Новые олигопиррольные макроциклические анионные рецепторы амидо-иминного типа с расширенной внутренней полостью.

На правах рукописи

Боев Николай Викторович Новые олигопиррольные макроциклические анионные рецепторы амидо-иминного типа с расширенной внутренней полостью.

Специальность 02.00.03 – органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2007

Работа выполнена в лаборатории Ядерного Магнитного Резонанса кафедры органической химии Химического факультета Московского Государственного Университета им М. В. Ломоносова.

Научный консультант:

Доктор химических наук, профессор Устынюк Юрий Александрович

Официальные оппоненты: Доктор химических наук, профессор Варламов Алексей Васильевич Доктор химических наук, главный научный сотрудник Ковалев Владимир Васильевич

Ведущая организация: Институт элементоорганических соединений РАН им. А.Н. Несмеянова

Защита состоится 14 ноября 2007 г в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.69 по химическим наукам при МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу:

119992, Москва, Ленинские горы, д. 1. строение 3, Химические факультет, аудитория 337.

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

Автореферат разослан 8 октября 2007 г.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Распознавание и селективное связывание различных анионов в разных средах стало одним из основных направлений современной координационной химии, поскольку задачи такого рода являются ключевыми в решении многих биохимических, аналитических и прикладных проблем. К их числу относятся, например, изучение связывания и транспорта фосфат- и пирофосфат-анионов, а также сульфат-, фторид- и нитрат-анионов в живых системах, что исключительно важно для биомедицины, детектирование и связывание фосфат-, нитрат- и арсенат-ионов в задачах экологического мониторинга и охраны окружающей среды. Селективное связывание и извлечение сульфат-аниона в присутствии больших концентраций нитрата – одна из самых трудных задач в создании эффективных технологий переработки и захоронения радиоактивных отходов низкой активности (МАО) с использованием стеклования в блоки, а связывание и экстракция пертехнетат-иона TcO4- – одна из центральных проблем при переработке отработанного ядерного топлива. Поэтому создание эффективных и высокоселективных искусственных анионных рецепторов является актуальной задачей, в решение которой вовлечены десятки крупных научных коллективов многих стран мира. Объем научных публикаций в этой области стремительно растет (см., например Coordination Chemistry Reviews, 250, № 23-24, 2917-3244, 2006) Среди созданных к настоящему времени искусственных анионных рецепторов различных типов особый интерес представляют незаряженные макроциклы, в которых связывание аниона во внутренней полости осуществляется за счет образования им нескольких водородных связей с протонодонорными группами высокой кислотности.

Среди них наиболее эффективны NH-группы пиррольных ядер и CONH-амидные группировки. Макроциклические рецепторы открывают возможность селективного извлечения целевых анионов из водных растворов в органическую фазу, могут применяться в качестве активных центров анионных сенсоров и переносчиков анионов в биологических системах. В лаборатории ЯМР Химического факультета МГУ разработан оригинальный и эффективный подход к созданию таких рецепторов, основанный на открытом в этом коллективе анионном темплатном эффекте в реакции азометиновой циклоконденсации12. Настоящая работа развивает это перспективное направление.

Цели работы.

Основная задача работы - создать гибридные макроциклические рецепторы амидо иминного типа с повышенным размером внутренней полости, и за счет этого увеличить константы связывания ими тетраэдрических анионов не менее чем на порядок по сравнению с известными системами. Решение этой задачи было разделено на несколько этапов:

а). Разработка препаративных методов синтеза диамидов дикарбоновых кислот пиррольного, дипиррольного и дипиррометанового рядов, необходимых в качестве исходных строительных блоков.

б). Синтез представительной серии гибридных макроциклов на основе названных выше диамидов с различными размерами внутренних полостей.

в). Измерение методами спектрофотометрического и ЯМР титрования констант связывания различных анионов синтезированными макроциклами.

г). Выявление закономерностей, связывающих структуру макроциклов с селективностью и эффективностью связывания анионов.

Научная новизна и практическая значимость работы.

• Отработаны удобные препаративные методики синтеза дикарбоновых кислот пиррольного, дипиррольного и дипиррометанового рядов и ряда их производных, в том числе «клешнеобразных» диамидов.

