Получение новых полиметиновых красителей на основе бензоксазола и бензотиазола тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи ^

V

СЕДУНОВА ПОЛИНА АНДРЕЕВНА

ПОЛУЧЕНИЕ НОВЫХ ПОЛИМЕТИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БЕНЗОКСАЗОЛА И БЕНЗОТИАЗОЛА

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ХИМИЧЕСКИХ НАУК

005010931

- 1 МАР

005010931

На правах рукописи

К

СЕДУНОВА ПОЛИНА АНДРЕЕВНА

ПОЛУЧЕНИЕ НОВЫХ ПОЛИМЕТИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БЕНЗОКСАЗОЛА И БЕНЗОТИАЗОЛА

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ХИМИЧЕСКИХ НАУК

I абота выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)».

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Рамш Станислав Михайлович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Москвин Андрей Вадимович

кандидат химических наук, ведущий научный

сотрудник

Студенцов Евгений Павлович

Ведущая организация - Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова г. Санкт-Пегербург.

Защита состоится « ¿9 » 2012 г. в Y6’ — часов на

/ / --------------------------------

заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.230.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)».

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013. Санкт-Петербург. Московский пр. д.26, Санкт-Петербургскии государственный технологический институт (технический университет). Ученый совет: тел. 494-93-75. факс 712-77-91.

Email: dissovetfailti-gti.ru

Автореферат разослан « 2012 г.

Ученый секре тарь Диссертационного совета Д 212.230.02 канд. хим. наук, доцент________/.,,.. _____Н. Б. Соколова

Актуальность работы. Флуоресцентные зонды (ФЗ) являются важными химическими инструментами при исследованиях в различных областях молекулярной биологии и биохимии, а также широко используются в практической медицине при проведении диагностических тестов. Круг задач, решаемых с их помощью, непрерывно расширяется. В частности, они могут служить молекулярным инструментом для конструирования новых лекарственных препаратов. Поэтому получение и изучение свойств новых ФЗ остается предметом постоянного внимания исследователей.

Важное место среди ФЗ нуклеиновых кислот занимают симметричные моно- и триметиновые красители бензотиазольного и бензоксазольного рядов (так называемые ФЗ типа BOBO и POPO), широко используемые в генетических исследованиях и в современных диагностических методах, таких, как например, полимеразная цепная реакция (ПЦР). ПЦР применяется для диагностики рака на рапних стадиях заболевания, инфекционных заболеваний, в том числе СПИДа, при идентификации образцов ДНК в криминалистике и др.

ФЗ указанных типов в РФ не производятся, поэтому медицинские учреждения страны обеспечиваются ими по импорту. Поскольку’ биомедицинские технологии, в которых используются ФЗ типа BOBO и POPO, направлены на сохранение здоровья нации, то остро стоит проблема импортозамещения путем организации их отечественного производства.

Синтетическими прекурсорами (полупродуктами) этих ФЗ являются дифункциональные молекулы, «надстраивание» которых приводит как к целевым симметричным продуктам (бис-замещения), так и к побочным несимметричным (моно-замещения). В ключевых реакциях получения ФЗ указанного типа для генерирования промежуточных карбанионов используют основные агенты, что приводит к протеканию ряда нежелательных (побочных) реакций. Вопросы, связанные с увеличением выходов и повышением чистоты целевых ФЗ, в специальной литературе не отражены или отражены крайне скупо. Помимо синтетических. существуют и аналитические проблемы установления квалификации (чистоты и индивидуальности) синтезированных ФЗ и полvпродуктов их синтеза, связанные с осооенно<-!/Ысык.ральиых характеристик этих соединений, практически не освещенными в специальной

литературе. Без решения обозначенных проблем невозможно наладить рентабельный синтез ФЗ должной квалификации как в лабораторных, так и в опытно-промышленных условиях.

Представлялось весьма актуальным: (а) изучить существующие методы получения ФЗ типа BOBO и POPO в расчете овладеть технологиями их синтеза; (б) разработать новые, более рациональные методы получения ФЗ указанного типа; (в) попутно синтезировать оригинальные красители в качестве потенциальных зондов.

Основной целью данной работы является разработка научных основ лабораторного синтеза моно- и триметиновых красителей - ФЗ типа BOBO и POPO.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие основные задачи:

1. Апробировать традиционные методы синтеза ФЗ типа BOBO и POPO и оценить их возможности и ограничения;

2. Путем ретросинтетического анализа выявить и разработать новый метод синтеза ФЗ указанного типа;

3. Предложить способ интенсификации лабораторных методов синтеза указанных ФЗ;

4. Изучить особенности спектрального поведения указанных ФЗ и полупродуктов их синтеза:

5. Синтезировать новые красители - производные бензоксазола и бензотиазола - и оценить их потенциал в медико-биологических исследованиях.

