Регіо- та стереоселективна функціоналізація калікс[4]аренів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

УДК 547.03+547.562.4+547.239.1+547.495

РЕГІО- ТА СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНА ФУНКЦІОНАЛІЗАЦІЯ КАЛІКС[4]АРЕНІВ

02.00.03 - органічна хімія органічна хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора хімічних наук

БОЙКО ВЯЧЕСЛАВ ІВАНОВИЧ

Київ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі хімії фосфоранів Інституту органічної хімії НАН України

Науковий консультант: доктор хімічних наук, професор, чл.-кор. НАН України Кальченко Віталій Іванович Інститут органічної хімії НАН України, м. Київ, завідувач відділу хімії фосфоранів

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор, чл.-кор. НАН України Лук'яненко Микола Григорович Фізико-хімічний інститут ім. О.В. Богатського, м. Одеса, завідувач відділу тонкого органічного синтезу

доктор хімічних наук, професор, чл.-кор. НАН України Хиля Володимир Петрович Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри органічної хімії

доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Бальон Ярослав Григорович Інститут ендокринології та обміну речовин ім. В.П. Комісаренка АМН України, м. Київ, завідувач лабораторії органічного синтезу

Захист дисертації відбудеться “_19_” червня_ 2008 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.217.01 в Інституті органічної хімії НАН України за адресою 02660, Київ-94, вул. Мурманська, 5, факс (044) 573-26-43

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту органічної хімії НАН України.

Автореферат розісланий “23” квітня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор хімічних наук Вовк М.В.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Каліксарени - фенольні макроциклічні сполуки - займають вагоме місце в супрамолекулярній хімії. Вони мають внутрішньомолекулярні високовпорядковані ліпофільні чашеподібні порожнини, утворені ароматичними фрагментами макроциклічного кістяка, завдяки чому демонструють здатність розпізнавати та зв'язувати в стійкі комплекси типу „гість-господар”, а також розділяти близькі за властивостями катіони, аніони та нейтральні молекули. Ці унікальні властивості каліксаренів використовуються при створенні нових екстрактантів для переробки радіоактивних відходів, супрамолекулярних каталізаторів, хемо- та біосенсорів.

Особливо привабливою є властивість каліксаренів зв'язувати нейтральні молекули та аніони, що відкриває широкі можливості для їх використання в біохімічних процесах. Попередня організація декількох біоафінних груп на поверхні молекулярної платформи каліксаренів використовується для створення високоефективних та селективних лігандів або рецепторів біомолекул, і, таким чином, ця властивість може бути застосована для створення нових біоактивних речовин. Завдяки властивості вбудовуватись в біомембрани, каліксарени здатні впливати на функціонування аніонних та катіонних помп в клітинах. Введення в структуру макроциклу протонодонорних груп, наприклад, амідних або карбамідних, дозволяє створювати ефективні аніонні рецептори. Якщо структуру каліксарену модифікувати хіральними замісниками, то можна регулювати енантіоселективність розпізнавання. Зокрема, пептидокаліксарени з фрагментами амінокислот L-ряду здатні до енантіоселективного зв'язування аніонів D-амінокислот.

Калікс[4]арени легко отримують каталізованою лугом циклоконденсацією пара-заміщених фенолів з формальдегідом. Перевага калікс[4]аренів над більшістю інших макроциклічних структур фенольного типу полягає в достатньо високій конформаційній стабільності їх макроциклічного кістяка. Вони мають чотири гідроксильні групи на нижньому (вузькому) вінці та чотири активних пара-положення фенольних кілець на верхньому (широкому) вінці, і тому, за допомогою простих, добре розроблених методів органічної хімії, на цю платформу можуть бути введені різні за властивостями функціональні групи. Особливо важливою є постадійна регіоселективна функціоналізація калікс[4]аренів, що дозволяє створювати поліфункціональні рецептори.

Асиметричне розміщення декількох різних за будовою груп на калікс[4]ареновій платформі дозволяє отримувати так звані внутрішньохіральні сполуки, оптична активність яких не пов'язана з присутністю асиметричного атома. Незважаючи на те, що теоретична можливість синтезу внутрішньохіральних похідних була прогнозована практично з моменту встановлення просторової структури каліксаренів, їх синтез представлений тільки декількома прикладами. Разом із тим ці сполуки можуть бути використані при створенні хіральних каталізаторів асиметричного синтезу, рецепторів та індикаторів оптично активних аміно- та гідроксикислот, хіральних стаціонарних фаз для хроматографії, зсуваючих реагентів для ЯМР спектроскопії тощо. Вказані сполуки також можуть бути унікальною макроциклічною платформою для створення нового покоління каталізаторів, котрі містять декілька активних центрів і моделюють ензими. Пошук препаративних методів синтезу внутрішньохіральних макроциклічних рецепторів є найактуальнішою проблемою сучасної супрамолекулярної хімії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно планової бюджетної тематики відділу хімії фосфоранів ІОХ НАН України „Дизайн, синтез та дослідження біоактивних каліксаренів” та „Молекулярний дизайн, синтез та дослідження макроциклічних рецепторів біологічно активних та екологічно небезпечних молекул та йонів” (№ держреєстрації 0102U000802 та 0106U000007); в рамках програми НАН України “Новітні медико-біологічні проблеми та навколишнє середовище людини” за темою „Проведення синтезу каліксаренів та вивчення їх комплексоутворення з біологічно-активними речовинами різноманітних класів” (№ держреєстрації 0104U007742); в рамках програми НАН України „Розробка пріоритетних напрямків розвитку хімії” за темою „Розробка нових підходів до створення хіральних каліксаренів як будівельних блоків супрамолекулярних каталізаторів та функціональних наноструктур” (№ держреєстрації 0104U000061), а також міжнародних наукових фондів: INCO-COPERNICUS „Розробка технологій ефективного знешкодження радіоактивних відходів з використанням нових фосфорильованих іонофорів” (1999-2000 рр.) та Science & Technology Center in Ukraine „Хіральні каліксарени для дизайну гібридних органічно-неорганічних металокомплексних каталізаторів асиметричних реакцій” (2005-2008 рр.)

