Кукурбит[n]урилы и комплексы металлов — супрамолекулярные аддукты, комплексы и соединения включения

Актуальность темы

Супрамолекулярная химия — бурно развивающееся междисциплинарное научное направление. Термин «супрамолекулярная химия» введен выдающимся французским химиком, лауреатом Нобелевской премии 1987 г: Ж.-М. Леном и определен им как «химия за пределами молекулы, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами» [1]. Процессы самоорганизации химических частиц, обусловленные специфическими межмолекулярными взаимодействиями (электростатические силы, водородные связи, ван-дер-ваальсовы взаимодействия и т. д.), являются предметом все более активных исследований в химии. Именно эти процессы рассматриваются как наиболее перспективные в технологиях получения материалов как с заранее заданными, так и с новыми, недоступными ранее характеристиками [2−7].

Возросший в последние годы интерес к макроциклическим кавитандам (циклодекстрины, каликсарены, кукурбитурилы) и их комплексам с металлами обусловлен возможностью создания на их основе высокоорганизованных супрамолекулярных ансамблей, сочетающих органические и неорганические строительные блоки. Развитие органической супрамолекулярной химии достигло уровня обобщений, тогда как неорганическая супрамолекулярная химия пока еще находится на стадии накопления данных. Возникающий на стыке этих направлений широкий спектр уникальных возможностей для направленного создания новых функциональных материалов привлекает все больше ученых из самых разных стран, исследования в данной области успешно проводятся и в России (акад. А. И. Коновалов, акад. А. Ю. Цивадзе, чл,-корр. С.П. Громов).

Селективность макроциклических лигандов к отдельным комплексным формам металлов применяется в разработке технологий молекулярного распознавания, используемым для извлечения и разделения металлов [2]. Комплексы ионов металлов с макроциклическими лигандами широко распространены в живых системах и являются основой функционирования многих жизненно важных процессов, таких как транспорт через клеточную мембрану и ферментативный катализ [8].

Изучение соединений включения металлокомплексов в органические кавитанды, так называемые молекулярные наноконтейнеры — новое направление супрамолекулярной химии. При включении комплексов переходных металлов в органический кавитанд реализуется уникальное микроокружение иона металла, сходное с окружением в металлоферментах, что делает перспективным использование соединений включения для моделирования биохимических процессов, основанных на селективном взаимодействии металлофермеит-субстрат [9−12]. Включение в кавитанды металлокомплексов, обладающих биологической активностью, используется для создания нового поколения фармацевтических препаратов пролонгированного действия — молекула хозяина предохраняет комплекс гостя от быстрого разложения, снижает его токсичность и выполняет транспортную функцию активного компонента в организме [12−15]. Хотя исследования в этой области ведутся в последние годы в десятках лабораторий мира, число примеров подобных соединений включения пока невелико.

Объектами данного исследования являются супрамолекулярные соединения на основе комплексов металлов и органических макроциклических кавитандов кукурбит[л]урилов (СВ[и]). Кукурбит[я]урилы — это сравнительно новый класс макроциклических лигандов, в отличие от таких хорошо известных в супрамолекуляриой химии рецепторов, как каликсарены и циклодекстрины. Обладая достаточно высоким отрицательным зарядом на атомах кислорода порталов, СБ [п способны выступать в роли внутрии внешнесфериых лигандов в металлокомплексах. Это обусловило выбор этих макроциклов для создания новых супрамолекулярных ансамблей с комплексами металлов, в частности, для решения такой актуальной задачи, как выделение в кристаллическую фазу полиядерных комплексов из водных растворов солей металлов. Детальное изучение процессов образования полиядерных гидроксокомплексов, которые происходят при изменении рН растворов, важно для решения экологических проблем и понимания роли ионов металлов в биологических системах [16−29]. Полиядерные аквакомплексы переходных металлов являются активными центрами ряда ферментов, существенна роль процессов гидролиза и в химии аквакомплексов токсичных и других представляющих интерес для медицины металлов [20−26]. Недостаточность имеющейся информации о закономерностях образования и строения полиядерных комплексов, особенно таких оксофильных металлов как Al3+, Ga3+, Ln3+, делает актуальной разработку новых подходов к получению полиядерных соединений, изучению их строения и свойств, контролю степени олигомеризации.

