RU2133463C1

RU2133463C1 - Способ обнаружения реагента, полимер, электродная основа, электрод и каликсарен

Info

Publication number: RU2133463C1
Application number: RU96108941A
Authority: RU
Inventors: Бир Пол; Шейд Мэттью; Чен Женг
Original assignee: Министр обороны Объединенного королевства Великобритании и Северной Ирландии
Priority date: 1993-10-19
Filing date: 1994-10-18
Publication date: 1999-07-20
Also published as: CN1136845A; US5770453A; AU7942594A; EP0724721B1; WO1995011449A1; EP0724721A1; GB2299173B; GB2299173A; GB9321545D0; CN1089437C; JPH09504106A; CA2174521A1; DE69415342D1; GB9607758D0; DE69415342T2

Abstract

Технический результат: получение значимого сигнала о наличии взаимодействия хозяин-гость. Изобретение включает смешение всего материала или его части с жидкостью, измерение любого изменения в электрическом поведении (электропроводности) каликсарена во время выдерживания в растворе или суспензии или после выдерживания по сравнению с контрольным условием и соотнесение такого изменения в электрическом поведении с наличием реагента. Каликсарен, погруженный в раствор или суспензию, предпочтительно является каликс/4/ареном, содержащим Y¹ - Y⁴, выбранные из группы, включающей водород, алкил, алкенил, арил, аралкил или заместитель, обладающий окислительно-восстановительной активностью; R¹ - R⁴, выбранные из группы, включающей водород, алкил алкенил, арил, аралкил или полимеризуемый фрагмент, и по меньшей мере один из Y¹ - Y⁴, представляющий собой заместитель, обладающий окислительно-восстановительной активностью. 5 с. и 22 з.п.ф-лы, 13 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к применению каликсаренов для обнаружения реагентов, особенно нейтрально заряженных реагентов, и к саликсаренсодержащим электропроводным материалам, чувствительным к этим реагентам. Изобретение относится также к электродам, включающим эти электропроводные материалы, чувствительным элементам, включающим такие каликсарен-основные электроды, и новым каликсаренам, пригодным для применения в таких электродах и устройствах.

Ранее было показано, что некоторые органические соединения способны взаимодействовать с нейтральными молекулами. В результате такого взаимодействия, условно называемого "хозяин-гость", нейтральная молекула (гость) внедряется в пустоты соединения-хозяина. Примерами таких взаимодействий являются взаимодействия между циклофанами и ароматическими соединениями, такими как нафталин, ксилол и дурол; между криптофанами и хлоруглеродами; между кавитандами (веществами, имеющими пустоты) и соединениями-"гостями", такими как ацетонитрил, хлороформ и ароматические соединения. Эти взаимодействия нашли применение в различных областях, посредством чего "гость", например, можно либо растворять в растворителе, в котором он иначе не растворяется, либо удалять из окружающей среды или собирать "хозяином", когда присутствие "гостя" в среде нежелательно или когда его необходимо регенерировать для повторного применения.

Еще одной важной группой молекул-"хозяев" являются каликсарены - группа циклических соединений, представляющих собой продукты фенол-формальдегидной конденсации, обычно включающие 4,5, 6 или 8 мономеров, которыми являются молекула замещенных фенолов, соединенных в 2,5-положениях; такие конкретные производные называются каликс/4/арены, каликс/5/арены, каликс/6/арены, каликс/8/арены соответственно. Изучение процесса образования комплекса каликсаренов с нейтральными молекулами в хлороформе с использованием определения смещающего эффекта ароматического растворителя с помощью ЯМР показало слабое взаимодействие между тетраметрическим каликс/4/ареном и толуолом, выполняющим функцию "гостя", в соотношении 1:1. С рядом других молекул-"гостей" растворимые в органических растворителях каликсарены не продемонстрировали комплексообразования, полагают, что вследствие взаимодействия с молекулой "хозяина" (Gutshe and Bauer; Tet. Lett. (1981), 22 4763 and J. Am.Chem.Soc. (1985), 6052).

О влиянии диметилсульфида (DMS) на циклическую вольтам- перограмму (CV) был (ферроценоил)-п-трет-бутил-каликс/4/арена сообщалось в опубликованных тезисах доклада J. Martin (October 1991 - University of Birminghem, UK. "Synthesis and evaluation of calixarene hydrophobic hosts designed to recognise small organic molecules"). Автором доклада было установлено, что в процессе добавления одного эквивалента DMS текущий пик потенциалов сдвигается на 80 мВ и -20 мВ для окисления и восстановления соответственно. Одновременно на 15 - 20% уменьшались пиковые токи для окисления и восстановления. Это явление объяснялось взаимосвязью с внедрением молекул DMS в "верхний край" каликсарена, образованный пара-заместителями, посредством чего заместители как бы раздвигаются, что приводит к конформационным изменениям в "нижнем крае", и вызывают изменения в распределении электронной плотности. В этом случае нижний обод был образован заместителями, обладающими окислительно-восстановительной активностью.

