически [2-6], поскольку строение мицелл определяет их термодинамическую устойчивость, растворимость ПАВ и многие другие характеристики, определяю-щие многообразие практического использования растворов ПАВ [7-9].

В последние годы одним из приоритетных направлений в области супрамолекулярной и биомедицинской химии является дизайн синтетических рецепторных структур. Одними из наиболее перспективных для распознавания нуклеиновых кислот и белков являются рецепторные системы на основе полиаммонийных и полигуанидиниевых структур и п-трет-бутилтиакаликс[4]ареновой платформы, функционализированной по нижнему ободу [10-21].

Подобные соединения, как правило, имеют дифильное строение и склонны к самоассоциации (мицеллообразованию). Это позволяет, с одной стороны, увеличить их растворимость в водной среде и, с другой стороны, открывает перспективу направленного дизайна физико-химических и рецепторных свойств поверхности ассоциатов тиакаликсаренов.

Целью данной работы является исследование влияния пространственной конформации тиакаликсарена - 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(N-(3',3'-диметил-3'-{(это-ксикарбонилметил)амидокарбонилметил}аммонийпропил) карбамоилметокси]-2,8,14,20-тиа-каликс[4]арен тетрабромида - конус 1 и 1,3-альтернат 2 на его мицеллообразующие свойства и структуру мицелл.

Рис. 1. Структуры п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов 1 и 2

Для реализации поставленной цели нами использована спектроскопия ЯМР высокого разрешения. При анализе экспериментальных коэффициентов самодиффузии (КСД) использована модель «двух состояний», которая активно используется для растворов ПАВ [10, 11]. Согласно этой модели, молекулы ПАВ находятся либо в мономерной (свободной), либо в мицеллярной (связанной) формах. При концентрациях ниже ККМ молекулы в растворе присутствуют преимущественно в виде мономеров. Выше ККМ на фоне свободных молекул в системе формируются мицеллы, доля которых растет с увеличением концентрации ПАВ. В рамках модели двух состояний эффективный КСД ПАВ в растворах представляет средневзвешенную сумму вкладов диффузионной подвижности мономерной и мицеллярной форм ПАВ.

D = D_M + (1 - )D_m ,(1)

где D_M и D_m - КСД мицелл и свободных мономеров, соответственно, а - мольная доля мицелл.

При этом предполагается, что при концентрации ПАВ, не превышающей ККМ, все молекулы ПАВ находятся в мономерной форме. Выше ККМ в системе формируются мицеллы, но концентрация свободных молекул ПАВ сохраняется примерно постоянной на уровне ККМ. Математически это условие выглядит следующим образом:

(С) = 0 при С < ККМ(2)

(С) = 1 - ККМ/С при С ККМ,

где С - концентрация ПАВ в системе.

Экспериментальная часть

Объекты исследования.

Методика синтеза соединений 1 и 2. В круглодонной колбе, снабженной магнитной мешалкой и обратным холодильником, растворяли 0.2 г (0.15 ммоль) 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетра-[(N-(3',3'-диметиламинопропил)карбамоилметокси]-2,8,14,20-тиакаликс[4]арена в конфигура-циях конус или 1,3 альтернат, ранее синтезированных по методике [22], в 10 мл ацетонитрила и добавляли 0.60 ммоль этилового эфира N-бромацетил-глицина. Реакционную смесь кипятили в течение 10 часов. Раствор упаривали на роторном испарителе, остаток высушивали в вакууме над пентаоксидом фосфора.

