Новые рецепторы на перренат- и пертехнетат-ионы

На правах рукописи

Колесников Григорий Владимирович Новые рецепторы на перренат- и пертехнетат-ионы 02.00.03 – органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2011

Работа выполнена в лаборатории ядерного магнитного резонанса кафедры органической химии Химического факультета Московского Государственного Университета имени М. В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор химических наук, профессор Устынюк Юрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Калмыков Степан Николаевич (кафедра Радиохимии Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова) доктор химических наук, старший научный сотрудник Дильман Александр Давидович (Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН)

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии Наук Институт Физической Химии и Электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН)

Защита состоится «20» апреля 2011 г. на заседании Диссертационного Совета Д.501.001.69 по химическим наукам при МГУ имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1., строение 3, Химический факультет, аудитория 446, 11:00.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Автореферат выложен в свободном доступе на сайте Химического факультета МГУ www.chem.msu.ru.

Автореферат разослан «18» марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.501.001.69, доктор химических наук, профессор Магдесиева Т. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСКИКА РАБОТЫ Актуальность работы Проблема эффективного и селективного связывания катионов органическими полидентатными лигандами, классическая проблема координационной химии, была поставлена более полувека назад. Исследования в этой области привели к созданию новой химической дисциплины – супрамолекулярной химии. Достигнутые в ней выдающиеся успехи фундаментального и прикладного характера были по достоинству оценены Нобелевской премией по химии 1987 года, присужденной Д. Краму, Ч. Педерсену и Ж.-М.

Лену. Аналогичная задача по селективному связыванию и распознаванию анионов была сформулирована столь же давно, но значимость ее в полной мере осознана лишь в последние 10-15 лет. Именно в этот период стала очевидной исключительная важность эффективных решений этой задачи для биологии и медицины (исследование структуры и функций сайтов связывания и каналов транспорта анионов в живых организмах и создание лекарств, корректирующих их дисфункции), экологии (связывание экологически опасных анионов), материаловедения и катализа, аналитической химии (создание сенсоров на анионы).

Отставание в развитии координационной химии анионов обусловлено в значительной степени тем, что создание селективных искусственных рецепторов на анионы – значительно более трудная задача, чем создание рецепторов на катионы. Сложная геометрия анионов, их больший объем и более низкая плотность заряда на поверхности предъявляют значительно более жесткие требования к рецепторам на анионы по размерам и геометрическим параметрам полости для связывания аниона-гостя, размещению связывающих координационных узлов и распределению зарядовой плотности в ней. Хорошее представление о современном состоянии химии анионов можно найти в специальных выпусках Chemical Society Reviews, посвященных проблемам супрамолекулярной химии и в том числе рецепторам на анионы1,2. Коллектив лаборатории ЯМР Химического факультета МГУ входит в число лидеров этой области, здесь разработана новая стратегия и новые методы создания анионных рецепторов разных типов3.

Настоящая диссертационная работа продолжает начатые в лаборатории ЯМР ранее исследования по созданию селективных и эффективных анионных рецепторов. В качестве Issue dedicated to professor Jean-Pierre Sauvage, ed. Gale P. // Chem.Soc.Rev. – 2009. – V. 38. – Iss. 6. – pp. 1511-1823.

Supramolecular chemistry of anionic species, ed. Gale P., Gunnlaugsson T. // Chem.Soc.Rev. – 2010. – V.

39. – Iss. 10. – pp. 3581-4008.

Катаев Е.А., Сесслер Дж., Устынюк Ю.А. Новая стратегия и новые методы создания искусственных макроциклических анионных рецепторов. Селективное связывание тетраэдрических оксоанионов. // Изв.Ак.Наук. – 2009. – № 9. – P. 1729-1742.

целевых анионов в работе выбраны тетраэдрические пертехнетат- и перренат- ионы, TсO4 и ReO4. Создание рецепторов на пертехнетат-ион сейчас особенно актуально. Долгоживущий радионуклид Тс (1/2 = 2.13105 лет) образуется в реакторах атомных электростанций, как 235 один из основных продуктов деления Uи Pu. Его выход составляет более 0.8 г на 1 кг U при 50% выгорании4. При растворении тепловыделяющих элементов в азотной кислоте в ПУРЕКС-процессе технеций переходит в раствор в виде пертехнетат-иона, TсO4. При переработке высокоактивных отходов в топливном радиохимическом цикле связывание и полное извлечение TсO4 на ранних стадиях процесса составляет одну из самых сложных задач, для которой пока не найдено удовлетворительных решений. Высокая растворимость пертехнетат-ионов щелочных металлов в воде (11.3 моль/л при 20°С для NaTcO4), их низкая сорбируемость на глинистых, соляных и скальных породах в сочетании с длинным периодом полураспада делают пертехнетат одним из самых опасных поллютантов при попадании в окружающую среду (см., например, отчет Департамента Энергетики США5). Даже многократная экстракция трибутилфосфатом не позволяет извлечь технеций из технологических растворов с полнотой более 95%. Остаточные количества технеция приводят к выходу из строя специальных печей, в которых производится стеклование ВАО в блоки. Это существенно затрудняет создание «замкнутого топливного цикла», без чего дальнейшее развитие ядерной энергетики невозможно.

Создание селективных рецепторов на пертехнетат-ион – наиболее перспективное направление решения задачи по полному извлечению технеция из радиоактивных отходов.

Существует несколько типов анионных рецепторов. Нейтральные анионные рецепторы связывают анионы во внутренней гидрофобной полости, соответствующего размера и геометрии (по принципу комплементарности), за счет нескольких сильных водородных связей. Положительно заряженные рецепторы более прочно связывают анион-гость за счет мощного кулоновского взаимодействия. В этом случае дополнительные водородные связи с протонодонорными группами в гидрофобной полости обеспечивают необходимую селективность связывания. Такие гидрофобные рецепторы способны обеспечить экстракцию пертехнетат-иона в неполярную органическую фазу. С другой стороны, эффективные рецепторы, связывающие пертехнетат- и перренат-ионы в водной среде, необходимы для 99m создания новых радиофармпрепаратов, поскольку радионуклиды Tc и Re находят все Машкин А.Н., Корченкин К.К., Светлакова Н.А. Распределение технеция по технологическим потокам схемы пурекс завода РТ-1. // Радиохимия. – 2002. – Т. 44. – №. 1. – C. 34-40.

