módszerrel Témavezető: Dr. Farkas Viktor Szerves Kémiai Tanszék

Átírás

1 Tudományos Diákköri Dolgozat CSRDÁS BARBARA Királis koronaéterek enantiomerfelismerésének vizsgálata kiroptikai módszerrel Témavezető: Dr. Farkas Viktor Szerves Kémiai Tanszék Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Budapest, 2009

2 Köszönetnyilvánítás Köszönöm Dr. Hollósi Miklós egyetemi tanárnak, a Kiroptikai Szerkezetkutató Laboratórium vezetőjének a lehetőséget, hogy a laboratóriumban dolgozhattam, ezen felül a témában nyújtott segítségét. Köszönettel tartozom témavezető tanáromnak, Dr. Farkas Viktor tudományos munkatársnak, aki lelkes odafigyeléssel irányított, látott el tanácsokkal. Szeretnék köszönetet mondani a Dr. Huszthy Péter egyetemi tanárnak, Dr. Tóth Tünde tudományos munkatársnak (BME Szerves Kémia és Technológia Tanszék), valamint Kupai József és Székely György BME-s PhD hallgatóknak és Székely Kata vegyészmérnöki BSc hallgatónak a koronaéter származékok szintéziséért. 2

3 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés A királis koronaéterek bemutatása A királis koronaéterek gyakorlati jelentősége A komplexek kialakulása, jellemzése Az ECD-spektroszkópia elmélete, a spektrométer vázlatos működési elve és felépítése Irodalmi előzmények 2.1 Koronaéter komplexek kialakulásának vizsgálata ECD-spektroszkópia segítségével Deprotonálható koronaéterek tulajdonságainak felderítése ECD-spektroszkópiával, alkalmazása folyadékmembrán transzportban A folyadékmembrán transzport elmélete, módszere Deprotonálható koronaéterek komplexképzésének, oldószerfüggésének vizsgálata ECD-spektroszkópiával Célkitűzések Királis koronaéterek komplexképzésének vizsgálata, eredmények Vizsgált anyagok és kísérleti módszerek Kísérleti körülmények Gazdamolekulák ECD-spektroszkópiai tulajdonságai Deprotonálható koronaéter gazdamolekulák oldószerfüggése Vendégmolekulák ECD-spektroszkópiai tulajdonságai Szubsztituált piridino-18-korona-6 éter gazdamolekulák összehasonlítása Alkil diaril-foszfinsav és alkil diaril-foszfinát egységet tartalmazó gazdamolekulák (R/S)-NEA sóval képzett komplexeinek összehasonlítása Alkil diaril-foszfinsav és alkil diaril-foszfinát egységet 3

4 tartalmazó gazdamolekulák (D/L)-TrpMe sóval képzett komplexeinek összehasonlítása Összefoglalás Irodalmi hivatkozások jegyzéke Függelék

5 Rövidítések jegyzéke 1-NEA α-(1-naftil)etil-amin 2-NEA β-(2-naftil)etil-amin ACN acetonitril BnAm benzilamincsoport CN cianocsoport ECD elektronikus cirkuláris dikroizmus Et etilcsoport HPLC nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia ic izooktán Me metilcsoport MeH metanol c oktilcsoport PMT fotoelektron-sokszorozó PH foszfinsav PEt etil-foszfinát TFE trifluorecetsav TrpMe triptofán-metilészter A abszorbancia Io belépő fény intenzitása I kilépő fény intenzitása ε moláris abszorpciós együttható l rétegvastagság c koncentráció 5

6 1. Bevezetés Az élő szervezetben általánosan előforduló jelenség a molekuláris felismerés, amely alapja többek között a biológiai információtárolásnak, immunválasz kialakulásának, valamint a résztvevő biológiai molekulák szintézisének. Legérdekesebb fajtája a szintetikus királis receptorokkal is kiváltható enantiomer-felismerés, amely ma már széleskörű kutatások tárgyát képezi [1]. A molekuláris felismerés hatékony tanulmányozásához elengedhetetlen modellvegyületek első képviselőit Charles J. Pedersen állította elő 1967-ben. Később alakjukra utalva koronaétereknek nevezte el őket. Klasszikus kémiai szintézissel előállított, gazda-vendég kapcsolatot kialakító makrociklusok fontos építőelemei lettek a szupramolekuláris építészetnek [2]. Az enantiomer-felismerés alapja, egyben a királis koronaéterek gyakorlati jelentősége is, hogy lehetőséget teremtenek bizonyos racém vegyületek királis gyógyszeralapanyagok, aminosavak sói és származékai - enantiomerjeinek elválasztására. Az enantiospecifikusmeghatározás az egyes sztereoizomerek a szervezetben eltérő hatást kifejtő tulajdonságai következtében a gyógyszer- és kábítószer analitika kulcsfontosságú módszerei lettek [1]. Manapság rutinszerűen alkalmazott folyadékkromatográfiában, ezen belül HPLC technikában már alkalmaznak koronaéter makrociklusokat. Szilikagélhez vagy Merrifield-féle polimer gyantához kötve királis állófázisok alakíthatók ki, célzottan a protonált primer ammónium- és aminosav sók enantiomerjeinek elválasztására [3]. Ma, a széleskörűen alkalmazott szerkezetvizsgáló módszerek közül a kiroptikai módszerekkel hatékonyabban tanulmányozhatók és ismerhetők fel a kiralitással összefüggő tényezők. Az ECD-spektroszkópia alkalmazhatóságának egyik fő területe a biomolekulák, biomolekuláris kölcsönhatásának, abszolút konfigurációjának, konformációs mozgékonyságainak, annak környezeti hatásainak tanulmányozása. Ezen kívül lehetőséget nyújt más, optikailag aktív molekulák szelektív vizsgálatára [4]. A koronaéterek, ahogy a biológiai szupramolekulákra is jellemző, üreggel rendelkező makrociklusok, amelyek gazdamolekulaként viselkednek a látogató vendégmolekulák számára. A komplex kialakításához hozzájárulnak a belső felületükön elhelyezkedő heteroatomok, amelyek mindegyike erős affinitást mutat a vendégmolekulák funkciós csoportjainak hidrogénjei felé, megalapozva ezzel a molekuláris felismerést [5]. 6

7 A folyamat tanulmányozására kiválóan alkalmasak korábbi kutatások tárgyát is képező optikailag aktív, enantiomertiszta piridino-18-korona-6 éter származékok, valamint alkil diaril-foszfinát-, alkil diaril-foszfinsav egységet tartalmazó királis koronaéterek [6]. A BME Szerves Kémia és Technológia Tanszék kutatóival együttműködve az ELTE Kémiai Intézetében a Kiroptikai Szerkezetvizsgáló Laboratórium csoportjának figyelme a fent említett gazdamolekula jelöltek spektroszkópiai vizsgálata felé irányult, amelynek keretein belül kezdtem foglalkozni a témával. Jelen munkám a korábban publikált kutatásokban szereplő gazdamolekulák újonnan előállított származékai enantiomer-megkülönböztető képességének, a makrociklushoz kapcsolt szubsztituensek hatásának, továbbá a koronaéterek racém primer szerves ammóniumsókkal, illetve egy aminosav származékkal képzett komplexeinek ECDspektroszkópiai vizsgálatáról szól. 1.1 A királis koronaéterek bemutatása A koronaéterek szerves, gyűrűs vegyületek, amelyek makrociklusát több mint 12 atom alkotja, oxigénen kívül más heteroatomot is tartalmazhatnak. Az alapvegyületek, a gyűrűikben (CH 2 CH 2 ) csoport ismétlődését tartalmazó makrociklusos poliéterek, így általános képletük a következő: (CH 2 CH 2 ) n. A koronaalkat belső ürege az oxigénatomok elhelyezkedése révén poláris, külső részén a (CH 2 ) csoportok orientációja miatt apoláris tulajdonságú lehet. A nomenklatúrát tekintve az x-korona-y típusú elnevezést használjuk az ismétlődő csoport számától (n) függően. A korona szó elé helyezett szám (x) a makrogyűrű, az utána álló szám (y) pedig a gyűrű heteroatomjainak számát jelöli. Szisztematikus nevük használata fáradságos, de szerkezetük képlettel, valamint az x-korona-y rövidített névvel megfelelően kifejezhető. A koronagyűrűhöz az adott célnak megfelelő telített vagy aromás gyűrűk is kapcsolódhatnak, a koronaéterek lehetnek királisak is [7, 8]. Nem toxikusak, de szemirritáló hatásuk lehet [9, 10]. Pedersen úttörő jelentőségű munkásságát követve, a tudósok koronaéterekkel kapcsolatos kutatásokat indítottak el, és a királis vegyületek enantiomer-szelektivitásának növelése érdekében a csak oxigénatomot tartalmazó alapvázat is módosították. 7