5,11,17,23-Тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(N-(3',3'-диметил-3'-{(этоксикарбонил-метил)-амидокарбонилметил}аммонийпропил)карбамоилметокси]-2,8,14,20-тиакаликс[4]арена тетрабромид в конфигурации конус (1). Выход: 0.34 г (95%), Т.пл. 114 °С. Спектр ЯМР ¹Н (СDСl₃, , м.д., J/Гц): 1.12 (с, 36H, (CH₃)₃C), 1.27 (т, ³J_HH = 7.1 Гц, 12H, CH₃CH₂O-), 2.32 (м, 8H, NHCH₂CH₂CH₂N⁺), 3.51 (с, 12Н, (CH₃)₂N⁺), 3.55 (м, 8H, NHCH₂CH₂CH₂N⁺), 4.01 (м, 8H, NHCH₂CH₂CH₂N⁺), 4.02 (д, ³J_HH = 5.8 Гц, 8H, NHCH₂СО), 4.16 (кв, ³J_HH = 7.1 Гц, 8H, CH₃CH₂O-), 4.70 (с, 8H, N⁺CH₂CO), 5.03 (с, 8H, OCH₂CO), 7.36 (с, 8Н, ArH), 8.68 (уш.с, 4Н, NHCH₂CH₂CH₂N⁺), 9.28 (т, ³J_HH = 5.8 Гц, NHСН₂СО). Спектр ЯМР ¹³С (СDСl₃, , м.д.): 169.11, 168.94, 163.71, 157.80, 147.70, 134.91, 128.13, 74.43, 65.32, 63.20, 61.47, 51.85, 41.23, 36.19, 34.31, 31.08, 23.17, 14.16. Элементный анализ: Вычислено: C 50.55%, H 6.64%, N 7.69%, S 5.87%. C₉₂H₁₄₄Br₄N₁₂O₂₀S₄. Найдено: C 50.11%, H 6.90%, N 7.38%, S 6.00%. Масс-спектр ESI: Вычислено: 1012.9 [M - 2 Br^-]²⁺, 648.7 [M - 3 Br^-]³⁺, 466.6 [M - 4 Br^-]⁴⁺, Найдено: 1012.9 [M - 2 Br^-]²⁺, 649.0 [M - 3 Br^-]³⁺, 466.5 [M - 4 Br^-]⁴⁺_. ИК-спектр: 1199 (СОС), 1675 (С=О), 2960, 3331 (N-H).

5,11,17,23-Тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(N-(3',3'-диметил-3'-{(этоксикарбонил-метил)-амидокарбонилметил}аммонийпропил)карбамоилметокси]-2,8,14,20-тиакаликс[4]арена тетрабромид в конфигурации 1,3-альтернат (2). Выход: 0.34 г (93%), Т.пл. 112 °С. Спектр ЯМР ¹Н (DMSO-d_6, , м.д., J/Гц): 1.18 (т, ³J_HH = 7.1 Гц, 12H, CH₃CH₂O-), 1.20 (с, 36H, (CH₃)₃C), 1.93 (м, 8H, NHCH₂CH₂CH₂N⁺), 3.18 (м, 8H, NHCH₂CH₂CH₂N⁺), 3.21 (с, 12Н, (CH₃)₂N⁺), 3.52 (м, 8H, NHCH₂CH₂CH₂N⁺), 3.94 (д, ³J_HH = 5.8 Гц, 8H, NHCH₂СО), 3.99 (с, 8H, OCH₂CO), 4.10 (кв, ³J_HH = 7.1 Гц, 8H, CH₃CH₂O-), 4.16 (с, 8H, N⁺CH₂CO), 7.60 (с, 8Н, ArH), 8.04 (уш.с, 4Н, NHCH₂CH₂CH₂N⁺), 9.08 (т, ³J_HH = 5.8 Гц, 4Н, NHСН₂СО). Спектр ЯМР ¹³С (СDСl₃, , м.д.): 168.96, 163.15, 155.94, 147.57, 130.02, 128.24, 69.59, 64.45, 63.42, 61.54, 52.62, 41.10, 36.94, 34.42, 31.52, 29.70, 23.32, 14.16. Элементный анализ: Вычислено: C 50.55%, H 6.64%, Br 14.62%, N 7.69%, S 5.87%. C₉₂H₁₄₄Br₄N₁₂O₂₀S₄. Найдено: C 50.90%, H 6.27%, Br 14.57%, N 7.12%, S 5.94%. Масс-спектр ESI: Вычислено: 1012.9 [M - 2 Br^-]²⁺, 648.7 [M - 3 Br^-]³⁺, 466.6 [M - 4 Br^-]⁴⁺, Найдено: 1013.0 [M - 2 Br^-]²⁺, 649.0 [M - 3 Br^-]³⁺, 466.6 [M - 4 Br^-]⁴⁺. ИК-спектр: 1199 (СОС), 1677 (С=О), 2959, 3202 (N-H).

Для приготовления растворов применяли дистиллированную воду, очищенную с помощью системы Milli Q. Содержание ПАВ варьировали в интервале от 0.1 до 50 мМ. Все измерения проводили при температуре 30 °С.

