Пилларарены – новый класс синтетических рецепторов

(Литературный обзор)

1.1 Общая характеристика пиллараренов

Одним из важных направлений исследований современной химии является создание новых классов макроциклов, способных участвовать во взаимодействиях типа «гость-хозяин» [1]. Такие макроциклы, как краун-эфиры, циклодекстрины, кукурбитурилы, каликсарены являются объектами пристального интереса, поскольку могут быть использованы в различных областях науки (рис.1) [1, 2].

Рисунок 1 - Примеры макроциклов, используемых в электрохимических сенсорах (слева направо): 15-краун-5, криптанд[2 2 2], каликс[4]арен, 1,4-диметоксипиллар[5]арен

В последние 5 лет объектом активного изучения стал новый класс супрамолекулярных «хозяев» - пиллар[n]арены, среди которых благодаря уникальной структуре и многообещающим свойствам отдельное место занимают пиллар[5]арены. Эти соединения состоят из гидрохиноновых остатков, соединенных метиленовыми мостиками в пара -положениях, и, таким образом, обладают гидрофобным ядром, по обе стороны которого располагаются два «обода», способных к функционализации [1]. Термин «пилларарены» (от англ. pillar – столб, колонна) был предложен группой Т.Огоши в 2008, впервые сообщившей о создании этого класса макроциклов [3]. Благодаря жесткой архитектуре «колонны» и гидрофобной электронно-донорной полости, пиллар[n]арены обладают уникальными связывающими свойствами по отношению к различным молекулам – «гостям», а также обладают привлекательными характеристиками для применения их в наноматериалах, молекулярном распознавании, ионном транспорте, супрамолекулярных полимерах [1].

При взгляде сбоку, пилларарены имеют высокосимметричную форму колонны. Сверху пиллар[5]арен (P[5]A) и пиллар[6]арен образуют регулярные циклические пятиугольные и шестиугольные структуры (рис.2). По размеру полости (~5.5 Å) P[5]A почти аналогичен α-циклодекстрину (~4.7 А) и кукурбит[6]урилу (~5.8 Å). α-Циклодекстрин и кукурбит[6]урил связывают линейные алканы и простые ароматические соединения. Эти «гости» будут также внедряться в полости P[5]A. Указанные соединения образуют комплексы с различными электронодефицитными молекулами «гостей» или нейтральными молекулами, такими как производные пиридиния и виологена, катионы (бис)имидазолия, н -гексан, алкандиамины, н -октилтриметиламмоний и нейтральные производные (бис)имидазола [2, 3].

Рисунок 2 - Химические структуры и рентгеновские структуры кристаллов перметилированного P[5]A и перпропилированного пиллар[6]арена

Размеры полости пиллар[6]арена (около 7.5 Å), кукурбит[7]урила (~7.3 Å) и γ-циклодекстрина (~7.5 Å) примерно одинаковы. Кукурбит[7]урил связывает объемные заряженные полиароматические соединения и углеводороды, например, адамантан и бициклооктаны. Катионы, такие как объемные 1,4-диазабицикло[2.2.2]октан, адамантан, триэтиламмонийные и азобензольные фрагменты, могут выступать в качестве «гостей» для производных пиллар[6]арена, но не для производных P[5]A.

При функционализации P[5]A и пиллар[6]арены могут разместить 10 и 12 заместителей, соответственно. Позиционно-селективная функционализация этих заместителей может быть достигнута путем применения различных органических синтетических подходов [3]. Пилларарены легко растворяются в органических растворителях, в отличие от кукурбитурилов и циклодекстринов с аналогичным размером полости [4], которые водорастворимы.

1.2 Электрохимические свойства пиллараренов

В настоящий момент электрохимия пиллараренов практически не изучена. Группа Т.Огоши, изучая восстановление полианилина (ПАНИ) в форме основания эмералдина пергидроксилированным P[5]A, сравнила циклические вольтамперограммы гидрохинона и P[5]A. В диапазоне потенциала от 0 до 1.5 В отн. нас.к.э. гидрохинон дает типичный пик окисления при 1.01 В (рис.3). Для P[5]A положение пика окисления аналогично гидрохинону. Это показывает, что окисление 5 гидрохиноновых фрагментов в P[5]A происходит раздельно и окислительная активность каждого подобна фрагменту гидрохинона [5].