• Впервые синтезирована большая серия гибридных амидо-иминных макроциклов с различными амидопиррольными фрагментами в циклах, что позволило в широких пределах варьировать их структурные характеристики (размер внутренней полости, конформацию, количество и локализацию эндоциклических протонодонорных групп).

• Методами спектрофотометрического титрования измерены константы связывания представительной серии анионов полученными макроциклами.

Установлено, что целенаправленное изменение их геометрии и конформационной лабильности позволяет на порядок улучшить эффективность J. L. Sessler, E. Katayev, G. D. Pantos, P. Scherbakov, M. D. Reshetova, V. N. Khrustalev, V. M. Lynch, and Yu. A. Ustynyuk. J. Am. Chem. Soc., vol 127, No. 32, 2005, 11442-11446.

E. A. Katayev, G. D. Pantos, M. D. Reshetova, V. N. Khrustalev, V. M. Lynch, Yu. A. Ustynyuk, J. L.

Sessler. Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 7386-7390.

и селективность связывания различных тетраэдрических анионов. Таким образом, показано, что такие гибридные амидо-иминные макроциклы представляют собой новое поколение эффективных искусственных анионных рецепторов.

Полученные соединения могут найти применение в качестве анионных сенсоров, переносчиков анионов в органическую фазу и при решении других аналитических и прикладных задач. Использованный в работе синтетический подход к созданию гибридных макроциклов гибок и универсален, и может быть применен для решения других аналогичных задач в химии искусственных анионных и катионных рецепторов.

Работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 99-03-32792, 02-03 32101, 05-03-32684) Апробация работы.

Материалы данной работы были представлены на российских и международных конференциях: Современные направления металлоорганической и высокомолекулярной химии (Москва, 2004), Международная конференция по химии гетероциклических соединений, посвященная 90-летию со дня рождения А.Н. Коста (Москва, 2005), Международный симпозиум «Дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур» (Казань, 2006), Third US Department of Energy-Russian Academy of Sciences Workshop on Basic Actinide Chemistry (Monterey, USA, 2006), Всероссийская конференция «Радиохимия-2006» (Дубна, 2006).

Публикации.

По данной работе опубликованы 3 научных работы и 9 тезисов научных конференций.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Ее объем составляет 102 стр. машинописного текста, она содержит 56 рисунков и таблиц. Список цитируемой литературы содержит 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Литературный обзор состоит из 2 частей. Первая посвящена современным тенденциям в разработке анионных рецепторов на основе производных амидопирролов. Во второй освещены особенности синтетической и координационной химии макроциклических оснований Шиффа на основе производных пиррола.

Синтез макроциклических системам амидо-иминного типа, обоснование выбора строительных блоков.

Наиболее эффективными связывающими группами в анионных макроциклических рецепторах выступают амидные CONH группы, а также NH-группы пиррольных и имидазольных ядер, образующие прочные водородные связи с анионами.

Особое положение в таких рецепторах занимают иминные фрагменты оснований Шиффа, обладающие двойственной природой. Они могут образовывать водородные связи с протонодонорными группами субстратов как доноры электронной пары, но при протонировании в кислых средах превращаются в хорошие протонные доноры, образующие водородные связи со многими анионами. Несомненное преимущество макроциклических иминов заключается в легкости их синтеза в катализируемой кислотами Брэнстеда циклоконденсации Шиффа при использовании таких анионов, которые способны проявлять в этой реакции темплатный эффект. Это открывает заманчивые перспективы сборки высокоселективных рецепторов из укрупненных строительных блоков, большая серия которых ранее была получена в нашей лабораториии. Среди них следует особо выделить производные дипирролилметанового (А), бипиррольного (Б), терпиррольного и трипирранового рядов (В,Г), а также амидов 2-пирролкарбоновых кислот.(Д) (рис.1). Все они содержат сразу две или большее число «активных» сонаправленных NH-связей, способных одновременно связываться с одним атомом кислорода, входящим в состав оксоанионов. Использование таких блоков при построении макроциклов позволяет варьировать важнейшие для анионного связывания параметры – размер внутренней полости, конформационную жесткость, количество и взаимное расположение связывающих протонодонорных центров.

