Новые подходы к модификации стероидов для создания амфифильных лигандов и синтеза фармакологических препаратов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Казанцев Алексей Витальевич

НОВЫЕ ПОДХОДЫ К МОДИФИКАЦИИ СТЕРОИДОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АМФИФИЛЬНЫХ ЛИГАНДОВ И СИНТЕЗА ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИХ

ПРЕПАРАТОВ

02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

5 ДПР

Москва-2012

005020686

Работа выполнена в лаборатории элементоорганических соединений кафедры органической химии Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

доктор химических наук, профессор Лукашев Николай Вадимович (МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет

Доктор химических наук, ведущий научный сотрудник

Заварзин Игорь Викторович

(ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН)

Кандидат химических наук, старший научный сотрудник Артюшин Олег Иванович (ИНЭОС им. А.Н. Несмеянова РАН)

Ведущая организация: Российский университет дружбы народов

Защита состоится «25» апреля 2012 года в II00 на заседании Диссертационного совета Д.501.001.69 по химическим наукам при Московском Государственном Университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119911, г. Москва, Ленинские Горы, д.1, стр. 3, Химический факультет, аудитория 446.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ.

Автореферат разослан «23» марта 2012 года

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор химических наук, профессор

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Актуальность проблемы

Синтез макроциклических и амфифильных молекул для целей молекулярного распознавания, а также для моделирования ионных каналов становится одним из наиболее динамично развивающихся разделов химии, о чём свидетельствует лавинообразное увеличение количества публикации на эти темы в последние годы. Наиболее популярными исходными соединениями для синтеза макроциклических рецепторов и супрамолекулярных систем являются краун-эфиры и каликсарены. Вместе с тем желчные кислоты 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 макроциклических продуктов на 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 для транспорта липофильных лекарств, предложены в качестве анти-ВИЧ препаратов, сенсоров на катионы и анионы, органические молекулы, такие как морфин, производные аминокислот и углеводы, в качестве энантиоселективных сенсоров, для создания моделей ионных каналов, в супрамолекулярной химии, для синтеза наноразмерных молекул, дендримеров, гелеобразующих материалов и др., что нашло отражение в ряде обзоров, вышедших в последние годы. Большой интерес к лигандам на основе желчных кислот связан со способностью их производных к самоорганизации, а также способности проявлять амфифильные свойства в зависимости от природы среды (гидрофильной или гидрофобной). Совсем недавно желчные кислоты стали привлекательными кандидатами для создания гашшодальных лигандов, так называемых «молекулярных карманов», которые могут быть использованы для транспорта лекарств, в качестве молекулярных контейнеров, органожелирукнцих агентов и хемосенсоров. Супрамолекулярные гели на основе желчных кислот могут быть использованы для получения наноструктурных объектов, в оптоэлектронике, для регенерации биологических тканей. 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.

Цель работы

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 металлокомплексного катализа, а также исследование новых возможностей использования цианидов для модификации стероидов и некоторых других классов соединений (фосфорсодержащих карбонильных соединений и нуклеофильных алкинов).

Научная новизна и практическая ценность работы

Предложен способ синтеза макроциклических молекул на основе производных желчных кислот методами классической органической химии. Синтез новых макроциклических молекул на основе деоксихолевой и холевой кислоты впервые осуществлен таким образом, чтобы с хорошим выходом происходило образование мостика только между 3 и 3' гидроксильными группами, а реакция по 7 или 12 гидроксильными группами практически не проходила. Впервые синтезированы макроциклические производные желчных кислот, содержащих хиральные мостики на основе стереоизомеров 1,1'-бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты. Впервые исследовано электрофильное присоединив цианистого водорода, использованного в виде ацетонциангидрина, и злементзамещенных 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 с целью синтеза новых типов лигандов и усовершенствования технологического регламента получения полупродуктов синтеза фторкортикоидов. Впервые предложено использовать для синтеза макроциклических молекул на основе желчных кислот катализируемую солями меди® реакцию 1,3-диполярного циклоприсоединения. Синтезированы и выделены новые типы макроциклических соединений, содержащих стероидный фрагмент и триазольные спейсерные группы. Предложено использовать окись трис(4-пропаргилоксикарбонилфенил)фосфина и азиды производных желчных кислот для синтеза триподальных лигандов реакцией 1,3-диполярного циклоприсоединения. Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (4 статьи и 4 тезиса докладов) Апробация работы

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. Ювяскуля (Финляндия, 2009 г.), Институте Науки в г. Бангалор (Индия, 2009 г.), Институте Химии в г. Ханой (Вьетнам, 2010 г.), в университете г. Далат (Вьетнам, 2011 г.). Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 154 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части и выводов, содержит 6 таблиц, 8 рисунков, список цитируемой литературы включает 121 наименование. Литературный обзор посвящен методам синтеза и свойствам макроциклических и амфифильных молекул на основе желчных кислот. В приложении приведены данные, которые не выносятся на защиту, и получены в группе проф. У. Майтры (Институт Науки, г. Бангалор, Индия) по исследованию некоторых физико-химических свойств производных триподальных лигандов, полученных в диссертации. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 07-03-00619а, К» 08-03-91308-ИНД_а, № 11-03-00265а).

Основное содержание работы

Работа состоит из трех основных частей, первая из которых посвящена разработке методов синтеза макроциклических молекул, производных желчных кислот, методами ацилирования. Вторая часть работы посвящена изучению реакций гидро- и силацианирования нуклеофильных алкинов, кетофосфонатов и 3- и 17-кетостероидов для создания новых лигандов и полупродуктов синтеза фармакологически важных стероидов. Третья часть посвящена использованию медь-катализируемой реакции 1,3-диполярного присоединения (известной как CuAAC «клик» реакция) для синтеза макроциклических и триподальных лигандов, производных желчных кислот.

