ИСТИНА

Проект направлен на моделирование, разработку способов получения и исследование свойств новых супрамолекулярных систем на основе каликсареновых макроциклов, способных выполнять функции управляемых молекулярных переключателей, крайне востребованных для создания новых систем хранения данных, построения молекулярных логических устройств, а также изучения, имитации и масштабирования химических процессов, проходящих в живых системах.

Precise control of molecular motion has fundamental and practical importance in physics, biology and chemistry. At the nanoscale, the specific operating principles and the synthesis of individual molecular actuators and machines have been the subject of intense research over the past 60 years. In many respects, significant progress in this direction is facilitated by the development of science at the intersection of supramolecular and synthetic organic chemistry, which makes it possible to use modern instrumental methods for the directed modification of large organic frameworks, which are represented by calixarenes and related macrocyclic structures. The objectives of this Project are to create new approaches for the development of methods for the synthesis and study of the properties of new supramolecular systems based on calixarene macrocycles capable of performing the functions of controlled molecular switches, which are in great demand for creating new data storage systems, building molecular logic devices, as well as studying, simulating and scaling chemical processes taking place in living systems. Within the framework of the Project, a study is planned, including the synthesis of a wide series of molecular tubes consisting of two or three calixarene macrocycles linked to each other by two triazole heterocycles. Receptor sites formed by triazoles are capable of binding transition metal cations, such as silver, and the geometry of the tube is expected to allow oscillations of the cation within the molecule. At the same time, different architecture of the receptor site, the mutual arrangement of triazole sites inside the molecular tube, as well as the presence of control functional groups sensitive to changes in the external environment and signal (for example, fluorophore) fragments capable of responding to the movement of a cation between different binding sites. It is expected that the obtained results will make it possible to reveal the most optimal combination of triazole sites/controlling/signaling groups arrangement, which will make it possible to control the cation oscillations inside the molecular tube under the action of external factors. The project involves the conduct of comprehensive research corresponding to the advanced trends in the development of world science in the field of supramolecular chemistry, and the expected scientific results will also be significant in organic and analytical chemistry, catalysis, materials science, etc.

– При варьировании условий проведения реакций будут разработаны эффективные способы получения бис- и трис(каликсареновых) молекулярных трубок, содержащих триазольные рецепторные сайты связывания и объемные заместители, обеспечивающие дополнительное экранирование триазольных полостей. – Будет оценена способность триазольных фрагментов в синтезированных молекулярных трубках образовывать комплексы с катионами серебра, установлено влияние дополнительных объемных заместителей в пара-положениях фенольных фрагментов на особенности образования, прочность комплексов, а также на механизм перемещения катиона между различными триазольными сайтами внутри молекулярной каликсареновой трубки; – Будет изучено влияние взаимного расположения управляющих, сигнальных групп и триазольных сайтов на способность катиона серебра перемещаться в полости каликсареновой трубки, а также поведение одно- и двуядерных серебряных комплексов каликсареновых молекулярных трубок при добавлении катионов щелочных металлов или изменении pH среды. Полученные результаты, как ожидается, позволят оценить перспективы использования разрабатываемых молекулярных трубок для создания на их основе молекулярных переключателей, гомо- и гетерополитопных катионофоров и элементов молекулярных машин и будут способствовать решению других экологических, материаловедческих и технологических задач, требующих разработки политопных катионных рецепторов различной сложности.

В ходе исследований, ранее проведенных руководителем Проекта, были детально изучены особенности протекания реакций катализируемого солями меди(I) циклоприсоединения азидов к пропаргилированным каликсаренам,и ацетиленов к 2-азидоэтильным производным каликсаренов.

