Новые подходы к модификации стероидов для создания амфифильных лигандов и синтеза фармакологических препаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат химических наук Казанцев, Алексей Витальевич

• Казанцев, Алексей Витальевич
• кандидат химических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат химических наук Казанцев, Алексей Витальевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение

2. Обзор литературы

2.1. Макроциклические производные желчных кислот и способы их синтеза

2.2. Применение и исследование комплексообразующей способности макроциклических и других структур на основе желчных кислот

3. Обсуждение результатов

3.1. Синтез макроциклических соединений на основе желчных кислот с использованием реакций ацилирования

3.2. Присоединение цианистого водорода и триметилсилилцианида к нуклеофильным алкинам, кетофосфонатам, 3- и 17-кетостероидам

3.3. Синтез макроциклических молекул с использованием медь-катализируемой реакции 1,3-Диполярного циклоприсоединения

4. Экспериментальная часть

4.1. Синтез холафанов на основе литохолевой кислоты с комбинацией амидного и сложноэфирного мостиков

4.2. Синтез холафанов на основе литохолевой кислоты с двумя сложноэфирными мостиками

4.3. Синтез холафанов на основе литохолевой кислоты, содержащих хиральные мостики на основе стереоизомеров 1,1'-бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты

4.4. Синтез холафанов на основе деоксихолевой и холевой кислот

с комбинацией амидного и сложноэфирного мостиков

4.5. Синтез холафанов на основе холевой кислоты с двумя сложноэфирными мостиками

4.6. Присоединение цианистого водорода, использованного в виде ацетонциангидрина, и элементзамещенных цианидов к нуклеофильным алкинам

4.7. Взаимодействие триметилсилилцианида с фосфорзамещенными карбонильными соединениями

4.8. Присоединение цианистого водорода и триметилсилилцианида

к 3 -кето- и 3,17-дикетостероидам

4.9. Синтез макроциклических молекул и амфифильных лигандов на основе желчных кислот реакцией 1,3-диполярного

циклоприсоединения, катализируемой солями меди(1)

5. Выводы

6. Список литературы

7. Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Новые подходы к модификации стероидов для создания амфифильных лигандов и синтеза фармакологических препаратов»

1. ВВЕДЕНИЕ

Синтез макроциклических и амфифильных молекул для целей молекулярного распознавания, а также для моделирования ионных каналов является одним из наиболее динамично развивающихся разделов химии, о чём свидетельствует лавинообразное увеличение количества публикации на эти темы в последние годы. Анализ литературных данных показывает, что наиболее популярными исходными соединениями для синтеза макроциклических рецепторов и супрамолекулярных систем являются краун-эфиры и каликсарены. Вместе с тем желчные кислоты, занимающие третье место в этом списке, являются наиболее перспективными исходными молекулами с точки зрения возможной биологической активности их производных, и ввиду хорошо известной способности желчных кислот осуществлять транспорт биологически важных молекул в организме, а также проникать через фосфолипидные мембраны клеток. Кроме того, в отличие от каликсаренов и краунов, желчные кислоты уже обладают высокой степенью хиральности. Всплеск интереса к химии желчных кислот и синтезу разнообразных лигандовна их основе произошёл в середине 90-х годов прошлого века вместе с ростом интереса к супрамолекулярной химии.

В настоящее время желчные кислоты и их производные используются в фармакологии для транспорта липофильных лекарств [1], предложены в качестве анти-ВИЧ препаратов [2] в качестве сенсоров на катионы и анионы [3], органические молекулы, такие как морфин [4], производные аминокислот и углеводы [5], в качестве энантиоселективных сенсоров [6], для создания моделей ионных каналов [7], в супрамолекулярной химии [8], для синтеза наноразмерных молекул [9], дендримеров [10], гелеобразующих материалов [11] и др., что нашло отражение в ряде обзоров, вышедших в последние годы [12,13].

Литература по синтезу и использованию желчных кислот для синтеза макроциклических молекул значительно скромнее. В настоящее время известно три основных типа макроциклов, производных желчных кислот - циклохолеаты, образованные только из фрагментов желчных кислот [14], холакрауны, содержащие фрагменты краун эфиров [15] и холафаны [12,16,17], содержащие мостики между фрагментами желчных кислот. Мостики между стероидными фрагментами в холафанах образованы, чаще всего, в основном за счёт сложноэфирных и амидных связей. Более редкие примеры - образование макроциклов, содержащих простые эфирные связи [15], а также использование для макроциклизации четырёхкомпонентной реакции Уги (образование амидных связей в мостиках) [18], метатезиса [19] и палладий-