Макроциклические структуры, содержащих фрагменты желчных кислот и их производных, привлекают особое внимание в течение последних 15 лет. Жесткий липофильный каркас стероидной молекулы в сочетании с несколькими гидроксильными группами обеспечивает высокую селективность в процессах комплексообразования с катионами, анионами и нейтральными органическими молекулами. В то же время данные соединения не являются чуждыми для живых систем и могут быть использованы в экспериментах in vivo, в частности для транспорта лекарств. Незамкнутые в макроцикл

структуры, содержащие фрагменты желчных кислот, способны выступать в роли ионофоров, могут обладать исключительно высокой поверхностной активностью в водных растворах, иметь гелеобразукмцие свойства, использоваться для синтеза супрамолекулярных композиций. Для синтеза макроциклических молекул и новых производных желчных кислот, незамкнутых в макроцикл, нами использованы методы, условно разделенные на методы классической органической химии (например, ацилирование, гидро- и силацианирование), и новые реакции, катализируемые переходными металлами (медь-катализируемая реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения). В рамках работы над новыми технологиями синтеза известных стероидных препаратов нами предложены такие усовершенствования известных технологических схем, которые позволяют существенно повысить выход целевых продуктов и, как следствие, сделать новые технологии получения стероидов экономически выгодными и конкурентоспособными.

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

Для синтеза неизвестных ранее холафанов типа «голова к голове» методами классической химии нами был предложен подход, заключающийся в первоначальном формировании мостика, соединяющего положения 3 и 3' двух молекул желчной кислоты. Бензиловый эфир литохолевой кислоты 1 был выбран в качестве модельного соединения, поскольку он содержит только одну гидроксигруппу, поэтому образование побочных продуктов ацилирования исключается. Бензиловые эфиры, в свою очередь, легко могут быть трансформированы в соответствующие карбоновые кислоты гидрогенолизом на палладии. Хлорангидрид арендикарбоновой кислоты взаимодействует с двумя эквивалентами бензилового эфира литохолевой кислоты с образованием линейного димера 2, в котором два фрагмента литохолевой кислоты связаны мостиком по 3 и 3' положениям. Реакцию проводят в толуоле (12 ч, 100°С, выход 86%). Далее происходит удаление бензильных защит и этерификация карбоксильных групп пентафторфенолом. На последней стадии происходит замыкание макроцикла диамином или полиоксадиамином с образованием амидного мостика. Выходы на стадии замыкания макроцикла для данного метода (табл. 1) в среднем в 1,5-2 раза больше, чем для аналогичного типа соединений, описанных в литературе.

но4*'

ОВп

С1(0)С-£}-С(0)а

ОМАР, Е13М РЬМе,100°С

2'П = ВЛ ^Нг.РЧ'СДНР

ЗП = Н П С6Р5ОН, 4.В = С6Р5—1 йСС, СН2С12

5а-Ь

Схема 1. Синтез холафанов с комбинацией амидного и сложноэфирного мостиков Таблица 1 Структурные формулы продуктов и выходы на стадии циклизации

№ 5а 5Ь

<5 О 1 ж 0 0 . >0 X ^ 1 нг/

Выход (%) 50 37

Нами также разработан другой метод, который позволяет получать макроциклы с двумя сложноэфирными мостиками. Первичная гидроксигруппа 5(3-холан-За,24-диола 6 преобразуется в 24-тритиловый эфир 7, который затем ацилируется дихлорангидридом изофталевой кислоты. После удаления тритильной защиты происходит замыкание макроцикла вторым фрагментом дикарбоновой кислоты.

8, Я = Тг —|

НВг,

9, Я = Н —1

Таблица 2 Структурные формулы и выходы на стадии циклизации

№ 10а 10Ь Юс 10(1 10е

С? Ъг

Выход (%) 45 11 21 14 27

Данный метод получения макроциклов с двумя сложноэфирными мостиками, заключающийся в первоначальном ацилировании 3,3'-гидроксигрупп двух фрагментов желчной кислоты и последущим замыканием цикла ацилированием гидроксигрупп в положениях 24,24' дихлорангидридами ароматических дикарбоновых кислот впервые был разработан в нашей группе. В некоторых случаях для данного метода также удалось добиться довольно высоких выходов на стадии замыкания макроцикла (Табл. 2,10а, 10е).

Таким образом, на основании анализа литературных данных были разработаны два способа синтеза новых холафанов. Структура полученных соединений подтверждена методами ЯМР 'Н, 13С и масс-спектроскопии.

Спектры ЯМР 'Н и |3С стероидов имеют довольно сложную картину из-за наличия атомов сходной природы, сигналы которых имеют близкие химические сдвиги и накладываются друг на друга. Однако, в спектрах полученных нами продуктов всегда присутствуют характерные сигналы, лежащие в стороне от основной части спектра и поддающиеся легкой идентификации. Например, в спектре ЯМР *Н линейных димеров 2 и 8 наблюдается смещение химического сдвига протона Зр-Н в область более слабого поля (с 3.6 м.д. до 5.0 м.д.). При замыкании цикла с образованием диамидного спейсера происходит небольшое смещение химических сдвигов протонов СНг-группы в 23 положении в сильное поле (с области 2.5-2.3 м.д. до 2.2-2.0 м.д.), тогда как при образовании сложноэфирного мостика положение химических сдвигов СНг-группы в 24 положении смещается в область более слабого поля (с 3.6 м.д. до 4.3-4.5 м.д.).

Для получения амфифильных макроциклов, имеющих высокую степень асимметрии и потенциальную возможность к избирательному образованию молекулярных комплексов с хиральными молекулами, например с сахарами, аминокислотами и пептидами, нами было предложено использовать в качестве мостика фрагмент оптически активной 1,1'-бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты.

р

Ъвп

С1-Х-С1

но*

ОМАР, Е13Ы

рьмв,юо°с

Н-У-Н

ОМАР, Е13М, СН2С12

1$а-(1

12а-Ь, = Вп 13а-Ь. П = Н

14а-Ь.В = СЛиСЛОН'°СС'СН2С12

Н2, РсЗ/С, ТНР

Схема 3. Синтез холафанов с комбинацией амидного мостика и сложноэфирного мостика на основе оптически активной 1,1'- бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты.

