Биосенсорные материалы на основе полимерных пленок с иммобилизованными производными краун-эфиров (стр. 2 )

Валиномицин. Валиномицин – это циклодепсипептид, образующий с одновалентными катионами (предпочтительно с К+) комплекс со стехиометрией 1:1. Структура комплекса напоминает ячейку, в центре которой находится ион калия, стабилизированный взаимодействием карбонилами эфирных групп. Комплекс К+ - валиномицин является гидрофобным ионом и с легкостью проникает через бислой. С помощью этого ионофора можносоздавать калиевый диффузионный потенциал на мембране везикул, концентрация К+ в которых отличается от концентрации снаружи. В системе, где трансмембранный потенциал создается с помощью какого-либо активного процесса, К+ - валиномицин будет устранять электрическую составляющую ΔΨ, не влияя непосредственно на величину ΔрН.

Нигерцин и моненсин. Нигерцин и моненсин – это полиэфиры, имеющие одну отрицательно заряженную карбоксильную группу. Как и валиномицин, они образуют комплексы с одновалентными каионами в стехиометрии 1:1, но эти комплексы электронейтральны. Нигерцин селективно связывает К+, а моненсин – Na+. Эти ионовфоры также могут с успехом проникнуть через бислой в нейтральной протонированной форме, поэтому их используют для ускорения обмена H+ на Na+ (моненсин) или H+ на К+ (нигерцин) через мембрану. Добавление рассматриваемых ионофоров к везикулам приводит к выравниванию градиентов H+ и Na (или К+). Чаще всего их применяют для рассеивания ΔрН на мембране. Поскольку при суммарной реакции обмена сохраняется нейтральность, на ΔΨ это прямым образом не сказывается.

А23187. Этот катионный переносчик содержит заряженную карбоксильную группу и с высокой избирательностью связывает двухвалентные катионы. Обычно А23187 используют как Са2+ - ионофор. Вероятно, при своей работе этот ионофор образует растворимый в бислое нейтральный комплекс, состоящий из двух молекул А23187 и одной молекулы Са2+; существование таких комплексов со стехиометрией 2:1 доказано экспериментально.

Грамицидин. Грамицидин представляет собой линейный пептид, состоящий из 14 чередующихся аминокислот. В гидрофобном окружении (например, в неполярных растворителях) он способен образовывать a-спираль. Две таких спиральных молекулы грамицидина совместно образуют "цилиндр", пронизывающий насквозь липидный бислой биомембран и являющийся каналом для переноса различных одновалентных катионов.

Макроциклические соединения широко распространены в природе. Они ответственны за целый ряд химических процессов, протекающих в живой материи, таких как фотосинтез, транспорт атмосферного кислорода в клетки, транспорт ионов через мембраны, ферментативные превращения. Важнейшей особенностью этих процессов является селективность взаимодействий «гость-хозяин». В процессе развития органической химии были получены синтетические макроциклы. Одним из успешных примеров таковым соединениям является синтез Педерсеном [40-42] макроциклических полиэфиров (краун-эфиров), способных селективно связывать катионы щелочных металлов, вызвал огромный интерес и явился толчком к бурному развитию макроциклической химии. Последующие успехи в синтезе макроциклических соединений [43,48] и изучении комплексообразования в системах «гость-хозяин» заложили фундамент новой междисциплинарной области научных исследований – супрамолекулярной хими [49], находящейся в тесной связи с мембранологией. Важность этого направления заключается также в том, что синтетические макроциклы могут являться перспективными моделями широкого спектра природных макроциклов, что необходимо как в фундаментальных исследований, так и для развития прикладной науки.

1.1. Строение и химические свойства краун-эфиров в качестве синтетических аналогов природных макроциклов

Краун-эфиры (от англ. crown – корона) – крупные циклические молекулы (макроциклы), которые состоят из чередующихся этиленовых мостиков –СН2–СН2– и атомов кислорода. В некоторых случаях часть атомов О заменена атомами N или S. Форма таких молекул напоминает корону, что и определило их название (англ. crown – корона). Были впервые синтезированы в годах химиком Чарльзом Педерсеном (в общей сложности им было получено более 60 таких соединений) [47]. Эти соединения содержат в цикле более 11 атомов, из которых не менее 4 атомов – гетероатомы (в качестве гетероатомов могут выступать атомы азота, кислорода или серы, и, в зависимости от этого, различают азакраун-эфиры, тиокраун-эфиры и пр.). Это вязкие жидкости или кристаллические вещества; хорошо растворимы в большинстве органических растворителей (хлороформ, ацетонитрил, тетрахлорэтан и т. д.), слабо - в воде. В названии краун-эфиров содержатся две цифры: первая обозначает общее число атомов в цикле, а вторая – число атомов кислорода.