8 1.2 A királis koronaéterek gyakorlati jelentősége A koronaéterek szelektivitást mutatnak az élettanilag is fontos királis vegyületekkel szemben [11, 12]. Ezen modellvegyületek, mint gazdamolekulák nemcsak azért lettek széleskörű kutatások tárgyai, mert általuk megismerhetjük és tanulmányozhatjuk az élő szervezetben fellépő összetett mechanizmusú molekuláris-felismerés jelenségét, hanem az ilyen jellegű vizsgálatok eredményeként hatékony enantioszelektív szelektor molekulákat tervezhetünk [13]. A viszonylag egyszerű, szintetikus koronaéter szenzormolekulák jól alkalmazhatók enantiomer-összetétel meghatározására, enantiomerek elválasztásra. Az elválasztás alapja, hogy valamilyen alkalmas királis szelektor és az elválasztandó molekulák között diasztereomer kölcsönhatás alakuljon [14]. Szintetikus módszerekkel származékokat alakítunk ki az enantioszelektivitást mutató gazdamolekulákból, amelyeket a megfelelő módon, kovalens kötéssel szilárd hordozó felületre (pl.: szilikagél) kapcsolunk. Így királis állófázisok készíthetők, amelyeket folyadékkromatográfiában (pl.: HPLC) alkalmazhatunk [15]. A jó enantioszelektivitással rendelkező koronaéterek tehát felhasználhatók rezolválásokra, amelyet nemcsak kromatográfiás úton valósíthatunk meg. Az enantiomerösszetétel meghatározható, ha koronaétereket elektródokba építünk. Alkalmazhatók katalizátorként aszimmetrikus szintézisek során. Enantiomerek elválasztása tanulmányozható még folyadékmembránon át történő transzport segítségével, amiben nagy szerepet játszanak a deprotonálható koronaéterek [16]. A deprotonálható koronaéterek pks értéküknél nagyobb ph-jú közegben aniont alakítanak ki, amelyek még erősebben kötődnek a fémionokhoz. A transzport kedvezőbb, mivel semleges komplexek alakulnak (ML) nem kell energiát befektetni az anion deszolvatálására és transzportjára. Szelektivitásnövekedés is bekövetkezhet, a makrociklus és a fémion között fellépő ion-dipól kötés mellett elektrosztatikus kölcsönhatás megjelenésére is lehet számítani [17]. Fémionok szelektív transzportjához (pl.: folyadék-folyadék extrakció) olyan jelölt molekulák tanulmányozásába kezdtek, amelyek deprotonálható egységüket makrociklusaikba építve hordozzák. Először Bradshaw és munkatársai előállítottak elő dialkil-hidrogénfoszfát egységet tartalmazó ligandumokat, amelyek igen savanyú protont tartalmaznak [17]. 8

9 1.3 A komplexek kialakulása, jellemzése A komplexképzés tágabb értelemben egy sav-bázis reakció, melyben az oxigének, vagy más, az oxigént helyettesítő heteroatomok (esetünkben ez nitrogén) a gyűrűbe került ammónium-kationnal donor-akceptor kapcsolatba lépnek [2]. A komplexek kialakulásának feltétele elsődlegesen a gazda és vendég között kialakuló hárompontos hidrogénkötés létrejötte, a koronamolekula éteres oxigénje, piridin-egységének nitrogénje és az ammóniumion között kialakuló H-N + illetve az erősebb N H-N + kötés kialakulása. Továbbá a stabil komplexálásban az aromás rendszerek közötti intermolekuláris π-π kölcsönhatások és a szubsztituensek elektronvonzó tulajdonságából, sztérikus hatásából következő segítő vagy éppen gátló tényezők játszanak szerepet [15, 18]. 1. ábra A koronaéter és ammóniumsó között kialakuló hárompontos hidrogénkötés A makrociklus gyűrűmérete (18-atom), heteroatomjai számának (6) megválasztása, valamint a koronamolekula flexibilitását csökkentő piridinegység gyűrűbe való építése az ideális szerkezetű gazdamolekulák tervezésének elengedhetetlen kelléke. Ezen kívül a jelen esetben vizsgált, optimális paraméterekkel rendelkező makrociklus szerves oldószerekben stabilisabb komplexeket képez más gyűrűméretű koronaéterekkel ellentétben [8, 18, 19]. Az üregméreten kívül még a megkötendő vendégmolekula, a heteroatomok jelenléte, a makrociklushoz kötődő szubsztituensek, az oldószer és nem utolsósorban a gazdamolekula komplexképzés előtti és azt követő konformációja is befolyásolják a szelektivitást. A gazdamolekulák különböző konformációkat képesek felvenni komplexeikben. Az elektronvonzó szubsztituensek jelenléte és a vendégmolekulák szolvatációja a makrociklus üregében kedvező hatású. A gazdamolekula enantiomer-megkülönböztető képességét olyan tényezők határozzák meg, mint a gazdamolekula mozgékonysága, a kiralitáscentrumhoz kötődő szubsztituensek térbeli kiterjedése, a piridingyűrű szubsztituensének helyzete és az ebből fakadó sztérikus hatások, továbbá a vendégmolekula protonált aminocsoportjának távolsága a 9

10 kiralitáscentrumtól. Azon tényezők és körülmények, melyek növelik a gazdamolekula enantioszelektivitását, egyidejűleg a komplexek stabilitását is befolyásolják a következők [8, 18, 19]: a) a királis gazdamolekula különböző kölcsönhatásba lépjen a királis vendégmolekula enantiomerjeivel és ez az eltérés az egyik antipódnál a sztérikus taszítóerők megnövekedésében nyilvánuljon meg, b) a koronaéterek kiralitáscentrumaihoz kapcsolódó metilcsoport csökkenti az enantioszelektivitást, viszont kis méretéből adódik, hogy jobb hozzáférést biztosít a vendégmolekula számára, ellentétben az izobutilcsoporttal. Vagyis az utóbbi szubsztituens javít az enantiomer-felismerésen, de csökkenti a komplex stabilitását, c) korábbi megfigyelések alapján a relatíve nagy flexibilitású makrociklusok kis aszimmetrikus indukciót váltanak ki, a piridingyűrű fenazin- vagy akridingyűrűvel történő helyettesítésének köszönhető merev szerkezet alkalmasabb az enantiomermegkülönböztetésre, d) jókora térkitöltésű szubsztituensek és ezek nagy száma nem járul hozzá a kötődés javulásához, ekképpen a diszkrimináció megvalósulásához, e) az aromás rendszerek között kialakuló intermolekuláris másodlagos vonzó kölcsönhatás nem szükségszerű feltétel a kötődés létrejöttéhez, de jelenléte stabilabb komplex kialakulását eredményezi. A komplexek kialakulásának egyensúlyi folyamatában kémiai reakció nem játszódik le. Az oldószer nincs hatással az egyensúlyra, többségében dimer kapcsolatok alakulnak a gazda- és vendégmolekula között. Azonban jó enantiomerfelismerés esetén a diasztereomer komplexek stabilitási állandói között nagyobb eltérés mutatkozik. A molekulák térszerkezetétől függő vonzó és taszító erők jönnek létre. Azonos konfigurációjú molekulák (S,S)-koronaéter-(S)- ammóniumsó között úgynevezett homokirális, eltérő konfigurációjúak között (S,S)- koronaéter (R)-ammóniumsó között heterokirális kölcsönhatás. A kialakult komplexek már diasztereomer viszonyban állnak egymással, a kölcsönhatások mértékének, erősségének eltérő volta miatt. Így az ebből adódó eltérő fizikai tulajdonságaiknak köszönhetően már hagyományos módszerekkel elválaszthatók [1]. 10

