BME Oláh György Doktori Iskola

BME VBK, Szerves Kémia és Technológia Tanszék

Témavezető: Dr. Huszthy Péter

Akridin-koronaéter-alapú szenzor- és szelektormolekulák előállítása és vizsgálata

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A molekuláris felismerés koronaéterekkel történő tanulmányozása nemcsak a jelenség élő szervezetben való működésének mind jobb megértése szempontjából fontos, hanem azért is, mert az e téren folytatott kutatások széleskörűen felhasználható szenzor- és szelektormolekulák kifejlesztéséhez vezethetnek.

A kutatóhely rövid bemutatása

A BME Szerves Kémia és Technológia Tanszékének Szerves Kémia Csoportjában Dr. Huszthy Péter munkásságával kezdődtek meg hazánkban az N-heterociklus egységet tartalmazó koronaéterekkel kapcsolatos kutatások. Kutatócsoportunk heterociklus egységet tartalmazó, illetve könnyen deprotonálható (savanyú protont tartalmazó) akirális és optikailag aktív koronaéterek előállításával, molekuláris felismerőképességük (fémion és enantioszelektivitásuk) tanulmányozásával, valamint szenzor- és szelektormolekulaként történő alkalmazhatóságuk vizsgálatával foglalkozik.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A szenzor- és szelektormolekulák szelektív komplexképző tulajdonságainak alapja a molekuláris felismerés jelensége, mely során a szenzor, illetve szelektor gazdamolekula az őt körülvevő molekulahalmazból egy bizonyos típusú vendégmolekulát kiválaszt, és egy másodlagos kötőerők által összetartott komplexet alkot vele (1. ábra). A molekuláris felismerés jelenségére a természetben számtalan példát találhatunk, melyek közül említhetjük a DNS kettős csavarjának kialakulását, valamint az enzimek és a receptorok specifikus működését. Néhány évtizeddel ezelőtt a molekuláris felismerést kizárólag biológiai jelenségként tartották számon, de a szupramolekuláris kémia fejlődésével talán egyre hatékonyabban tudjuk utánozni az élő szervezetek ezen sajátosságát. [1, 2]                                                                                                                                         

 

 

                                                                                               

 

                                                                                                                         1. ábra    A molekuláris felismerés

A szupramolekuláris kémia egyik úttörője Pedersen, aki egy melléktermékként izolált ciklikus poliéter (dibenzo-18-korona-6-éter) alkáli- és alkáliföldfémekkel szembeni szokatlan komplexképző tulajdonságainak megfigyelése által teremtette meg a koronaéterek kémiájának alapjait. Felismerte, hogy a koronaéterek üregük méretétől függően eltérő stabilitású komplexeket képeznek kémiailag hasonló fémionokkal. [3]                                                                                                                                                                                        

A piridin egységet tartalmazó koronaéterek az aromás gyűrűnek és a lágy nitrogén atomnak köszönhetően kivételes komplexálási képességet tanúsítanak nehézfémionokkal és protonált primer aminokkal szemben. [4, 5, 6] Optikailag aktív piridin-koronaéterek királis protonált primer aminokkal alkotott komplexeinek tanulmányozása során azt találták, hogy a gazda- és vendégmolekula közötti kölcsönhatásban három független tényező a legfontosabb: a három pontos hidrogénkötés a makrogyűrű heteroatomjai és az ammóniumsó protonjai között, a π–π kölcsönhatás az elektronhiányos piridingyűrű és a vendégmolekula elektrondús aromás része között, valamint a sztérikus gátlás a ligandum aszimmetriacentrumain található szubsztituensek és az ammóniumsó aromás hidrogénjei között.

Az akridin egység piridinnél kiterjedtebb aromás rendszere nemcsak a π–π kölcsönhatás növelésében játszhat szerepet, hanem a makrogyűrűt merevebbé téve a szelektivitást is növeli; emellett fluoro- és kromogén, tehát komplexképzése az érzékeny fotofizikai módszerekkel, pl. fluoreszcencia-spektroszkópiával is tanulmányozható.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Napjainkban széleskörű tudományos érdeklődés irányul a különböző fémionok, szerves ionos és semleges molekulák, illetve királis vegyületek enantiomerjeinek egyre szelektívebb felismerését biztosító szenzormolekulák, valamint az ezek elválasztását is lehetővé tevő szelektormolekulák kifejlesztésére. Alkalmazásukra az orvosi kémiában, a gyógyszeriparban, az élelmiszeriparban, a környezetvédelemben, a kozmetikai iparban, a növényvédőszer-iparban és a tudományos élet számos egyéb területén is igény merül fel.