Методы исследования. Методы синтетической органической химии. ЯМР спектрометрия. ИК спектроскопия. УФ спектроскопия, спектрофлуориметрия, масс-спектрометр ия.

Научная новизна работы:

1. Предложен новый способ получения полиметиновых красителей -интеркаляторов семейств BOBO и POPO, заключающийся в синтезе промежуточных соединений (полупродуктов) тетракатионного типа п\тем взаимодействия четвертичных соле» пиколина. содержащего N-бромалкильную группу, с третичными диаминами и последующем взаимодействии этих полупродуктов с четвертичными солями оензазолов. содержащих нуклеофугную группу во 2-м положении, в присутствии триэтиламииа.

2. Синтезированы новые бензотиазольные монометиновые и бензоксазольные тримстиновыс красители тетракатионного типа на основе 4,4-бштиридила и М,КЫ',К-тетраметилэтилендиамш1а (ТМЭДА), их тетракатионные предшественники, а также новые четвертичные соли 1,10-фенантролина.

3. Установлено, что при записи спектров ЯМР 'Н кондиционных образцов четвертичных солей 2-замещснных бензазолов в ДМСО-ё^ иод действием остаточной влаги растворителя происходит раскрытие азольного цикла или замещение нуклеофуга во 2-м положении азольного кольца, чю затрудняет интерпретацию спектров и приводит к неверным выводам о квалификации

образцов.

Практическая значимость работы:

1. У вновь синтезированных полиметиновых красителей выявлены флуоресцентные свойства, что открывает принципиальную возможность разработки на их основе флуоресцентных зондов для использования в различных

областях биологии и медицины.

2. Освоена лабораторная технология синтеза интеркаляторов семейства НОВО традиционным способом, заключающимся в получении промежуточного несимметричного полиметинового красителя с N-бромалкильной группировкой и его последующем взаимодействии с 4,4'-бипиридином или ГМЭДА. Наряду с разработкой нового способа получения указанных соединений это создает предпосылки для организации укрупненного лабораторного (полупромышленного) производства таких интеркаляторов в России.

3. Предложен способ интенсификации реакций получения интеркаляторов семейства BOBO путем микроволнового облучения. Показано, что микроволновая активация (MBA) позволяет не только ускорить процесс и увеличить выход интеркалятора, но и получить интеркалятор лучшего качества.

4. Выявлены возможности и ограничения ЯМР 'Н спектрометрии в качестве метода установления индивидуальности четвертичных солей бензазолов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новый метод получения интеркаляторов семейств BOBO и POPO.

2. Способ интенсификации синтеза интеркаляторов семейств BOBO и POPO

путем микроволнового облучения.

3. Нестабильность четвертичных солей бензазолов к действию остаточной влаги растворителя в условиях записи ЯМР спектров в ДМСО-dü-

4. Лабораторная технология получения интеркаляторов семейства ВОВО традиционным способом.

5. Возможность использования вновь синтезированных полиметиновых красителей в качестве флуоресцентных зондов ДНК.

Личный вклад автора. Участие в сборе, анализе и систематизации литературных данных, обсуждении целей и задач исследования, интерпретации полученных результатов и их обобщении, формулировке выводов, написании статей и представлении докладов по теме диссертации; подготовка и проведение синтезов, обработка и интерпретация спектральных данных (ЯМР 'Н спектры, ИКС, УФС, MC), структурные отнесения. ЯМР 'Н спектры получены к. х. н. Захаровым В.И. (НИИ ГПЭЧ ФМБА России), ИК спектры - Артамоновой Т.В. (СПбГТИ (ТУ)), масс-спектры высокого разрешения - Мишаревым А.Д. (СПбГУ) и Новиковым A.B. (ИАП РАН); элементный анализ выполнен Артамоновой Т.В. (СПбГТИ (ТУ)). Изучение синтезированных соединений в качестве потенциальных ФЗ проведено в лаборатории клеточной патологии Института цитологии РАН (зав. лаб. д. б. н. Кудрявцев Б.Н.).

Работа выполнена в рамках задания Министерства образования и науки РФ на проведение научных исследований по тематическому плану НИР вуза, темы 1.2.06 «Исследование реакционной способности полифункциональных гетероциклических соединений». № гос. регистрации 01200700666, и 1.4.04 «Разработка научных основ получения новых веществ фармакологического и сельскохозяйственного назначения в рядах элементоорганических соединений методами тонкого органического синтеза и биотехнологии». № гос. регистрации 01200412872.

