Введение
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Выводы
Источники
Купить

Актуальность проблемы.
Современная органическая химия, супрамолекулярная химия и химия материалов бурно развиваются по двум основным направлениям. Исследования супрамолекулярной химии направлены на конструирование высокоэффективных синтетических рецепторов и молекулярных устройств, обладающих разнообразными функциональными свойствами, используя для этого методы и приемы синтетической органической химии. Получение такого рода объектов связано с необходимостью целевого химического дизайна основных рабочих элементов оптических, (электро)химических и нано(электро)механических сенсорных девай-сов, создания новых типов молекулярных переключателей и прочих устройств для эффективного молекулярного распознавания (био)органических субстратов и неорганических веществ. Особое внимание уделяется молекулярным устройствам, изменяющим свои геометрические (пространственные) параметры и/или фундаментальные свойства (цвет, люминесценция, электропроводность и т.д.) под воздействием внешних факторов (например, температура или рН среды), а также в присутствии соединений определенного типа (аналитов). При этом «проблема выбора оптимальной структуры сенсора или рецептора и способа создания микро- и макромолекулярных устройств в первую очередь связана с отсутствием четкого понимания закономерностей, связывающих структуру синтетического рецептора (комплексообразователя, переносчика, катализатора) и аналита (заряженных частиц или нейтральных молекул) с фундаментальными характеристиками зависимости «структура- свойство», включая селективность химических взаимодействий, устойчивость исходных соединений и образующихся комплексов». Чрезвычайно эффективными молекулярными рецепторами являются производные каликс [4] аренов, обладающие высокой селективностью по отношению к катионам и нейтральным молекулам. Весьма перспективны некоторые гетероциклические соединения, такие как (бенз)пирролы (например, каликс[4]пирролы), циклические азины (диазины и триазины), которые образуют устойчивые водородно-связанные или п-комплексы с анионами, а также поли(гетеро)ароматические системы, распознающие нейтральные молекулы. В этой связи синтез новых синтетических и искусственных рецепторов, изучение их нековалентных взаимодействий (посредством водородных связей, координационных связей, гидрофобных и Ван-дер-Ваальсовых сил, п-взаимодействий и т. д.) с аналитами (катионы, анионы и малые нейтральные молекулы), а также исследование свойств полученных комплексов в зависимости от состава, строения, природы и расположения рецепторных фрагментов является особенно актуальным.
Исследования химии материалов направлены на получение эффективных функциональных материалов в основе которых лежат искусственные или синтетические молекулы, полученные химическим путем и содержащие один или нескольких ковалентно/нековалентно-связанных или автономных одинаковых или различных рецепторных центров. Материалы, полученные подобным образом, способны эффективно выполнять не-сколько функций одновременно (по типу «искусственного языка», «искусственного носа» и т. д.) или осуществлять запрограммированные функции в результате внешнего химического или механического воздействия (так называемые «умные материалы» (stimuli responsive materials)При этом они могут значительно более эффективно распознавать аналиты даже в смеси с другими молекулами, вследствие положительных аллостерических и кооперативных эффектов, усиливающие комплексообразующие свойства материалов и повышающие их ионную селективность в различных средах. Следует также принять во внимание то, что при функционировании в водных растворах (биотических средах) такие рецепторы и материалы могут моделировать процессы живых организмов.
Настоящая работа выполнена в рамках гранта Американского фонда гражданских исследований и развития для независимых государств бывшего Советского союза НОЦ - Перспективные материалыREC-005, грантов РФФИ Ведущие научные школы 00-15-97390 (2000), РФФИ 99-03-32923-а (1999), РФФИ 00-03-32776 (2000), РФФИ 01-03-96443- р2001урал (2001), гранта Petroleum Research Fund (AC-type Grant, administered by the Ameri¬can Chemical Society) (2002-2003), гранта American Cancer Society, Institutional Research Grant to the Unversity of North Texas Health Science center at Fort Worth (2003), гранта BGSU (Tech-nology Innovations Enhancement Grant) (2009-2010), гранта NSF (SENSOR № 0330267) (2009-2010), гранта NSF (EXP-LA № 0731153), госконтракта Минобрнауки РФ (ГК № 14.740.11.1020), госконтракта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (ГК № 9154р/15042).
