Лаборатория фосфорорганических соединений
История
Одним из важнейших достижений органической химии последних десятилетий XX века, которое было отмечено Нобелевской премией, является открытие интересных и во многом уникальных коплексообразующих свойств полиэфирных соединений. Они способны образовывать липофильные комплексы с солями металлов и некоторыми органическими молекулами, осуществлять перенос ионных реагентов из водной фазы в органическую, растворять соли в малополярных органических растворителях и изменять состояние ионных пар в растворах, что открывает широкие перспективы их практического применения в различных областях химии, биологии и медицины.
Для образования прочных комплексов с металлами, а также для проявления селективности большое значение имеет способность полиэфирных соединений к формирования циклических или псевдоциклических структур, в которых в той или в иной степени осуществляется кооперативное взаимодействие координирующих центров с молекулой гостя. При этом определяющее значение имеет длина полиэфирной цепи и строение концевых групп. Поскольку фосфорильная группа обладает высокой координирующей способностью, фосфорилсодержащие полиэфирные соединения представляют значительный интерес. Их преимуществом является возможность изменять в достаточно широких пределах донорные свойства фосфорильной группы путем замены заместителей при атоме фосфора, что открывает широкие возможности для модификации комплексообразующих свойств этого типа соединений. Однако, до начала исследования в ИФАВ АН соединения этого типа являлись малоизученными, были известны немногочисленные представители этого класса веществ. В ИФАВ АН в Лаборатории элементорганических соединений было начато систематическое изучение фосфорилсодержащих полиэфирных лигандов, которое затем было продолжено в Группе химии комплексообразователей. Группа химии комплексообразователей была организована 23 ноября 1994 году на базе Лаборатории элеменоорганических соединений ИФАВ РАН. Ее бессменным руководителем является с.н.с. к.х.н. В.Е.Баулин. Основной целью исследований является синтез новых селективных и эффективных полиэфирных комплексообразователей для связывания ионов различных металлов и органических молекул и на их основе разрабатывать новые методы и подходы к выделению, разделению и определению катионов металлов и органических соединений, представляющих фармакологический, экологический и биологический интерес.
Основные направления исследований
- Химический дизайн полиэфирных комплексообразователей с заданными свойствами (комплекообразующая способность, селективность комплексообразования, возможность образовывать супрамолекулярные структуры, которые способны переносить катионы различных металлов через искусственные и биологические мембраны, наличие хромофорных и физиологически активных фрагментов, растворимость в различных растворителях и т.д.)
- Исследование физиологической активности синтезируемых соединений (анальгетическая, противовоспалительная, противоопухолевая).
- Синтез и изучение комплексов полиэфирных лигандов с металлами различными физико-химическими методами (ИК, ЯМР, рентгеноструктурный анализ, изучение ионофорных свойств).
- Изучение экстракционной способности синтезируемых соединений с целью использования для концентрирования и разделения различных элементов при экологическом мониторинге окружающей среды.
- Использование полученных результатов в инновационной сфере (ион-селективные электроды, оптические датчики, компоненты катализаторов для топливных элементов, твердые сорбенты).
Основные научные достижения
1. Разработаны препаративные методы синтеза комплексообразующих соединений различных классов, структуры которых представлены на рис.1. При этом широко используются современные достижения органической химии, в частности темплатный синтез, ионные жидкости в качестве альтернативы обычным органическим растворителям, межфазный катализ и технология микроволнового нагрева.
Рис.1
-
q Ациклические аналоги краун-эфиров – поданды (I- V).
q Макроциклические полиэфирные соединения - краун-эфиры (VI).
q Лариатные полиэфирные макроциклы (VI).
q Производные цикламов(VIII) и цикленов (IX).
q Функционализированные фталоцианины (X).
q Функционализированные порфирины (XI).
В качестве R1 использовались фрагменты с различными координирующими фрагментами (остатки салициловой кислоты, о-фосфорилсодержащих фенолов, 8-оксихинолина, тер-пиридина, бензокраун-эфиров и т.д.).
Особое место в наших исследованиях занимает химический дизайн и исследование свойств фосфорилсодержащих соединений – новых, синтетически доступных и малотоксичных комплексообразующих агентов (подандов – ациклических аналогов краун-эфиров, лариатных краун-эфиров, диокисей дифосфинов, карбомоил-фосфиноксидов и фосфониевых ионных жидкостей). Известно много примеров, когда эти соединения успешно конкурируют как комплексообразующие агенты с “классическими” макроциклическими соединениями и поэтому широко исследуются в различных областях науки и технологии (аналитика, медицина, экология, экстракция, химическая технология).
2. Комплексообразующая способность синтезируемых соединений исследуется различными физико-химическими методами (кондуктометрическим, потенциометрическим, растворной калориметрией, ЯМР- и ИК-спектроскопи. Синтезирован ряд твердых комплексов полученных соединений с катионами различных металлов, выполнен их рентгеноструктурный анализ. На основании полученных результатов сформулированы основные факторы, определяющие комплексообразующую способность комплексообразующих соединений.