Апробация работы: Материалы диссертации были представлены на 6-ти международных и российских конференциях. По материалам конференций опубликованы сборники тезисов докладов или выпущены электронные диски.

Публикации: По теме диссертации опубликована одна статья.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения,

литературного обзора (4 раздела), обсуждения результатов (3 раздела), экспериментальной части (7 разделов), выводов и списка литературы (93 ссылки). Материал диссертации изложен на ЩО страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 5 рисунков.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В литературном обзоре рассмотрены методы синтеза полиметиновых красителей семейств 'ГОТО, BOBO, YOYO и POPO1, а также полупродуктов, необходимых для их синтеза. Анализ имеющейся журнальной и патентной информации позволил сформулировать и обосновать задачи исследования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. ПРОИЗВОДНЫЕ ДИАМИНОВ- ПОЛУПРОДУКТЫ ДЛЯ СИНТЕЗА ПОЛИМЕТИНОВЫХ'КРАСИТЕЛЕЙ

Соединения (6-9) - полупродукты для синтеза несимметричных красителей -ползали алкилироваписм соответствующего амина замещенным галогеналканом (2, 3) в изоиропилог.чм спирте с выходом 50-90% (схема 1). В свою, очередь, соединения (2, 3) получали алкилированисм у-пиколииа без растворителя как минимум 4-кратным избытком 1,3-ди0гомпропаиа или 1,4-дибро.\;оутана с почт количественным выходом. При меньшем избытке алкилпрующего агента возможно образование побочных продуктов бисалкилироваиия (4", 5 ). 1,4-

Днметилииридиний йодид (1) был получен в качестве модельного соединения.

О1 /— п = 1 (6) 84%

п = : (7) йсЛо

11=1 (.41 51% п = 2 (9) 76%

ВГ _

-сн3

Вт

Вг' ВГ

И3С

сн3

п — 1 (10) 65% п - 2 (II) 69%

>—СНз

п-1 (12) 73% пт; 2 (13) 62%

n = 1 (2) 98% п = 2 (3) 95%

Н;0-WWII. reflux. J ч

KJ Вг- Вг-

Схема 1

-си,

п=1 (19) 60% П --2 [20) 72%

1 l‘;ieimi'¡>poRKa аббревиатур приведена в диссертации. " На cncmc не показан.

Полупродукты для синтеза симметричных красителей, представляющие собой четвертичные соли диаминов (10-13), получали алкилированием соответствующего диамина замещенным галогеналканом (2, 3) (схема 1). При получении соединения (10) в реакционной массе индицировался также продукт моно-алкилирования (14) (см. схему 2), однако в специально поставленном опыте с соотношением реагентов 1:1 был выделен не он, а продукт бис-алкилирования (10).

Соединения (15, 16) (схема 2) были синтезированы с целью разобраться с отнесением сигналов ароматических протонов бис-четвертичного бипиридинового фрагмента в ЯМР-спектрах полупродуктов (10.11).

По аналогии с синтезом соединений (10, 11) взаимодействием 2-кратного избытка алкилирующего агента (2) или (3) с 1,10-фенантролином ожидали получить соответствующие продукты бис-алкилирования (173, 183). Однако удалось выделить только продукты моно-алкилирования (19, 20) (схема 1), причем по данным ЯМР-спекгроскопии продукты бис-алкилирования вообще не образовывались, вероятно, по причине пространственных затруднений для второго замещения.

Соединения (10. 12) первоначально пытались синтезировать через

полупродукты (23. 22'’). в свою очередь получаемые бис-алкилированием 1.3-дибромпропаном соответствующего диамина (схема 3). Однако оказалось, что реакции диаминов с дигалогеналканами протекают неоднозначно.

При алкилировании ТМЭДА 1.3-дибромпропаном был выделен с выходом 43°6 не ожидаемый продукт бис-алкилирования (22'’), а циклическое дикатионное соединение (21) (схема 3). В результате взаимодействия 4.4'-бипиридина с более чем 2 эквивалентами 1.3-дибромпропана в изопропиловом спирте независимо от

ЯХ

ЯХ

х-

(24)

Схема 2

услошііі реакции всегда образовывалась смесь двух соединении - целевого (23) и побочною (24) (схема 3), разделить которую не удалось. 1 (родукт оис-алкилкрования (23) преобладал при комнатной температуре, оольшом шоытке алкилирующего агента и длительной выдержке реакционной смеси, циклический продукт (24) - при кипячении с небольшим избытком алкнлируюіцсіо агешл. Продукт моно-алкилирования (25) в реакционной смеси детектирован не был, поэтому вероятный путь образования тетракатионното цикла (24) в этом случае -через продукт бис-алкилирования (23) (схема 3).

