Receptory soli bazujące na aminokwasach - synteza, własciwości kompleksotwórcze i ekstrakcyjne

Głównym celem mojej pracy było poszukiwanie dwufunkcyjnych receptorów molekularnych, które dzięki swojej budowie oraz właściwościom kompleksotwórczym umożliwią zastosowanie ich w procesach ekstrakcji soli z roztworów wodnych do rozpuszczalników organicznych. Realizację projektu doktorskiego rozpocząłem od zaprojektowania i otrzymania receptora dwufunkcyjnego wykorzystującego jako platformę molekularną aminokwas L–ornitynę. Receptor ten posiadał dwa ugrupowania mocznikowe do koordynacji anionu oraz N-(3-aminobenzylo)-aza-18-koronę-6 koordynującą kation. Otrzymany receptor był modyfikacją znanego w mojej pracowni związku i cechował się zdolnością do silniejszej koordynacji kationu. Silna koordynacja kationu pozwoliła na silniejsze wiązanie pary jonowej. Badania ekstrakcyjne wykazały, że receptor ten jest efektywnym ekstrahentem silnie hydrofilowej soli jaką jest chlorek potasu. Zaobserwowałem, iż siła wiązania kationu jest ważnym czynnikiem wpływającym nie tylko na siłę wiązania soli, ale również na skuteczność procesu ekstrakcji. W związku z tym, w następnym projekcie zastosowałem 2-hydroksymetylo-18-koronę-6, która pozwoliła na jeszcze silniejsze koordynowanie kationu potasu, a tym samym soli. Umożliwiło to zastosowanie tylko jednego ugrupowania mocznikowego do wiązania anionu. Dokonałem więc znacznego uproszczenia struktury receptorów dwufunkcyjnych, stosując jako szkielet molekularny aminokwas zawierający tylko jedną grupę aminową i karboksylową, L–walinę. Badania ekstrakcyjne wykazały, że receptor ten jest ekstrahentem hydrofilowego octanu potasu w warunkach ciecz – ciecz. Co ciekawe, był to pierwszy przypadek opisujący ekstrakcję tej soli przez receptor dwufunkcyjny. Kolejny projekt zakładał optymalizację struktury ekstrahenta octanu potasu pod względem trwałości chemicznej w warunkach wydłużonego procesu ekstrakcyjnego. Wynikiem było otrzymanie receptora bazującego na szkielecie L–waliny i zawierającego N-(3-aminobenzylo)-aza-18-koronę-6 połączoną za pomocą odpornego chemicznie wiązania amidowego. Związek ten zastosowałem do systematycznych badań ekstrakcji octanu potasu. Ponadto otrzymany receptor umożliwił ekstrakcję ibuprofenianu potasu, popularnego niesteroidowego leku przeciwzapalnego. Zastosowanie aminokwasów jako elementu łączącego grupy wiążące umożliwia między innymi zmianę odległości pomiędzy tymi grupami. W kolejnym projekcie otrzymałem serię receptorów dwufunkcyjnych bazujących na coraz dłuższych α–ε aminokwasach. Wzrost odległości pomiędzy grupami wiążącymi receptorów skutkował drastycznym obniżeniem siły koordynacji soli. Badania ekstrakcyjne wykazały jednak, że pomimo słabszych zdolności kompleksotwórczych, „dłuższe” receptory mogą być efektywnymi ekstrahentami octanu potasu. Struktura tworzonych w trakcie ekstrakcji kompleksów różnej długości receptorów z octanem potasu zbadana została z wykorzystaniem metody 2D ROESY. W przypadku receptora zawierającego β–alaninę zaobserwowano znaczące różnice konformacyjne pomiędzy kompleksem a „wolnym” receptorem. Natomiast dla receptora bazującego na kwasie δ–aminobutylowym nie obserwowano tak dużych zmian. Dodatkowo eksperymenty 2D ROESY wykazały zaangażowanie cząsteczek wody w stabilizację powstałych kompleksów. Swoboda konformacyjna zapewniona przez oddalenie domen wiążących pozwoliła na optymalizację konformacji receptora i dostosowaniu się do wiązania częściowo hydratowanej pary jonowej. Przeprowadzone badania przyczyniły się do lepszego zrozumienia procesów ekstrakcji soli w warunkach ciecz – ciecz, prowadzonych z użyciem receptorów dwufunkcyjnych.

The main goal of my thesis was to search for heteroditopic molecular receptors which because of their structure and binding abilities can be applied in processes of salt extraction from the aqueous solution to organic solvents. I started the realisation of my PhD project with designing and obtaining a heteroditopic receptor using aminoacid L-ornithine as a molecular scaffold. This receptor possessed two urea groups to coordinate the anion and N-(3-aminobenzyl)-aza-18-crown-6 coordinating the cation. The obtained receptor was a modification of an already known in my lab compound and it featured a stronger ability of coordinating the cation. A strong coordination of the cation enabled a stronger binding of ion pair. Extraction studies proved that this receptor is an effective extractant of a strong hydrophilic salt on the example of potassium chloride. It was observed that strength of cation binding is an important factor influencing not only the strength of salt binding but also the effectiveness of the extraction process. Because of this observation in the next project I applied 2-hydroxymethyl-18-crown-6 which allows even stronger coordination of potassium cation and thus salts. This enabled usage of only one urea group to bind the anion. I considerably simplified the structure of heteroditopic receptors applying as a molecular scaffold an aminoacid L-valine containing only one amine group and one carboxyl group. The extraction studies showed that this receptor is an extractant of hydrophilic potassium acetate in liquid – liquid condition. What is more, it was the first case when extraction of this salt by the heteroditopic receptor was described. The aim of the next project was the optimisation of the structure of potassium acetate extractant in terms of chemical durability in conditions of prolonged extraction process. As a result I got a receptor basing on the scaffold of L-valine and containing N-(3-aminobenzyl)-aza-18-crown-6 connected by chemically resistant amide bond. This compound was applied to systematic studies of potassium acetate extraction. What is more, the received receptor enabled the extraction of potassium ibuprofenate of a popular non-steroid anti-inflammatory drug. The application of amino acids as a connecting element between binding groups allows i.a. changing of the distance between these groups. In the next project I obtained series of heteroditopic receptors based on progressively longer α–ε amino acids. Increasing of the distance between binding groups of the receptors resulted in significant decrease in strength of receptor – salt interaction. The extraction studies showed that despite weaker binding abilities „longer” receptors can be effective extractants of potassium acetate. The structure of complexes created during the extraction process of the receptors of different lenght with potassium acetate was examined with the 2D ROESY method. In case of the receptor containing β-alanine significant conformational differences were observed between the complex and the „free” receptor. On the other hand, such significant differences were not observed in case of the receptor based on δ – aminobutyric acid. What is more, 2D ROESY experiments showed involvement of water molecules in stabilisation of complexes. Conformational freedom provided by distancing binding domains enabled optimisation of conformation of the receptor and adaptation to binding of the partly hydrated ion pair. The conducted research contributed to better understanding of salt extraction processes in liquid – liquid conditions conducted with usage of heteroditopic receptors.