Цель работы. Целью настоящей работы является дизайн (включая расчетные методы) и последующий целевой синтез высокоэффективных молекулярных рецепторов на основе каликс[4]аренов, бенз(пирролов), циклических азинов и иптиценов, которые способны инкапсулировать и/или через создание супрамолекулярных (нековалентносвязанных) архитектур распознавать аналиты органической или неорганической природы (окислы азота, нитро(нитрозо)соединения и анионы) для последующего внедрения данных рецепторов для изготовления устройств для анализа и очистки промышленных выбросов, анализа и контроля пищевой и лекарственной продукции и питьевой воды, нанотехнологий (производство компонентов для микро- и наноэлектронных устройств, изготовление микро- и наноразмерных сенсоров и сенсорных материалов), обеспечения безопасности страны (изготовление новых высокоэффективных сенсорных устройств для дистанционного обнаружения химических и бактериологических отравляющих веществ (взрывчатых веществ) в условиях театра военных действий и гражданской жизни в местах повышенной террористической опасности), медицинской промышленности (устройства для целевой доставки и дозированного выделения лекарственных средств in vivoи in vitro) и других направлений. Реализация поставленных целей возможна при решении следующих проблемных задач:
• Использование теоретических методов для поиска высокоселективных химических рецепторов,
• Разработка эффективных синтетических методов и приемов для целевого синтеза высокоселективных органических рецепторов для заданных катионов, анионов и нейтральных молекул,
• Выявление структурных особенностей продуктов реакций, подробное изучение механистических аспектов реакций,
• Изучение супрамолекулярных (нековалентных) взаимодействий между синтезированными рецепторами и аналитами в органических и биологических (водных) растворах,
• Создание более полной картины представлений об устойчивости и реакционной способности образованных комплексов,
• Разработка методов и приемов повышения эффективности комплексообразования и молекулярного узнавания используемых рецепторов по отношению к целевым объектам,
• Изготовление новых функциональных материалов на основе синтезированных рецепторов.
Научная новизна. Впервые выделены в твердом состоянии и охарактеризованы с использованием физико-химических методов стабильные твердые комплексы с переносом за-ряда при взаимодействии ароматических субстратов (каликс[4]аренов) с реальными объектами, газообразными окислами азота (IV) (МО2/М2О4). Систематически изучена устойчивость данных комплексов.
Впервые в синтетической органической химии введено понятие «инкапсулированный нитрозирующий реагент». Осуществлено региоселективное нитрозирование органических субстратов с использованием «инкапсулированных нитрозирующих реагентов».
На платформе оптически-активного каликс[4]арена получен хиральный «инкапсулированный нитрозирующий реагент».
Продемонстрировано явление количественного переноса молекулы гостя (N0+) между двумя каликс[4]аренами.
Были синтезированы неизвестные ранее синтетические нанотрубки на основе каликс[4]аренов для хранения и транспорта нитрозониевого катиона с образованием нитрозониевых комплексов различной стехиометрии. Показана принципиальная возможность ис-пользования синтетических нанотрубок на основе каликс[4]аренов в качестве реагентов для дозированного выделения М0/М0+.
На платформе производных 1,3,5-три(аминометил)-2,4,6-триэтилбензола, синтезирован новый тип рациометрических (изменяющих интенсивность физического сигнала при изменении концентрации аниона в растворе) флуоресцентных сенсоров для определения органических фосфатов, методом РСА установлена структура и конформация свободного рецептора, а также структура и конформация комплекса с фосфат-анионом. На базе данных сенсоров были изготовлены сенсорные материалы для определения фосфатов в водных растворах, показана их принципиальная применимость для качественного анализа других биологических фосфатов в сыворотке крови.
Установлен двойственный характер сенсоров на основе неизвестных ранее напроксен- замещенных 6-индолил-1,2,4-триазин-5(4Н)-онов, выступающих как РЕТ-сенсоры для фторид аниона и как высокоселективные рациометрические флуоресцентные сенсоры для хлорид- аниона.
Получены новые данные, проливающие свет на механизм аминирования по методу Бухвальда-Хартвига. При использовании стерически затрудненных арил галогенидов продемонстрировано превалирование аринового механизма над традиционно постулируемым для этих реакций механизмом кросс-сочетания, катализируемым производными палладия. Структура промежуточного дегидробензольного интермедиата была зафиксирована посредством последующей его химической трансформации, строение продукта трансформации до-казано методом РСА.
Продемонстрирована высокая эффективность методов основанных на генерировании in situариновых интермедиатов для целевого одностадийного синтеза производных высших иптиценов (пентиптицена).
Выявлено явление синергизма химического сенсора и полимерных (неорганических или органических) матриц, усиливающее эффективность полученного сенсорного материала.
Показана возможность повышения чувствительности полимерных сенсорных мате-риалов при использовании методов наноструктурирования (электроформование).
Практическая значимость. В ходе исследования разработаны целевые эффективные методы синтеза химических сенсоров для определения катионов, анионов и нейтральных молекул: каликс[4]аренов, 1,2,4-триазинонов, хиноксалинов, каликс[4]пирролов, иптиценов. Показана принципиальная возможность изготовления дешевых и высокоэффективных сен-сорных материалов использующих нековалентные взаимодействия для обнаружения и связывания (например, через инкапсулирование) целевых аналитов.