Мета і задачі дослідження. Основна мета роботи полягала в створенні нових методів регіо- та стереоселективного введення функціональних груп на каліксаренову платформу, використанні цих підходів для синтезу внутрішньохіральних калікс[4]аренів та пошуку серед синтезованих сполук рецепторів йонів та нейтральних молекул, біологічно активних речовин, здатних впливати на дію іонних каналів.

Для досягнення цієї мети необхідно було розв'язати наступні завдання:

1) дослідити можливість регіоселективної 1,2-функціоналізації гідроксильних груп (алкілування, сульфонілування) і вивчити вплив природи реагентів та сили основи на напрямок проходження цих реакцій;

2) використати розроблені підходи для синтезу внутрішньохіральних калікс[4]аренів з асиметрично розташованими замісниками на широкому та вузькому вінцях макроциклу;

3) вивчити хімічні, комплексоутворюючі та сенсорні властивості отриманих сполук та їх похідних;

4) дослідити будову отриманих сполук за допомогою методів ЯМР-, ІЧ- спектроскопії, рентгеноструктурного аналізу, молекулярного моделювання, вивчити хімічні та супрамолекулярні властивості отриманих сполук;

5) розробити зручні підходи до синтезу калікс[4]аренів, функціоналізованих біофорними циклічними та ациклічними азотовмісними групами;

6) оцінити біологічні властивості синтезованих сполук за допомогою структурних аналогій та вивчити вплив найбільш перспективних з них на біохімічні процеси.

Об'єкт дослідження -калікс[4]арени, симетрично та асиметрично заміщені по верхньому або нижньому вінцю макроциклу різноманітними за природою угрупованнями.

Предмет дослідження - розроблення регіо- та стереоселективних методів функціоналізації калікс[4]аренів по широкому та вузькому вінцях макроциклу. синтез гідроксильний реагент азотовмісний

Методи дослідження - хімічний синтез, хроматографія, ІЧ-, ЯМР спектроскопія, рентгеноструктурне дослідження, квантово-хімічні розрахунки, біохімічні та фізико-хімічні методи.

Наукова новизна одержаних результатів. Проведено систематичне дослідження алкілування калікс[4]аренів в високоосновному середовищі ДМСО - NaOH, результатом якого є розроблення простих та безпечних методів синтезу 1,2-ді- та тетраетерів калікс[4]аренів. Показано, що використання моноалкілкалікс[4]аренів в цій реакції відкриває можливість синтезу внутрішньохіральних сполук. Знайдено, що одна з алкільних груп в 1,2-діалкоксикаліксаренах може бути селективно знята дією хлористого алюмінію. Розроблений метод може служити препаративним підходом до синтезу моноалкоксикалікс[4]аренів, альтернативним до низькоселективного прямого моноалкілування тетрагідроксикаліксаренів.

Розроблено нові препаративні методи синтезу ацилізоціанатів та нових 1,1-біфункціональнозаміщених алкілізоцианатів, котрі були використані при вивченні реакцій карбамоїлювання гідроксикалікс[4]аренів. Знайдено, що тетрагідрокси-калікс[4]арен при реакції з трифторацетилізоціанатом утворює тетракарбамат в конформації 1,3-альтернат. Показано, що порушення циклічної системи водневих зв'язків тетрагідроксикалікс[4]арену призводить до значного збільшення реакційної здатності гідроксильних груп і тому, незалежно від співвідношення реагентів, утворюється виключно продукт тетраацилювання. Реакція 1,3-діалкоксидигідроксикалікс[4]аренів з ацилізоціанатами приводить виключно до монокарбаматів. Причиною цього є утворення системи водневих зв'язків OH^....O та NH^....O, в результаті чого друга гідроксильна група стає просторово недоступною і, як наслідок, нереакційноздатною. Система водневих зв'язків також робить естерний зв'язок стійким в кислому середовищі, проте лабільним в лужному. Таким чином, ацилкарбаматний залишок може виконувати роль захисної групи при селективній функціоналізації макроциклу.

Вперше розроблено методи отримання калікс[4]аренів, що містять дві та чотири ізоціанатні групи на вузькому вінці макроциклу. Показано, що сечовини, отримані на базі цих ізоціанатів, здатні селективно зв'язувати різні за природою аніони.

Систематично вивчено реакції регіо- та стереоселективного камфорасульфонілування моноалкоксикалікс[4]аренів і знайдено, що напрямок реакції залежить від природи основи: при використанні триетиламіну реакція проходить по протилежній гідроксильній групі, тоді як з гідридом натрію утворюються проксимально дизаміщені калікс[4]арени.

Розроблені методи 1,2-функціоналізації були використані для синтезу внутрішньохіральних калікс[4]аренів. Слід зазначити, що запропоновані методи алкілування та камфорасульфонілування моноалкоксипохідних є найкоротшим з усіх можливих шляхів синтезу асиметрично заміщених каліксаренів. Отримані діастереомери були розділені і після функціоналізації та зняття асиметричного центру переведені в енантіомерно чисті хіральні макроциклічні платформи. Реакцією ацилізоціанатів з 1,3-гетерофункціоналізованими калікс[4]аренами вперше здійснено асиметричний синтез хіральних калікс[4]аренів. Абсолютна конфігурація отриманих оптично активних макроциклічних сполук встановлена методом РСА.

Розроблено зручні методи синтезу ряду нових калікс[4]аренів, що містять дві або чотири амідні, карбамідні, амідинові, імінні, амінофосфонові та амонійні фармакофорні групи. Показано, що амідокалікс[4]арени під дією п'ятихлористого фосфору утворюють високореакційноздатні електрофільні калікс[4]аренімідоїлхлориди, котрі були використані для побудови гетероциклічних систем на платформі каліксарену, а саме хіназоліноно- та тетразолокалікс[4]аренів. Методами ЯМР ¹Н, ¹⁹F, ³¹Р та ІЧ спектроскопії, а також методами молекулярного моделювання та РСА вивчена просторова будова та конформаційні властивості синтезованих каліксаренів. Встановлено, що отримані ді- та тетраамінопохідні калікс[4]аренів у розчинах та в кристалічному стані мають стабілізовану водневими зв'язками конформацію сплощений конус. Знайдено, що завдяки стеричним ефектам трет.-бутилкаліксаренхіназолінони при кімнатній температурі знаходяться в розчинах у вигляді трьох загальмованих конформерів.

