Михайлюк Павло Костянтинович Флуоровмісні амінокислоти, аміни та діазоалкани

Короткий опис

Михайлюк Павло Костянтинович, старший науковий співробітник НДЧ хімічного факультету Київського націо­нального університету імені Тараса Шевченка: «Флуоровмісні амінокислоти, аміни та діазоалкани» (02.00.03 - ор­ганічна хімія). Спецрада Д 26.001.25 у Київському націо­нальному університеті імені Тараса Шевченка

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
На правах рукопису
МИХАЙЛЮК ПАВЛО КОСТЯНТИНОВИЧ
УДК 547.221 + 547.466 + 547.233 + 547.556.7
ФЛУОРОВМІСНІ АМІНОКИСЛОТИ,
АМІНИ ТА ДІАЗОАЛКАНИ
02.00.03 – органічна хімія
Дисертація на здобуття наукового ступеня
доктора хімічних наук
Науковий консультант:
доктор хімічних наук, професор
Толмачов Андрій Олексійович
Київ − 2016
2
ЗМІСТ
СПИСОК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ 4
ВСТУП 6
РОЗДІЛ 1. ВПЛИВ ФЛУОРУ НА БУДОВУ І ВЛАСТИВОСТІ
ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК (літературний огляд)
11
1.1. Вступ 11
1.2. Загальні відомості про атом Флуору 14
1.3. Вплив Флуору на температури кипіння органічних сполук 16
1.4. Вплив Флуору на кислотність та основність функціональних груп 17
1.5. Вплив Флуору на ліпофільність органічних сполук 21
1.6. Вплив Флуору на метаболічну стабільність органічних сполук 24
1.7. Вплив Флуору на конформацію органічних молекул 30
1.8. Флуор як мітка в ЯМР-дослідженнях 38
РОЗДІЛ 2. ФЛУОРОВМІСНІ АМІНОКИСЛОТИ 43
2.1. Аліфатичні амінокислоти 43
2.1.1. Оптимізований мультиграмовий синтез 3-(трифлуорометил)-
біциклопент[1.1.1]-1-илгліцину
43
2.1.2. Дизайн та синтез (S)-2-аміно-2-(4-флуоробіцикло[2.2.2]октан-
1-іл)ацетатної кислоти
46
2.1.3. CF3-Вмісний аналог 1-аміноциклобутан-1-карбонової
кислоти
53
2.1.4. Синтез 1-аміно-3,3-дифлуороциклобутанкарбонової кислоти 56
2.1.5. Синтез 1-аміно-4,4-дифлуороциклогексанкарбонової кислоти 57
2.1.6. Синтез ізомерних трифлуорометил-1-аміноциклопропан-
1-карбонових кислот
70
2.2. Синтез флуоровмісного аналога серину та треоніну 73
2.3. Синтез монофлуорозаміщеного аналога фенілаланіну 80
2.4. Синтез флуоровмісних аналогів проліну 88
2.4.1. Синтез 5-флуорометилпроліну та 5-флуоропіпеколінової
кислоти
88
2.4.2. Нові цис- та транс-4,5-дифлуорометанопроліни 95
3
2.4.3. γ-(S)-Трифлуорометилпролін як 19F ЯМР-мітка 108
РОЗДІЛ 3. ФЛУОРОВМІСНІ АМІНИ 118
3.1. Синтез трифлуорометилвмісних 3-азабіцикло[n.1.0]алканів 118
3.1.1. Синтез біциклічних аналогів 4-трифлуорометилпіперидину 118
3.1.2. Синтез біциклічних аналогів 3-трифлуорометилпіперидину 122
3.2. Синтез та характеристика дифлуоро-2-азабіцикло[n.1.0]алканів 126
3.3. Синтез та характеристика 2- та 3-трифлуорометилморфолінів 135
3.4. Синтез ізомерних (2,2,2-трифлуороетил)- та (3,3,3-трифлуоро-
пропіл)анілінів
145
РОЗДІЛ 4. ФЛУОРОВМІСНІ ДІАЗОАЛКАНИ В СИНТЕЗІ
ГЕТЕРОЦИКЛІВ
150
4.1. Трикомпонентний синтез CF3-вмісних піразол(ін)ів з
CF3CH2NH2*HCl, NaNO2 та електронодефіцитних алкенів/алкінів
150
4.2. Трикомпонентний синтез C2F5-вмісних піразол(ін)ів з
