Комплексообразование Gd (III) и Mn (II) с некоторыми дифильными производными (ТИА) КАЛИКС[n]аренов в воде и растворах неионных ПАВ

Выявление закономерностей связывания ионов металлов с макроцикличе-скими лигандами в растворах является одной из важнейших задач координационной химии. Поскольку многие биохимические процессы протекают в водном окружении, важно изучение рецепторных свойств водорастворимых макроциклических молекул, представляющих собой, как правило, соединения дифильного типа. Особое место среди таких макроциклических рецепторов занимают каликсарены, способные к взаимодействиям по типу «гость-хозяин» и образованию ассоциатов и комплексов с ионами металлов. Благодаря легкости синтеза и модификации каликсарены находят применение в катализе, при разделении и концентрировании веществ [1]. Кроме того, отсутствие цитотоксичности [2,3] открывает возможности использования водорастворимых производных каликсаренов в биохимии, в том числе при разработке фармацевтических препаратов. Особый интерес представляют парамагнитные каликсареновые металлокомплексы, имеющие потенциальное применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ) [4].

Благодаря возможности неинвазивно исследовать внутреннюю структуру различных объектов, МРТ стала важным инструментом диагностики в современной медицине. Для повышения контрастности изображений часто приходится вводить в организм специальные парамагнитные вещества — контрастные агенты (КА) — способные изменять времена протонной релаксации в ткани или физиологической жидкости (крови, лимфе и т. д.) [5,6,7]. Одними из главных требований к КА являются высокая устойчивость и высокая релаксационная эффективность, необходимые для снижения токсической нагрузки на организм [8].

К настоящему времени подавляющее большинство коммерчески доступных КА представляют собой комплексные соединения гадолиния (Ш) с линейными или циклическими полиаминополикарбоксилатами [4]. Хотя устойчивость таких комплексов довольно велика, низкие значения релаксивности вынуждают вводить в организм высокие дозы агентов. Кроме того, отсутствие целенаправленности действия в организме делает актуальным создание высокоспецифичных КА, имеющих сродство к определенным субстратам. В связи с этим важной задачей является разработка новых типов лигандов, комплексы которых с парамагнитными зондами наряду с высокой устойчивостью обладали бы также высокой релаксивностью и селективностью действия по отношению к молекулярным «мишеням». В этом плане большой интерес вызывают политопные лиганды на основе каликсаренов. Из них можно конструировать дифильные лиганды, способные к супрамолекулярным взаимодействиям (самоорганизации, молекулярному распознаванию). Предоргани-зованная структура донорных центров на каликсареновой платформе приводит к селективности взаимодействия, а дифильный характер создает благоприятный гид-рофильно-липофильный баланс для их проникновения в ансамбли дифильных веществ (мицеллы, везикулы, липосомы), включая и липидные стенки биомембран. Таким образом, комплексы каликсаренов с ионами металлов можно рассматривать также в качестве моделей мембранных переносчиков в живых системах.

В том случае, когда с большими молекулами связываются парамагнитные ионы металла, такие как, например, Gd3+, Fe3+, Мп2+, время релаксации протонов воды может заметно укорачиваться. Таким образом достигается высокая скорость релаксации — одно из главных требований к контрастным агентам для МРТ. Подобная ситуация может реализоваться при выборе каликсаренов в качестве лигандов. Кроме того, наличие гидрофобной полости позволяет каликсаренам образовывать соединения типа «гость-хозяин» с различными субстратами, включая аминокислотные остатки на поверхности белков, что позволяет также использовать ком-: плексы включения с каликсаренами в качестве моделей взаимодействия металло-фермент — субстрат [9]. В этом случае эффект связывания каликсаренового метал-локомплекса с поверхностью белка (например, альбумина — одного из основных белков крови) in vivo может привести к дополнительному увеличению скорости релаксации, и как следствие — к повышению контрастности изображения [10].