катализируемой реакцией аминирования [20]. Желчные кислоты являются привлекательными структурными фрагментами не только для получения макроциклических производных, но и как биомиметики [21]. В последние 5-7 лет большой интерес к желчным кислотам связан со способностью их производных к самоорганизации, а также способности проявлять амфифильные свойства в зависимости от природы среды (гидрофильной или гидрофобной). Разные типы полимеров и олигомеров были созданы на основе желчных кислот для потенциального био- и фармакологического применения [22, 23]. Совсем недавно желчные кислоты стали привлекательными кандидатами для создания полиподальных (разветвленных, звездообразных) лигандов, так называемых «молекулярных карманов», которые могут быть использованы для транспорта лекарств [24], в качестве молекулярных контейнеров [25], органожелирующих агентов [26] и хемосенсоров [27]. Супрамолекулярные гели на основе желчных кислот могут быть использованы для получения наноструктурных объектов, в оптоэлектронике, для регенерации биологических тканей, передаче энергии [28]. Перспективным направлением является создание моделей ионных каналов на основе производных стероидов и, в частности, желчных кислот. В связи с этим, разработка рациональных методов синтеза новых типов лигандов (макроциклических или разветвленных) на основе производных желчных кислот, а также разработка новых подходов к модификации органических соединений с заменой более токсичных реагентов на менее токсичные является актуальной и практически важной задачей.

Целью настоящей работы является модификация стероидов с целью синтеза амфифильных лигандов - макроциклических молекул, молекулярных карманов на основе производных желчных кислот, включающая в себя как методы классической органической химии, так и современные методы - реакции, катализируемые переходными металлами, а также исследование новых возможностей использования цианидов для модификации стероидов и некоторых других классов соединений (фосфорсодержащих карбонильных соединений и нуклеофильных алкинов) с целью синтеза новых лигандов, соединений, обладающих потенциальной биологической активностью и важных полупродуктов производства известных лекарственных препаратов.

В результате проведенных исследований предложен способ синтеза макроциклических молекул на основе производных желчных кислот методами классической органической химии. Синтез новых макроциклических молекул на основе деоксихолевой и холевой кислоты осуществлен таким образом, чтобы с высоким или умеренным выходом происходило образование мостика только между 3 и 3' гидроксильными группами, а реакция по 7 или 12 гидроксильными группами практически

не проходила. Полученные результаты использованы для синтеза макроциклических производных желчных кислот, содержащих хиральные мостики на основе стереоизомеров 1,1'-бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты.

В работе впервые исследовано электрофильное присоединие цианистого водорода, использованного в виде ацетонциангидрина, и элементзамещенных цианидов к нуклеофильным алкинам, протекающее регио- и стереоселективно, а также нуклеофильное присоединение цианистого водорода и триметилсилилцианида к фосфорсодержащим карбонильным соединениям и к 3- и 17-кетостероидам. Полученные наработки позволили впервые разработать метод синтеза 17р-циан-17а-гидроксиандроста-4,9(11)-диен-3-она с использованием ацетонциангидрина с высоким выходом и при практическом отсутствии его эпимера. 17р-циан-17а-гидроксиандроста-4,9(11)-диен-3-он является важным полупродуктом синтеза лекарственных препаратов группы синтетических кортикоидов. У совершенствование метода его синтеза явилось важным этапом создания лабораторного регламента синтеза дексаметазона и других фторсодержащих лекарственных препаратов.

Впервые предложено использовать для синтеза макроциклических молекул на основе желчных кислот катализируемую солями меди(1) реакцию 1,3-диполярного циклоприсоединения. Синтезированы и выделены новые типы макроциклических соединений, содержащих стероидный фрагмент. Предложено использовать окись трис(4-пропаргилоксикарбонилфенил)фосфина для синтеза триподальных лигандов (молекулярных карманов), содержащих фрагменты холевых кислот, реакцией 1,3-диполярного циклоприсоединения. Полученные таким образом лиганды переданы в Институт Науки (г. Бангалор, Индия) для дальнейшего изучения. Полученные нашими коллегами результаты физико-химических тестов не выносятся на защиту, а их краткий обзор дан в приложении к диссертации.

Литературный обзор посвящен методам синтеза и свойствам как макроциклических молекул на основе желчных кислот, так и незамкнутых в цикл производных, молекулярных карманов, дендримеров, содержащих более одного стероидного фрагмента.

Основное содержание работы изложено в публикациях [29-36]. Материалы диссертации представлены на международной конференции «The Combined XII Spring Meeting of the Division of Synthetic Chemistry and XXXII Finnish NMR Symposium» (University of Juvaskyla, Finland, 2011), Международном симпозиуме «Advanced Science in Organic Chemistry» (Мисхор, Крым, 2010), XV Международной конференции «Ломоносов» (Москва, 2008), XI Международной конференции «Reaction Mechanisms and Organic Intermediates» (Санкт-Петербург, 2001), международной конференции «XIV

International Conference on Phosphorus Chemistry» (Цинциннати, США, 1998). Отдельные части работы были доложены на семинарах в университетах г. Киль (ФРГ, 2009 г.), г. Ювяскуля (Финляндия, 2009 г.), Институте Науки в г. Бангалор (Индия, 2009 г.), Институте Химии в г. Ханой (Вьетнам, 2010 г.), университете г. Далат (Вьетнам, 2011 г.).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 07-03-00619а, № 08-03-91308-ИНД_а, № 11-03-00265а).

