Рекомендуемая категория для самостоятельной подготовки:
Реферат*
| Код |
248480 |
| Дата создания |
11 января 2016 |
| Страниц |
20
|
Мы сможем обработать ваш заказ (!) 20 декабря в 12:00 [мск] Файлы будут доступны для скачивания только после обработки заказа.
|
Описание
Введение. Межмолекулярные взаимодействия в молекулярно импринтированных полимерах (МИПах). Нековалентный импринтинг. Ковалентный импринтинг. Полуковалентный импринтинг.
Защита - НГУ, 2013 год, оценка отлично.
...
Содержание
Процесс формирования полимерного каркаса МИПа начинается с образования предполимеризационного комплекса между функциональными мономерами и импринт-молекулой, что способствует расположению функциональных мономеров определенным образом относительно шаблона. Это может происходить как за счет ковалентных связей (ковалентный молекулярный импринтинг), так и за счет нековалентных межмолекулярных взаимодействий: водородных связей, ион - ионных, гидрофобных взаимодействий, электростатических, Ван-дер-Ваальсовых, - стэкинг и т.д. – между функциональными группами мономера и шаблона (нековалентный молекулярный импринтинг). Причем тип взаимодействий и количество специфичных участков зависит как от природы функциональных групп мономера, так и от структуры молекулы-шаблона. Образование предполимеризационных комплексов доказано методами УФ- и ЯМР–спектроскопии, а также хроматографическими методами [1, 2, 3].
______________________________
Под нековалентным импринтингом подразумевается импринтинг, в процессе которого образование предполимеризационного комплекса и вторичное связывание молекулы-шаблона МИПом основано на нековалентных контактах. Впервые МИПы такого рода были получены в 1981 году Мосбач К. и Аршади Р. [7]. Интерес к данному подходу быстро возрос за счет его простоты и отсутствия ограничений на выбор функционального мономера и молекулы-шаблона. К тому же нековалентные взаимодействия преобладают в различных природных химических процессах, основанных на молекулярном распознавании, таких, как связывание антигена антителом, взаимодействие рецептора с гормоном, катализ ферментами.
_____________________________________
Суть ковалентного импринтинга заключается в том, что предполимеризационный комплекс синтезируется предварительно, при этом используются молекулярные шаблоны, способные ковалентно взаимодействовать с одной или несколькими функциональными группами мономера. Таким образом, возможно образование разных типов легко деградируемых в определенных условиях химических связей, например, эфиры борной [28] и карбоновых кислот [29], имины (основания Шиффа) [30], кетали [31]. В 1972 году Вульф Г. и др. первыми сообщили о разработке метода получения органических полимеров с молекулярными отпечатками, основанных на ковалентных взаимодействиях между молекулой-шаблоном и полимером [32]. По сравнению с нековалентным импринтингом использование ковалентного подхода обеспечивает более четкое распределение отпечатков шаблона в структуре полимера и большее соответствие таких отпечатков молекуле шаблону. Однако существует только ограниченный ряд соединений, которые могут быть использованы в качестве молекулы-шаблона (в том смысле, что необходимо наличие определенных функциональных групп), например такие группы соединений, как спирты, альдегиды, кетоны, амины и карбоновые кислоты. Поэтому в литературе чаще встречаются работы по нековалентному импринтингу.
_________________________________
Некоторые исследователи [36, 37, 38] предложили объединить достоинства обоих методов импринтинга: предполимеризационный комплекс основывается на ковалентных взаимодействиях между функциональными мономерами и молекулой-шаблоном, а распознавание шаблона МИПом происходит за счет нековалентных контактов. Такой способ синтеза МИПов получил название полуковалентного импринтинга.
Введение
Создание систем для распознавания и связывания различных молекул – важная задача современной науки. Часто исследователи используют природные системы распознавания для создания инструментариев, однако природные рецепторы трудно получить в большом количестве, процесс получения трудоемкий и дорогостоящий, а сами рецепторы не устойчивы в нефизиологических условиях. Таким образом, возникает задача создания искусственных систем распознавания, которые будут лишены этих недостатков.