Схема 3

После выдержки эквимолярных количеств 4,4'-бшшридина и 1,3-дибромиропана в изопропиловом спирте при комнатной температуре в течение 2 месяцев была получена смесь циклического продукта (24) и соединения (26), которое, вероятно, образуется из продукта моно-алкилирования (25).

После 3-часового кипячения 1,3-дибромпронана с 2-кратным избытком 4,4-бигшридина было выделено соединение (26), загрязненное исходным бипиридипом.

Образование смеси продуктов в реакциях диаминов с 1,3-дибромпропаном НС удивительно. поскольку оба реагента дифулкциональны. Для получения целевого продукта бис-алкилирования 4.4,-бипиридпн был введен в реакцию с Ь-х.торбромнропаном. Однако при проведении реакции при комнатной температуре

без растворителя в 24-кратном избытке 1,3-хлорбромпропана в течение 2 недель с выходом 82% был получен продует моно-алкилирования (28) (схема 2). Целевое бис-алкильное соединение (27) в смеси с продуктом его алкоголиза (294) было получено с выходом 48% после кипячения бипиридина с 12-кратным избытком алкилирующего агента в изопропиловом спирте в течение 6 часов.

Как уже было отмечено, цель получения соединений (23, 27, 22) состояла в их последующем использовании для синтеза полупродуктов (10, 12). Поскольку эти полупродукты в конечном итоге были синтезированы иным путем (см. схему 1), то дальнейшие попытки очистить соединения (23, 27, 22) или выделить их в индивидуальном виде не предпринимались.

2. ПРОИЗВОДНЫЕ БЕНЗАЗОЛОВ - ПОЛУПРОДУКТЫ ДЛЯ СИНТЕЗА ПОЛИМЕТИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ

Реакции получения четвертичных солей бензазолов, использованных в качестве полупродуктов для синтеза симметричных и несимметричных моно- и триметиновых красителей, а также стириловых красителей, представлены на схеме

4. '

Иодметилат (32) получали алкилированием 2-метилтиобензотиазола (31) йодистым метилом с выходом 66%. ЯМР ‘Н спектр кондиционного по всем остальным параметрам образца этого соединения в ДМСО-ё6, помимо сигналов самого йодметилата (32). содержит «посторонние» сигналы из-за его частичной трансформации в соединение (34) непосредственно в ампуле ЯМР-спекдрометра под действием остаточной влаги растворителя (схема 5). При съемке спектра с определенными предосторожностями, а именно, при растворении образца соединения (32) в ДМСО-с16 при комнатной температуре непосредственно перед записью спектра, можно получить неискаженный спектр этого соединения.

Препаративный гидролиз йодметилата (32) приводит к бензотиазолону (33). Различное направление гидролитической трансформации (32) в ДМСО-с16 и воде, помимо температурного фактора, объясняется тем, что необратимому элиминированию уходящей группы -5СН3 из циклической карбинольной формы псевдооснования (ПО) с образованием (33) способствует гидратация аниона ЗСНГ и протона, тогда как для таутомеризации циклической формы в открытую форму (34) наличие окружающей воды не обязательно. Движущей силой таутомеризации.

по-видимому, является большая стабильность открытой формы ПО по сравнению с напряженной циклической.

СН31

СН31

//—ш (с2н5ъп М (30) сн3см/н,о

I ч, 87%

КОН,

КМп04

-5СН3

(31)

a) 72 ч, 66%

b) С2Н5ОН, геПих, 3.5 ч,38%

На1(СН2)3На1

ГТ^ЗСНз

Г

сн3

1< 30 °С, 81%

БОзН/К

НіМ

сг +Н2Ы

(40)

a) На1=Вг, геПих, I ч, 22%

b) На1=С1, СН3СЫ, геПих, 4.5 ч, 11%

Н20, 91%

СХ^-^6

МІЧ ^

(СН3)2504

АС-.0, АсОН, 5 Ч; 73%

°\

>-сн3

■М (42)

ОСЬоз-

(39)

СН3

(41)

140 °С, 10 мин, 44%

СН3[

95 °С, 5 ч, 84% Ґ

—СН3 Мт Г

\

сн3

(43)

Н (46), Ас:0

-С,Н5МНС(0)СН3 (47) геПих, 1.5 ч, 65%

■ сн3

н20 геПих, 10 МИН

<^Г°\ /Г\ ^

I V Л^О '■ Н3С СН3

Дн2 ¿-РгОН, 20 МИН, 86%

(48)

(45)

-N■^4.

н ^

(49)

■>г Г СН3

(32)

НаГ

(36)

Схема 4 .