Хотя внедрение структурно подобного DMSO было показано методом рентгеноструктурной кристаллографии, внедрение DMS, как сообщал Martin, очень трудно воспроизводимо. Трудность реализации этого эффекта заставила авторов данного изобретения пересмотреть стратегию применения каликсаренов, обладающих окислительно-восстановительной активностью для обнаружения нейтральных соединений. В результате авторы данного изобретения установили, что расстояние между группами "верхнего края " и "нижнего края" слишком велико для того, чтобы взаимодействие "хозяин-гость" оказало значимое и достоверное влияние на окислительно-восстановительные свойства нижнего края. И они предложили новый подход, в результате которого группы, обладающие окислительно-восстановительной активностью, они ввели в каликсарены в качестве заместителей, образующих верхний край, и обнаружили, что это дает значимый сигнал о наличии взаимодействия типа "хозяин-гость".

Авторы данного изобретения установили также, что полимеризация этих каликсаренов на поверхность токопроводящей основы не дает эффекта электропроводности, посредством которого могли бы обнаруживаться конформационные изменения в верхнем крае. Однако они обнаружили, что если образуется сополимер органического электропроводного мономера и каликсарена, то таким способом можно обнаружить конформационные изменения, обусловленные взаимодействием "хозяин-гость". Следовательно, они разработали способ, с помощью которого можно получить каликсаренпокрытые электроды, которые могут давать сигнал о наличии агентов - "гостей", в частности нейтральных молекул, но также и заряженных молекул, на мониторринговую аппаратуру, присоединенную через ячейку для образца.

В соответствии с первым аспектом данное изобретение предлагает способ обнаружения реагента, присутствующего в материале, включающий погружение каликсарена, содержащего один или более заместителей в пара-положении, образующих верхний край и обладающих окислительно-восстановительной активностью, в раствор или суспензию этого материала в жидкости, измерение электрического поведения каликсарена во время погружения в раствор или суспензию или после него по сравнению с контрольными условиями и соотнесения изменения в электрическом поведении (в электропроводности), зафиксированного таким образом, с наличием реагента.

Каликсарен, погруженный в раствор или суспензию, представляет собой каликс/4/арен общей формулы 1

где Y¹-Y⁴ независимо выбирают из группы, включающей водород, алкил, алкенил, арил, аралкил или заместитель, обладающий окислительно-восстановительной активностью;
R¹-R⁴ независимо выбирают из группы, включающей водород, алкил, алкенил, арил, аралкил или полимеризуемый фрагмент;
и где по меньшей мере один из Y¹-Y⁴ представляет собой заместитель, обладающий окислительно-восстановительной активностью.

Предпочтительными полимеризуемыми фрагментами являются фрагменты, включающие одну или более полимеризуемых групп, удаленные от каликсареновых колец, в частности пиррольный или теофеновый фрагменты или аналогичные 5-, 6- или 7-членные циклы, способные полимеризоваться с аналогичными фрагментами с получением электропроводного полимера; также фрагменты предпочтительно содержат полимеризуемые группы на удалении от каликсареновых колец, достаточном для того, чтобы не препятствовать доступу к верхнему краю любого химического агента в суспензии или в растворе, в то же время доставляя четвертичные циклы на основу без стерического ограничения молекул, которое бы не позволило получить электропроводную поверхность.

Подходящие группы R¹-R⁴, включающие полимеризуемые фрагменты, как было найдено, включают - CH₂CONH(CH₂)_n-NC₄H₄, где n принимает значения целых чисел, предпочтительно 2-4, наиболее предпочтительно 3, или его тиофеновый аналог, но могут включать также полимеризуемые ненасыщенные фрагменты, описанные в ЕР 0490631 (кл. G 01 N 27/30, публ. 17.06.92).

Подходящие заместители Y¹-Y⁴, обладающие окислительно-восстановительной активностью, будут выбраны в зависимости от молекулы гостя, которую хотят обнаружить, но обычно будут включать группы, такие как бис-(ферроценоил), аминодипиридил и их производные или комплексы, или другие группы, подобные показанным на фиг. 1(а)- (d), представленных ниже.

Предпочтительными целевыми агентами-гостями для применения каликсаренов по методу данного изобретения являются агенты, потенциально высоко и очень высокотоксичные, которые могут присутствовать в воздухе или воде и т.д. в небольших количествах, например химические агенты военного назначения, такие как серный или азотный иприт или их полупродукт (HMG), или токсичные вещества такие, как PCB и его аналоги.

Для получения основ, покрытых каликсареновыми фрагментами, подходящими для выполнения измерений взаимодействия типа "хозяин-гость" по методу данного изобретения, разработаны новые полимеры, включающие продукт сополимеризации (а) каликсаренов, содержащих полимеризуемые фрагменты, ответвленные от их нижнего края предпочтительно от атомов кислорода их гидроксизаместителей, и (b) одного или более мономеров, полимеризуемых с получением электропроводных полимеров.

Молярное отношение (а) к (b) предпочтительно составляет приблизительно 1:1, но могут быть установлены другие отношения, при которых простым экспериментальным способом получаются продукты, обладающие подходящей электропроводностью. Предпочтительными мономерами (b) являются пиррол и тиофен, хотя аналогичные 5, 6 и 7- членные циклические соединения также могут применяться.