Одним из вариантов получения таких искусственных рецепторов является молекулярный импринтинг. Молекулярно импринтированные полимеры (МИПы) – это полимеры, способные к специфическому распознаванию и связыванию той молекулы-шаблона, которая присутствовала в смеси в процессе их синтеза. Классический синтез таких полимеров включает в себя несколько последовательных стадий (Рис.1): образование предполимеризационного комплекса между молекулой-шаблоном и функциональными мономерами, полимеризация в присутствии сшивающего реагента, удаление шаблона.
Фрагмент работы для ознакомления
Для нековалентного импринтинга самыми важными взаимодействиями являются водородные связи, ионные и гидрофобные. Кулоновские взаимодействия прочнее взаимодействий через Н-связь, поэтому полимеры, способные к образованию ионных связей с импринт-молекулами, могут обладать повышенным сродством к шаблону. 120653811905Рис. 3 Образование предполимеризационного комплекса между молекулой диклофенака и молекулами метакриловой кислоты.00Рис. 3 Образование предполимеризационного комплекса между молекулой диклофенака и молекулами метакриловой кислоты.Самый широко используемый функциональный мономер – метакриловая кислота, она может взаимодействовать с аминами посредством ионной связи, а с амидами, карбаматами и спиртами с помощью водородных взаимодействий. С использованием данного мономера авторы [18]получили молекулярные отпечатки диклофенака, основанные на водородных контактах. При этом они выяснили, что взаимодействия диклофенака с метакриловой кислотой (кислотный мономер) (Рис.3) сильнее, чем с 4-винилпиридином (основный) и с метакриламидом (нейтральный). Это связано с тем, что между молекулой диклофенака и данными двумя функциональными мономерами образуется меньшее количество контактов, чем в случае метакриловой кислоты. Кроме того, поскольку метакриловая кислота является кислотным мономером, то при увеличении рН водородные взаимодействия ослабевают. Подобным образом формируется предполимеризационный комплекс между молекулой хинина и молекулами метакриловой кислоты [19], только взаимодействия преимущественно ионные (Рис.4). Авторы показали, что в случае использования основных и нейтральных функциональных мономеров, а именно 4-винилпирида (4-VP) и акриламида (AA), устойчивых комплексов не образуется, поскольку возможно образование только одной водородной связи между гидроксилом хинина и азотом 4-VP или амидным карбонилом AA. Следовательно, -88901050290Рис. 4 Образование предполимеризационного комплекса между молекулой хинина и молекулами метакриловой кислоты.00Рис. 4 Образование предполимеризационного комплекса между молекулой хинина и молекулами метакриловой кислоты.МИПы, основанные на 4-VP или AA функциональных мономерах, обладали низким сродством к шаблону при распознавании. Получение МИПов, основанных на неполярных гидрофобных взаимодействиях, возможно, например, при использовании циклодекстринов. Получение таких МИПов на антибиотики и пептиды описано в работе [20]. В качестве функциональных мономеров авторы выбрали виниловые производные циклодекстринов, поскольку они способны образовывать комплексы типа гость-хозяин за счет неполярных гидрофобных взаимодействий в протонной среде. Акрилоил-циклодекстрины получили путем конденсации циклодекстрина с м-нитрофенолом. Было показано, что низкое связывание молекулы-шаблона при вторичном распознавании наблюдается при наличии в молекуле гидрофильных участков, либо гибких участков. Лучшее связывание наблюдается, когда молекула состоит из гидрофобных жестких бензольных колец, либо на концах содержит гетероциклы. Например, в случае пенициллина специфическое связывание практически отсутствует, однако цефазолин связывается гораздо эффективнее. Причиной этого является наличие в молекуле пенициллина только одного бензольного кольца, а в молекуле цефазолина – двух гетероциклов. Таким образом, пенициллин взаимодействует с одним циклодекстрином, а цефазолин – с двумя, что способствует жесткой его фиксации в образующемся предполимеризационном комплексе (Рис. 5). -51435-429260Рис. 5 Образование комплекса типа гость-хозяин между молекулами циклодекстринов и антибиотиков.00Рис. 5 Образование комплекса типа гость-хозяин между молекулами циклодекстринов и антибиотиков.