Функциональные материалы на платформе инкапсулированных нитрозониевых комплексов каликс[4]аренов успешно применены в качестве реагентов для регио- и стереоселек- тивного нитрозирования органических субстратов.
Продемонстрировано кинетическое разделение рацемической смеси N-метиламида (А5)-3-метил-валериановой кислоты с использованием хирального инкапсулированного нитрозирующего агента на основе оптически активного каликс[4]арена.
Предложен эффективный метод синтеза синтетических нанотрубок на основе каликс[4]аренов и показана возможность использования полученных нанотрубок для обнаружения, хранения (через инкапсулирование'), транспорта и дозированного выделения NO2/N2O4/NO/NO+.
Для синтеза замещенных 9,10-дигидро-9,10[2,1]-бензоантраценов (триптиценов) и других высших иптиценов (пентиптиценов, «нониптиценов» и т.д.) разработан удобный препаративный метод, основанный на использовании генерированых in situаринов.
Найден эффективный синтетический прием получения флуоресцентных сенсоров для определения органических анионов на основе производных 2,3-ди(пирролил-2)-хиноксалина и 3-арил-1 -ацил-6-Ыи-1,6-дигидро-1,2,4-триазин-5(4Н)-онов.
Разработана процедура изготовления дешевых и высокоэффективных водорастворимых сенсорных материалов для визуального обнаружения анионов в том числе и для определения биологических фосфат-анионов в растворе с другими конкурирующими анионами в растворе сыворотки крови. Полученные высокоселективные сенсоры и могут быть использованы для экспресс-диагностики заболеваний.
Разработан эффективный препаративный метод синтеза новых мономолекулярных флуоресцентных сенсоров для ТНТ и его производных. Продемонстрирована высокая эффективность данных соединений для обнаружения ТНТ в воздухе в фемтомолярных концентрациях. С использованием полученных соединений были изготовлены высокоэффективные полимерные материалы для обнаружения нитроароматических соединений в воздухе. Показана прямая зависимость степени дисперсности материалов и их чувствительности.
Предложено использование методов электроспининга (электроформования) для усиления чувствительности полимерных сенсорных материалов. Метод является основой новых технологий для создания суперинженерных пластиков и «умных материалов».
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации доложены на 6 Всероссийской научной конференции «Карбонильные соединения в синтезе гетероциклов» (Саратов, Россия, 1996), международной конференции по органической химии, посвященной 100-летию И.Я. Постовского (Екатеринбург, Россия, 1998), 17 международном конгрессе по гетероциклической химии (Вена, Австрия, 1999), XIV Уральской конференции по спектроскопии, (Заречный, Россия, 1999), I,III,V и XIV Молодежных научных школах по органической химии, (Екатеринбург, Россия, 1998, 1999, 2002, 2011), 1 Всероссийской конференции по химии гетероциклов, посвященной памяти А.Н.Коста, (Суздаль, Россия, 2000), Молодежной научной школе-конференции «Актуальные проблемы органической химии», (Новосибирск, Россия, 2001), 225 Национальной Конференции Американского Химического Общества (ACS) (Новый Орлеан, США, 2003), Международном симпозиуме «Advanced Science in Organic Chemistry» ASOC— (Судак, Украина, 2006), 2 Международной Конференции по Натуральным Продуктам и Физиологически Активным Веществам (ICNPAS-2004) (Новосибирск, 2004), 3 м ЕвроАзиатской Гетероциклической Конференции “Гетероциклы в Органической и Комбинаторной Химии” (Новосибирск, 2004), 227 Национальной Конференции Американского Химического Общества (Анахем, США, 2004), 233 Национальной Конференции Американского Химического Общества (Чикаго, США, 2007), 9 Международном Симпозиуме по Функциональным Пи-Электронным Системам (Атланта, США, 2010), 2 Международном Конгрессе по Органической химии (Казань, Россия, 2011). Автором сделано два пленарных доклада в качестве приглашенного лектора (“Sensing and fixation of NO and NO2” University of Texas at Arlington, Arlington, TX, USA, March 27, 2003 и “Optical Sensor Matherials: Design, Synthesis and Applications - from Gases to Explosives” University of Mis-souri-Columbia, Columbia, MO, USA, May 13, 2008).
По материалам работы опубликовано 37 статей в ведущих научных журналах и изданиях, 1 монография и более 50 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, главы обсуждения собственных исследований автора, экспериментальной части, выводов и списка литературы, содержащего 260 наименований. Объем работы 250 с.

Купить