В качестве каликсаренового мономера (а) может использоваться такой каликсарен, у которого изменение в электрических свойствах, вызванное взаимодействием типа "гость-хозяин", может определяться наблюдением электрических свойств его сополимера с (b). Каликсареновым мономером предпочтительно является одно из соединений формулы (1), представленной выше, в котором по меньшей мере одна, предпочтительно две группы, из R¹-R⁴ являются группами, содержащими полимеризуемые фрагменты, способные сополимеризоваться с мономером или мономерами (а). Примеры структур, подходящих для получения такого полимера, даны на фиг. 2, причем для квалифицированного специалиста понятно, что могут также использоваться и производные этих структур.

Предпочтительно сополимер получают в виде тонкой пленки на основе, например на электроде, с помощью электрополимеризации из подходящего растворителя. Одним из таких предпочтительных способов является получение раствора эквимолярных количеств мономеров (а) и (b) в органическом растворителе, например в ацетонитриле; выдерживание поверхности основы, которая подлежит покрытию в этом растворе, и затем подача электрического потенциала на эту основу и дополнительную основу, например на электрод, также погруженный в этот раствор. Предпочтительно осуществляют циклирование потенциала, как описано в литературе. (См., например, Heinzi J. Topics in Carrent Chemistry, Streckhan ed. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, Vol. 152, p.1 (1990)). Таким способом получают покрытые подходящим электропроводным покрытием электроды, которые могут быть введены в чувствительный элемент данного изобретения.

Дополнительными способами нанесения каликсаренов на поверхности с тем, чтобы использовать их в качестве электродов, являются способы, обеспеченные введением их в матрицу покрывающего материала. Одной из таких матриц, которую легко можно получить, является матрица поливинилхлорида, который может быть осажден на твердую поверхность, например стеклянный стержень, из раствора в растворителе, например, из раствора в дихлорметане с каликсареном. Для того, чтобы обеспечить проводимость стержня, который удобно покрыт электропроводным покрытием, таким как стекло-углерод, сплав индий- оксид олова или платина, заранее и для применения к погруженной поверхности такого покрытия присоединяют проводник.

Типичный чувствительный элемент данного изобретения включает по меньшей мере одну основу, покрытую полимером или матрицу в соответствии с данным изобретением, и устроен так, чтобы был способен нести образец раствора или суспензии, при соприкосновении с которым или после соприкосновения с которым электропроводность, электрические свойства каликсарена могут быть измерены. Таким образом наличие целевого химического агента будет зафиксировано по изменению предопределенной электропроводности основы в растворе или суспензии.

Будет понятно, что электрические свойства покрытой основы могут быть определены различными способами, но одним из предпочтительных способов является применение циклической вольтамперметрии, посредством которой дополнительный электрод, соединенный с субстрат/электродом через цепь, включающую источник напряжения и измерительные приборы, в то же самое время погружают в раствор или суспензию. Напряжение между покрытым каликсареном и дополнительным электродом изменяется циклически, и максимальные значения окислительно-восстановительного потенциала текущего электрического тока регистрируют для определения изменений в поведении каликсарена на основе, которые показывают, что присутствует целевой "гость". Вторым способом определения электрических свойств покрытой основы является применение прямоугольной импульсной вольтамперметрии.

Данное изобретение относится также к системе, которая только вводит каликсарены формулы 1, где R¹-R⁴ - фрагменты неполимеризуемого типа, в условиях циклической вольтамперметрии в образец раствора или суспензии. Затем образец помещают в устройство циклической вольтамперметрии, приспособленное должным образом, с помощью которого могут быть аналогично определены окислительно-восстановительные изменения. Таким образом образец, который подлежит изучению, просто смешивают с каликсареном перед обработкой в вольтамперметрическом устройстве. Следует предположить, что такая система не будет, возможно, обладать такой чувствительностью, как аппаратурная система с электродом, покрытым полимером, если в нее не будет введено усиливающее устройство, которое будет усиливать сигнал, полученный в результате изменения свойств каликсарена, и подавать усиленный сигнал на дисплей или устройство, подающее предупредительный звуковой сигнал.

Данное изобретение относится также к новым каликсаренам, полимерам и покрытым основам (субстратам) для применения в способе, системах и аппаратуре данного изобретения.

Далее будут приведены примеры каликсаренов, полимеров, покрытых основ, способа, систем и аппаратуры данного изобретения в форме, не ограничивающих область данного изобретения предпочтительных воплощений, которые представлены на чертежах и в примерах. В свете этих воплощений квалифицированному специалисту будут очевидны и другие воплощения, входящие в область данного изобретения.

На фиг. 1 представлено строение заместителей, содержащих окислительно-восстановительный центр и приемлемых для применения в качестве групп Y¹-Y⁴ в некоторых предпочтительных каликсаренах изобретения.

На фиг. 2 показано строение двух каликс/4/аренов, в которых нижний край образован группами R¹-R⁴, содержащими полимеризуемые пиррольные фрагменты.

На фиг. 3 представлен график зависимости тока от концентрации химического агента при применении каликс/4/арена формулы 1 (где R¹ и R⁴ представляют собой водород, R² и R³ оба представляют собой метил, Y¹ и Y⁴ являются группами, показанными на фиг. 1 (b), и y² и y³ оба представляют собой водород) в концентрации 10^-4 М.

На фиг. 4 схематически показано строение аппарата для циклической вольтамперметрии, с помощью которого проведены измерения, представленные на фиг. 3.

