Химическая модификация природных хлоринов по пиррольному кольцу D тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.10 ВАК РФ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи УДК 547.979.733

НЕЧАЕВ Андрей Валерьевич

ХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ХЛОРИНОВ ПО ПИРРОЛЬНОМУ КОЛЬЦУ О

02.00.10 - Биоорганическая химия

Диссертация на соискание учёной степен кандидата химических наук

Научный руководитель:

Доктор химических наук, Профессор Миронов А.Ф.

Москва - 2002 г.

Содержание

I. Введение з

II. Литературный обзор на тему "Природные хлорины с

дополнительными экзоцикпами" 6

1. Природные хлорины с пятичленными экзоциклами 8 1.1. Пурпурины 8

1.2 Модификация циклопентанонового кольца Е производных хлорофилла 9

1.3 Другие хлорины с пятичленными экзоциклами 15

2. Природные хлорины с шестичленными экзоциклами 17

2.1. Бензопорфирины 17

2.1.1. Бензопорфирины на основе протопорфирина и дейтеропорфирина 17

2.1.2. Бензопорфирины на основе производных хлорофилла 21

2.2. Бензохлорины 25

2.3. Циклические производные пурпурина 18 32

2.4 Вердинохлорины 39

3. Природные хлорины с семичленными экзоциклами 41

4. Хлорины с экзоцикпическими кольцами, выделяемые из различных морских организмов 43

III. Обсуждение результатов 46

1. Выделение феофорбида а из биомассы ЭркиПпа рШепз1з. 50

2. Синтез 8-лактонов феофорбида а и пирофеофорбида а 51

3. Селективное омыление триметилового эфира хлорина р6

по остатку пропионовой кислоты 58

4. Синтез 5-лактона хлорина р6 61

5. Превращения природных хлоринов по пирролу В в условиях окислительной циклизации 65

Современное развитие фотодинамической терапии рака в последнее время основано на поиске фотосенсибилизаторов второго поколения из различных соединений, обладающих определённой фотохимической активностью. Такой фотосенсибилизатор, с точки зрения практического использования, должен обладать тремя основными характеристиками:

1. Он должен иметь максимум поглощения в длинноволновой или ближней инфракрасной области света, так как свет с подобной длиной волны глубже проникает в биологические ткани, что позволяет более эффективно воздействовать на глубоко расположенные злокачественные новообразования.

2. Иметь более низкую токсичность по сравнению с фотосенсибилизаторами первого поколения.

3. Молекула фотосенсибилизатора, как правило, должна обладать амфифильными свойствами.

Природные хлорины широко используются при синтезе фотосенсибилизаторов второго поколения для фотодинамической терапии рака. Это связано с доступностью этих зелёных пигментов, их практически полной безвредностью, хорошими спектральными и фотофизическими свойствами, а также способностью к разнообразным модификациям, придающим молекуле необходимую амфифильность. Как показывает практика, именно амфифильные молекулы лучше накапливаются в опухолях. В этой связи, особый интерес представляют соединения, в которых гидрофобные и гидрофильные заместители расположены на противоположных частях хлориновой молекулы. Такие вещества, обычно, легче проникают в клетку и затем концентрируются в её жизненно важных компартментах.

Значительное число исследований посвящено химической модификации производных хлорофилла а. Среди основных направлений этих работ можно отметить следующие: химические превращения винильной группы пиррола А, окисление пиррола В, образование

дополнительных экзоциклов при пирроле С, формилирование по реакционноспособному 5-мезо-мостику. Что касается четвёртого пиррольного кольца О, то наличие в нём двух $р3-углеродных атомов серьёзно затрудняет введение дополнительных заместителей. Более того, в присутствии различных окислителей это пиррольное кольцо легко теряет два атома водорода, и хлорин переходит в более устойчивый ароматический порфирин.

Настоящая работа является продолжением научных исследований, проводимых на кафедре Химии и технологии тонких органических соединений МИТХТ им. М.В. Ломоносова в рамках межвузовских программ по темам № 98-03-33011 и № 00-15-97866 «Образование хлоринов с 5-лактонным циклом при пиролле О» и «Направленное введение гидроксильной группы в положение 18 природных хлоринов». В них впервые были получены новые хлорины с экзоцикпическим 8-лактонным циклом при пиррольном кольце О, которые являются удобными объектами для введения гидроксильной группы в нижнюю часть макроцикла. Поскольку такое превращение предполагает значительное увеличение гидрофильное™ молекулы, то вероятно можно говорить о приобретении соединением необходимых для ФДТ амфифильных свойств. Поэтому задачей данной работы являлось расширенное исследование реакции образования б-лактонного кольца с целью изучения свойств подобных экзоциклов в производных хлорофилла, а также разработки новых сенсибилизаторов второго поколения.