Рисунок 3 - Циклические вольтамперограммы (а) P[5]A (1 мМ) и (b) гидрохинона (5 мМ) в ацетонитриле, содержащем 0.1M Bu₄NPF₆. Скорость сканирования потенциала 100 мВ/с, Pt рабочий электрод 1.6 мм

1.3 Комплексы на основе пиллараренов

При образовании супрамолекулярного гомополимера, мономеры соединяются по принципу «голова к хвосту». Т.Огоши и сотр. синтезировали монофункциональный P[5]A H13 (рис.4).

Рисунок 4 - Комплекс с внутримолекулярным включением, супрамолекулярные димеры и полимеры P[5]A

В CDCl₃ он образует комплекс с внутримолекулярным включением, а в [D₆]ацетоне заместитель покидает полость пилларарена [6]. Синтезированные конъюгаты «гость-хозяин» P[5]A H14, с ω-гидроксиалкоксильной группой на конце алкильного «гостя», и H15, с электроноакцепторным заместителем - бромом, формируют супрамолекулярные димеры в растворе и в твердом состоянии [7, 8].

Хуанг и др. синтезировали моно-функционализированный октильной группой P[5]A H16. При увеличении концентрации октильные группы обода P[5]A включались в полость другого P[5]A. Последовательное внедрение октильных групп приводит к образованию линейного супрамолекулярного полимера. Формирование супрамолекулярного полимера в твердом состоянии было подтверждено рентгеноструктурным анализом. Однако из-за низкой константы ассоциации между октильным фрагментом гостя и P[5]A супрамолекулярный полимер образуется только при высоких концентрациях (>200 мМ) H16 [9].

Стоддарт и соавт. сообщили об образовании высокомолекулярных супрамолекулярных полимеров на основе стабильного взаимодействия «гость-хозяин» между виологеном и P[5]A. Моно-функционализированный виологеновым фрагментом в боковой цепи P[5]A H17 (рис.4) был синтезирован со-циклизацией. Величина К =1.3×10⁵ М^-1 комплекса «гость-хозяин» между виологеном и P[5]A была рассчитана с помощью флуоресцентного титрования. Из-за стабильности комплекса «гость-хозяин», H17 обладает возможностью самосборки в комплексы в разбавленных растворах дихлорметана, он образует супрамолекулярные полимерные цепи в виде гирлянды и, в конечном счете, органические гели по мере увеличения его концентрации от 0.1 до 100 мМ [10].

1.4 Ротаксаны на основе пиллараренов

Ротаксаны являются важным классом механически соединенных молекул, которые привлекают все большее внимание из-за их уникальных структурных особенностей и широкого круга потенциального применения в молекулярных устройствах [3].Ротаксаны - класс соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы и циклической молекулы, «надетой» на неё. Впервые ротаксан синтезировали в 1967 году (И. Харрисон и С. Харрисон, США). Компоненты ротаксанов (линейная и циклическая молекулы) связаны чисто механически без участия химической связи. Этот способ соединения молекул называется топологической связью. Стоддарт и др. синтезировали первый ротаксан на основе P[5]A с помощью обработки 1,8-диаминооктана – «гостя» 3,5-ди- трет -бутил­бензальдегидом [11].

Огоши и сотр. разработали синтез с большим выходом продуктов: [2]- и [3]ротаксанов, построенных из перэтилированного P[5]A в качестве циклической молекулы и производного пиридиния в качестве оси. Комплекс «гость-хозяин» очень стабилен, константы ассоциации (7.6±1.1)×10⁴ М^-1. Реакция Хьюсгена между молекулой стоппера с азидным концом и алкиновым концом оси позволяет получить [2]ротаксан с высоким выходом (75%) [12].

Группой Огоши был впервые синтезирован первый [2]ротаксан на основе пиллар[6]арена по реакции Хьюсгена. Выход был относительно низким (14%) из-за небольшой константы ассоциации между пиридиниевой осью и перэтилированным пиллар[6]ареном H23. Из-за большого размера полости пиллар[6]арена, «колесо» пиллар[6]арена на оси может получить доступ и к коротким, и к длинным алкильным линкерам. Распределение пиллар[6]арена на алкильных линкерах термочувствительно, пиллар[6]арен движется от коротких алкильных линкеров к длинным алкильным линкерам с повышением температуры (рис.5).