На фиг. 5 показаны циклические вольтамперперограммы для (i) каликс/4/арена, использованного далее в примере 2, в растворе CH₂CI₂, с добавлением DMS(ii) и (iii) с добавлением DMSO.

На фиг. 6 представлены циклические вольтамперограммы для (i) каликс/4/арена, использованного в примере 3, в растворе CH₂CL₂, при добавлении в этот раствор DES(ii) и при добавлении (iii) HMG.

На фиг. 7 показано строение соединений 43, 44 и 45, описанных в примере 1.

На фиг. 8 показано строение соединений 46, 47, 48 и 49, описанных в примере 1.

На фиг. 9 показано строение соединений 50, 51, 53, 54 и 57, описанных в примере 1.

На фиг. 10 показано строение соединений 55 и 56, описанных в примере 1.

На фиг. 11 представлен синтез структуры 58 и 59 и показано строение нитрохинонового каликс/4/арена.

На фиг. 12 представлены схемы реакций, которые могут использоваться для получения структур специфического замещения на нижнем ободе; показано метилирование, но заменяя Me другими нужными группами, например другими алкильными группами, получают введение этих групп в нижний обод.

На фиг. 13 (а) представлена схема реакций получения каликс/4/аренов, содержащих 3-замещенный пиррольный цикл; на фиг. 13 (b) представлена схема реакций получения каликс/4/ аренов, содержащих 3'- замещенный тиофеновый цикл.

Пример 1. Синтез каликс/4/аренов для применения в способе данного изобретения
Пара-замещенные каликс/4/арены синтезируют, используя стандартные методы синтеза, аналогичные тем, что описаны J.P.Martin'om в его тезисах, опубликованных в октябре 1991 года в Университете Бирмингема (Великобритания). Формальдегид в тетрагидрофуране с уксусной кислотой представлял собой стандартный способ введения заместителя в пара-положение (см. стр. 39 тезисов).

Синтезируют каликс/4/арены четырех типов, (i) каликс/4/ арены, соединенные с ферроценами через функциональные аминогруппы и содержащие большую полость в верхнем крае соединения 43, 44 и 45, строение которых представлено на фиг. 7, (ii) каликс/4/-арены, соединенные с ферроценами через функциональные амидогруппы (соединения 46, 47, 48 и 49, строение которых представлено на фиг. 8), (iii) каликс/4/арены, соединенные с бипиридинами через функциональные иминогруппы (соединение 50, строение которого представлено на фиг. 9), (iv) бискаликс/4/арены, содержащие ряд промежуточных групп (соединения 50, 51, 53, 54, 55, 56 и 57, строение которых представлено на фиг. 9 и 10).

Трет-бутилкаликс/4/арен (соединение 1 в таблице) получают в количестве 800 г и де-трет-бутилируют способом, описанным в публикации Gutsche and Lin, Tetrahedron (1986), 42, p. 1633, причем из этого продукта кипячением с K₂CO₃ (1,1 эквивалент) и соответствующим алкилирующим агентом избыток в ацетонитриле в течение 24-48 часов получают ряд 1,3-дизамещенных каликсаренов (соединение 3-18 в таблице). Монометилированный каликс/4/-арен получают по методу, описанному в публикации Reinhoudt, Tetrahedron (1991), 47, p. 8379, используя CsCO₃. Триметилирование каликс/4/арена 10 проводят по методу, описанному в публикации Gutsche et al..Tetrahedron (1991) 39, p. 409, используя в качестве основания BaO и Ba(ОН)₂, а в качестве алкилирующего агента диметилсульфат (растворитель-диметилформамид).

Другие тризамещенные каликс/4/арены получают взаимодействием 1,3-дизамещенных каликс/4/аренов с нужным алкилирующим или тозилирующим реагентом в тетрагидрофуране, используя гидрид натрия в качестве основания; таким образом получают соединения 11, 13 и 15). Для подтверждения получения предполагаемых структур используют ЯМР-спектры и рентгенокристаллографический анализ. Ряд тетразамещенных каликс/4/аренов (соединения 12, 14, 16, 17, 18) получают реакцией дизамещенного каликс/4/арена с гидридом натрия и избытком алкилирующего или тозилирующего агента.

Нитрование каликс/4/аренов, селективно замещенных в нижнем ободе, приводит к получению продуктов, в которых нитрогруппа находится только в пара-положениях свободных фенольных циклов. Метод нитрования с использованием дымящей азотной кислоты в смеси CH₂CI₂/ледяная уксусная кислота (Reinhoudt et al. (1990), J.Org. Chem. 55, p. 5639), приводит, как оказалось, к низкому и непредсказуемому выходу. Был разработан новый способ нитрования в двухфазной системе и применен для каликс/4/аренов (Keller (1994), Bull. Soc.Chim. Fr. 131, p. 27), метод позволяет в большей степени контролировать распределение продуктов. Подбор определенных условий приводит к получению нитрозинонов 30 и 31 (см. фиг. 11) в большем количестве, чем нитрированных каликс/4/аренов 23 и 24, а также приводит к получению нитрокаликс/4/аренов 19, 23, 24, 27, 28 и 29 с большими выходами.