При алкилировании соединения (31) 1.3-дибромпропаном или 1,3-хлорбромпропаном вместо четвертичного Ы-бром- (З53) или хлорпропильного производного был выделен трициклический бромид (36) или хлорид.

2-Бензотиазолсульфокислота (37) была получена путем окисления 2-меркаптобензотиазола (30) перманганатом калия в щелочной среде. Содержание калиевой соли (38) в образце составляло 2-4%.

Сульфонат (39) был получен двумя способами: с выходом 73%

алкилированием сульфокислоты (37) диметилсульфатом в среде уксусного

ангидрид-11 и уксусной килтотм при кім>л«іс;іі:к і; гсчєііиє 5 часов; либо с выходом-45% силамлеппем бензилиютпуропненг.й соли (41) (согоруго получали осаждением’ го водного раствора сульфокислоты (37) хлоридом бензилизотиурония (40)) с димст!!лсульфатом при 140 “С в течение 10 минут.

Так же, как я и случае йодметплата (32), ЯМР '[I спектр в Д’ЛСО-;!6 кондиционного по всем остальным характеристикам сульфоната (39), помимо сигналов самого сульфоната (39), содержит «посторонние» сигналы из-за его частичной трансформации в бензотиазолон (33) непосредственно в ампуле Ял4Р-спекгрометра под действием остаточной влаги растворителя (схема 5). Препаративный гидролиз сульфоната (39) также приводит к тиазолону (33). Невидимому, преобладающее направление трансформации циклической формы ПО -оті) .'а электроотрицательной уходящей группы в виде аннона или таутомеризацня путем разрыва азолинового цикла в открытую форму ПО - зависит не только ог пр;!;Н' ;м растворителя (диметилсульфоксид или иода), по и от природы уходящей грун--.!: «хорошая» уходкигая группа -$05Н опкендчстся и .в ьлохо

сольунтирующем анионы ДМСО, а относительно «плохая» -5СН? - только в воде.

йодистым мегилом в запаянной ампуле при 10!)"'С в течение и-хко.-и>.-Л1х часов с выходом 85%. При сьемке ЯМР-спскцш в ДМСОчЬ,. как ■' в случае соедтхчшП (32. 39), под действием остаючной влаги растворителя йодметилат (43) частично трансформируется нрчмо в ампуле ЛИР-снсктромстра (схема 5). в данном случае -

- НА (У-$СІ і „ СП;)

11-

Х=5, У”КСИз, А~1 (32)

Х=-5. У-50>0\ А=- (39) ХЮ. У=СН3, Л=1 (43)

пссвдоосіов.іииг (ПО),

-НУ(У=5СН3), ііі!к.іи';.:ская ііюрч;і водная среда; '

ПО, открытая форма ¥-“!ІС! із (34); Х-О, У<Н3 (44)

Схема 5

1 Іодмеї ид а г (43) получали алкил иронаннем 2-мс шлСчап-'ксазо: д (42)

в амид (44). Препаративный гидролиз йодметилата (43), в отличие от соединений (32,39), также приводит к амиду (44), поскольку заместитель во 2-ом положении не является уходящей группой, и циклическая форма ПО может стабилизироваться только путем таутомеризации в открытую форму (44) в результате разрыва оксазолинового кольца.

Сигналы продукта раскрытия оксазольного цикла (44) присутствуют в ЯМР-спектре йодметилата (43) в ДМСО-с16 даже при соблюдении указанных выше мер предосторожности. Качественные ЯМР-спекгры сульфоната (39) и йодметилата (43), без набора «посторонних» сигналов, могут быть получены в СБэСЫ, хотя из-за плохой растворимости в этом растворителе спектральные пики малоинтенсивны.

Полупродукт (45) получали конденсацией 2,3-диметилбензоксазол-3-ий йодида (43) с Л^,А"-дифенилформамидином (46) в ацетангидриде (схема 4). В зависимости от способа выделения технический полупродукт (45) мог содержать примеси ацетанилида (47) и «открытого» соединения (48). При препаративном гидролизе соединения (45) образуется 90% соединения (48) и 10 %

деацетилированного соединения (49). Соединение (49) было получено также кипячением полупродукта (45) с анилином с выходом 22%.

3. ПОЛИМЕТИНОВЫЕ КРАСИТЕЛИ

3.1. Несимметричные монометиновые красители - предшественники интеркаляторов типа ВОВО - и их аналоги Красители (50. 52) являются ключевыми полупродуктами в синтезе симметричных монометиновых интеркаляторов традиционным способом (путь I на схеме 9).