Таблица 3 Макроциклические молекулы 15а-с1.

№ 15а 15Ь 15с 15(1

С1-Х-С1 ОО-/4

Н-У-Н

Выход 43 50 51 54

Макроциклизация пентафторфениловых эфиров с полиоксадиаминами проходит с хорошими выходами холафанов, причем выходы макроциклов практически не зависят от длины полиоксадиаминового мостика.

Аналогично, по второму методу были получены макроциклы с двумя сложноэфирными мостиками, один из которых являлся фрагментом 1,1'- бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты (схема 4).

Схема 4. Синтез холафанов 16а, Ь с двумя сложноэфирными мостиками Таблица 4 Конфигурация заместителя в положении 24,24' и выходы макроциклов

№ 16а 16Ь

С1-У-С1

Выход(%) 32 32

В макроциклах, полученных по второму методу (схема 4), фрагмент 1,1'- бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты связан со стероидным каркасом менее жестко, и возможно, данные макроциклические молекулы смогут легче подстраиваться под различные субстраты

и, следовательно, проявлять большую эффективность в процессах комплексообразования, чем макроциклы, полученные по первому методу (схема 3). Удельное вращение макроциклов 15а и 15с (с 04, СНС13, 22°С), где фрагмент S-(-)- (15а) или R-(+)- (15с) 1,1'- бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты связывает положения 3,3', составило +10° и +35° соответственно. Учитывая, что [a]D20 литохолевой кислоты составляет +32° а по литературным данным [a]D 1,1'- бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты -127° для S-(-)- и +127° для К-(+)-энантиомера, можно предположить, что в макроциклах 15а и 15с два фрагмента литохолевой кислоты экранируют бинафтильный остаток, и участие последнего в удельном вращении макроциклов незначителено. Напротив, [a]D22 холафанов 16а (S-(-)) и 16b (R-(+)) составляет в тех же условиях -115° и +100° соответственно, и, следовательно, бинафтильный фрагмент в положении 24,24' боковой цепи определяет угол вращения, тогда как вклад стероидного скелета в удельное вращение компенсируется.

Синтез макроциклов на основе деоксихолевой и холевой кислот с использованием хлораншдридов карбоновых кислот часто осложняется их неизбирательной реакционной способностью по отношению к гидроксигруппам в 3, 7 и 12 положениях. По этой причине ранее наиболее часто для синтеза макроциклов использовалась литохолевая кислота, имеющая гидроксильную группу только в положении 3, однако, её производные имеют гидрофобную полость и менее ценные комплексообразующие свойства. Предложенный нами метод образования сложноэфирного мостика по положению 3, 3' бензиловых эфиров литохолевой кислоты, заключающийся в их диацилировании дихлорангидридами ароматических кислот в толуоле при температуре 100°С в течение 12 ч, оказался непригодным для получения димеров деоксихолевой и холевой кислот из-за протекания реакции по положениям 7 и 12 ввиду низкой селективности ацилирования. Предварительная защита гидроксигрупп в положениях 7 и 12 желчной кислоты оказалась неэффективной из-за осложнений, возникающих в процессе удаления защитных групп. В результате значительного количества экспериментов для избирательного образования спейсерных групп из дихлорангидридов арендикарбоновых кислот между фрагментами деоксихолевой и холевой кислоты нами найдены мягкие условия 3,3'-диацилирования: использование в качестве растворителя дихлорметана или ТГФ вместо толуола и проведение реакции при 20°С вместо 100°С. Эти условия позволяют получать соединения типа 17а-с с выходом до 65% без существенной примеси продуктов ацилирования по 7 и 12 положениям.

ОВп

С1-Х-С1

ОМАР, Е13М, СН2С12

, Рс1/С, ТНР

Н-У-Н

ОМАР, СН2С12

17а-с, И" = Вп —1 18а-с. № = Н -г=!

20а-с

Схема 5, Синтез холафанов с комбинацией амидного и сложноэфирного мостиков Таблица 5 Выходы холафанов на основе производных деоксихолевой и холевой кислот

№

И

Я'

С1-Х-С1

Н-У-Н

Выход(%)

20а

20Ь

20с

Н

ОН

ОН

ОН

он

он

/

о о

А

\

\

н н

о—V

37

34

28

Нами обнаружено, что выходы холафанов на стадии циклизации практически не меняются при переходе от производных литохолевой кислоты (5а-Ь) к производным деоксихолевой и холевой кислот (20а-с). Таким образом, нами впервые предложен удобный метод получения холафанов на основе деоксихолевой и холевой кислот без предварительной защиты свободных гидроксигрупп.

Аналогично, в синтезе холафанов с двумя сложноэфирными мостиками предложенные нами более мягкие условия ацилирования (СН2С12, 20°С, БМАР, пиридин)

позволили получить с хорошим выходом (56%) димер производного холевой кислоты 21. Последущее удаление тритилыгой защиты привело к 24,24'-диолам, которые затем использовались в реакции с дихлорангидридами дикарбоновых кислот в мягких условиях.

Схема 6. Синтез холафанов с двумя сложноэфирными мостиками

Таблица 6 Выходы холафанов с двумя сложноэфирными мостиками № С1-Х-С1 Выход(%)

23Ь ^"ОГ* 18 О О

И в данном случае выходы холафанов на стадии циклизации, хотя и являются низкими, также не меняются при переходе от производных литохолевой кислоты (10Ь-е) к производным холевой кислоты (23а-Ь).