Необходимо добавить, что возможно также использование уже готовых полимеров вместо функциональных мономеров на стадии образования комплекса с молекулярным шаблоном. Наиболее широко используемый в данном случае класс полимеров – полиамиды, которые за счет наличия амидной связи способны образовывать множественные водородные контакты с шаблоном. Чаще других полиамидов в работах по молекулярному импринтингу встречается нейлон-6 (капрон) [21, 22, 23]. Популярность данного материала связана с возможностью реализации нескольких типов контактов между полимером и молекулой-шаблоном, а именно водородных за счет наличия амидных связей, ионных за счет наличия концевых амино- и карбокси-групп, а также гидрофобных за счет наличия алифатического участка [24]. Например, в работе [25] описано получение импринтированных капроновых мембран для L-глутамина. В свободном состоянии нейлон-6 имеет сеть множественных внутримолекулярных водородных связей, а при взаимодействии с шаблоном образуются межмолекулярные водородные связи, при этом молекула-шаблон как бы внедряется в эту сеть (Рис. 6). -9906073025Рис. 6 Образование предполимеризационного комплекса между молекулой L-глутамина и полимерной сетью нейлона-6.Рис. 6 Образование предполимеризационного комплекса между молекулой L-глутамина и полимерной сетью нейлона-6.Анализ различных типов взаимодействий, вовлеченных в процессы биологического распознавания, показал, что ионы металлов играют важную роль в некоторых биологических процессах. Взаимодействия между ионами металлов и биологическими лигандами являются высоко специфичными. Образование и разрыв таких контактов, в отличие от водородных и ионных, могут происходить в водных условиях. Таким образом, ионы металлов можно использовать для синтеза МИПов, основанных на металл-лигандных взаимодействиях. Первую попытку получить такие МИПы совершила группа Ю. Белоконя [26] в 1982 году. Авторы работы [27] использовали координационные свойства металлов для получения полимера, способного имитировать активный центр химотрипсина. В качестве функциональных мономеров использовали метакриловую кислоту, 2-гидроксиэтил метакрилат и N-метакрилоил гистидин, а в качестве молекулы шаблона – 2-(((6-(изобутириламино) капроил) – L-фенилаланил) 2-амино) пиридин. При добавлении в реакционную смесь иона Co2+ образовывался предполимеризационный комплекс (Рис. 7). После этапов полимеризации и удаления шаблона полученный полимер обладал каталитической гидролитической активностью аналогичной химотрипсину (при добавлении другой молекулы-субстрата), в то время как полимер, полученный в отсутствие молекулы-шаблона, проявлял только незначительную активность. -110490-217805Рис. 7 Образование предполимеризационного комплекса при координации ионом Со2+.Рис. 7 Образование предполимеризационного комплекса при координации ионом Со2+.Ковалетный импринтингСуть ковалентного импринтинга заключается в том, что предполимеризационный комплекс синтезируется предварительно, при этом используются молекулярные шаблоны, способные ковалентно взаимодействовать с одной или несколькими функциональными группами мономера. Таким образом, возможно образование разных типов легко деградируемых в определенных условиях химических связей, например, эфиры борной [28] и карбоновых кислот [29], имины (основания Шиффа) [30], кетали [31]. В 1972 году Вульф Г. и др. первыми сообщили о разработке метода получения органических полимеров с молекулярными отпечатками, основанных на ковалентных взаимодействиях между молекулой-шаблоном и полимером [32]. По сравнению с нековалентным импринтингом использование ковалентного подхода обеспечивает более четкое распределение отпечатков шаблона в структуре полимера и большее соответствие таких отпечатков молекуле шаблону. Однако существует только ограниченный ряд соединений, которые могут быть использованы в качестве молекулы-шаблона (в том смысле, что необходимо наличие определенных функциональных групп), например такие группы соединений, как спирты, альдегиды, кетоны, амины и карбоновые кислоты. Поэтому в литературе чаще встречаются работы по нековалентному импринтингу. Примером работ по ковалентному импринтингу может служить работа группы Зиммермана [33]. В качестве функциональных мономеров они использовали молекулы дендронов третьего поколения типа Фречет (Frechet, см [34]), которые ковалентно связывались с молекулой порфирина. В результате образовывалась разветвленная структура подобная дендримеру, содержащая порфирин, ковалентно связанный сложноэфирной связью по всем свободным -ОН группам (Рис. 8). Реакция проводилась с добавлением дициклогескилкарбодиимида, диметиламинопиридина, п-толуол сульфокислоты, растворитель – ТГФ. -119380146685Рис. 8 Образование дендримера, содержащего ковалетно связанный порфирин.