Соединения включения комплексов металлов в кукурбит[л]урилы изучены очень мало, в отличие от их аналогов с каликсаренами и циклодекстринами. В литературе описаны, в основном, соединения включения металлоорганических л-комплексов в кукурбитурилы, и имеются лишь единичные примеры включения в СВ[я] «классических» комплексов переходных металлов. Результаты, показывающие существенное снижение токсичности комплексов платины и увеличение противораковой активности металлоценов при включении их в СВ[7] и СВ[8] [13, 14, 27−33], показывают перспективность соединений включения кукурбитурилов с комплексами биометаллов для создания нового поколения лекарственных препаратов.

Сочетание таких характеристик кукурбитурилов, как жесткая высокосиммегричная структура, поляризованные гидрофильные карбонильные порталы, гидрофобная полость крупных размеров, способная к селективному включению нейтральных и положительно заряженных гостей, а также высокая устойчивость к термолизу и агрессивным средам, открывают обширные перспективы для синтеза и исследования их соединений с комплексами металлов, которые могут найти применение в различных областях современной химии и новых технологий.

Цель работы: разработка подходов к созданию новых супрамолекулярных систем на основе комплексов металлов и органических макроциклических кавитандов кукурбит[л]урилов. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих 1 задач:

1) разработка методов выделения кристаллических фаз монои полиядерных комплексов из водных растворов солей металлов s-, р-, dи /-элементов в виде комплексов или супрамолекулярных соединений с кукурбит[и]урилами (п = 5−8), выявление основных закономерностей образования таких соединенийс.

2) развитие методов синтеза и получение новых соединений включения комплексов металлов в кукурбит[8]урил;

3) изучение влияния включения в кукурбит[8]урил на строение и свойства комплексов металлов;

4) характеризация полученных новых соединений различными физико-химическими методами, установление их строения методом рентгеноструктурного анализа монокристаллов.

Научная новизна. Разработаны методики синтеза и получено 67 новых соединений кукурбит[л]урилов {п — 5−8) с монои полиядерными металлокомплексами s-, р-, dи /-элементов, в которых методом РСА монокристаллов выявлена внутриили внешнесферная координация макроцикла. Получено 15 новых соединений включения комплексов металлов с циклическими и ациклическими алифатическими полиаминами в кукурбит[8]урил.

Найдены новые структурные типы четырехъядерных гидроксокомплексов лантаноидов в структуре соединений с СВ[6] «сэндвичевого» типа. Получены первые примеры смешанных по металлу Ln (III)/Ag (I) координационных полимеров на основе четырехъядерных комплексов лантаноидов с СВ[6].

Строение полиядерных комплексных катионов [Оаз2(Н2О)20О27(ОН)з9]3+, [Ga13(H20)24(0H)24]15+, [In2(H20)8(0H)2]4+, [Hf4(H20)16(0H)8]s+ и [Сг4(Н20)12(0Н)6]6+ установлено впервые.

Впервые показаны два возможных пути образования полиядерных аквакомплексов в водных растворах солей галлия (Ш): при конденсации моноядерных октаэдрических аквакомплексов вокруг тетраэдрических или октаэдрических центров.

На примере соединений включения комплексов т/?днс-[Со (еп)2С12]+ и транс-[Co (tn)2Cl2]+ в СВ[8] впервые обнаружена стабилизация комплексов при включении в полость хозяина по отношению к реакциям изомеризации и акватации.

Впервые для изучения электрохимических свойств соединений включения использована циклическая вольтамперометрия в твердой фазе. Экспериментально доказано, что окислительно-восстановительное превращение гостя протекает внутри полости кавитанда и, в отличие от «свободного» комплекса, полностью обратимо.

Разработка методов синтеза, установление строения и исследование свойств новых соединений кукурбит[я]урилов с комплексами металлов является вкладом в фундаментальные знания в области супрамолекулярной химии, неорганической химии аквакомплексов и химии соединений включения.