Разработанный способ нитрозирования каликс/4/аренов с применением амилнитрата показывает такую же селективность, что и азотная методика, и приводит к подобным выходам. Как способ электрофильного замещения он не дает преимущества относительно нитрования, и для получения каликс/4/аренов с функциональными группами в верхнем ободе могут использоваться различные химические свойства этих новых нитрокаликс/4/аренов 20, 21, 22 и 26.

Предлагаются новые способы введения заместителей. Перегруппировка Glaisen'a каликс/4/аренов (Gutsche et al., J.Org. Chem. (1985) 50, p. 5802), утяжеленных аллил-функциональными группами на нижнем крае (соединения 8 и 18), приводит к получению замещенных в верхнем крае продуктов 35 и 32. В одном случае концевые алкеногруппы изомеризуют во внутренние алкеногруппы (Reinhoudt et al, J.Org.Chem. (1990), 55, p. 5639) (соединение 33), которые далее окисляют смесью RU CI₃/NalO₄ с получением карбоновой кислоты 34. Каликс/4/ арен конденсируют с формальдегидом и дибензиламином реакцией Манниха с получением нового каликс/4/арена, содержащего функциональные группы в верхнем крае, и используют его в синтезе ферроценметиламина 59 через снятие защиты дибензиламино-метилферроцена 58.

Нитро- и нитрозокаликс /4/арены восстанавливают до аминов каталитическим гидрированием с использованием никеля Ренея и гидразингидрата. Каликс/4/аренамины 39, 40, 41, 42 конденсируют с различными группами, обладающими окислительно-восстановительной активностью, и группами, выполняющими функцию разделяющих групп, с получением конечных рецепторных молекул. Все ферроценовые и бипиридиновые соединения характеризуются ПМР-спектрами и, в некоторых случаях, FAB масс-спектрометрией и элементным анализом.

Реакция соединения 41 и соединения 42 с ферроценкарбоксальдегидом приводит к образованию оснований Шиффа, которые не выделяют, а восстанавливают до аминов 43 и 44; соединение 44 подвергают дальнейшему замещению с получением соединения 45. Взаимодействие соединений 39 и 41 с ферроценкарбонилхлоридом приводит к получению соединений 46 и 47; причем соединение 47 является нерастворимым в дихлорметане и ряде других органических растворителей. Для решения проблем, связанных с растворимостью, получают ряд ферроценпроизводных каликс/4/аренов с более липофильными трет-бутил- и этиловыми эфирными группами на нижнем крае, которые также оказались относительно нерастворимыми в некоторых органических растворителях. Тозилированное соединение 48 получают из соединения 40, и оно, оказалось, обладает гораздо большей растворимостью, чем соединение 47. Конденсация соединения 41 и 4-карбоксальдегид-4'- метилбипиридином приводит к получению продукта 50, представляющего собой основание Шиффа.

Бискаликсарены 49, 51, 53, 54, 55 и 56 получают конденсацией каликс/4/аренмоноаминов 41 и 42 с дизамещенными группами, обладающими окислительно-восстановительной активностью, и группами, выполняющими роль пространственных разделяющих групп. Получают также трис-каликс/4/арен 57. Попытки получить комплекс соединения 53 с Ru(бипиридил)₂Cl₂•2H₂O не приводят к успеху и синтезируют более растворимый аналог 54.

Пример 2. Влияние взаимодействия "гость-хозяин" на циклическую вольтаммаграмму каликс/4/аренов в растворе по способу данного изобретения
Всю электрохимическую работу проводят на потенциостат-гальваностате модели 273 фирмы EG & G PAR. В качестве рабочего электрода используют платиновый диск диаметром 5 мм или стеклоуглеродный диск диаметром 7 мм, а в качестве противоположного электрода - платиновый гаусс-электрод площадью 1 см². В качестве эталонных электродов берут насыщенный каломель для CH₂CI₂ и Ag⁺/Ag для CH₃CN. Односекционный (см. фиг. 4) или трехсекционный элемент используют с растворителями, причем подпитывающим электролитом является CН₂Cl₂ или CH₃CN с /CH₃(CH₂)₃/₄NBF₄ соответственно.

Каликс/4/арен формулы 1, где Y¹ и Y⁴ представляют собой группу (а), которая показана на фиг. 1, Y² и Yy³ являются водородами, R¹ и R⁴ - метильные группы, a R² и R³ являются водородами, подвергают циклической вольтамперметрии в растворе CH₂CI₂. При скорости сканирования 50 мВ/сек получают две пары пиков окислительно-восстановительного тока, которые являются более широкими, чем пики, полученные при реакции, протекающей с передачей одного электрона (обратимой и необратимой). Хотя окислительно-восстановительные свойства каликс/4/арена, который находится в растворе один (3,7•10^-4 М), обуславливаются наличием четырех ферроценоильных групп, предполагается, что они подразделяются на две подгруппы по окислению. Две из этих четырех групп теряют свои электроны при более низких потенциалах, чем две группы, и полагают, что это различие может быть вызвано взаимодействием между двумя положительно заряженными ферроценоильными группами, присоединенными к одному и тому же атому азота. Широта каждого пика может быть отнесена к более слабому взаимодействию между двумя ферроценоильными группами, присоединенными к разным атомам азота, т.е. в этой же подгруппе, хотя широту можно связать с гибкостью этих ферроценоильных групп (см. фиг. 5).