11 1.4 Az ECD-spektroszkópia elmélete, a spektrométer vázlatos működési elve és felépítése [20] Az ultraibolya-látható (UV-vis) spektroszkópia elterjedt és széleskörűen alkalmazott szerkezetvizsgáló módszer, ennek királis molekulákra kiterjesztett változata, az elektronikus cirkuláris dikroizmus (ECD) spektroszkópia, a kiroptikai spektroszkópia legfontosabb válfaja. ECD-spektrumot csak királis felépítésű, tükörképi párjukkal fedésbe nem hozható, szimmetriasíkkal, tükrözéses szimmetria tengellyel nem rendelkező, vagyis optikailag aktív anyagok adnak. Az élő természetben megtalálható anyagok legnagyobb része ilyen, térszerkezetük vizsgálatára az ECD rendkívül alkalmas. Az optikai aktivitás, azaz optikai forgatóképesség az anyagnak az a tulajdonsága, hogy a lineárisan polarizált fény polarizációs síkját elforgatja. Az optikailag aktív anyagok eltérő törésmutatóval rendelkeznek a poláros fény két eltérő, cirkuláris komponensére, melyek összegzéseként a beeső lineáris fény leírható. Bármely, lineárisan polarizált elektromágneses hullám felbontható két, a jobbra (jcp) illetve balra (bcp) cirkulárisan polarizált komponensre. A törésmutató különbsége (Δn = n b n j 0) révén a fény eltérő sebességgel halad, kilépve fázis-, amplitúdó különbség jön létre a síkban polarizált fénykomponensek között, ennek következménye elliptikusan vagy cirkulárisan polarizált fény jön létre. A cirkuláris dikroizmus az enantiomerek olyan tulajdonsága, hogy különböző mértékben nyelik el a polarizált fény jcp, valamint bcp komponensét. Az elnyelés különbségének moláris mennyisége Δε, amely királis anyagok esetén pozitív vagy negatív lehet, akirális illetve racém elegyek esetében nulla. A moláris extinkciós koefficiens a Δε = ε b - ε j egyenlettel megadható, mivel a két komponens elnyelésének mértéke az optikailag aktív közegben (A b A j ) nem azonos. Az ECD elektrongerjesztésen alapul, akárcsak az UV-vis spektroszkópia így cirkuláris dikroizmus akkor lép fel, ha az elektron a gerjesztés hatására helikális pályán mozdul el. Az elektromos töltés lineáris elmozdulása dipólusmomentum (μ), a cirkuláris elmozdulása mágneses momentum (m) kialakulásával jár. Az elektronátmenet abban az esetben optikailag aktív, ha a gerjesztés átmeneti elektromos-, valamint mágneses momentummal jár, vagyis ha az ECD átmenet során mindkettő egyaránt változik. Az elektronátmenet aktivitásának mértékét az ún. rotátorerősséggel (R) fejezzük ki, melyet az átmeneti elektromos-, mágneses momentum skaláris szorzatával (R = μ m = μ m cosβ) adhatunk meg. Az elektronátmenetek nempoláris fénnyel történő gerjesztésének intenzitását pedig a dipólerősséggel (D) jellemezhetjük D = μ 2. 11

12 Az elektronátmenetek ECD-sávoknak felelnek meg. A bcp és a jcp fény abszorpciós együtthatóinak különbségét (Δε) mérve és azt a hullámhossz függvényében ábrázolva kapjuk az optikailag aktív vizsgált anyagra jellemző ECD-spektrumot. CD-jelenség az abszorpciós sáv közelében, a hullámhossz maximumnál (λ max ) következik be. Az ECD-görbe Gaussfüggvénnyel közelíthető, akárcsak az UV-vis spektroszkópiában mért görbék, viszont az előbbi lehet negatív és pozitív is. Az ECD-spektrum a kromoforok - többszörös kötéssel rendelkező atomok vagy csoportok, amelyek elnyelik a fényt a mérési hullámhossztartományban - térbeli környezetéről, a térszerkezetről ad felvilágosítást. Az ECD-spektrum egyszerű, látszólag kevés információt tartalmaz, közvetlenül és könnyen nem nyerjük ki belőle a molekulaszerkezeti problémák megoldását, így többnyire az elektronikus átmenetek alapos elemzését igényli. Egyes esetekben az ECD-spektrum elemzése megvalósítható a sáv előjeléből, akár amplitúdójából számítással. Az ECD-mérésre használt műszer a spektropolariméter, felépítésében található egy fényforrás (Xe-lámpa), melyből kilépő fény sugara tükrökön és réseken keresztül halad át egy kettős kvarc prizma monokromátoron, miközben lineárisan polarizált fény keletkezik. Az 1. prizma a polikromatikus fényt különböző hullámhosszúságú komponensekre bontja, a 2. prizma feladata a fény polarizálása. A képen sárga színnel a fény útja van jelölve, így látszik, hogy a 2. prizma a ráeső fénysugár egy részét eltéríti, nem engedi további útjára, másik részét, a polarizált fényt átengedi szintén egy (kilépő) résen keresztül, ami ezután egy modulátorba jut. A műszer e része a síkban polarizált fényből balra illetve jobbra cirkulárisan polarizált fényt állít elő és engedi át a küvettán keresztül a királis minta oldatába. Az optikailag aktív minta természetétől függően az egyik komponenssel kölcsönhatásba lép, a másik komponenst átengedi, ami ezek után a PMT detektorba jut. A minta a bcp és jcp fénykomponenssel különböző mértékű kölcsönhatásba lép, abszorpció különbség alakul ki, aminek következtében a PMT detektálni tudja az abszorpcióval arányos ECD-jelet. A spektropolariméterhez egyben adatgyűjtő, elemző és vezérlő feladatokat teljesítő számítógép is csatlakozik. 12

13 2. ábra CD-spektrométer felépítése * * Cirkuláris dikroizmus (CD) spektroszkópia Szeged Speciális gyakorlat 13

14 2. Irodalmi előzmények 2.1 Koronaéter komplexek kialakulásának vizsgálata ECD-spektroszkópia segítségével Az új típusú piridingyűrűs poliéter makrociklusok és a protonált szerves primer aminok kiváló modellrendszerek az enantiomer-felismerés értelmezése és a gazda-vendég kölcsönhatás vizsgálata területén [21]. Kiralitáscentrum(ok) beépítése a korona makrociklusokba lehetőséget nyitott az ECDspektroszkópia használatára. ECD segítségével információt nyerhetünk a makrociklus oldatbeli viselkedéséről, konfigurációjáról, környezeti hatásokról illetve a komplexált formájának konformációs változásairól. Az 12-es koronaéter szerkezetének és komplexeinek vizsgálatára közvetlenül alkalmazható az ECD-spektroszkópia, a makrociklusba épített piridinkromoforja miatt. 12 (S,S) R = CH 3 3. ábra Királis piridino-18-korona-6 éter gazdamolekula (12) [22] Más koronaéterekkel szemben az 12-es gazdamolekula ECD-je rendkívül érzékeny a komplexképzésre. Az 1960-as években fedezték fel, hogy bizonyos makrociklusok az alkáliés alkáliföldfém-ionokat üregeikbe csomagolják [2]. Fémsók hiányában az 12-es korona nem ad kellő intenzitású ECD-sávokat, azonban amikor feleslegben Li + -, Na + - vagy K +, Mg 2+ -, Ca 2+ - vagy Ba 2+ -perklorát sót adtak hozzá, viszonylag intenzív ECD-spektrumot figyeltek meg. Azt, hogy a nemkomplexált 12-es koronaéter nem ad ECD-jelet, flexibilitásának tulajdonították [23]. Azt találták, hogy a kation jelenléte a korona üregében erősen gátolja a konformációs mozgást, a kation és a korona oxigénatomjainak kölcsönhatása eléggé erős ahhoz, hogy a koronát egy adott konformációba kényszerítse. A vizsgált ionokkal való komplexképzés eredményének összehasonlítása során arra a következtetésre jutottak, hogy az 12-es gyűrűjének flexibilis metilénrészei, a kiralitáscentrum metilcsoportjai és a makrociklus merev piridin egysége hozzájárulnak az intenzív 14