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Синтез и свойства макроциклических и амфифильных молекул на основе желчных

кислот

Желчные кислоты образуются в печени из холестерина и являются производными холановой (или холан-24-овой кислоты) кислоты - стероида, содержащего 24 углеродных атома. Для них характерно наличие укороченной разветвленной боковой цепи с карбоксильной группой на конце, а кольца А и В имеют г/мс-сочленение. Стероидный каркас содержит в положениях С-3, С-7 и С-12 до трех гидроксильных групп:

Холановая кислота

Холевая кислота

Хенодезоксихолевая кислота

Дезоксихолевая кислота Литохолевая кислота

Яз

Н Н Н

ОН он он он он н

он н он он н н

Схема 1 . Желчные кислоты.

На первый взгляд, химия желчных кислот кажется более бедной, чем химия гормонов или стеринов, но благодаря своему изогнутому жесткому каркасу и амфифильной природе - выпуклая гидрофобная и вогнутая гидрофильная части молекулы в сочетании с отрицательно заряженной боковой цепью, желчные кислоты и их производные стоят особняком относительно прочих стероидных соединений. Хорошо известна способность желчных кислот осуществлять транспорт биологически важных молекул в организме, а также проникать через фосфолипидные мембраны клеток. В настоящее время ЖК и их производные используются в фармакологии для транспорта

липофильных лекарств в печень и выведения желчных камней [37], снижения уровня холестерина в крови [2], предложены в качестве антивирусных препаратов [38] и противогрибковых средств [39], для лечения диабета (конъюгаты инсулина и полихолевых кислот) [40]. Синтез свойства и применение ЖК-содержащих олигомеров и полимеров с повышенной биосовместимостью в самых разных областях медицины описаны в обзоре [41]. Полиаминопроизводные желчных кислот могут быть использованы в генной терапии, поскольку они обладают способностью к нековалентному связыванию с ДНК [42], в терапии рака (холатные аналоги цисплатина [43]), в качестве препаратов против ВИЧ [44]. Уникальные свойства производных желчных кислот вызывают растущий интерес и находят разнообразное применение, о чем свидетельствует увеличение числа публикаций на эту тему в последнее десятилетие. В недавно опубликованных обзорах подробно рассматриваются свойства и применение производных желчных кислот в супрамолекулярной химии и фармакологии [12-13]. Поэтому настоящий литературный обзор посвящен в основном методам синтеза и свойствам макроциклических молекул на основе желчных кислот. Незамкнутые в макроцикл производные желчных кислот (молекулярные карманы, дендримеры), содержащих более одного стероидного фрагмента рассмотрены более кратко.

2.1. Макроциклические производные желчных кислот и способы их синтеза

Химия стероидных макроциклов начало активно развиваться с середины девяностых годов прошлого столетия вместе с ростом интереса к супрамолекулярной химии. С тех пор были получены и исследованы самые различные макроциклы, содержащие в своей структуре от 2 и более фрагментов желчных кислот. Все подобные соединения могут быть разделены на несколько подгрупп (схема 2). Первая группа (I) является исторически более ранней, такие соединения называются циклохолатами [14]. Для макроциклов, образованных из двух остатков желчной кислоты, связанных двумя мостиками, был предложен термин «холафаны» (II и III) [12,16-17]. Они могут быть разделены на два типа в зависимости от ориентации стероидного скелета: II называются холафанами типа «голова к хвосту», а III - «голова к голове». В качестве мостиков А и В могут выступать алифатические и ароматические фрагменты, соединенные со стероидом эфирными, сложноэфирными или амидными связями. Среди прочих макроциклических соединений содержащих лишь один остаток желчной кислоты, отдельного упоминания заслуживают, так называемые «холакрауны» (IV) [15,45] и «холаазакрауны» (V) [20], соединения имеющие длинную полиалкильную, полиэфирную или полиаминную цепь, связанную со стероидным остовом.

II III

Схема 2. Основные типы стероидных макроциклов.

Химия циклохолатов начала активно развиваться с начала девяностых годов прошлого столетия, впервые они были получены реакцией макролактонизации Ямагучи [46] при взаимодействии различных желчных кислот, 2,6-дихлорбензоилхлорида (ОСВС) и 4-диметиламинопиридина, при нагревании до 100°С в толуоле [4,14,47-49]:

Схема 3. Простейший синтез циклохолатов.

К аналогичному результату приводит также использование в качестве активатора дициклогексилкарбодиимида (БСС) [50]. В ходе взаимодействия образуются макроциклы содержащие от 2 до 5 стероидных остатков, среди которых полностью отсутствуют продукты межмолекулярного присоединения по С-7 и С-12 гидроксигруппам, что говорит об их крайне низкой реакционной способности в реакциях подобного типа. При любом разбавлении преобладающим продуктом являлся тример. Размер цикла также зависит от заместителей на осевых гидроксильных группах холевой кислоты и от присутствия в реакционной смеси катионов различных щелочных металлов. Объемные полиэфирные группы способствуют образованию макроциклов большего, чем тример, размера. В свою очередь, небольшие ионы (натрия или калия) способствуют образованию больших циклов, в то время как большие ионы, например, цезия, увеличивают выход меньших циклов. Использованные мономеры содержали в своей структуре полиэфирные защитные группы при С-7 и С-12, которые, вероятно, образуют комплексы с ионом метала, при этом маленькие ионы стягивают стероидные остатки так сильно, что препятствуют их сцеплению, провоцируя формирование макроциклической структуры наподобие «восьмерки» (из четырех мономеров). Закономерность также подтверждается константами взаимодействия ионов щелочных металлов с циклохолатами, содержащими различное число стероидных остатков [14, 51].

