Синтез и исследование новых амфифильных соединений на основе производных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ВЕРЕМЕЕВА Полина Николаевна

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ АМФИФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДНЫХ 3,7-ДИАЗАБИЦИКЛО[3.3.1]НОНАНА

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени' кандидата химических наук

1 5 ИДИ 2014

МОСКВА-2014

005547853

005547853

Работа выполнена в лаборатории органического синтеза кафедры органической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат химических наук,

ведущий научный сотрудник Палюлин Владимир Александрович ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор химических наук, профессор,

декан факультета химико-фармацевтических технологий Офицеров Евгений Николаевич (Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева);

доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Формановский Андрей Альфредович (Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской Академии наук) ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Институт органической химии имени

Н.Д. Зелинского Российской Академии наук

Защита диссертации состоится 21 мая 2014 г. в 11 часов в аудитории 446 на заседании Диссертационного совета Д.501.001.69 по присуждению ученой степени кандидата химических наук при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.3, МГУ, Химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова и на сайте Химического факультета www.chem.msu.ru.

Автореферат разослан 21 апреля 2014 г. Ученый секретарь Диссертационного совета Д.501.001.69 при МГУ имени М.В. Ломоносова,

доктор химических наук, профессор Магдесиева Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Липосомальные системы доставки лекарств позволяют улучшить фармакокинетические и фармакодинамические профили терапевтической полезной нагрузки и обеспечивают более низкую системную токсичность по сравнению со свободным препаратом. Для повышения терапевтического воздействия инкапсулированного биологически активного вещества (БАВ) поверхность липосом модифицируют так, чтобы вытекание БАВ происходило в области его целевой доставки. Выход БАВ из липосом инициируют различными способами, например, изменением рН среды, комплексообразованием.

Одной из успешных стратегий обеспечения направленного разрушения липосом является встраивание в липидный бислой амфифильных соединений, способных изменять конформацию под действием внешних факторов (рН, комплексообразование) и тем самым вызывать изменения в структуре бислоя, образование в нем пор и, в конечном счете, его разрушение. Перспективными соединениями для модификации липосом, как нами показано в диссертационной работе, являются производные 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана.

К достоинствам 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов в качестве молекулярных переключателей можно отнести возможность построения целой шкалы рН-индуцированных конформационных переходов за счет разнообразия вводимых в каркас заместителей, а также управление разрушением липосом не только при протонировании, но и при комплексообразовании с ионами двухвалентных металлов.

Таким образом, представленное исследование является актуальным как в плане практического применения - создания средств адресной доставки лекарственных средств, так и в плане фундаментальных исследований, поскольку везикулы представляют собой модель для изучения клеточной мембраны, и исследование управляемых процессов, происходящих в липидном бислое, представляет большой научный интерес.

Цель работы. Целью настоящей работы являлся синтез липидоподобных амфифильных соединений на основе 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана, способных встраиваться в липосомальную мембрану, претерпевать конформационные перестройки при добавлении водного раствора соли двухвалентной меди и протонировании, тем самым повышая проницаемость липидного бислоя, что обеспечивает управляемое выделение веществ, находящихся во внутреннем объеме липосом.

Научная новизна. Впервые разработаны методы синтеза 3,7-диалкил- и 3,7-диацил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов, а также 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов с длинными алкильными заместителями при атомах азота и показана возможность их встраивания в липидный бислой. Найдено, что образование комплекса Си2+ с 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онами, встроенными в липидный бислой липосом, за счет изменения конформации 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-она оказывает влияние на упаковку липидов в бислое, резко повышая его проницаемость, тем самым приводя к высвобождению инкапсулированных веществ. Показано, что для липосом, модифицированных 3,7-диалкил-1,5 -динитро-3,7-диазабицикло [3.3.1 ]нонана-ми и 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло-[3.3.1]нонан-9-онами с длинными алкильными заместителями при атомах азота, наблюдается при определенных значениях рН нарушение целостности липидного бислоя. Практическая значимость. Синтезированные производные 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана с длинными липофильными заместителями могут выполнять роль «молекулярных переключателей», которые будучи встроенными в липидный бислой липосом, при его взаимодействии с ионами меди (II) и протонировании способны стимулировать быстрый выход водорастворимых соединений из липосомальных контейнеров.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Первой Российской конференции по медицинской химии (Москва, Россия, 2013), на Международной конференции "Frontiers in Chemistry" (Ереван, Армения, 2013), на кластере конференций по органической химии «0ргхим-2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2013), на Всероссийских конференциях с международным участием «Ломоносов 2010, 2011» (Москва, Россия), на Международных конференциях «Менделеев -2011, 2012» (Санкт-Петербург, Россия).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в виде 3 статей и 7 тезисов докладов на конференциях.

Личный вклад автора. Автор участвовал в постановке целей и задач настоящей работы и проведении физико-химических исследований синтезированных соединений. Автором самостоятельно спланированы и проведены синтезы целевых соединений, выполнены эксперименты по их встраиванию в липидный бислой липосом и управляемому его разрушению,

обобщены и интерпретированы полученные результаты, сформулированы выводы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 136 наименований. Работа изложена на 122 страницах печатного текста и содержит 4 схемы, 19 рисунков, 6 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследования и основные результаты, выносимые на защиту. В обзоре литературы обсуждается место 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов в современной научной литературе. В данной главе описаны различные подходы к синтезу производных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов, их комплексообразующие свойства, обсуждается конформационный анализ 3,7-диазабицикло[3.3.^нона-нов. Кроме того, в главе рассмотрены липосомы как системы направленной доставки лекарственных средств, а также некоторые свойства липосом. Глава обсуждение результатов посвящена ключевым результатам диссертационной работы, а именно обсуждению разработанных методик синтеза амфифильных производных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана, встраиванию их в липосомы и управлению с их помощью проницаемостью липидного бислоя. В экспериментальной части описаны объекты и методы исследования, изложены экспериментальные результаты работы, приведены методики синтеза целевых соединений.