Предложен подход к созданию супрамолекулярных систем, способных избирательно переносить ионы через мембраны, используя который были разработаны составы мембран для селективных сенсоров избирательно реагирующих на ряд элементов и органических соединений. В рамках поставленной задачи был найден ряд ионных жидкостей способных поливинилхлорид, образуя при этом ионопроводящую систему (мембрану) с улучшенными техническими параметрами. В рамках настоящей работы изучается взаимодействие комплексообрующих соединений на межмолекулярном уровне, возсможность их организации в супрамолекулярные ансамбли, обладающие оптимальными параметрами с точки зрения мембраны ионоселективных и молекулярных сенсоров. Инновационным результатами этих работ являются:
а. Разработка пластифицированных мембран ион-селективных электродов для определения катионов лития, свинца и четвертичного аммония( предел обнаружения 10-6- М , время отклика 5-10 с.)
б. Предложены экстракционные методики для препаративного и технологического выделения аминокислот (триптофан, фенилаланин и т.д.), экстракционно- фотометического определения бензиламинов, октиламина и других подобных соединений , включая лекарства амфетаминового ряда, пластифицированные мембраны ион-селективных электродов для определения эфиров амино кислот, октил, бензиламинов, гуанидинов, новокаина и т.д. (предел обнаружения 10-4 - 10-1 M, время отклика.10-30 с), методы анализа эфиров аминокислот для промышленного производства аспартама и ампицилина.
3. Практически все синтезированные соединения проходят тестирование на различные виды физиологической активности. При этом используются возможности ИФАВ РАН и активно привлекаются другие организаций. Установлено, что ряд малотоксичных фосфорорганических соединений обладают высокой анальгетической и противовоспалительной активностью. Изучена противоопухолевая активность ряда фосфорилсодержащих подандов. Исследования проводилось на культурах 60 линий раковых клеток девяти групп, таких как лейкемия, меланома, рак легких, толстого кишечника, ЦНС, яичников, почек, предстательной и молочной железы. Полученные данные наглядно свидетельствуют, что в целом ряде случаев фосфорилсодержащие поданды обладают ярко выраженной противоопухолевой активностью, с четко выраженной зависимостью структура-активность. Поскольку фосфорилподанды обладают малой токсичностью, не обладают алкилирующей способностью и в их структуру не входят фрагменты, обычно проявляющие противоопухолевую активность, объяснить высокую противоопухолевую активность фосфорилподандов достаточно сложно. Однако известно, что фосфорилподанды проявляют высокую комплексообразующую и ионофорную способность к катионам щелочных и щелочноземельных металлов и поэтому, вероятно, в данном случае проявляются эффекты зависимости специфического переноса этих катионов на рост клеток.
4. Исследование экстракционных свойств полидентатных соединений представляет большой интерес в связи с перспективами использования таких реагентов в экстракционной практике и для экологического мониторинга окружающей среды. Нами системно исследуются экстракционные свойства синтезируемых соединений по отношению к Sc, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Se, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Th и U в различных экстракционных системах. Содержание элементов в равновесных растворах определяется масс-спектральным методом с ионизацией пробы в индуктивно связанной плазме (ICP-MS) и использованием масс-спектрометра PlasmaQuad (VG Elemental). Это дает возможность определять до 50 элементов практически в любой водной пробе с относительной погрешностью не превышающей 15% и с чувствительностью до 0.005 ppb (для моноизотопных элементов в отсутствии изобарной интерференции). Использование такого многоэлементного и высокочувствительного метода как ICP-MS позволяет нам существенно ускорить проведение экспериментальной работы за счет уменьшения количеств исследуемого вещества, необходимого для проведение экстракционных экспериментов, а также за счет уменьшения и числа этих экспериментов.
Для определения большинства наиболее радиотоксичных радионуклидов (90Sr, 210Pb, 210Po, изотопы радия, плутония) используются методы бета- и альфа-спектрометрии. При этом определяющей стадией для методики анализа в целом является первая — необходимость концентрирование изотопов определяемых элементов с одновременным сбросом элементов природной матрицы и мешающих радионуклидов. Основным подходом к решению этой задачи является использование эффектов молекулярного распознавания и селективного связывания с помощью высокоселективных полиэфирных соединений за счет тонкой “настройки” их пространственной структуры. С помощью различных технологий получены и исследованы различные образцы сорбционных материалов на основе комплексообразующих реагентов различного строения. В ходе работ непрерывно совершенствуются структуры комплексообразующих соединений с целью повышения их селективности, а также тестирование различных вариантов подшивки этих структур к матрице для улучшения кинетических характеристик.
Инновационным результатом работы является получение ряда сорбентов, которые по своим ценовым и качественным характеристикам не уступают существующим зарубежным аналогам.