Рисунок 1.1.1 Строение молекулы бутадиенильного дитиа-краун-эфира [46]

Формально все краун-эфиры можно отнести к классу гетероциклических соединений, однако необычные свойства таких соединений позволили выделить их в самостоятельный класс, в связи с чем для составления названий были предложены специальные правила. Название содержит слово «краун», цифра перед этим словом обозначает общее число атомов в цикле, а цифра в конце названия указывает на количество гетероатомов O, N и S. В названии не указывают наличие в цикле атомов О (это подразумевается), но если в цикле есть иные гетероатомы (кроме кислорода), например, азот или сера, то их количество указывают, добавляя к названию приставки ди- или три-, а положение в цикле – с помощью числовых индексов, предварительно нумеруются все атомы в цикле.

Рисунок 1.1.2 Примеры структуры краун-эфиров

Краун-эфиры содержат фрагмент С–О–С, характерный для простых эфиров, а также могут включать фрагменты амина C–NH–C, или тиоэфира C–S–C. Характерное свойство этих классов соединений – образовывать комплексы за счет неподеленных электронных пар кислорода, азота и серы. Это свойство многократно усилено в краун-эфирах из-за большого числа гетероатомов в цикле, к тому же неподеленные электронные пары ориентированы внутрь цикла. В результате ионы щелочных и щелочноземельных металлов входят внутрь цикла, образуя прочные комплексы. Меняя величину цикла и, соответственно, размер внутренней полости, можно точно настроить краун-эфир на удерживание катиона определенного размера, например, 12-краун-4 наиболее прочно захватывает катион лития, 15-краун-5 соответствует по размеру катиону натрия, а 18-краун-6 «подходит по размеру» катиону калия.

Рисунок 1.1.3 Комплексы краун-эфиров с катионами щелочных металлов (пунктирными линиями показаны координационные связи)

У краун-эфиров склонность к «захвату» катионов выражена настолько сильно, что даже если катион не соответствует по размеру внутренней полости цикла, то все равно оказываются возможными варианты, при которых катион все же удерживается. Например, если катион по размеру много больше внутренней полости, то он может окружить себя двумя молекулами краун-эфира, образуя подобие бутерброда, если же ситуация обратная, то внутрь молекулы краун-эфира может поместиться два катиона. Подобные комплексы менее устойчивы, чем те, у которых размер катиона точно соответствует величине внутренней полости. [37]

Мерой устойчивости комплексов краун-эфиров с катионами металлов является константа устойчивости KS

KS = [LM+]/[L][M+],

отвечающая простейшей схеме комплексообразования:

L + M+ = LM+,

где [L], [M+] и [LM+] – концентрации свободного рецептора, катиона и комплекса соответственно.

Например, значение lg K для натриевого и калиевого комплексов дициклогексано-18-краун-6 равны соответственно 6,4 и 8,3, следовательно, при экстрагировании этим краун-эфиром раствора, содержащего равные концентрации ионов натрия и калия, на каждые 100 связываемых ионов калия будет приходиться только один ион натрия.

Введение дополнительных функциональных групп приводит к получению аналогов краун-эфиров с новыми свойствами. Так, например, были получены несколько типов переключаемых краун-эфиров, имитирующих природные вещества, осуществляющие перенос ионов щелочных металлов через клеточную мембрану (ионофоры). К pH-откликающимся ионофорам относится производное 18-краун-6, на конце боковой цепи которого располагается NH-группа. В нейтральной или слабощелочной среде это вещество образует с ионом калия обычный комплекс. При переходе в область с кислым pH аминогруппа протонируется, и аммониевый ион вытесняет катион калия из полости, образуя внутримолекулярный комплекс. Когда полученный аммониевый комплекс вновь попадает в нейтральную среду, содержащую избыток ионов калия, последний занимает место аммониевой группы, которая при этом депротонируется [21].

Краун-эфиры открыли новые горизонты в синтетической органической химии, с их помощью оказалось возможным вводить в растворенном виде (т. е. гомогенно), неорганические реагенты в органическую среду. Например, широко применяемый окислитель перманганат калия KMnO4 практически нерастворим в органических растворителях, но в присутствии 18-краун-6 он легко растворяется в бензоле, приобретая при этом высокую окисляющую способность. Причина в том, что в водном растворе анионы MnO4–, осуществляющие окисление, окружены водной сольватной оболочкой, а в бензольном растворе они как бы обнажены и потому высокоактивны.