Настоящая работа посвящена синтезу и исследованию взаимодействия с липидными бислоями, построенными на основе фосфатидилхолина, липидоподобных амфифильных соединений, относящихся к классу N,14'-дизамещенных производных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 1, а также изучению влияния комплексообразования и изменения рН на проницаемость модифицированных липосом и высвобождение инкапсулированных веществ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

х

N

N

\

Поскольку липидные бислои, модифицированные амфифильными производными 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана до сих пор не изучались, первый вопрос, который предстояло решить, был вопрос о самой возможности и параметрах встраивания производных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана с длинными алкильными замесителями при атомах азота в липидный бислой (длина алкильного радикала, процентное содержание используемого амфифильного производного 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана в липидном бислое, буфер, температура получения липидной пленки, количество озвучиваний и температура при озвучивании). Второй задачей являлся выбор и синтез необходимых конформационных переключателей на основе 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана для встраивания в липидный бислой.

Ключевой задачей данной работы было встраивание полученных конформационных переключателей в липидный бислой на основе фосфатидилхолина и изучение проницаемости модифицированного липидного бислоя под действием таких внешних факторов, как комплексообразование, изменение рН среды. В качестве конформационных переключателей были выбраны Ы,Ы'-диалкилзамещенные 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонаны, которые по литературным данным в кристалле и в ряде растворителей имеют конформацию КВ, а при комплексообразовании с катионами двухвалентных металлов и протонировании принимают конформацию КК:

Такие конформационные перестройки должны приводить к изменению расположения в липидном бислое алкильных радикалов и, как следствие, к увеличению его проницаемости.

С целью решения ключевой задачи были синтезированы следующие производные 3,7-диазабицикло[3.3.1 ] нонана: 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонан-9-оны, 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло-[3.3.1]нонаны и 3,7-диацил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-оны.

СИНТЕЗ НОВЫХ АМФИФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ

ЗЛ-ДИАЗАБИЦИКЛОГЗ .3.11НОНАНА

На основе имеющихся в литературе методов синтеза производных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов были разработаны следующие пути синтеза целевых соединений.

1. Синтез 3,7-диацил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов

Соединения 4-8 с длинными ацильными заместителями были синтезированы с хорошими выходами ацилированием 5,7-диметил-1,3-диазаадамантан-6-она хлорангидридами соответствующих кислот в абсолютном хлороформе.

Соединение 10 было получено двумя способами: а) путем нуклеофильного замещения брома в 1,5-диметил-3,7-ди-(со-бромундеканоил)-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-оне 9 диэтиламином (соединение 9 получали ацилированием 5,7-диметил-1,3-диазаадамантан-6-она 3 хлорангидридом ю-бромундекановой кислоты), б) с использованием дициклогексилкарбодиимида (БСС) и 1-гидроксибензотриазола (НОВ!) - данный способ существенно проще в исполнении и обеспечивает выход на стадии ацилирования на 21% выше:

о

о

2

3

4-8

2. Синтез 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов

Наиболее простым способом получения диалкилпроизводных 1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-она является синтез на основе реакции Манниха, а именно реакция между диэтилкетоном, формальдегидом и ацетатом соответствующего амина, однако данные об использовании аминов с длинными алкильными радикалами в такой реакции в литературе отсутствовали. Этот метод был использован нами для синтеза соединения 12.

12 (54%)

Оптимальный результат (выход 54%) мы получили при кипячении вышеуказанных реагентов в среде уксусной кислоты и н-бутанола в течение 6.5 часов. Ни изменение порядка прибавления реагентов, ни понижение температуры реакции за счет кипячения в этаноле не позволило повысить выход целевого продукта.

Для соединений 13-16 был использован альтернативный подход, а именно реакция алкилирования 1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-она 11 соответствующими алкилбромидами.

Для оптимизаций условий реакции, мы варьировали растворитель, температуру и время проведения реакции. Результаты отражены в таблице 1.

Таблица 1. Подбор условий реакции для получения соединения 14.

Растворитель Температура реакции Время реакции Выход, %

ДМФА 50°С 20 часов 45

СН3СЫ 50°С 8 часов 8

CHзCN 50°С 20 часов 48

CHзCN 82°С 40 часов 10

Таким образом, можно заключить, что с увеличением длины углеводородного радикала выход падает, а для гексадецильного производного 12 он совсем невелик. Также было установлено, что использование свободного основания 11, а не дигидрохлорида 17 упрощает очистку конечного продукта.

3. Синтез 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов

Соединение 20 было получено алкилированием додецилбромидом 1,5-диметилбиепидина 19. Разложение гидразона 18 осуществлено с высоким выходом шрет-бутилатом калия в относительно мягких условиях.

4. Синтез 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов

Соединение 21 нами было синтезировано с помощью реакции Манниха из нитрометана, формальдегида и додециламина. Существенный минус такой реакции, как уже отмечено выше, заключается в образовании большого количества побочных продуктов, причем их количество возрастает по мере увеличения длины и разветвленности алкильных радикалов, однако она удобна в качестве одностадийного синтеза.

н3с—мог + сн2о + и—ын2

к/

21: Я=С12Н25 (5.3%) 22: К=С16Н33(1.2%)

Первые опыты позволили нам выделить 3,7-дидодецил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан 21 с выходом 1.2%. Оптимизация условий реакции позволила повысить выход продукта 21 до 5.3% (см. табл. 2):

Таблица 2. Разработка условий синтеза 3,7-дидодецил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 21.

№ опыта Растворитель рН Время кипячения, ч Выход

1 МеОН 9-10 0.3 0.6%

2 ¡РЮН 9-10 3 1.2%

3 ¡РЮН 7-8 6 5.3%

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что положительное влияние на выход целевого продукта оказывают увеличение полярности используемого растворителя и увеличение времени проведения процесса до 6 часов. Дальнейшее увеличение времени кипячения в изопропаноле приводило к снижению выхода соединения 21.

Для 1,5-динитро-3,7-дитридецил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 23 мы решили разработать альтернативную схему синтеза, основанную на получении свободного 1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 24 и его последующем алкилировании тридецилбромидом.

Варьируя время проведения реакции алкилирования соединения 24 и температуру, мы установили, что реакция проходит полностью при кипячении и интенсивном перемешивании компонентов в течение 12 часов, после очистки с помощью колоночной хроматографии целевой продукт алкилирования 23 был получен с выходом 40%.