При добавлении в эти же растворы нейтральных молекул, выступающих в роли "гостей": DMSO, DMS или DES, в циклической вольтамперограмме наблюдаются два изменения; (а) сдвиг относительно положения каждой пары пиков и (в) расщепление пика на два различных пика. Это расщепление наиболее наглядно прослеживается с DMSO.

Пример 3. Влияние взаимодействия типа "гость-хозяин" на CV раствора каликс/4/аренов в способе данного изобретения
Каликс/4/арен формулы 1, где Y¹ и Y⁴ представляют собой группу (в), которая показана на фиг. 1, Y² и Y³ являются водородами, R¹ и R⁴ оба являются метилом? и R² и R³ представляют собой водород, подвергают циклической вольтамметрии в растворе с CH₂Cl₂ с концентрацией 10^-4 М. Наблюдают два необратимых пика.

Влияние DES и HMG более очевидно, чем для каликс/4/арена примера 2, причем наиболее значительное изменение состоит в том, что величина тока первого пика возрастает с увеличением концентрации, в то время как величина тока второго пика уменьшается. Для DES это изменение обрывается со слиянием двух пиков и с появлением нового "выступа" на кривой тока с левой стороны от первого пика восстановления при повышении концентрации HMG. Используя эту характеристику, можно идентифицировать в растворе HMG относительно DES. В отличие от эффекта расщепления пиков с каликс/4/ареном примера 2, изменение тока с концентрацией HMG и DES приводит к повышению характеризующей информации (см. фиг. 6).

Пример 4. Влияние взаимодействия типа "гость-хозяин" на ПМР каликс/4/аренов в способе данного изобретения
Оба каликс/4/арена примеров 2 и 3 изучают ПМР титрованием в отсутствии подпитывающего электролита, использованного в этих примерах. Изменения в ПМР-спектре, вызванные добавлением DMSO, DMS, DES и HGM? являются очевидными, хотя менее выраженными, чем в CV-кривых. Наиболее сильные изменения получают при добавлении DMSO к раствору соединения примера 2 в CH₂CI₂, в результате чего изменяется область химического сдвига ароматических пиков. При добавлении от 1 до 5 эквивалентов DMSO получают изменение 5 Hz до 12 Hz (от 0,016 до 0,040 pp).

Пример 5. Синтез каликс/4/аренов, содержащих пиррольную и тиофеновую группы в нижнем ободе
A) Пиррольные группы: каликсарены с набором нужных заместителей в верхнем крае для продукта с целевыми концевыми группами имеют нужное количество гидроксильных групп в нижнем ободе, превращенных в хлорангидридные группы в процессе кипячения в избытке тионилхлорида в дихлорметане. В случае ферроценил-концевого продукта выбирают подходящий прекурсор, устойчивый к тионилхлориду. Затем хлорангидрид взаимодействует c пирроламином в дихлорметане в присутствии пиридина; причем пиррол является предпочтительно на атоме азота или в положении 3 содержит алкильную цепочку, на которой располагается аминогруппа, подлежащая конденсированию. В случае применения 3-пиррол-замещения атом азота должен быть защищен, например, тозилом. Алкиламинопиррольная группа, используемая в получении соединений, представленных на фиг. 2, является промышленно доступной.

b) Тиофеновые группы: каликсарены, содержащие нужные заместители в верхнем ободе и содержащие алкильные цепочки с расположенной на периферии группой X в нижнем ободе, взаимодействуют с тиофеновым спиртом в присутствии основания, в результате получают тиофензамещенный каликсарен. Тиофен содержит заместитель в 3-положении, а алкильная цепочка, соединяющая гидроксильную группу с пиррольным кольцом, может иметь любую длину.

Обе эти методики могут применяться либо для введения тиофеновой, либо для введения пиррольной группы, причем тиофенамин используют вместо пироламина в методике (а) и пиррольный спирт берут вместо тиофенового спирта в методике (в).

Пример 6. Иммобилизация каликс/4/аренов на поверхности электропроводных основ: получение электродов, чувствительных к наличию взаимодействия каликсарена вида "гость-хозяин"
Каликсарены сополимеризуют на поверхность электродов подачей переменного циклического потенциала через раствор, содержащий смесь 5•10^-4 М пиррола и каликсарена, в котором Y¹ - Y⁴ каждый представляет собой трет-бутил и R¹-R⁴ принимают значения, представленные в формуле 11 на фиг. 2.

Попытки получения электропроводной пленки из одного каликсарена формулы 11 в ацетонитриле не приводят к успеху, вероятно, вследствие стерических проблем, препятствующих образованию цепочек, содержащих более двух пирролов. Циклические вольтамперограммы, полученные при последовательном циклировании раствора только одного каликсарена концентрацией 5•10^-4 М в ацетонитриле, показывают нереверсивную окислительную волну электрического тока, причем ток неожиданно прерывается в процессе последующего изучения. Это говорит о том, что рабочий электрод покрыт только окисленным продуктом, который является изолирующим материалом. Так как пирролы представляют собой единственные способные к окислению группы, окислительная волна должна обуславливаться ими, следовательно, покрытие должно быть димером, тримером или другим олигомером каликс/4/арена, в котором конъюгация пиррола не является достаточно длинной для обеспечения электропроводности.

