Fluorescencyjne sensory, katenany i transportery anionów na bazie 1,8-diaminokarbazolu - synteza i badania właściwości

Syntetyczne receptory silnie i selektywnie wiążące aniony coraz częściej znajdują zastosowanie np. jako bloki budulcowe w syntezie topologicznie złożonych architektur, jako sensory molekularne zdolne do rozpoznania anionów lub jako transportery anionów przez dwuwarstwy lipidowe. Chociaż ogromny postęp w badaniach rozpoznania molekularnego anionów doprowadził do wielu spektakularnych przykładów zastosowań receptorów, to realizacja głównych celów jak np. templatowana anionami synteza maszyn molekularnych, selektywna detekcja anionów w wodzie czy selektywny transport anionów przez błony komórkowe organizmów żywych pozostaje poważnym wyzwaniem chemicznym. Aniony są coraz bardziej popularnymi templatami w syntezie różnych struktur mechanicznie związanych (ang. mechanically interlocked structures), przede wszystkim katenanów oraz rotaksanów, które mogą stanowić elementy bardziej złożonych maszyn molekularnych. Poważnym problemem limitującym dalszy rozwój strategii templatowania anionami jest brak łatwo modyfikowalnych, silnie wiążących i elektrycznie obojętnych bloków budulcowych, dzięki którym mogłaby się ona stać niezawodnym narzędziem syntetycznym. W swojej rozprawie doktorskiej pokazałem, że cząsteczka 1,8-diaminokarbaozlu jest szczególnie użytecznym blokiem budulcowym w syntezie templatowanej anionami. Proste, elektrycznie obojętne pochodne amidowe 1,8-diaminokarbazolu tworzą ortogonalne kompleksy o stechiometrii 2:1 (receptor:anion) z wyjątkowo hydrofilowym anionem siarczanowym nawet w silne konkurującym medium. Dzięki temu odpowiednio zmodyfikowane receptory pozwoliły na syntezę pierwszych elektrycznie obojętnych i fluorescencyjnych [2]katenanów templatowanych anionem siarczanowym. Usunięcie templatu siarczanowego po syntezie uwalnia lukę molekularną, zawierającą 6 donorów wiązań wodorowych, wewnątrz której szczególnie silnie może być związany siarczan. Otrzymane przeze mnie katenany wiążą silniej i bardziej selektywnie niż acykliczne prekursory bądź składowe makrocykle oraz charakteryzują się specyficznym wzrostem intensywności fluorescencji. Możliwość kontroli wzajemnego położenia elementów składowych struktur mechanicznie związanych (ko-konformacji) sprawia, że katenany i rotaksany są wykorzystywane jako przełączniki i prekursory maszyn molekularnych. Chociaż otrzymane przeze mnie [2]katenany charakteryzują się bardzo wysokimi stałymi kompleksowania siarczanu SO42-, to praktycznie nie oddziałują one z wodorosiarczanem HSO4-, który jest znacznie gorszym akceptorem wiązań wodorowych. Dzięki temu udało mi się pokazać, że ko-konformacja katenanu może być przełączana pomiędzy dwoma dobrze zdefiniowanymi stanami za pomocą siarczanu oraz dodatku kwasu i zasady. Chociaż połączenie dwóch jednostek karbazolowych w strukturze katenanu pozwoliło mi otrzymać selektywny i fluorescencyjny sensor zdolny do wiązania w obecności wody, to jego synteza stanowiła poważne wyzwanie chemiczne. W dalszej części rozprawy doktorskiej przedstawiłem wyniki badań nad znacznie prostszą rodziną liniowych receptorów złożonych z dwóch jednostek karbazolowych połączonych kowalencyjnie. Chociaż receptor połączony elastycznym łącznikiem, umożliwiającym obu jednostkom karbazolowym jednoczesne oddziaływanie z tym samym jonem, wiąże słabiej i mniej selektywnie niż [2]katenan, to pozwala on na fluorescencyjną detekcję siarczanu gołym okiem nawet w obecności 25% wody. Pozwala to na badania rzeczywistych próbek zawierających aniony siarczanowe np. różnych rodzajów wód mineralnych. Druga rodzina receptorów, których jednostki karbazolowe są połączone sztywnym łącznikiem uniemożliwiającym jednoczesne związanie tego samego jonu, tworzy z siarczanem złożone struktury supramolekularne prawdopodobnie o kształcie helikatu lub mezokatu. Ustalenie ich dokładnej budowy wymaga jednak przeprowadzenia dalszych badań. Transport anionów przez dwuwarstwy lipidowe za pomocą syntetycznych receptorów jest obecnie jednym z najważniejszych tematów chemii supramolekularnej ze względu na możliwe zastosowania biomedyczne. Do tej pory jednak zdecydowana większość badań transportu anionów ograniczała się do badań transportu chlorków. Jest to zaskakujące, gdyż transport karboksylanów czy organicznych fosforanów jest zaangażowany w wiele istotnych procesów biochemicznych w organizmach żywych. Jednym z powodów takiego stanu rzeczy jest brak dogodnych metod badania transportu innych anionów niż chlorki. W swojej rozprawie pokazałem, że bardzo popularna metoda pomiaru kinetyki transportu chlorków może być w łatwy sposób rozszerzona także o szereg innych, biologicznie ważnych anionów. Dzięki niej zademonstrowałem, że proste receptory ditioamidokarbazolowe są w stanie transportować poza chlorkiem także wodorowęglan, benzoesan, modelowy fosforan, a także anionową formę aspiryny. Struktury mechanicznie związane otrzymane w wyniku templatowania anionami wydają się doskonałymi kandydatami na transportery anionów przez dwuwarstwy lipidowe, dzięki trójwymiarowej luce molekularnej zapewniającej hydrofobową otoczkę dla hydrofilowych jonów. Mimo to do tej pory nie zostały