-мн2 +11 + н3с-мо2_^

Н Н АсОН, МеОН

<Э2^ N02 N.

^Ви

1Ви

02М А Ы02

1. НВг

2. №ОН

ЯВг, К,СО

02МУ\ М02

N Я=С13Н27 СН,СЫ / NN

Я Н Н

23

24

Мы исследовали возможность получения 3,7-дигексадецил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 22 по методике, аналогичной методике получения соединения 23. Однако образования целевого продукта зафиксировано не было, что, по-видимому, связано с большой длиной алкильного радикала. Поэтому для синтеза 3,7-дигексадецил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонана 22 нами была использована методика, отработанная для 3,7-дидодецил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 21.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АМФИФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ 3.7-ДИАЗАБИЦИКЛО[3.3.1ЩОНАНА НА ЛИПОСОМАЛЬНУЮ МЕМБРАНУ

С целью исследования возможности встраивания в липосомы 14,Ы'-замещенных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов были проведены следующие эксперименты.

Липосомы получали методом озвучивания из смеси фосфатидилхолина (ФХ) 25 и синтезированных производных 3,7-диацил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов 4-8 в соотношении 3:1 (мольная доля амфифильного соединения 4-8 составляла 0.25):

25

Нами было установлено, что при встраивании в липидный бислой соединения с заместителями, содержащими 7 атомов углерода, а именно 3,7-дигептаноил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонан-9-она 4, получаются липосомы с дефектами. Такие модифицированные липосомы не могут использоваться в качестве молекулярных контейнеров, так как инкапсулируемое вещество вытекает из липосом в процессе их приготовления. Это можно объяснить слишком «коротким» углеводородным радикалом, содержащим лишь 7 атомов углерода. Поэтому в дальнейшем нами были синтезированы для встраивания в липидный бислой производные с более длинными заместителями с числом углеродных атомов в радикале от 11 до 16.

Размер (гидродинамический диаметр) липосом, модифицированных 3,7-диацил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонан-9-онами, определялся методом динамического рассеяния света, а электрофоретическая подвижность (ЭФП) модифицированных липосом - методом лазерного микроэлектрофореза. Размер и ЭФП липосом контролировали в интервале рН от 10 до 5.

Изменение рН внешнего раствора с 10 до 5 («закисление раствора») практически не влияло на размер модифицированных липосом: он сохранялся в пределах от 50 до 80 нм. Закисление внешнего раствора приводило к появлению на поверхности липосом положительного заряда.

На следующем этапе нами исследовались липосомы, построенные из фосфатидилхолина и алкильных производных 1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-она 12-16. Размер таких липосом находится в интервале 40-80 нм. Значительных изменений в размере модифицированных липосом в интервале рН 10-5 не наблюдается и через 24 часа. Результаты измерения ЭФП модифицированных липосом представлены на рисунке 1. Уменьшение рН внешнего раствора с 10 до 5 сопровождается повышением ЭФП липосом за счет протонирования атомов азота в молекуле амфифильного соединения.

Рисунок 1. Зависимость электрофоретической подвижности липосом, модифицированных соединениями 13 (кривая 1), 15 (кривая 2) и 12 (кривая 3).

Аналогичные эксперименты были проведены для липосом со встроенными 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанами 21-23. Такие липосомы сохраняли свой размер (60-80 нм) в интервале рН 10-5 и приобретали положительный заряд при закислении внешнего раствора.

рН

Таблица 3. Значения электрофоретической подвижности для липосом, модифицированных соединениями 21-23.

рН ЭФП, (мкм/с)/(В/см)

СпШ5 К=С13Н27 К=с16н33

через 48 часов через 36 часов

рН 10 -0,32 -0,64 -0,36 -2,4 -0,31

рН 8 -0,85 -1,34 -0,52 -2,25 -0,54

рН 7 -1,43 -0,03 -0,28 -0,69 -0,58

рН 5 0,01 0,54 0,71 0,11 1,43

Примечание - В таблице обозначение «Я» соответствует алкильным заместителям при атомах азота в положениях 3,7 для 1,5-динитро-3,7-диалкил-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонанов

Из данных, представленных в таблице 3, видно, что электрофоретическая подвижность частиц (а значит, и их заряд) меняются с течением времени в зависимости от рН окружающего водного раствора. Небольшой отрицательный заряд, наблюдаемый при рН 10 связан с присутствием примеси в фосфадитилхолине. При рН 5 во всех случаях наблюдается небольшой положительный заряд, свидетельствующий о протонировании третичных атомов азота в 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанах. Появляющийся со временем на поверхности липосом дополнительный отрицательный заряд связан, по-видимому, с окислением фосфатидилхолина.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЛИПОСОМ. МОДИФИЦИРОВАННЫХ АМФИФИЛЬНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ 1.5-ДИМЕТИЛ-3.7-ДИАЗАБИЦИКЛОГЗ.3.11НО-НАНА

Нами была проведена серия экспериментов по управляемому изменению проницаемости липосомальной мембраны, содержащей встроенные в нее производные 1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана с длинными алкильными заместителями.

В частности, представляет интерес создание стимул-чувствительных липосомальных контейнеров, реагирующих на содержание катионов меди, что может быть использовано, при терапии ряда патологий, в том числе болезни Вильсона.

Для исследования изменения проницаемости липосом при комплексообразовании с катионами меди (II) использовали следующую схему. Во внутренний объем липосом мы включили флуоресцентную метку -карбоксифлуоресцеин (КФ). Исходная суспензия содержала флуорофор, концентрация которого внутри липосом превышает концентрацию самотушения. Появление дефектов в мембране и вытекание флуорофора во внешний раствор сопровождалось заметным увеличением интенсивности его флуоресценции. Целостность липосом со встроенными 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонан-9-онами контролировали, измеряя интенсивность флуоресценции полученной суспензии. Для этого использовали суспензии, предварительно разбавленные боратным буферным раствором (рН 9) до концентрации 1мг/мл.

Добавление водного раствора Си804 к 1 мг/мл суспензиям липосом сопровождалось заметным увеличением флуоресценции, что указывало на вытекание КФ из внутреннего объема липосом в окружающий раствор.