В данной работе эти и подобные им соединения (53-57) получали по схеме 6, а именно, взаимодействием четвертичной соли (32), содержащей достаточно хорошо уходящую группу -ЗСНз, с четвертичными солями у-пиколина (1-3, 6-9), в которых метильная группа активирована к нуклеофильному замещению, в присутствии триэтиламина (ТЭА).

Краситель (50) был получен в изопропиловом спирте или дихлорметане (предпочтительнее) в виде технического продукта (ТП) с выходом 60%. В ТП всегда содержатся две примеси: продукт элиминирования из замещенной

бромпропильной фупинропки6 II соединение (51), являющееся йодным аналогом целевого соединения и получающееся в результате нуклеофильного замещения брома на иод в ходе его синтеза. Строение соединения (51) подтверждено данными масс-сгсекгрометрии ЕБЬ

В!" (1)

н3с<>и

(1-3, 6-9)

а

)ь-5СН3

Г I-

СН, (32)

(С2Н5)3К

/-РЮН*, СН3 («)

гсПих. 2-3 ч

N-0

(50-57)

С11; 1'

- 61%, (53) - 40%, (54) - 77%, (55) - 85%, (56) - 72%, (57) - 60%, (58) - 69%.

(6,54)11= (СН2)3>Р) Иг'

(7, ?:;) и = (сн,).к^}вг-(8,56) (;-(СН:);Л'+(С21!,-ЬВг' '

(51) и=(СН,)31

(1,53) и = СН3 (2,50) и-(СЦ,)3Вг

(3, 52) и = (СН2)4Вг (9, 57) и - (СН2)4М+(С2Н5)3Вг-

*Дл* соединения (50) прелпотгнгельнее СН2С12.

Схема б

Краситель (52). полученный аналогичным образом в изогропаноле. содержал непрорса! ироштшее исходное соединение (32) и примесь продукта замощения брома ,-1а мод6.

В реакциях получения красителей (50, 52) с бромалкильными заместителями для минимизации побочных процессов, протекающих под действием основания, рекомендуется прибавлять эквивалент ТЭА порциями по ходу реакции, а для поддержания необходимой щелочности среды в конце реакции добавлял, его некоторое избыточное количество скерх эквивалентного.

Краситель (50) также пытались получить сплавлением четвертичных солей (39) и (2), но безуспешно.

Краситель (53) был синтезирован из соединений (32) и (1) в этаноле с выходом 85% в качес№е ^модельного» соединения для интерпретации ЯМР-спекгра красителя (50). Попытка получить его сплавлением соединений (39) и (1). как и в случае красителя (50). оказалась безуспешной.

Красители (54-57) были получены путем конденсации йодметилата (32) с дикатионными соединениями (6-9) в изопропиловом спирте. Как и в случае получения красителя (53), в этих реакциях ТЭА целесоооразно прибавлять в один прием и в разумном избытке (2^-5-кратном), поддерживая тем самым необходимую щелочность среды по ходу реакции, но не слишком разбавляя реакционную смесь.

Краситель (54) был получен также при взаимодействии ключевого в синтезе интеркаляторов полупродукта (50) с пиридином, но с меньшим выходом (46 vs 77%). На примере этого синтеза была показана принципиальная возможность получения интеркаляторов семейства BOBO (68, 70) путем взаимодействия технического, содержащего 30% примеси соединения (51), полупродукта (50) с аминами (см. путь I на схеме 9).

Наконец, краситель (58) был получен путем конденсации йодметилатов (32) и (43) в изопропиловом спирте в присутствии ТЭА с выходом 69%.

Попытка получить краситель (597) из трицикла (36) и соединения (1) в vkcvchom ангидриде в присутствии ТЭА не удалась.

3.2. Несимметричные триметиновые красители - предшественники интеркаляторов типа POPO - и их аналоги

Синтезы этих веществ представлены на схеме 7.

! I ^СН, /-РгОН, reflax І' 2.5 ч. 40% (43) СН,

(С:Н50)3СН

АС">0

80 °С, 1 ч. 12%

СН,

(43)

Схема 7

Ключевой и синтезе трнметипоиых интеркаляторов традиционным способом (аналогично переходу (50, 52) >(68-71) па схеме 9) полупродукт (60) был получен с выходом 42% в виде технического образца, содержащего примесь апетанилида (47).

Красители (61-63) были получены в качестве тсст-соединений для отработки методики синтеза и интерпретации ЯМР-снсктра красителя (60). Симметричный краситель (64) был получен двумя способами.

3.3. Стириловые красители

С целью расширения ассортимента доступных флуоресцентных зондов был воспроизведен синтез стирилового красителя БМАБВО (65). Красители (66, 67) были синтезированы с целью оценки их флуоресцентных свойств (схема 8).