Практическая значимость. Полученная в работе информация о полиядерпых аквакомплексах может быть использована во всех областях, связанных с процессами гидролиза соединений металлов — как в промышленных технологиях, так и в биологических системах. Например, полиядерные комплексы алюминия и галлия перспективны как прекурсоры в золь-гелевой технологии, их образование наблюдается при синтезе цеолитов. Изучение магнитно-релаксационных характеристик четырехъядерного комплекса гадолиния (Ш) с СВ[6] показало перспективность дальнейших работ по получению стабилизированных макроциклами полиядерных гидроксомостиковых комплексов как контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии. Изменение строения, химических и спектральных свойств комплексов металлов при включении в полость СВ[8] может быть использовано для дизайна новых каталитических систем, модельных систем в биохимии и создания лекарств пролонгированного действия (СВ[8] может использоваться в качестве переносчика активного компонента лекарства, снижать токсичность комплекса для организма и предотвращать нежелательные реакции комплекса в физиологических жидкостях).

Данные по кристаллическим структурам соединений, полученных в рамках настоящего исследования, депонированы в Кембриджский банк структурных данных и доступны для научной общественности.

Некоторые результаты данной работы уже вошли в учебник по координационной химии: присутствие комплексов висмута трех различных координационных типов в структуре соединения с СВ[8] упоминается в книге J.R. Gispert «Coordination Chemistry» [34].

На защиту выносятся:

— закономерности образования комплексов или супрамолекулярных аддуктов с СВ[и] в зависимости от природы металла;

— использование кукурбит[я]урилов для выделения монои полиядерных оксогидроксомостиковых аквакомплексов металлов из водных растворов в кристаллическую фазу- ;

— метод синтеза смешанных по металлу координационных полимеров на основе четырехъядерных «сэндвичевых» комплексов лантаноидов с кукурбит[6]урилом;

— подходы к синтезу соединений включения комплексов металлов с полиаминами (гость) в полость СВ[8] (хозяин): а) прямой метод «гость + хозяин" — б) взаимодействие аквакомплекса с предварительно включенным в кавитанд полидентатным лигандомв) вытеснение металлокомплексом другого гостя из полости хозяина;

— данные по сравнительному изучению химических и спектральных свойств комплексов металлов с полиаминами и их соединений включения в кукурбит[8]урил, в том числе методом циклической вольтамперометрии в твердой фазе.

Личный вклад автора.

Цель и задачи исследования

были определены и сформулированы автором диссертации совместно с научным консультантом. Автору принадлежит решающая роль в разработке и реализации экспериментальных подходов, интерпретации и обобщении результатов. Автор участвовал в анализе информации, полученной спектроскопическими и физико-химическими методами. Экспериментальная.

часть работы выполнена автором совместно с сотрудниками, аспирантами и студентами лаборатории химии кластерных и супрамолекулярных соединений ИНХ СО РАН, работавшими под научным руководством автора. В ходе выполнения работы под руководством автора подготовлена и успешно защищена кандидатская диссертация.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 11 конференциях: IX-XI Международных семинарах по соединениям включения (ISIC-9, Новосибирск, 2003; ISIC-10, Казань, 2005; ISIC-11, Киев, 2007) — III Международном симпозиуме «Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур» (Казань, 2004) — XIII и XIV конкурсах-конференциях им. академика А. В. Николаева (Новосибирск, 2002 и 2004) — Международной конференции «New frontiers of modern coordination chemistry» (Новосибирск, 2005) — VI международной конференции «Physical Methods in Coordination and Supramolecular Chemistry» (Кишинев, 2006), Международном симпозиуме «Design and Synthesis of Supramolecular Architectures» (Казань, 2006), Международном семинаре «Metal-rich Compounds» (Карлсруэ, Германия, 2007), Международном симпозиуме «Supramolecular and NanoChemistry: Toward Applications» (Харьков, Украина, 2008).

Публикации. Результаты работы опубликованы в 2 обзорах, в 29 статьях в отечественных и международных научных журналах (список ВАК) и тезисах 11 докладов на конференциях. Две работы опубликованы в журналах «Природа» и «Наука в России» [35,36].

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 228 страницах, содержит 113 рисунков и 7 таблиц. Работа состоит из введения, обзора литературы (гл. 1), экспериментальной части (гл. 2), обсуждения экспериментальных результатов (гл. 3), выводов и списка цитируемой литературы (357 наименований).

выводы.