15 komplexképzéshez, az ennek során bekövetkező konformációs változások érzékenyebben mérhetők ECD-spektroszkópia segítségével [24]. Az ECD-spektroszkópiát eredményesen alkalmazták királis és akirális akridino-, fenazino-18-korona-6 ligandumok aralkil-ammóniumsókkal történő komplexképzésük vizsgálatában is [22, 25]. Talán a legideálisabb vendégmolekulának tekinthető 1-NEA-val történt a legtöbb modellezés a diszkrimináció tanulmányozására, ezt követően az új típusú koronák 2-NEA-val képzett komplexeivel is végeztek méréseket. N N N R R R R 13 (R,R) R = CH 3 14 (R,R) R = CH 3 4. ábra (R,R)-fenazino- (13), és akridino-18-korona-6 éter (14) gazdamolekulák [25] A 13-es és 14-as koronaéter 1-NEA-val alkotott heterokirális komplexeiben, a kiralitáscentrumon levő R csoport lefelé áll, ahol a makrogyűrű nagyobb flexibilitása kisebb sztérikus taszítású konformációváltozást idéz elő. Az abszolút csúcsintenzitások alapján a heterokirális, vagyis az (R,R)-(S) komplex létrejötte az előnyösebb. A homokirális komplex kisebb stabilitása a CH 3 - és R-csoportok taszítására vezethető vissza. A 2-NEA-val képzett heterokirális komplexeknél a sávpár előjele megfordul, valamint a sávpárok intenzitása is kisebb. Nyilvánvalóan a sók szerkezetének geometriai különbsége és/vagy a vendég 1 B b elektronátmenetének eltérő orientációja okozza az ellentétes előjelű felhasadást. Röntgenkrisztallográfiás vizsgálatokból következtettek a naftil- és fenazinogyűrű egymáshoz képest való beállásáról a hetero- és homokirális komplexekben. 15

16 5. ábra (R,R)-13-(R)-1-NEA homokirális komplex, illetve (R,R)-13-(S)-1-NEA heterokirális komplex röntgenkristály szerkezete [26] Az 12-es koronaéter gazdamolekula alapként szolgál más piridino-18-korona-6 éterek kiroptikai tulajdonságainak megértéséhez. ECD-vel acetonitrilben (ACN) mérve a nm tartományban 0,2 cm-es úthossznál egy széles és igen gyenge, de határozott pozitív sávot, ugyanakkor ~240 nm-nél két gyenge negatív sávot észleltek [27]. Az 12-es komplexeinek spektrumában a következő átmenteknek megfelelő sávok találhatók: nm a piridin 1 L a és a naftilkromofor 1 B b sávja jelenik meg nm a piridin 1 L b és a naftilkromofor 1 L a sávja a domináns A komplexképzésre adott különböző válaszok a távoli és közeli hullámhossztartományban magyarázzák a H-kötés és π-π kölcsönhatás eltérő szerepét a komplex kialakulásában. A π-π kölcsönhatás a két aromás kromofor között tovább stabilizálhatja a komplexet. Az 12-es alapmolekulának megkülönböztető képessége van a közeli UV-tartományban, 1-NEA-val pedig heterokirális preferenciát mutat [27]. Homokirális esetben a 240 nm feletti összeg- [Δε (S,S)-gazda + Δε (S)-vendég ] és a differenciaspektrum [Δε komplex - (Δε (S,S)-gazda + Δε (S)-vendég )] a komplexképzés hiányát tükrözi. Az alapmolekula és komplexeinek további vizsgálataiból Hollósi és munkatársai arra következtettek, hogy a H-kötés és a π-π kölcsönhatás a fő tényezők a gazda-vendég komplexek kialakulásában. A gazdamolekula piridin egységének nitrogén-atomja és a vendégmolekula donor N-H csoportja közötti H-kötés a sávok kékeltolódását is eredményezheti a spektrumban. Még ennél az alapmolekulánál és 1-NEA-val alkotott komplexénél maradva, a távoli-uv tartományban rendszerint a naftil 1 B b hozzájárulását találták meghatározónak. A komplexképzés sávintenzitás növekedést illetve csökkenést eredményezhet ugyanebben a régióban [28]. 16

17 2.2 Deprotonálható koronaéterek tulajdonságainak felderítése ECDspektroszkópiával, alkalmazása folyadékmembrán transzportban A folyadékmembrán transzport elmélete, módszere A Brigham Egyetem kutatói már az 1980-as években folyadéktömb-membrán cellát készítettek, amely a biológiai membránokon keresztül történő, ionofórok által véghezvitt fémiontranszportot modellezte [29]. A rendszerben a biológiai membránt a folyadéktömbmembrán, az azon kívüli vizes fázist az adófázis és az azon belüli vizes fázist pedig a szedőfázis helyettesíti. A cellában az adó- és szedőfázist üvegfal, valamint a folyadéktömbmembrán választja el. A fémionok az adófázisból a szedőfázisba valamely lipofil ionofór segítségével a folyadéktömb-membránon át tudnak eljutni [30-32]. a: Adófázis (0,8 ml H 2, M + ) b: Szedőfázis (5 ml H 2 ) c: Lipofil szerves folyadékmembrán (3ml CH 2 Cl 2 ) d: Keverőmag (120 fordulat/perc) 6. ábra Folyadéktömb-membrán cella fémiontranszport tanulmányozására [17] Ahhoz, hogy az ionofór (pl.: koronaéter) fémionokat (M + ) tudjon szállítani a koncentrációgradiens ellenében a folyadéktömb-membrán cella rendszerében (6. ábra), az adófázis/membrán határfelületen nagy, a membrán/szedőfázis határfelületen kis ionmegkötő képességgel kell rendelkeznie. Ez oly módon valósítható meg, hogy a koronaéter jól, illetve rosszul komplexáló formáját a két határfelületen valamilyen külső hatással (redoxireakció, hőhatás, ph-gradiens, fényhatás) visszafordítható módon hozzuk létre [33-36]. A deprotonálható koronaéter (LH) az adófázis-membrán határfelületen pk s értékénél nagyobb ph-jú közegben ligandum anionokat (L - ) ad, amely erősen köti a fémionokat (M + ). Semleges komplex képződik (ML), amely pk s értékénél alacsonyabb ph-jú közegben semleges ligandummá (HL) alakulva elereszti a fémionokat [36-39]. 17