С помощью образования сополимера каликс/4/арена с пирролом должны получаться цепочки большей длины с пиррольными фрагментами, что обеспечивает электропроводность, и это совпадает с результатом изучения способом циклической вольтамперметрии других растворов мономеров в ацетонитриле в сравнении с результатами вольтамперметрии раствора чистого пиррола с концентрацией 5•10^-4 М.

Главными являются следующие отличия: (а) ток возрастает намного быстрее после каждого сканирования в случае мономерной смеси, чем в растворе чистого пиррола, и (в) анодное ответвление окислительно-восстановительной волновой пары, расположенное перед четким возрастанием тока вследствие окисления мономерных видов, является единственным пиком тока для чистого пиррола, но ток для смеси является ровным. Так как окислительно-восстановительное удвоение соответствует окислению и восстановлению самой полимерной пленки, различие объясняют либо существованием каликсареновых фрагментов, связанных с полимерной цепочкой с помощью пиррольных элементов, либо существованием двух типов окислительно-восстановительных пар в полимерной пленке - каликсарен-поврежденных и каликсарен-неповрежденных пиррольных элементов.

Электроды, покрытые полимером, полученные из CV растворов в ацетонитриле, переводят в свежеприготовленные растворы ацетонитрила, содержащие только 0,1 М/ CH₃(CH₂)₃/₄NBF₄, в котором обе полимерные пленки дают линейное повышение с увеличением потенциала скорости сканирования; характеристика поверхности ограничена видами окислительно-восстановительных групп.

Пример 7. Электрохимическое изучение других каликс/4/аренов
Электрохимические свойства производных каликс/4/аренов, обладающих окислительно-восстановительной активностью, -соединений 43, 44, 45, 46 и 49 - изучают с помощью циклической вольтамперметрии и прямоугольной импульсной вольтамперметрии, проводимых в растворе хозяина в дихлорметане с концентрацией 10^-3 моль•дм^-3 и при использовании в качестве подпитывающего электролита /NB₄/BF₄/. Приведенные величины отнесены к Ag/Ag⁺ электроду сравнения. Соединения 43, 44 и 45 показывают аналогичные анодную и катодную волны для реверсивного окисления ферроцена, квази-реверсивная волна появляется при более низком потенциале и предположительно обусловлена окислением аминогруппы.

Наличие единственной волны, обусловленной окислением ферроцена в соединениях 44 и 45, наводит на мысль о том, что все ферроцены в этих молекулах являются окисленными в двух или четырех "одноэлектронных процессах" соответственно при приблизительно одинаковом потенциале. Предполагается провести кулонометрическое изучение для подтверждения этого предположения. Изучение с помощью прямоугольной импульсной вольтамперметрии соединений 43, 44 и 45 аналогично показало присутствие двух пиков окисления, из которых второй пик обусловлен окислением ферроцена.

Соединение 46 показывает реверсивную волну окисления, обусловленную окислением ферроцена, и второй нереверсивный пик при более высоком потенциале.

Соединение 49 показывает реверсивную волну окисления, вследствие окисления ферроцена, и второй, более сложный пик при более высоком потенциале. Полагают, что в обоих случаях второй пик обусловлен либо окислением амидогруппы, либо окислением фенола. Прямоугольная импульсная вольтамперметрия показывает, что второй окислительный пик, наблюдаемый у соединения 49, может обуславливаться существованием двух различных окислительных процессов.

Соединения 43, 44, 45, 46 и 49 изучают циклической и прямоугольной импульсной вольтамперметрией в дихлорметановом растворе при концентрации иприта, используемого в качестве "гостя", 0,05 моль/дм^-3. Никаких значительных изменений не наблюдается в электрохимическом поведении соединений 43, 44, 45 и 46 при этих условиях, но соединение 49 дает сложный электрохимический ответ с исчезновением пика в области 0,95 В и появлением нового пика в области 0,40 В.

Электрохимическое поведение соединений 46 и 49 также изучают в растворах, содержащих либо 1,1'-бисхлорэтиловый эфир (полуиприт), либо диэтилсульфид. Никаких значительных изменений не наблюдается с любым из этих "гостей", что показывает специфичность соединения 49 для целевого агента - иприта (1,1'-диэтилсульфида).

Пример 8. Получение электродов, содержащих соединение 49 в ПВХ матрице
Пленки соединения 49 в ПВХ-матрице получают из растворов в дихлорметане и диметилформамида посредством нанесения 30 мл раствора на твердую поверхность основного электрода, давая возможность растворителю испариться, оставляя по поверхности различимую видимую пленку. Изучают только пленки, полученные из раствора в дихлорметане. Изученные основы включают стеклоуглерод, инди- оксид-олова и платину. Наблюдение пика окисления, обусловленного ферроценом, с помощью циклической вольтамперметрии показывает, что соединение 49 иммобилизировано в пленку, но после трех циклов пик ферроценового окисления исчезает, показывая, что такой способ иммобилизации приемлем только для свободного применения электрода. Это указывает на то, что ферроценовый ион соединения 49 растворим в электролитическом растворе или что соединение 49 электрохимически разлагается в условиях такого применения.