US Dept. of Energy, Office of Nuclear Energy, The path to sustainable nuclear energy. Basic and applied research opportunities for advanced fuel cycles, Sept. 2005, 8 p.

более широкое применение в диагностике и терапии опасных заболеваний6. Весь комплекс проблем, связанных с созданием рецепторов обоих типов детально рассмотрен в обзоре автора диссертации, который опубликован в одном из самых авторитетных международных научных журналов7.

Цели работы Основной целью настоящей работы является создание искусственных рецепторов, способных прочно и селективно связывать пертехнетат- и перренат-ионы. Достижение этой цели потребовало формулировки и последовательного решения следующих конкретных задач:

1. Разработка эффективной методики для предварительного теоретического моделирования структуры рецептора, максимально подходящего для связывания целевых анионов.

2. Ретросинтетический анализ структур потенциальных рецепторов и разработка оптимальных путей их сборки из укрупненных полифункциональных блоков предшественников.

3. Синтез ряда полифункциональных блоков-предшественников.

4. Сборка рецепторов на пертехнетат- и перренат-ионы из блоков предшественников с использованием темплатных и бестемплатных методов.

Определение констант связывания целевых анионов (TcO4, ReO4) и анионов 5.

конкурентов (H2PO4, HSO4, H3CCOO, Cl, NO3, I, ClO4) полученными рецепторами с помощью современных физико-химических методов, проведение предварительных экстракционных экспериментов с модельными и реальными загрязненными образцами.

6. Анализ полученных результатов с целью выявления общих закономерностей, связывающих структуру рецепторов с прочностью и селективностью связывания пертехнетат- и перренат-ионов.

Научная новизна и практическая значимость работы 1. Разработана эффективная комплексная методика предварительного теоретического моделирования структур потенциальных рецепторов, максимально подходящих для связывания целевых анионов, на основе моделирования первой гидратной оболочки перренат-иона с использованием методов квантовой химии высокого уровня.

Bartholoma M.D., Louie A.S., Valliant J.F., Zubieta J. Technetium and galium derived radiopharmaceuticals: comparing and contrasting the chemistry of two important radiometals for the molecular imaging era. // Chem.Rev. – 2010. – V. 110. – P. 2903-2920.

Katayev E.A., Kolesnikov G.K., Sessler J.L. Molecular recognition of pertechnetate and perrhenate. // Chem.Soc.Rev. – 2009. – V.38. – P. 1572-1586.

2. Синтезировано 15 рецепторов на анионы, из них 11 – впервые. Полученные рецепторы представляют 6 различных классов соединений. Таким образом, что позволило сравнить их эффективность связывания пертехнетат- и перренат-ионов в рамках одной работы.

3. На основе данных титрований в УФ-видимой области в различных растворителях показано, что все полученные рецепторы способны прочно и селективно связывать пертехнетат- и перренат-ионы.

Разработан способ титрования пертехнетат-иона методом 99Tc-ЯМР. Сравнение 4.

результатов нового метода с данными уже зарекомендовавшего себя титрования в УФ видимой области показало, что новый способ эффективен и удобен.

5. Эксперименты по экстракции пертехнетат-иона из модельных водных растворов и реальных загрязненных образцов из озера Карачай показали, что рецепторы являются перспективными для практического применения в топливном ядерном цикле.

Апробация работы Материалы данной работы были представлены на российских и международных конференциях: XI-th International Seminar on Inclusion Compounds (ISIC-11), Kyiv, Украина, 2007;

2-nd International Symposium on Macrocyclic and Supramolecular Chemistry (ISMSC 2007), Pavia, Italy, 2007;

XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, г.

Москва, 2007;

Международный Симпозиум по Сорбции и Экстракции, г. Владивосток, 2008;

6-th International Symposium on Technetium and Rhenium, Port Elizabeth, South Africa, 2008;

Eighth International Conference on Methods and Applications of Radioanalytical Chemistry (MARC VIII), Kailua-Kona, Hawaii, USA, 2009;

4-th International Symposium on Macrocyclic and Supramolecular Chemistry (ISMSC-2009), Maastricht, the Netherlands, 2009;

VI Российская Конференция по Радиохимии «Радиохимимия-2009», пос. Поведники, 2009;

Symposium in Supramolecular Chemistry. Essen, Germany, 2011.

Публикации По результатам данной работы опубликовано 3 статьи (1 обзор) и 16 тезисов конференций.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка литературы и списка публикаций автора. Ее объем составляет 143 страницы машинописного текста, она содержит 74 рисунка и 24 таблицы. Список литературы содержит 134 ссылки.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность работы и сформулированы основные задачи исследования.

Литературный обзор посвящен свойствам пертехнетат- и перренат-ионов, особенностям строения существующих лигандов, способных связывать выбранные анионы.

Обзор разделен на части в соответствии с классами рецепторов: рецепторы открытого типа, макроциклические рецепторы, дендримеры – с обсуждением поведения в растворе и структурных особенностей в кристалле. Особое внимание уделено способности рецепторов экстрагировать пертехнетат- и перренат-ионы из водной в органическую фазу.

Теоретическое обоснование выбора строительных блоков Необходимым первым шагом при создании селективных анионных рецепторов является предварительный анализ, на основании которого проводится выбор структур для синтеза и строительных блоков, из которых собирается рецептор. В предшествующих исследованиях, выполненных в лаборатории ЯМР, было показано, что применение теоретического моделирования с помощью квантово-химических методов высокого уровня (метод функционала плотности) позволяет резко повысить эффективность работы. Развивая этот подход, мы использовали этот метод и комплекс программ «ПРИРОДА»8 для квантовохимического моделирования структуры комплексов «анион-рецептор» и выбора строительных блоков для синтеза. Расчет производили методом функционала плотности с градиент-корректированным неэмпирическим функционалом РВЕ.