Рисунок 5 - Термочувствительное перемещение в ротаксане на основе пиллар[6]арена

Короткий алкильный линкер был присоединен к катиону пиридиния при атоме азота, расположение молекулы пиллар[6]арена на коротком алкильном линкере оказалось более предпочтительно с точки зрения энтальпии образования. Молекула пиллар[6]арена может свободно передвигаться вдоль длинного алкильного линкера за счет энтропийного эффекта [13].

1.5 Полипсевдоротаксаны и полиротаксаны на основе пиллараренов

Пергидроксилированный P[5]A H3 образует устойчивые комплексы «гость-хозяин» с производными виологена (рис.6). При смешивании виологенового полимера с P[5]A происходит образование полипсевдоротаксана [14]. Использование (1-адамантил)бромметилкетона в качестве стоппера позволило синтезировать первый полиротаксан на основе P[5]A с крайне высоким выходом продукта (93%), благодаря высокой стабильности комплекса Н3 с виологеновым полимером [15].

Рисунок 6 - Синтез полиротаксана на основе P[5]A

Группа Огоши сообщила о восстановлении ПАНИ P[5]A, сопровождающемся формированием поли(псевдо)ротаксановых структур. Гидрохинон легко окисляется с образованием бензохинона, и тот же механизм был предложен для P[5]A. Был использован пергидроксилированный P[5]A H3 как макроциклический восстановитель эмералдиновой формы ПАНИ. Интересно, что в присутствии перметилированного P[5]A восстановления ПАНИ не происходило. Это свидетельствует о том, что именно гидрохиноновые фрагменты Н3 отвечают за восстановление ПАНИ. Этот процесс можно было наблюдать визуально: при смешивании эмералдиновой формы ПАНИ с P[5]A синий раствор обесцвечивался за 180 минут (рис.7).

Рисунок 7 - Предполагаемый механизм восстановления эмералдиновой формы ПАНИ гидрохиноном и P[5]A

ИК-спектроскопия с Фурье-преобразованием показала появление новой полосы при 1646 см^-1, которая соответствует полосе валентных колебаний связи С=О бензохинона. P[5]A H3 показал более сильную восстановительную способность, чем молекула гидрохинона. Формирование поли(псевдо)ротаксановых структур между ПАНИ и H3 объясняет высокую способность последнего восстанавливать эмералдиновую (полуокисленную) форму ПАНИ [5].

1.6 Коллоидные агрегаты на основе пиллараренов

P[5]A имеет уникальную симметричную архитектуру. При самосборке молекул P[5]A могут быть получены различные наноразмерные структуры, такие как мицеллы, везикулы и трубки. Группа Огоши сообщала об образовании одномерных нанотрубок из P[5]A H3 за счет межмолекулярных водородных связей между молекулами (рис.8А). Эти молекулярные трубки впоследствии были собраны в пучки за счет Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий [16]. Хуанг и др. сообщили, что пергидроксилированный пиллар[6]арен H4 формирует в кристаллическом состоянии каналы (рис.8Б). Движущей силой образования трубчатых структур являются межмолекулярные водородные связи [17].

Рисунок 8 - Трубчатые агрегаты из пергидроксилированных пиллараренов

Хуанг и др. описали синтез амфифильного P[5]A с использованием несимметричного мономера. Амфифильный P[5]A содержал пять аминогрупп в качестве гидрофильной внешней части и пять алкильных цепей в качестве гидрофобного хвоста. Такой P[5]A формирует двуслойные везикулы в водной среде. Везикулы могут инкапсулировать кальцеин в нейтральной среде и высвобождать его в ответ на снижение рН. Везикулы со временем преобразуются в микротрубочки с первичными аминогруппами на поверхности, которые могут адсорбировать тринитротолуол за счет донорно-акцепторных взаимодействий [18].

1.7 Объемно-модифицированные материалы

Производные P[5]A, как правило, являются кристаллическими веществами при комнатной температуре из-за высокой упорядоченности строения пиллар[5]аренового ядра. Тем не менее, функциональные группы, включенные в обод производных P[5]A сильно влияют на их физические свойства. Введение фрагментов ионных жидкостей переводит производные P[5]A в жидкое состояние (рис.9а) [19]. Ионная жидкость с 10 бис(тетрафторометансульфонил)амидными (TFSI) анионами на основе P[5]A является жидкой, в то время как другая ионная жидкость на основе P[5]A с 10 PF₆^- анионами, является твердой при комнатной температуре. Жидкий P[5]A показал умеренную ионную проводимость (6.00×10^-6 Ом^-1см^-1) при 324 К и комплексообразование в отсутствие растворителя с тетрацианоэтиленом - акцептором электронов.

