Установление природы влияния организованных сред в растворах, или нанореакторов (комплексы, мицеллы, везикулы, лизасомы и т.д.) на реакционную способность включенных соединений – одна из фундаментальных проблем супрамолекулярной химии, - области, привлекающей в настоящее время большое внимание. Другая проблема - установление связи между молекулярной динамикой элементарного акта в радикальных реакциях, протекающих в организованных средах, и спиновыми эффектами, детектированными в этих реакциях.
Исследование методами спиновой химии и магнитного резонанса строения и реакционной способности ассоциатов природных комплексантов (глицирризиновой кислоты и циклодекстринов) с рядом биологически активных соединений. Поставленная задача имеет как фундаментальное значение (см. предыдущий пункт), так и практическое, поскольку эти комплексанты входят в состав ряда лекарств, а механизм их воздействия на активность препаратов остается не установленным.
Для исследования природы ассоциатов используется подход, развитый в настоящем цикле работ, в рамках которого устанавливается количественное соответствие между долей ассоциированной формы (комплекс, мицелла) исследуемого соединения и эффективностью ХПЯ, созданной в радикальной реакции с участием этого соединения. Подход является полностью оригинальным. Он продемонстрировал возможность устанавливать сам факт комплексообразования, или включения в мицеллу определенного соединения, а также изучать воздействие организованной среды на отдельные стадии фотоиндуцируемых процессов, путем сравнения эффектов ХПЯ, наблюдаемых в организованной среде и гомогенном растворе. Возможность существования корреляции между эффектами ХПЯ и свойствами среды, в которой формируется поляризация, обусловлена высокой чувствительностью спиновых эффектов к динамике элементарного акта. Так, изменение эффективности клеточной ХПЯ характерно для процессов, в которых направление реакции зависит от свойств среды, и связано оно с различием в концентрации радикальных пар, образующихся в организованной среде и гомогенном растворе. Что касается объемных процессов, то отличия в этом случае могут быть обусловлены как изменениями доли поляризованных радикалов, вышедших в объём, так и времен релаксации, и коэффициентов диффузии радикалов в комплексе. Для доказательства включения соединения в комплекс или мицеллу предлагается исследовать эффективность химической поляризации в радикальной реакции с участием этого соединения в гомогенном растворе, и растворах с варьируемой концентрацией комплексанта. Подход включает также анализ двумерных ЯМР спектров, измерение времен релаксации в индивидуальном соединении и комплексе, а также квантово – химические расчеты возможных структур.
Представленный подход, опробованный на нескольких примерах (фотоидуцированные превращения в растворе и в организованных средах динатриевой соли 2,6-антрахинон-дисульфокислоты (AQDS), дибензилкетона, 2,2’ бипиридила, и метилового эфира N-ацилантраниловой кислоты) позволил продемонстрировать корреляцию между реакционной способностью включенных соединений и свойствами окружения (комплексы типа гость –хозяин, мицеллы).
Так на основании 1D и 2D 1H ЯМР было установлено что биологический электронный медиатор динатриевая соль 2,6-антрахинон-дисульфокислоты (AQDS) образует с циклодекстрином (CD) комплекс включения с константой стойкости 800 М-1. Показано, что данное комлексообразование целиком управляет селективным внутрикомплексным взаимодействием между AQDS и CD. [2].
Также ХПЯ и ЯМР исследования показали, бензильный радикал и анион-радикал 2,2’-дипиридила имеют сравнимые константы комлексообразования по сравнению с исходными диамагнитными соединениями [1, 3].
Некоторые молекулы оказываются крайне чувствительными к ближайшему окружению. Так эффективность фотораспада метилового эфира N-ацилантраниловой кислоты оказывается чувствительной к изменению окружения от апротонных к протонным растворителям. Также было установлено различие в эффективности фотораспада как в его комплексах с CD, так и мицеллах различного происхождения (додецилсульфат натрия, цетил аммоний бромид, тритон-Х100) [4].
Методом ЯМР впервые было достоверно установлено, что практически важный комплексант - глицирризиновая кислота (ГК) сама образует мицеллы в водно-метанольных растворах, которые могут солюбилизировать молекулы метилового эфира N-ацилантраниловой кислоты. При этом методом ХПЯ показано, что эффективность фотораспада полностью определяется процессом солюбилизации [5]. Исследования проведенные с модельным соединением - метиловым эфиром N-ацилантраниловой кислоты позволили в дальнейшем установить корреляцию между эффективностью фотораспада антиаритмического препарата лаппаконитина, который также является сложным эфиром этой кислоты, и его ассоциацией с глицирризиновой кислотой [6]. Последний результат имеет существенное значение для практической медицины, поскольку совместное использование лаппаконитина и ГК позволяет в разы уменьшать лечебную дозу лаппаконитина, а природа его взаимодействия с ГК оставалась неизвестной.
Исследование спиновых эффектов в процессах с участием биологически активных молекул и супрамолекулярных систем – две наиболее популярные в настоящее время точки приложения методик спиновой химии (см., например, тезисы последней конференции по магнитным и спиновым эффектам (Spin Chemistry Meeting) в 2007 году в Венеции). Интерес к реакциям, протекающим в т.н. организованных средах, или нанореакторах (комплексы типа “гость - хозяин”, мицеллы, липосомы, лизасомы, мембраны, цеолиты, жидкие кристаллы) стимулируется прежде всего биологической и медицинской значимостью этих процессов. Однако, имеется и значительный фундаментальный интерес в части, связанной с супрамолекулярной химией, поскольку природа воздействия организованной среды на реакционную способность “включенных” соединений очень мало исследована. Классические работы А Л. Бучаченко и Н. Турро, изучавших спиновые эффекты в организованной среде, показывают, что эти эффекты, благодаря своей высокой чувствительности к динамике элементарного акта, в принципе способны предоставить информацию об особенностях молекулярного движения в ограниченном пространстве нанореактора. На сегодняшний день с помощью методик спиновой химии продемонстрировано удлинение времен жизни парамагнитных частиц в комплексах циклодекстринов, каликсаренов, кукубитурилов, и изменение характера диффузионного движения радикалов аминокислот в альбумине крови. Кроме того обнаружено существенное укорочение времен релаксации анион - радикалов дипиридила в комплексах бета – циклодекстрина и радикалов метиленового голубого в комплексах каликсарена. Недавно продемонстрирована также высокая чувствительность эффектов ХПЯ к процессам комплексо и мицеллообразования в средах, где протекает радикальная реакция При этом приоритет в применении методик ХПЯ для исследования процессов в организованных средах принадлежит авторам настоящего цикла, также как и значительная часть перечисленных выше результатов.