Циклодекстринсодержащие супрамолекулярные структуры и молекулярные трубки на их основе

В последние годы всё большее внимание уделяется структурам, построенным не из атомов, а из отдельных молекул. Движущей силой образования этих структур являются нековалентные взаимодействия: водородные связи, гидрофобные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Несмотря на то, что такие связи считаются слабыми, их высокая кооперативность и селективность делают такие, супрамолекулярные структуры достаточно устойчивыми. Супрамолекулярные взаимодействия отвечают за многие процессы в живом организме, которые, как известно, являются предельно селективными. Поэтому изучение супрамолекулярных ансамблей является весьма важным как для понимания биологических процессов, так и для их имитации. Исследования в этой области привели к развитию такого направленного метода синтеза веществ как матричный или темплатный синтез, который протекает в живых клетках, но лишь недавно начал применяться для направленного химического синтеза. Высокая специфичность молекулярных взаимодействий, в результате которых супрамолекулярные структуры способны собираться из множества разнородных молекул, породила такие термины как молекулярное узнавание и самосборка. Благодаря способности собираться или разрушаться под действием таких факторов как облучение, изменение температуры или рН раствора, материалы на основе супрамолекулярных структур называют «умными», smart, материалами. Важнейшее значение для образования молекулярного ансамбля имеет комплементарность отдельных составляющих его частей.

Наиболее изученными супрамолекулярными структурами являются комплексы включения. В них одни молекулы играют роль хозяев, предоставляя полости, а другие являются гостями, встраиваясь в эти полости. Такие структуры лежат в основе получения прочных молекулярных композиций, в которых молекулы, несмотря на отсутствие ковалентных связей, оказываются топологически замкнутыми. К их числу относятся ротаксаны и катенаны. Первые представляют собой циклические молекулы, нанизанные на стержень, содержащий на концах объёмные группы, благодаря чему соскальзывание макроциклов становится невозможным, а вторые — две сцепленные наподобие звеньев цепи циклические молекулы.

Наиболее часто для получения подобных композиций применяются циклодекстрины, являющиеся циклическими олигосахаридами, наиболее распространённые из которых содержат от 6 до 8 глюкозных остатков. Их молекулы представляют собой полый усечённый конус, внутренняя полость которого способна включать в себя различные органические молекулы. На их основе был впервые получен полиротаксан — структура, в которой на один стержень нанизано множество циклических молекул. Из него, путём ковалентного сшивания молекул циклодекстрина, впоследствии были получены молекулярные трубки.

Открытие в начале прошлого десятилетия углеродных нанотрубок произвело целый переворот в науке. Их уникальное строение и необычные электрические свойства породили множество идей по их использованию, в частности наполнение их другими веществами. Углеродные нанотрубки действительно удалось наполнить металлами и их соединениями, а также молекулами газов. Но для такой задачи, как инкапсулирование органических молекул, которая является очень важной для направленной доставки лекарственных препаратов в организме, углеродные нанотрубки оказались малопригодными. Основным недостатком является то, что они не растворимы ни в одном из органических растворителей и не содержат функциональных групп. Этих недостатков лишены синтезированные недавно циклодекстриновые трубки. Благодаря наличию гидроксильных групп на поверхности они хорошо растворимы в воде, а поскольку эти группы достаточно реакционноспособны, их легко можно модифицировать, в том числе и с целью придания гидрофобных свойств. Диаметр их внутренней полости задаётся размером исходного циклодекстрина и, поэтому, является строго детерминированным для каждого типа трубок. Но самым привлекательным свойством является унаследованная ими от циклодекстринов способность к образованию комплексов включения с различными органическими молекулами. Это делает их уникальными объектами для доставки лекарственных веществ. Помимо этого их можно применять в качестве микрореакторов для проведения стереоспецифического синтеза. Здесь могут сыграть роль и оптически активные свойства циклодекстриновых трубок, что позволило бы осуществлять асимметрический синтез. Подобные молекулярные трубки являются альтернативой для мицеллярной солюбилизации.

Несмотря на все эти свойства циклодекстриновые трубки не имеют пока широкого распространения и изучаются всего несколькими научными группами в мире, хотя открыты они были всего на два года позже углеродных. Главной причиной этого, по-видимому, является трудоёмкость их получения. В связи с этим данная работа посвящена поиску новых более доступных методов получения молекулярных трубок на основе циклодекстринов.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

выводы.

1. Изучена стадия образования полимерных комплексов включения, являющихся прекурсорами при синтезе циклодекстринсодержащих молекулярных трубок. Показано, что комплексы включения, получающиеся при взаимодействии а-циклодекстрина и полиэтиленоксида в водных растворах, включают в себя непрореагировавший цикл о декстрин, который сокристаллизуется с основным продуктом реакции.

2. Методом ЯМР показано, что при растворении полипсевдоротаксана в диметилформамиде и диметилсульфоксиде, происходит его частичная диссоциация на исходные компоненты. При этом образуются комплексы с низким содержанием молекул циклодекстрина, свободно перемещающихся вдоль цепи.

3. Проведено сравнение трёх методов синтеза полиротаксанов и показано, что наилучшим для получения продуктов с высоким содержанием циклодекстрина является синтез в суспензии. Предложен метод очистки, позволяющий выделить полиротаксан с высоким содержанием циклодекстрина и показано, что очищенный этим способом полиротаксан не растворим ни в одном из растворителей.

4. Разработан эффективный гетерогенный метод синтеза циклодекстриновых молекулярных трубок, применимый для различных циклодекстринов и позволяющий исключить трудоёмкую и требующую дорогостоящих реактивов стадию получения полиротаксанов. Этим методом впервые были получены трубки на основе (3 -циклодекстрина.

5. Методами динамического светорассеяния, MALDI-TOF масс-спектрометрии, а также по совокупности диффузионно-вязкостных характеристик, определена молекулярная масса получаемых трубок. Показано, что молекулярные трубки на основе (3-циклодекстрина представляют собой олигомеры, содержащие преимущественно четыре циклодекстриновых кольца.

6. Показано, что трубки, содержащие боковые 2,3-дигидроксипропильные группы (p-трубки, синтезированные с большим избытком эпихлоргидрина), образуют ассоциаты в водных растворах, причём степень ассоциации увеличивается с ростом числа этих групп.

7. Определены термодинамические константы связывания молекулярных трубок с красителями и поверхностно-активными веществами. Показано, что объёмистые молекулы красителей включаются только в широкие концы трубок, в то время как молекулы поверхностно-активного вещества — в оба конца. Обнаружено образование тройных комплексов в системе молекулярная трубка — краситель — поверхностно-активное вещество. В отличие от бинарных, образование тройных комплексов проходит необратимо.

8. Путём ацилирования гидроксильных групп трубок на основе Р-циклодекстрина получены гидрофобные производные и изучено их поведение на границе раздела вода— воздух. Определение площади, приходящейся на молекулу, показало, что молекулярные трубки в монослоях ориентированы торцом к поверхности. Отсюда следует, что трубки, расположенные на межфазной границе, могут участвовать в реакциях комплексообразования.