Моделирование первой гидратной оболочки перренат-иона Для того, чтобы получить стартовый (самый низкий) уровень представления о наиболее удобном расположении координационных узлов для взаимодействия с перренат ионом, мы провели квантовохимическое моделировании первой гидратной оболочки исследуемого иона. Анализ относительного расположения молекул воды позволил сделать приблизительную оценку геометрии расположения координационных узлов будущего рецептора. Для проведения модельных расчетов нами был использован перренат-ион, изоструктурный пертехнетат-иону.

Построение первой гидратной оболочки проводили путем последовательного добавления молекул воды к аниону и оптимизации структуры получаемого кластера до тех пор, пока первая координационная сфера аниона не будет полностью заполнена и не начнет Лайков Д.Н., Устынюк Ю.А. Система квантово-химических программ «ПРИРОДА-04». Новые возможности исследования молекулярных систем с применением параллельных вычислений // Изв.Ак.Наук. – 2005. – № 3. – С. 390-396.

формироваться следующая гидратная оболочка, основанная исключительно на взаимодействиях молекул воды между собой. Исследование обнаружило необычное свойство перренат-иона, который способен связывать в первой координационной сфере только 7 молекул воды и образовывать суммарно 7 водородных связей (рис. 1). Оказалось, что один атом кислорода аниона не участвует в образовании водородных связей, остальные атома кислорода образуют связи с молекулами воды. Наши теоретические расчеты согласуются, например, с данными рентгеноструктурного исследования перрената гуанидиния, в структуре которого водородные связи Re-О…Н…N образуют только три атома кислорода перренат-иона9. Четвертый атом предпочитает гидрофобное окружение соседнего перренат-иона. Таким образом, формируются гидрофобные цепочки перренат ионов и гидрофильные каналы, образованные катионами гуанидиния.

Теоретическая модель Данные рентгеноструктурного исследования перрената гидратной оболочки гуанидиния координация и упаковка в кристалле Рисунок 1. Координация перренат-иона.

Таким образом, наиболее эффективному рецептору, по соотношению таких качеств, как: высокая селективность и высокая константа связывания перренат-иона, а также простота структуры – достаточно координировать всего три или два атома кислорода перренат-иона.

Выбор полифункциональных блоков-предшественников На основе теоретической модели гидратной оболочки перренат-иона, стало возможным выбрать структурные фрагменты, блоки-предшественники, геометрически комплементарные целевому аниону (рис. 2). В качестве основного критерия нами было взято расстояние между координационными узлами потенциальных блоков-предшественников, оно должно быть близко к расстоянию между атомами кислорода молекул воды в первой гидратной оболочке перренат-иона, а именно 4-5. Это обстоятельство определило выбор в качестве базовых структур рецепторов с подходящей внутренней полостью.

Grigoriev M.S., German K.E., Maruk A.Ya. Guanidinium tetraoxidorhenate(VII). // Acta Crystallogr., Sect.

E. – 2007. –V. 63. – Iss. 8. – P. m2061.

Рисунок 2. Фрагменты для построения блоков-предшественников.

Мы выбрали в качестве потенциальных рецепторов несколько типов структур 1-21, построенных из приведенных выше анионсвязывающих фрагментов и линкеров (рис. 3), топология которых отвечает требованию для координации двух-трех атомов кислорода тетраэдрического аниона. Их можно разделить на два класса: нейтральные 1-16 и положительно заряженные 17-21.

Нейтральные рецепторы O O N N N HN N HN H H A) X X H H HN N HN N N N O O 1, X=C 3, X=C 2, X=N 4, X=N Рисунок 3. Выбранные структуры потенциальных рецепторов.

Положительно заряженные рецепторы Рисунок 3. Выбранные структуры потенциальных рецепторов, по типу: нейтральные A) амидо-иминные, Б) полиамидные, В) бисдипирролилметановые, Г) типа треножника;

положительно заряженные Д) олигопиррольный, Е) амид-гуанидиниевые.

Синтез пиррол-, бипиррол- и дипирролилметан-содержащих блоков Схема синтеза исходных пирролов 22-24 представлена на рисунке 4. Исходные нитросоединения были получены по реакции Анри. Из бензальдегида в одну стадию получается нитроалкен. Изоцианид получали по стандартной методике из N-формилглицина.

На последней стадии синтеза пирролов проводили взаимодействие полученных ранее этилового эфира изоциануксусной кислоты и нитросоединия.

Рисунок 4. Схема синтеза исходных пирролов 22-24.

Большинство -пирролкарбоновых кислот склонно к декарбоксилированию в кислой среде и при нагревании. Введение фенильного заместителя в соседнее с карбоксильной группой -положение повысило устойчивость полученных кислот, поэтому соединение было использовано для синтеза бипиррол дикарбоновой кислоты 28. Для синтеза олигопиррольного рецептора 13 использовалась реакция окислительной макроциклизации, в качестве исходного соединения выступал 5,5-незамещенный бипиррол 29 (рис. 5). Синтез 2,2'-диформилбипиррола 30 из диэтилового эфира бипиррол-2,2'-дикарбоновой кислоты был проведен путем декарбоксилирования, аналогично синтезу 29, и формилированием в стандартных условиях.

Рисунок 5. Синтез исходных бипирролов 28-30.

Синтез дипирролилметан-2,2'-дикарбоновой кислоты 31 проводился в две стадии конденсацией пиррола 22 с ацетоном и последующим омылением эфира щелочью. Синтез 2,2'-диформилдипирролилметана 32 осуществляется в три стадии путем конденсации пиррола 23 с п-толуолальдегидом с последующим декарбоксилированием полученного дипирролилметана и формилированием в трифторуксусной кислоте (рис. 6).

Рисунок 6. Синтез исходных дипирролилметанов 31, 32.

Синтез диамидо-диаминных блоков-предшественников литературе10.

