Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Синтезирована серия солей имидазолия/бензимидазолия - прекурсоров NHC-комплексов на платформе п-трет-бутилтиакалик[4]арена в конфигурации 1,3-альтернат и классического п-трет-бутилкалик[4]арена в конфигурации конус с высокими выходами. Установлено, что при получении тетразамещенного производного п-трет-бутилкалик[4]арена в стереоизомерной форме 1,3-альтернат, содержащего алкильные и бромалкильные фрагменты путем алкилирования дистально-дизамещенного производного дигалогеналканами в присутствии карбоната цезия доминирующем продуктом является продукт в конфигурации частичный конус. Таким образом, на платформе классического каликсарена наиболее удобно использовать стереоизомер конус, вводя галоидные фрагменты на верхний обод с использованием реакции хлорметилирования по Блану. Получена серия NHC комплексов палладия (II) на основе синтезированных солей имидазолия как на платформе п-трет-бутилтиакалик[4]арена в стереоизомерной форме 1,3-альтернат, так и на платформе классического каликсарена в стереоизомерной форме конус. При оптимизации методики синтеза NHC комплексов палладия на N- метил замещенных тиакаликс[4]аренах с линкерами с различным числом метиленовых звеньев между каликсареновой платформой и имидазолиевыми фрагментами обнаружено, что лишь (СН2)4-содержащие тиакаликсарены способны образовывать стабильные NHC – комплексы палладия, что, вероятно, связано со стерическими препятствиями со стороны трет-бутильных групп макроцикла в случае более короткого пропиленового линкера. Установлено, что при увеличении объема заместителя в имидазолиевом фрагменте время реакции с ацетатом палладия существенно увеличивается с 27 часов в случае N-метилимидазолиевой соли п-трет-бутилтиакалик[4]арена до 60 часов в случае наиболее разветвленной N-2,6-диизопропилфенилимидазолиевой соли. Для комплекса, полученного из N-метилимидазолиевой соли, получены кристаллы, в которых, согласно данным РСА, атом палладия в составе NHC комплекса имеет транс- конфигурацию. Полученные NHC-комплексы палладия продемонстрировали высокую каталитическую активность в реакциях сочетания как в органических, так и в водных средах. На примере реакции Сузуки фенилбороновой кислоты с п-броманизолом и п-бромнитробензолом было обнаружено, что все изученные комплексы имеют практически одинаковую каталитическую активность, превышающую таковую для ацетата палладия. Установлено, что в реакции Хека стирола с п-нитробромбензолом в ДМФА селективность реакции в присутствии коммерчески-доступного комплекса [(C6H5)3P]2PdCl2 значительно ниже, чем при использовании комплекса N-метилимидазолиевого п-трет-бутилтиакалик[4]арена с палладием (II). Установлено, что полученные NHC-комплексы палладия, будучи встроенными в фосфолипидный бислой, эффективно катализируют реакции сочетания Сузуки, Соногаширы и Хека в водных растворах. При использовании в качества катализатора ацетата палладия в комбинации с дипальмитоилфосфатидилхолином конверсия реагентов по сравнению с аналогичным экспериментом в присутствии NHC-комплексов палладия снижается. Синтезирована серия окта-карбокситриазольных производных п-трет-бутилкалик[4]арена в конфигурации конус. Установлено, что проведение реакции сочетания Сузуки в присутствии наиболее липофильного макроцикла с тетрадецильными фрагментами в комбинации с ацетатом палладия приводит к количественному выходу реагентов в реакции Сузуки благодаря способности каликсаренов выступать в роли “наноконтейнеров”, эффективно солюбилизирующих водонерастворимые реагенты в гидрофобной полости. Установлено, что полученные NHC-комплексы палладия способны катализировать реакцию переносного гидрирования модельного ацетофенона. Каталитические свойства NHC-комплексов палладия исследованы также на модельной реакции восстановления п-нитрофенола в воде. Установлено, что более липофильный комплекс с тетрадецильными фрагментами продемонстрировал большую каталитическую активность по сравнению с менее липофильным комплексом с бутильными фрагментами в тех же условиях, что может быть результатом комбинации металлокомплексного катализа с мицеллярным в водной среде. С помощью трансмиссионной электронной микроскопии обнаружено, что соединение с тетрадецильными фрагментами образует везикулярные агрегаты − нанореакторы, насыщенные наночастицами палладия (1-2 нм), где исходные реагенты могут концентрироваться в малом объеме. Производные п-трет-бутилтиакалик[4]арена, содержащие N-метилимидазолиевые фрагменты и бутильные/тетрадецильные фрагменты, были использованы в реакции восстановления п-нитрофенола in situ с ацетатом никеля (Ni(ОAc)2). Удельная каталитическая активность комплекса in situ с Ni(OAc)2 оказалась на порядок ниже таковой для NHC-комплексов палладия. Тем не менее обнаружено, что при использовании только Ni(ОAc)2 константа скорости реакции на порядок меньше таковой в присутствии тиакаликсаренов. Также, как и при восстановлении с использованием палладиевых комплексов, более липофильный тиакаликсарен с тетрадецильными фрагментами оказался активнее менее липофильного с бутильными.