В спектре ЯМР 'Н полученных макроциклов 20а-с,23а-Ь, как и для описанных нами ранее макроциклов 5а-Ь, 10а-е наблюдается смещение химического сдвига протона Зр-Н в область более слабого поля (с 3.4 м.д. до 4.8 м.д.), тогда как положение протонов 70-Н и 12р-Н остается неизменным (3.88 м.д. и 3.98-4.02 м.д. соответственно). При замыкании цикла с образованием диамидного спейсера (20а-с) происходит небольшое смещение химических сдвигов протонов СН2-группы в 23 положении в сильное поле (с 2.7 м.д. до 2.1 м.д.), тогда

как при образовании сложноэфирного мостика расположение химических сдвигов СНг-группы в 24 положении смешается в область более слабого поля (с 3.6 м.д. до 4.4-4.5 м.д.).

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

Нуклеофильное присоединение триметилсилилцианида по карбонильной группе хорошо известно и широко применяется в современной органической химии, тогда как электрофильное присоединение триметилсилилцианида к кратным связям гораздо менее изучено. В продолжении работ, выполненных в лаборатории ЭОС в 90-х годах XX века по изучению электрофильного присоединения элементоорганических соединений к активированной тройной связи нами впервые было исследовано присоединение триметилсилицианида к нуклеофильным алкинам, которое приводит к ранее неизвестным а-цианоенаминам, содержащим гетероатомные заместители при двойной связи. Такие соединения могут выступать как удобные синтоны в реакциях кросс-сочетания для введения а-цианоенаминного фрагмента, а также приводить после гидрирования к насыщенным элементозамещенным а-аминонитрилам и диаминам.

Присоединение MeзSiCN к нуклеофильным инаминам 24а-Ь медленно протекает за 12 недели при 20°С в дихлорметане даже в отсутствие катализаторов, приводя к индивидуальным регио- и стереоизомерным а-цианоенаминам 25а-Ь с выходом 50-60%. Добавление каталитического количества триметилиодсилана МезБи уменьшает время реакции до нескольких часов при 20°С. Трибутилстаннилцианид также регио- и стереоселективно присоединяется к аминоацетиленам 24а-Ь, причем реакция гладко протекает при 20°С без катализатора.

ГС _ ^ й'зЕСЫ «'зЕ^СМ ^ ^

2о°с, сн2с12 р ме2

24а-Ь Е- 25а-а

24: а, И=Ме; Ь, РЫ-Рг.

25: а, И=Ме, Р'3Е=Ме381; Ь, РЫ-Рг, Р'3Е=Ме381; с, И=Ме, П'3Е=Ви3Зп; с), РЫ-Рг, №3Е=Ви35п.

Определение конфигурации тетразамещенных алкенов 25а-<1 представляет достаточно сложную задачу, особенно в тех случаях, когда присутствует только один изомер, и непосредственное сравнение спектров ЯМР соответствующих изомеров не может быть выполнено. Для подтверждения структуры соединения 25а нами был исследован ядерный эффект Оверхаузера (ГТОЕОН7), который показал отчетливый отклик протонов метальной группы при двойной связи при облучении метиленовых протонов в диэтиламиногруппе, что свидетельствует в пользу пространственной близости этих групп и их цис-расположения.

Таким образом, можно предположить, что взаимодействие Ме^СЫ и ВизБпСК с амииоацетиленами протекает как син-присоединение. Строение продуктов 25а-Ь было также подтверждено путем их трансформации в тризамещенные алкелы обработкой эквивалентом СбР в метаноле.

Ме331 СЫ МеОН, Сэр Н СЫ Я СН

/=\ --"" /=\ + )=\

я ме(2 12 ь, п. в ма2 н ш2

25а-ь 68-72% 8-12%

7-26а-Ь £-26а-Ь

Спектр ЯМР 'Н для соединения соответствует спектру этого соединения,

описанного ранее в качестве побочного продукта реакции замещенных 1,2,4-триазинов с 24а. Таким образом, данные, полученные в результате протодесилилирования 25а, также согласуются с предложенной ¿-конфигурацией а-цианоенамина 25а. Гидроцианирование аминоацетиленов 24а-Ь ацетонциангидрином также легко протекает с образованием 2'¡Е-изомеров в соотношении примерно 9:1. В случае этих аддуктов количество минорного изомера Я-26 увеличивается после нагревания. Можно предположить, что и здесь происходит кинетически контролируемое сш-присоединение НСИ к инаминам с первоначальным образованием 2-изомера.

Л'

рм

он

н СИ н СЫ

-МЕ|2 -- >=<+>=<

- Ме2СО Я МЕ12 н №(2

24а-Ь г-26а-Ь Е-26а-Ь

88-92% 8-12%

Нами также исследовано присоединение бромциана к инаминам 24а-Ь (1-2 ч при 20°С в дихлорметане выход 27а-Ь 67 и 78% соответственно), которое протекает как син-присоединение с последующей частичной изомеризацией в анти-аддукт.

ВгСЫ « СЫ

ОГЫЧ \ / \ / -- >=< + )=<

Я МЕ12 Вг N£12

24а-Ь Е- 27а-Ь г-27а-Ь

Также найдено, что (З-фосфинозамещенные сх-цианоенамины могут быть получены реакцией фосфорзамещенных аминоацетиленов 28а-Ь, 30 с ацетонциангидрином. В этом случае наблюдается также образование смеси Е- и 2-изомеров, однако первичным является образование «¿«-продуктов.

-ч

см

-ш2

ОН ЧЯ* Н\ /СМ

- Ме2СО И N£12 Н ЫЕ12

28а-Ь, 30 г-29а-Ь, ¿-31 Е-29а-Ь, Е-31

28а: Я = ЬРггР 29а: И = АРггР

28Ь: И = /-Ви2Р 29Ь: И = <-Ви2Р

30: Я = (ЕЮ)2Р(0) 31: Я = (ЕЮ)2Р(0)

2-геометрия основных изомеров 26, 29 и 31 также подтверждена значениями констант 3Унссс(М) , слабопольным химическим сдвигом протона при двойной связи в случае, когда цианогруппа находится в 2-положении к атому водорода. Для фосфор (Ш)-замещенных аддуктов 29 предложеное строение подтверждено: 1) более высоким значением константы 2]рс=с в случае, когда аминогруппа и атом фосфора находятся в Е-положении; 2) дальней константой спин-спинового взаимодействия метиленовых протонов диэтиламиногруппы с атомом фосфора в изомерах 2-29а-Ь.