NH HN N N O H H А Б N N H R N H H N Д H NH HN NH HN В Г Рис. Из данных табл.1, где приведены объемы ряда анионов и плотности поверхностного заряда для них, следует, что оптимальные размеры полостей макроциклов при их связывании существенно отличаются, что открывает путь для достижения высокой селективности. Однако размер полости не является единственным фактором, определяющим значение константы связывания. Не менее важное значение имеют геометрия расположения доноров водородной связи, а также их природа.

Таблица 1. Объемы некоторых анионов и плотности поверхностного заряда.

Cl- NO3- SO42- PO43- ClO4- ReO4- TcO4 Анион Объем (3) [3] 24.8 24.0 51.0 56.5 57.9 73,6 73, 1000•n/S(An-) 24.3 24.8 30.1 42.1 13.8 11.8 11. В качестве основной схемы сборки рецепторов в работе использована следующая последовательность: на предварительных этапах осуществляется синтез укрупненных строительных диальдегидных и диаминных блоков-предшественников с необходимым числом связывающих групп на нужных расстояниях между ними, которые соединяются на последней стадии в целевой макроцикл с помощью циклокондесации Шиффа.

Олигопиррольный Олигопиррольный фрагмент Олигопиррольный фрагмент фрагмент O O O O N N NH 2 H 2N H 2N NH NH HN NH 2 H 2N O O NH HN Олигопиррольный фрагмент OH OH O O Олигопиррольный O фрагмент O Олигопиррольный фрагмент Рис. 2 Ретросинтетический анализ амидо-иминных макроциклов Получение исходных кислот и альдегидов.

Для синтеза амидо-иминных макроциклов необходимы,’-дикарбоновые кислоты и диальдегиды пиррольного, дипиррольного и дипиррометанового рядов. Мы разработали пути синтеза таковых, используя в качестве стартовых соединений 3 метил-4-фенил-2-этоксикарбонилпиррол 1 и 3-метил-4-н-пропил-2-этоксикарбонил пиррол 2, которые легко синтезировать из коммерчески доступных соединений по Y. Marcus, H. D. Brook Jenkins, L. Glasser, J. Chem. Soc., Dalton. Trans., 2002, 3795.

реакции Бартона-Зарда, наиболее удобной для синтеза пирролов, незамещенных по положению.

COOEt COOEt N N H H 1 Большинство -пирролкарбоновых кислот склонны к декарбоксилированию в кислой среде и при нагревании. Введение фенильного заместителя в соседнее с карбоксильной группой -положение повышает устойчивость полученных кислот, поэтому соединение 1 было использовано для синтеза дикарбоновых кислот 3-5 (см. схему). Они, а также синтезированная по известному методу 3,4-диметилпиррол-2,5-дикарбоновая кислота 6, были использованы в дальнейших синтезах.

Ph Ph Me 2 CO HN NH MeSO 3 H/CH 2 Cl Ph COOEt EtOOC Ph COOEt N H PhCHO Ph Ph MeSO 3H/CH 2 Cl2 HN NH COOEt EtOOC Ph Ph Ph (COOt-Bu) 2O/DMAP KI3 / Na 2CO I COOEt I COOEt COOEt N CH 2 Cl N N MeOH H H COOt-Bu Ph Ph Ph Ph CF 3COOH Cu EtOOC COOEt DMF EtOOC COOEt N CH 2Cl2 N N N H H COOt-Bu COOt-Bu NaOH X X HOOC COOH EtOOC COOEt THF/MeOH/H 2 O 3- Ph Ph Me Ph Me Ph Ph Ph Ph X= N N N HN NH HN NH H H H (3) (5) (4) (6) Схема В отличие от дикарбоновых кислот на основе пиррола, для которых критически важным для нашей работы свойством является устойчивость к декарбоксилированию, для альдегидных строительных блоков приоритетно обеспечение высокой растворимости в органических растворителях. По литературным данным незамещенные по -положениям альдегиды на основе пиррола и макроциклы, получаемые из них, как правило, малорастворимы в большинстве органических растворителей. Использование пиррола 2 в качестве синтетического предшественника для получения диальдегидных строительных блоков приводит к хорошо растворимым продуктам 7-9 (см. схему).