C2F5CH2NH2*HCl, NaNO2 та електронодефіцитних алкенів/алкінів
163
4.3. Трикомпонентний синтез флуорованих піразолів з
флуороалкіламінів, NaNO2 та електронодефіцитних алкінів
177
4.4. Генерування дифлуорометилдіазометану (CF2HCHN2) та його
перша реакція – [3+2]-циклоприєднання з алкінами
184
4.5. Діазоацетонітрил (N2CHCN): генерування in situ та практичний
синтез CN-вмісних піразолів
190
РОЗДІЛ 5. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА 198
ВИСНОВКИ 312
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 314
4
СПИСОК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
Boc трет-бутоксикарбоніл- (tert-butyloxycarbonyl-)
cat каталізатор (catalyst)
COSY correlation spectroscopy
DAST діетиламіносульфуртрифлуорид
(diethylaminosulfur trifluoride)
DCM дихлорометан (dichloromethane)
DIPEA N,N-діізопропілетиламін (N,N-діізопропілethylamine)
DMAP 4-диметиламінопіридин (4-dimethylaminopyridine)
DMF диметилформамід (dimethylformamide)
DMPC 1,2-диміристоїл-sn-гліцеро-3-фосфохолін
(1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)
DMSO диметилсульфоксид (dimethyl sulfoxide)
EDG електроноакцепторна група (electron donating )
ee енантіомерний надлишок (enantiomeric excess)
EWG електроноакцепторна група (electron withdrawing group)
FDA
Управління з санітарного нагляду за якістю харчових
продуктів та медикаментів США (Food and Drug
Administration)
Fmoc флуоренілметилоксикарбоніл (fluorenylmethyloxycarbonyl)
GABA γ-аміномасляна кислота (γ-aminobutyric acid) -
HCTU
O-(6-хлоробензотриазол-1-іл)-N,N,N′,N′-тетраметилуроній
гексафлуорофофат (O-(6-Chlorobenzotriazol-1-yl)-
N,N,N′,N′-tetramethyluronium hexafluorophosphate)
HMPA гексаметилфосфортриамід, гексаметапол
(hexamethylphosphoramide)
HOBt N-гідроксибензотриазол (N-hydroxybenzotriazole)
HPLC високоефективна рідинна хроматографія
(high-performance liquid chromatography)
HSQC heteronuclear single quantum coherence
LDA літій діізопропіламід (lithium diisopropylamide)
LDA літій діізопропіламід (lithium diisopropylamide)
MIC мінімальна інгібуюча концентрація (minimum inhibitory
concentration)
5
morph-DAST морфолінсульфуртрифлуорид
(morpholinosulfur trifluoride)
Ms мезил-, метансульфоніл- (methanesulfonyl-, mesyl-)
NaHMDS натрій біс(триметилсиліл)амід
(sodium bis(trimethylsilyl)amide)
NOESY nuclear Overhauser effect spectroscopy
PB фосфатний буфер (phosphate buffer)
PyBOP
бензотриазол-1-іл-окси-трис-піролідин-фосфоній
гексафлуорофофат (benzotriazol-1-yloxytripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate)
RPLC рідинна хроматографія з оберненою фазою
(reversed phase liquid chromatography)
rt кімнатна температура (room temperature)
SDS натрій додецилсульфат (sodium dodecyl sulphate)
SPPS твердофазний пептидний синтез
(solid phase peptide synthesis)
Su N-сукцинімідил- (N-succinimidyl-)
TBTU
2-(1H-бензотриазол-1-іл)-1,1,3,3-тетраметилуроній
тетрафлуороборат (2-(1H-benzotriazole-1-yl)-1,1,3,3-
tetramethyluronium tetrafluoroborate)
TFA трифлуороацетатна кислота (trifluoroacetic acid)