Рисунок 9 - (а) Ионная жидкость, (б) жидкие кристаллы пиллараренов.

Ниеренгартен и др. синтезировали производное P[5]A H31 (рис.9б), функционализированное 10 мезогенными цианобифенильными фрагментами [20]. Это соединение образует энантиотропную смектическую А-фазу в широком диапазоне температур. Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Ядро P[5]A предотвращает кристаллизацию. В то же время, межмолекулярные π-π взаимодействия между соседними ядрами P[5]A стабилизируют смектическую фазу.

1.8 Биомедицинское применение производных пиллараренов

Хоу и сотр. использовали производные P[5]A для создания искусственных трансмембранных протонных каналов. Вероятность открытия канала для производного H32 (рис.10а) составила 18 %. Размеры P[5]A и липидного бислоя составили 1.6 нм и 3.7 нм, соответственно. Две молекулы P[5]A, оказавшись рядом в липидном бислое, формируют протонный канал для воды. Вероятность открытия канала для димера P[5]A H33 (рис.10б) составила 64 %, что в три раза больше, чем для мономерного P[5]A. Соединяя две молекулы P[5]A линкером подходящей длины, можно повысить стабильность канала [21]. Та же группа исследователей синтезировала гидразиновое производное P[5]A. Гидразиновые фрагменты в боковых цепях образуют внутримолекулярные водородные связи для получения жестких трубчатых структур. Введение молекул в липидные мембраны везикул привело к транспортировке воды по каналам, образованным единичными молекулами [22]. Такие каналы показали наивысшую активность транспорта молекул воды (8.6×10^{-10 см с-1}). Длина канала составила 5.1 нм, что соответствует ширине липидного бислоя 5.0 нм (рис.10).

Рисунок 10 – Искусственные трансмембранные каналы на основе (а) мономерных и (b) димерных P[5]A

Хуанг и сотр. сообщили об ингибировании токсичности параквата за счет формирования комплекса типа «гость-хозяин» между перкарбоксилированным пиллар[6]ареном и паракватом. Образуется стабильный комплекс типа «гость-хозяин» состава 1:1 с чрезвычайно высокой константой ассоциации (1.02±0.10)×10⁸ М^-1, которая значительно выше, чем соответствующее значение константы ассоциации (8.20±1.70)×10⁴ М^-1 для комплексов перкабоксилированного P[5]A и параквата. Высокая аффинность связывания перкарбоксилированным пиллар[6]ареном параквата уменьшает взаимодействие параквата с восстановителями в клетке, что затрудняет генерирование его катион-радикала, в результате чего наблюдается эффективное снижение токсичности параквата [23].

1.9 Гибридные материалы на основе пиллараренов

Гибридизация пиллараренов с различными материалами - органическими, неорганическими или металлическими – является важным способом создания новых функциональных наноразмерных материалов. При агрегации наночастиц золота цвет коллоидного раствора меняется от красного до фиолетового и синего. Этот феномен многообещающ для создания чувствительных оптических устройств. Хуанг и соавт. сообщили о приготовлении наночастиц золота с использованием водорастворимого P[5]A с 10 имидазольными группами. Он может выступать как стабилизатор для приготовления наночастиц золота в воде размером >6 нм. Эти наночастицы золота были применены в качестве катализатора в модельной реакции восстановления боргидридом 4-нитроанилина. В отсутствие наночастиц золота реакции не происходит [24].

Наноразмерные углеродные материалы, такие как фуллерены, углеродные нанотрубки, наноалмазы, - привлекают внимание из-за их уникальных структурных, электрических и механических свойств. Хуанг и сотр. сообщили о диспергировании многостенных углеродных нанотрубок в воде при использовании комплекса «гость-хозяин» между перкарбоксилированным пиллар[6]ареном и пиридиниевым катионом, содержащим пиреновый фрагмент. Многостенные углеродные нанотрубки хорошо диспергировались в водном растворе комплекса «гость-хозяин» при обработке ультразвуком, но не диспергировались в присутствии молекулы «гостя» [25].