В рамках исследований присоединения триметилсилилцианида к карбонильной группе нами была изучена его реакция с фосфорзамещенными карбонильными соединениями 32а-(1 с целью получения неизвестных ранее фосфорзамещенных аналогов гидроксидикарбоновых кислот. Обнаружено, что классические катализаторы присоединения MeэSiCN (кислоты Льюиса и цианиды в условиях межфазного катализа) не проявляют каталитической активности по отношению к фосфорзамещенным карбонильным соединениям, тогда как катализ трибутилоловоцианидом приводит к продуктам присоединения ЗЗа-(1 с хорошим выходом.

9 9 Ме35Юи 9 9&Мез 1.Ме3&Вг О ОН

(В0)2Р^В 10то1%Ви38^ 2,Ме0Н

33а: п = О, Я = Ме, 87%, ЗЗЬ: п = 1, Я = Ме, 79% 34.^

32а-а 33с: п = 1, Я = Н, 72%, 33с1: п = 2, И = Ме, 91 %

Опыт, накопленный нами при изучении присоединения цианистого водорода и триметилсилилцианида к аминоацетиленам и кетофосфонатам был использован нами для модификации 3- и 17-кетостероидов с целью синтеза неизвестных ранее бис(холил)производных арендикарбоновых кислот, а также для увеличения выходов известных соединений - полупродуктов синтеза фармакологически важных стероидов. При синтезе макроциклов, содержащих остаток арендикарбоновой кислоты, соединенный непосредственно со стероидным скелетом, в литературе большое внимание уделяется синтезу холафанов с удлиненной цепью при С-3 углероде желчной кислоты, например холафанов с бензил-амидным фрагментом или с остатком гликолевой кислоты. Формирование подобных фрагментов затрагивает гидроксигруипу при С-3, и в конечных

соединениях она либо отсутствует, либо оказывается связанной. Макроциклические производные холевых кислот с удлиненной по положению 3 цепью имеют ббльший размер полости. Превращение 3-гидроксигруппы в 3-кетогруппу и последующее образование на основе 3-кетохолевых кислот циангидринов с последующим их восстановлением в амины способно не только сохранить гидроксильную группу в 3 положении, но и получить более нуклеофильную аминометильную группу, пригодную для последующего ацилирования. Нам представлялось интересным применить этот подход к наращиванию боковой цепи кольца А стероидного каркаса желчных кислот. В качестве источника цианид-иона нами был выбран триметилсилилцианид.

Присоединение триметилсилилцианида к эфирам 3-кетолитохолевой кислоты 35а-Ь протекает гладко в дихлорметане (20°С, 18 ч) с использованием 10 моль.% КСИ и 10 моль.% дибензо-18-краун-6 в качестве катализатора, выход циангидринов 36а-Ь составляет 92-94%.

а: Я = Ме, Ь: Я = Вп

В спектрах ЯМР 'Н продукта присутствуют сигналы двух триметилсилильных групп с химическими сдвигами 0.24 м.д. и 0.22 м.д., относящиеся к двум диастереомерным циангидринам, в соотношении 6:1, в спектре ЯМР 13С также присутствуют сигналы двух нитрильных групп с химическими сдвигами 121.9 м.д. для основного соединения и 123.0 м.д. для побочного и сигналы четвертичного углерода С-3: 72.5 м.д. и 68.3 м.д. в соотношении 6:1. По данным спектра ЯМР 13С без подавления спин-спинового взаимодействия с протонами сигнал нитрильной группы основного эпимера представляет собой триплет триплетов с константами спин-спйнового взаимодействия 1сн = 9.3 Гц и 1Сн = 4.0 Гц тогда как для минорного эпимера сигнал нитрильной группы выглядит как мультиплет с полушириной 3.3 Гц. Согласно литературным данным, у заместителя в циклогексановом кольце, находящегося в аксиальном положении, при взаимодействии с соседними аксиальными и экваториальными протонами должны быть большие КССВ, чем у заместителя в экваториальном положении.

Таким образом, в процессе присоединения триметилсилилцианида к эфирам 3-кетолитохолевой кислоты преобладающим диастереомером является циангидрин, содержащий нитрильную группу в аксиальном положении (Зр-С>1), что хорошо согласуется

с данными о стереохимии нуклеофильного присоединения по карбонильной группе циклических кетоиов.

Аналогично происходит взаимодействие в тех же условиях избытка триметилсилилцианида с бензиловым эфиром 3-кетохолевой кислоты 37. В результате образуется смесь эпимеров в соотношении 9:1, причем основным продуктом также является ЗР-циано-За-триметилсилокси- эпимер 38.

Триметилсилилцианид также выступает как силилирующий агент - в процессе реакции происходит силилирование свободных гидроксигрупп в положениях 7 и 12.

Гидроцианирование метилового эфира 3-кетолитохолевой кислоты 36а ацетонциангидрином в водном метаноле при комнатной температуре в условиях щелочного катализа привело к образованию единственного изомера с выходом 96%. В спектре ЯМР 13С присутствует только сигнал с химическим сдвигом 122.0 м.д., относящийся к цианогруппе, для которого можно наблюдать спин-спиновое взаимодействие с протонами (триплет триплетов с константами 1сн = 9.5 Гц и 3.9 Гц), и один сигнал с химическим сдвигом 71.5, относящийся к четвертичному атому С-3. Основываясь на данных ЯМР, полученных для триметилсилиловых эфиров, можно предположить, что в результате данной реакции получается Зр-циано-За-гидрокси- метиллитохоланоат 39. Для подтверждения его строения нами было проведено силилирование данного циангидрина триметилхлорсиланом в пиридине при комнатной температуре. Выделенный с выходом 99% продукт по своим спектральным данным полностью соответствует О-триметилсилилциангидрину 36а.