О

1.0

_Е

^

0 1 0.8

0.6

0,

0.2

о.о «■ ■ •

о

1,4

2 3 4

время, часы

Рисунок 2. Влияние 3,7-дидодецил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-она 14 на липидный бислой в присутствии ионов меди (14/ФХ липосомы (кривая 1), 14/ФХ липосомы + 0.15хЮ"4М СиБО^ (кривая 2), 14/ФХ липосомы + 1.4х10"4М Си804 (кривая 3) и ФХ липосомы + 1.4х10"4М Си504 (кривая 4), [14|=3.3х Ю^4 М (кривые 1-3); 10 2 М боратный буфер, рН 9). По оси ординат - относительная интенсивность флуоресценции.

время, часы

Рисунок 3. ВлияниеЗ,7-дигексадецил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-она 12 на липидный бислой в присутствии ионов меди (12/ФХ липосомы (кривая 1), 12/ФХ липосомы + 0.45хЮ"4М СиБ04 (кривая 2), 12/ФХ липосомы + 1.4><10~4М Си804 (кривая 3) и ФХ липосомы + 1.4хЮ'4М СиБОо (кривая 4), [12]=3.3х КГ4 М (кривые 1-3); 10"2 М боратный буфер, рН 9). По оси ординат - относительная интенсивность флуоресценции.

Увеличение концентрации СиБС^ приводило к повышению скорости вытекания КФ. Вытекание красителя из липосом сопровождалось резким возрастанием интенсивности флуоресценции суспензии. Результат сравнивали с интенсивностью флуоресценции суспензии после разрушения липосом детергентом, Тритоном Х-100, которую принимали за 100%. На рисунке 2 показано, как флуоресценция суспензии модифицированных липосом, содержащих во внутреннем объеме КФ, изменилась, когда был добавлен раствор Си804. В контрольном эксперименте при отсутствии во внешнем растворе катионов меди никакого увеличения флуоресценции суспензии липосом не было обнаружено (кривая 1), что указывает на отсутствие спонтанного высвобождения красителя. Добавление 0,15 х 10~4 М СиБС^ к суспензии липосом привело к значительному увеличению интенсивности флуоресценции (кривая 2); дальнейшее увеличение концентрации соли Си804 сопровождалось резким увеличением флуоресценции (кривая 3). Полученные результаты свидетельствуют, что добавление раствора Си804 индуцировало высвобождение КФ, большая часть которого просочилась из липосом в течение 1,5 часов после добавления раствора Си804. Сравнивая графики на рисунках 2 и 3 можно утверждать, что длина алкильного радикала незначительно влияет на

16

вытекание КФ из липосом, модифицированных 3,7-диалкилпроизводными 1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-она в присутствии катионов меди (II).

Влияние Си804 на вытекание КФ логично связать с формированием комплекса Си2+ с 3,7-диалкил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-оном и изменением конформации последнего, что, в свою очередь, оказывает влияние на упаковку липидов в бислое и резко повышает проницаемость липосомальной мембраны:

Схема 1. Вытекание КФ из внутреннего объема липосом при изменении конформации соединений 12-16 за счет комплексообразования с ионами меди.

Возможность осуществления направленной доставки лекарств к опухолевым клеткам с помощью модифицированных липосом напрямую зависит от способности бислоя изменять проницаемость при изменении кислотности окружающего водного раствора.

На первом этапе нами были проведены эксперименты по измерению методом кондуктометрии проницаемости липидного бислоя, содержащего 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-он при различных значениях рН. Для этого во внутренний объем липосом мы включили хлорид натрия. Целостность липосом со встроенными 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онами контролировали, измеряя электропроводность полученной суспензии. При вытекании соли из внутреннего объема липосом наблюдается увеличение электропроводности внешнего раствора.

Вытекание соли (увеличение относительной электропроводности) наблюдается в интервале рН 8-5, в большей мере при рН 5. При этом доля вытекшей соли сравнительно невелика (не более 8% за 1 час).

о

Известно, что рН многих опухолевых клеток находится в слабокислой области (рН может достигать значения 5.6). Так как достичь быстрого 1 увеличения проницаемости липосом при рН 5-7 при использовании 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов не удалось, перед | нами встала задача синтезировать новые конформационные переключатели.

Основой для них были выбраны 1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]но-наны. По литературным данным 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло-[3.3.1]нонаны существуют в конформации КВ и для них по аналогии с 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онами возможен переход КВ-КК при протонировании в кислых средах.

Введение акцепторных заместителей (нитрогрупп) в положения 1,5 должно способствовать смещению увеличения проницаемости бислоя липосом при протонировании в более кислую область по сравнению с 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онами. В связи с этим был осуществлен синтез ряда 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]но-нанов с 12, 13, 16 атомами углерода в алкильном радикале.

Для исследования проницаемости липосом в зависимости от рН среды использовали метод кондуктометрии. Наблюдаемое увеличение электропроводности происходило в результате вытекания соли из внутреннего объема липосом, что, в свою очередь, свидетельствовало об образовании пор в липидном бислое (схема 2). Причиной образования пор в липосомах при протонировании, по-видимому, является движение алкильных заместителей внутри бислоя при изменении конформации биспидинового скелета.

в

н'

и

ОгМ л N0.

Ж

оооиоооо

\( I (

оооооооо

Липндньшбнслой

СО О СО ООО

>П( ){Тт \ д УМ

ООСОО ООО

Образование дефектов в ЛМ11ПД110М бислое

Схема 2. Схема увеличения проницаемости липидного бислоя при уменьшении рН среды

Измерения электропроводности проводили в первые 10 минут после добавления аликвоты липосом в буферный раствор с соответствующим рН (рисунок 4а, б):

н о

0

1

3 о ж 9 1 8. I § § э-

§ 1 ё я

0,2 -0,16 0,12 -0,08 0,04

i ^ *

$ $

| $ I $ I I I I I

• рН5 ▲ рН7 ■ рН 8

♦ рНЭ

* время, минуты

о! * I ! ^ I I 1 » ' I

0 2 4 6 8 10 12

Рисунок 4а. Зависимость относительной электропроводности липосом, заполненных ЫаС1, от времени; липосомы модифицированы 1,5-динитро-3,7-дитридецил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонаном 23.