Munkánk célja új, akridin heterociklus egységet tartalmazó 18-korona-6 éter típusú, akirális és enantiomertiszta szenzor- és szelektormolekulák előállítása volt. A potenciálisan fémion-, valamint enantiomerfelismerésre képes ligandumok komplexképzési tulajdonságait potenciometriás, fluoreszcenciás, illetve egyéb módszerekkel is tanulmányoztuk. [7, 8, 9, 10]

Módszerek

A vegyületek előállítását a modern preparatív szerves kémia módszereivel végeztük. Az anyagok tisztaságának ellenőrzésére vékonyréteg-kromatográfiát, olvadáspontmérést, illetve optikai forgatóképesség-mérést használtunk. Az előállított vegyületek szerkezetét IR, ¹H- és ¹³C-NMR, tömegspektroszkópiai, elemi analízis, valamint ESR módszerekkel igazoltuk.

A vegyületek fémion- és enantioszelektivitását potenciometriás, fluoreszcenciás, kevertetéses és kromatográfiás módszerekkel vizsgáltuk.

A potenciometria olyan elektroanalitikai eljárás, mely során a mérendő komponens meghatározása a vizsgálandó oldatban elhelyezett ún. mérőelektródon (pl. ionoforalapú, lágyított polimermátrixra épülő ionszelektív elektródon) kialakuló potenciáljel, az elektródpotenciál mérése alapján történik. Mivel az elektródpotenciált önmagában nem lehet mérni, ezért a vizsgálandó oldatot, a mérőelektródot és valamilyen állandó potenciálú ún. referenciaelektródot tartalmazó elektrokémiai mérőcella elektromotoros erejét mérjük. [11, 12]

Az optikai szenzorok esetében a minta egy adott komponense és a szenzor között létrejövő kémiai kölcsönhatás nyomonkövetése optikai jelenségek, például a fluoreszcencia mérése alapján történik,[13, 14] Fluoreszcencia alatt azt a jelenséget értjük, amikor egy molekula elektronja ultraibolya vagy látható fénysugárzás hatására gerjesztődik (azaz egy foton energiáját elnyelve – abszorbeálva – magasabb energiájú állapotba kerül), majd az elnyelt energiát az elnyelttel azonos vagy nagyobb hullámhosszú (kisebb energiájú) fény formájában kisugározva visszakerül az alapállapotába. A fluoreszcenciaspektrum felvétele során a mintát adott hullámhosszúságú fénnyel besugározva a kibocsátott fény intenzitását mérjük a hullámhossz függvényében.

A molekuláris felismerés céljából alkalmazott ligandumok immobilizálása egyesíti a makrociklus szelektivitását és a szilárd fázis könnyű visszanyerhetőségét, újrafelhasználhatóságát. A ligandumok előállítása drága és hosszadalmas, valamint biológiai rendszerekben felhasználva toxikus is lehet, így a ligandumok csekély vesztesége is elkerülendő, amit immobilizálással, például szilikagélhez rögzítéssel biztosíthatunk. Az immobilizált makrociklusok komplexképzése vizsgálható kevertetéses módszerrel (amikor az immobilizált ligandumot a komplex-egyensúly beálltáig a vendégmolekulák oldatával kevertetjük, majd a komplexképződés mértékét vizsgáljuk), illetve kromatográfiásan (mikor az immobilizált ligandummal töltött kromatográfiás oszlopon választjuk el a vendégmolekulákat).

Eddigi eredmények

Doktori munkám célja volt különböző feladatokra alkalmas, akridin egységet tartalmazó 18-korona-6 éter típusú szenzor- és szelektormolekulák szintézise és molekuláris felismerőképességük többféle módszerrel történő vizsgálata. Dolgozatomban huszonegy új vegyület – köztük hét enantiomertiszta és tizennégy akirális – és négy ismert vegyület új eljárással történő előállítása szerepel. [7, 8, 9, 10]

Protonált primer aminokkal és amminosavészter-sókkal történő enantioszelektív komplexképzés, valamint fémion-szelektivitásuk tanulmányozása céljából állítottuk elő a 2. ábrán szereplő enantiomertiszta (R,R)-1–(S,S)-4 akridin-18-korona-6-étereket.