Наиболее широкое распространение среди коммерческих КА получили комплексы гадолиния (Ш). Однако отсутствие природных биохимических циклов с участием Gd (III) ограничивает его применение в медицине. Поэтому в последнее время все большее внимание обращается к соединениям таких ионов, как Fe (III), Cu (II) и, особенно, Mn (II). Возможности образования этим ионом комплексов с каликсаренами к настоящему времени не исследованы.

Цель настоящей работы — установление закономерностей образования комплексов ионов гадолиния (Ш) и марганца (Н) с рядом дифильных производных тиа) каликсаренов в воде и растворах неионных ПАВ на основе определения состава и устойчивости металлокомплексов, выявление условий достижения ими высоких значений релаксационной эффективности в растворах.

Для достижения поставленных целей требуется определить условия существования, устойчивость и магнитно-релаксационные характеристики комплексов Gd (III), Mn (II) с рядом алкилированных (тиа)кал икс [n J ар енов с сульфонатными (RC[n]S) и карбоксильными группами (TC[4]R) в воде и растворах неионных ПАВ, выявить роль строения и природы лиганда, добавок дополнительных лигандов и солей на состояние образующихся комплексов. В качестве основного инструмента исследования выбран метод ЯМ-релаксации, позволяющий одновременно получать информацию о составе и магнитно-релаксационных характеристиках комплексов парамагнитных ионов металлов. Научная новизна работы:

• методом ЯМ-релаксации проведен систематический анализ возможностей образования (тиа)каликсареновых комплексов с ионами марганца (П) и гадоли-ния (Ш) в водных средах;

• определены требования к каликсареновому лиганду для создания металлокомплексов с высокими значениями КРЭ, найдены условия их существования и оценена прочность в водных растворах;

• изучено влияние добавок неионных поверхностно-активных веществ (НПАВ) на устойчивость и релаксационную эффективность соединений каликсаренов RC[n]S с ионами Gd (III), Mn (II);

• оценены влияние длины и числа алкильных заместителей в сульфонатных ка-ликс[п]аренах на устойчивость и магнитно-релаксационные характеристики их металлокомплексов;

• проанализированы возможности образования ионами Gd (III) и Mn (II) высокоре-лаксивных комплексов с рядом изомеров дифильных производных каликсаренов TC[4]R, отличающихся конфигурационным расположением донорных групп в молекуле;

• получены металлокомплексы, обладающие чрезвычайно высокими значениями КРЭ (КРЭ до 100 000 M’V и выше) по сравнению с известными КА (КРЭ не более 5000 М^с1);

• исследована возможность существования парамагнитных металлокомплексов каликсаренов в растворах солей биометаллов (Na, К, Са), и способность взаимодействовать с дополнительными молекулами-«гостями» с образованием тройных аддуктов.

На момент начала данной работы высокорелаксивных металлокомплексов с алкильными производными (тиа)каликсаренов в литературе не было обнаружено. Практическая значимость планируемых результатов. Результаты настоящей работы важны для развития координационной, суп-рамолекулярной, аналитической, физической химии, поскольку демонстрируют возможности обнаружения и количественного описания процессов агрегации, ассоциации и комплексообразования в многокомпонентных системах с участием ионов металлов, мицеллообразующих поверхностно-активных веществ, каликсаренов и разнообразных лигандов с применением метода ядерной магнитной релаксации.

Наиболее вероятной сферой потенциального приложения результатов, полученных в ходе выполнения проекта, является медицинская диагностика по данным МРТ. По результатам работы подана заявка на патент на состав и способ получения высокорелаксивных металлокомплексов в водных растворах.

Кроме того, полученные сведения о связывания ионов металлов в многокомпонентных системах с участием дифильных веществ важны для совершенствования методов анализа, разделения и концентрирования ионов металлов и поверхностно-активных веществ в различных аналитических методиках, а также для очистки вод от загрязнений ионами тяжелых и радиоактивных элементов. На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты магнитно-релаксационного исследования состояния ионов Gd и Мп2+ в водных растворах сульфонатных каликс[4,6,8]аренов, содержащих до-децильные заместители по нижнему ободу (DC[n]S). Анализ влияния длины алкильных заместителей каликсарена, заряда и природы парамагнитного зонда на времена протонной релаксации в растворах, в том числе, в присутствии НПАВ.

