Исследование водорастворимых соединений на основе п-трет-бутилтиакаликс(4)арена методом диффузометрии ядерного магнитного резонанса

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Казанский институт биохимии и биофизики. Ул. Лобачевского, 2/31. г. Казань, 420111. Республика Татарстан. Россия.

Казанский федеральный университет. Ул. Кремлевская, 18. г. Казань, 420008. Республика Татарстан. Россия.

Казанский физико-технический институт. Ул. Сибирский тракт, д. 10/7. Казань, 420029. Республика Татарстан. Россия. Тел.: (843) 231-90-30.

Исследование водорастворимых соединений на основе п-трет-бутилтиакаликс(4)арена методом диффузометрии ядерного магнитного резонанса

Архипова Елизавета Анатольевна, Магомедова Лилия Бутаевна,

Конов Андрей Борисович, Падня Павел Леонидович,

Хайрутдинов Булат Имамутдинович, Стойков Иван Иванович

и Зуев Юрий Федорович

E-mail: khayrutdinov@yahoo.com

 Аннотация

Методом ЯМР-самодиффузии исследовано мицеллообразование 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]арена тетрабромида в конфигурациях конус и 1,3-альтернат. Предложено феноменологическое объяснение полученных концентрационных зависимостей коэффициента самодиффузии (КСД) этих соединений. Показано, что тиакаликсарен в конфигурации конус характеризуется ярко выраженным переходом мономермицелла, характерным для классических мицеллообразующих поверхностно-активных веществ (ПАВ). Для данного соединения определена критическая концентрация мицеллообразования (ККМ). Для тиакаликсарена в конформации «альтернат» с ростом его концентрации отсутствует мицеллярный переход и наблюдается последовательное увеличение степени агрегации.

Ключевые слова: каликсарены, конформация, ЯМР, самодиффузия, мицеллообразование.

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 кооператив-ный 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, определяющие 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.

ядерный магнитный резонанс поверхностный

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 средне-взвешенную сумму вкладов диффузионной подвижности мономерной и мицеллярной форм ПАВ.

D = DM + (1 - )Dm , (1)

где DM и Dm - 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 конфигурациях 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, 3JHH = 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, 3JHH = 5.8 Гц, 8H, NHCH2СО), 4.16 (кв, 3JHH = 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, 3JHH = 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-d6, , м.д., J/Гц): 1.18 (т, 3JHH = 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, 3JHH = 5.8 Гц, 8H, NHCH2СО), 3.99 (с, 8H, OCH2CO), 4.10 (кв, 3JHH = 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, 3JHH = 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.

1. 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 мономер-мицелла 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 Dm = 2.95·10-10 м2с-1 и мицелл DM = 0.95·10-10 м2с-1. По значениям Dm и DM 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 относи-тельно 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

Проведенные исследования показали, что процесс мицеллобразования тиакаликсаренов зависит от их пространственной конфигурации. Методом ЯМР диффузометрии продемонст-рирован 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 значение концентраций и средние значения гидродинамических радиусов мономера и мицелл.

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