Во время экспериментальных исследований проводился систематический анализ литературных данных по химическим превращениям природных хлоринов, приводящим к образованию дополнительных экзоциклов. Краткое содержание этой части работы представлено в литературном обзоре.

7

Литературный обзор

"ПРИРОДНЫЕ ХЛОРИНЫ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ЭКЗОЦИКЛАМИ"

Хлорины, обладающие дополнительными экзоциклическими кольцами, привлекают повышенное внимание в последние годы. Это обусловлено рядом причин.

Во-первых, они широко используются в качестве фотосенсибилизаторов второго поколения для фотодинамической терапии рака (ФДТ) [1-6]. Особый интерес вызывают молекулы, являющиеся производными природных порфиринов и хлоринов, важнейшие из которых гем крови и хлорофилл. Низкая токсичность и высокая селективность накопления в опухоли таких соединений, а также сдвиг максимума поглощения в длинноволновую область из-за присутствия дополнительного ароматического цикла обуславливают их преимущества по сравнению с синтетическими сенсибилизаторами [7,8].

Во-вторых, важность изучения соединений с экзоциклами подтверждает присутствие в молекуле хлорофилла а пятичленного циклопентанонового кольца. В этой связи любые сведения о химических и физических свойствах подобных хлоринов необходимы для углубления знаний о процессах, протекающих в клетках растений и микроорганизмов. Кроме того, введение дополнительных экзоциклов в природные хлорины может быть использовано при построении модельных систем для исследования процесса фотосинтеза и переноса электронов.

Сходные с хлорофиллом соединения широко распространены в клетках морских растений и животных [9-11]. Недавно было показано, что они выполняют роль природных антиоксидантов для защиты клеток от воздействия неблагоприятных условий. Одной из характерных черт этих хлоринов является наличие дополнительного, как правило, семичленного цикла в нижней части молекулы пигмента. Исследования в этой области ведутся недавно, но круг открытых соединений уже довольно разнообразен.

И, наконец, химические свойства экзоциклических фрагментов могут открывать новые пути для модификации различных природных порфириновых систем, причём введение некоторых реакционноспособных групп в макроцикл иногда возможно только путём раскрытия цикла.

Классификация соединений в литературном обзоре была сделана по типу экзоциклов, содержащихся в молекулах природных хлоринов.

1. Природные хлорины с пятичленными экзоциклами

1.1. Пурпурины

Пурпурины образуются при циклизации мезо-замещённых 2-формилвинилпорфиринов в соседнее (З-пиррольное положение, что приводит к образованию анелированного пятичленного кольца, а порфириновый макроцикл при этом переходит в хлориновый. Данный метод был разработан группой Моргана [12]. Подобные соединения находят широкое применение в фотодинамической терапии из-за сдвига максимума поглощения в красную область видимого спектра. В основном, пурпурины получают исходя из синтетических порфиринов [13,14]. Так, никелевый комплекс копропорфирина I (1) формилировался в мезо-положение в условиях реакции Вильсмейера, а затем по Виттигу превращался в акриловое производное (2) [15]. Циклизация в мягких условиях (уксусная кислота) проходит региоспецифично и с 92% выходом приводит к пурпурину (3) (рис. 1). Как правило, образуется смесь диастереомеров. Оловянный комплекс (4) пурпурина (2) показал определённую противоопухолевую активность при фотодинамических испытаниях [16].

Рис. 1. Синтез пурпуринов копропорфирина I. Реагенты: а- РОС13ЮМР,

РЬ3Р=СНС02Е1; Ь- АсОН; с- БпСЦ.

1.2. Модификация циклопентанонового кольца Е производных

хлорофилла

Основная часть химических способов получения природных хлоринов с пятичленными циклами относится к модификациям различных производных хлорофилла по циклопентаноновому кольцу Е. Среди таких превращений можно отметить реакции окисления, енолизации, формилирования по Вильсмейеру, а также воздействия, приводящие к отщеплению функциональных групп цикла.