О J—\

I )---СИ;-----------1 ■■ \__ г„

и '/ •’ : -\ /”—\ СИ-?

1) ЛМФА. кои, 3 ч \___/ \_N

(42) :И!С| ' \ / V,. (65) |9%

Г)МА5ВО с||з '

О

сн,

О

.о -~.:J-nr2

'N. I- Aí;t>-reflux. 10 МИН |- -!--' X i6íi) ’’ ” tll?- ,У>*

,43) СИ, V.// 'R t<’7) К=.С,ІІ5. 59%

Схема 8

R

3.4. Симметричные нолиметииовые ісраснгслн - аналоги BOBO и POPO

3.4.1. Симметричные монометиновые красители - аналоги BOBO

Синтезы этих красителей представлены на схеме 9. Они были получены как традиционным способом (путь I). так и разработанным в данной работе на основе ретросинтетического анатиза альтернативным способом - по пути II. Этот путь заключается во взаимодействии бис-четвертичного диамина (10-13) с йодмепшатом (32) в присутствии триэтпламина в различных растворителях. Реакции проводились как в условиях конвекционного (обычного) нагрева, так и в условиях MBA. примененной для интенсификации реакций, увеличения выхода и новыш-ения качества целевых красителей.

При синтезе традиционным спосооом из соединения (50) и 4.4,-бипиридина в л нлиеллозольве к условиях конвекционного нагрева краситель (68) был получен только в смеси с продуктом моно-алкилирогшшя (72) с выходом всего 5°Ь; в

ДМФА выход был немногим более - 10%. Получить соединение (68)

альтернативным способом в условиях конвекционного нагрева не удалось. В условиях МВА это соединение было получено как традиционным способом - в ДМФА с выходом 51%, так и альтернативным способом - в этаноле с выходом 18% и в ДМСО с выходом 60%.

Красители (69-71) традиционным способом в условиях конвекционного нагрева не синтезировались. Соединения (69, 70) были получены альтернативным способом в ДМСО в присутствии избытка ТЭА в условиях конвекционного нагрева с выходами порядка 60%. Этим же способом соединение (70) было получено в изопропиловом спирте в условиях МВА с выходом 80%, а традиционным спосооом - в ДМФА в условиях МВА с выходом 40%. Красители (69-71) были синтезированы альтернативным способом в ДМСО в условиях МВА с выходом порядка 80%.

Таким образом, наилучшим растворителем для получения соединении (6871) альтернативным способом в обоих случаях. МВА и конвекционного нагрева, является ДМСО. Преимуществом- ДМСО перед спиртами является то. что при его использовании реакционная смесь гомофазна. В отличие от конвекционного

си,

О !®

Традиционный : Альтернативный Н3С способ ' способ

1' СП, (50'): п

Вг

(10-13)

'■*(69): *2% (А, ДМСО, 95 "С. 3 ч). "*(70): 18% (Л. ДМСО. 80 °С. 2 ч).

‘(68): 10% 1Л, ДМФА. 95 Т. 10 ч).

‘*(68): 18%|МВЛ.С:Н5ОН.60°С(30Вт). 1.5 ч).

(10. 68): п ж3.1»“*"- хЭ-О- < 12.70): п-3.1/ (11. 69): п = 4. Ь:'= (13.71): п = 4. Ь-

Схема 9

нагрева, MBA позволяет получать симметричные монометиновые красители в среде ДМФА традиционным способом и в спиртовых средах альтернативным способом.

Строение полученных красителей (69-71) подтверждено масс-спектрами высокого разрешения (метод ESI). В спектрах всех трех соединений пики четырехзарядных молекулярных ионов не наблюдаются. Предложены схемы фрагментации в результате ESI.

Преимуществами разработанного (альтернативного) способа получения интеркаляторов семейств BOBO и POPO перед традиционным являются: 1) меньшие затрата времени на процесс, 2) увеличение выхода продукта, 3) отсутствие побочных реакций при образовании монометиновой структуры.

3.4.2. Симметричные триметиновые красители - аналоги POPO

Эти красители (73, 74) были получены только альтернативным способом в ДМСО в присутствии 12-кратного избытка триэтиламина (схема 10): технический красшель (73) — с выходом 57% в условиях конвекционного нагрева, краситель (74) - с выходом 43% в условиях MBA.

