Синтез макроциклов с ароматическими фрагментами и их применение в детектировании катионов металлов

Дизайн и синтез молекулярных систем абиотической природы, способных распознавать различные молекулы или ионы, представляют значительный интерес в современной химии. Детектирование катионов металлов, например, применяется в таких областях, как диагностика и лечение заболеваний, клиническая токсикология, оценка техногенного загрязнения окружающей среды, контроль и утилизация промышленных отходов. Молекулярные сенсоры, основанные на обратимом изменении цвета или спектров флуоресценции в присутствии аналита (объекта детектирования) особенно привлекательны, поскольку они могут быть использованы для экспресс-анализа и в качестве основных компонентов при разработке тест-полосок, портативных оптоволоконных устройств, коммерческих индикаторов. Эти молекулы должны обеспечивать эффективное связывание субстрата, давать интенсивный отклик на это связывание и, по возможности, быть водорастворимыми, так как большинство прикладных случаев использования относится к водным растворам. Поскольку необходимо объединить эти свойства в одну молекулу, разработка оптимальных хемосенсоров — сложная синтетическая задача, которая обычно осуществляется с использованием многостадийных методик.

Структура хемосенсора включает две субъединицы, связанные ковалентно или с помощью спейсера, — рецепторную, отвечающую за селективное взаимодействие с аналитом, и сигнальную, обеспечивающую формирование отклика на это взаимодействие. В качестве ионофоров (рецепторов для катионов металлов) часто используются полидентантные лиганды линейного и циклического строения. Хромофоры и флуорофоры в подавляющем большинстве случаев представляют собой ароматические и гетероароматические фрагменты. Важным условием эффективности некоторых типов хемосенсоров является прямое связывание рецепторной и сигнальной групп, кроме того для спектрофотометрического и флуориметрического детектирования иногда полезно наличие в составе сигнальной субъединицы ароматической аминогруппы.

Палладий-катализируемое аминирование арилгалогенидов позволяет ковалентно связать полиаминовые или полиоксааминовые фрагменты и ароматические хромогенные и флуоресцентные группы, а при использовании дигалогенаренов и ос,"-диаминов — создавать макроциклические соединения. При этом возможность варьирования ароматических и гетероароматических фрагментов, размера макроцикла, природы и количества донорных атомов в нем открывает широкие перспективы для целенаправленного синтеза хемосенсоров. В связи с этим настоящая работа посвящена разработке простого и эффективного способа синтеза новых азоти кислородсодержащих макроциклов с использованием палладий-катализируемого аминирования дигалогенаренов, и исследованию их в детектировании ионов металлов.

Данная диссертационная работа посвящена разработке универсального метода синтеза азоти кислородсодержащих макроциклических и макробициклических соединений, включающих фрагменты дизамещенных нафталина, бифенила, 2,2'-бипиридила, с использованием палладий-катализируемого аминирования дигалогенаренов линейными дии полиаминами, изучению зависимости выходов макроциклов от природы исходных веществ и условий реакций, созданию водорастворимых лигандов на основе аминоантрахинонов, сравнению комплексообразования лигандов, содержащих полиазамакроциклы и линейные полиамины, с катионами тяжелых металлов, с целью выявления селективных комплексообразователей для создания хромогенных хемосенсоров.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Оптическое детектирование ионов металлов в растворах с помощью молекулярных детекторов.

5. ВЫВОДЫ.

1. С использованием палладий-катализируемого аминирования 2,7-дибромнафталина, 3,3'-дибромбифенила, 6,6'-дибром-2,2'-бипиридила линейными оксадиаминами и полиаминами синтезированы азоти кислородсодержащие макроциклы с выходами до 45%, установлена зависимость образования макроциклических мономеров, димеров и олигомеров от природы дагалогенаренов и длины цепи полиаминов.

2. Разработаны 2 альтернативных метода целенаправленного синтеза циклических димеров: через Л^У-бис (галогенарил)замещенные полиамины ичерез бис (полиамино)замещенные арены, установлено, что данные подходы дают различные результаты для производных различных дигалогенаренов и полиаминов, необходим индивидуальный подбор метода, в результате чего циклические димеры могут быть получены с выходами до 44%.

3. Найдены условия ЛУУу/УУУ-тетраарилирования оксадиаминов 2,7-дибромнафталином, с использованием полученных тетракис (бромнафтил)производных синтезированы макробициклические соединения, содержащие по 4 нафталиновых и по три оксадиаминовых фрагментапоказано, что большинство данных макробициклов существуют в виде двух региоизомеров.

4. Осуществлена модификация макроциклов на основе 2,7-диаминонафталина и 3,3-диаминобифенила изомерными бензилбромидами, полученные соединения введены в реакции палладий-катализируемого аминирования с линейными дии полиаминами, а также диазакраун-эфирами, в результате чего синтезированы макробии макротрициклические соединения с выходами до 35%, установлена зависимость выхода данных соединений от строения исходных Д (Аг'-бис (бромбензил)производных макроциклов и природы дии полиаминов.

5. Исследовано комплексообразование бипиридилсодержащих макроциклов с катионами РЬ2+, Си2+, Со2+, М2+, Аё+, Нё2+ с использованием спектрофотометрии, флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии ЯМР, методом РСА охарактеризован комплекс с.

6. На примере производных антрахинона продемонстрированы возможности палладий-катализируемого аминирования для разработки хемосенсоров и оптимизации их селективности. Используя данную реакцию, удается ковалентно связывать выбранную сигнальную группу с широким набором рецепторов линейного и циклического строения. Это позволяет осуществить быструю и эффективную проверку большого числа лигандов.

7. Разработан высокоселективный колориметрический хемосенсор для качественного и количественного определения ионов меди в воде при физиологическом значении рН. С его помощью возможно визуальное определение катионов меди при концентрациях более 0.4 м.д. в присутствии 13 других металлов. Минимальная концентрация определения катионов меди может быть снижена до 0.02 м.д. при использовании УФ-спектрофотометра.

8. Разработан селективный хемосенсор для визуального определения катионов свинца в воде при концентрациях, превышающих 1.3 м.д.

9. Комплексообразование катионов меди, свинца и кадмия с наиболее селективными хемосенсорами изучено методами спектрофотометрии, потенциометрии и спектроскопии ЯМР. Определены константы устойчивости комплексов и обсуждены причины, вызывающих изменение цвета растворов хемосенсоров при добавлении катионов металлов. Доказана ключевая роль депротонирования ароматической амино группы для изменения цвета аминоантрахинонов в присутствии катионов меди. Показано, что изменение цвета растворов аминоантрахиноновых сенсоров в присутствии ионов свинца связано в первую очередь с координацией ароматического атома азота ионом металла.