Межмолекулярные взаимодействия в молекулярно импринтированных полимерах

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.

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. Межмолекулярные взаимодействия в молекулярно импринтированных полимерах (МИПах). Нековалентный импринтинг. Ковалентный импринтинг. Полуковалентный импринтинг.

Защита - НГУ, 2013 год, оценка отлично.

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.