2. Данные о прочности ассоциатов DC[n]S с парамагнитным зондом в воде и растворах НПАВ по методу конкурентных реакций с использованием нитри-лотриуксусной и иминодиуксусной кислот.

3. Результаты исследования тройных систем с участием додецильных производ.

5 t ных каликс[4,6,8]аренов, ионов Gd и аммонийных субстратов в водных и мицеллярных растворах.

4. Характеристики кислотно-основных свойств изомеров {конус, частичный конус, 1,3-альтернат) карбоксилатных производных п-трет-бутил (тиа)каликс[4]аренов в мицеллярной среде НПАВ Brij35 по данным рН-метрического титрования.

5. Количественная оценка прочности связывания ионов GdJ+, Мп2+ с карбокси-латными производными я-/ирет-бутил (тиа)каликс[4]арена (TC[4]R) в комплексы с высокими значениями КРЭ.

6. Сведения о влиянии различных неорганических солей и аммонийных субстратов на релаксационные параметры металлокомплексов.

7. Анализ роли размера и строения функционального заместителя в ряду TC[4]Ac-TC[4]Gly-TC[4]IDA в изменении КРЭ и прочности комплексов с Gd (lII) и Mn (II) в водных мицеллярных растворах.

Диссертационная работа изложена на 132 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и приложения. В Главе 1 (литературный обзор) рассмотрены основные закономерности взаимодействия сульфонатных и карбоксилатных производных (тиа)каликс[п]аренов с ионами металлов и органическими субстратами: показано влияние размера цикла и наличия заместителей на комплек-сообразующие и кислотно-основные характеристики каликсареновых лигандов, отражены имеющиеся в литературе количественные данные о прочности связывания каликсаренов с ионами металлов и органическими молекулами, приведены константы диссоциации каликсареновых лигандов (раздел 1.1). В разделе 1.2 отмечены особенности парамагнитного зондирования систем, содержащих дифильные соединения. Рассмотрены возможности метода при исследовании процессов ком-плексообразования и агрегации, в том числе с участием макроциклических лигандов. В разделе 1.3 описаны металлокомплексы, используемые в МРТ в качестве КА, рассмотрены основные их недостатки и способы их устранения, проанализированы тенденции в разработке новых КА, рассмотрены возможности каликсаренов как потенциальных лигандов для МРТ-агентов. В Главе 2 поставлены задачи и представлены объекты исследования. Главы 3 и 4 посвящены обсуждению основ.

выводы.

1. Методами ЯМ-релаксации, УФ-спектроскопии и математического моделирования обнаружено взаимодействие ионов Gd (III) и Mn (II) с дифильными лигандами на платформе каликс[п]- и тиакаликс[4]аренов в воде и растворах неионных ПАВ. Впервые показано, что связывание ионов Gd (III) и Mn (II) с алкилированными производными сульфонатокаликс[п]аренов RC[n]S (п=4,6,8) в водных растворах значительно укорачивает времена протонной релаксации в широкой области рН. Увеличение как длины, так и числа ал-кильных заместителей приводит к более высоким значениям релаксивности из-за более эффективного агрегирования RC[n]S, связанных с ионами парамагнитного зонда.

2. В растворах RC[n]S, содержащих ионы Gd (III) и Mn (II), при добавлении неионных ПАВ сохраняется высокая релаксационная эффективность вследствие взаимодействия ионов зондов со смешанными агрегатами ПАВ-каликсарен. При этом область существования высокорелаксивных ассоциа-тов несколько сужается, а прочность связывания катиона металла с DC[n]S ослабевает.