Встановлено, що каліксарени з донорними атомами азоту дають комплекси з перехідними металами та паладієм. Показано, що отримані каліксарени можуть утворювати міжмолекулярні асоціати завдяки процесам самовключення, міжмолекулярним водневим зв'язкам, СН-р, р-р та електростатичним взаємодіям.

Практичне значення отриманих результатів:

1) розроблені препаративні методи синтезу моно-, 1,2-ді- та тетраалкокси- калікс[4]аренів. Впровадження цих методів дозволило замінити раніше вживану систему ДМФА - NaH в процесах алкілування;

2) показано, що діалкоксиацилкарбаматокаліксарени є стійкими в кислому, але легко гідролізуються в лужному середовищі. Таким чином, карбаматний захист може бути використаний для селективної функціоналізації каліксаренів;

3) показано, що карбамідокаліксарени з фрагментами L-амінокислот здатні до селективного розпізнавання D-фенілаланінату в полярному середовищі;

4) методом кварцового мікробалансу вивчено сенсорні властивості полімерних матеріалів на основі каліксаренгідразидів і показано їх селективність по відношенню до парів хлоровмісних розчинників;

5) отримана внутрішьохіральна каліксаренова платформа, яка містить декілька реакційних центрів і може бути використана для створення штучних ензимів;

6) знайдено, що тетрапропоксикалікс[4]арени, функціоналізовані по верхньому вінцю макроциклу чотирма фармакофорними сульфоніламідиновими групами, селективно впливають на Mg²⁺, АТФ-залежні Ca²⁺ транспортні системи гладеньком'язових клітин. Дипропоксикалікс[4]арени з двома амінофосфоновими групами здатні блокувати транспортну активність K⁺, ATФ-залежної натрієвої помпи гладеньком'язових клітин. Діамід п-хлоробензойної кислоти дипропоксикалікс[4]арену зв'язується з бенздіазепіновими рецепторами головного мозку ссавців з високим афінітетом. Отримані каліксарени є перспективними сполуками для пошуку фізіологічно активних речовин та реагентів для біохімії і медицини.

Особистий внесок здобувача є визначальним на всіх етапах дослідження і полягає в формуванні наукового напрямку, загальній постановці завдання, обгрунтуванні ідей, виборі об'єктів дослідження, розробці методів, інтерпретації та узагальненні експериментальних даних, отриманих як самостійно, так і в співавторстві з іншими дослідниками.

В виконанні синтетичної частини роботи брали участь к.х.н Ю.І. Матвєєв, аспіранти ІОХ НАН України Р.В Родік, А.В. Яковенко, М.А. Клячина, хроматографічне розділення сульфонілкаліксаренів виконано разом з к.х.н. О.І. Кальченко. Спектральні дослідження проводились у співпраці з к.х.н. В.В. Піроженком та к.х.н. І.Ф. Цимбалом (ІОХ НАН України).

Металокомплекси на основі калікс[4]аренів були отримані у співробітництві з к.х.н. Л.В. Цимбал та д.х.н. Я.Д. Лампекою (Інститут фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України).

Рентгеноструктурні дослідження були виконані разом з групами вчених під керівництвом Я. Ліпковського (Інститут фізичної хімії Польської академії наук) та д.х.н. О.В. Шишкіним (Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України).

Синтез каліксареновмісних полімерів та дослідження їх сенсорних властивостей проводилось разом з науковими групами під керівництвом к.х.н. С.В. Рябова (Інститут хімії високомолекулярних сполук НАН України) та к.ф.-м.н. З.І. Казанцевої (Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України).

Біохімічна активність каліксаренів вивчалась у відділі біохімії м'язів Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України під керівництвом член-кореспондента НАН України, д.б.н. С.О. Костеріна. Біомедичні дослідження виконані к.б.н. С.Ю. Макан у відділі медичної хімії Фізико-хімічного інституту ім. О.В. Богатського НАН України під керівництвом академіка НАН України С.А. Андронаті.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на національних і міжнародних конференціях, зокрема: V Міжнародній конференції з хімії каліксаренів (Perth, Australia, 1999); VIII Міжнародному семінарі сполук включення (Warsawa, 2001); Міжнародному симпозіумі, присвяченому 100-річчю з дня народження академіка О.В. Кірсанова (Київ, 2002); Міжнародних конференціях з хімії азотовмісних гетероциклів (Харків, 2003; 2006); Українсько-Польсько-Молдавському симпозіумі з супрамолекулярної хімії (Київ, 2003; Кишинів, 2005); XIX, ХХ та ХХI Українських конференціях з органічної хімії (Львів, 2001; Одеса, 2004; Чернігів, 2007); Конференції-звіті з комплексної програми фундаментальних досліджень НАН України «Дослідження в галузі сенсорних систем та технологій» (Київ, 2005); X та XI Міжнародних семінарах сполук включення (Казань, 2005; Київ, 2007); Міжнародній конференції “Фізичні методи в координаційній та супрамолекулярній хімії” (Кишинів, 2006); Українсько-Німецькій конференції по нанобіотехнології (Київ, 2006); XVII Міжнародній конференції по хімії фосфору (Xiamen, China, 2007); IV Російсько-Французському симпозіумі „Супрамолекулярні системи в хімії та біології” в рамках XVIII Менделєєвського з'їзду з загальної та прикладної хімії (Москва, 2007).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладені в 27 статтях та 34 тезах доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і списку літератури, що налічує 294 найменування.

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, вибір об'єктів дослідження, а також сформульовано мету і завдання роботи. В першому розділі систематизовано та проаналізовано джерела, що стосуються синтезу біологічно активних каліксаренів. Наступні розділи присвячені викладенню власних досліджень по селективній функціоналізації калікс[4]аренів та вивченню властивостей отриманих сполук. Зокрема, в другому розділі розглянуті селективні методи алкілування та ацилювання каліксаренів по вузькому вінцю. Предметом третього розділу є використання розроблених регіоселективних методів функціоналізації для отримання внутрішньохіральних каліксаренів. В четвертому розділі розглядаються методи синтезу каліксаренів, функціоналізованих по широкому вінцю циклічними та ациклічними азотовмісними фармакофорними групами та металокомплексів на їх основі. Дослідження ролі каліксаренів, функціоналізованих азотовмісними групами, в біологічних та біоохімічних процесах представлені в п'ятому розділі.

