Молекулярные трубки на основе триазолсодержащих каликсареновНИР

Molecular tubes based on triazolated calixarenes

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# 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.

Прикрепленные к НИР результаты

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".