пара-Хлорзамещенные каликсарены: синтез и рецепторные свойства : диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук : 02.00.03

Актуальность и степень разработанности темы исследования
Функционализированные каликс[4]арены представляют большой интерес в
современной химии, ввиду широких возможностей для модификации. Как правило,
может варьироваться количество заместителей, конформация молекулы, а также
место введения рецепторных фрагментов (по верхнему или по нижнему ободу).
Каликсарены используют как биологически активные соединения в биологии и
биохимии, как катализаторы, как сенсоры, в том числе электрохимические,
флуоресцентные или люминесцентные, а также для энергетического транспорта и
экстракции различных катионов и анионов. Введение гетероатомов в
макроциклическую структуру каликс[4]аренов – один из путей предорганизации
координационных центров – оказывает значительное влияние на
комплексообразование и способствует формированию металлокомплексов
различной стехиометрии, что нашло применение в процессах мембранного
переноса.
В настоящее время изучение синтетических мембран – это активно
развивающаяся область. В литературе рассматриваются как фундаментальные
аспекты, так и различные варианты применения мембран в промышленности.
Большое количество работ посвящено жидким импрегнированным мембранам.
Данный тип мембран представляет собой раствор переносчика,
иммобилизированный в порах подложки. Круг применения таких перегородок
весьма разнообразен, они обладают наибольшими перспективами с точки зрения
достигаемой селективности процесса, кроме того, очень интересны для получения
ионоселективных электродов. Стоит отметить, что выбор переносчика является
ключевым моментом в таком транспорте: при правильном выборе молекулы с
высокой специфичностью по отношению к исчерпываемому компоненту можно
достичь очень высокой степени селективности.
На текущий момент уровень развития мембранных технологий вполне
достаточен для применения в некоторых областях, в то же время существует
потребность в дальнейшем их улучшении. В настоящее время постоянно
происходит появление новых областей применения синтетических перегородок,
что зачастую требует рационализации и интенсификации изучаемых процессов.
Идет поиск мембран, обладающих высокой энергоэффективностью, простотой
эксплуатации, высокой транспортной селективностью, большой операционной
гибкостью и хорошей совместимостью с окружающей средой.
В связи с этим актуальной задачей является поиск новых эффективных и
селективных молекул-переносчиков для жидких импрегнированных мембран,
особенно в каликсареновом ряду, ввиду значимых преимуществ данного класса
соединений в процессах комплексообразования.
Следует отметить, что производные каликсаренов уже довольно хорошо себя
зарекомендовали в сфере мембранного переноса катионов металлов. Первые
примеры использования каликсаренов для получения жидких мембран были
описаны еще в восьмидесятых годах 20 века. С тех пор проведен ряд исследований
в данном направлении, наиболее значительные результаты были показаны для
каликсарен-краун-эфиров как селективных рецепторов для катионов цезия. При
этом потенциал производных каликсаренов не угасает, о чем свидетельствует
стабильно высокое ежегодное число публикаций по данной теме в течение уже
около 30 лет (согласно базе данных Scopus). Так, в последние годы в литературе
были представлены примеры использования в процессах переноса с помощью
жидких поддерживаемых мембран таких производных каликс[4]аренов, как
амидные, амино-, а также содержащие тиольные фрагменты и остатки
гетероциклов. Стоит отметить, что, как правило, в структуру каликсаренов вводят
такие гетероатомы как кислород, серу и азот, однако галогены обделены
вниманием, в то время как атомы хлора перспективны в координационной химии и
взаимодействиях с катионами металлов. Таким образом, исследование влияния
хлорокаликс[4]аренов на процессы мембранного транспорта представляется
актуальной и перспективной задачей.
Целью работы является разработка синтетических подходов к получению
пара-хлорокаликс[4]аренов, а также изучение и анализ эффективности
синтезированных соединений в процессах переноса катионов металлов.
Для достижения заданной цели были поставлены следующие задачи:
– провести аналитический обзор литературных источников по методам
синтеза пара-галогензамещенных каликс[4]аренов;
– подобрать, разработать и оптимизировать методы прямого введения атомов
хлора в каликсареновый каркас;
– функционализировать по нижнему ободу синтезированные
хлорокаликс[4]арены;
– провести первичную оценку комплексообразующих свойств
синтезированных соединений методом жидкофазной экстракции;
– синтезировать пара-хлорокаликсарен-содержащие жидкие
поддерживаемые мембраны, изучить их эффективность и селективность по
отношению к катионам металлов в сравнении с азакраун-эфирными производными
каликс[4]аренов.
Научная новизна и теоретическая значимость работы
Впервые предложены и отработаны методы получения пара-
хлорозамещенных каликс[4]аренов с помощью хлористого сульфурила, включая
реакции ипсо-хлорирования. Установлено влияние заместителей по нижнему ободу
исходного каликсарена, а также природы кислоты Льюиса на процесс ипсо-
замещения трет-бутильных групп в молекуле макроцикла на атомы хлора.