1.10 Сенсоры на основе пиллараренов

В настоящее время в литературе представлено всего несколько примеров использования пиллараренов в составе сенсоров. Но, тем не менее, для создания сенсоров используются различные способы детектирования – оптические сенсоры, электрохимические сенсоры и др., и круг определяемых соединений также достаточно широк – в зависимости от заместителей в составе пилларарена можно определять катионы, анионы и нейтральные молекулы. Все это делает пилларарены многообещающими соединениями для создания новых сенсоров.

Оптические датчики позволяют обнаружить целевые соединения невооруженным глазом за счет изменений цвета и флуоресценции. Пирены широко используются в качестве зонда для обнаружения целевых соединений. Флуоресценция пирена гасится в присутствии молекул с дефицитом электронов из-за фотоиндуцированного переноса электрона. Кроме того, пирен проявляет не только четко разрешенную эмиссию мономера при 370 - 430 нм, но и эмиссию формирования эксимера при 480 нм [26]. Функционализация пиллараренов фрагментами пиренов позволяет обнаруживать включение «гостей», изменения температуры и рН. Стоддарт и сотр. сообщили о синтезе P[5]A, моно-функционализованного пиреном (рис.11). Первичные амины подавляют флуоресценцию пирена из-за фотоиндуцированного переноса электронов. Тушение флуоресценции пиренового фрагмента в функционализированном пилларарене наблюдалось в присутствии первичных аминов, что явилось достаточным для измерения константы ассоциации комплекса (K). Значения K для серии алкандиаминов, содержащих от трех до восьми атомов углерода составили около 10⁴ М^-1. Эффективность тушения флуоресценции пилларарена производными алкиламинов, содержащими только одну терминальную аминогруппу, была слабее (К = 0.29-1.6×10⁴ М^-1), чем у алкандиаминов. Возможны две ориентации н -алкиламина внутри полости P[5]A: либо терминальная аминогруппа направлена к пиреновому флуорофору, либо от него. Напротив, 1-аминоадамантен только снижает флуоресценцию (до 85 % от начальной интенсивности), даже после добавления пятикратного избытка. Адамантильный фрагмент слишком громоздкий, чтобы поместиться внутри полости P[5]A [27].

Рисунок 11 - Тушение флуоресценции моно-пирензамещенного P[5]A при формировании комплекса «гость-хозяин» с аминами

Хуанг и сотр. сообщили о флуоресцентном асимметричном P[5]A (рис.12а), синтезированном из несимметричного диалкоксибензольного мономера. Этот P[5]A показал высокую селективность и сродство к фторид-анионам [28] (К=(1.25±0.08)×10⁴ М^-1). Эта константа почти в 15 раз выше, чем для Cl^- (K = 858±73 М^-1), в 20 раз выше, чем для Br^- (К = 614±51 M^-1), и в 44 раз выше, чем для I^- (К = 284±19 М^-1). Пять триазольных колец на одной стороне пилларарена взаимодействуют с фторидом совместно за счет образования водородных связей (рис.12б).

Рисунок 12 - (а) Химическая структура несимметричного флуоресцентного пилларарена; (b) Связывание анионов F^-

Котур и соавт. получили этерифицированный пилларарен 3 (1). Полученное соединение 3 обладало интересными свойствами: в кристаллическом состоянии молекулы выстраивались в линию, формируя трубки, способные абсорбировать молекулы воды. Обработка водосодержащих кристаллов D₂O приводила к замене H₂O на D₂O. Подобные соединения могли выступать в качестве трансмембранного канала для воды и аминокислот.

(1)

Это позволило предположить, что 3 может выступать в качестве протонного канала. Была изучена способность соединения 3 облегчать транспорт протонов через матрицу, состоящую из агарового геля с индикатором. Контрольные гели получали смешиванием 1 % агара и 1.25 % фенолфталеина по весу в 0.1 М NaOH. В модифицированную мембрану дополнительно добавляли 0.5 % по весу соединения 3. В предварительном эксперименте 0.1 М HCl доставляли к верхней поверхности геля в наконечнике дозатора. На рис.13 показано, что транспорт протонов в геле, содержащем соединение 3, облегчается, что выражается в более быстром исчезновении розовой окраски при добавлении кислоты.