Диффузионные измерения. Измерения коэффициентов самодиффузии (КСД) тиакаликсаренов выполнены на спектрометре ЯМР AVANCE («Bruker», Германия) с датчиком BBO 5mm, оснащенным градиентной катушкой. Для измерения КСД использована импульсная последовательность “cтимулированное эхо” с биполярными градиентами. Измерения КСД проведены на ядрах протонов ¹Н (400.13 МГц). Градиент магнитного поля в экспериментах изменяли в интервале от 0 до 0.5 Тл•м^-1 при постоянном времени диффузии и длительности импульсов градиента магнитного поля. Использовалась синусоидальная форма градиентного импульса. Диффузионные затухания обрабатывались по сигналам от протонов трет-бутильного фрагмента с использованием программы Topspin, входящей стандартную комплектацию ЯМР спектрометра.

Результаты и их обсуждение

На рис. 2 приведены полученные данные по самодиффузии исследуемых тиакаликс-аренов 1 и 2. Из представленных концентрационных зависимостей видно, что мицеллизация тиакаликсарена в конформации конус соответствует переходу мономермицелла классических мицеллообразующих ПАВ [2, 10, 11]. Компьютерная минимизация экспериментальных данных для этого соединения позволила определить для тиакаликсарена 1 ККМ (3.0 мМ) и КСД мономеров D_m = 2.95·10^-10 м²с^-1 и мицелл D_M = 0.95·10^-10 м²с^-1. По значениям D_m и D_M с использованием соотношения Стокса-Эйнштейна определены средние гидродинамические радиусы мономеров 0.92 нм и мицелл 2.9 нм.

Принципиально другой характер ассоциации демонстрирует соединение 2 (конформация 1,3-альтернат) (рис. 2). В концентрационном интервале 0.1-10 мМ наблюдается относительно плавное изменение КСД, а начиная с 50 мМ тиакаликсарен 2 агрегирует и выпадает в осадок. Изменение КСД в указанном диапазоне концентраций соответствует плавному увели-чению среднего гидродинамического объема ассоциатов (рис. 3), достигающего при 20 мМ объема димера 2, с дальнейшим резким увеличением размера ассоциатов и образованием осадка.

Рис. 2. Концентрационные зависимости КСД соединений 1 (квадраты) и 2 (кружки). Сплошная линия - результат минимизации экспериментальных данных для 1 по уравнениям (1) и (2).

Рис. 3. Концентрационные изменения среднего гидродинамического объема V соединения 2. V₀ - объем мономера 2.

Заключение

тиакаликсарен конформация мицеллообразование

Проведенные исследования показали, что процесс мицеллобразования тиакаликсаренов зависит от их пространственной конфигурации. Методом ЯМР диффузометрии продемонстрирован различный характер концентрационной зависимости диффузионной подвижности для конфигураций конус и 1,3-альтернат тиакаликсарена - 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27, 28-тетракис[(N-(3',3'-диметил-3'-{(этоксикарбонилметил)амидокарбонилметил}аммонийпро-пил)карбамоилметокси]-2,8,14,20-тиакаликс[4]арен тетрабромида.

Выводы

1. Показано, что процесс самоассоциации тиакаликсаренов критическим образом зависит от их пространственной конфигурации.

2. Мицеллообразование каликсарена - 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(N-(3',3'-диметил-3'-{(этоксикарбонилметил)амидокарбонилметил}аммонийпропил)карбамо-илметокси]-2,8,14,20-тиакаликс[4]арен тетрабромида в конфигурации конус происходит по механизму характерному для классических мицеллообразующих ПАВ. Определено значе-ние концентраций и средние значения гидродинамических радиусов мономера и мицелл.

3. Для исследуемого тиакаликсарена конформации 1,3-альтернат наблюдалось отсутствие мицеллярного перехода и незначительное плавное увеличение среднего гидродинамического объема ассоциатов при концентрациях раствора до 20мМ. При более высоких концентрациях раствора происходило резкое увеличение размера ассоциатов с образованием осадка.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (15-29-01239 офи_м).

Литература

1. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ. СПб.: Химия. 1992. 280с.

2. Зуев Ю.Ф., Гнездилов О.И., Зуева О.С., Усьяров О.Г. Эффективные коэффициенты самодиффузии ионов в мицеллярных растворах додецилсульфата натрия. Коллоидный журнал. 2011. Т.73. С.43-49.

3. Идиятуллин Б.З., Потарикина К.С., Зуев Ю.Ф., Зуева О.С., Усьяров О.Г. Ассоциация додецилсульфата натрия в водных растворах по данным химического сдвига в спектрах H¹ ЯМР. Коллоидный журнал. 2013. Т.75. С.585-590.

4. Богданова Л.Р., Беневоленская Н.Н., Боровская А.О., Шарипова Э.А., Зуева О.С., Зуев Ю.Ф. Структура и солюбилизационные свойства водных растворов додецилсульфатов лития и натрия. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.35. №8. С.74-80.