Известно, что замена одного или нескольких атомов кислорода в краун-эфире на другие донорные атомы может существенно изменить способность лиганда связывать катионы металлов. Например, 1,10-дитиа-18-краун-6-эфир проявляет очень низкое сродство к катионам щелочных металлов по сравнению с 18-краун-6-эфиром, но в то же время образует намного более устойчивые комплексы с Hg2+ и Ag+ как в органических растворителях, так и в воде. Ранее были предприняты попытки использовать селективные свойства тиакраун-эфиров для создания фотопереключаемых лигандов и хромогенных реагентов для катионов тяжелых металлов. Было показано, что стириловые красители, содержащие фрагмент дитиа-15-краун-5- (1a) или дитиа-18-краун-6-эфира (1b), селективно связывают ионы Hg2+ в ацетонитриле; комплексообразование сопровождается гипсохромным эффектом, величина которого, однако, существенно ниже по сравнению с величиной, наблюдаемой при взаимодействии катионов щелочноземельных металлов с аналогичными системами на основе краун-эфиров.

n=1 (а), 2 (b)

Рисунок 1.1.4 Строение молекулы дитиа - краун - эфиров [4]

Большой интерес представляют соединения, способные образовывать комплексы типа «гость-хозяин» с органическими молекулами. Изучаются комплексанты для катехоламинов, аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований. Например, открыт бициклический лиганд, состоящий из фрагментов краун-эфира и дипротонированного полиамина, способного образовывать комплекс состава 1:1 с аминокислотами. В этом случае положительно заряженный полиамин связывает карбоксилат-анион, а остаток краун-эфира комплексует аммониевую группу [45].

1.2. Получение краун-эфиров

При конденсации дихлоралкилов, содержащих в цепи простые эфирные группировки С–О–С, с полиэтиленгликолями протекает циклизация, приводящая к образованию краун-эфира. В зависимости от длины цепочки исходных соединений получают краун-эфиры с различной величиной цикла. Азотсодержащие краун-эфиры получают конденсацией диаминов, содержащих эфирные группировки, с хлорангидридами дикарбоновых кислот. В результате получаются циклические амиды, которые затем восстанавливают, при этом карбонильные группы С=О превращаются в метиленовые СН2. Применение краун-эфиров определяется, прежде всего, их избирательной способностью захватывать катионы определенного размера. Наибольшее распространение получили краун-эфиры, содержащие только гетероатомы О. Их применяют в технологических процессах, связанных с выделением и очисткой солей щелочных и щелочноземельных металлов, в аналитических исследованиях и работах, связанных с синтезом, когда нужно перевести неорганические соединения из водной фазы в органическую среду.

Краун-эфиры обладают противомикробной и противопаразитарной активностью, кроме того, из организма с их помощью выводятся ионы токсичных тяжелых металлов, а также радиоактивных изотопов цезия и стронция. В радиохимии краун-эфиры помогают решать проблему переработки отходов ядерных производств. Первый этап – удаление с помощью краун-эфиров из переработанного ядерного горючего наиболее активных изотопов (стронций-90, цезий-137, технеций-99), на этой стадии предпочтительны S-содержащие краун-эфиры, поскольку они обладают повышенной радиационной стойкостью. Извлеченные изотопы используются затем в установках радиодиагностики, заменяющих рентгеновские аппараты, а также при создании долговременных источников тока для метеостанций, метеозондов и космических аппаратов. Следующий этап переработки ядерного топлива – извлечение с помощью краун-эфиров (специально подобранного состава) неизрасходованных урана и плутония, после чего объем подлежащих утилизации отходов становятся заметно меньше и к тому же отходы обладают слабой радиоактивностью.

На основе краун-эфиров созданы электропроводящие материалы нового типа. За развитие химии макрогетероциклических соединений американский химик Ч. Педерсен, фактически создавший новый класс соединений – краун-эфиры, в 1987 (совместно Д. Крамом и Ж. Леном) был удостоен Нобелевской премии.

Данная краткая характеристика краун-эфиров объясняет интерес научной общественности к этим соединения, причем у специалистов самого разного научного профиля (химиков, физиков, биологов, медиков и т. д.). Важнейшей особенностью этих соединений является возможность образовывать стабильные, высокоспецифические комплексы с катионами металлов, а также с иными катионами (аминами как пример). Путем химического синтеза к макроциклу кольца краун-эфира можно “пришивать” различные радикалы, придавая этим соединениям дополнительные свойства. Например, путем химического синтеза можно синтезировать ряд классов амфифильных производных краун-эфиров, обладающих фоточувствительными свойствами. Существуют методы синтеза иных производных краун-эфиров обладающих чувствительностью к изменению рН, и рядом иных чувствительностей, суть которых заключается в изменении структуры и свойств данной системы. Комплексообразование краун-эфиров с соответствующими катионами, детектируется с помощью спектрофотометрических и флуоресцентных методов. Подобная возможность предопределяет их использования в самых разнообразных исследовательских работах, посвященных моделированию разнообразных процессов в природе. Например, разнообразные производные краун-эфиров используются в моделировании природных и некоторых синтетических мембран. В первом случае работы посвящаются изучению аналогичных процессов в биомембранах с целью экстраполяции полученных результатов на модельных системах на соответствующие процессы в биомембранах и клеточных компартментах, а во втором случае исследования проводятся с целью создания таких материалов, свойства которых будут соответствовать требованиям данной технологии и экономической целесообразности.