Рисунок 13 - Отклик индикаторного геля через 300 с в отсутствие (а) и в присутствии (b) соединения 3 в составе геля

Время, необходимое для обесцвечивания индикатора в отсутствие соединения 3, составило 413±69 с. В присутствии соединения 3 изменение окраски фенолфталеина проходило значительно быстрее (289±70 с). Для более глубокого понимания роли 3 в транспорте протонов был создан ионоселективный электрод на основе поливинилхлоридной мембраны с 0.1 М KCl в качестве внутреннего раствора сравнения. Измерения проводили в диапазоне рН от 1 до 4. Сенсор показал нелинейную зависимость потенциала от рН, что может быть связано с фоновым эффектом K⁺ или механизмом, при котором активность Н⁺ не коррелирует напрямую с его концентрацией (рис.14).

Рисунок 14 - Нелинейная зависимость сигнала электрода, модифицированного этерифицированным пилларареном, от pH

Также это может быть связано с неизвестным каталитическим процессом, зависящим от потока, как, например, для каталитических металл-металлоксидных электродов, дающих не-нернстовские отклики [29].

Джоу и соавт. модифицировали поверхность восстановленного оксида графена (RGO) амфифильным P[5]A с образованием диспергируемого в воде нанокомпозита RGO- P[5]A. Затем проводилась самосборка золотых наночастиц (AuNPs) на поверхности нанокомпозита посредством амидных групп пилларарена. В результате образовывался нанокомпозит состава RGO- P[5]A -AuNPs. Было доказано, что значительная часть молекул пилларарена связана с поверхностью восстановленного оксида графена и большинство золотых наночастиц равномерно распределены по поверхности нанокомпозита. Электрохимические исследования показали, что RGO- P[5]A способен к селективному супрамолекулярному распознаванию и повышенной способности связывать молекулы «гостей». Что более значимо, электрохимическая чувствительность конечного нанокомпозита RGO- P[5]A -AuNPs по отношению к гостевым молекулам выявляет синергетическое действие мультифункциональных свойств, таких как отличные характеристики RGO, селективное супрамолекулярное распознавание и повышенная способность к связыванию P[5]A и каталитические свойства AuNPs.

Для изучения распознавания по принципу «гость-хозяин» на электродах, модифицированных RGO- P[5]A и RGO- P[5]A -AuNPs, было изучено электрохимическое поведение 6 электроактивных молекул: дофамина (DA), 4-ацетамидофенол (АРАР), мочевой кислоты (UA), метиленового синего (MB), триптофана (Trp) и имидаклоприда (Idp). На рис.15 показаны циклические вольтамперограммы и токи пиков соединений на стеклоуглероде (GCE) (а), стеклоуглероде, модифицированном: RGO (b), RGO- P[5]A (с), RGO- P[5]A -AuNPs (d). На чистом стеклоуглероде наблюдались очень слабо выраженные анодные и катодные пики. При введении в состав сенсора RGO, токи пиков для изучаемых соединений заметно увеличивались, что связано с отличной проводимостью и большой площадью поверхности RGO. При модификации стеклоуглерода нанокомпозитом RGO- P[5]A электрохимический отклик заметно менялся: Ток пика для первых четырех молекул (DA, APAP, UA, MB) возрос в 1.3-2.5 раза по сравнению со стеклоуглеродом, модифицированным только RGO, что, по-видимому, связано с распознаванием по принципу «гость-хозяин» и эффектом усиления сигнала между пилларареном и «гостем». Однако, для Trp, ток пика на стеклоуглероде практически не изменился. Для Idp на электроде, модифицированном RGO-P[5]A, не наблюдалось катодного пика.

Рисунок 15 - Циклические вольтамперограммы и токи пиков 50 мкМ DA (A,G), 50 мкМ АРАР (B,H), 50 мкМ UA (C, I), 50 μМ МВ (D, J), 50 мкМ Trp (E, K), 50 мкМ Idp (F, L) в 0.1 М фосфатном буфере, рН=7 на (а) чистом стеклоуглероде, (b) RGO/GCE, (c) RGO- P[5]A /GCE, (d) RGO- P[5]A -AuNPs/GCE.