Рис. 8 Образование дендримера, содержащего ковалетно связанный порфирин.Группа Икегами Т. для получения молекулярного отпечатка бисфенола А вводили в реакцию полимеризации предварительно синтезированный предполимеризационный комплекс. Данный комплекс (Рис. 9) был основан на ковалентном взаимодействии гидроксильных групп бисфенола А и карбоксильных групп метакриловой кислоты, используемой в качестве функционального мономера [35]. 62230-188595Рис. 9 Предполимеризационный комплекс для получения молекулярного отпечатка бисфенола А методом ковалетного импринтинга.Рис. 9 Предполимеризационный комплекс для получения молекулярного отпечатка бисфенола А методом ковалетного импринтинга.Полуковалентный импринтингНекоторые исследователи [36, 37, 38] предложили объединить достоинства обоих методов импринтинга: предполимеризационный комплекс основывается на ковалентных взаимодействиях между функциональными мономерами и молекулой-шаблоном, а распознавание шаблона МИПом происходит за счет нековалентных контактов. Такой способ синтеза МИПов получил название полуковалентного импринтинга. В работе [37] предварительно синтезировали предполимеризационный комплекс, содержащий молекулу трипептида Lys-Trp-Asp, ковалентно связанную с остатком метакрилового эфира салициловой кислоты. Для этого ацелировали трипептид метакриловым эфиром хлорангидрида салициловой кислоты. При этом остаток метакриловой кислоты участвовал в дальнейшей полимеризации, а молекула салициловой кислоты удалялась вместе с шаблоном при гидролизе сложноэфирной и пептидной связей. В УФ-индуцируемой полимеризации (сшивающий реагент – дивинилбензол (DVB)) также участвовал функциональный мономер – 2-винилпиридин (2-VP). При распознавании молекула трипептида связывалась полученным МИПом посредством водородных взаимодействий (Рис. 10).-6985-106680Рис. 10 Схема получения МИПа методом полуковалентного импринтинга.00Рис. 10 Схема получения МИПа методом полуковалентного импринтинга.ЗаключениеВ молекулярно импринтированных полимерах реализуются различные межмолекулярные взаимодействия. Чаще всего исследователи получают МИПЫ, в которых связывание функциональных мономеров с молекулой-шаблоном и последующее распознавание шаблона МИПом основано на нековалентных контактах. Причем чаще всего это водородные и ионные связи.
Список литературы
1. Sellergren B., Lepisto M., Mosbach K. Highly enantioselective and substrate-selective polymers obtained by molecular imprinting utilizing noncovalent interactions. NMR and chromatographic studies on the nature of recognition // J. Am. Chem. Soc. – 1988. – V. 110. – P. 5853-5860.
2. Whitcombe M., Martin L., Vulfson E. Predicting the selectivity of imprinted polymers // Chromatographia. – 1998. – V. 47. – P. 457-464.
3. Andersson H., Karlsson J., Piletsky S., Koch-Schmidt A., Mosbach K., Nicholls I. Study of the nature of recognition in molecularly imprinted polymers, II. Influence of monomer–template ratio and sample load on retention and selectivity // J. Chromatogr. A. – 1999. – V. 848. – P. 39-49.
4. Wulff, G. Molecular imprinting in cross-linked materials with the aid of molecular templates-a way towards artificial antibodies // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. – 1995. – N 34. – P. 1812-1832.
5. Kempe M.N., Fischer L., Mosbach K. Chiral separation using molecularly imprinted heteroaromatic polymers // J. Mol. Recogn. - 1993. - V. 6. - P. 25–29.
6. Ramstrom O., Andersson L.I., Mosbach K. Recognition sites incorporating both pyridinyl and carboxy functionalities prepared by molecular imprinting // J. Org. Chem. - 1993. - V. 58. - P.7562-7564.