O O или H R1 R N COOEt CF 3SO 3 H NH HN COOEt EtOOC NaOH, MeOH+H 2O R 1 R2 HC(OEt)3 R1 R TFA NH HN HN NH NaOOC COONa O O 7 R = толил R 2 = H 8 R 1 = Me R 2 = Me (COOt-Bu)2O/DMAP KI3 / Na 2 CO I COOEt I COOEt COOEt N CH 2Cl N N MeOH H H COOt-Bu CF 3COOH Cu EtOOC COOEt DMF EtOOC COOEt N CH 2 Cl2 N N N H H COOt-BuCOOt-Bu 1) NaOH, ethylene glycol, 2) DMF, POCl3 OHC CHO N N H H Схема Таким образом, удалось получить различные по структурному типу дипиррольные строительные блоки для дальнейшего синтеза макроциклических азометинов. Следует отметить также важное отличие между моно- и бис-мезо-замещенными дипирролилметанами (3,8) и (4,7) соответственно – это способность соединений 4 и 7 к окислению в соответствующие дипиррометиновые системы, что позволяет варьировать как конформационные особенности конечного лиганда, так и количество активных NH групп для связывания анионов. Еще одна важная особенность использованного подхода – возможность при необходимости менять заместители в 3 и 4 положениях пиррольного кольца для дальнейшей функционализации боковой цепи полученных конечных продуктов, что открывает широкие возможности для дальнейшего создания аналитических реагентов (сорбенты, сенсоры). Суммарные выходы всех полученных соединений приведены в таблице 2.

Таблица Ph Ph Ph Ph Строительный Ph Ph Ph HN HOOC NH COOH NH HN N N блок H H COOH HOOC COOH HOOC 3 Количество стадий 2 2 Суммарный выход 63 67 NH HN Строительный O O OHC CHO блок NH HN N N H H O O Количество стадий 3 3 Суммарный выход 83 74 Диаминные строительные блоки-предшественники По литературным данным для полученных пирролдикарбоновых кислот 3- существует ряд способов активации карбоксильной группы для дальнейшего получения амидов, которые, в общем, можно разделить на две группы – через хлорангидриды по реакции с оксалилхлоридом или тионилхлоридом («жесткие») и более мягкие способы с привлечением методов пептидного синтеза.

За счет использования «мягкого» метода мы получили желаемые диамино диамиды на основе о-фенилендиамина. На первой стадии вводили 2 меркаптотиазолильную группу, которую затем с высокими выходами замещали в реакции с о-фенилендиамином, получая продукты 10-13.

S NH S X DCC, HOBt O O N NH H X HOOC COOH N N THF CH 2Cl S S S S X O O NH HN NH2 H 2N 10- Схема Таблица Продукт Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph O O O O N N O O O O N N N N N H H H H H H H NH HN HN NH HN HN NH NH NH2 H2N H2N NH H2N H2N NH2 NH 12 10 Выход, % 44 38 62 Соединения 10-13 в дальнейшем были основными строительными блоками для получения макроциклических оснований Шиффа.

Для соединений 3,5,6 также удалось получить хлорангидриды с приемлемыми выходами, а дальнейшая их реакция со значительным избытком алифатического диамина приводила к диаминам-диамидам 14-17.

H2N NH X O O (COCl)2 n X HOOC COOH CH2 Cl2 Cl Cl THF X O O NH HN n n NH2 H2N n=2, 14- Схема Таблица Продукт Ph Ph Ph Ph O O O O O O O O N N N N N N H H H H H NH HN H NH HN HN NH HN NH NH2 H2N NH2 H2N NH2 H2N NH2 H2N 14 16 Выход, % 70 85 62 Сборка макроциклических гетеродентатных лигандов на основе диформилбипиррола 9.