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Установлено, что бис-имидазолиевые/бензимидазолиевые производные каликс[4]арена образуют субмикронные частицы в водных растворах с размерами 300-400 нм и поверхностным потенциалом 50 мВ. Установлено, что природа заместителей в N-положении имидазолиевых каликсаренов практически не оказывает влияния на значения критической концентрации агрегации (ККА), в то время как макроцикл c бензимидазолиевыми головными группами демонстрирует двукратный рост ККА, что связано с делокализацией положительного заряда по всей ароматической системе бензимидазола и с увеличением электростатического отталкивания между молекулами. Установлена каталитическая активность NHC-Pd(II) комплексов бис-имидазолиевых/бензимидазолиевых производных каликс[4]арена, полученных in situ путем смешения с Pd(OAc)2, в модельной реакции Сузуки-Мияуры в воде. Каликсарен-содержащие каталитические системы показали более высокую активность по сравнению с Pd(OAc)2, а макроцикл, содержащий метильные заместители в N-положении, оказался самым активным в ряду исследованных макроциклов. Получены смешанные фосфолипидные везикулы на основе 1,2-дипальмитоил-sn-глицеро-3-фосфохолина (DPPC), модифицированные классическим каликс[4]ареном с N-метилимидазолиевыми фрагментами. Впервые показано, что добавление каликсарена к везикулам DPPC приводит к формированию однослойных нанометровых везикул с размерами 60-100 нм и с очень узким распределением по размерам без стадии экструзии, которая обычно необходима для получения однослойных везикул DPPC. Зафиксировано уплотнение упаковки DPPC при добавлении макроцикла. Установлено, что каталитическая активность Pd(OAc)2 в присутствии чистого DPPC в реакции Сузуки-Мияуры увеличивается на 20%, что может быть связано как со стабилизацией каталитически активных частиц палладия фосфатными группами DPPC, так и благодаря мицеллярному каталитическому эффекту из-за солюбилизации и концентрации реагентов внутри везикул. При введении небольших количеств каликарена в везикулы их каталитическая активность существенно возрастала, приводя к количественной конверсии реагентов. Показано, что NHC-комплекс меди на основе имидазолиевого тиакаликс[4]арена в конфигурации 1,3-альтернат продемонстрировал высокую активность в катализе реакций сочетания Ульмана (арилирование замещенных фенолов и имидазола/бензимидазола), реакции азид-алкильного циклоприсоединения (CuAAC) фенилацетилена с серией различных органических азидов и в реакции сочетания Соногаширы по сравнению с коммерчески доступными каталитическими системами. Впервые получены новые имидазол-содержащие тиакаликсарены в конфигурации 1,3–альтернат и каликсарены в конфигурации конус с сульфонатными/карбоксилатными/оксиэтильными группами в N-положении имидазольного цикла. Установлено, что некоторые из полученных оксиэтилированных имидазолиевых макроциклов продемонстрировали низкую температуру плавления, характерную для ионных жидкостей. Разработана методика синтеза промежуточных тиакаликс[4]аренов и каликс[4]аренов, содержащих бутил/метил имидазольные фрагменты с высокими выходами. Установлено, что в серии синтезированных оксиэтилированных макроциклов как размеры, так и индекс полидисперсности классических каликсаренов ниже соответствующих значений тиакаликсаренов, что связано со стереоизомерной формой: конусообразный классический каликсарен в стереоизомерной форме конус способен собираться в более компактные упорядоченные агрегаты. Установлено, что при катализе реакции Сузуки-Мияуры in situ в присутствии Pd(OAc)2 более гидрофобные макроциклы с октильными и тетрадецильными фрагментами демонстрируют большую конверсию по сравнению с бутил-замещенными макроциклами, что связано с их большей солюбилизирующей способностью по отношению к гидрофобным реагентам.