Методы синтеза диамидо-диаминов известны в На основе ретросинтетического анализа был выбран оптимальный путь синтеза диамидо-диаминов 69-75 построением двух амидных связей в симметричных структурах на последней стадии (рис. 7).

Рисунок 7. Синтез исходных диамидо-диаминов 33-39.

Picard C., Arnaud N., Tisnes P. Desymmetrization reactions: a convinient synthesis of aromatic diamides diamines. // Synthesis. – 2001. – V. 10. – P. 1471-1478.

Рисунок 7. Синтез исходных диамидо-диаминов 33-39.

Амидо-иминные макроциклы Сборка макроциклов амидо-иминого типа осуществлялась взаимодействием диаминов и диальдегидов в присутствии кислоты. Кислота выполняет роль катализатора реакции образования основания Шиффа, а также роль темплатирующего агента, предварительно координирующего блоки-предшественники и направляющего реакцию к наиболее выгодному продукту [1+1] или [2+2] конденсации. В данной работе нам удалось достичь высокой эффективности при использовании в роли катализатора-темплаты HReO4 при взаимодействии блоков 38 и 32 с получением 2, который образуется как основной продукт с хорошим выходом (рис. 8). Высокая эффективность HReO4 в синтезе 2 подтверждена сравнительными опытами, в которых нами были опробованы другие кислоты. Их использование приводило к образованию нескольких продуктов. Выводы о распределении продуктов реакции строились на основе данных масс-спектров MALDI-TOF (таблица 1).

Рисунок 8. Схема получения макроциклов 1-2 на основе дипирролилметана.

Полученные данные показывают, что природа, аниона, сопряженного основания используемой кислоты, действительно оказывает значительное влияние на селективность процесса. Рениевая кислота HReO4 является эффективным катализатором-темплатой макроциклизации 32 и 38, так как сопряженным ей основанием является мягкий и большой перренат-ион и образующийся макроцикл 2 селективно связывает его.

К сожалению, в случае использования бипиррольного блока-предшественника применение темплатного эффекта не оказалось столь эффективным как в случае использования дипирролилметанового 32. Результатом синтеза всегда являлась неразделимая смесь продуктов.

Изучение кристаллической структуры комплексов 2·(HReO4)2 и 2·(HCl) Высказанные выше предположеня о координации перренат- и хлорид-ионов подтверждаются полученными нами данными кристаллографических исследований комплексов 2·(HReO4)2 и 2·(HCl)2 (рис. 9).

2·(HReO4)2 2·(HCl) Рисунок 9. Структуры комплексов 2 с анионами по данным РСА.

В кристалле комплекса 2·(HReO4)2 на одну молекулу макроцикла приходится две молекулы аниона, координация происходит по дипирролилметановому, иминному и амидному центрам за счет водородных связей. В кристалле молекулы складываются по типу сот, также как в структуре перрената гуанидиния.

Исследование структуры комплекса 2·(HCl)2 выявило существенные отличия в сравнении со структурой комплекса 2·(HReO4)2. На одну молекулу макроцикла приходится два аниона. Особенностью кристаллической структуры 2·(HCl)2 является сильная координация одного хлорид-иона по дипирролилметан-дииминовому фрагменту c водородными связями. Второй хлорид-ион с равной вероятностью может занимать два положения: одно, при котором происходит координация по двум амидам, второе – вне полости лиганда, без водородных связей.

Квантовохимическое моделирование 2·(HReO4)2 и 2·(HCl) Мы рассчитали геометрию комплексов 2·(HCl)2 и 2·(HReO4)2 методом функционала плотности. Интересно отметить, что рассчитанные структуры комплексов совпадают со структурой комплекса по данным РСА. Статистическая оценка выборок расстояний доказывает хорошее соответствие экспериментальных и рассчитанных геометрических параметров. Отличия в рассчитанных длинах связей и экспериментально полученных данных рентгеноструктурного анализа составляют 0.13 ± 0.06 для 2·(HReO4)2 и 0.17 ± 0.08 для 2·(HCl)2, около 10% длины связи углерод-углерод, при доверительном интервале 95%. Если принять во внимание, что расчет проведен для газофазных условий, и в нем не учитывались эффекты кристаллической упаковки, сходство является вполне приемлемым.

Комбинаторная библиотека амидо-иминных макроциклов Результаты комбинаторного исследования распределения продуктов по данным масс спектров MALDI-TOF кратко представлены в таблице 1. Анализ полученных данных комбинаторной библиотеки позволяет делать выводы о геометрической комплиментарности блоков-предшественников по отношению друг к другу и о влиянии катализатора-темплаты.

Например, дипирролилметановый блок 32 всегда образует продукт [1+1] конденсации, в то время как бипиррольный 30 – во всех случаях приводит к продукту [2+2] конденсации. Количество и степень олигомеризации продуктов при использовании диамина 37 на основе изофталевой кислоты всегда больше, чем в случае использования диамина 38 на основе пиридина.

Таблица 1. Комбинаторная библиотека продуктов макроциклизации Исходные блоки HA [1+1] [2+2] [3+3] [4+4] [5+5] [6+6] H3PO4 + 30 + 37 HCl + + + HReO4 + + H3PO4 + + 30 + 38 HCl + + + HReO4 + + + + H3PO4 + + + 32 + 37 HCl + + + + HReO4 + + H3PO4 + + 32 + 38 HCl + HReO4 + Полиамидные макроциклические рецепторы Макроциклические рецепторы полиамидного типа отличаются от своих амидо иминных аналогов наличием двух дополнительных координационных узлов – доноров водородной связи (-C(O)NH- вместо -C=N-). При этом геометрия получаемого макроцикла изменяется не сильно. Дополнительные N-H-группы амидов зачастую оказывают существенное влияние на прочность и селективность связывания анионов.

Наш подход заключался в использовании диаминов на основе дипирролилметана или бипиррола 34 и дихлорангидридов изофталевой или 2,6-пиридиндикарбоновой кислот, соответственно (рис. 10).

Рисунок 10. Схема синтеза макроциклического рецептора 6 полиамидного типа.