18 2.2.2 Deprotonálható koronaéterek komplexképzésének, oldószerfüggésének vizsgálata ECDspektroszkópiával A természetes ionofórok (pl.: antibiotikumok) és sok más optikailag aktív vegyület, illetve azok sztereoizomerjei döntő szerepet játszanak biomembránokon keresztül történő, biológiailag fontos fémionok szelektív transzportjában [6]. Többek között a membránon keresztül történő ionátmenetekben funkcionáló antibiotikumok helyett transzportfolyamatok tanulmányozására lehet felhasználni a deprotonálható koronaétereket. A folyadéktömb-membrán rendszer adófázis-membrán-szedőfázis két határfelületén a koronaéter jól, valamint rosszul komplexáló formája a környezet ph-jának változtatásával deprotonálható koronaéterekkel kialakítható. Valódi membrán helyett a vizsgálatokban gyakran apoláris szerves oldószereket zárnak a két, ionokat tartalmazó vizes réteg közé. A jelenség megismerése nemcsak a biokémiában hasznosul, hanem a tudomány egyéb ágaiban is ígéretes lehetőségeket rejteget [1]. A deprotonálható koronaéter hordozónak elég lipofilnak kell lenni, hogy a szerves fázisban megmaradjon mind komplexált, mind nemkomplexált formájában. Másrészt szükséges, hogy át tudjon oldódni a vizes fázisba, ahol megszűnik hordozó szerepe [16]. Huszthy és munkatársai kutatásba kezdtek azzal a céllal, hogy találjanak koronaéter típusú molekulákat, amelyek jelentős szelektivitással rendelkeznek protonált primer aminok enantiomerjei és fémionok megkötésében folyadék-extrakcióban, valamint membrántranszportban [17]. Enantiomertiszta királis és akirális alkil diaril-foszfinsav/foszfinát csoportot tartalmazó koronaéter származékok vizsgálatába kezdtek. P R Q R R=H, Q=H: (R,R)-15 R=H, Q=Me: (R,R)-16 R=H, Q=Et: (R,R)-17 R=Me, Q=H: (R,R)-18 R=Me, Q=Me: (R,R)-19 R=Me, Q=Et: (R,R) ábra [6] 18

19 Aromás gyűrűik lévén kötöttebb szerkezetű makrociklusok a piridino-18-korona-6 étereknél, nagyobb szelektivitást eredményezve a molekuláris-feilsmerés folyamatában. Két aromás gyűrűjének, valamint egymásra hatásuknak köszönhetően ECD vizsgálatuk könnyebbé válik Ezek a savas, deprotonálható makrociklusok alkalmazhatók néhány nehézfémion és szerves primer ammóniumionok transzportára relatíve alacsony ph-jú oldatban [17]. Az (R,R)-18, -19, -20 koronaéterek ECD-spektrumát különböző polaritású oldószerben (ACN, MeH, TFE, ic) tanulmányozták. Az (R,R)-19 mind a négy oldószerben két pár ellentétes csúcsot adott [6]. 8. ábra Távoli-UV tartományban (R,R)-19 ECD-spektruma ACN-ben (fekete), ic-ban (piros), MeHban (zöld) és TFE-ben (kék). Felső ábra: közeli UV-tartomány ECD-spektruma ugyanezen oldószerekben [6] Az (R,R)-19 ECD-spektrumának hasonlósága ACN-ben, MeH-ban és ic-ban magyarázza, hogy ugyanazok a konformerek (a) dominálnak a konformációs egyensúlyban. Az (R,R)-18 spektrumát ACN-ben, MeH-ban, vízben, illetve TFE-ben mérték meg, ic-ban nem oldódott. A spektrum sajátossága ACN-ben egy erős aszimmetrikus csúcs nm környékén, ezzel ellentétben öt csúcs tűnt elő MeH-ban és vízben. TFE-ben csak egyetlen széles negatív csúcs jelent meg. Az (R,R)-19 negatív csúcsának helyzete ic-ban, ACN-ben és MeH-ban ugyanaz, amit (R,R)-18 esetén mértek MeH és víz oldószerekben. Ez a negatív jel az alapvetően domináns a-konformert jelezte. A konformáció hasonló a foszforatom mellett rögzített benzolgyűrűk pozíciójához. Azonban az ACN (nem protikus oldószer) stabilizálta az (R,R)-18 másik konformációját (b). Az (R,R)-18 ACN-es oldatát vízzel történő titrálása a spektrum fokozatos eltolódását idézte elő. Az ECD-görbék két izodikroikus ponttal rendelkeznek 233 és 203 nm-nél, ami az a- és b-konformer jelenlétét igazolta. 19

20 Az ECD mérések egy domináns konformer jelenlétére utaltak. Az (R,R)-19 PEA enantiomerekkel való komplexálását 1:1 arányúnak találták, lényeges konformációváltozás nem történt. Kölcsönhatása NEA enantiomerekkel sokkal erősebb. Az (R,R)-19 és NEA összegspektruma világosan rámutatott a komplexálásra, de a különbségspektrum az enantiomer-megkülönböztetés hiányára utalt. Az (R,R)-18 foszfinsav egységet tartalmazó koronaéter komplexképző képességét és megkülönböztető erejét a NEA enantiomerek deprotonált formájával tesztelték ACN-ben. Az ECD-spektrum világosan rámutatott arra, hogy (R,R)-18 nem köti és különbözteti meg az enantiomereket [6]. Az eddigi eredmények arra sarkallták a szerzőket, hogy a koronaéterek aggregációjának lehetőségét szem előtt tartva további kutatásokba kezdjenek. Asfin és munkatársai már korábban leírták R 2 PH típusú molekulák H-kötéssel történő dimerizációját gáz fázisban, kristályos filmben, CCl 4 -ben, illetve CH 2 Cl 2 -ben [41]. Az (R,R)-18 foszfinsav egységgel rendelkező királis koronaéter lehetséges dimerizációját vagy aggregációját számításokkal támasztották alá. (R,R)-18 aggregációja magyarázatot ad az ACN-ben mért páratlan spektrumra, továbbá a PEA, NEA vendégmolekulákkal történő komplexek kialakulásának hiányára [6]. Fémionokkal végzett ECD-tanulmányok szerint (R,R) többféle kationnal alakít ki komplexet (pl.: lítium, magnézium, cink). Mg 2+ ionnal való titrálásból pedig a komplexek 1:1 arányú sztöchiometriáját állapították meg [6]. 20

21 3. Célkitűzések Tudományos Diákköri dolgozatom egyrészt a modellvegyületként alkalmazott királis koronaéter gazdamolekula származékok protonált szerves ammóniumsókkal, valamint egy aminosavval alkotott komplexeinek, enantioszelektivitásának vizsgálatát foglalja magában. A rendelkezésre álló gazdamolekulák alkalmazási körük szerinti egyik fő csoportja a 18- korona-6 típusú, makrociklusaikban kromoforként piridingyűrűt tartalmazó, (S,S)- konfigurációjú, királis koronaéterek. Kiralitáscentrumaikhoz az UV-vis tartományban gerjeszthető átmenettel nem rendelkező metil, vagy egy terjedelmesebb izobutilcsoport kapcsolódik (R= CH 3, i-bu), piridin gyűrűje pedig 4 -es helyzetben brómmal, klórral, metoxi-, ciano-, illetve benzil-aminocsoporttal (X= Br, Cl, CN, BnAm) helyettesített. X 4' N R R R=Me, X=Br: (S,S)-1 R=Me, X=Cl: (S,S)-2 R=Me, X=CN: (S,S)-3 R=i-Bu, X=Cl: (S,S)-4 R=i-Bu, X=Br: (S,S)-5 R=Me, X=Me: (S,S)-6 R=i-Bu, X=BnAm: (S,S)-7 9. ábra Célkitűzéseim közé tartozik 4 -helyzetben szubsztituált piridino-18-korona-6 éter gazdamolekulák enantiomer-felismerő képességének tanulmányozása. Ezen belül feladataim között szerepelt racém α-(1-naftil)etil-amin (1-NEA), β-(2-naftil)etil-amin (2-NEA) sókkal, valamint D,L-triptofán-metilészter-hidroklorid (HCl*H-D/L-TrpMe) védett aminosavval 21