Робота містить 95 схем, 9 таблиць і 78 рисунків. Повний обсяг роботи 327 сторінок.

Основний зміст роботи

1. Функціоналізація калікс[4]аренів по вузькому вінцю

Під функціоналізацією вузького (нижнього) вінця калікс[4]аренів насамперед розуміють ті перетворення, які проходять за участю гідроксильних груп. Для цього використовуються такі загальноприйняті методи органічної хімії, як алкілування, ацилювання, сульфонілування, фосфорилювання фенолів тощо.

Алкілування. З метою розробки препаративних та безпечних методів синтезу алкоксикаліксаренів було вивчено алкілування калікс[4]аренів по вузькому вінцю в середовищі ДМСО - NaOH як альтернативу до класичного методу в середовищі ДМФА - NaH. Результати алкілування в середовищі ДМСО - NaOH принциповим чином відрізняються для калікс[4]аренів з трет.-бутильними групами 1b та без них 1а.

Реакція калікс[4]арену 1а в ДМСО з 10-кратним надлишком алкілброміду в присутності концентрованого водного розчину NaOH приводить до тетраалкоксикаліксаренів 2а-с в конформації конус з виходом 60-85% (схема 1). Утворення продуктів іншого ступеня алкілування не спостерігається. Збільшення довжини алкільного замісника потребує і збільшення концентрації основи, що використовується: при алкілуванні пропілбромідом потрібен 40%-ний, гексилбромідом - 50%-ний, октилбромідом - 60%-ний водний розчин NaOH.

Алкілування тетрагідрокси-трет.-бутилкаліксарену 1b в аналогічних умовах приводить до функціоналізації двох сусідніх ОН груп макроциклу з утворенням сполук 3а-d в конформації конус з виходом 76-93% В ПМР спектрі калікс[4]арену 3а протони OCH₂ груп алкільного фрагмента є діастереотопними і дають два мультиплети при 3.86 і 4.05 м.д., котрі перетворюються в АВ спінову систему з константою ²J_H-H 7 Гц при подавленні спін-спінової взаємодії сусідніх метиленових груп. На відміну від реакції в системі ДМФА - NaH, алкілування калікс[4]аренів, що містять трет-бутильні групи, в середовищі ДМСО - NaOH зупиняється на стадії утворення 1,2-діалкільованих продуктів 3a-d.

Розроблений метод алкілування в середовищі ДМСО - NaOH дозволяє отримати і тетралкоксикалікс[4]арени з трет.-бутильними групами 5 при використанні як вихідної речовини 25,27-діалкоксикалікс[4]арену 4a, який, на відміну від проксимально заміщеного калікс[4]арену 3а, легко реагує з алкілбромідами в цих умовах (схема 2).

1,2-Діалкоксикаліксарени взаємодією з хлористим алюмінієм були перетворені в моноалкоксикаліксарени 6 (схема 3). Цей метод може бути запропоновано як препаративний, оскільки пряме моноалкілування тетрагідроксикаліксарену приводить до суміші продуктів, з якої цільовий можливо вилучити тільки за допомогою хроматографії.

Таким чином, проведене дослідження дозволяє запропонувати алкілування в середовищі ДМСО - NaOH як препаративний метод синтезу тетраалкокси- та 25,26-діалкокси-трет.-бутилкалікс[4]аренів як альтернативу стандартному методу алкілування в середовищі ДМФА - NaH. Простота та безпечність процедури, регіоспецифічність реакцій, високий вихід сполук роблять цей метод достатньо перспективним.

Синтез ізоціанатів. Cилільована ціанурова кислота 7 реагує з хлорангідридами (ангідридами) карбонових кислот в присутності каталізатора тетрахлориду олова з утворенням трис(триацил)ізоціанурату (схема 4). Їх термоліз дає змогу отримати ізоціанати 9а-g з виходом 64-85%.

При взаємодії трифтороацетилізоціанату 9а з п'ятихлористим фосфором утворюється 1,1-дихлоретилізоціанат 10, котрий був використаний для отримання ряду нових 1,1-біфункціональнозаміщених алкілізоціанатів 11-13.

Карбамоїлювання. Гідроксикаліксарени реагують тільки з високоелектрофільними ізоціанатами. Так, триметилацетилізоціанат 9g вже не реагує з гідроксикаліксаренами. Не вступає в реакцію також 1-біс(діетоксфосфоніл)-2,2,2-трифторетилізоціанат 13, який хоч і має три акцепторні групи біля вуглецевого атома, але є стерично утрудненим. 1,1-Дигалогеналкілізоціанати 10 та 11 хоча і реагують з дигідроксикаліксаренами, але виділити продукти реакції не вдається.

Реакцією тетрагідроксикалікс4арену 1a з надлишком трифторацетилізоціанату в присутності каталітичної кількості триетиламіну отримано тетракарбамат 14 (схема 5). Структуру каліксарену 14 доведено за допомогою спектроскопії ЯМР. Протони та атоми вуглецю метиленових містків макроциклу проявляються у вигляді синглетів при 3.67 м.ч. (ПМР) та 36.96 м.ч. (ЯМР ¹³С) відповідно, що дозволяє встановити конформацію тетрауретану 14 - 1,3-альтернат.

На відміну від тетрагідроксикаліксарену 1a, дистальні діалкоксикаліксарени 4a-c реагують з ацилізоціанатами з утворенням виключно монокарбаматів 15 (схема 6).

