Бурное развитие супрамолекулярной химии привело к созданию целого ряда классов молекулярных контейнеров и глубокому пониманию роли нековалентных взаимодействий (водородные и координационные связи, π-π и электростатические взаимодействия, гидрофобный эффект) в построении комплексов гость - хозяин. В последнее время большое внимание стало уделяться развитию «интеллектуальных» супрамолекулярных систем, которые обладают способностью «загружать» активную молекулу в полость молекулы-контейнера, достаточно прочно удерживать ее внутри, но при изменении условий окружающей среды (растворитель, кислотность) или под влиянием внешних воздействий (оптический, электрический импульс, конкурентный гость) легко ее высвобождать. Среди перечисленных стимулов воздействие света обладает выраженными преимуществами: неинвазивным действием, быстрым откликом, высокой точностью и избирательностью, а также способностью не создавать дополнительные химические отходы.

Индуцируемые системы представляют особое значение для разработки средств адресной доставки лекарственных препаратов пролонгированного действия и построения молекулярных машин.

Научные изыскания нашей лаборатории сосредоточены на изучении закономерностей обратимого управляемого включения фотоактивных молекул-гостей в полость молекулярных контейнеров, что связано с решением фундаментальной проблемы супрамолекулярной химии – разработки методов получения структурно организованных и функционально интегрированных молекулярных систем и способов управления их функциями. Благодаря своим оптическим характеристикам фотоактивные молекулы позволяют проводить мониторинг их комплексообразования с использованием высокочувствительных спектральных методов. Среди различных классов молекулярных контейнеров для нас наибольший интерес представляют циклодекстрины и кукурбитурилы, что обусловлено их уникальными свойствами и широкой областью практического применения.

Циклодекстрины – коммерчески доступные циклические олигосахариды – уже имеют многолетнюю историю применения для целей капсулирования. Совершенствование лекарственных форм с помощью циклодекстринов позволяет снизить токсичность медицинских средств, уменьшить концентрацию при применении, усилить проницаемость за счёт повышения гидрофильности и увеличить длительность эффекта. Кукурбитурилы – циклические олигомеры гликольурила – для этих целей разрабатываются относительно недавно, однако имеют высокий потенциал практического биомедицинского применения. В настоящее время учеными разных стран проводятся обширные доклинические исследования по выявлению токсичности кукурбитурила на живые клетки. Предварительные клеточные испытания in vitro и in vivo продемонстрировали хорошие результаты: кукурбитурилы практически нетоксичны и способны проникать через клеточную мембрану, а, следовательно, включенные внутрь полости макроцикла целевые соединения могут быть доставлены по своему прямому назначению. Наличие вариабельной гидрофобной полости в сочетании с гидрофильными карбонильными группами, которые опоясывают с обеих сторон концевые порталы макроцикла, создает благоприятные условия для капсулирования широкого круга нейтральных и катионных соединений с высокими константами устойчивости. Как показали исследования последних десятилетий, кукурбитурилы могут качественным образом влиять на ряд практически полезных свойств инкапсулированных молекул. Комплексы с кукурбитурилами обладают повышенной растворимостью и временем жизни в физиологических условиях и могут легко обходить гематоэнцефалический барьер крови.

Другими интересными свойствами молекул-контейнеров является их способность влиять на фотофизические и фотохимические свойства хромофорных молекул-гостей: наблюдается усиление флуоресцентного отклика, изменение Стоксова сдвига, происходит модуляция свойств возбужденного состояния и активация фотоиндуцированных процессов. Эта особенность капсулирования в наших исследованиях была использована для создания молекулярного переключателя – системы, в которой происходит перестройка изначальной архитектуры комплекса в новую структуру при поглощении кванта света.

Светоиндуцируемые молекулярные машины

Создание искусственных молекулярных машин (моторов, мускулов, переключателей), которые могут имитировать движения биологических объектов, является актуальной областью современной супрамолекулярной химии. На основе фотоактивных молекул и кукурбитурила в нашей лаборатории был разработан молекулярный переключатель, компоненты которого, подобно поршню, совершают возвратно-поступательные движения в результате воздействия внешнего источника энергии – светового импульса. Движущей силой движения служит изменение электростатического потенциала вследствие внутримолекулярного переноса заряда при фотовозбуждении молекулы стирилового красителя. Бистабильность системы достигается за счет различия в сайтах связывания кукурбитурила в основном и возбужденном состояниях хромофорной молекулы. Анализ данных оптической спектроскопии с временным разрешением и квантово-химических расчетов показал, что скорость перемещения кукурбитурила вдоль остова молекулы красителя составляет 0.49 nm/ps (490 m/s), что значительно превышает кинетические характеристики для ранее известных в литературе систем. Супрамолекулярные ансамбли, в которых возможно изменение состава или структуры под действием внешних стимулов, представляют огромный интерес для современных миниатюрных оптических технологий и медицины (Phys.Chem.Chem.Phys., 2017, 19, 25834-25839).

Манипулирование в единой супрамолекулярной системе двумя различными молекулами-контейнерами открывает большие возможности как для получения интересных и разнообразных комплексов, так и для расширения их функциональных возможностей. В последнее время большое внимание уделяется системам, ключевым процессом которых является индуцируемое обратимое перемещение органического лиганда между двумя молекулярными хозяевами. Достигнутые в этой области результаты позволят создавать сложные межмолекулярные ансамбли, которые способны выполнять заданные полезные функции – адресную доставку биологически активных соединений.

Основное направление нашей лаборатории связано с разработкой фотоуправляемых супрамолекулярных систем, принцип функционирования которых основан на селективной самоорганизации молекул. Уникальность предлагаемого подхода заключается в способности лиганда приобретать положительный заряд в результате фотохимических превращений, что влечет за собой изменение его комплексообразующих свойств. Такой особенностью обладают некоторые стириловые производные азинов и бензотиазолов. Активируемая светом электроциклическая реакция, характерная для данного класса соединений, приводит к превращению нейтральной молекулы в полиароматический катион ( J. Org. Chem.,, 2014, 79, 5533-5537).
Исходная и фотоиндуцированная формы стириловых производных обладают разным сродством по отношению к молекулам-хозяевам: циклодекстрины преимущественно связывают незаряженные молекулы, в то время как кукурбитурил проявляет высокое сродство к катионным молекулам. В результате при облучении светом трехкомпонентной системы наблюдается распад комплекса лиганд-циклодекстрин и образование комплекса лиганд-кукурбитурил ( Chem. Commun., 2015, 51, 1349-1352). Лабильность системы на некоторых стадиях можно поддерживать за счет дополнительных конкурирующих процессов.

Продукты фотоциклизации стириловых производных представляют собой плоские, положительно заряженные ароматические системы. По своим структурным характеристикам такие соединения могут рассматриваться как эффективные интеркаляторы, что было с успехом продемонстрировано на примере фотоуправляемого взаимодействия с ДНК ( Chem. Commun., 2015, 51, 4906-4909).