1. Разработаны методы синтеза и проведено систематическое исследование строения и химических свойств комплексов металлов с органическими макроциклическими кавитандами кукурбит[и]урилами (СВ[и]). Получено 84 новых соединения, строение которых установлено методом рентгеноструктурного анализа. Показано, что связывание комплексов с СВ[и] осуществляется тремя различными способами: за счет координации металлом атомов кислорода карбонильных групп порталов СВ[и], за счет водородных связей между аквалигандами комплекса и атомами кислорода порталов, за счет невалентных взаимодействий при включении комплекса металла во внутреннюю полость СВ[и].

2. Найдены закономерности реализации внутриили внешнесферной координации макроцикла в комплексах металлов с СВ[и]: координация ионом металла атомов кислорода порталов СВ[и], как правило, имеет место для sи /-элементов, а в случае переходных и постпереходных металлов образуются супрамолекулярные соединения за счет водородных связей.

3. Показано, что использование СВ[6] как полидентатного лиганда эффективно для выделения кинетически лабильных комплексов лаптаноидов (Ш) из водных растворов в кристаллическую фазу. Выявлены закономерности образования широкого ряда моноядерных комплексов лантаноидов с СВ[6] различного состава и строения в зависимости от концентрации металла, температуры, природы аниона исходных солей лантаноидов. При координации катионами лантаноидов атомов кислорода СВ[6] образуются соединения, в которых один или оба портала кавитанда «закрыты» комплексами металлов, либо наноразмерные соединения с двухили трехпалубной «сэндвичевой» островной структурой, либо координационные полимеры. В кристаллической структуре таких соединений реализуются высокоорганизованные супрамолекулярные ансамбли, построенные из чередующихся неорганических (комплексы металлов) и органических (СВ[6]) фрагментов.

4. Найдены условия получения четырехъядерных изоникотинатных гидроксокомплексов лантаноидов с СВ[6]- рентгеноструктурный анализ выявил общий структурообразующий «сэндвичевый» фрагмент, в котором четырехъядерный гидроксокомплекс расположен между двумя полидентатными лигандами СВ[6], а ароматическая часть изоникотинатных лигандов включена в полость кавитандов.

Получены первые примеры смешанных по металлу Ln (III)/Ag (I) координационных полимеров на основе четырехъядерных комплексов лантаноидов с СВ[6].

5. Впервые установлено строение полиядерных комплексных катионов [Ga32(H2O)20O27(OH)39]3+, [In2(H20)8(0H)2]4+, [Hf4(H20), 6(OH)8]8+ и [Cr4(H20)12(OH)6]6+, выделенных в кристаллическую фазу в составе супрамолекулярных соединений с СВ[и], а также строение 13-ядерного аквакомплекса галлия [Ga13(H20)24(0H)24](N03)i5−12H20.

6. В структуре уникального 32-ядерного оксогидроксомостикового аквакомплекса галлия (Ш) (в составе супрамолекулярного соединения с СВ[6]) атомы металла имеют тетраэдрическое и октаэдрическое окружение из атомов кислородаспособ упаковки тетраэдров и октаэдров аналогичен таковому в структуре оксида галлия /?-Ga203. Выделение из водного раствора 32-ядерного и 13-ядерного аквакомплексов галлия с различным окружением центральных атомов металла показывает, что образование полиядерпых аквакомплексов происходит по двум путям: при конденсации моноядерных октаэдрических аквакомплексов галлия либо вокруг теграэдрических, либо вокруг октаэдрических центров.

7. На примере соединений с кукурбитурилами различного размера (СВ[5], СВ[6] и СВ[8]) показано влияние геометрической и функциональной комплементарное&tradeпорталов СВ[л] и аквалигандов кластерных комплексов Nb (IV), Mo (IV) и W (IV) на строение образующихся супрамолекулярных аддуктов.

8. Развиты подходы к синтезу соединений включения комплексов металлов с полиамипами («гость») в полость СВ[8] («хозяин»): а) прямой метод «гость + хозяин" — б) взаимодействие аквакомплекса с предварительно включенным в кавитанд полидентатным лигандомв) вытеснение металлокомплексом другого «гостя» из полости «хозяина».

9. Экспериментально доказано, что включение комплексов металлов с полиаминами в СВ[8] приводит к изменению их геометрических и спектральных характеристик, а также к стабилизации по отношению к термолизу, реакциям изомеризации и акватации. Методом циклической вольтамперометрии показано, что окислительно-восстановительное превращение «гостя» протекает внутри полости кавитанда и, в отличие от «свободного» комплекса, полностью обратимо.