В единственном случае при взаимодействии диамина 33 на основе дипирролилметана и дихлорангидрида 2,6-пиридиндикарбоновой кислоты удалось выделить макроциклический продукт 6 в чистом виде с хорошим выходом. Остальные варианты всегда приводили к неразделимой смеси продуктов.

Для синтеза новых полиамидных макроциклических рецепторов мы использовали новый строительный блок, о-аминобензиламин, аналог (по количеству атомов углерода между аминогруппами) м-фенилендиамина. Мы выбрали стратегию синтеза, которую уже использовали при синтезе полиамидного макроцикла 6, осуществив взаимодействие диаминов на основе дипирролилметана 35 или бипиррола 36 и дихлорангидридов на основе изофталевой и 2,6-пиридиндикарбоновой кислот соответственно (рис. 11).

Рисунок 11. Схема синтеза макроциклических рецепторов 11, 12 полиамидного типа.

Нам удалось получить этим методом только макроциклы 11-12 на основе бипиррола 36. При использовании дипирролилметанового блока-предшественника 35 образовывались неразделимые смеси олигомеров.

В качестве альтернативного метода синтеза макроциклических рецепторов мы применили бис(2-меркаптотиазолиды) дикарбоновых кислот 40, 41 (рис. 12). Это привело к уменьшению скорости реакции и позволило провести синтез в относительно простых условиях.

Рисунок 12. Схема синтеза макроциклических рецепторов 9, 11 полиамидного типа.

Несмотря на все попытки, выделить в чистом виде удалось только [1+1] рецепторы и 11, полученные с использованием бис(2-меркаптотиазолид)а изофталевой кислоты 40.

Для [2+2] продукта взаимодействия 36 и 41, при попытке очистить его перекристаллизацией были полученные кристаллы пригодные для рентгеноструктурного исследования (рис.

13). Рентгеноструктурное исследование показало, что в кристалле молекула макроцикла 42 принимает, конформацию «восьмерки», подобно многим Рисунок 13. Структура 42 по данным РСА.

октафиринам11.

Важно отметить, что так нам впервые удалось осуществить синтез циклических амидов в условиях термодинамического контроля. Ранее такой подход уже был использован для синтеза простых ациклических диамидо-диаминов, но он никогда не применялся для сложных макроциклических систем. Распределение продуктов реакций на основе данных LC-MS представлено в таблице 2.

Jasat A., Dolphin D. Expanded porphyrins and their heterologs. // Chem.Rev. – 1997. – V. 97. – P. 2267 2340.

Таблица 2. Комбинаторная библиотека продуктов макроциклизации* Исходные блоки [1+1] [2+2] [3+3] [4+4] 100% 40% 22% 7% 35 + 13% 100% 52% 24% 35 + 100% 6% 0% 0% 36 + 0% 100% 36% 18% 36 + * процентное содержание посчитано относительно пика с максимальным содержанием Ациклические рецепторы бисдипирролилметанового типа Под бисдипирролилметанами нами подразумеваются структуры 13-15, показанные на рисунке 14. Соединения бисдипирролилметанового типа ранее уже получали взаимодействием альдегидов с -незамещенными пирролами в спирте в присутствии соляной кислоты12.

Рисунок 14. Схематическое изображение бисдипирролилметановых рецепторов 13-15.

Мы провели теоретическое моделирование координации хлорид-, гидросульфат- и перренат-ионов с бисдипирролилметановыми рецепторами 13-15. Геометрия получаемых при теоретическом моделировании комплексов отличается высокой симметрией. Перренат ион координируется за счет четырех водородных связей с N-H-группами пирролов. Не менее интересны рассчитанные энергии взаимодействия этих рецепторов с анионами различной природы. Здесь теоретическое моделирование показало, что энергия связывания перренат иона может быть лишь немногим меньше энергии связывания хлорид- и гидросульфат ионов.

Ациклический рецептор на основе 1,3,5-триc(аминометил)-2,4,6-триметилбензола Для целей связывания перренат- и пертехнетат-ионов наиболее интересным рецептором оказался амидный рецептор 16 на основе пиррола, который ранее был синтезирован13. Для оценки перспективности его использования мы сначала провели квантовохимическое моделирование строения его комплексов с перренат-ионом и Sessler J.L., Johnson M.R., Creager S.T., Fettinger J.C., Ibers J.A. Synthesis and characterization of quinone-substituted octaalkyl porphyrin monomers and dimers. // J.Am.Chem.Soc. – 1990. – V. 112. – P.

9310-9329.

Schmuck C., Schwegmann M. A molecular flytrap for the selective binding of citrate and other tricarboxylates in water. // J.Am.Chem.Soc. – 2005. – V. 127. – P. 3373-3379.

энергетики связывания. У рецептора 16 есть две основные конформации: «конус» (с осью симметрии С3) и «частичный конус». Конформация «конус» выгоднее по энергии из-за образования трех внутримолекулярных водородных связей, вместо одной, как в «частичном конусе». Связывание перренат-иона также выгоднее в конформации «конус», т.к.

образующийся С3-симметричный комплекс стабилизируется шестью водородными связями рецептор-анион.

Синтез рецептора 16 осуществлялся взаимодействием 1,3,5-трис(аминометил)-2,4,6 триметилбензола 43 и моноэтилового эфира 3,4-диметилпиррол-2,5-дикарбоновой кислоты 44 (рис. 15).

Рисунок 15. Схема синтеза рецептора 16.

Цикло[8]пиррол NH NH NH FeCl3/ 1M H2SO4 HN 2 SO N HN CH2Cl2/H2O NH NH H 29 NH HN 17, (45%) Рисунок 16. Схема синтеза макроциклического рецептора 17·(H2SO4).

Циклический олигопиррол 17 был получен методом окислительной макроциклизации.