Помимо циклических эфиров желчных кислот - циклохолатов - были получены и циклические амиды [52].

Схема 4. Комплекс металла и циклохолата

Я = Н, НС(О) Схема 5. Циклохоламид

И-замещенные циклохоламиды легко получаются в одну стадию по реакции Уги

Логическим развитием химии циклохолатов стал синтез различного рода холафанов. Наибольший вклад в их химию внесли Бонар Лоу и Энтони Дэвис [52,54-60]. Ими были разработаны основные методы синтеза этих веществ и изучены многие их свойства.

В литературе представлено несколько основных методов синтеза холафанов типа II, большинство подобных соединений представляют собой циклические амиды желчных кислот, их структуры различаются лишь строением фрагментов А и В. Наиболее распространенным является подход, связанный с построением бензил-аминного фрагмента, связанного с С-3 углеродом желчной кислоты. Для этого проводят окисление гидроксигруппы при С-3 с последующим присоединением металлорганических ароматических соединений [54-57,60]

[53].

т = 2 (33%), т = 3 (12%) Схема 6. Синтез Ы-замещенного циклохоламида

1. ТЯА, ТРАА

2. Н2, РсЗ/С

Р3СС(0)НЫ

"СЖ1

ОМе

Рд = 51Ме3 \

Ме2

Рд2 =

Ме?

Схема 7. Синтез стероидного мономера с использованием металлоорганических

соединений.

В качестве металлоорганической компоненты используют либо соединения лития в присутствии иодида марганца(П) [54,57,60], либо комплексные соединения меди [55], позволяющие провести селективное присоединение по С-3 кето-группе, не затрагивая сложноэфирные защитные группы в положениях 7 и 12.

Циклодимеризация полученных мономеров может быть осуществлена двумя способами. Первый способ заключается в непосредственной обработке соответствующей аминокислоты конденсирующим агентом 0,0-диэтил цианофосфатом (БЕРС) в среде СНС1з-ДМФ в присутствии К2НРО4 [54-56,60]. Выходы макроциклов в данном случае не превышают 32%. Второй способ, хотя и состоит из большего числа стадий, более эффективен на стадии макроциклизации и позволяет получать холафаны с выходами до 55% [52,57]. В этом способе ключевыми соединениями для создания амидных связей выступают пентафторфениловые эфиры производных желчных кислот.

В работах [55,60,61] для введения заместителей в 3(3 положение, повышающих водорастворимость и жесткость конечных макроциклов, использовались продукты конденсации Кневенагеля - электрон-дефицитные алкены.

хы

1ЧН4ОАс, АСОН, РЖ

ВиЪ^Л_/ТСиС1Ч(МдВГ)2 N0'

ТНР

Ви*0'

ТРА

1. МевОгС!, Е1Рг'2Ы, ТНР

2. (Ме2М)2СМН2+М3

1. РЬ3Р, Н20, ТНР

2. иОН, МеОН

3. НС1

Схема 9. Использование электрон-дефицитных алкенов для построения бензил-аминного фрагмента, связанного с С-3 углеродом желчной кислоты.

N

з

Для увеличения конформационной жесткости конечного цикла были использованы стероидные соединения с укороченной боковой цепью [61]. Сужение цикла, а также увеличение его жесткости позволяют в перспективе использовать подобные соединения как ионные каналы, встроенные в различные биологические мембраны.

-,0

ВиООС/ ВиООС"

£ООВи СООВи

п = 0-2; К = Н, НСО

Схема 10. Холафаны с амидной связью, полученные из электрон-дефицитных

алкенов.

Н21\Г4'

ОМе

1. Р11зР, ОЕАй, НСООН

2. СНоОЫа, СН,ОН '

РЬ3Р, ОЕАЭ гп(Ы3)22Ру

ОМе

1. РИ,Р,ТНР

Вос-РИе, РРА

2. Н20

""ОЯ1

ОМе 1. 1Ы №ОН, ЕЮН

2. С6Р5ОН, РСС

3. ТРА, СН2С12

4. ОМАР, №2НР04

ОМе

Схема 11. Синтез холафана с аминокислотными фрагментами.[64]

Естественный цикл человеческого метаболизма включает в себя формирование амидов желчных кислот с белками и аминокислотами. Интерес к подобным соединениям побудил авторов [62-65] к созданию макроциклических систем, содержащих фрагменты аминокислот (схема 11).

Холафаны типа III являются сравнительно новым направлением в химии стероидных макроциклов:

Фрагмент А в подобных соединениях чаще всего соединяется с остатком желчной кислоты либо диамидными [66-72], либо сложноэфирными связями [16], тогда как фрагмент В чаще всего связывается либо сложноэфирными [16,66-69], либо составными сложноэфирными группами [70-72]. Более редким случаем является макроциклическая система, в которой оба фрагмента представляют собой простые эфиры [73].