Основные публикации
Наиболее принципиальные результаты изложены в следующих публикациях:
- Е.Н.Цветков, В.Х.Сюндюкова, В.Е.Баулин Нейтральные моно-диподанды с фосфинилфенильными концевыми группами // Журн.общей химии. 1987. Т.57. Вып.11. С.2456-2461..Tsvetkov, E. N.,Syundyukova V.Kh., Baulin, V. E. Zh. Obshch. Khim. (in Russian), 1987,No.11,P.2456-2461.
- В.Е.Баулин, В.Х.Сюндюкова, Е.Н.Цветков. Фосфорсодержащие поданды. Кислотные моноподанды с фосфинилфенильными концевыми группами // Журн.общей химии.1989.Т.59. Вып.1. С.62-67.
- Baulin, V.E, Syundyukova V.Kh.,Tsvetkov, E. N. Zh. Obshch. Khim. (in Russian), 1989,No.1,P.62-67.
- Л.В.Говоркова.О.А.Раевский.В.П.Соловьев,В.Е.Баулин, В.Х.Сюндюкова,Е.Н.Цветков Фосфорсодержащие поданды. Сообщение 6.Калориметрическое изучение комплексообразования 1,17-бис(дифенилфосфинил)-3,6,9,12,15-пентаоксагептадекана с солями щелочных и щелочноземельных металловв ацетонитриле //Изв. АН СССР, серия хим.-1991.N 3. С.575-581. [Bull. Acad.Sci.USSR, Div.Chem.Sci.,1991,40,497.
- Varnek A.A.Ten Elshof J.E.Glebov A.S.Solov'v V.E.Baulin V.P.Tsvetkov E.N. Complexation of lithium and sodium cations with beta-phosphorylate ethers,modelling terminal groups of organophosphorus podands.An experimental and theoretical study //J.Molec.Sruct., 1992, V.271, P. 311-325.
- В.Е.Баулин, В.И.Евреинов, З.Н.Вострокнутова, Н.А.Бондаренко, В.Х.Сюндюкова. Е.Н.Цветков.Фосфорсодержащие поданды.Сообщение 9. Синтез бис(дифенилфосфинилэтиловых) эфиров олигоэтиленгликолей и их омплексообразующие свойства по отношению к катионам щелочных металлов в малополярном растворителе. //Изв.АН. Сер.хим.1992.N5.С.1161-1167. Bull. Acad.Sci.USSR,Div.Chim.Sci.,1992,41,914-918.
- А.Ю.Цивадзе.А.В.Левкин.С.В.Бондарева, В.Е.Баулин, Е.Н.Цветков. Экстракция пикратов щелочных и щелочноземельных металлов подандами с 2-(дифенилфосфинилметил)фенильными концевыми группами. // Журн.неорг.химии.1993.Т.38. N.7.С.1251-1253.
- Н.В.Швенене, Н.М.Шейна, М.Ю.Немилова, И.В.Плетнев, В.Е.Баулин,Е.Н.Цветков Мембрана ионоселективного электрода для определения первичных аминов //Патент RU 20022245 С1, Бюл.N39-40.
- А.Н.Туранов, В.К.Карандашев, В.Е.Баулин, Е.Н.Цветков. Экстракция урана и тория из хлоридных растворов фосфорилсодержащими подандами// Радиохимия. 1995.N2. С.140-143.
- A.N. Turanov, V.K. Karandashev, and V.E. Baulin Extraction of Metal Clorides Complexes by Phosphoryl-containing Podands // Solvent Extr. and Ion Ex., 1996. V.14. N2. 227.
- A.N. Turanov, V.K. Karandashev, and V.E. Baulin Extraction of Metal Clorides Complexes by Phosphoryl-containing Azapodands // Solvent Extr. and Ion Ex., 1996. V.14. N4. 689-704.
- A.Varnek, D.Fourches, V.P.Solov'ev, V.E.Baulin, A.N.Turanov, V.K.Karandashev, D.Fara, .R.Katritzky In silico” design of new uranyl extractants based on phosphoryl-containing podands: QSPR studies, generation and screening of virtual combinatorial library and experimental tests // J. Chem. inf. Comp. Sci., 2004 , N44. P.1365-1382.
- Natalia V. Shvedene, Denis V. Chernyshov, Maria G. Khrenova, Andrey A. Formanovsky, Vladimir E. Baulin and Igor V. Pletnev. Ionic liquids plasticize and bring ion-sensing ability to polymermembranes of selective electrodes. Electroanalysis, 18, 2006, № 13-14, 1416-1421.
Сотрудничество
Сотрудники группы химии комплексообразователей активно поддерживает научное сотрудничество с другими организациями в России и за рубежом. В их числе: МГУ им. М.В.Ломоносова, ИФХЭ РАН им. А.Н.Фрумкина, ИОНХ РАН им.Н.С. Курнакова, ФГУП “РАДОН”, National Cancer Institute(NCI) USA. Сотрудники группы принимают активное участие в различных международных конференциях