0,16 0,14

-а 0,12

Н

о

О 0,1

В § га й 0,08 Е о

¡3 а-

3 С 0,06

Р о

£ Р<

о Ь 0,04

2 §

£ Й 0,02

* . {

} 5

¡«и

время, М1шуты

I } 1

• рН5

♦ рН7 А рН8 ■ рН9 ЖрНЮ

Рисунок 46. Зависимость относительной электропроводности липосом, заполненных №С1, от времени; липосомы модифицированы 3,7-дигексадецил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонаном 22.

Следует отметить, что характерным для всех встраиваемых соединений является отсутствие вытекания хлорида натрия при рН 10, а также существенное увеличение электропроводности, а значит и вытекание хлорида натрия из внутреннего объема липосом в интервале рН 5-7.

С целью дополнительного исследования возможного механизма образования пор в липосомах при изменении конформации КВ-КК нами были проведены эксперименты с соединением 20, 3,7-дидодецил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонаном, которое и в щелочной, и в кислой среде по литературным данным существует в конформации КК. Для исследования проницаемости липосом, модифицированных соединением 20, в зависимости от рН среды использовали метод кондуктометрии. Проведенные эксперименты показали, что в исследованном интервале рН 10 — 5 из внутреннего объема липосом не вытекает хлорид натрия, что свидетельствует об отсутствии дефектов в липидном бислое. Так как при протонировании одного из атомов азота изменения конформации данного соединения не происходит, не происходит и движения длинных алкильных заместителей, ведущего к нарушению целостности мембраны.

выводы

1. Разработаны методы синтеза 3,7-диалкил- и 3,7-диацил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов с длинными алкильными заместителями при атомах азота.

2. Впервые получены 3,7-дидодецил-, 3,7-Дитридецил- и 3,7-дигексадецил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонаны с длинными алкильными заместителями при атомах азота.

3. Показано, что производные 1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана с липофильными заместителями при атомах азота способны встраиваться в липидный бислой без нарушения целостности липосом.

4. Впервые обнаружено, что 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1 ] нонан-9-оны в присутствии катионов меди (И) способны повышать проницаемость липидного бислоя и индуцировать высвобождение вещества, инкапсулированного во внутренний объем липосом.

5. Показано повышение проницаемости липосом, модифицированных 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанами и 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онами при изменении рН среды.

6. Обнаружено, что для создания стимул-чувствительных липосом (реагирующих на изменение рН и концентрации ионов меди (II)), наиболее приемлемыми являются производные 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана с углеводородными радикалами при атомах азота, содержащими 11-13 атомов углерода.

Список публикаций

1. П.Н. Веремеева, B.JI. Лаптева, В.А. Палюлин, Д.А. Давыдов, А.А. Ярославов, Н.С. Зефиров Новые амфифильные соединения для создания стимул-чувствительных липосомальных контейнеров. II ДАН. 2012. т. 447. №4. с. 407-409.

2. Р. N. Veremeeva, V. L. Lapteva, V. A. Palyulin, А. V. Sybachin, А. А. Yaroslavov, N. S. Zefirov Bispidone-based switches for construction of stimulussensitive liposomal containers. // Tetrahedron. 2014. v. 70. p. 1408-1411.

3. P. N. Veremeeva, I. V. Grishina, V. L. Lapteva, A. A. Yaroslavov, A.V. Sybachin, V. A. Palyulin, N. S. Zefirov pH-Sensitive liposomes with embedded 3,7-diazabicyclo[3.3.1]nonane derivative. // Mendeleev Communications. 2014. v. 24. p. 152-153.

4. П.Н. Веремеева, В.Л. Лаптева, В.А. Палюлин, И.В. Гришина, A.A. Ярославов, Н.С. Зефиров Синтез производных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана и исследование их влияния на стабильность липидных бислоев. // Сборник тезисов докладов Первой Российской конференции по медицинской химии "MedChem Russia - 2013". 8-12 сентября 2013 г. Москва, с. 210.

5. Р. N. Veremeeva, V. L. Lapteva, V. A. Palyulin, I. V. Grishina, A. A. Yaroslavov, N. S. Zefirov Novel amphiphilic compounds for construction of stimulus-sensitive liposomal containers. // Conference Frontiers in Chemistry. 25-29 August 2013. Yerevan. ACF2013 PS092.

6. П.Н. Веремеева, В.Л. Лаптева, В.А. Палюлин, И.В. Гришина, A.A. Ярославов, Н.С. Зефиров Амфифильные соединения для создания липосомальных контейнеров. // Сборник тезисов докладов Кластера конференций по органической химии "ОргХим-2013". 17-21 июня 2013 г. Санкт-Петербург, с. 62.

7. П.Н. Веремеева, В.Л. Лаптева, В.А. Палюлин, Д.А. Давыдов, A.A. Ярославов, Н.С. Зефиров Управление стабильностью липосом с помощью замещенных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов. // Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием "Менделеев 2012". 3-6 апреля 2012 г. Санкт-Петербург. с. 48.

8. П.Н. Веремеева, В.Л. Лаптева, В.А. Палюлин, Д.А. Давыдов, A.A. Ярославов, Н.С. Зефиров Новые амфифильные соединения для создания липосомальных контейнеров как потенциальных носителей лекарственных веществ. // Сборник тезисов докладов Пятой Всероссийской конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Химия в современном мире». 17-22 апреля 2011 г. Санкт-Петербург, с. 429.

9. П.Н. Веремеева Синтез производных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов для управления стабильностью липосом. // Сборник тезисов докладов конференции «Ломоносов 2011». 11-15 апреля 2011 г. Москва. ISBN 978-5317-03634-8.

10. П.Н. Веремеева Синтез 3,7-диацил- и 3,7-диалкил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов и исследование их взаимодействия с липидными бислоями. // Сборник тезисов докладов конференции «Ломоносов 2010». 12-15 апреля 2010 г. Москва. ISBN 978-5-317-03197-8.