7. Arshady R., Mosbach M. Synthesis of substrate-selective polymers by host–guest polymerization // Macromol. Chem. Phys.-Makromol. Chem. - 1981. - V. 182. - P. 687–692.
8. Nunez L., Turiel E., Martin-Esteban A., Tadeo J.L. Molecularly imprinted polymer for the extraction of parabens from environmental solid samples prior to their determination by high performance liquid chromatography-ultraviolet detection // Talanta. – 2010. – V. 80. – P. 1782-1788.
9. Ferrer I., Lanza F., Tolokan A., Horvath V., Sellergren B., Horval G., Barcelo D. Selective trace enrichment of chlorotriazine pesticides from natural waters and sediment samples using terbuthylazine molecularly imprinted polymers // Anal. Chem. – 2000. – V. 72. – P. 3934-3941.
10. Zander A., Findlay P., Renner T., Sellergren B. Analysis of Nicotine and its oxidation products in nicotine chewing gum by a molecularly imprinted solid-phase extraction // Anal. Chem. – 1998. – V.70. – P. 3304-3314.
11. Sole D. R., Lazzoi M.R., Vasapollo G. Synthesis of nicotinamide-based molecularly imprinted microspheres and in vitro controlled release studies // Drug delivery. – 2010. – V. 17. – P. 130-137.
12. Suedee R., Jantarat C., Lindner W., Viernstein H., Songkro S., Srichana T. Development of a pH-responsive drug delivery system for enantioselective-controlled delivery of racemic drugs // J. of Cont. Rel. – 2010. – V. 142. – P. 122-131.
13. Kriz D., Ramstrom O., Svensson A., Mosbach K. Introducing biomimetic sensors based on molecularly imprinted polymers as recognition elements // Anal. Chem. – 1995. – V. 67. – P. 2142 – 2144.
14. Baggiani C., Giovannoli C., Anfossi L., Tozzi C. Molecularly imprinted solid-phase extraction sorbent for the clean-up of chlorinated phenoxyacids from aqueous samples // J. of Chrom. A. – 2001. – V. 938. – P. 35-44.
15. Caro E., Marce R.M., Cormack P. A. G., Sherrington D. C., Borrull F. Molecularly imprinted solid-phase extraction of naphthalene sulfonates from water // J. of Chrom. A. – 2004. – V. 1047. – P. 175-180.
16. Turiel E., Martin-Esteban A., Tadeo J. L. Molecular imprinting-based separation methods for selective analysis of fluoroquinolones in soils // J. of Chrom. A. – 2007. – V. 1172. – P. 97-104.
17. Surugiu I., Ye L., Yilmaz E., Dzgoev A., Danielsson B., Mosbach K., Haupt, K. An enzyme-linked molecularly imprinted sorbent assay // Analyst. – 1999. – V. 125. – P. 13–16.
18. Mohajeri S.A., Malaekeh-Nikouei B., Sadegh H. Development of a pH-responsive imprinted polymer for diclofenac and study of its binding properties in organic and aqueous media // Drug Dev. And Ind. Ph. – 2012. – V. 38. – P. 616–622.
19. Hea J., Zhub Q., Dengc Q. Investigation of imprinting parameters and their recognition nature for quinine-molecularly imprinted polymers // Spectrochimica Acta Part A. – 2007. – V. 67. – P. 1297–1305.
20. Asanuma H., Akiyama T., Kajiya K., Hishiya T., Komiyama M. Molecular imprinting of cyclodextrin in water for the recognition of nanometer-scaled guests // Analytica Chimica Acta. – 2001. – V. 435. – P. 25–33.
21. Sneshkoff N., Crabb K., BelBruno J. J. An improved molecularly imprinted polymer film for recognition of amino acids // Journal of Applied Polymer Science. – 2002. - V. 86. – P. 3611–3615.
22. Takeda K., Abe M., Kobayashi T. Molecular-imprinted nylon membranes for the permselective binding of phenylalanine as optical-resolution membrane adsorbents // Journal of Applied Polymer Science. – 2005. - V. 97. – P. 620–626.