При окислении феофорбида а (5) кислородом воздуха в присутствии силикагеля был получен 132-гидроксифеофорбид (6) (рис. 2.) [17]. Смесь диастереомеров (6), содержащая 95% 132-(Р)-гидроксиметилфеофорбида а и 5% 132-(3)-гидроксиметилфеофорбида а, также синтезирована при

действии на феофорбид (5) 1,8-диазабицикло[5.4.0]ундец-7-ена (РВи) и (-)-(1К)-(10-камфорсульфонил)оксазиридина [18]. Деление полученной смеси с помощью ВЭЖХ позволило получить оптически чистые ^ и Б-изомеры.

Рис. 2. Модификация феофорбида а по циклопентаноновому кольцу.

Реагенты: а- ОВ1), (-)-(1К)-(10-камфорсульфонил)оксазиридин, Ь-

С4Нд(СНз)281С1.

Экзоцикпическое кольцо Е в хлорофилле а и феофорбиде а содержит р-кетоэфир и может подвергаться енолизации. Для хлорофилла енолизация проходит в полярных растворителях, таких как ацетон, спирты, пиридин, триэтиламин [19]. В отсутствии сильных оснований енольная форма находится в равновесии с кето-формой. При обработке хлорофилла а трет-бутилдиметил хлорсиланом и 2,6-ди-/т?рет-бутил-4-

С02Ме

7

метилфенолятом лития, в качестве основания, получен трет-бутилдиметилсилильный эфир енола (7) [19]. Пирофеофорбид а, а также его 3-формил и 3-ацетил производные в присутствии гексаметилдисилазана натрия образуют триметилсилильные производные.

Через енолят (9) происходит образование экзоцикпического производного хлорофилла - 132-оксопирофеофорбида а (10) [20,21] (рис.3). Авторы установили, что пирофеофорбид а (8) при обработке гидроксидом лития образует стабильный енол (9), спектральные характеристики которого чётко регистрируются. Например, сдвиг полосы Соре в длинноволновую область составил 45 нм. Сильные основания, такие как ЫаОН и КОН, не вызывают изменений в спектрах. Это явление можно объяснить хорошо известным свойством литиевых солей образовывать частично ковалентные связи. В итоге, в результате енолизации пирофеофорбид а полностью автоокисляется при комнатной температуре в течение 12 часов с образованием а-дикетона (10).

С02Ме

С02Ы

С02Ме

8

9

10

Рис. 3. Синтез 132-оксопирофеофорбида а 10. Реагенты: а- ЫОН, Ь- Н20,

с- 02/СН2М2.

Введение кето-группы в циклопентаноновое кольцо Е смещает максимум основной полосы поглощения в длинноволновую область на 10 нм. Соединение (10) является интересным объектом для синтеза новых экзоциклических фотосенсибилизаторов с длинноволновым максимумом поглощения.

В дальнейшем на основе 132-оксопирофеофорбида а был синтезирован ряд конъюгированных хиноксалиновых, бензимидазольных и пиразиновых полиароматических систем [22] (рис 4). В литературе описаны примеры синтеза подобных структур на других тетрапиррольных соединениях [23-25]. Раствор (10) в пиридине с каталитическими количествами трифторуксусной кислоты обрабатывали соответствующим диамином и перемешивали при 50° 2 часа. У всех полученных хлоринов (11-18) наблюдалось значительное смещение максимума поглощения электронных спектров длинноволновую область.

Исследование времени жизни триплетных состояний для всех соединений показало, что квантовые выходы триплетного и синглетного кислорода имеют сходные показатели. Это говорит об эффективном переносе энергии с возбуждённого триплетного состояния к кислороду.

Другая часть работы [22] посвящена созданию конъюгированных димерных хлоринов для исследования процессов переноса электронов в тг-системах. В условиях, описанных выше, были получены два бис-хиноксалиновых производных пирофеофорбида а (рис. 5.). Спектроскопические данные этих новых димеров показали значительное увеличение напряжённости их ароматических систем. Разработанный синтетический подход открывает путь для синтеза новых хромофоров с порфирин-хлорин, хлорин-бактериохлорин, бактериохлорин-

бактериохлорин - гетеродимерными структурами.

Рис. 4. Синтез экзоциклических производных 132-оксопирофеофорбида а (указаны выходы и максимумы поглощения соединений (11-18)).

720 пт 744 пт

Рис. 5. Синтез хиноксалиновых димеров пирофеофорбида а.