one wykorzystane w tym celu. Otrzymany przeze mnie [2]katenan jest pierwszym przykładem struktury mechanicznie związanej zdolnej do transportu chlorku oraz siarczanu przez dwuwarstwy. Na dodatek jest on bardziej wydajnym transporterem niż acykliczny prekursor lub składowy makrocykl. W ramach swojej rozprawy doktorskiej pokazałem, że 1,8-diaminokarbazol jest doskonałym blokiem budulcowym, który może znaleźć zastosowanie w syntezie templatowej struktur mechanicznie związanych, konstrukcji nowych sensorów fluorescencyjnych oraz transporcie anionów przez dwuwarstwy lipidowe. Wykorzystanie tej jednostki może pomóc w osiągnięciu najważniejszych celów przed jakimi stoi obecnie chemia supramolekularna anionów. Z kolei rozszerzenie popularnej metody badania transportu chlorków na szereg innych anionów może umożliwić szeroko zakrojone badania transportu oksoanionów oraz jego selektywności.

Over recent years anion recognition has evolved from an area solely of academic interest to a fundamental pillar of supramolecular chemistry with diverse applications in many areas. For example, anion receptors can be used in anion sensing, anion transport through lipid membranes and in the synthesis of topologically complex architectures. Although recent progress in the development of anion receptors led to a plethora of spectacular examples, practical examples such as selective sensing of anions in water, selective transport of anions across cell membranes in living organisms or anion templated synthesis of molecular machines still remain a major chemical challenges. Anions are becoming increasingly popular templates in the synthesis of various mechanically interlocked molecules. However one of the major bottlenecks of further development of anion templated synthesis is the lack of easily modifiable, strongly binding and electroneutral building blocks. As a result, anion templated syntheses of catenanes and rotaxanes are low yielding and largely restricted to electrically charged species. In this thesis I address this problem by showing that 1,8-diaminocarbazole is a particularly useful building block for anion templated synthesis. This is because simple, electrically neutral 1,8-diamidocarbazoles are able to form 2:1 orthogonal complexes with extremely hydrophilic sulfate anions even in very competitive media, despite having only three strong hydrogen bond donors NH. Building upon this observation, I developed herein the first sulfate templated synthesis of electrically neutral and fluorescent [2]catenanes. Removal of template from these products released a molecular cavity, which turned out to be particularly well prepared for sulfate recognition. The catenane binds sulfate more strongly and more selectively than its acyclic precursor or a single macrocycle leading to a selective turn-on fluorescent response. Moreover, I showed also that sulfate is a pH-switchable template which can be used to reversibly control relative positions of two interlocked rings (co-conformation) within catenanes by alternate additions of acid and base. It is the first case of an anion induced motion in an interlocked structure which does not involve precipitation of anions. Although combining two diamidocarbazole moieties in the catenane structure resulted in highly selective fluorescent sulfate sensor able to work in the presence of water, it also required very challenging synthesis. In the second part of my thesis I present the synthesis and binding studies of a much simpler linear receptor, in which diamidocarbazole moieties are covalently joined by a flexible linker. Although it binds sulfate slightly weaker and less selectively than the catenane, it allowed naked-eye fluorescent detection of sulfate even in the presence of 25% of water. It was also successfully used to distinguish real-life samples of popular brands of mineral water. Anion transport through lipid bilayers is currently one of the most important topics in supramolecular chemistry. However, most of the previous studies in this field were focused on chloride transport, largely due to the lack of direct and convenient methods to follow the transport of other anions. In the third part of my thesis I present new, direct methods of measuring anion transport kinetics for a broad range of oxoanions, including biologically important ones. I show also that simple dithioamidocarbazole is able to transport bicarbonate, benzoate, model organic phosphate and anionic form of aspirin apart from chloride anions. Three dimensional cavities of interlocked structures seem to be perfectly suited for anion transport across lipid bilayers. Nevertheless, neither catenanes nor rotaxanes have ever been used as ionophores thus far. In the last part of my thesis I demonstrate that the catenane obtained in a sulfate templated synthesis transports chloride more efficiently than its acyclic precursor or single macrocycle. Even more interestingly, it is also able to transport extremely hydrophilic, doubly charged sulfate. Taken together, these findings are likely to spur further intense research efforts into anion templated synthesis as well as anion sensing and anion transport properties of interlocked structures.