3. Ионы Gd (III) образуют более прочные (по сравнению с ионами Мп (И)) ассо-циаты с DC[n]S, высокая релаксивность которых сохраняется в присутствии азотсодержащих органических субстратов (включая биологически важные соединения). Неорганические и диаммонийные катионы вытесняют ионы Gd (III) и Mn (II) из состава ассоциатов с DC[n]S в воду.

4. Установлено, что функционализированные «-т/?ея?-бутилтиакаликс[4]арены TC[4]R (R — Ac, Gly, IDA), которые содержат на нижнем ободе не менее трех карбоксильных заместителей, направленных в одну сторону (изомеры конус и частичный конус), способны к образованию в воде комплексов Gd (III) и Mn (II) с высокими значениями КРЭ2. Добавки НПАВ увеличивают стабильность прозрачных растворов с TC[4]R во времени и позволяют сохранять высокие значения КРЭ>2 в широком диапазоне рН.

5. В ряду изомеров TC[4]R конус — частичный конус — 1,3-алътернат наблюдается ослабление прочности связывания с парамагнитным зондом с одновременным сужением области рН существования металлокомплексов. Увеличение числа донорных групп в заместителях в ряду R = Ac, Gly, IDA не приводит к повышению устойчивости их комплексов с ионами Gd (III) и Mn (II). Добавки неорганических солей (включая NaCl, КС1, СаС12) в растворах НПАВ в меньшей степени влияют на стабильность комплексов TC[4]R (конус) с ионами Gd (III) по сравнению с ионами Mn (II). 6. Комплексы ионов Gd (III) и Mn (II) с изомерами конус и частичный конус тиакаликс[4]аренов TC[4]R, характеризуемые высокими значениями КРЭ в физиологической области рН, являются моделями перспективных контрастных агентов нового поколения для магнитно-резонансной томографии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Обобщая полученные результаты по исследованию взаимодействия ионов Gd (III) и Mn (II) с дифильными производными (тиа)каликсаренов, отметим основные закономерности и особенности изученных систем.

Связывание ионов Gd (III) и Mn (II) с алкилированными производными сульфонатокаликс[п]аренов в водных растворах приводит к значительному укорочению времен (росту скорости) как спин-спиновой, так и спин-решеточной протонной релаксации в широкой области рН. Увеличение как длины (от бутильных до додецильных в случае RC[6]S), так и числа алкильных заместителей в ряду DC[4]S — DC[6]S — DC[8]S приводило к более высоким значениям релаксивности. Основной причиной роста релаксивности для указанных парамагнитных ионов-зондов считается замедление их вращения вследствие связывания с агрегатами сульфонатокаликс[п]аренов, образованными в водных растворах за счет гидрофобных взаимодействий их алкильных заместителей. Отсутствие подобных высоких значений Rtl в системах парамагнитный зонд — C[n]S можно объяснить тем, что не-алкилированные аналоги сульфонатокаликсаренов в выбранном диапазоне концентраций не образуют крупных агрегатов, способных притягивать противоионы.

Добавки неионных ПАВ по-разному отражаются на магнитно-релаксационных характеристиках ассоциатов DC[n]S с ионами зондов. В случае Gd (III) присутствие неионных мицелл привело к небольшому росту релаксивности и сужению области рН существования его соединений с высокими значениями КРЭу1. В случае Mn (II) релаксивность систем несколько снизилась по сравнению с водными растворами. С помощью конкурентной реакции с нитрилотриуксусной кислотой было показано, что прочность ассоциатов Mn (II)-DC[n]S ослабевает в присутствии мицелл ПАВ. Сравнение величин КРЭ и KP’Si в ассоциатах Мп (И) с DC[n]S показывает, что в случае сульфонатных каликсаренов значительно сохраняется контакный вклад в скорость спин-спиновой релаксации, что свидетельствует о сохранении большого количества молекул воды в первой координационной сфере парамагнитного катиона.

Разница в зарядах парамагнитных зондов оказала влияние и на прочность их связывания с DC[n]S в водных растворах. В случае Gd (III) сила связывания зонда оказалась равной для всех изученных DC[n]S. Прочность связывания Mn (II) с DC[4]S и DC[6]S практически не различалась, а при переходе к DC[8]S — возрастала. В целом увеличение заряда зонда привело к повышению устойчивости ассоциатов.