Синтез холафанов типа «голова к голове», как правило, начинают с формирования фрагмента А. Построение димера с амидными связями возможно двумя основными способами: во-первых, в результате взаимодействия двух эквивалентов хлорангидрида [66] или смешанного ангидрида [69] желчной кислоты с одним эквивалентом соответствующего диамина, во-вторых, в ходе взаимодействия полуамида соответствующего диамина с сукцинимидным производным [70,71].

.0

III

Схема 12. Холафаны типа «голова к голове».

о,

,0

ын2

ЭМР

Схема 13. Синтез холафана с диамидными связями.

Преимущество второго метода заключается в том, что получение, как исходных реагентов, так и конечного диамида не требует введения защитных групп в гидроксигруппы субстратов. Эта особенность позволяет легко получать производные всего ряда желчных кислот с высокими выходами (около 95%). Напротив, хлорангидридный метод создания амидной связи не может быть применен к соединениям, содержащим свободные гидроксигруппы в стероидном скелете. Это ограничение не позволило авторам [66] получить другие производные, кроме производных литохолевой кислоты, а введение и удаление защитных групп в случае деоксихолевой и холевой кислот отрицательно сказалось на общем выходе.

Конечной стадией формирования холафанов типа III является циклизация полученного димерного продукта. Самым простым приемом является взаимодействие нециклического димера со свободными гидроксигруппами при С-3 с дикарбоновой кислотой ароматического ряда [16,66,68,69]. Реакцию проводят в присутствии диметиламинопиридина (БМАР) и 2,6-дихлорбензоилхлорида (БСВС) в толуоле при температуре 90-100°С в течение сорока часов. Выход на этой стадии редко превышает 15%, поэтому данный метод не нашел широкого применения.

р3сс(0)а

ни ын

СС14, ру, 90°С

ЫаНСОэ ТНР, МеОН

ноос-^^ьсоон

ОСВС, ОМАР, РШе

Схема 14. Синтез холафана со сложноэфирным и амидным мостиками Циклизацию димера также проводят спейсером, состоящим из фрагмента ароматической дикарбоновой кислоты и двух фрагментов гидроксикислоты [70-72].

ВгСН 2С(0)Вг О К2С03, СНС13, 55-60°С

СвО \=/ 0Сэ ОМЯ, 12Ь

Схема 15. Получение макроцикла с составным сложноэфирным мостиком

Исходный нециклический холамид обрабатывают бромангидридом бромуксусной кислоты, причем взаимодействие протекает региоселективно по гидроксильной группе при С-3. Затем полученный сложный эфир реагирует с цезиевой солью дикарбоновой кислоты ароматического ряда, в результате чего образуется конечное макроциклическое соединение. Данный метод является удобным способом построения холафанов типа «голова к голове», так как позволяет избежать трудоемких процедур введения и снятия защитных групп и дает суммарный выход холафана порядка 60%.

Использование в качестве фрагмента А спейсера с простыми эфирными и сложноэфирными связями в литературе встречается редко. Сложноэфирные мостики чаще всего получают через хлорангидриды желчных кислот [16], причем выход целевого соединения в ходе подобных превращений не превышает 40%. Прямое взаимодействие диола с кислотой в присутствии НгБС^, также не дает удовлетворительных результатов и приводит к образованию только монозамещенного продукта. Эти недостатки, а также необходимость введения защитных групп (суммарный выход на конечный нециклический димер около 10-20%), не позволили широко использовать подобный метод построения холафанов типа "голова к голове".

Р3СС(0)0'

но'

.он

СС14, ру, 85°С

О

ЫаНСОз ТНР, МеОН

ноос-

СООН

ЭСВС, ОМАР, РИМе

О

О

Схема 16. Синтез холафана с двумя сложноэфирными мостиками

Построение простых эфирных мостиков проводят с предварительным восстановлением карбоксильной группы желчной кислоты до гидроксильной. Следует отметить, что создание подобного типа спейсеров трудоемкое и требует множества операций по постановке и удалению различных защитных групп. [73].

твомэо

но

ТэО"

,ОТНР

ЫаН, ТНР, 65°С

ЫаН, ТНР, 65°С, I

ОТВОМБ

1. ТэОН, МеОН

2. ТэС1, Е13Ы, СН2С12

3. ТВОМвОТэ, ру, СН2С12

ТэО ОТНР 1 №Н, ТНР, 65°С

2. ТэОН, МеОН

3. ТэС1, Е131\1, СН2С12

4. ЫаН, ТНР

.О

^О

]

Схема 17. Синтез холафана с двумя простыми эфирными мостиками [73].

Суммарный выход холафана в ходе подобных превращений крайне мал и не превышает 2%.

Абсолютно новый подход к синтезу холафанов, содержащих фрагменты с простыми эфирными связями был предложен в работе [74]. Авторы использовали реакцию метатезиса олефинов для синтеза макроциклов.