22 alkotott komplexeiknek ECD spektroszkópiai vizsgálata. 1:1 sztöchiometriájú komplexek spektrumát vizsgáltam, a piridingyűrűhöz 4 -helyzetben bróm-, klór-, ciano-, valamint metoxi-szubsztituens komplexképződésre gyakorolt hatásának meghatározására törekedtem. Egy másik fő felhasználási területet az alkil diaril-foszfinsav- és alkil diaril-foszfinát egységet tartalmazó 18-korona-6, illetve 21-korona-7 éter makrociklusok képviselnek. Kiralitáscentrumaikhoz metil- valamint oktilcsoport kapcsolódik. R P Q R R P Q R R=c, Q=H: (S,S)-8 R=Me, Q=Et: (S,S)-9 R=c, Q=Et: (S,S)-10 R=Me, Q=H: (S,S) ábra Célom volt még deprotonálható koronaéterek, mint folyadéktömb-membrán transzportban részt vevő jelölt ionofórok az előzőleg felsorolt vendégmolekulákkal alkotott komplexeinek vizsgálata, gyűrűikbe épített foszfinsav/etil-foszfinát csoport, valamint kiralitáscentrumaik oktil- és metilcsoportjaik szerepének, továbbá a gazdamolekulák különböző polaritású oldószerekben mutatott viselkedésének tanulmányozása ECDspektroszkópiával. 22

23 4. Királis koronaéterek komplexképzésének vizsgálata, eredmények 4.1 Vizsgált anyagok és kísérleti módszerek Kísérleti körülmények Az egyensúlyra vezető (gazda + vendég komplex) komplexképzést oldatban mértem. Az oldószerrel szemben támasztott követelmény, hogy oldja az ammóniumsókat, az aminosavésztert és egyúttal a gazdamolekulát is, az adott mérési tartományban jelentéktelen vagy semmilyen elnyeléssel ne rendelkezzen, az oldódás feltételeként jól szolvatálja a hozzáadott anyagokat. Kis térigényű legyen, ne szorítsa ki a vendégmolekulát, ha oldószerkoronaéter kölcsönhatás kialakul. E tényezőknek megfelelően alapoldószerként a spektroszkópiai célra forgalmazott Uvasol acetonitrilt (ACN) választottam. Maga a műszer Jasco J-810 típusú dikrográf, jellemzője, hogy egyfényutas készülék, ezért volt szükséges alapvonal-korrekciót alkalmazni a méréseknél, mely a küvettába töltött tiszta oldószer spektrumfelvételét és ennek a mért minta spektrumából való kivonását jelentette. Így először mindig az oldószer ECD-spektrumát vettem fel, csak azután a mintákét, mindezt szobahőmérsékleten. A különböző mérésekhez mindig ugyanazokat a kvarcból készült, az UV-fényt teljes mértékben áteresztő, a mérési tartományban optikai aktivitással nem rendelkező cilinderes küvettákat használtam, nm között 0,2 mm-es, nm hullámhossztartományban 1 mm-es rétegvastagságút. A felvételek során ECD-spektrum mellett abszorpciót is mértem, a mérések akkor optimálisak, ha 0,8-1,2 abszorbancia (A) értéktartományban tudtam maradni, ennél nagyobb abszorbancia esetén a koncentráció és az küvetta rétegvastagság helyes megválasztásával tudok változtatni. A Lambert-Bouger-Beer törvény A=log(I o /I)=ε c l értelmében a nagyobb A értékek kisebb rétegvastagságú (l) küvetta alkalmazásával kompenzálhatók. A készülék küvetta- és lámpaterén keresztül működés közben nagytisztaságú nitrogén gázt áramoltattam, egyrészt az adott tartományban egyébként is elnyelést mutató oxigén kiűzésére, másrészt az ebből, UV-fény hatására keletkező ózon optikakárosító hatásának csökkentésére, megelőzésére. A mérési paraméterek beállításánál elsődleges szempont a megfelelő jel-zaj arány beállítása volt. Az ECD-jel arányos a minta abszorpciójával, így ha annak erős elnyelése van, kevesebb fény jut a detektorba melynek eredményeként a jel-zaj viszony kedvezőtlenné válik. Általánosan úgy javítható a helyzet, hogy a minták spektrumát 23

24 két hullámhossz tartományra osztva és öt egymás utáni mérésből átlagolva veszem fel. Az ECD-jelek intenzitását Δε értékben adtam meg. Mérési tartomány nm nm Küvetta rétegvastagság 0,02 cm 0,1 cm Minta koncentrációja 0,0005-0,001 mol/l 0,0005-0,001 mol/l Minta térfogata 200 μl 400 μl Felvétel pontossága 0,2 nm 0,2 nm Felvétel sebessége 50 nm/min 50 nm/min Résszélesség 1 nm 1 nm Válaszjel 1 s 1 s Felvétel száma 5 5 Hőmérséklet 25 C 25 C ldószer ACN ACN A vizsgált koronaéterek olaj formában állnak rendelkezésre, ezért számolni kell a víz zavaró hatásával is, amely megnyilvánulhat a komplexképzésben, mint egy az oldószerrel vagy akár az ammóniumsókkal versengő molekula erős H-kötés kialakulása révén. Nyomnyi víz jelenlétére is érzékenyek lehetnek a kialakult komplexek [40]. Méréseimben azonban nem tapasztaltam a víz zavaró hatását (pl.: időben nincs változás). A mérések többségét a gazda-, és vendégmolekulára nézve is 0,5 mmol/ml koncentrációjú oldatokkal vettem fel. Koronaétereim átlagban g molekulatömegűek, így egy-egy törzsoldathoz mindössze 0,35-0,6 mg anyag szükséges. Ez előnyös szempont a többi szerkezetvizsgáló módszer anyagigényéhez képest. A komplexek vizsgálatánál is 0,5 mmol/ml koncentrációjú oldatokat készítettem elsőként és 1:1 mólarányt választottam [19]. A gazda- és vendégmolekulák, valamint a komplexek mért, majd számított spektrumából (Δε gazdamolekula + Δε vendégmolekula ) összefüggés szerint összegspektrumot, illetve [Δε komplex - (Δε gazdamolekula + Δε vendégmolekula )] összefüggés szerint differenciaspektrumot készítettem, amelyeket felhasználtam a gazdamolekulák tulajdonságainak elemzésénél. 24

25 4.2 Gazdamolekulák ECD-spektroszkópiai tulajdonságai Kiralitáscentrummal rendelkező heterociklusos koronaéterek komplexképzésének elemzésére kitűnő választásnak bizonyult az ECD-spektroszkópia alkalmazása. A királis koronaéterek enantiomer megkülönböztető képességét különböző szerves primer ammóniumperklorát sók, valamint aminosavészterek hidrogén-klorid sóinak hozzáadásával tanulmányoztam, amely a királis gazda-, illetve vendégmolekulák között kialakuló komplexek stabilitásbeli különbségén eltérésén alapul [19] (S,S)-1 (S,S)-2 (S,S)-3 (S,S)-4 (S,S)-5 (S,S)-6 (S,S)-7 2 Δε λ / nm 11. ábra Piridino-18-korona-6 éter gazdamolekula származékok ACN oldószerben mért ECD-spektrumai A gazdamolekulák esetén a spektrum a piridinkromofor elektronátmeneteinek köszönhető. A sávok elhelyezkedését és intenzitását a hozzá kapcsolódó szubsztituensek nagymértékben befolyásolják [8]. Mindegyik koronaéternél a mérési tartományt a piridingyűrű elektronátmeneteinek megfelelő sávok fedik le. Benzollal analóg struktúrája következtében ECD-spektroszkópiával jól mérhető a piridinnél is a benzol három elektronátmenete. A gazdamolekulák ECD-spektrumai mutatják, hogy a piridin kromofor gyenge sávokat ad. Kivéve három koronaéter esetét, ahol a klór- (S,S)-4, ciano- (S,S)-3 valamint a benzilamino-szubsztituens (S,S)-7 hozzájárulása lehet meghatározó. 25