Ацилювання проходить в розчині бензену при кімнатній температурі в присутності надлишку ізоціанату. Виключно продукти моноприєднання утворюються і в жорсткіших умовах: в киплячому бензені та в присутності великого надлишку ізоціанату. Причину незвично низької реакційної здатності гідроксильної групи в отриманих монокарбаматах 15 встановлено за даними рентгеноструктурного дослідження. Як видно зі структури трихлоро-ацетилкарбамату 15b (рис.1), амінокарбонільний фрагмент та гідроксильна група утворюють міцні водневі зв'язки (довжина 2.8 ?) з метоксильними групами. Таким чином, гідроксильна група просторово блокується метоксигрупами та карбаматним фрагментом, що і є причиною її пасивності в реакції ацилювання.

Монокарбамати 15, на відміну від тетракарбамату 14, є надзвичайно стійкими і не гідролізуються в кислих умовах, але легко відщеплюють уретановий фрагмент в лужних умовах з утворенням вихідних діалкоксикаліксаренів 4. Факт гідролітичної стійкості ацилкарбаматної групи в кислому середовищі дозволяє використовувати її як захисну для селективної функціоналізації каліксаренів. Наприклад, іпсо-нітрування каліксарену 15с азотною кислотою приводить до регіоселективного монозаміщення трет.-бутильної групи найбільш реакційноздатного феноксильного фрагменту (схема 7).

Після відщеплення карбаматної групи в лужних умовах і подальшому відновленні нітрогрупи на нікелі Ренея був отриманий моноамінокаліксарен 17.

Ізоціанатокаліксарени. Інший шлях отримання амінокарбонільних сполук полягає у введенні ізоціанатної групи на макроциклічну платформу. Ми розробили зручний препаративний метод синтезу ізоціанатокаліксаренів з легкодоступних каліксаренкарбонових кислот. За цим методом на першій стадії реакцією з хлористим тіонілом карбонові кислоти 18 перетворюють на хлорангідриди 19. Далі, в умовах модифікованої реакції Курціуса, в присутності каталітичної кількості тетрабутиламоній йодиду, отримують тетра- 20а та діізоціанати 20b (схема 8).

Синтезовані тетра- 20а та діізоціанати 20b легко приєднують аміни. Реакції відбуваються у м'яких умовах в середовищі діетилового етеру. При цьому утворюються тетра- 21a-c та біскарбаміди 22a-c (схема 9).

Гемінальне розташування двох електрофільних атомів - азоту та кисню - біля атома вуглецю метиленової зв'язки робить метиленоксикарбаміди нестійкими до гідролізу. Для зменшення лабільності карбамідокаліксаренів необхідно було подовжити алкільний спейсер між карбамідною функцією та вузьким вінцем каліксарену.

Ізоціанатопропоксикаліксарени 23a,b отримані з високими виходами аналогічним методом. Вони легко взаємодіють з естерами амінокислот в дихлорметані при кімнатній температурі з утворенням відповідних карбамідокаліксаренів 24 та 25 з виходами 70-90% (схема 10).

Каліксаренізоціанати 23a,b були використані для синтезу перших представників карбодіімідокаліксаренів. Так, при взаємодії ізоціанатів 23a,b з двома молями трифенілфосфазобензену в умовах реакції аза-Віттіга були отримані карбодііміди 26a,b.

Синтезовані карбодііміди 26а,b є зручними синтонами для отримання ряду їх важливих похідних. При приєднанні до них амінів утворюються гуанідинові основи, які без виділення були переведені у гідрохлориди 27a-c та 28a,b дією концентрованої соляної кислоти (схема 11).

Аніонорецепторні властивості синтезованих карбамідів та гуанідинів були досліджені за допомогою ЯМР-титрування. Встановлено, що найбільш ефективними аніонними рецепторами є карбаміди 24 та 25 з фрагментами хіральних амінокислот, які здатні до селективного зв'язування аніонних гостей в полярному середовищі.

Похідна L-аланіну 25а ефективно зв'язує аніони амінокислот і проявляє здатність до енантіорозпізнавання аніонів фенілаланіну. Найстабільніший комплекс утворюється з D-формою аніона, при цьому фактор селективності по відношенню до L форми складає 4.14 (табл. 1). Відповідна похідна з вільними ОН групами 24а має нижчу спорідненість до аніонів, проте характер D-енантіо-селективності зберігається і в цьому випадку. Зауважимо, що при зменшенні стеричного об'єму гостя, як у випадку аланінат-йона, селективність розпізнавання падає. При переході до похідної ізолейцину 25b здатність до зв'язування аніонів також знижується.

Для з'ясування причини селективного розпізнавання D-фенілаланінат-аніона карбамідом 25а було проведено моделювання комплексів відповідно з D- та L-фенілаланінат-аніонами. Аналіз обох моделей показав, що комплекс 25а(L)-N-Ac-Phe-COO^- є стерично більш утрудненим, ніж відповідний комплекс з сіллю D-амінокислоти. Це пов'язано з відштовхуванням між фенільним фрагментом гостя та метоксикарбонільною групою молекули рецептора, що і є основою прояву селективності.

2. Внутрішньохіральні калікс[4]арени

Хіральні каліксарени можуть бути отримані шляхом введення оптично активної функціональної групи. Разом з тим унікальна просторова будова калікс[4]арену дозволяє конструювати так звані внутрішньохіральні сполуки, оптична активність яких пов'язана не з наявністю асиметричних атомів, а з асиметричним розміщенням замісників на каліксареновій платформі. В результаті цього молекула втрачає всі елементи симетрії. Як показав проведений аналіз, загальна кількість можливих стереоізомерів залежить від кількості фенольних кілець в макроциклі і може бути визначена за формулою:

N = (n-1)! де N - кількість ізомерів, n - число фенольних кілець.

Так для калікс[4]арену можливі - (4-1)!=6 ізомерів, які складають три пари оптичних антиподів - ABCD-DCBA (ADCB); ABDC-CDBA (ACDB); ACBD-DBCA (ADBC). В випадку, коли в молекулі каліксарену два кільця однакові, а два інші різні і відмінні від двох перших, то можливі лише два стереоізомери ABCC та CCAB (ACCB), причому вони будуть енантіомерами (рис. 2).

Виходячи з проведеного аналізу можна запропонувати два підходи до синтезу внутрішньохіральних калікс[4]аренів: 1) асиметричний синтез тетрафункціоналізованих каліксаренів; 2) синтез проксимальних гетерофункціоналізованих діастереомерів з подальшим їх розділенням.