23. Reddy S., Kobayashi T., Fujii N. Molecular imprinting in hydrogen bonding networks of polyamide nylon for recognition of amino acids // Chemistry Letters. – 1999. – P. 293-294.
24. Dmitrienko E. V., Bulushev R. D., Haupt K., Kosolobov S. S., Latyshev A. V., Pyshnaya I. A., Pyshnyi D. V. A simple approach to prepare molecularly imprinted polymers from nylon-6 // J. Mol. Recognit. – 2013. – V. 26. – P. 368–375.
25. Reddy P.S., Kobayashi T., Abe M., Fujii N. Molecular imprinted Nylon-6 as a recognition material of amino acids // European Polymer Journal. – 2002. – V. 38. – P. 521–529.
26. Belokon Y., Tararov V., Savel’eva T., Vorob’ev M., Vitt S., Sizoy V., Sukhacheva N., Vasil’ev G., Belikov V. Memory of a polymeric matrix, stabilizing the initial conformation of potassium bis[n-(5-methacryloylamino)-salicylidene-(S)-noralinato]-cobaltate(III) in the deuterium exchange // Makromol. Chem. – 1983. – V. 184. – P. 2213–2223.
27. Karmalkar R. N., Kulkarni M. G., Mashelkar R. A. Molecularly imprinted hydrogels exhibit chymotrypsin-like activity // Macromolecules. – 1996. – V. 29. – P. 1366-1368.
28. Wulff G., Biffis A. Molecularly imprinting with covalent or stoichiometric non-covalent interactions // Molecularly imprinted polymers – man-made mimics of antibodies and their application in analytical chemistry / Ed. B. Sellergren. – Amsterdam. Elsevier, 2001. - P. 71–111.
29. Ikegami T., Mukawa T, Nariai H, Takeuchi T. Bisphenol A-recognition polymers prepared by covalent molecular imprinting // Analitica Chimica Acta. - 2004. - V. 504. - P. 131-135.
30. Wulff G, Best W, Akelah A. Enzyme-analogue built polymers, 17. Investigations on the racemic resolution of amino-acids // React. Polym. Ion Exch. Sorb. - 1984. – V. 2 – P. 167–174.
31. Shea K.J., Sasaki D.Y. On the control of microenvironment shape of functionalized network polymers prepared by template polymerization // J. Am. Chem. Soc. – 1989. – V. 111. – P. 3442–3444.
32. Wulff G., Sarhan A. Use of polymers with enzyme-analogous structures for the resolution of racemates // Angew. Chem. Int. Ed. - 1972. - V. 11(2). - P. 341-346.
33. Zimmerman S.C., Wendland M.S., Rakow N.A., Zharov I., Suslick K.S. Synthetic hosts by monomolecular imprinting inside dendrimers // Nature. – 2002. - V. 418. - P. 399-403.
34. Zimmerman S., Lawless L. Supramolecular chemistry of dendrimers // Topics in Current Chemistry. – 2001. - V. 217. – P. 95-120.
35. Ikegami T., Mukawaa T., Nariaia H., Takeuchi T. Bisphenol A-recognition polymers prepared by covalent molecular imprinting // Analytica Chimica Acta. – 2004. - V. 504. – P. 131–135.
36. Whitecombe M.J., Rodriguez M.E., Villar P., Vulfson E.N. A new method for the introduction of recognition site functionality into polymers prepared by molecular imprinting: synthesis and characterization of polymeric receptors for cholesterol // J. Am. Chem. Soc. - 1995. - V. 117. - P. 7105–7111.
37. Klein J.U., Whitcombe M.J., Mulholland F., Vulfson E.N. Template-mediated synthesis of a polymeric receptor specific to amino acid sequences // Angew. Chem. Int. Ed. - 1999. - V. 38(13-14). - P. 2957-2060.
38. Caro E., Masque N., Marce R. M., Borrull F., Cormack P. A.G., Sherrington D.C. Non-covalent and semi-covalent molecularly imprinted polymers for selective on-line solid-phase extraction of 4-nitrophenol from water samples // Journal of Chromatography A. - 2002. - V. 963. – P. 169–178.
Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.
* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.
bmt: 0.01068