26 40 30 (S,S)-8 (S,S)-9 (S,S)-10 (S,S) Δε λ / nm 12. ábra Alkil diaril-foszfinsav és alkil diaril-foszfinát egységű 18-korona-6, illetve 21-korona-7 típusú koronaéter gazdamolekulák ACN oldószerben mért ECD-spektrumai A PH és PEt egységet magában foglaló gazdamolekulák ECD-spektruma sokkal intenzívebb effektust ad a piridino-egységet tartalmazókénál. A jelenség a gyűrűn elhelyezkedő két fenilcsoportot kölcsönhatásának köszönhető. A PEt egységet tartalmazó koronaéterek [(S,S)-9, (S,S)-10] ECD-spektruma nem különbözik lényegesen. A kiralitáscentrum szubsztituenseiben ugyan különböznek, azonban ez nem okoz számottevő változást. A PH egységű molekulák [(S,S)-8, (S,S)-11] ECD-spektruma hasonló lefutású, de gyengébb intenzitású a PEt csoporttal rendelkezőkénél. Ezt a különbséget korábbi tanulmányok a PH csoporton keresztül megvalósuló aggregálódásnak tulajdonítják [6]. 26

27 4.2.1 Deprotonálható koronaéter gazdamolekulák oldószerfüggése Korábbi irodalomban leírtak alapján az (S,S)-8, -11 koronaéterek ECD-spektrumát különböző polaritású oldószerekben tanulmányoztam. Az (S,S)-8 esetén ACN-ben és MeHban mértem meg az ECD spektrumot. A folyadéktömb-membrán transzportra jelölt lipofil ionofór kiralitáscentrumaihoz kapcsolt oktilcsoportnak köszönhetően vízben nem oldódott. Az (S,S)-11 ACN-ben, MeH-ban és vízben is megmértem, mindhárom oldószerben maradéktalanul oldódott [6]. 30 (S,S)-8 ACN (S,S)-8 MeH Δε λ / nm 13. ábra Dioktil-foszfinsav-18-korona-6 éter gazdamolekula ACN (piros) és MeH (zöld) oldószerben mért ECD-spektrumai A távoli-uv tartományban ( nm), az (S,S)-8 spektruma MeH-ban két pár ellentétes csúcsot adott. A metanolnak köszönhetően a gazdamolekulák PH csoportjukon keresztül nem alkothatnak dimereket vagy aggregálódnak. Ezt alátámasztja, hogy a (S,S)-8 MeH-ban mért spektruma hasonlóságot mutat a PEt és oktilcsoportot tartalmazó (S,S)-10 koronaéter spektrumával a teljes mérési tartományon. A két különböző lefutású spektrum két különböző konformer (a és b) meglétét jelzi. Az a-konformer jelenlétét a MeH-ban mért spektrum jelzi. A nem protikus ACN pedig a b-konformert stabilizálja [6]. 27

28 30 (S,S)-11 ACN (S,S)-11 MeH (S,S)-11 H Δε λ / nm 14. ábra Dimetil-foszfinsav-21-korona-7 éter gazdamolekula ACN (piros), MeH (zöld) és víz (kék) oldószerben mért ECD-spektrumai Az (S,S)- 11 MeH-ban és vízben felvett spektruma az (S,S)-10 ACN-ben mért spektrumával mutat hasonlóságot, mint (S,S)-8 esetében. A két protikus oldószer itt is jelentős hatással van a konformációra az ACN-ben felvett spektrumhoz képest. Mint az előbbi esetben egy a-konformer jelenlétére utal. A gazdamolekulák PH csoporton át egymással történő kapcsolódása helyett a MeH és víz oldószer molekulákkal alakítanak ki H-kötéseket. A nem protikus ACN-ben fennáll a dimerizáció, illetve az aggregáció lehetősége, az oldószer egy b- konformert stabilizál. 28

29 4.3 Vendégmolekulák ECD-spektroszkópiai tulajdonságai Aminocsoportot tartalmazó vegyületeket sóik formájában szükséges használni, mert a koronaéter csak az ammóniumionon keresztül tud komplexálni [2]. A vendégmolekulák aralkil-ammónium-perklorát sók, valamint egy aminosavészter-hidroklorid a (D/L)-Trp- Me HCl. A perklorát anionnak feltételezhetően nincs versengő szerepe a komplexképzésben. Mindegyik só önmagában is királis, optikailag aktív, közülük az (R/S)-1- NEA illetve az (R/S)-2-NEA naftil-, és nem utolsósorban a (D/L)-Trp-Me HCl heteroaromás indol-gyűrűjének kiterjedtebb elektronrendszere révén könnyen lépnek kölcsönhatásba a gazdamolekula hattagú kromoforjával. Enantiomer sók lévén, ECDspektrumaik egymás tükörképei. A NEA molekulák naftilcsoportja a molekula kiralitáscentrumának közelében található. A molekulák a makrociklus alternáló oxigénatomjai, a piridingyűrű nemkötő elektronpárja és a só ammóniumprotonjai között létrejövő hárompontos hidrogénkötés mellett, az aromás rendszerek közti π-π kölcsönhatás révén képesek egymással komplexet képezni [1, 7, 18]. H 3 N Cl CH C CH 2 CH 3 H 3 C H 3 C NH 3 Cl 4 NH 3 Cl 4 HN 15. ábra (R/S)-1-NEA; (R/S)-2-NEA; (D/L)-TrpMe 29

30 (R)-1-NEA (S)-1-NEA (R)-2-NEA (S)-2-NEA D-TrpMe L-TrpMe 10 5 Δε λ / nm 16. ábra A vendégmolekulák ECD-spektrumai A komplexképzés vizsgálatában felhasznált aralkil ammónium-sók, enantiomerpárok lévén tükörképi spektrummal rendelkeznek. Kisebb-nagyobb abszorpcióbeli eltérések az eltérő enantiomertisztaságból adódhatnak. Az (R/S)-1-NEA illetve az (R/S)-2-NEA esetében a spektrumot a naftilgyűrű elektronátmenetei határozzák meg. Az irodalomban megadott értékek alapján [9, 19]: 312 nm-nél a gyengébb 1 L b és az erősebb intenzitású 1 L a átmenetek összeolvadnak (esetünkben ez az érték már mérési tartományon kívül esik) 240 nm alatti tartományban az 1 B b átmenet az uralkodó Akárcsak a gazdamolekulák esetében, itt sem indokolta semmilyen tényező a mérési tartomány kibővítését 300 nm felett. A triptofán-metilészter-hidrokloridból szintén enantiomer párokat vizsgáltunk, az L-Trp- Me sója az (S)-, a D-Trp-Me pedig (R)-konfigurációjú. Az előző vendégmolekulákhoz hasonlóan ezek a molekulák is tükörképi spektrumot mutatnak. Ennél az aminosav származéknál az indolgyűrű elektron átmeneteit láthatjuk és vizsgálhatjuk a távoli UV tartományban. A D-Trp-Me egy -/+ sávpárral rendelkezik, a negatív sáv 229 nm-nél, a pozitív 213 nm-nél jelentkezik L-Trp-Me esetében, ahol a sávpár előjele megfordul. A pozitív sáv, tükörképi párjához képest csekély eltolódással 227 nm-nél, negatív sávja 210 nm-nél jelenik meg. 30