Развивая анион-темплатный метод сборки макроциклических лигандов из диаминных и диформильных строительных блоков с использованием [2+2] конденсации Шиффа, описанный для производных бипиррола4,3, дипирролилметана5,2 и дифенилметана6 в присутствии азотной, соляной, серной и борной кислот соответственно, мы изучали реакцию диаминов 10-13 с диформилбипирролом 9 в различных условиях. В отличие от схожей реакции конденсации2, использование серной и фосфорной кислот не приводило к желаемому результату и наблюдалось преимущественное образование олигомерных продуктов.

Реакция 13 с 9 протекает в присутствии практически любой кислоты, но наибольший выход (72%) и чистота продукта [1+1] конденсации 18 достигается при использовании соляной кислоты. Маленькая по размеру внутренняя полость этого макроцикла со сферически-симметричным расположением внутренних протонов способна связывать только маленький хлорид-анион, что приводит к образованию 18*HCl.

J. L. Sessler, T. D. Mody, V. Lynch, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 3346- Sessler, J. L.;

Cho, W.-S.;

Dudek, S. P.;

Hicks, L.;

Lynch, V. M.Huggins, M. T. J. Porphyrins Phthalocyanines 2003, 7(2), 97-104.

H. Shimakoshi, H. Takemoto, I. Aritome, Y. Hisaeda, Tetrahedron Lett., 2002, 43, p. 4809.

O O O NH2 N OHC NH H NH HN HN HCl NH + N N MeOH H HN NH N NH O NH2 OHC Схема Данные рентгеноструктурного анализа 18*HCl показали (рис. 3), что расположенный по центру атом хлора находится на некотором расстоянии от плоскости цикла и координирован с шестью внутренними протонами. Длины всех водородных связей близки к 2.5.

Рис. 3 Структура 18*HCl по данным РСА По данным УФ-титрования 18 связывает большинство анионов (F-, Cl-, OAc-, H2PO4-, HSO4-) с константами порядка 105-106 М-1 (здесь и далее УФ-титрование проводилось тетрабутиламмониевыми солями соответствующих анионов в ацетонитрильном растворе с концентрацией лиганда около 10-5 М). Столь низкая селективность по отношению к оксо-анионам объясняется малым размером внутренней полости. Действительно, по данным РСА для комплекса 18 с ацетат-анионом (рис. 4) эндоциклические протоны макроцикла образуют водородные связи только с одним из атомов кислорода карбоксильной группы. Очевидно, таким же образом связываются и другие оксо-анионы.

Рис. 4 Комплекс [18*OAc]- по данным РСА Реакцию диаминов 10-12 с диформилбипирролом 9 с образованием макроциклических продуктов [1+1] конденсации 19-21 удалось с наибольшим выходом осуществить в присутствии азотной кислоты.

Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph HN NH O N NH HN N O H H O O O O NH HN NH HN NH HN NH 2 H2N H2N NH NH2 H2N 12 10 Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph N NH HN NH O HN HN O H O O O O NH HN NH NH HN HN N N N N N N NH HN NH HN NH HN 19 20 Схема Внутренние полости достаточно большого размера в этих макроциклах придают им способность связывать малые полярные молекулы в качестве гостей. Так, согласно данным рентгеноструктурного анализа комплекса 19*4ДМСО (рис. 5) в каждом из двух бипиррольных фрагментов приррольные кольца повернуты в анти-положении относительно друг друга, и каждая пиррольная NH-группа координируется с одной молекулой растворителя.

Рис. 5 Структура 19*4ДМСО по данным РСА По данным УФ-титрования лиганд 19 оказался высокоселективным по отношению к сульфат-аниону, связывая два эквивалента HSO4- (К1 =1.4*107 М-1, К2 =1.2*104 М-1) (рис. 6). Несколько слабее этим лигандом связываются ацетат- (К=2.2*106) и фосфат анионы (К=6.2*105). Макроциклы 20 и 21 оказались практически нерастворимы в ацетонитриле, поэтому изучить связывание анионов ими в таких же условиях не удалось.

Рис. 6 УФ-спектры и кривая титрования 19 сульфатом тетрабутиламмония в ацетонитриле Реакция 19 с гидросульфатом тетрабутиламмония приводит к комплексу Bu4N[19*HSO4]. Данные РСА (рис 7) для этого комплекса показали, что введение аниона в макроциклическую полость существенно меняет конформацию макроцикла по сравнению с наблюдавшейся в случае комплекса с ДМСО. Внутренние протоны макроцикла при этом координируют находящийся практически полностью внутри цикла сульфат-анион, а все пиррольные NH-связи ориентированы внутрь макроциклической полости.