1. ОгиЬЬз I

2. Н,, Рс!/С

Схема 18. Получение региоизомерных холафанов по реакции метатезиса олефинов В ходе реакции метатезиса и последующего гидрирования получалась смесь циклических димеров: «голова к голове» и «голова к хвосту». С целью селективного получения холафанов типа «голова к голове» в реакцию метатезиса вводились 3,3'- и 24,24'-дистероидные фталаты, полученные взаимодействием фталевого ангидрида с двумя эквивалентами соответствующего 3- или 24-ола.

Отдельного упоминания заслуживают макроциклические системы, содержащие в себе три фрагмента холевой кислоты и два мостика, каждый из которых одновременно связывает все три фрагмента [75] (схема 20).

Схема 20. Новый тип холафанов, содержащий два мостика, каждый из которых одновременно связывает три фрагмента холевой кислоты

Все описанные ранее макроциклические структуры получены сшивкой по 3 и 24 положению стероидного каркаса. Другой тип циклических димеров, сшитых по 7 и 12 положениям, описан в работе [76]. Используя защищенное по 3 и 24 положению производное холевой кислоты, удалось получить и выделить в индивидуальном состоянии два изомерных продукта.

АсО

Схема 21. Стероидные димеры, сшитые по 7 и 12 положениям

Кроме макроциклов содержащих 2 и более фрагмента желчных кислот не меньшее распространение получили циклические молекулы с одним фрагментом желчной кислоты.

МеО

3% ЗпС12 1 % д1усо1ип1

РЬМе

Схема 22. Получение региоизомерных циклофанов, содержащих один фрагмент холевой

кислоты [77]

Молекулы, содержащие длинную цепь полиэфирного типа и фрагмент желчной кислоты, называются холакраунами [15,45,78] (схема 23).

но44'

н

'''ОН

СООМе

ТэО О 4 ОТэ

№Н, ТНР

СООМе

Схема 23. Синтез холакрауна [15]

Совершенно новым подходом к синтезу макроциклических систем на основе 3,24-холандиола и мостиков, содержащих пиридиновые и хинолиновые фрагменты, а также полиаминовые или полиоксааминовые цепочки стал метод, включающий палладий-катализируемую реакцию аминирования [20,79-82].

Схема 24. Палладий-катализируемое аминирование производных желчных кислот

Предварительная координация циклизующихся фрагментов по атому металла позволяет получать макроциклы с выходами (до 65%), значительно превышающими выходы в классических реакциях циклизации. Было показано, что в процессе циклизации помимо полиазамакроциклов, содержащих по одному холановому и полиаминовому фрагменту, образуются и циклодимеры, содержащие два таких фрагмента. Авторами также удалось выделить и охарактеризовать разнообразные ациклические пинцерные лиганды, содержащие фрагменты литохолевой кислоты, гетероциклический фрагмент и полиаминовые или полиоксадиаминовые цепочки.

1\1Н НМ^Ч/

Схема 25. Примеры ациклических пинцерных лигандов

Однако, реакции палладий-катализируемого аминирования бромпиридиновых или хлорхинолиновых производных желчных кислот применимы только для молекул на основе 3,24-дигидроксихоланов. В случае 3,12,24-тригидрокси- или 3,7,12,24-тетрагидроксихоланов синтез соответствующих производных затруднен вследствие низкой растворимости интермедиатов и конечных продуктов.

Другим перспективным методом модификации стероидного скелета явилась реакция медь-катализируемого 1,3-диполярного циклоприсоединения азидов к терминальным ацетиленам (СиААС «клик» реакция). Применительно к желчным кислотам эта реакция удобна прежде всего тем, что не требует серьезной функциональной модификации стероида. И гидроксильная и карбоксильная группы легко подвергаются трансформации для создания на их основе как алкиновой, так и азидной части для проведения клик-реакции. Типичным примером применения этой реакции является создание с ее помощью различного рода конъюгатов, прежде всего с биологически активными молекулами. В этом случае наличие триазольного фрагмента весьма удобно

из-за плохой метаболической деградации и вместе с тем полярности достаточной для образования водородных связей, что может улучшать итоговую растворимость конъюгата в водной среде. Фрагмент желчной кислоты может существенно облегчать доставку молекулы лекарства к биологической мишени. Так в работе [83] были синтезированы конъюгаты холевой и деоксихолевой кислот с флюканозолом и определена их фунгицидная активность, которая оказалась весьма высокой в случае некоторых семейств грибков.

Схема 26. Синтез конъюгатов флюканазола с желчными кислотами

В аналогичной работе синтезировали коньюгат холевой кислоты с р-лактамом, который проявляет не только противогрибковую, но и противобактериальную активность [84]. Стоит отметить, что по сравнению с предыдущим примером здесь уже используют пропаргильные, а не азидные производные желчных кислот.

а (X = О) или * Ь (X = !МН)

НОч>

«Клик» реакцией были синтезированы триазолсодержащие структуры, способные образовывать два типа полостей: как гидрофильные, так и гидрофобные в зависимости от полярности внешней среды [30, 33].

„-N;

\ \ Л г <г~\

Схема 28. Примеры триподальных «звездообразных» амфифильных лигандов

В работе [87] осуществлен синтез новых конъюгатов желчных кислот и пептидов, связанных 1,2,3-триазольными фрагментами путем медь-катализируемой реакции 1,3 диполярного присоединения азидов ряда пептидов и moho-, бис- и трис-пропаргиловых эфиров производных желчных кислот.