31 4.4 Szubsztituált piridino-18-korona-6 éter gazdamolekulák összehasonlítása 40 a) Δε b) (S,S)-1-(R)-1-NEA (S,S)-2-(R)-1-NEA (S,S)-3-(R)-1-NEA (S,S)-6-(R)-1-NEA λ / nm 17. ábra Dimetil-piridino-18-korona-6 éter gazdamolekula származékok (R)-1-NEA sóval képzett komplexeinek a) ECD-spektrumai b) differenciaspektrumai 1-NEA sóval képzett heterokirális komplexek összehasonlítása (17. ábra) - A komplexek ECD-spektruma és differenciaspektruma [Δε komplex - (Δε (S,S)-gazda + Δε (S)-vendég )] alapján megállapítható, hogy mindegyik gazdamolekula mutat heterokirális megkülönböztetést, azaz komplexet képeznek az (R)-1-NEA sóval. A legtöbb szubsztituens hatása a spektrumok alapján egy bizonyos lefutást követ. Akad azonban olyan, amely teljesen kivételes viselkedést eredményez [(S,S)-3]. Ennél a gazdamolekulánál feltételezhetően a cianocsoport (-C N) aromás gyűrűre gyakorolt hatása okozza a változást. 31

32 20 a) 10 0 Δε b) (S,S)-1-(S)-1-NEA (S,S)-2-(S)-1-NEA (S,S)-3-(S)-1-NEA (S,S)-6-(S)-1-NEA λ / nm 18. ábra Dimetil-piridino-18-korona-6 éter gazdamolekula származékok (S)-1-NEA sóval képzett komplexeinek a) ECD-spektrumai b) differenciaspektrumai 1-NEA sóval képzett homokirális komplexek összehasonlítása (18. ábra) - A komplexek spektruma és differenciaspektruma mutatja, hogy a Br-, Cl-, illetve az Me-szubsztituensű piridino-18-korona-6 éter gazdamolekula nem alakít ki az (S)-sóval homokirális komplexet. Az (S)-1-NEA só 220 nm környékén ad pozitív sávot, a gazdamolekulák spektruma pedig követi azt. Míg a CN-csoporttal rendelkező gazdamolekula itt is kivételes viselkedést mutat. Ugyan homokirális preferenciát is mutat, de a heterokirális megkülönböztetése a dominánsabb a) Δε b) (S,S)-1-(R)-2-NEA (S,S)-2-(R)-2-NEA (S,S)-3-(R)-2-NEA (S,S)-6-(R)-2-NEA λ / nm 19. ábra Dimetil-piridino-18-korona-6 éter gazdamolekula származékok (R)-2-NEA sóval képzett komplexeinek a) ECD-spektrumai b) differenciaspektrumai 32

33 2-NEA sóval képzett heterokirális komplexek összehasonlítása (19. ábra) - A 2-NEA só naftilgyűrűjének 1-NEA-hoz viszonyított eltérő orientációja a makrociklus üregében eredményezte a spektrumok legfőbb különbségeit. A csúcspárok ellentétes előjelűvé váltak, továbbá intenzitáskülönbségek is mutatkoztak. Emellett szubsztituenshatás változást is megállapíthattunk. Az (S,S)-2, -6 gazdamolekula (Cl- és Me-szubsztituensű) hasonló viselkedést mutatott, a leghatékonyabb megkülönböztetése az (S,S)-1 (Brszubsztituensű) makrociklusnak volt, a leggyengébb effektust pedig az (S,S)-3 koronaéter adta. Az (S,S)-1, -2, -6 gazdamolekulánál beszélhetünk heterokirális megkülönböztetésről a komplexek spektrumai és differenciaspektrumai alapján. 10 a) 0-10 Δε b) (S,S)-1-(S)-2-NEA (S,S)-2-(S)-2-NEA (S,S)-3-(S)-2-NEA (S,S)-6-(S)-2-NEA λ/nm 20. ábra Dimetil-piridino-18-korona-6 éter gazdamolekula származékok (S)-2-NEA sóval képzett komplexeinek a) ECD-spektrumai b) differenciaspektrumai 2-NEA sóval képzett homokirális komplexek összehasonlítása (20. ábra) - Már a komplexek spektrumán látszik, hogy az (S,S)-1, -2, -6 gazdamolekula nem részesítette előnyben az (S)-2- NEA sót. A spektrumok gyenge intenzitású effektusából az derült ki, hogy nem alakítanak ki homokirális komplexet, amit a differenciaspektrumaik is megerősítettek. Csak az (S,S)-3 makrociklus vált preferenciát és hatékonyabb megkülönböztetést mutatott az (S)-2-NEA irányában. 33

34 4.5 Alkil diaril-foszfinsav és alkil diaril-foszfinát egységet tartalmazó gazdamolekulák (R/S)-NEA sóval képzett komplexeinek összehasonlítása Δε (S,S)-8-(R)-1-NEA (S,S)-8-(S)-1-NEA (S,S)-11-(R)-1-NEA (S,S)-11-(S)-1-NEA λ / nm 21. ábra Dioktil-foszfinsav-18-korona-6 éter és dimetil-foszfinsav-21-korona-7 éter gazdamolekulák 1- NEA sóval képzett komplexeinek a) ECD-spektrumai és b) differenciaspektrumai Dioktil-foszfinsav-18-korona-6 éter (S,S)-8 és dimetil-foszfinsav-21-korona-7 éter (S,S) NEA sóval képzett komplexeinek összehasonlítása (21. ábra) - Mindkét koronaéter esetén PH csoportok vannak beépítve a makrociklusba, oktil- és metilcsoportok pedig ahhoz rögzítve. A leglényegesebb különbség az üregméretben van. Nagy stabilitású komplexek akkor jöhetnek létre, ha a gyűrű belső üregmérete pontosan megfelelő vagy elegendően nagy a vendégmolekula fogadásához. Az üregméret hatásának vizsgálatához hasonlítom össze a két, azonos körülmények között felvett gazdamolekula spektrumát. Az (S,S)-8, -11 gazdamolekula esetén egyaránt a heterokirális megkülönböztetés a nagyobb mértékű, bár komplex az (S)-1-NEA sóval is alakul. Mindkét koronaéter hasonló hatékonyságú, csak a spektrumok intenzitásában van főbb különbség, csekélyebb a spektrumok lefutásában. 34

35 Következtetés: Mindkét koronaéter kötődése az 1-NEA enantiomerek felé hasonló mértékű, az üreg méretének sincs döntő mértékű hatása, mindkettő elegendően nagy a vendégmolekula fogadásához Δε λ / nm (S,S)-9-(R)-1-NEA (S,S)-9-(S)-1-NEA (S,S)-10-(R)-1-NEA (S,S)-10-(S)-1-NEA 22. ábra Dimetil-etil-foszfinát-18-korona-6 éter és dioktil-etil-foszfinát-18-korona-6 éter gazdamolekulák 1-NEA sóval képzett komplexeinek a) ECD-spektrumai és b) differenciaspektrumai Dimetil-etil-foszfinát-18-korona-6 éter (S,S)-9 és dioktil-etil-foszfinát-18-korona-6 éter (S,S) NEA sóval képzett komplexeinek összehasonlítása (22. ábra) - Az (S,S)-9, -10 koronaéter gyűrűjébe etil-foszfinát csoport van beépítve, kiralitáscentrumaik csoportjaiban eltérőek. A metil-, és oktilcsoport komplexképzéshez, valamint enantiomerfelismeréshez való hozzájárulását vizsgálom szintén racém 1-NEA vendégmolekulán keresztül történő komplexképzéskor felvett ECD-spektrumok és differenciaspektrumok segítségével. A komplexek spektrumainak lefutása az intenzitáskülönbségek kivételével nagyon hasonló. Mindkét esetben homo-, illetve heterokirális komplex is kialakul, enantioszelektivitásban azonban adódik némi különbség. (S,S)-10 intenzívebb ECD-effektusokat ad (Δε 62), ugyanakkor (S,S)-9 az (R)-1-NEA vendégmolekulát láthatóan jobban preferálja, a homokirális komplex kialakulása csekély, míg (S,S)-10 homokirális komplex spektrumának intenzitása megközelíti a heterokirálisét. 35