Рис. 7 Структура [19*HSO4]- по данным РСА Данный рецептор обладает наибольшей сульфат/фосфат селективностью из всех макроциклов амидо-иминного типа.

Сборка макроциклических гетеродентатных рецепторов на основе диформилдипирролилметана 7.

Реакция диаминов 10-13 с диформилдипирролилметаном 7 была изучена в присутствии различных минеральных кислот (HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4, CH3COOH и CF3COOH). При этом в присутствии серной кислоты реакция протекает с ярко выраженным темплатным эффектом и в случае аминов 14-16 с высокими выходами (80 90%) образуются соответствующие макроциклы 22-24. Следует отметить, что во всех случаях промежуточно образуются устойчивые сернокислые соли, в которых сульфат анион прочно координирован во внутренней полости лиганда. В случае соединений и 24 растворимость сульфатов оказалась очень низкой, а соль 23*H2SO4 удалось охарактеризовать методом рентгеноструктурного анализа. За счет темплатного эффекта удается получить макроцикл 24 в виде сернокислой соли чистого цис-изомера, малорастворимой в большинстве органических растворителей. Транс-изомер этого соединения также в значительном количестве присутствует в смеси по данным масс спектров, но его сернокислая соль растворима значительно лучше. Макроцикл образовывался также при реакции в присутствии трифторуксусной кислоты, но его устойчивый комплекс с анионом кислоты не удалось выделить. В случае конденсации диамина 13 с диальдегидом 7 в присутствии как серной, так и других кислот, образовывались смеси продуктов [1+1], [2+2] и [3+3] конденсации (по данным масс спектров).

Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph NH HN O N NH HN N O H H O O O O NH HN NH HN NH HN NH2 H2N NH2 H2N NH2 H2N 12 10 Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph N HN O NH HN O HN NH H O O O O NH HN NH HN NH HN N N N N N N HN NH HN NH HN NH p-Tol p -Tol p -Tol 22 23 Схема Все три соединения 22-24 в депротонированных формах были охарактеризованы методам РСА. Основные структурные характеристики этих соединений приведены в таблице 5.

Таблица Межатомные расстояния()/ 22•2H2O 23•4ДМСО 23•H2SO4 24•4ДМСО Соединение Расстояние между противоположными d(N1-N4) = 5.18 d(N1-N4) = 4.79 d(N1-N4) = 5.62 d(N1-N4) = 4. пиррольными d(N5-N8) = 5.35 d(N5-N8) = 4.73 d(N5-N8) = 5.62 d(N5-N8) = 4. атомами азота Расстояние между противоположными d(N3-N6) = 8.16 d(N3-N6) = 8.68 d(N3-N6) = 6.48 d(N3-N6) = 8. атомами азота d(N2-N7) = 8.87 d(N2-N7) = 8.76 d(N2-N7) = 6.84 d(N2-N7) = 8. фенилендиамина Расстояние между координированными d(O1W-O2W) = d(O3-O4) = 5.02 d(O3-O5) = 2.42 d(O3-O4) = 4. внутри макроцикла 2. атомами кислорода Расстояние между мезо-атомами углерода в - 5.21 7.09 5. дипирролилметановх фрагментах Рис. 8 Структуры комплексов 22-24 с кислородсодержащими молекулами по данным РСА.

22•2H2O 23•2ДМСО 23•H2SO 24•2ДМСО Как следует из структурных данных всех полученных соединений, они с легкостью образуют комплексы с кислородсодержащими малыми молекулами (ДМСО, вода, сульфат-анион) и их кристаллизация практически невозможна без включения полярных малых молекул во внутреннюю полость, так как они фиксируют конформацию макроцикла за счет комплексообразования.

Бипиррол-содержащий лиганд 22 сокристаллизуется с двумя «мостиковыми» молекулами воды между противоположными пиррольными кольцами, которые попарно-противоположно ориентированы в разные стороны от плоскости макроцикла.