35а 39 36а

Образование единственного эпимера в данном случае можно объяснить плохой растворимостью продукта в водном метаноле, в результате чего в процессе реакции он выпадает в осадок и не участвует в возможной изомеризации. Действительно, проведение реакции при большом разбавлении и полном растворении продуктов приводит к смеси двух изомеров: Зр-циано-За-гидрокси- и За-циано-ЗР-гидрокси- в соотношении 3:1.

Восстановление нитрильной группы в полученных циангидринах оказалось трудной задачей. Приемлемого результата удалось достичь лишь при использовании комплексных гидридов. Так, восстановление 36а-Ь боргидридом натрия в присутствии хлорида кобальта СоСЬ*6Н20 в метаноле приводит к соответствующим аминометильиым производным 40а-Ь с выходом 34-35% после выделения колоночной хроматографией.

Ь: й = Вп

К сожалению, данный метод оказался неприменим к циангидрину 38, поскольку в результате реакции образуется сложная смесь продуктов.

Силилированный Р-аминоспирт 40а в найденных нами ранее условиях реагирует с дихлорангидридом изофталевой кислоты с образованием димера 41а, при этом в процессе обработки реакционной смеси и выделения продукта происходит удаление триметилсилильной группы с За-гидроксила.

В случае (З-аминоспирта 41Ь удалось выделить продукт, содержащий триметилсилокси группы в положении 3.

Удаление бензильных защит в 41Ь приводит к соответствующей дикарбоновой кислоте 42. Таким образом, нами предложен метод синтеза нового типа производных, состоящих из двух фрагментов литохолевой кислоты и одной спейсерной группировки. Полученные соединения могут обладать свойствами ионофоров. Однако, учитывая трудоемкость их синтеза, умеренные выходы целевых соединений, а также невозможность распространить этот метод на производные холевой кислоты, соединения 41а-Ь не были использованы для синтеза на их основе макроциклических молекул.

Образование циангидринов широко используется в синтезе фармакологически важных стероидных соединений ряда прегнана - так называемый циангидринный метод наращивания боковой цепи при кольце Б, заключающийся в селективном присоединении НСЯ по С-17 карбонильной группе с последующей трансформацией нитрильной группы. При разработке лабораторного регламента синтеза стероидных противовоспалительных препаратов ряда фторкортикоидов нами были проведены исследования по поиску оптимального метода синтеза циангидрина 44 из андроста-4,9(11)-диен-3,17-диона 43.

Гидроцианирование 43 осложняется образованием побочных соединений: его эпимера по положению 17 (44а) и продуктов присоединения НСЫ по Д4-двойной связи, из-за чего выход целевого 17р-циан-17а-гидроксиандроста-4,9( 11)-диен-3-она 44 не превышает 65-70%.

Нами установлено, что стереонаправленность процесса определяется не столько структурой субстрата и природой реагента - донора цианид-аниона, как считалось ранее, сколько условиями проведения реакции. Поскольку реакция гидроцианирования является обратимой, то при проведении процесса в протонном растворителе реакция сдвигается в сторону образования менее растворимого в данных условиях изомера. Так, в избытке ацетонциангидрина или в абсолютном спирте, где менее растворим 17а-цианэпимер 44а, образуется до 80% этого продукта. Напротив, увеличение полярности смеси растворителей понижает растворимость 17р-циан-эпимера 44, и он образуется с выходом более 90%.

Таким образом, нами была показана возможность применения ацетонциангидрина для селективного получения 17р-циан-17а-гидроксиандроста-4,9(11)-диен-3-она 44 с высоким выходом. На основе полученных результатов нами разработан лабораторный регламент гидроцианирования Л9""-ЛД 43 с применением ацетонциангидрина и без использования цианидов щелочных металлов. Достигнут стабильный, масштабируемый выход 80+1%.

43

44

44а

Для получения стандартного образца побочного продукта - 17Р-гидрокси-17сс-цианоандроста-4,9(11)-диен-3-она 44а нами был разработан метод силилцианирования Д9(И)-АД 43 с образованием 17Р-триметилсилилокси-17а-цианоандроста-4,9(11)-диен-3-она 45 и последущим удалением триметилсилильной группы.

3. Синтез макроцнклических молекул с использованием медь-катализируемон реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения

Реакции, катализируемые комплексами переходных металлов, в отличие от методов классической органической химии, до настоящего времени не нашли широкого применения в синтезе макроциклов на основе желчных кислот. Ранее в лаборатории ЭОС Химического факультета МГУ было показано, что использование реакций Рс1-катализируемого аминирования в синтезе макроцнклических производных литохолевой кислоты может приводить к неожиданно высокому выходу продукта (до 65%) на стадии образования макроцикла. Это может быть связано с тем, что макроциклизация происходит в координационной сфере переходного металла, которая способствует благоприятной ориентации двух реагирующих фрагментов во время замыкания макроцикла. Для синтеза макроциклов на основе желчных кислот нами было предложено использовать медь-катализируемую реакцию 1,3-диполярного присоединения азидов к тройной связи (далее в тексте обозначенную как «клик»-реакция) с образованием спейсерных групп - 1,4-замещенных 1,2,3-триазолов на стадии макроциклизации. В макроцнклических структурах триазольный фрагмент может выступать как инертный линкер, благодаря своей стабильности ко многим реагентам, а также как дополнительный координационный центр для ионов и нейтральных молекул. Помимо этого, нам представлялось интересным сравнить результаты синтеза макроциклов с использованием методов классической органической химии, с результатами замыкания цикла в медь-катализируемой реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения.