Асиметричний синтез внутрішньохіральних каліксаренів. На даний час синтезовано ряд внутрішньохіральних каліксаренів і всі вони були отримані в вигляді рацемату або рівноеквівалентної суміші двох діастереомерів. Таким чином, питання про вплив асиметричного центру на стереоселективність проходження реакції на каліксареновій платформі залишалося відкритим. Для з'ясування можливості використання асиметричної індукції для синтезу внутрішньохіральних каліксаренів було використано розроблений метод О-ацилювання діалкоксикалікс[4]арендіолів, що містять хіральний замісник, ацилізоцианатами. В результаті цієї реакції утворюються дві сполуки, діастереомерність яких зумовлена асиметричним атомом вуглецю в заміснику та асиметрично заміщеною каліксареновою платформою. Було вивчено вплив різних факторів на стереоселективність процесу і знайдено, що найкращі результати спостерігаються коли Alk = Me, а джерелом асиметричної індукції виступає б-фенілетиламідна група. Серед ізоціанатів найкраще проявив себе трихлороацетилізоціанат.

М'яке селективне карбамоїлювання енантіомерно чистого каліксарену 29 (S) в присутності каталітичних кількостей триетиламіну приводить до діастереомерних калікс[4]аренкарбаматів 30 (S) та 31 (S) у співвідношенні 4 : 1, що відповідає 60%-ному діастереомерному надлишку 30 (S) (схема 12, ліва колонка).

При обробці „сирого” продукту гарячим метанолом мінорний діастереомер 31 (S) переходить в розчин і діастереомерна чистота ізомера 30 (S) при цьому підвищується до 90-92%. Наступною кристалізацією з суміші гексан - хлористий метилен досягається 98%-на діастереомерна чистота продукту.

Визначення абсолютної структури було зроблено рентгеноструктурним дослідженням монокристалу. Відома конфігурація атома вуглецю S в амідному фрагменті, дозволяє встановити точне розміщення замісників на вузькому вінці каліксаренової платформи (рис. 3).

Аналогічним чином при використанні замість (S)-(-)-б-фенілетиламіду монобромоцтової кислоти її (R)-(+)-б-фенілетиламід був синтезований калікс[4]аренамід 30 (R) (схема 12 права колонка), який є оптичним антиподом сполуки 30 (S). Ці дві речовини відрізняються тільки кутом обертання плоскополяризованого світла ([б]І°D ?42.86 (c 0.504, CHCl3) для 30 (S) та [б]І°D 42.54 (c 0.496, CHCl3) для 30а (R)). Як і всі інші фізичні параметри, ЯМР ¹H спектри діастереомерів 30 (S) і 30 (R) є абсолютно однаковими, але при додаванні до їх рівноеквівалентної суміші хірального зсуваючого реагента Pirkle сигнали в спектрі роздвоюються внаслідок утвореня двох різних діастереомерних комплексів.

1,2-Гетероалкілування. Найкоротшим шляхом отримання внутрішньо-хіральних каліксаренів є синтез сполук ABCC типу, в яких бензольні кільця С містять тільки гідроксильні групи. На даний час відомо всього декілька прикладів синтезу проксимально дигетерофункціоналізованих калікс[4]аренів і всі вони були отримані в результаті багатостадійних перетворень, що включають стадії захисту вільних гідроксильних груп або перегрупувань. Як було показано, алкілування тетрагідрокси-трет.-бутилкаліксарену в середовищі ДМСО-NaOH приводить виключно до проксимально заміщених похідних. Алкілування в аналогічних умовах моноалкоксикаліксарену 6d оптично чистим (S)-(-)-фенілетиламідом монобромоцтової кислоти дає пару діастереомерних похідних внутрішньохіральних каліксаренів 32a та 32b (схема 13).

Діастереомери 32a та 32b отримуються в приблизно рівних долях, але вони можуть бути легко розділені за допомогою колонкової хроматографії. Порядок розміщення замісників було з'ясовано рентгеноструктурним дослідженням. В спектрах ПМР спостерігаються достатньо істотні відмінності для діастереомерів 32а та 32b. Особливо сильно відрізняється хімічний зсув сигналу метоксильної групи. Якщо в діастереомері 32b синглет протонів цієї групи лежить, як звичайно, в області аксіальних протонів (4.01 м.ч.), то в діастереомері 32а він переміщується в область екваторіальних протонів метиленових груп (3.52 м.ч.), що, ймовірно, пов'язано з екрануванням метоксильної групи бензольним кільцем амідного фрагмента.

Камфорасульфонілування моноалкоксикалікс[4]аренів. Стереохімічний результат реакції камфорасульфонілування моноалкоксікаліксаренів залежить від типу основи та розчинника, що використовується. При взаємодії моноалкоксикаліксаренів 6d-f з камфорасульфохлоридом в толуені в присутності триетиламіну отримані виключно дистальні сульфоестери 33а-c (схема 14).

Сульфонілування моноізопропілового етеру 6e в середовищі ТГФ-ДМФА в присутності гідриду натрію проходить у бажане проксимальне положення з утворенням сульфоестерів 34а та 34b, при цьому спостерігається асиметрична індукція - в реакційній суміші вміст діастереомера 34а більший на 15 % (схема 15).

Важливою знахідкою є те, що вперше розділення внутрішньохіральних каліксаренів було здійснено кристалізацією. При цьому вихід сполуки 34а - 41 %, а сполуки 34b - 35 %.

Визначення абсолютної конфігурації діастереомерів 34a та 34b було здійснено на основі рентгеноструктурного дослідження монокристалів (рис. 4). В діастереомерах 34a та 34b групи мають дзеркально протилежне розміщення, а конформація обох діастереомерів - сплощений конус.

При сульфонілуванні трет.-бутильної похідної 6f реакцію було проведено в присутності більш м'якої основи - поташу, і в результаті також отримано проксимальні сульфоестери 35а,b.