В настоящей работе проведено исследование возможности получения молекулярных трубок на основе каликс[4]аренов в стереоизомерной форме 1,3-альтернат, связанных парами триазольных гетероциклов, экранированных дополнительными объемными и функциональными группами, и изучено влияние таких заместителей на рецепторные свойства бискаликсареновых трубок. В качестве ключевой стадии синтеза использовали катализируемое солями одновалентной меди присоединение азидов к алкинам (CuAAC). В последовательных реакциях селективного и исчерпывающего алкилирования впервые синтезированы закрепленные в стереоизомерной форме 1,3-альтернат каликс[4]арены, содержащие пропаргильные или азидоэтильные функциональные группы при фенольных атомах кислорода и адамантильные, трет-бутильные, фенильные заместители и атомы брома в п-положениях к ним. Полученные азид-/ацетиленсодержащие каликс[4]арены были исследованы в реакциях CuAAC в различных комбинациях при варьировании каталитических систем и условий проведения синтезов. Установлено, что адамантильные заместители в п-положениях любого из исходных соединений препятствуют образованию бис(каликсаренов), чего не наблюдали для п-трет-бутил- и бромпроизводных. При этом были успешно получены новые бискаликсареновые молекулярные трубки, в которых триазольный сайт экранирован двумя атомами брома как с «азидной» стороны молекулы, так и с «ацетиленовой» стороны, а также четырьмя атома брома с обеих сторон. Расположение трет-бутильных заместителей в молекулярных трубках возможно только в одном из каликсареновых макроциклов – в п-положениях либо «азидного» каликсаренового макроцикла, либо «ацетиленового» каликсаренового макроцикла, но не одновременно в обоих. При взаимодействии бис(каликс[4]арена), содержащего краунэфирный фрагмент с одной стороны и свободные пропаргильные группы с другой стороны, с низкомолекулярными азидами в реакциях CuAAC получена серия новых бискаликсареновых молекулярных трубок с двумя различными триазольными сайтами связывания и дополнительными, в том числе и флуорофорными, функциональными группами во внешних триазольных гетероциклах. Проведено разностороннее исследование катионофорной активности триазольных рецепторных сайтов как в составе молекулярных трубок, так и в модельных соединениях, представляющих собой независимые составляющие сложных молекулярных переключателей с несколькими сайтами связывания. Для этого впервые получены каликс[4]арены в стереоизомерной форме 1,3-альтернат, в которых по одну сторону макроциклической платформы расположены нейтральные пропильные группы, а по другую – замещенные 1-R-4-триазолилметильные или 4-R-1-триазолилэтильные группы, а также соединение, содержащее триазольные гетероциклы обоих типов, расположенные по разные стороны каликсареновой платформы. Рецепторные свойства полученных модельных соединений были изучены с использованием методов ЯМР и флуориметрии в отношении катионов серебра и других переходных металлов, получены значения констант устойчивости комплексов для некоторых из них. Установлено, что более прочные комплексы с катионами серебра образуют каликсарены, в которых триазольные гетероциклы располагаются ближе к платформе макроцикла и связаны с ним посредством атома углерода через более короткий метиленовый линкер. Показано ступенчатое связывание катиона серебра при образовании одно- и двуядерного комплексов каликсареном с двумя сайтами связывания, в которых триазольные гетероциклы по-разному закреплены на макроциклической платформе. Катионофорная активность синтезированных бис(каликсаренов) была изучена в отношении катионов серебра с использованием методов ЯМР и рентгеноструктурного анализа. Было показано, что не только тип заместителей в п-положениях, но и их расположение в «азидной» или «ацетиленовой» части молекулярной трубки играет определяющую роль при образовании комплексов с серебром. Выявлено, что наличие атомов брома со стороны «ацетиленового» макроцикла препятствует образованию комплекса внутреннего строения, катион серебра локализован с внешней стороны и в связывании участвуют триазольные гетероциклы двух разных молекул. При отсутствии экранирующих заместителей катион серебра способен осциллировать внутри молекулярной трубки, при этом может быть локализован одновременно в двух позициях, при которых в связывании принимают участие не только разные атомы азота триазольных гетероциклов, но и фенольные атомы кислорода обоих каликсареновых макроциклов. Схожим поведением обладает бис(каликсарен) с расположением атомов брома в «азидном» макроцикле, однако из-за более жесткой структуры в связывание катиона в большей степени вовлечены фенольные атомы кислорода и ароматические системы бензольных колец. Наличие трет-бутильных заместителей в п-положениях «азидной» части молекулярной трубки обеспечивает локализацию катиона только в одной позиции, при которой в координации участвуют оба фенольных атома кислорода противоположного каликсаренового макроцикла и один из триазольных гетероциклов. Свойства бискаликсареновых гетеродитопных систем были исследованы при связывании различных катионов методами ЯМР- и флуориметрического титрования. Выявлены особенности рецепторного поведения молекулярных трубок при образовании гомо- и гетероядерных катионных комплексов. При этом, варьируя последовательность и количество прибавляемых катионов, можно управлять флуоресцентным откликом системы. Показано, что такие рецепторные системы, точнее их комплексы с ионами серебра, могут проявлять свойства непрямых флуоресцентных сенсоров, дающих отклик на присутствие в системе катионов калия или избытка ионов серебра при выключении внутримолекулярных осцилляций и вытеснении ионов серебра во флуорофорный рецепторный сайт. Таким образом, в ходе исследования было показано влияние заместителей в п-положениях пропаргилированных или азидоэтилированных каликс[4]аренов, используемых для получения триазолсодержащих молекулярных трубок, не только на сборку бискаликсареновых каркасов в реакциях CuAAC, но и на рецепторные свойства образующихся мульти(макроциклов) при связывании ими катионов серебра, которые зависят как от типа п-заместителя, так и от его расположения в том или ином каликсареновом макроцикле, составляющем молекулярную трубку. Более того, селективное введение заместителей, способных к экранированию внутреннего триазольного рецепторного сайта молекулярных трубок, в п-положения триазолсодержащих бис(каликсаренов), как и связывание других катионов дополнительными рецепторными фрагментами молекул приводит к блокированию тех или иных видов осцилляций катионов серебра внутри одного или между несколькими триазольными сайтами связывания. Все запланированные в проекте исследования выполнены, и все ожидаемые научные результаты получены. Как ожидается, разработанный в проекте инструментарий для дизайна и синтеза переключаемых рецепторов трубчатой структуры может быть использован при дальнейшей разработке эффективных молекулярных переключателей на основе триазолсодержащих каликсаренов и мульти(каликсаренов), и при более тонкой настройке их свойств за счет управления процессами внутримолекулярных осцилляций катионов между рецепторными сайтами гетеромультитопных молекул.