2. ábra    Az előállított enantiomertiszta akridin-18-korona-6-éterek

Az (R,R)-1, izobutilcsoportokat az aromás gyűrűhöz közelebb, és (R,R)-2, oktilcsoportokat az aromás gyűrűtől távolabb tartalmazó akridin-koronaéterek enantio- és fémion-szelektivitását potenciometriás módszerrel vizsgáltuk. Azt találtuk, hogy a kiralitáscentrum aromás gyűrűtől való távolságának nagy hatása van az enantioszelektivitás mértékére: az (R,R)-1 koronaéter jelentős enantioszelektivitást mutatott az S-feniletilammónium ionnal szemben (ΔlogK=0,25), míg az (R,R)-2 koronaéter csekély enantioszelektivitással rendelkezik. Emellett (R,R)-2 koronaéter esetén, kiemelkedő szelektivitást tapasztaltunk Ag(I) ionra a vizsgált alkálifém-, alkáliföldfém- és nehézfémionokkal szemben. Külön említésre méltó, hogy bár az ismert Ag(I) szelektív elektródok esetén a Hg(II) és a Cu(II) erős interferenciát szokott okozni, a mi esetünkben (R,R)-2 Ag(I)-re ezek ellenében is kiváló szelektivitással bír (ΔlogK≥4,5). [7]

Az (R,R)-1 izobutilcsoportokat és (R,R)-3 metilcsoportokat az aromás gyűrűhöz közelebb, valamint (S,S)-4 metilcsoportokat az aromás gyűrűtől távolabb tartalmazó akridin-koronaéterek 1-feniletilamin, 1-(naft-1-il)-etilamin, fenilglicin-metilészter és fenilalanin-metilészter hidrogénperklorát sóival szemben mutatott enantioszelektivitását fluoreszcenciás módszerrel tanulmányoztuk. Az előző, potenciometriás tapasztalatainkkal összhangban, ez esetben is tapasztaltuk, hogy az alkilcsoportok térkitöltése és a makrogyűrűben elfoglalt helyzete jelentős hatással van az enantiomerfelismerés mértékére. A mért sók közül a legnagyobb enantioszelektivitást az (R,R)-3 koronaéterrel, 1-(naft-1-il)-etilammóniumion enantiomerjeivel szemben találtuk (ΔlogK=0,41). [8]

A makrogyűrűben szekunder-amino-csoportot tartalmazó 5 és 6 makrociklusok lehetőséget nyújtanak arra, hogy ezeket alkilezve új szenzor- (7–10) és szelektormolekulát (SP-11) állíthassunk elő (3. ábra).

3. ábra    A makrogyűrűben nitrogénatomot tartalmazó makrociklusok

A kettősen jelölő vegyületek (amelyek fluorofor és szabadgyök részt is tartalmaznak, így fluoreszcencia és ESR spektroszkópiával is vizsgálhatóak) esetében a fluoreszcenciakioltás mechanizmusa még nem tisztázott pontosan, így fontos ezek előállítása és vizsgálata. [15] A szakirodalomban korábban még nem szerepelt olyan makrociklus, amely egy molekulán belül tartalmaz fluorofor, szabadgyök és koronaéter részt. Ilyen a spinjelzett 7 akridon és 8 akridin egységet tartalmazó makrociklus.

A kettősen jelölő 7 és 8 koronaétereknek, valamint ezek diamágneses 9 és 10 származékainak a fémion-szelektivitását néhány biológiailag fontos fémionnal [Na(I), K(I), Ca(II), Mg(II), Zn(II)] szemben fluoreszcenciásan vizsgáltuk. [10] Azt tapasztaltuk, hogy a spinjelölés fluoreszcenciakioltást okoz. Az akridin-koronaéterek Ca(II) és Zn(II) ionokkal nagy stabilitású komplexeket képeztek (logK≈6,7), és 8 koronaéter mutatta Ca(II) hozzáadására a legnagyobb fluoreszcenciaintenzitás-növekedést (4. ábra).      

 

 

 

 

4. ábra    A kettősen jelölő 8 ligandum Ca(II)-ra

mutatott jelentős intenzitásnövekedése

                                                                                                                                           

 

Az SP-11 szilikagélhez kötött makrociklust biológiailag fontos fémionok elválaszthatóságának tanulmányozása céljából kevertetéses módszerrel vizsgáltuk. Az SP-11 állófázis a vizsgált fémionok közül Ag(I), Cu(II) és Hg(II) ionokkal képezte a legerősebb komplexeket (logK≈2,0), míg a többi ionnal egy-két nagyságrenddel gyengébbet. Előkísérleteket is végeztünk kromatográfiás oszlopon arra vonatkozóan, hogy képes-e híg vizes oldatból fémionokat eltávolítani. Meg tudtuk valósítani a 10 ppm mennyiségben jelenlevő Cu(II) kivonását a 100-szoros mennyiségben jelenlévő Zn(II) mellől vizes oldatban (5. ábra). [9]                                             