Для синтеза холафанов типа «голова к голове» было предложено начать с первоначального формирования мостика, соединяющего положения 3, 3' производного желчной кислоты. Так взаимодействием пропаргиловых эфиров лито- и деоксихолевой кислот 46а-Ь с дихлорангидридом изофталевой кислоты были получены соответствующие

бис(холан)-24,24'-дипропаргиловые эфиры 47a-b с хорошими выходами. Синтез бис(холан)-24,24'-диазида 53 был осуществлен в 7 стадий,

Реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения в толуоле в присутствии Cul протекает чрезвычайно медленно. Оптимальным катализатором реакции оказался трифлат меди® в смеси толуол-ДМСО, позволяющий проводить реакцию за 5-10 часов, при этом продукты макроциклизации легко выделяются колоночной хроматографией. Реакция стероид-содержащих дипропаргиловых эфиров 47а-Ь с фенилендиазидами 54a-d приводит к холафанам 55а-е с выходом 15-24%. Макроциклы 55а,е удалось выделить в индивидуальном виде хроматографически, тогда как холафаны 55b-d были получены в смеси с соответствующими циклодимерами (в соотношении 10:1), содержащими четыре остатка желчной кислоты и четыре триазольных фрагмента. Взаимодействие стероид-содержащего диазида 53 с дипропаргиловыми эфирами 56а-с приводит к макроциклам 57а-с с выходами ниже, чем в предыдущем случае. В случае холафанов 57а,b также наблюдается образование циклодимерных продуктов, соотношение макроцикл/циклодимер составляет около 10:1 после выделения колоночной хроматографией.

О

47а-Ь

55а-е

54а: R,,R2=H

54b: Ri=Me, R2=H 54c: R,=H, R2=Me 54d: R,=H, R2=CI

47a: R = H 47b: R = OH

55a: R, R,, R2 = H,21%

55b: R, R2 = H, R, = Me, 24% 55c: R, R, = H, R2 = Me, 15% 55d:R, R, = H, R2 = CI, 16% 55e: R*OH, R,,R2 = H, 18%

СиОТГ0.5С6Н6 ОуУ РЬМе:0М50 О

100°С

56а, У=(СН2)8 56Ь, У=(СН2)7 56с, У=СН2ОСН2

57а, У=(СНг)8, 9% 57Ь, У=(СН2),-, 12% 57С, У=СН2ОСН2, 16%

Строение конечных макроциклов подтверждается спектрами ЯМР 'Н и 13С. В спектре -ЯМР 'Н при образовании триазолыюго цикла наблюдается смещение химических сдвигов протонов, относящихся к пропаргильной компоненте, в более слабое поле. Так, протоны СН2 группы в исходном пропаргиловом эфире имеют химический сдвиг 4.66 м.д., сигнал же С1Ь группы, соединенной с триазольным циклом, находится в области 5.5 м.д.. Сигнал ацетиленового протона находится в области 2.5 м.д., в конечном триазольном цикле сигнал протона расположен в области 7.5 м.д. Соотношение циклоолигомеров определено по данным ЯМР 'Н, а их состав подтвержден масс-спектроскопией МАЬ01-Т0Р. Макроциклы, содержащие триазольный фрагмент, легко теряют молекулу азота и в масс-спектре наблюдаются сигналы [М-28]+, [М-5б]+.

Нам также представлялось интересным использовать «клик»-реакцию для циклодимеризации производных желчных кислот, содержащих в одной молекуле и пропаргильную, и азидную группы. Введение азидной функции в положение 3 молекулы стероида осуществлялось реакцией Мицунобу эфира деоксихолевой кислоты 46Ь с метансульфокислотой и последущим нуклеофильным замещением азидом натрия.

1. МзОН, ОЕАО РИзР, ОМАР, ТНЯ. 40°С

2. №N3, РМБО

80°С

4бЬ

Из пропаргилового эфира литохолевой кислоты 46а было синтезировано азидо-производное 59, в котором азидная группа не находится в стероидном скелете.

Синтез бис(холан)содержащих макроциклов 60, 61, построенных по типу "голова к хвосту", был осуществлен в условиях, аналогичных условиям синтеза холафанов 55 и 57. Соединения 60 и 61 удалось выделить в чистом виде без примеси циклотри- и тетрамеров. Полученные результаты свидетельствуют о том, что макроциклизация с использованием «клик»-реакции является умеренно эффективной в синтезе холафанов, однако, хотя и уступает по выходам целевых соединений ряду классических методов, обсужденных в первой части данной работы, но при этом даёт возможность вводить в макроцикл триазольную функцию.

58: X = попе, Я = ОН 60: X = попе, Р = ОН, 20%

59: X = 0С(0)СН2, И = Н 61: X = 0С(0)СНг, й = Н, 25%

В ряде случаев эта реакция является более эффективной, чем классические методы. При попытке синтеза одного и того же продукта 55Ь нами показано, что его синтез путем взаимодействия бис(триазол) содержащего димера 62 с дихлорангидридом изофталевой кислоты невозможен, по причине образования исключительно олигомерных продуктов. Тем не менее, это соединение легко получить с использованием реакции медь-катализируемого 1,3-диполярного циклоприсоединения.

55Ь

Тем не менее, умеренные выходы макроциклов на последней стадии циклизации существенно усложняют выделение целевых макроциклов и приводят к значительному удорожанию конечных соединений. Если исключить конечную стадию макроциклизации, с помощью клик реакции можно получить нециклические ди-, триподальные лиганды на основе желчных кислот, которые также могут выступать в качестве комплексообразователей и являться амфифильными поверхностно-активными веществами, обладающими рядом полезных свойств. Синтез подобных соединений менее трудоемок и характеризуется высокими выходами на каждой стадии.

В рамках выполнения совместного российско-индийского проекта РФФИ № 08-03-91308-ИНД_а нами было предложено использовать фосфорсодержащий трис(пропаргиловый) эфир 63 на основе трифенилфосфин оксида в клик реакции азидов и алкинов. Соединения четырехкоординированного фосфора предоставляют удобную основу для создания триподальных лигандов, а также способны иметь дополнительный координационный центр при комплексообразовании за счет фосфорильной группы.

Ш:

КМпОл

|нооо-

\\ //

Р=0

л /

Вг /_

ови, ЭМР

"О

р=о

63

Нами были получены неописанные ранее азиды 67а-Ь и 68а-Ь с аксиальным и экваториальным положением азидогруппы в положении 3.