Claims

1. Способ обнаружения реагента, присутствующего в образце, включающий погружение каликсарена, содержащего один или более пара-заместителей, обладающих окислительно-восстановительной активностью, в раствор или суспензию образца, измерение любого изменения в электрических свойствах каликсарена во время или после выдерживания в растворе или суспензии по сравнению с контрольным условием и соотнесение такого изменения в электрических свойствах с наличием реагента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каликсареном, погруженным в растворе или суспензии, является каликс(4)арен общей формулы I

где по крайней мере один из Y¹-Y⁴ представляет собой заместитель, обладающий окислительно-восстановительной активностью, каждый из Y¹-Y⁴ независимо выбирают из водорода, алкила, алкенила, арила или аралкила; R¹-R² независимо выбирают из группы, включающей водород, алкил, алкенил, арил, аралкил или полимеризуемый фрагмент.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что полимеризуемый фрагмент содержит полимеризуемую группу, конец которой удален от каликсареновых циклов.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что полимеризуемый фрагмент или группа включает или представляет собой пиррол, тиофен или их 5-, 6- или 7-членные циклические аналоги, обладающие способностью полимеризоваться с подобными циклами для получения электропроводного полимера.

5. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, что фрагмент представляет собой -CH₂CONH(CH₂)_n-NC₄H₄, -CH₂CONH(CH₂)_n-C₄H₄, где n принимает значения целых чисел.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что n принимает значения целых чисел от 2 до 4.

7. Способ по любому из пп.2 - 6, отличающийся тем, что заместители, обладающие окислительно-восстановительной активностью, независимо выбирают из группы, включающей бис(ферроценоил) или металлоцентрированный иминодипиридил и их производные, комплексы или другие группы, представленные ниже:

и каждый оставшийся Y¹-Y⁴ представляет собой водород.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что реагент является незаряженным.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что реагент обнаруживают в образце, взятом из окружающей среды.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что реагент выбирают из серного иприта, азотного иприта, производного полуиприта и полихлорированного бифенила.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что каликс(4)арен имеет одну из нижеприведенных структур:

12. Полимер, содержащий продукт сополимеризации (а) каликсарена, содержащего один или более верхних (пара-)заместителей, обладающих окислительно-восстановительной активностью, и один или более полимеризуемых ответвленных вниз фрагментов, и (в) с одним или более мономерами, способными полимеризоваться с получением электропроводного полимера.

13. Полимер по п.12, отличающийся тем, что полимеризуемыми фрагментами являются фрагменты, ответвленные от одного или более атомов кислорода нижних гидроксизаместителей каликсаренов.

14. Полимер по п.13, отличающийся тем, что мономерные компоненты (а) и (в) включают пиррол, тиофен и/или их 5-, 6- и 7-членные циклические аналоги.

15. Полимер по п.13 или 14, отличающийся тем, что мономер каликсарена (а) включает каликсареновый фрагмент, в котором изменение электрического свойства, вызванное взаимодействием типа гость-хозяин, определяют с помощью контроля электрического свойства его продукта сополимеризации с (в).

16. Полимер по п.15, отличающийся тем, что мономером каликсарена является одно из соединений формулы I, указанной выше, в которой по меньшей мере одним из R¹-R⁴ является фрагмент, выбранный из фрагментов, содержащих полимеризуемые фрагменты, которые можно сополимеризовать с мономером или мономерами (а).

17. Электропроводная основа, содержащая электропроводный материал, покрытый тонкой пленкой полимера по одному из пп.12 - 16.

18. Основа по п.17, отличающаяся тем, что ее получают электрополимеризацией сополимера из раствора мономеров в органическом растворителе.

19. Основа по п.17 или 18, отличающаяся тем, что ее получают растворением эквимолярных количеств мономеров (а) и (в) в органическом растворителе погружением поверхности основы, которая подлежит покрытию, в этот раствор и созданием электрического потенциала, пронизывающего раствор, между основой и другим электродом, также погруженным в раствор.

20. Электрод, содержащий покрытую основу по любому из пп.17 - 19.

21. Новый каликсарен формулы I, в котором один или более из Y¹-Y⁴ содержит группу, обладающую окислительно-восстановительной активностью.

22. Каликсарен по п.21, отличающийся тем, что группу, обладающую окислительно-восстановительной активностью, выбирают из групп, содержащих бис(ферроценоил) или металлоцентрированный имино-дипиридил.

23. Каликсарен по п.21, отличающийся тем, что группу, обладающую окислительно-восстановительной активностью, независимо выбирают из групп, представленных ниже.

24. Каликсарен по п.21, отличающийся тем, что группой, обладающей окислительно-восстановительной активностью, является ферроценамидогруппа.

25. Каликсарен по п. 21, отличающийся тем, что он включает два каликс(4)ареновых фрагмента, присоединенных к вышеупомянутой ферроценовой группе с помощью амидных связей.

26. Каликсарен по п. 21, отличающийся тем, что он содержит два каликс(4)ареновых фрагмента, присоединенных к вышеупомянутой дипиридильной группе с помощью амидных связей.

27. Каликсарен по п. 21, отличающийся тем, что он содержит два каликс(4)ареновых фрагмента, присоединенных к вышеупомянутой дипиридильной группе с помощью имидных связей.