На примере соединения 23, которое охарактеризовано как в виде комплекса с ДМСО, так и в виде анионного комплекса, отчетливо видно влияние координации с анионом на конформацию всей молекулы. Если в комплексе с координированными внутри двумя молекулами ДМСО две различные половины макроциклической молекулы координируются по атомам кислорода независимо друг от друга, то в случае жесткой координации со всеми четырьмя атомами кислорода сульфат-аниона она находится в характерной чашеобразной конформации.

Лиганд 24 образует комплекс с ДМСО подобно 23, но в нем расстояние между противоположными о-фенилендиаминовыми фрагментами больше, а ароматические мезо-заместители, расположенные в цис-положении по отношению друг к другу, выступают в роли конформационных якорей. Таким образом, внутренняя полость в этом лиганде самая маленькая при достаточно высокой структурной жесткости.

На основании данных УФ-титрования было показано, что соединения 22-24 по разному связывают различные типы анионов. Так, бипиррол-содержащий лиганд 22 с наибольшей внутренней полостью обладает очень высоким сродством к сульфат аниону (К=2700000 М-1) и селективностью сульфат/фосфат. Он способен связывать даже значительно более крупный перренат-анион, что ранее не наблюдалось для рецепторов такого типа.

B 1, 0, 1, 0, 1, 0,10 Data: Data3_B 1, Model: UV1to1full Weighting:

0, 0, delta A y No weighting A Chi^2/DoF = 2.4373E- 0, 0, R^2 = 0. 0,4 0,04 S0 0.00002 ± pm 1 ± 0,2 d 5893.35568 ±41. 0, K 2782446.41333±499748. 0, 0, -0, -0,000020,00000 0,00002 0,00004 0,00006 0,00008 0,00010 0,00012 0,00014 0, 250 300 350 400 450 [HSO4-] [nm] Рис. 9 УФ-спектры и кривая титрования лиганда 22 сульфатом тетрабутиламмония Лиганд 23 преимущественно связывает промежуточные по размерам и плотности поверхностного заряда фосфат- и ацетат-анионы с константами порядка М-1, а макроцикл 24 с наименьшей внутренней полостью наиболее селективен к хлорид- и бромид-анионам ( константы порядка 105 М-1).

Полученные константы связывания анионов для всех соединений 22- приведены в таблице 6.

Таблица анион/лиганд 22 23 Cl- 32 000±600 4100±200 281 000±30 c Br- 9000±800 106 000±10 CH3COO- 2 400 000±170 000b 4 100 000±250 000b 72 000± HSO4- 2 700 000±500 000 18 700±1000 2100± H2PO4- 360 000±40 000 850 000±150 000 147 000±18 ReO4- c c 124 000± а Значения величин R2, полученных при аппроксимации кривых титрования, лежат в диапазоне 0.98 b 0.99. Значение константы определено по данным титрования на основе конкурентного связывания с фосфатом с Заметного изменения в спектре УФ не наблюдалось при добавлении соответствующей соли аниона.

Результаты, представленные в этом разделе показывают, что модификация скелета олигопиррольных макроциклов позволяет варьировать селективность по отношению к различным классам анионов за счет конформационных свойств лиганда даже при одинаковом количестве «активных» связывающих центров.

Выводы 1. Отработаны удобные препаративные методики синтеза дикарбоновых кислот пиррольного, дипиррольного и дипиррометанового рядов и ряда их производных, в том числе диамидов.

2. Впервые синтезирована большая серия гибридных амидо-иминных макроциклов с различными амидопиррольными фрагментами, что позволило в широких пределах варьировать их структурные характеристики (размер внутренней полости, конформацию, количество и локализацию эндоциклических протонодонорных групп).

3. Методами спектрофотометрического и ЯМР-титрования измерены константы связывания представительной серии анионов полученными макроциклами.

Установлено, что целенаправленное изменение их геометрии и конформационной лабильности позволяет на порядок улучшить эффективность и селективность связывания различных тетраэдрических анионов. Таким образом показано, что такие гибридные амидо-иминные макроциклы представляют собой новое поколение эффективных искусственных анионных рецепторов.