Суміш сульфоестерів 35a,b розділена методом високоефективної рідинної хроматографії. В даному випадку не вдалося отримати кристали індивідуальних діастереомерів задовільної якості, тому абсолютну конфігурацію було визначено на основі співставлення спектрів ПМР діастереомерів 34 та 35 (рис. 5). Було знайдено, що діастереомер 35а має конфігурацію, подібну до 34а, а діастереомер 35b - конфігурацію типу 34b.

Отриманий діастереомерно чистий сульфоестер 34а є зручним синтоном для синтезу енантіомерно чистого внутрішньохірального каліксарену. Шляхом простих хімічних перетворень - бромуванням та наступним гідролізом в лужних умовах, діастереомер 34а з високим виходом був перетворений на енантіомерно чистий диброммоноізопропоксикаліксарен 37 (схема 17).

Наявність в структурі сполуки 37 декількох реакційно здатних центрів (вільних пара-положень бензольних кілець макроциклу, трьох ОН груп та рухливих атомів брому) відкриває перспективу для отримання внутрішньохіральних сполук з заданими властивостями.

3. Функціоналізація каліксаренів по широкому вінцю

Для синтезу функціоналізованих каліксаренів використовувались діаміно- 38 та тетраамінокаліксарени 39. Аміногрупи цих сполук мають достатньо високу нуклеофільність і легко ацилюються ангідридами або хлорангідридами карбонових кислот, утворюючи з високим виходом каліксаренаміди 40a-d та 41a-c. Ацилюваня ізоціанатами проходить вже при кімнатній температурі і приводить до сечовин 42a-c та 43a-d (схема 18).

Реакція амінів 38 та 39 з N-сульфонілімідоїлхлоридами потребує вже присутності органічної основи і приводить до каліксаренсульфоніламідинів 44a-c та 45a,b (схема 19).

Згідно до даних РСА в кристалічному стані всі отримані сполуки знаходяться в конусоподібній конформації. В більшості випадків конус є сплощеним, в деяких - наближеним до регулярного. В кристалічному стані для каліксаренсульфоніламидинів 44b характерне утворення димерних структур завдяки парі міжмолекулярних водневих зв'язків NH···SO із взаємним включенням фенільних груп сульфамідинового фрагмента у порожнину сусіднього макроциклу. Димери каліксарендисульфоніламідину завдяки тим же водневим зв'язкам утворюють нескінченно довгі ланцюги (рис. 6).

При реакції амінокаліксаренів 38 та 39 з невеликим надлишком гетероароматичного альдегіду в киплячому бензені з високими виходами синтезовані ді- та тетраімінокаліксарени 46a-d та 47a,b (схема 20).

При спробі отримання комплексів з солями міді (ІІ) досить швидко (1-6 год) відбувається гідроліз C=N зв'язку імінокаліксаренів 46a-d та їх окиснення до каліксарендихінону 48, будова якого підтверджена даними рентгеноструктурного аналізу. Ця властивість може бути використана для розробки простого препаративного методу отримання каліксдихінонів із імінокаліксаренів замість існуючого, в якому застосувуються дорогі та токсичні солі таллію (ІІІ).

Аналогічно попередньому експерименту при змішуванні розчинів ліганду в хлороформі або ацетонітрилі з водним розчином тетрахлоропалладату калію досить швидко (1 год) утворюється дрібнокристалічний осад металокомплеку, що підтверджується даними спектроскопії ЯМР та ІЧ-спектроскопії (поява смуги поглинання в області 1710-1725 см^-1). Крім того, комплекс 46a*PdCl₂ розчинний у ДМСО, в той час як сам ліганд у ньому не розчиняється.

Будова комплексу була досліджена методом РСА і показано, що атоми паладію координуються до піридильних та імінних атомів азоту обох функціональних груп (рис. 7). Ці металокомплекси утворюють нанокластер із шістьох молекул комплексу. В порожнину макроциклу включається молекула ацетонітрилу, що вказує на потенціал застосування комплексу як металоензиму.

З метою отримання більш стійких до гідролізу у водно-органічних середовищах лігандів, здійснено відновлення подвійного зв'язку С=N діімінокаліксаренів 46a-d борогідридом натрію в спиртах, яке привело до утворення N-заміщених каліксаренів 49a,b. В цю реакцію вступають тільки 2- та 4-піридильні похідні 46a та 46с, що можна пояснити достатнім для активації подвійного C=N зв'язку електроноакцепторним впливом замісників. Приєднання до вказаного подвійного зв'язку діетилфосфіту у присутності 10-кратного мольного надлишку натрію приводить до відповідних каліксаренбісамінофосфонатів 50a-d.

Реакція супроводжується утворенням двох хіральних центрів і в результаті отримується суміш рацемічної та мезо-форми у статистичному співвідношенні: 1RR + 1SS + 2RS. Каліксаренбісамінофосфонати 50a,d були переведені у кислоти 51a,b дією триметилсилілброміду з наступним алкоголізом силілових естерів метанолом. Каліксаренбісамінофосфонові кислоти 51a,b, завдяки своїй амфотерності, добре розчиняються у розведених кислотах та лугах і обмежено розчинні у воді.

Каліксаренімідоїлхлориди. Аміди 40a,b, 41a при реакції з еквівалентною кількістю пентахлориду фосфору утворюють каліксаренімідоїлхлориди 52a,b та 53 (схема 22) - важливі високоелектрофільні каліксаренові синтони, що можуть бути використані для синтезу каліксаренів із гетероциклічними азотовмісними замісниками.

Заміна атомів хлору в каліксаренімідоїлхлоридах 52a та 53 на азидогрупи проходить при кип'ятінні в надлишку триметилсілілазиду в присутності SnCl₄ як каталізатора. Імідоїлазиди 54, що утворюються, в умовах реакції циклізуються до макроциклічних лігандів - каліксаренотетразолів 55a,b (схема 23).

Каліксарентетратетразол 55b перебуває у розчині в усередненій C_4V симетричній конформації регулярний конус. Незважаючи на чотири об'ємні тетразольні групи на верхньому вінці макроциклу, їх утрудненого обертання навколо зв'язку C-N не спостерігається. У кристалічному стані молекула каліксарентетратетразолу 55b знаходиться у конформації сплощений конус (рис. 8а). Два протилежних фенольних кільця, які несуть тетразольні цикли A та C, практично перпендикулярні площині метиленових груп і нахилені вглиб порожнини. В той же час фенольні кільця, котрі несуть тетразольні фрагменти B та D, сильно нахилені від площини макроциклу.