L=;n-^n''(TM3íIA), >0-СН (12.73) L-* =>[-—(73): Л. 60“С. 2 ч,57%

(10. 74) I.:+ -íO-CN' (7J): МВА- 60 °С <50 Вт)' 15 Ч. 43%

Схема 10

3.5. Оптические свойства полиметнновых красителей

Были записаны спектры поглощения и спектры люминесценции синтезированных красителей. Методом флуоресцентной микроскопии одиннадцать красителем были оценены ¡{а возможность использования в качестве флуоресцентных зондов в медико-биологических исследованиях. Шесть из них. а именно, соединения (50, 53. 58. 61, 64, 70), проявили выраженную специфичность по отношению к ДНК.

выводы

1. Разработан новый способ получения полиметиновых красителей -интеркаляторов семейств BOBO и POPO, заключающийся в синтезе промежуточных соединений тетракатионного типа путем взаимодействия четвертичных солей пиколина, содержащего N-бромалкильную группу, с 4.4'-бипиридином или К.МЛ'.Н'-тетраметилэтилендиамином, и последующем взаимодействии этих промежуточных соединений с четвертичными солями бензазолов, содержащих куклеофугную группу во 2-м положении, в присутствии триэтиламина.

2. Освоена лабораторная технология получения интеркаляторов семейства BOBO традиционным способом, заключающимся в синтезе промежуточного полиметинового красителя с N-бромалкильной группировкой и его последующей реакции с 4.4'-бипиридином или МЛЯ.Н'.К'Тетраметилэтилендиамином.

3. Установлено, что реакции получения интеркаляторов семейства BOBO как известным, так и вновь предложенным способом могут быть интенсифицированы с помощью микроволнового излучения. По сравнению с конвекционным нагревом микроволновая акгивациия не только увеличивает скорость реакций и выход интеркаляторов. но и позволяет получать интеркаляторы большей степени чистоты.

4. Установлено, что в результате алкилирования 4,4'-бипиридина и N.N.N'.N'-тетраметилэтилендиамина 1.3-дибромпропаном наряду с линеиными всегда образуются циклические продукты.

5. Выявлено, что при записи спектров ЯМР 'Н кондиционных образцов четвертичных солей 2-замещенных бензотиазолов и бензоксазолов в ДМСО-de происходит раскрытие азольного цикла по связи Si—С2 или Oi-C? либо замещение цуклеофугной группы в положении С: под действием остаточной влаги растворителя, что затрудняет интерпретацию спектров и приводит к неверным выводам о присутствии в образцах примесей.

6. Синтезирован ряд новых полиметиновых красителей, некоторые из которых образуют специфические комплексы с молекулами ДНК. что проявляется в интенсивной флуоресценции окрашенных ими клеточных ядер.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Губанова П.А. Необычное поведение четвертичных солей бензазолов в димеч илеульфоксидс/УМатериалы докладов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» / Отв. ред. Алешковский И-А., Костылев П.Н., Андреев А.И. [Электронный ресурс] - М.: МАКС Пресс, 2009. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

2. Губанова П.А., Рамш С.М. Оценка квалификации четвертичных солей бензазолов методом спектроскопии ЯМРШатериалы конференции «Основные тенденции развития химии в начале XXI века» [Электронный ресурс] - СПб.: Хим. фак. СПбГУ, 2009. - С. 348-349. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

3. Gubanova P.A., Ramsh S.M.. Instability of the benzazolium salts in DMSO-D6 so!ution//Fifth International Conference on Organic Chemistry for Young Scientists (InterYCOS-2009) «Universities Contribution in the Organic Chemistry Progress». -СПб.: Лема, 2009,- C. 131.

4. Губанова П.A., Рамш С.М. Алкилирование 4,4'-дипиридила//Сборник трудов 4ой международной конференции «Современные аспекты химии гетероциклов» (СВС2010). - М.: ICSPF, 2010. -С. 404-405.

5. Губанова П.Д.. Рамш С.М. Особенности спектров ЯМР 'н четвертичных солей бензазолов в ДМСО-11^"Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), 2010. - № 7 (33). - С. 5457.

6. Седунова П.А., Артамонова Т.В.. Рамш С.М. Синтез флуоресцентных зондов в условиях микроволновой активации//Сборник тезисов научно-технической конференцмм молодых ученых «Неделя науки - 2011». - СПб.: СПбГГИ (ТУ). 2011.-С. 12.

7. Седунова П.А., Артамонова Т.В.. Рамш С.М. Синтез флуоресцентных зондов на основе монометиновых красителей в условиях микроволновой активации//Сбориик тезисов международной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений». Жедезноводск: Ставропольский государственный университет. 2011. - С. 131.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х90'/|$ Печ.л. 1,25 .Тираж экз. SO. Заіс. .N'ü і 1

Федеральное государственное бюджетов обратоватеяьиое учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (телнический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 пографил издательства СПС>ГГН(І V'), тел. 49-49-365, e-mail: pubWÇteclmolog.edu.ru