Основное содержание работы

отражено в следующих публикациях:

Evgeny A. Katayev, Nikolay V. Boev, Victor N. Khrustalev, Yuri A. Ustynyuk, I. G.

• Tananaev, and Jonathan L. Sessler. Bipyrrole- and Dipyrromethane-Based Amido imine Hybrid Macrocycles. New Receptors for Oxoanions.// J. Org. Chem., 72, № 8, 2886–2896, 2007.

Н.В. Боев, Ю.А. Устынюк. Синтез новых пинцетных полидентатных лигандов • амидо-аминного типа. //ЖОрХ., 43, № 2, 303–309, Е.А. Катаев, Н.В. Боев, Г.В. Колесников, В.Н. Хрусталев, И.Г. Тананаев, Ю.А.

• Устынюк, Б.Ф. Мясоедов. Сенсоры на тетраоксаанионы на основе олигопиррольных лигандов. //Радиохимия-2006, сборник тезисов, Дубна, 2006, с.147.

Evgeny A. Katayev, Nikolay V. Boev, G. Dan Pantos, Yuriy A. Ustynyuk, Victor N.

• Khrustalev, Jonathan L. Sessler. New polypyrrole macrocycles for binding of tetrahedral oxyanions. //J. Porph. Phtaloc., 10, 703, 2006.

E.A. Katayev, N.V. Boev, V.V. Rozniatovskiy, M.D. Reshetova, N.E. Borisova, and • Yu.A. Ustynyuk. New heterotopic aza-macrocycles for extraction and separation of actinides, lantanides, and technetium from radioactive wastes. //Third US Department of Energy-Russian Academy of Sciences Workshop on Basic Actinide Chemistry 2006, Monterey, USA.

E.A. Katayev, N.V. Boev, E. N. Mishkovskaya, Yu.A. Ustynuyk. New approach for • design and anion-controlled synthesis of highly selective receptors. //IVth International Symposium Design and Synthesis of Supramolecular Architectures, Kazan, Russia, 2006, Book of Abstracts, p. 33.

E.N. Mishkovskaya, E.A. Katayev, N.V. Boev, Yu.A. Ustynyuk. Pyrrole-containing • polyamide macrocycles for binding phosphate anions. //IVth International Symposium Design and Synthesis of Supramolecular Architectures, Kazan, Russia, 2006, Book of Abstracts, p. 120.

N.V. Boev, E.A. Katayev, V.N. Khrustalev, Yu.A. Ustynyuk. Oligopyrrolic • macrocycles of amido-imine type on the basis of 5,5’-diformyl-2,2’-bipyrrole derivatives. //IVth International Symposium Design and Synthesis of Supramolecular Architectures, Kazan, Russia, 2006, Book of Abstracts, p. 61.

N.V. Boev, E.A. Katayev, V.N. Khrustalev, Yu.A. Ustynyuk. Oligopyrrolic • macrocycles of amido-imine type on the basis of 5,5’-diformyl-2,2’-dipyrromethane derivatives. //IVth Internation Symposium Design and Synthesis of Supramolecular Architectures, Kazan, Russia, 2006, Book of Abstracts, p. 62.

Н.В. Боев, Е.А. Катаев, М.Д. Решетова, Ю.А. Устынюк. Новые амиды пиррол- и • дипирролдикарбоновых кислот в дизайне анионных рецепторов.

//Международная конференция по химии гетероциклических соединений, посвященная 90-летию со дня рождения А.Н. Коста, Москва, 2005, с. 126.

Yuri A. Ustynyuk, Marina D. Reshetova, Natalia E. Borisova, Evgeny A. Kataev, • Nikolai V. Boev, Vladimir V. Roznyatovsky, Oleg V. Yazev, Dmitri D. Laikov, Igor P.Gloriozov, Grigory G. Alexandrov, Igor L. Eremenko and Ilya I. Moiseev. New types pg bi- and polynuclear complexes of transition metals with macrocyclic ligands.

Experimental and theoretical DFT study of polydentate macrocycle ligands. //Modern trends in organometalllic and polymer chemistry. Book of abstracts. Moscow, 2004.