Эти результаты могут быть объяснены с двух точек зрения. Во-первых, принцип совпадения размеров является важным фактором формирования комплексов «гость-хозяин». Пилларарен имеет жесткую гидрофобную полость глубиной порядка 7.8 Å и диаметром около 5.6Å. Размеры молекул DA (4.5 Å), APAP (4.9 Å), UA (5.1 Å), и MB (5.2 Å) меньше диаметра пилларарена (рис.16). Эти молекулы могут легко входить в полость пилларарена с образованием комплексов «гость-хозяин», что в свою очередь, приводит к аккумуляции молекул «гостей» на поверхности стеклоуглерода, модифицированного RGO- P[5]A и улучшению электрохимического отклика. Для больших молекул, например, Trp (5.5 Å) сигнал практически не менялся, для Idp (6 Å), размер которого больше размера полости, катодный пик не наблюдается, что свидетельствует об отсутствии взаимодействия. Во-вторых, на усиление сигнала могут влиять и зарядовые характеристики молекулы «гостя». Электронодонорная полость пилларарена образует комплексы с электроно-дефицитными или нейтральными молекулами, размеры которых позволяют войти в полость пилларарена. Дофамин и метиленовый синий положительно заряжены, а 4-ацетамидофенол – нейтральная молекула. Эти соединения, соответственно, показывают относительно высокую плотность тока. Напротив, отрицательно заряженная мочевая кислота показывает низкую плотность тока. Таким образом, не только размеры, но и заряд молекулы влияет на электрохимический сигнал.

Рисунок 16 - Структура и размеры P[5]A (A), молекулярные структуры и расчетные размеры для дофамина (DA) 4-ацетамидофенола (АРАР), мочевой кислоты (UA), метиленового синего (MB) (B), триптофана (Trp) и имидаклоприда (Idp) (C)

При введении в состав сенсора AuNPs для молекул, соответствующих по размеру полости пилларарена (DA, APAP, UA, и MB), наблюдается дальнейшее увеличение тока пиков (примерно в 2 раза по сравнению с RGO- P[5]A /GCE). Потенциал анодного пика для этих соединений слегка смещается в отрицательную область. Из-за слабого взаимодействия между пилларареном и триптофаном, ток пика для последнего увеличился только в 1.3 раза. Более того, так как пилларарен не способен распознавать имидаклоприд, на электроде, модифицированном RGO- P[5]A -AuNPs/GCE не наблюдалось катодного пика.

Наночастицы золота обладают отличными электрокаталитическими свойствами и улучшают перенос электрода между модифицирующим слоем и молекулой «гостя». На электроде, модифицированном RGO- P[5]A -AuNPs/GCE, проводили определение дофамина с помощью дифференциальной импульсной вольтамперометрии (рис.17). Дофамин определяли в широком диапазоне концентраций (от 1.5×10^-8 до 1.9×10⁻⁵ M) с пределом обнаружения 1.2×10⁻⁸ M [1].

Рисунок 17 - (А) Отклик дифференциально-импульсной вольтамперометрии на различные концентрации дофамина на электроде, модифицированном RGO- P[5]A -AuNPs/GCE в 0.1 М фосфатном буферном растворе. (В) Градуировочная зависимость дофамина

Дюбе и соавт. модифицировали эпоксиграфитовые композитные электроды 1,4-диметоксипиллар[5]аренами, что позволило получить отклик на важные для клинического анализа катионы Na⁺ и K⁺. Концентрации ионов Na⁺ и K⁺ внутри и снаружи клетки отличаются на порядок, и для поддержания жизнедеятельности клетки необходимо сохранять этот баланс. Поэтому мониторинг концентраций этих электролитов является важной проблемой в клинической медицине. В данный момент это может быть достигнуто с применением оптодов, использующих макроциклические рецепторы для обнаружения Na⁺ и K⁺. Также существует потребность в определении Na⁺ и K⁺ в воде.

1,4-диметоксипиллар[5]арен-композитные электроды состояли из 10 % 1,4-диме-токсипиллар[5]арена, 30 % графита и 60 % эпоксидной смолы по массе. Контрольные композитные электроды состояли из 30 % порошка графита и 70 % эпоксидной смолы по массе. Электрический контакт был достигнут с помощью проволоки, соединенной с одной стороны с композитными дисками с помощью серебросодержащей эпоксидной смолы. Размеры конечного электрода составили 1 мм в толщину и 3 мм в диаметре.