С02Ме

Ч_>

BocHN

R1 R2 О R N

б R3 R4 Н

Схема 29. Пример конъюгата холевой кислоты и пептида

Однако стоит отметить, что до настоящего момента, реакция медь-катализируемого 1,3-диполярного присоединения не была широко использована для создания макроциклических систем на основе желчных кислот. Так в 2008 году описан синтез макроциклических структур, содержащих только один фрагмент желчной кислоты [88].

N.

г~=

О

-О

СиБОф ЫаАзс ^и0Н-Н20

Л

Схема 30. Синтез макроцикла на основе желчных кислот с использованием реакции медь-катализируемого 1,3 диполярного цилоприсоединения.

В 2011 году этим же коллективом авторов был осуществлен синтез холафана, содержащего два фрагмента деоксихолевой кислоты с использованием медь-катализируемой реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения [89].

Схема 31. Синтез макроцикла с двумя фрагментами деоксихолевой кислоты.

Стоит заметить, что «клик» реакция оказывается не всегда эффективной на стадии макроциклизации производных желчных кислот. В работе [90] авторам не удалось провести макроциклизацию производного холевой кислоты и вместо ожидаемого

холафана, содержащего два триазольных фрагмента, были выделены только ациклический димер и тетрамер.

СиБОд, ЫаАзс

1-Ви0Н-Н20

X

Схема 32. Ациклические продукты в «клик» реакции производного холевой кислоты.

2.2. Применение и исследование комплексообразующей способности макроциклических и других структур на основе желчных кислот

Жесткий липофильный каркас стероидной молекулы в сочетании с несколькими гидроксильными группами обеспечивает макроциклам на основе желчных кислот высокую селективность в процессах комплексообразования с катионами, анионами и нейтральными органическими молекулами.

Для исследования комплексообразующей способности стероидных макроциклов с катионами чаще всего выбирают катионы щелочных металлов. В работе [14] были получены константы связывания 1л+, Ыа+, К+, ЯЬ+ и Сй' для циклохолатов различного размера, содержащих в положении С-7, С-12 длинные полиэфирные цепи. Более

интересным объектом является комплекс холафана и Ag+, полученный в работе [69] и исследованный при помощи 'Н-, 13С-, 15Ы-ЯМР и масс-спектроскопии.

Для исследования комплексообразующей способности стероидных макроциклов с анионами чаще всего выбирают анионы галогенов. В работе [91] были получены константы связывания стероидного рецептора с анионами Р", СГ, Вг', Г и СН3СОО".

Селективный рецептор на анион Р* был получен в работе [92]. Связывание двух анионов Р" происходит за ОН-Р" и СН-Р" перекрывания. Была рассчитана предполагаемая структура комплекса.

Макроциклы, полученные медь-катализируемой реакцией 1,3-диполярного присоединения также образуют комплексы с анионами состава 1:1, наибольшее связывание с тем или иным анионом зависит от размера полости. Наибольшая константа связывания макроцикла, содержащего один стероидный фрагмент и мета-замещенное бензольное кольцо, наблюдается для фторид-иона, тогда как макроцикл с 1,4-фениленовым мостиком проявляет сродство к дигидрофосфат-аниону [88]. Холафан с двумя стероидными фрагментами и двумя триазольными циклами проявляет селективность в связывании хлорид-иона [89].

Среди наиболее изученных комплексов с нейтральными молекулами являются комплексы порфиринов с циклохолатами. Для данных молекулярных комплексов получены константы связывания с различными алкалоидами, такими как морфин и бруцин, а также с различными спиртами и полиолами [4].

Желчные кислоты являются природными оптически активными соединениями, поэтому макроциклы на их основе могут быть использованы как рецепторы на хиральные органические молекулы. В работе [61] исследована возможность экстракции метил и октил-|3-0-глюкозида из воды в хлороформ посредством образования комплекса глюкозида с холафанами с разной длиной боковой цепи и было показано, что наибольшее значение константы связывания наблюдается в случае холафана с наименее короткой длиной боковой цепи.

Синтез хиральных рецепторов на основе дезоксихолевой кислоты описан в работе [93]. Исследованы их комплексы с оптически активными барбитуратами и обнаружено,

что константы связывания для стероидных рецепторов сравнимы с константами связывания макроциклов, содержащих оптически активный бинафтольный фрагмент.

Другой интересной областью применения макроциклических структур, содержащих фрагменты желчных кислот, является создание моделей ионных каналов [94].

Р.

К

К

/

к

к

I*-

Искусственные поверхностные рецепторы, содержащие четыре фрагмента желчной кислоты, ковалентно связанные с тетраазапарациклофановым скелетом, эффективно связывают некоторые нафталиновые производные как в бислойных мембранах, так и в водных растворах. Также была обнаружена способность данного супрамолекулярного ансамбля участвовать в передаче сигнала посредством иона Си2+ ввиду того, что этот ион вытесняется из комплекса с циклофаном при его связывании с нафталиновыми производными. Поскольку ион меди является конкурентным ингибитором для НАДН-зависимой лактатдегидрогеназы, можно говорить о том, что авторам удалось построить систему передачи сигнала от искусственного рецептора к ферменту.