Из вышесказанного видна теснейшая взаимосвязь супрамолекулярной химии, биоорганической химии и биологической химии. Так, например, многие конкретно интересующие исследователя - биохимика процессы изучаются главным образом путем особых приемов экстракции, выделения и очистки интересующих исследователя биосупрамолекулярных систем. Путем подходов супрамолекулярной химии, можно искусственно реконструировать аналогичные системы в “чистом виде” и исследовать интересующий исследователя конкретный процесс с последующей экстраполяцией полученных результатов на биосистемы. Например, были получены несколько типов переключаемых краун-эфиров, имитирующих природные вещества, осуществляющие перенос ионов щелочных металлов через клеточную мембрану (ионофоры). К pH-откликающимся ионофорам относится производное 18-краун-6, на конце боковой цепи которого располагается NH-группа. В нейтральной или слабощелочной среде это вещество образует с ионом калия обычный комплекс. При переходе в область с кислым pH аминогруппа протонируется, и аммониевый ион вытесняет катион калия из полости, образуя внутримолекулярный комплекс. Когда полученный аммониевый комплекс вновь попадает в нейтральную среду, содержащую избыток ионов калия, последний занимает место аммониевой группы, которая при этом депротонируется.

Особый интерес представляют амфифильные производные краун-эфиров, обладающих фоточувствительными свойствами [6]. В качестве примера можно привести один из классов фотохромных соединений, являющийся краун-содержащим стироловым красителем на примере молекулы КЭ №3 (лабораторное название):

І

Очевидно, что ионоселективность в этой структуре определяется наличием краун-эфирного фрагмента, а фотохромные свойства обусловлены возможностью превращений их молекул в ходе фотоиндуцированных обратимых реакций: Е-Z – изомеризация двойной связи и (2+2)-фотоциклоприсоединение с образованием замещенных циклобутанов. [11,12] Схематично это можно проиллюстрировать так:

Рисунок 1.2.1 Реакция обратимой транс-цис изомеризации

Причем такая реакция протекает под действием света видимого диапазона. Из вышесказанного следует, что супрамолекулярным комплексам их с катионами металлов присуща способность к фотопереключению.

К числу наиболее интересных и перспективных фрагментов, чутко реагирующих на изменение структуры молекулы при фотопереключении, можно отнести краун-соединения, на основе которых созданы синтетические аналоги ферментов [2,56] и некоторые фоточувствительные системы.

Краун-соединения содержат несколько гетероатомов с неподеленными электронными парами, которые могут участвовать в образовании координаци­онных связей с катионами металлов. Способность краун-соединений к комплексообразованию сильно зависит от их строения и пространственной структуры.

Поэтому «фотохимическое поведение в отсутствие и в присутствии ионов металлов — один из наиболее интригующих аспектов непредельных краунсоединений»[61]. Однако преимущества и возможности краунсодержащих непредельных соединений, имеющих фотопереключаемою связь С=С, до настоящего времени остаются нереализованными.

1.3. Супрамолекулярная органическая фотохимия краунсодержащих стириловых красителей

В работе [51] в качестве объекта исследований были выбраны стириловые красители, которые подобно стильбену имеют два ароматических заместителя у связи С=СО. Они отличаются высоким квантовым выходом фотоизомеризации, которая сопровождается значительным изменением структуры хромофора и характеризуется высокой степенью фотообратимости. Если связать ковалентными связями фрагменты краунсоединения и стирилового красителя таким образом, чтобы один или два гетероатома макроцикла находились в сопряжении с хромофором, то можно было ожидать, что это приведет к нарушению аддитивности в проявлении специфических свойств таких краунсодержащих стириловых красителей (КСК). Таким образом, фотоструктурные превращения фрагмента красителя приведут к изменению эффективности связывания катионов металлов фрагментом краунсоединения, а комплексообразование должно в свою очередь изменить спектральные и фотохимические характеристики фрагмента красителя.

Сопряженные реакции этого типа, по-видимому, могут происходить в супрамолекулярных структурах, образованных в результате самосборки [44,47] с участием молекул КСК, что может быть использовано для разработки и создания неизвестных ранее типов молекулярных фотохимических и фотофизических устройств [60]. Наиболее перспективным способом управления такими устройствами может стать легкодоступное селективное облучение светом.

1.4. Строение краунсодержащих стириловых красителей