5. C. Tanford. Thermodynamics of micelle formation: prediction of micelle size and size distribution. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 1974. Vol.71. P.1811_1815.

6. J. Israelachvili, D.J. Mitchell, B.W. Ninham. Theory of self-assembly of hydrocarbon amphiphiles into micelles and bilayers. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 2. 1976. Vol.72. P.1525-1568.

7. J. Texter. Reactions and synthesis in surfactant systems. New York: Dekker. 2001. 433p.

8. Мартинек К., Левашов А.В., Клячко Н.Л., Хмельницкий Ю.Л., Березин И.В. Мицеллярная энзимология. Биологические мембраны. 1985. Т.2. С.669-695.

9. Банзал В.К, Ша Д.О. Применение мицеллярных растворов для повышения нефтеотдачи скважин. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии. М.: Мир. 1980. С.63-87.

10. Зуев Ю.Ф., Курбанов Р.Х., Идиятуллин Б.З., Усьяров О.Г. Коллоидный журнал. 2007. Т.69. С.482-487.

11. O. Sцderman, P. Stilbs, W.S. Price. Concepts Magn. Reson. Part A. 2004. Vol.23. P.121.

12. O.I. Gnezdilov, Yu.F. Zuev, O.S. Zueva, K.S. Potarikina, O.G. Us'yarov. Self-Diffusion of ionic surfactants and counterions in premicellar and micellar solutions of sodium, lithium and cesium dodecyl sulfates as studied by NMR-diffusometry. Applied Magnetic Resonance. 2011. Vol.40. P.91-103.

13. Галухин А.В., Зайков Е.Н., Антипин И.С., Коновалов А.И., Ризванов И.Х., Стойков И.И. Синтез оснований Шиффа на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена в конформации 1,3-альтернат. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.31. №8. С.1-6.

14. Долгова Н.Н., Сорвин М.И., Янтемирова А.А., Стойков И.И., Белякова С.В., Евтюгин Г.А., Антипин И.С., Стойкова Е.Е., Будников Г.К. Твердоконтактные потенциометрические сенсоры на основе макроциклических лигандов для определения карбонат-ионов. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.28. №19. С.59-66.

15. Мостовая О.А., Галухин А.В., Антипин И.С., Коновалов А.И., Стойков И.И. Супрамолекулярный рецептор на основе олигоаммонийного производного п-трет-бутилтиакаликс[4]арена: взаимодействие с нуклеиновыми кислотами. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.28. №18. С.57-62.

16. Падня П.Л., Андрейко Е.А., Харисова А.З., Зуев Ю.Ф., Стойков И.И. Синтез новых водорастворимых производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих четвертичные аммонийные фрагменты. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. №5. C.1-10.

17. Галухин А.В., Носов Р.В., Мостовая О.А., Стойков И.И. Синтез поликарбоксилированных дендримеров на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена в конформации 1,3-альтернат. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.36. №10. С.37-42.

18. Вавилова А.А., Мостовая О.А., Носов Р.В., Ягармина А.Н., Стойков И.И. Синтез и флуоресцентные свойства 1,3-ди- и тетразамещенных по нижнему ободу тиакаликс[4]аренов, содержащих нафтильные фрагменты. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.32. №12. С.1-7.

19. Вавилова А.А., Мелёшина М.В., Горбачук В.В., Якимова Л.С., Стойков И.И. Синтез моно- и 1,3-дизамещенных по нижнему ободу тиакаликс[4]аренов, содержащих фотопереключаемый 4-амидоазобензольный фрагмент. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.31. №8. С.18-24.

20. Галухин А.В., Зайков Е.Н., Антипин И.С., Коновалов А.И., Ризванов И.Х., Стойков И.И. Синтез оснований Шиффа на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена в конформации 1,3-альтернат. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.31. №8. С.1-6.

21. Мостовая О.А., Галухин А.В., Антипин И.С., Коновалов А.И., Стойков И.И. Супрамолекулярный рецептор на основе олигоаммонийного производного п-трет-бутилтиакаликс[4]арена: взаимодействие с нуклеиновыми кислотами. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.28. №18. С.57-62.

22. E.A. Andreyko, P.L. Padnya, R.R. Daminova, I.I. Stoikov. Supramolecular “containers”: self-assembly and functionalization of thiacalix[4]arenes for recognition of amino- and dicarboxylic acids. RSC Adv. 2014. Vol.4. P.3556-3565.

Размещено на Allbest.ru