Подписано в печать 19.04.2014 Формат А5 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 110 экз. Заказ № 3763 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-т, д.28 Тел. 8(495)782-88-39

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

04201457308

На правах рукописи УДК 541.63

ВЕРЕМЕЕВА Полина Николаевна

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ АМФИФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДНЫХ 3,7-ДИ АЗ АБИЦИК Л О [3.3.1] НОН АН А

02.00.03 - Органическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: в.н.с., к.х.н. В. А. Палюлин

МОСКВА-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение 4

2. Обзор литературы 5

2.1. 3,7-Диазабицикло[3.3.1 ]нонаны в современной научной литературе 5

2.2. Синтез 3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонанов 7

2.2.1. Синтез незамещенных 3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонанов 8

2.2.2. Синтез замещенных 3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонанов 8

2.2.2.1. Синтез 3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонанов из 4-пиперидонов 8

2.2.2.2. Синтез 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов на основе конденсации кетонов, имеющих а,а'-активированные метиленовые группы, с альдегидами и первичными аминами 11

2.2.3. Синтез 1,3-Диазаадамантанов, как исходных соединений для синтеза 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов 14

2.2.4. Реакции раскрытия цикла 1,3-диазаадамантанов,

приводящие к производным 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов 17

2.3. Реакции 3,7-Диазабицикло[3.3.1]нонанов и их производных 18

2.3.1. Реакции по карбонильной группе 18

2.3.2. Реакции по свободным КН-группам 19

2.4. Комплексообразующие свойства 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов

и их производных 20

2.5. Конформационный анализ 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов 21

2.5.1. Производные 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов,

существующие предпочтительно в конформации кресло-кресло 23

2.5.2. Производные 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов,

существующие предпочтительно в конформации кресло-ванна 26

2.6. Способы доставки лекарственных веществ к биологическим мишеням 30

2.7. Липосомы 33

2.7.1. Липосомы как модель биологической мембраны 33

2.7.2. Липосомы как системы направленной доставки

лекарственных средств 35

2.7.3. Использование липосом в косметологии

и охране окружающей среды 38

3. Обсуждение результатов 40 3.1. Синтез новых амфифильных соединений на основе

производных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 43

3.1.1. Синтез 3,7-диацил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов 45

3.1.2. Синтез производных 3,7-диалкил-1,5-диметил-

3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонан-9-она 49

3.1.3. Синтез 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов 53

3.1.4. Синтез 1,5-диметил-3,7-дипентадецил-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонан-9-ола

3.2. Исследование влияния амфифильных соединений на основе

производных 3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонана

на липосомальную мембрану

60

3.2.1. Определение размера и электрофоретической подвижности липосом, модифицированных производными 3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонана

61

3.3. Исследование проницаемости липосом, модифицированных 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онами 66

3.4. Исследование проницаемости липосом, модифицированных 3,7-диалкил-1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанами 73

3.5. Исследование проницаемости липосом, модифицированных 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонаном и 3,7-диалкил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-олом 79

3.6. Исследование проницаемости липосом, модифицированных 3,7-диацил-1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онами 80

4. Экспериментальная часть 84

4.1. Синтез исходных соединений 84

4.2. Синтез 3,7-диацилпроизводных

1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонан-9-она 92

4.3. Синтез 3,7-диалкилпроизводных 1,5-диметил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-она 97

4.4. Синтез 3,7-диалкилпроизводных

1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1 ]нонанов 4.5. Формирование модифицированных липосом

и изучение их проницаемости при различных рН

5. Выводы

6. Список литературы

101

104 108 109

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследования в области систем адресной доставки лекарств - быстро развивающееся направление во всем мире. Липосомальные системы доставки позволяют улучшить фармакокинетические и фармакодинамические профили терапевтической полезной нагрузки и обеспечивают более низкую системную токсичность лекарств по сравнению со свободным препаратом. Для повышения терапевтического воздействия инкапсулированного биологически активного вещества (БАВ) поверхность липосом модифицируют так, чтобы вытекание БАВ происходило в области его целевой доставки.

Одной из успешных стратегий обеспечения контролируемого увеличения проницаемости липосом является встраивание в липидный бислой амфифильных соединений, способных изменять конформацию под действием внешних факторов (рН, комплексообразование) и тем самым вызывать изменения в структуре бислоя, образование в нем пор и, в конечном счете, его разрушение. Нами предложены в качестве перспективных соединений для модификации липосом производные 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана.

Целью настоящей работы являлся синтез липидоподобных амфифильных соединений на основе 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана, способных встраиваться в липосомальную мембрану, претерпевать конформационные перестройки при добавлении водного раствора соли двухвалентной меди и протонировании, тем самым повышая проницаемость липидного бислоя, что обеспечивает управляемое выделение веществ, находящихся во внутреннем объеме липосом.

Таким образом, представленное исследование является актуальным как в плане практического применения - создания прототипов средств адресной доставки лекарственных веществ, так и в плане фундаментальных исследований, поскольку липосомы представляют собой модель для изучения клеточной мембраны, и исследование управляемых процессов, происходящих в липидном бислое, вызывает повышенный интерес.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. 3,7-Диазабицикло[3.3.1]нонаны в современной научной литературе

В современной научной литературе 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонаны (биспидины) и их производные занимают весьма заметное место. Благодаря уникальным химическим свойствам этот класс соединений находит в последнее время широкое практическое применение, приведем лишь несколько примеров. Так, в работе [1] производные 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов рассматриваются в качестве положительных модуляторов никотиновых ацетилхолиновых рецепторов пАСЫ^, так как являются их селективными агонистами. Авторами проводилось компьютерное моделирование для большой выборки соединений, содержавших бицикло[3.3.1]нонановый каркас, среди которых стоит отметить соединения 1а-в, показавшие высокие значения ЕС50. Биологические исследования на крысах подтвердили улучшение памяти при введении данных соединений.

О

1а-в

1а: п=0,11=Е1, 16: п=1, Я=Ме, 1в: п=1, Ы=Е1

Жесткость каркаса, необходимые геометрические параметры и строгая ориентация заместителей при атомах азота в параллельных плоскостях у 3,7-диацил-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-онов сделали эти соединения эффективными положительными модуляторами также АМРА-рецепторов, что позволило разрабатывать на их основе средства для лечения нейродегенеративных расстройств [2].