В некоторых случаях в качестве стероидных рецепторов удобно использовать не макроциклические, а «клешнеобразные» структуры,

Схема 33. Конформации «клешнеобразного» стероидного рецептора в свободном и

связанном состоянии [95]

в которых два фрагмента желчной кислоты связаны только одним мостиком [95]. На схеме 33 представлены возможные конформации подобного рецептора. Как видно из схемы, молекула-хозяин в свободном состоянии имеет две стабильных конформации А и В. Образование комплекса по типу «хозяин-гость» способствует тому, что система переходит в конформацию С.

В работе [96] исследованы стероидные сенсоры на катионы щелочных металлов. Их действие основано на том, что в отсутствии катиона металла свободная электронная пара азота азакраун-эфирного фрагмента перекрывается с ароматической системой (схема 30). В присутствии катиона металла это взаимодействие пропадает, и изменения регистрируются флуоресцентной микроскопией.

со2сн3

н3со2с со2сн3

Интересный тип стероидного рецептора, способного адаптироваться под различные субстраты, описан в работе [97]. Его свойства обусловлены наличием в нем фрагментов дезоксихолевой кислоты, в состав которых входит гидрофильная полость и гидрофобная внешняя часть (схема 34). В качестве модельных полярной и неполярной молекулы были использованы красители: натриевая соль крезолового красного и оранжевый ОТ.

Схема 34. Стероидный рецептор, способный адаптироваться под различные субстраты

Новые тетрастероидные каликс[4]пирролы, как обнаружилось, могут существовать в форме четырех конфигурационных изомеров. Была обнаружена селективность связывания ааа|3 конфигурационного изомера соединения с Ь-энантиомерами винной и миндальной кислот [98]. Аналогичный стероид-порфириновый рецептор демонстрировал подобную эффективность в связывании с сахарами в водной среде, главным образом с олигосахаридами [99].

он

I

но

НО'"

НО"'

Ън

Интересно также отметить работу [100] в которой авторы создали искусственный трансмембранный ионный канал на основе каликс-резорцин[4]арена с четырьмя фрагментами холевой кислоты. Включенные в бислойную мембрану эти молекулы формируют димер по типу «хвост к хвосту», который способен селективно проводить через мембрану ионы калия в присутствии ионов натрия. Соотношение трансмембранной проницаемости Рк/Риа в условиях асимметричной концентрации обеих солей (450 мМ ИаС1 и 50 мМ КС1) составило 2,8.

Связующие свойства такого рода соединений, называемых «молекулярными карманами» могут меняться в зависимости от полярности растворителя. В неполярных растворителях эти молекулы используют гидрофильную полость холата и связывают гидрофильные молекулы, например, производные глюкозы. Напротив, в полярных

но рнрн

11 = ОМе

растворителях в связывании гидрофобных молекул участвует гидрофобная сторона холата [101].

.0

Заключение диссертации по теме «Органическая химия», Казанцев, Алексей Витальевич

5. ВЫВОДЫ

1. Предложен способ синтеза макроциклических молекул на основе производных желчных кислот методами классической органической химии. Для производных деоксихолевой и холевой кислот найдены условия селективного ацилирования дихлорангидридами арендикарбоновых кислот гидроксильной группы в положении 3 одновременно в двух молекулах эфиров желчных кислот.

2. Синтезированы макроциклические производные желчных кислот, содержащих хиральные мостики на основе стереоизомеров 1,1'-бинафтила и обнаружена зависимость удельного вращения макроцикла от расположения бинафтильного фрагмента в молекуле.

3. Впервые исследовано электрофильное присоединение цианистого водорода и элементзамещенных цианидов к нуклеофильным алкинам, проходящее как син-присоединение.

4. Показано, что стереохимическим результатом присоединения цианистого водорода к 3- и 17-кетостероидам можно управлять путем изменения природы растворителя.

5. Впервые предложено использовать для синтеза макроциклических молекул на основе желчных кислот катализируемую солями меди(1) реакцию 1,3-диполярного циклоприсоединения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Казанцев, Алексей Витальевич, 2012 год

Литература

(a) Zana, R.; Talmon, Y. Nature 1993, 362, 228. (b) Menger, F. M.; Littau, C. A. J. Am.

Chem. Soc. 1991,113, 1451-1452. (c) Menger, F. M.; Keiper, J. S. Angew. Chem. Int. Ed.

2000, 39, 1906-1920. (d) Bhattacharya, S.; Haldar, Colloids and Surfaces A:

Physicochem. Eng. Aspects 2002, 205, 119-126. (e) Zana, R. Adv. Colloid Interface Sci.

2002, 97, 205-253. (f) Li, Y.; Li, P.; Dong, C.; Wang, X.; Wang, Y.; Yan, H.; Thomas, R.

K. Langmuir 2006, 22, 42-45.

2 Coello, A.; Meijide, F.; Rodn'guez Nu'n'ez, E.; Va'zquez Tato, J. J. Pharm. Sci. 1996, 85, 9.