Предварительное моделирование показало, что в полость пилларарена могут поместиться ионы Li⁺, Na⁺, K⁺, а Rb⁺ и Cs⁺ - нет из-за слишком большого размера катиона. Li⁺ также вызывает сильное искажение макроцикла, чтобы расположить катион в псевдо-тетраэдрическом координационном окружении (рис.18).

Рисунок 18 - Комплексы пилларарена с катионами металлов: Li⁺ (зеленый), Na⁺ (желтый), K⁺ (фиолетовый), Rb⁺(красный), Cs⁺(оранжевый)

Для макроциклов, помещенных внутри углеродной матрицы, такие изменения геометрии затруднены. Соответственно, более предпочтительными для связывания будут катионы, реагирующие с пилларареном без таких изменений. Метильные группы, расположенные по обоим ободам макроцикла, свободно вращаются и частично блокируют вход в центральную полость макроцикла, что делает проникновение больших катионов менее выгодным энергетически. Соответственно, Na⁺ должен связываться лучше, чем К⁺. Но эксперимент по времени вымывания катионов с поверхности сенсора показал, что К⁺ удерживается сильнее – он вымывается за 36 с, тогда как Na⁺ - за 6. Проведенные компьютерные расчеты с учетом молекул растворителя показали, что, действительно, свободная энергия Гиббса связывания для К⁺ на 25 кДж/моль выше, чем для Na⁺.

Проводили регистрацию вольтамперограмм в воде и в растворах, содержащих 10 мМ гексафторфосфатов соответствующих катионов на сенсорах, модифицированных пилларареном, и на контрольных композитных электродах. Для оценки влияния катионов на вольтамперометрический сигнал измеряли изменение в емкостном сигнале, измеренное как разница в токе при 0 В. Для Li⁺, Rb⁺, и Cs⁺ изменения емкости не наблюдалось. Емкостный ток для Na⁺ значимо снижался с 1.18±0.03 мкФ на контрольном электроде до 0.92±0.03 мкФ на электроде, модифицированном 1,4-диметоксипиллар[5]ареном. Емкостной ток для K⁺ также снижался с 1.44±0.08 мкФ на контрольном электроде до 1.22±0.02 мкФ на электроде, модифицированном 1,4-диметоксипиллар[5]ареном. Это позволяет предположить, что катионы связываются с макроциклом и им не нужно мигрировать к поверхности электрода, так как образуется двойной слой. За счет этого наблюдается снижение емкостного тока. Если Na⁺ и K⁺ удерживаются на электроде, то емкостный ток также способствует более быстрому образованию двойного слоя.

Физиологический уровень Na⁺ составляет от 100 до 180 мМ, K⁺- от1 до 10 мМ. На рис.19 показаны градуировочные зависимости, полученные в присутствии и в отсутствие пилларарена в составе композиции. Предел обнаружения для Na⁺ составил 40.81 мМ. Это позволяет определять Na⁺ в клинически значимых концентрациях, так как предел обнаружения намного ниже ожидаемого значения. Градуировочная зависимость для K⁺ также имела линейный вид, предел обнаружения составил 2.28 мМ. Хотя это и достаточно низкое значение, но оно выше нижней физиологической концентрации K⁺. Кроме того, не было значимой разницы между сигналом контрольного электрода и сенсора на основе P[5]A до концентрации K⁺ выше 10 мМ. Полученные сенсоры были стабильны в течение 7 дней [2].

Рисунок 19 – Градуировочные зависимости для ионов Na⁺ и K⁺ на композитных и контрольных электродах

* * *

Анализ представленных литературных данных показывает разнообразие свойств пиллараренов, особенно учитывая их способность к ассоциации и формированию наноразмерных структур регулярного строения. Включение заместителей меняет характеристики распознавания аналитов, к числу которых относятся как различные акцепторы электронов, так и гидрофобные фрагменты молекул линейного строения. Вместе с тем, число работ по электрохимии пилларарена невелико, что может быть связано с трудностями интерпретации данных вольтамперных измерений и реакционной способностью исходного P[5]A, окисляющегося кислородом воздуха. Учитывая большой потенциал пиллараренов как рецепторных структур, целью курсовой работы явилось исследование их электрохимических характеристик в водно-органических смесях и на поверхности стеклоуглеродного электрода.

Дата добавления: 2015-07-20