В работе [3] 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан использовался как каркас при разработке эффективных противовирусных средств. Были синтезированы производные биспидина, сопряженные с аминокислотами, и показано, что введение аминокислот с гидрофобными заместителями приводит к проявлению антивирусной активности по отношению к вирусу японского энцефалита ШУ. Полученные результаты обеспечат новую платформу для создания эффективных

ингибиторов ШУ и, возможно, других флавивирусов. Биспидиновый каркас был выбран из-за жесткости и высокой гидрофобности молекулы, что делает возможным взаимодействие с гидрофобными полостями оболоченных вирусных белков. Авторы полагали, что биспидиновый каркас как спейсер способен придавать аминокислотным остаткам строгую геометрическую направленность, что должно приводить к заданным взаимодействиям с белком по аналогии со структурами, рассмотренными в статье [4]. Биологические эксперименты были проведены для соединений 3, 4, синтезированных из 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 2, и показано, что 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонаны с аминокислотными заместителями могут служить молекулярным каркасом для разработки эффективных препаратов против вирусов энцефалита.

Олигоядерные комплексы переходных металлов, способные к получению фотоиндуцированной энергии или переносу электрона, привлекают большой интерес. Благодаря таким фотофизическим свойствам, как долгое возбужденное состояние и высокие квантовые выходы люминесценции, многие из подобных исследований посвящены системам, содержащим комплекс Ки(И) полипиридиловый фрагмент как светочувствительный компонент, и поэтому изучение фундаментальных внутримолекулярных процессов переноса энергии с

комплексов 11и(11) привлекло значительное внимание. Центральная проблема в этой области заключается в поиске металлических комплексов с высокой стабильностью по отношению к фоторазложению и высокой реакционной способностью. В работе [5] были синтезированы биядерные комплексы 11и(П)-Ре(П) и 11и(П)-Си(11) с биспидиновыми лигандами; электрохимические и фотофизические исследования показывают, что бипиридин-замещенные гетеробиядерные комплексы [(бипиридин)2-Ки(|д,-Ьз)Си(МССН3)](РР6)4 на основе биспидина проявляют высокую фотокаталитическую активность в реакции азиридинирования стирола.

Биспидины нашли также широкое применение в качестве лигандов для комплексообразования с катионами ряда металлов Ре (II), Си (II) и др. [6,7,8] и множество других применений.

2.2. Синтез 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов

Большинство методов синтеза 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов (тривиальное название — биспидины) 5 можно разделить на 5 основных групп (схема 1).

Схема 1. Методы синтеза 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов.

I — синтез биспидинов по реакции Манниха из карбонильных соединений и алифатических аминов;

II — синтез 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов из 4-пиперидонов;

III — кислотный гидролиз производных нитрилов карбоновых кислот, восстановление и, в некоторых случаях, алкилирование (или ацилирование с последующим восстановлением) полученных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов;

IV — циклизация 3,5-бифункциональных производных пиперидина; V— раскрытие цикла 1,3-диазаадамантанов.

2.2.1. Синтез незамещенных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов

Впервые синтез незамещенного биспидина 2 был проведен Больманом с коллегами путем каталитического гидрирования 3,5-дицианопиридина 6 на никеле Ренея под давлением. Биспидин 2 был выделен и охарактеризован в виде дипикрата [9]. Мононитрил 7 в этих же условиях легко превращался в оксобиспидин 8, который при восстановлении IJAIH4 образует биспидин 2 [10].

Авторы [11] получили озонированием цитизина 9 2-оксобиспидин 8, который далее был восстановлен в биспидин 2.

2.2.2. Синтез замещенных 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонаное 2.2.2.1. Синтез 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов из 4-пиперидонов Замещенные 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонаны впервые были получены Маннихом из 4-пиперидонов. Исследуя взаимодействие диметилового эфира 2,6-дизамещенной-4-пиперидон-3,5-дикарбоновой кислоты 10 с метиламином и

7 COOR

формальдегидом, Манних с коллегами осуществили синтез диметиловых эфиров 3,7-диалкил-2,4-дифенил- и 3,7-диалкил-2,4-диметил-9-оксобиспидин-1,5-дикарбо-новых кислот 11, 12 [12,13]:

о

СООМе

Я1-N

МеООС.

+ 112Ш2 + СН20

СООМе

11: Я=РЬ, К'=Я2-Ме; ,сооме Я1=Ме, К.2=А11у1; Н.'=А11у1, Я2=Ме 12: Я=К'=К2=Ме, 112=А11у1, (СН2)2РН, (СН2)2С1

В 1967 г. Дуглас и Ратлифф 114] решили использовать 1-метил-4-пиперидон 13 в конденсации Манниха. Взаимодействием соединения 13 с формальдегидом и алкиламинами они синтезировали ряд 3-метил-7-алкил-9-оксобиспидинов 14:

О

Ме-N

СН,0, ЯЫН

кон

:0

Ме" к Ме Р

13 14 15:11=Ме, Ег, ьРг, г-Ви

Выход целевого продукта 14 составлял 45-55%. Кето-группа оксобиспидина 14 была успешно восстановлена в метиленовую по Кижнеру-Вольфу в модификации Хуан-Минлона с образованием З-метил-7-алкилбиспидинов 15. В работе [15] эта реакция изучена более подробно и было показано, что для 3,5-незамещенных 4-пиперидонов параллельно с биспидином 14 (Я=Ме) образуется значительное количество побочного продукта 16, подобную смесь продуктов разделяли реакцией с о-нитрофенилсульфенилхлоридом:

о

Н2Ы(Ме)НС

Ме-—N

í

СН20, МеЫН2

О

Ме^ *Ме Ме

13 14 16

В работе [16] использовали бензиламин в качестве амина, что привело к

уменьшению времени реакции и увеличению выхода основного продукта.