Метод использует известное свойство 2,5-незамещенных пирролов образовывать олигомерные и полимерные продукты под действием различного рода окислителей. В научной группе профессора Дж. Сесслера был развит метод синтеза пиррольных макроциклов из 5,5-незамещенных бипирролов, в том числе 1714. При использовании FeCl3 и H2SO4 выход 17·(H2SO4) максимален (34% суммарный по всем стадиям) (рис. 16), а при Seidel D., Lynch V., Sessler J.L. Cyclo[8]pyrrole: A Simple-to-make expanded porphyrin with no meso bridges. // Angew.Chem.Int.Ed. – 2002. – V. 41, № 8. – P. 1422-1425.

использовании других кислот в качестве побочных продуктов образуются цикло[6]- и цикло[7]пирролы.

Изучение кристаллической структуры комплексов 17·(HReO4)2 и 17·(HCl) Как видно из рисунка 17, на одну молекулу макроцикла приходится два перренат иона, координация каждого аниона происходит по трем пиррольным центрам. Несмотря на большой размер полости лиганда, оба аниона находятся вне ее.

17·(HReO4)2 17·(HCl) Рисунок 17. Структуры комплексов 17 с анионами по данным РСА.

Также как в случае перренатной соли, в структуре 17·(HCl)2 на одну молекулу макроцикла приходится два аниона. Координация каждого аниона происходит по двум пиррольным центрам. Отличительной особенностью комплекса 17·(HCl)2 является наличие двух молекул воды, образующих мостики между хлорид-ионами, типа Cl…HOH…Cl.

Рецепторы гуанидинового типа На основании литературных данных были выбраны и синтезированы подходящие гуанилирующие реагенты 45, 46 (рис. 18).

Рисунок 18. Синтез гуанилирующих реагентов 45, 46.

Синтез целевых рецепторов осуществлялся прямым взаимодействием диаминов 35, 36, 39 с гуанилирующим реагентом 45 при комнатной температуре (рис. 19). Реагент использовался только в реакции с диамином 39. Удаление защитных групп проводилось с помощью трифторуксусной кислоты в дихлорметане, выходы конечных веществ в виде солей трифторуксусной кислоты – количественные.

Рисунок 19. Схема синтеза рецепторов 18-21 на основе гуанидинов.

Титрование рецепторов в УФ-видимом диапазоне При связывании анионов рецепторами происходят заметные изменения в электронных спектрах поглощения, поэтому титрование в УФ-видимом диапазоне было использовано нами как основной метод определения констант устойчивости комплексов. Метод обладает высокой чувствительностью, легко реализуется, не требует использования дейтерированных растворителей, как в случае с ЯМР, а потому позволяет проводить эксперименты в самых разных растворителях. Мы использовали следующие растворители: диметилсульфоксид (ДМСО) – сильнополярный растворитель, максимально близкий по свойствам к воде из использованных нами;

дихлорэтан (ДХЭ) – неполяный, не смешивающийся с водой и использующийся при экстракции;

раствор 10% по объему метанола в дихлорэтане, с помощью которого можно промоделировать условия экстракции, при которых обычно дихлорэтан содержит воду.

Таблица 3. lg(Ka) анионов для всех полученных рецепторов H2PO HSO ReO TcO ClO OAc NO Cl I Х У 1, ДХЭ 4.47 4.92 4.55 --- 4.73 4.71 -- 1, ДМСО 3.86 4.15 4.42 3.91 3.29 --- 4.26 5.07 -- lg(K11)= 5.17 lg(K11)= 5. 2, ДХЭ 4.85 4.55 4.63 6.46 4.58 5.02 5. lg(K12)= 5.29 lg(K12)= 5. 2, 10% MeOH в 5.15 5.52 4.76 4.36 4.98 4.96 4.77 4.80 4. ДХЭ 2, ДМСО 3.65 3.80 3.52 3.95 3.00 5.26 4.60 4.84 5. 6, ДХЭ 4.89 4.98 6.71 6.13 4.71 4.90 4.97 4.55 4. 6, 10% MeOH в 4.83 4.83 4.71 3.98 4.79 5.04 4.81 4.43 4. ДХЭ 6, ДМСО 4.39 5.38 4.80 4.08 4.86 5.79 4.19 4.95 4. X 9, ДХЭ 4.84 2.97 4.32 5.09 5.58 4.60 4.51 -- lg(K11)= 3. 9, ДМСО 4.83 4.40 3.88 5.17 6.00 4.96 6.61 -- lg(K12)= 3. X 11, ДХЭ 4.33 5.08 4.6 4.36 4.35 4.71 4.02 -- 11, ДМСО 4.25 4.09 4.15 4.75 4.14 4.15 4.94 4.11 -- lg(K11)= 4. X 12, ДХЭ 4.43 6.29 4.31 4.49 4.92 4.24 -- lg(K12)= 5. lg(K11)= 4. 12, ДМСО 5.07 4.94 4.48 4.59 5.14 4.58 4.92 -- lg(K12)= 3. 13, 10% MeOH в 5.00 4.90 5.02 4.91 4.70 4.55 5.11 5.25 -- ДХЭ 14, 10% MeOH в 5.13 5.02 5.00 4.64 5.25 5.11 5.06 5.12 -- ДХЭ 15, 10% MeOH в 4.96 5.16 4.93 5.12 4.96 5.02 5.07 4.64 -- ДХЭ 16, 10% MeOH в 4.81 4.01 5.27 4.70 4.62 5.02 5.23 5.08 -- ДХЭ 17·(HCl)2, ДХЭ Z 9.71 6.53 6.74 --- 9.84 5.00 * 5.95 6. 18·(F3CCOOH)2, 8.48 7.35 8.17 7.73 7.38 6.96 8.03 7.10 -- ДМСО Z 19·(F3CCOOH)2, 9.52 9.03 8.20 7.67 8.06 7.91 9.58 7.54 -- ДМСО Z 20·(F3CCOOH)2, 8.14 6.76 6.86 7.06 6.76 4.18 5.63 5.95 -- ДМСО Z 21·(HI)2, ДМСО Z 7.48 6.29 7.08 5.69 6.16 --- 7.51 7.39 -- * точному определению константы мешала медленная кинетика связывания Х эксперименту мешала плохая растворимость дигидрофосфата тетрабутиламмония У константа выше предела определения метода Z стехиометрия связывания рецептор:анион = 1: Из представленных в таблице 3 данных видно, что все макроциклические рецепторы проявляют высокое сродство к пертехнетат- и перренат-ионам. Наибольшая селективность (равно как и величины констант) по отношению к гидрофобным анионам достигнута в диметилсульфоксиде. Рецептор 2 оказался наиболее селективным по отношению к перренат иону среди рецепторов амидо-иминного типа. Интересно, что макроцикл 9 показал константу связывания перренат-иона больше л/моль в сильнополярном диметилсульфоксиде – это максимальное значение, полученное до сих пор. Полиамидный макроцикл 9 на основе дипирролилметана связывает гидрофобные ионы с высокой селективностью.