Каліксарен 55b утворює з PdCl₂ кристалічний комплекс, що має стехіометрією 2:2 (рис. 8б). Кожний ліганд координується до атому паладію через атоми азоту в положенні 4 протележних тетразольних кілець.

Каліксарени 56а,b, які мають дві хіназолінонові групи, синтезовані взаємодією каліксарендіімідоїлхлоридів 52a,b з метиловим естером антранілової кислоти в присутності еквівалентної кількості триетиламіну через проміжні амідини (схема 24).

Сполуки 56a,b - безбарвні високоплавкі кристалічні речовини, отримуються в аналітично чистому виді кристалізацією або колонкової хроматографією. В їх ПМР спектрах, записаних в ДМСО-d₆ або дейтерохлороформі при кімнатній температурі, спосте-рігаються три сигнали трет.-бутильних груп різної інтенсивності при 0.89, 0.96 та 1.07 м.ч. (рис. 9а). З підвищенням температури в результаті прискорення конформаційних переходів в спектрах спостерігаються характерні для обмінних процесів зміни форм сигналів: уширення, коалісценція та подальше звуження. Вузькі, добре розрізнені сигнали протонів всіх груп молекули спостерігаються при температурі 120 ^оС (рис. 9б). Синглет трет.-бутильної групи та пара дублетних сигналів спінової АB-системи екваторіальних та аксіальних протонів метиленових груп ( 3.30 і 4.14 м.ч., ²J_H-H 13.5 Гц) відповідають С_2V симетричній конусоподібній конформації макроциклічного остову молекули. Очевидно, каліксарени 56a,b існують в розчині при кімнатній температурі як три конформери, стабільні в шкалі часу ЯМР (схема 25).

Можливість різного розташування хіназолінонових кілець по відношенню до макроциклічної платформи підтверджена і РС дослідженням монокристалу (рис. 10). Один з хіназолінонових залишків повернений до порожнини п-хлорфенільним кільцем. Інший, орієнтований карбонільною групою, яка з включеною в порожнину каліксарену молекулою метанолу утворює водневий зв'язок OH···O=C. У кристалічному стані молекули розташовуються одна за одною, утворюючи паралельні ланцюги. Цікаво, що два сусідніх ланцюги перевернуті на 180є один відносно іншого вздовж їх осей.

4. Вплив синтезованих сполук на біологічні та біохімічні процеси

Іонам кальцію належить фундаментальне значення у забезпеченні функціональної активності клітин практично усіх тканин. Різноманітні біохімічні, біофізичні і фізіологічні процеси та явища, наприклад, активація та регуляція каталітичної активності багатьох ферментів, передача внутрішньоклітинного сигналу від плазматичної мембрани до внутрішньоклітинних мембранних структур, контроль проникності біологічних мембран, розповсюдження нервового імпульсу, клітинний поділ, секреція, запліднення, м'язове скорочення тощо - всі ці біологічні явища контролюються іонізованим кальцієм. В Інституті біохімії ім. О. В. Паладіна у відділі біохімії м'язів були проведені дослідження по вивченню впливу ряду отриманих каліксаренів на катіонні помпи, важливі для підтримки постійної концентрації катіонів кальцію у гладеньком'язових клітинах. Було показано, що каліксарентетрасульфоніламідин 45b вибірково впливає на дві кальцієві помпи і може бути використаний у біохімічних дослідах з метою інгібування транспортної активності Mg²⁺-ATФ-залежних кальцієвих помп (рис. 11).

Каліксарендіамід 40с селективно і суттєво стимулює акумуляцію Са²⁺ у мітохондріях і практично не впливає на ферментативну активність інших кальцій- і натрійтранспортуючих систем (рис. 12). Дана речовина може бути корисною для вивчення акумуляції іонів Са²⁺ у внутрішньоклітинних депо, переважно - в мітохондріях.

Каліксаренбісамінофосфонова кислота 51a у безкальцієвому середовищі практично повністю інгібує активність уабаїнчутливої Na⁺, K⁺-АТФази і майже не впливає на активність інших помп (рис. 13). Цей каліксарен можна використовувати в біохімічних дослідах замість уабаїну з метою визначення активності Na⁺,K⁺-АТФази.

Вивчення механізмів взаємодії нейромедіаторів та відповідних рецепторів є важливою задачею сучасної фізіології. Одними з таких рецепторів є бенздіазепінові рецептори ЦНС, вивчення просторової будови яких відкриває шлях до лікування різних психічних розладів. Було досліджено спорідненість ряду синтезованих каліксаренів до бенздіазепінових рецепторів головного мозку ссавців у відділі медичної хімії Фізико-хімічного інституту ім. О.В. Богатського НАН України. Каліксарендіамід 40а виявив здатність конкурентно витісняти радіоліганд [³Н]флунітразепам з сайтів його специфічного зв'язування з центральними бенздіазепіновими рецепторами ЦНС з середнім афінітетом IC₅₀~1•10^_6 моль/л (рис. 14). При цьому 40а впливає на конформацію рецептора, збільшуючи його спорідненість до бенздіазепінів. Таким чином, каліксарени є перспективними сполуками в створенні нових психотропних препаратів і у вивченні механізму дії відомих нейролептичних агентів.

Висновки

1. Вперше визначена теоретично можлива кількість стереоізомерів каліксаренів із різнофункціоналізованими бензольними кільцями, що дозволило розробити два стратегічних підходи до синтезу внутрішньохіральних калікс[4]аренів: 1) синтез проксимальних гетерофункціоналізованих діастереомерів з подальшим їх розділенням; 2) асиметричний синтез тетрафункціоналізованих каліксаренів. Для реалізації цих підходів були розроблені нові методи регіо- та стереоселективної функціоналізації калікс[4]аренів різноманітними за природою угрупованнями, які базуються на формуванні системи внутрішньомолекулярних водневих зв'язків ОН ··· О і NH ··· O та хіральній індукції замісників на нижньому вінцю макроциклу.