Соответствующие 3-алкилбиспидииы 18 были получены с количественным выходом восстановлением соединений 17 [16], далее алкилированием или ацилированием были получены несимметричные 3,7-диалкилбиспидины 15, 19:

О

17 18 15:К'=Ме, Е1, Ви

19:Я2=Н, Ме, РЬ

За последние 40 лет из пиперидонов-4 было получено большое количество симметричных и несимметричных 3,7-диалкилбиспидинов 20а-п, представляющих интерес как антиаритмические средства и как комплексообразующие соединения [17-28]:

О

20а-п

Я Я' Литература

20а 1-Рг ьРг [17]

206 1-Рг Вп [17, 22, 23,26]

20в ьРг 4-(Ш2)Вепгоу1, 4-(№12)Веп7оу1, 4-(Р)Вепгоу1 [17,25]

20г >- ВепгоуЬ Вп, 4-(С1)Веп2оу1 [17]

20д Вп Вп [18, 19]

20е Ме п-Неху1, Вп [18]

20ж ьРг РЬ-еШу! [18]

20з Вп 4-(СН30)Вп, 3-(СН30)Вп, 4- [20]

(N02)Bn, 4-(CH3)Bn, 3-(OH)Bn, 4-(Cl)Bn

20и Ме CHPh2 [21]

20к >- Bn [22, 25]

20л -СНг2-Ру -CH2-2-Py [23]

20м Ме CH(Me)Ph [24]

20н CH(Me)Ph CH(Me)Ph [24]

20о Вп 4-(N02)Benzoyl, 4-(NH2)Benzoyl, 4-(F)Benzoyl, 4-(Cl)Benzoyl, 2-(CH30)Benzoyl, 4-(CH3)Benzoyl, 4-(CN)Benzoyl, 4-(CH30)Benzoyl, 3-(NH2)Benzoyl [26, 27]

20п i-Pr CH2-C6H2-3,4,5-(OCH3)3 [28]

2.2.2.2. Синтез 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов на основе конденсации кетонов, имеющих а, а-активированные метшеновые группы, с альдегидами и первичными аминами

Общим методом получения ТЧ,М'-ди (алкил, бензил) биспидинов 21 является реак-ция Манниха [29] - конденсация кетонов с а,а'-активировагшыми метиленовыми группами с алифатическими, ароматическими альдегидами и первичными аминами:

R. R

СН3СОСН3 + RCHO + R'NH;

R R

21: R=Alk, Ar, Iletaryl; R'=Bn, Alk, (CH2)nOH

При взаимодействии различных аминов с параформом и дибензилкетоном с хорошими выходами были получены 3,7-дизамещенные-1,5-дифенил-3„7-диазабицикло[3.3.1]нонан-9-оны 22а-д, проявляющие антиаритмические свойства, (активность их уменьшается с ростом длины цепи заместителей при атомах N), однако соединения 22а-д являются токсичными [30-35]:

О

22а-д

н' Литература

22а Ме, п-Рг, СН2РЬ, СН2СН2ОН [30]

226 Мс, tert-B^x [31,32]

22в СН(Ме)РЬ [33]

22г Ме,СН2РИ, СН2СН2СН2ОН, СН(РЬ)2, а11у1, [34]

22д СН(Ме)СН(РЬ)(ОН), СН2РИ [35]

В работах [34-37] использовали в качестве метиленовой компоненты диэтилкетон для получения 3,7-диалкил-1,5-диметил-9-оксобиспидинов 23:

о

23: Я=Ме, Вп, ¿ег?-Ви В работе [38] впервые была опробована конденсация кетонов с триметилентриаминами 24, которые получали с количественными выходами при взаимодействии формальдегида и соответствующих алкиламинов при 0°С. Нагревание диметилового эфира ацетондикарбоновой кислоты с трифенилтриаминами в присутствии формальдегида в метаноле легко приводило к образованию 3,7-диалкил-(фенил)-9-оксобиспидинов 25:

-соосн,

РЬ

н,соос.

соосн,

О:

-СООСНз N.

сн,о

РК

/

МеОН

24 25

Использование нитрометана в качестве метиленовой компоненты в реакциях конденсации Манниха приводит к М,]\Г-диалкилзамещенным 1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанам 26 [39, 40]:

02М

ЕЮН

сн3мо2 + сн2о + ючн2 -»►

26: И.=Ме, геП-Ви

Получаемый таким способом 1,5-динитро-3,7-ди-трет-бутил-3,7-

диазабицикло[3.3.1]нонан 26 использовался в работе [41] для синтеза 2,2-дизамещенных 1,5-динитро-1,3-диазаадамантанов. Предложенная схема включала в себя отщепление трет-бутильных заместителей соединения 26 под действием бромоводородной кислоты, дальнейшее получение свободного 1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 28 и последующую циклизацию его с различными кетонами с образованием соединений 29а-е:

0,Ы ыо2

// \(_Ви НВг

1-Ви'

/

97%

о^ л ,02

• <гЬ

N N Н Н*НВг

26

27

О °2М. А .N0,

«А*

Ж

N N

И' Я1 29а-е

ЫаОН

95% N N

Н Н

28

Я К' Выход, %

29а н н 95

296 Ме Ме 83

29в Ме Е1 92

29г Рл Е1 64

29д РЬ Н 71

29е Ж)2Р1г Н 70

В более современных работах для синтеза 1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов предложено использовать 1,3-динигропропаны 30, так как это способствует существенному повышению выхода целевого соединения и уменьшению количества побочных продуктов [42,43]:

снс\

N0,

СНоО + 11,ЫН,

N0,

30

31

Кроме того, в работе [43] проанализировано влияние строения исходных соединений и условий реакции на строение и выход продуктов. Существенным фактором, влияющим на выход целевого 1,5-динитро-3,7-диазабицикло[3.3.1]нонана 31, является строение амина: при использовании метиламина выходы соответствующих диазабицикло[3.3.1]нонанов достигают 6070%, в то время как для моноэтаноламина и бензиламина составляют всего лишь 10-20%.

2.2.3. Синтез 1,3-диазаадамантанов, как исходных соединений для синтеза 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов

В связи с тем, что для синтеза 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов широко используются 1,3-диазаадамантаны, рассмотрим методы их синтеза. По синтезу и свойствам гетероадамантанов, и, в частности, 1,3-диазаадамантанов, опубликованы обзоры [44,45]. Впервые такие соединения получила группа Больмана [9], затем

группы Штеттера [46] и Галиновского [47] путем реакции 3,7-диазабицикло[3.3.1]нонанов с формальдегидом.

Более удобным методом синтеза производных 1,3-диазаадамантана общей формулы 32 является аминометилированис соединений с двумя активными метиленовыми группами, формальдегидом (или альдегидами) и аммониевыми