Интересная модификация по кольцу Е была обнаружена при формилировании по Вильсмейеру медного комплекса мезопирофеофорбида а (21) [26] (рис.6). Вместо ожидаемого 20-формилзамещённого производного (22) был получен а,(3-незамещённый хлоральдегид (23). Этот неожиданный продукт обладает высокой химической активностью и может служить для разнообразных модификаций производных хлорофилла. Известны многочисленные работы по исследованию реакционной способности таких хлоральдегидов [27-30].

Кроме модификаций циклопентанонового кольца интерес представляют химические превращения функциональных групп, содержащихся в кольце Е. Одним из способов такой модификации является дезоксигенирование кето-группы пирофеофорбида а (8) под действием восстановителей с образованием 132-

дезоксипирофеофорбида а (24) (рис. 7). Для восстановления кето-группы пирофеофорбида а используют боргидрид натрия, диборан, гидразингидрат [19,31-33]. Однако с точки зрения ФДТ восстановление кето-группы до метиленовой приводит к гипсохромному сдвигу основной полосы поглощения в электронном спектре (24). Повышение сенсибилизирующей активности наблюдалось при замене атома кислорода в кето-группе на серу [33].

Рис. 6. Формилирование мезопирофеофорбида а (21).

Рис .7. Восстановление кето-группы пирофеофорбида а.

1.3. Другие хлорины с пятичленными экзоциклами

Среди литературных данных о природных хлоринах, содержащих пятичленные экзоциклы, выделим ещё несколько работ.

Так, при исследовании пигментов синтезируемых зелеными фотосинтетическими серными бактериями рода СЬ1огоЫит были получены два интересных соединения (25) и (26) (рис 8) [34]. Изучались свойства этих хлоринов в растворах, а также распределение электронной плотности в их ароматических я-системах.

Рис. 8. Производные хлорофилла из бактерий рода С111огоЫит.

Ряд интересных превращений, в конечном итоге приводящих к хлорину с экзоцикпом, были изучены проф. Монфортц с сотрудниками [35-41]. Начальным соединением был выбран моно-ацетилдейтеропофирин (27). Восстановлением боргидридом натрия получали спирт (28), который реагировал с диметилацеталем 1Ч,М-диметилацетамида с образованием хлорина (29). Дальнейшая функционализация приводила в две стадии через кетон (30) к лактону (31) (рис. 9). Этот лактонодейтерохлорин планируется использовать в ФДТ.

Рис. 9. Образование у-лактона моноацетилдейтеропорфирина (27). Реагенты: а- МаВН4; Ь- диметилацеталь диметилацетамида; с- Мп04, Ю4;

с1- ИА1Н(0-^Ьи1у1)з, ОН".

2. Природные хлорины с шестичленными экзоциклами

2.1. Бензопорфирины

2.1.1. Бензопорфирины на основе протопорфирина IX и

дейтеропорфирина

В 1973 году группа Джонсона впервые сообщила о простом синтезе соединений с хлориновой структурой, используя реакцию Дильса-Альдера на винилпорфиринах [42]. На примере диметилового эфира протопорфирина IX (32) они исследовали реакции циклоприсоединения типов [4+2] и [2+2] с различными диенофилами. Продукты этих реакций были названы бензопорфиринами, (хотя они являются хлоринами). Позже Морган и Дольфин с сотрудниками проводили разнообразные испытания

фотофизических свойств этих соединений [43-45]. В результате был создан препарат для ФДТ, который успешно прошел первую и вторую фазы клинических испытаний [46], и представляет собой бензопорфирин (37) (ВОРМА). Он является одним из продуктов реакции (32) с диметиловым эфиром ацетилендикарбоновой кислоты (РМАО) (рис. 10).

СО,Ме

МеО,С.

МеОгС1'

СО,Ме

СО^ С02Р!;

Р1=Н, Я2=Ме И2=ме, т=н

Р!1=Н, Р2=Ме К2=Ме, Р?1=Н

Рис. 10. Общая схема синтеза бензопорфиринов. Реагенты: а- йМАО; Ь-

ОВи; с- Н+ или ОН".

После обработки смеси соединений (33) и (34) получались изомеры (35) и (36), которые легко разделяются хроматографически. При

гидролизе они образуют монокислоты (37) и (38), обладающие хорошей растворимостью в физиологических средах [47-49].

Другие авторы также изучали подобные реакции для протопорфирина IX [50]. Они установили, что биологическая активность А-изомера бензопорфирина (соединение (37)), значительно превосходит активность В-изомера.

Рис 11. Бензопроизводные З-винил-8-ацетилдейтеропорфирина (38). Реагенты: а- ОМАОЮВи; Ь- ОМ