Анализ тройных систем Gd (III)-DC[6]S-cy6cTpaT показал, что добавки неорганических солей ведут к постепенному вытеснению ионов зонда в водное окружение, в отличие от органических аммонийных субстратов (в том числе аминокислот), где высокие значения релаксивности сохранялись. Интересно отметить, что присутствие даже небольших количеств диаммонийных субстратов приводило к резкому падению релаксивности вследствие осаждения ассоциатов субстрат-каликсарен и перехода ионов Gd (III) в воду.

Взаимодействие тетракарбоксилатных производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена (TC[4]R, RAc, Gly, IDA) с ионами Gd (III) и Мп (И) в воде сопровождается более высокими значениями релаксационной эффективности по сравнению с DC[n]S. При этом близость значений КРЭ и КРЭ2 в случае соединений Мп (П) с TC[4]R свидетельствует о значительном уменьшении контактного вклада в скорость спин-спиновой релаксации, что обычно наблюдается при замещении молекул воды в первой координационной сфере донорнвми атомами ли ганда. Это позволяет сделать вывод о том, что каликсарены TC[4]R образуют метал-локомплексы в отличие от сульфонатных каликсаренов DC[n]S, формирующих ас-социаты.

Добавки НПАВ снижали опалесценцию растворов с металлокомплексами TC[4]R и позволяли сохранять высокие значения i? lj2 в широком диапазоне рН. Оказалось, что для достижения высоких значений релаксационной эффективности с ионами Gd (III) или Mn (II) необходимо использовать изомеры TC[4]R конус и частичный конус, которые содержат на нижнем ободе не менее трех карбоксильных заместителей, направленных в одну сторону. Комплексы с максимальными значениями КРЭ образует соединение ТС[4]Ас: в случае Gd (III) с изомером частичный конус удалось достичь КРЭ 114 000 М1с" ', в случае Mn (II) с изомером конус — КРЭХ 92 500 M’V1 (КРЭ2 97 000 M’V). Сила связывания парамагнитного зонда с TC[4]R ослабевала, а область рН существования комплексов сужалась в ряду изомеров конус — частичный конус — 1,3-алыпернат.

Максимальная устойчивость комплексов Gd (III) и Mn (II) с депротонпрован-ными формами изомеров TC[4]R конус и частичный конус наблюдалась в случае ТС[4]Ас. По нашему мнению, при удлинении функциональных групп конформаци-онная гибкость тиакаликсарена повышается, и устойчивость падает. Поэтому максимально жесткий в этом плане ТС[4]Ас за счет близости расположения ацетатных заместителей оказался лучшим комплексообразователем.

Проверка возможности существования высокорелаксивных каликсареновых металлокомплексов в растворах солей (включая NaCl, КС1, СаС12, MgCl2), моделирующих биологическую среду живых организмов, показала, что комплексы Gd (III) обладают большей устойчивостью к присутствию солей биометаллов в физиологической области рН по сравнению с соединениями Мп (И).

Отметим, что все обнаруженные каликсареновые металлокомплексы обладают очень высокой спин-решеточной релаксационной эффективностью (КРЭ 70 000−114 000 M’V1), намного превышающей величины КРЭ коммерческих контрастных агентов (КРЭ 3000−5000 М-1с-1). Использование контрастных агентов с подобными высокими значениями КРЭ позволит вводить пациентам меньшие дозы КА, снижая тем самым токсическую нагрузку на организм. Однако недостаточная устойчивость изученных каликсареновых металлокомплексов (особенно по отношению к солям двухзарядных биометаллов таких, как СаС12, MgCl2, и комплексо-нам) позволяет рассматривать их лишь в качестве модельных соединений. Тем не менее, полученные результаты, на наш взгляд, представляют большой интерес для разработки контрастных МРТ-агентов нового поколения.