Изучено поведение хлорпроизводных каликс[4]аренов в реакциях алкилирования,
установлено влияние условий протекания реакции на конформацию продуктов.
Синтезирован ряд ранее не описанных производных каликс[4]аренов.
Впервые проведена оценка связывающих свойств пара-хлорзамещенных
каликс[4]аренов и азакраун-эфирных производных методом пикратной экстракции
по отношению к широкому ряду катионов металлов (включая некоторые
лантаниды), а также получены и исследованы жидкие поддерживаемые мембраны,
содержащие в качестве молекул-переносчиков новые производные
каликс[4]аренов.
Практическая значимость работы
Разработаны два высокоэффективных и селективных подхода к получению
пара-хлорзамещенных каликсаренов. Кроме того, предложен новый экологичный
метод получения коммерчески доступного гербицида 2-метил-4-
хлорфеноксиуксусной кислоты (модельного соединения для отработки методики
хлорирования каликсаренов), путем электролиза раствора хлорида натрия в
присутствии 2-метилфеноксиуксусной кислоты.
В ряду хлорзамещенных каликсаренов обнаружена высокая эффективность
переноса катионов натрия через жидкую поддерживаемую мембрану с
использованием дихлорзамещенной молекулы с двумя бутильными заместителями
по нижнему ободу, а среди азакраун-эфирных производных лиганд с четырьмя
остатками моноаза-12-краун-4 обеспечил 100% трансфер катионов Pb2+ и Ag+, что
имеет перспективы для решения проблемы очистки сточных вод, содержащих
катионы тяжелых металлов.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на
анализе литературных данных и направленном органическом синтезе
запланированных соединений. В рамках проведенных исследований был
использован широкий набор общепринятых подходов к синтезу, выделению и
очистке органических соединений. Установление состава и структуры соединений
происходило с использованием методов масс-спектрометрии, спектроскопии ЯМР
1
Н, ЯМР 13
С, двумерных корреляций. Для получения мембран применялся
фазоинверсионный метод сухого формования удалением растворителя при его
испарении. Предварительную оценку комплексообразующих свойств
синтезированных каликс[4]аренов по отношению к катионам металлов проводили
методом жидкофазной экстракции по пикратной методике.
Положения, выносимые на защиту
• Подбор оптимального хлорирующего агента и оптимизация условий
проведения процесса для введения атома хлора в структуру каликс[4]арена;
• исследование и оптимизация реакций ипсо-хлорирования
каликс[4]аренов;
• изучение реакций алкилирования пара-хлорокаликс[4]аренов;
• первичные испытания рецепторных свойств синтезированных
каликс[4]аренов по отношению к катионам металлов методами пикратной
экстракции и мембранного транспорта.
Степень достоверности результатов
Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается
применением современных методов исследования и хорошей воспроизводимостью
полученных экспериментальных результатов. Измерения физико-химических
характеристик соединений проводились на поверенном оборудовании Центра
коллективного пользования Уральского федерального университета (Лаборатория
«Комплексных исследований и экспертной оценки органических материалов»).
Апробация результатов
Результаты проведенных исследований были представлены в докладах на
международной конференции по каликсаренам (Сент-Джонс, Канада, 2013;
Тяньцзинь, Китай, 2017; Кассис, Франция, 2019), конференции «Химия в
федеральных университетах» (Екатеринбург, 2014), российских молодежных
научных конференциях «Проблемы теоретической и экспериментальной химии»
(Екатеринбург, 2017, 2019), Международном симпозиуме по дизайну и синтезу
супрамолекулярных архитектур (Казань, 2016), Международном симпозиуме по
макроциклической и супрамолекулярной химии (Сеул, Республика Корея, 2016;
Квебек, Канада, 2018), ICREA международной конференции по функциональным
наноконтейнерам (Таррагона, Испания, 2016), Менделеевском съезде по общей и
прикладной химии (Екатеринбург, 2016), школе-конференции для молодых ученых
«Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и медицине: фундаментальные
проблемы и перспективы» (Казань, 2019).
Работа выполнена при финансовой поддержке Государственного задания
Минобрнауки России (4.9514.2017/8.9) и проекта РФФИ 18-33-01131.
Личный вклад автора
Диссертант принимал непосредственное участие в анализе литературных
данных, планировании стратегии экспериментов и их проведении, интерпретации
и систематизации полученных результатов, оптимизации разрабатываемых
методов, написании и оформлении публикаций по результатам исследования, а
также их представлением на конференциях. Все экспериментальные данные
получены автором лично, либо при его непосредственном участии.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 статьи в российских и международных
рецензируемых научных журналах, входящих в международные базы данных и
системы цитирования (Scopus и WoS), а также 12 тезисов докладов на
международных и российских конференциях.
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 119 листах машинописного текста и
состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов,
экспериментальной части, заключения, списка цитируемой литературы. Работа
содержит 64 схемы, 16 рисунков и 10 таблиц. Библиографический список включает
106 ссылок на литературные источники.