Все нейтральные ациклические рецепторы проявили высокое сродство к иодид-, перхлорат- и перренат-ионам в 10% MeOH в дихлорэтане. Константы связывания перхлорат и перренат-ионов находятся на уровне 105 л/моль для 13-15.

Определение констант связывания для макроциклического олигопиррола 13 было затруднено кинетикой связывания. Особенно это явление было заметно в диметилсульфоксиде, из-за чего обработать полученные данные не удалось. В дихлорэтане связывание пертехнетат- и перренат-ионов происходит действительно эффективно, с константами устойчивости около 106 л/моль, со стехиометрией рецептор:анион = 1:2.

Представленные ациклические бисгуанидиновые рецепторы 18-21 в виде солей соответствующих кислот в процессе титрования обменивают оба трифторацетат- или йодид иона. Рецепторы 18-21 на основе пиридина и бипиррола показали высокие константы на перренат-ион, на уровне 105-106 М-1. Селективность рецепторов гуанидинового типа по отношению к целевому аниону не высокая.

Обратное титрование рецепторов 99Tc-ЯМР Суть метода заключается в последовательном добавлении раствора рецептора к раствору пертехнетата тетрабутиламмония и измерении зависимости химического сдвига ядер 99Tc (спин ) от количества добавленного рецептора.

При изучении связывания пертехнетат-иона рецепторами 2, 6 и 17·(HCl)2 метод Тс ЯМР оказался весьма эффективным. Расчет констант связывания не вызвал затруднений при использовании программы HypNMR 2006 (таблица 4).

Таблица 4. lg(Ka) анионов для рецепторов 2, 6 и 17·(HCl) Рецептор lgKa(99Tc-ЯМР), CDCl3 lgKa(УФ), ДХЭ 3.24* 5.09* 1.96* 4.22* 17·(HCl)2 3.78* 6.04* * стехиометрия связывания в этом случае рецептор:анион = 1:2, в остальных – 1: Самую высокую константу на пертехнетат-ион показал рецептор 2 амидо-иминного типа. Полученный результат полностью согласуется с данными титрований в УФ-видимой области и коэффициентами селективности.

Экстракция пертехнетат-иона полученными рецепторами Для анализа экстракционной способности из воды в дихлорэтан были выбраны макроциклы 2 и 17·(HCl)2. Оба обладают жестким каркасом и большим размером полости.

Для экстракции важным фактором является возможность использования рецептора в виде соли для того, чтобы обменивать нативный противоион на пертехнетат-ион для облегчения межфазного переноса последнего. Оба выбранных рецептора способны существовать в виде солей тетрафторборной кислоты, хорошо растворимых в неполярных органических растворителях.

Рецепторы 2·(HBF4)2 и 17·(HBF4)2 способны осуществлять экстракцию пертехнетат иона из водной фазы в дихлорэтан. Эффективность экстракции высокая, 100% в широких пределах pH 3-10 и 3-8 соответственно с высокой скоростью (рис. 20).

100% 80% 2(HBF4) 17(HBF4) 60% %, экстракции 40% 20% 0% 0 2 4 6 8 10 12 pH Рисунок 20. pH зависимость экстракции TcO4 рецепторами 2·(HBF4)2 и 17·(HBF4)2.

Озеро Карачай расположено рядом с ПО «Маяк», на котором проводится переработка ВАО. В течение многих лет загрязненные воды этого предприятия сбрасывались в это озеро, в результате чего сегодня содержание TcO4 в его водах в среднем составляет 10-5 M. Уже однократная экстракция растворами рецептора 17·(HBF4)2 в дихлорэтане позволила извлечь 80% растворенного пертехнетата! Тем самым, мы получили прямые доказательства возможности реального использования синтезированных рецепторов для целей технологии ядерного топливного цикла.

Выводы 1. Разработана эффективная комплексная методика предварительного теоретического моделирования структур рецепторов, максимально подходящих для связывания целевых пертехнетат- и перренат-ионов.

2. Синтезировано 10 (7 новых) нейтральных рецепторов из них: 6 макроциклических и с открытой структурой с использованием темплатных и бестемплатных методов.

3. Синтезировано 5 (4 новых) положительно заряженных рецепторов из них: макроциклический олигопиррол и 4 рецептора гуанидинового типа с открытой структурой.

4. Тип координации анионов с целевыми рецепторами установлен на основе данных рентгеноструктурного анализа и квантовохимического моделирования.

5. Все полученные рецепторы проявили высокое сродство к пертехнетат- и перренат ионам. Два рецептора проявили рекордную селективность по отношению к целевым анионам, связывая их на порядок прочнее любых конкурирующих анинов.

6. Успешно проведены эксперименты по экстракции пертехнетат-иона из модельных водных растворов и реальных загрязненных образцов из озера Карачай. Достигнуто полное извлечение в широком диапазоне pH.

Основное содержание работы

отражено в следующих публикациях 1. Катаев Е.А., Колесников Г.В., Мышковская Е.К., Тананаев И.Г. Новые макроциклические лиганды на основе бипиррола для связывания перренат и пертехнетат ионов. // Вопросы Радиационной Безопасности. – 2008. – № 4. – С. 16-22.