 

 

 

 

5. ábra    Az SP-11 állófázissal végzett

kromatográfiás előkísérlet

                                 

Várható impakt, további kutatás

Doktori munkám során akridin heterociklus egységet tartalmazó, 18-korona-6 éter-alapú, akirális és enantiomertiszta, szenzor- és szelektormolekulákat állítottunk elő, melyeknek a fémion- és enantiomerfelismerését potenciometriás, fluoreszcenciás, kevertetéses és kromatográfiás módszerekkel tanulmányoztuk. Eredményeinket a Tetrahedron és a Tetrahedron:Asymmetry nemzetközi folyóiratokban publikáltuk.

A továbbiakban szeretnénk a kiralitáscentrumokon eddig nem említett oldalláncokat tartalmazó akridin-koronaéterek, illetve más (pl. fentiazin) heterociklus egységet tartalmazó koronaéterek szintézisét, valamint fémion- és enantioszelektivitásukra irányuló vizsgálatukat megvalósítani.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája

• Kertész, J., Huszthy, P., Kormos, A., Bertha, F., Horváth, V., Horvai, G., Tetrahedron: Asymm. 2009, 20, 2795–2801.
  

• Kertész, J., Móczár, I., Kormos, A., Baranyai, P., Kubinyi, M., Tóth, K., Huszthy, P., Tetrahedron: Asymm. 2011, 22, 684–689.

• Kertész, J., Huszthy, P., Kormos, A., Bezúr, L., Tetrahedron 2011, 67, 5206–5212.

• Kertész, J., Bognár, B., Kormos, A., Móczár, I., Baranyai, P., Kubinyi, M., Kálai, T., Hideg, K., Huszthy, P., Tetrahedron, 2011,  doi:10.1016/j.tet.2011.09.092

Linkgyűjtemény

Molekuláris felismerés

Koronaéterek

Szupramolekuláris kémia

Optikai izoméria

Akridin

Hivatkozások listája

[1]    Atwood, J. L.,Steed, J. W., Encyclopedia of Supramolecular Chemistry 2004, Marcel Dekker: New York, NY

[2]    Steed, J. W., Atwood, J. L., Supramolecular Chemistry 2009, Wiley, 2. kiadás.

[3]    Pedersen, C. J., J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 2495–2496.

[4]    Izatt, R. M., Pawlak, K., Bradshaw, J. S., Bruening, R. L., Chem. Rev. 1991, 91, 1721–2085.

[5]    Izatt, R. M.; Pawlak, K.; Bradshaw, J. S. Chem. Rev. 1995, 95, 2529–2586.

[6]    Zhang, X. X.; Bradshaw, J. S.; Izatt, R. M. Chem. Rev. 1997, 97, 3313–3361.

[7]    Kertész, J., Huszthy, P., Kormos, A., Bertha, F., Horváth, V., Horvai, G., Tetrahedron: Asymm. 2009, 20, 2795–2801.

[8]    Kertész, J., Móczár, I., Kormos, A., Baranyai, P., Kubinyi, M., Tóth, K., Huszthy, P., Tetrahedron: Asymm. 2011, 22, 684–689.

[9]    Kertész, J., Huszthy, P., Kormos, A., Bezúr, L., Tetrahedron 2011, 67, 5206–5212.

[10]  Kertész, J., Bognár, B., Kormos, A., Móczár, I., Baranyai, P., Kubinyi, M., Kálai, T., Hideg, K., Huszthy, P., Tetrahedron 2011,         doi:10.1016/j.tet.2011.09.092

[11]  Morf, W. E., The Principles of Ion-Selective Electrodes and of Membrane Transport; Elsevier: New York, 1981, 264–336.

[12]  Koryta, J., Štulík, K., Ion-selective Electrodes, 2. kiadás, Cambridge University Press, Cambridge, 1983, 168–194.

[13]  Valeur, B., Molecular Fluorescence: Principles and Applications; Wiley-VCH: Weinheim, Németország, 2002.

[14]  Lakowicz, J. R., Principles of Fluorescence Spectroscopy, 3. kiadás, Springer Science+Business Media: New York, NY, 2006.

[15]  Kálai, T., MTA Doktori értekezés 2007.