соон

соон

67а: Я = Н, 86% 67Ь: И = ОН, 79%

68а: Н = Н, 71% 68Ь: Я = ОН, 64%

Соединения 67а-Ь и 68а-Ь были введены в клик реакцию с трис(пропаргиловым) эфиром 63 с использованием сульфата меди (II) и аскорбата натрия в качестве каталитической системы. В результате с высокими выходами были получены трис(холан) производные трифенилфосфина 69а-Ь и 70а-Ь, которые были переданы в группу профессора У. Майтры (Институт Науки, г. Бангалор, Индия) для дальнейших исследований.

МаАгс, Си504'5Н20 СООН ОМЯ 60°С

0=Р

69а: р, Я = Н, 82% 69Ь: р, Я = ОН, 79%

70а: а, Р = Н, 84% 70Ь: а, Я = ОН, 82%

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,Г-бинафтила и обнаружена зависимость удельного вращения макроцикла от расположения бинафтильного фрагмента в молекуле.

3. Впервые исследовано электрофильное присоединив 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.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1. N.V. Lukashev, A.V. Kazantsev, A.D. Averin, M.S. Baranov, P.A. Donez, E. Sievanen, E. Kolehmainen. "Novel macrocyclic bile acid derivatives. Selective and easy binding of two cholic acid moieties at 3 and 3' positions" Synthesis, 2009, (24), 4175-4182.

2. G.V. Latyshev, M.S. Baranov, A.V. Kazantsev, A.D. Averin, N.V. Lukashev, I.P. Beletskaya. "Copper-catalyzed [l,3]-dipolarcycloaddition for the synthesis of macrocycles containing acyclic, aromatic and steroidal moieties" Synthesis, 2009, (15), 2605-2615.

3. N.V. Lukashev A.V. Kazantsev, A.A. Borisenko, I.P. Beletskaya. "Cyanation of nucleophilic alkynes: easy approach to element-substituted a-cyanoenamines" Tetrahedron, 2001, 57(52), 10309-10317.

4. Казанцев A.B., Аверин А.Д., Лукашев H.B., Белецкая И.П. "Исследование присоединения Me3SiCN к 1-, 2-, 3-кетофосфонатам и фосфонацетальдегиду как путь к синтезу фосфорзамещенных гидроксикарбоновых кислот и их нитрилам" ЖОрХ, 1998, 34(10), 1495-1497

5. N.V. Lukashev, Latyshev G.V., Averin A.D., Kazantsev A.V., Savinova T.S., Cheprakov A.V. "Steroid transformations: new trends in the classical field" Book of Abstracts, The Combined XII Spring Meeting of the Division of Synthetic Chemistry and XXXII Finnish NMR Symposium, 2011, p 11.

6. Пешков B.A., Казанцев A.B. «Синтез макроциклов на основе литохолевой кислоты». Материалы докладов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», 2008, с. 499.

7. N.V. Lukashev A.V. Kazantsev, I.P. Beletskaya. "The regio- and stereoselective cyanation of nucleophilic alkynes. An easy approach to element-substituted a-cyanoenamines". Book of abstracts, International conference "Reaction Mechanisms and Organic Intermediates"; Saint-Petersburg, Russia; June 11-14,2001, p. 156.

8. N.V. Lukashev, E.A. Tarasenko, A.V. Kazantsev, G.A. Artamkina, I.P. Beletskaya. "Transition metal catalysis in synthesis of functional substituted phosphonates" Abstracts of XIV International Conference on Phosphorus Chemistry; Cincinnati, Ohio, USA; July 12-17, 1998; p. 138.

b /

ih

Заказ № 99-П/03/2012 Подписано в печать 20.03.2012 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1,25

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таП:т/о@с/г.ги

61 12-2/402

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Казанцев Алексей Витальевич

НОВЫЕ ПОДХОДЫ К МОДИФИКАЦИИ СТЕРОИДОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АМФИФИЛЬНЫХ ЛИГАНДОВ И СИНТЕЗА ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИХ

ПРЕПАРАТОВ

02.00.03 - органическая химия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Лукашев Николай Вадимович

Москва - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение 3

2. Обзор литературы 7

2.1. Макроциклические производные желчных кислот и способы их синтеза 8

2.2. Применение и исследование комплексообразующей способности макроциклических и других структур на основе желчных кислот 28

3. Обсуждение результатов 41

3.1. Синтез макроциклических соединений на основе желчных кислот с использованием реакций ацилирования 42

3.2. Присоединение цианистого водорода и триметилсилилцианида к нуклеофильным алкинам, кетофосфонатам, 3- и 17-кетостероидам 52

3.3. Синтез макроциклических молекул с использованием медь-катализируемой реакции 1,3-Диполярного циклоприсоединения 66

4. Экспериментальная часть 76

4.1. Синтез холафанов на основе литохолевой кислоты с комбинацией амидного и сложноэфирного мостиков 76

4.2. Синтез холафанов на основе литохолевой кислоты с двумя сложноэфирными мостиками 79

4.3. Синтез холафанов на основе литохолевой кислоты, содержащих хиральные мостики на основе стереоизомеров 1,1'-бинафтил-2,2'-дикарбоновой кислоты 83

4.4. Синтез холафанов на основе деоксихолевой и холевой кислот

с комбинацией амидного и сложноэфирного мостиков 89

4.5. Синтез холафанов на основе холевой кислоты с двумя сложноэфирными мостиками 95

4.6. Присоединение цианистого водорода, использованного в виде ацетонциангидрина, и элементзамещенных цианидов к нуклеофильным алкинам 97

4.7. Взаимодействие триметилсилилцианида с фосфорзамещенными карбонильными соединениями 104

4.8. Присоединение цианистого водорода и триметилсилилцианида

к 3 -кето- и 3,17-дикетостероидам 106

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

циклоприсоединения, катализируемой солями меди(1) 113

5. Выводы 130

6. Список литературы 131

7. Приложение 141

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 ли