2. Katayev E.A., Kolesnikov G.V., Khrustalev V.N., Antipin M.Yu., Askerov R.K., Maharramov A.M., German K.E., Kirakosyan G.A., Tananaev I.G., Timofeeva T.V. Recognition of perrhenate and pertechnetate by a neutral macrocyclic receptor. // J.Radioanal.Nucl.Chem. – 2009. – V. 282., №. 2. – P. 385-389.

3. Katayev E.A., Kolesnikov G.V., Sessler J.L. Molecular recognition of pertechnetate and perrhenate. // Chem.Soc.Rev. – 2009. – V. 38. – P. 1572-1586.

4. Катаев Е.А., Боев Н.В., Колесников Г.В., Хрусталев В.Н., Тананаев И.Г., Устынюк Ю.А., Мясоедов Б.Ф. Сенсоры на тетраоксoанионы на основе олигопиррольных макроциклов амидо-иминного типа. // V Российская Конференция по Радиохимии «Радиохимимия-2006».

г. Дубна, Российская Федерация, октябрь 23-27, 2006. C. 147.

5. Kolesnikov G.V., Mishkovskaya E.N., Ustynyuk Yu.A., Tananaev I.G., Katayev E.A.

Bipyrrole based ligands for binding and extraction of pertechnetate anion. // XI-th International Seminar on Inclusion Componds (ISIC-11). Kyiv, Ukraine, June 10-15, 2007. P. 139.

6. Katayev E.A., Melfi P., Boev N.V., Kolesnikov G.V., Tananaev I.G., Sessler J.L. Binding of perrhenate and pertechnetate anions by bipyrrole based receptors. // 2-nd International Symposium on Macrocyclic and Supramolecular Chemistry (ISMSC-2007). Pavia, Italy, June 24-28, 2007.

P. PSA85.

7. Колесников Г.В., Мышковская Е.Н., Боев Н.В., Устынюк Ю.А., Тананаев И.Г., Катаев Е.А. Гибридные макроциклы в качестве эффективных рецепторов на перренат и пертехнетат ионы. // XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Москва, Российская Федерация, сентябрь 23-28, 2007. Т. 5. C. 288.

8. Боев Н.В., Мышковская Е.Н., Колесников Г.В., Катаев Е.А. Перспективы олигопиррольных макроциклов в решении задач детектирования, транспорта и концентрирования анионов. // II Всероссийская Конференция «Аналитика России» с международным участием. Туапсе, Российская Федерация, октябрь 7-12, 2007. C. 74.

9. Колесников Г.В., Катаев Е.А. Новые рецепторы на перренат- и пертехнетат-ионы. // Всероссийская конференция «Научный потенциал-XXI». Москва, Российская Федерация, апрель 17-19, 2008. С. 37.

10. Katayev E.A., Boev N.V., Tananaev I.G., Kolesnikov G.V., Lavrov H.V. Synthesis and coordination properties of dipyrromethane- and bipyrrole-based ligands. // V-th International Conference on Porphyrins and Phtalocyanines (ICPP-5). Moscow, Russian Federation, July 6-11, 2008. P. 278.

11. Kolesnikov G.V., Tananaev I.G., Khrustalev V.N., Katayev E.A. Theoretical and experimental study of ReO4 and TcO4 anion complexation by neutral macrocylic receptors. // International Summer School «Supramolecular Systems in Chemistry and Biology». Tuapse, Russian Federation, September 28 – October 2, 2008. P. P-36.

12. Kolesnikov G.V., Tananaev I.G., Khrustalev V.N., Katayev E.A. Theoretical and experimental study of ReO4 and TcO4 anion complexation by neutral macrocylic receptors. // Международный Симпозиум по Сорбции и Экстракции. Владивосток, Российская Федерация, сентябрь 29 – октябрь 4, 2008. С. 202-203.

13. Kolesnikov G.V., German E.K., Tananaev I.G., Khrustalev V.N., Katayev E.A. Coordination of perrhenate and pertechnetate by macrocyclic receptors. // 6-th International Symposium on Technetium and Rhenium. Port Elizabeth, South Africa, October 7-10, 2008. P. 45.

14. Kolesnikov G.V., Askerov R.K., Khrustalev V.N., Katayev E.A., Maharramov A.M., Antipin M.Yu., Timofeeva T.V. Theoretical and experimental study of ReO4 and TcO4 anion complexation by neutral macrocyclic receptors. // Eighth International Conference on Methods and Applications of Radioanalytical Chemistry (MARC VIII). Kailua-Kona, Hawaii, USA, April 5-10, 2009. P. 120.

15. Kolesnikov G.V., Tananaev I.G., German K.E., Katayev E.A. Dipyrromethane based ligands for pertechnetate binding. // 4-th International Symposium on Macrocyclic and Supramolecular Chemistry (ISMSC-2009). Maastricht, the Netherlands, June 21-25, 2009. P. 199.

16. Kolesnikov G.V., Tananaev I.G., German K.E., Katayev E.A. Experimental proof for pertechnetate binding with macrocyclic ligands. // V-th International Symposium «Design and Synthesis of Supramolecular Architectures». Kazan, Russian Federation, October 12-16, 2009.

P. 121.

17. Колесников Г.В., Катаев Е.А., Герман К.Э., Тананаев И.Г. Молекулярное распознование оксоанионов органическими лигандами. // VI Российская Конференция по Радиохимии «Радиохимимия-2009». пос. Поведники, Российская Федерация, октябрь 12-16, 2009. C. 255.

18. Колесников Г.В., Лавров Г.В., Катаев Е.А., Хрусталев В.Н., Герман К.Э., Тананаев И.Г., Устынюк Ю.А. Новые макроциклические рецепторы на пертехнетат- и перренат-ионы. // V Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН «Физикохимия», секция «Физикохимия нано- и супрамолекулярных систем». г. Москва, Российская Федерация, ноябрь 29-30, 2010. C. 38.

19. Katayev E.A., Schmid M.B., Kolesnikov G.V. Control of coordination and covalent self assembly. // Symposium in Supramolecular Chemistry. Essen, Germany, February 24-25, 2011.

P. 9.