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В соответствии с планом работ третий год выполнения проекта 18-73-10033 был посвящен изучению агрегации ранее полученных имидазолиевых амфифильных производных каликс- и тиакаликсаренов, а также их использованию в качесвтве стабилизаторов каталитически-активных наночастиц металлов. Проведено систематическое изучение агрегации серии имидазолиевых амфифильных производных тиакаликс[4]арена в конфигурации 1,3-альтернат и классического каликс[4]арена в конфигурации конус. Показано, что при введении в N-положение имидазольного цикла объемных алкильных заместителей наблюдается увеличение значений критической концентрации аггрегации (ККА) и уменьшается общая коллоидная устойчивость производных тиакаликсарена, что выражается в увеличении индекса полидисперсности и присутствия больших субмикронных агрегатов. В ряду N-алкил-замещенных тиакаликсаренов увеличение длины О-алкильных заместителей приводит к уменьшению значений ККА, а также к компактизации полученных агрегатов, что связано с увеличением эффективности гидрофобных взаимодействий в агрегатах. Установлено, что в ряду (тиа)каликсаренов, содержащих полярные оксиэтильные, сульфанатные или карбоксилатные фрагменты в N-положении имидазолиевого цикла, решающее влияние на агрегацию оказывает стереоизомерная форма амфифилов, а не природа их функциональных групп. Так, при использовании классического каликс[4]арена в конфигурации конус образуются стабильные субмикронные агрегаты с размером порядка 200 нм, а значения ККА не сильно зависят от природы заместителя в N- положении и составляют порядка 0.02-0.08 мМ. Увеличение липофильности производных каликс[4]арена в конфигурации “конус” не приводит к драматическому снижению ККА. Однако при переходе к производным тиакаликс[4]арена в конфигурации 1,3-альтернат картина меняется принципиальным образом: макроциклы формируют крупные субмикронные и даже микронные коллоидно-нестабильные агрегаты. В случае макроциклов в конфигурации 1,3-альтернат увеличение липофильности приводит к существенному снижению ККА. Подобные наблюдения наглядно демонстрируют, насколько важен критический параметр упаковки амфифила: макроциклы в конфигурации “конус” способны агрегировать в компактные везикуло-подобные агрегаты, в то время как “цилиндрообразные” макроциклы в конфигурации 1,3-альтернат образуют протяженные бислойные структуры. Используя метод химического восстановления в присутствии в качестве стабилизаторов имидазолиевых амфифильных производных (тиа)каликс[4]арена получены медные, палладиевые и биметаллические медь-палладиевые наночастицы. Произведена оптимизация условий синтеза и найдено оптимальное мольное соотношение металл-макроцикл (4:1), позволяющее получить наиболее стабильные нанодисперсии. С использованием просвечивающей микроскопии и УФ-видимой спектрофотометрии показано, что в отсутствие макроциклического стабилизатора формируются коллоидно-неустойчивые агрегаты наночастиц металлов, седиментирующие практически сразу после приготовления. Показано, что стабилизованные макроциклами наночастицы меди демонстрируют существенно большую каталитическую активность в реакции азид-алкинового циклоприсоединения в воде по сравнению с нестабилизированными. Стабилизированные медные наночастицы также проявляют каталитическую активность в модельной реакции восстановления п-нитрофенола. Установлено, что стабилизированные макроциклами наночастицы обладают большей удельной каталитической активностью по сравнению с нестабилизированными. Впервые обнаружено, что при переходе от бутильного к более липофильному тетрадецильному имидазолиевому производному тиакаликс[4]арена каталитическая активность стабилизированных наночастиц меди возрастает в 4 раза. Такой прирост каталитической активности может быть связан с явлением двойного металлокомплексного и мицеллярного катализа. Полученные медные, палладиевые и медно-палладиевые наночастицы были использованы в качестве катализаторов в модельных реакциях кросс-сочетания Сузуки и Соногаширы. Обнаружено, что биметаллические стабилизированные наночастицы проявляют схожую с индивидуальными палладиевыми частицами каталитическую активность в реакции Сузуки. Установлено, что в реакции Соногашира медные и палладиевые частицы по отдельности работают менее эффективно, нежели биметаллические наночастицы, при использовании которых достигается максимальная конверсия.