TFAA ангідрид трифлуороацетатної кислоти
(trifluoroacetic anhydride)
TFDA триметилсилілфлуоросульфонілдифлуороацетат
(trimethylsilyl fluorosulfonyldifluoroacetate)
TFE 2,2,2-трифлуороетанол (2,2,2-trifluoroethanole)
THF тетрагідрофуран (tetrahydrofuran)
TIS триізопропілсилан (triisopropylsilane)
TMS триметилсиліл (trimethylsilyl)
Ts тозил, 4-толуенсульфоніл (tosyl, 4-toluenesulfonyl)
м. ч. мільйонна частка
РСД рентгеноструктурне дослідження
ТШХ тонкошарова хроматографія
ЯЕО ядерний ефект Оверхаузера
ЯМР ядерний магнітний резонанс
6
ВСТУП
Актуальність теми. Хімія флуороорганічних сполук є невід’ємною
складовою прогресу багатьох різних, але взаємопов’язаних галузей
досліджень, таких як розробка нових матеріалів з широким діапазоном
застосувань (наприклад, фотоелектричних сонячних елементів) або таких
засобів діагностики як позитрон-емісійна томографія, що використовує
радіоактивні ядра 18F. Крім того, близькі властивості атомів 1
Н та 19F
(стеричні об’єми, однакові спіни, високе гіромагнітне співвідношення та
100%-й природний вміст), а також майже повна відсутність атомів Флуору у
природних органічних сполуках поряд з високою чутливістю ЯМР-сигналів
19F до хімічного оточення, створюють можливість застосування ядер 19F як
міток для вивчення будови і механізмів дії біоорганічних молекул,
наприклад, пептидів та протеїнів за допомогою методу 19F ЯМР. Зокрема,
флуорозаміщені амінокислоти знаходять використання як потужні групирепортери в структурних і функціональних дослідженнях пептидів. Синтез
специфічних амінокислот, які є придатними для таких досліджень є
актуальним і водночас складним завданням, що вимагає ретельного вивчення
конформаційних і функціональних наслідків включення флуоровмісної
амінокислоти в пептид.
Проте, найбільш сильний вплив Флуору на біохімічні науки,
безсумнівно, пов’язаний з розвитком агрохімічної і медичної галузей. Адже
більше 20% всіх фармацевтичних препаратів і агрохімікатів містять,
щонайменше, один атом Флуору. Включення флуоровмісних груп в органічні
молекули впливає на їх фізико-хімічні та біологічні властивості. Наприклад,
в медичній хімії часто використовують високу електронегативність атомів
Флуору, яка приводить до зниження основності сусіднього з флуоровмісною
групою атома Нітрогену, що, в свою чергу, зменшує токсичність молекули.
Також як для фармацевтичної, так і для агрохімічної галузей важливим
фактором є значно вища енергія зв’язку С–F, порівняно зі зв’язком С–Н, що
приводить до підвищення метаболічної стабільності флуороорганічних
7
сполук. При цьому флуоровмісні аміни та нітрогеновмісні гетероциклічні
сполуки виявляють надзвичайно широкий спектр біологічної активності, а
отже, їх фрагменти наявні в структурі багатьох сучасних лікарських засобів
та агрохімікатів.
Таким чином, розробка стратегій синтезу нових конформаційно
обмежених флуоровмісних аналогів природних амінокислот для досліджень
мембраноактивних пептидів методом 19F ЯМР, а також структурно
різноманітних флуоровмісних амінів і діазоалканів як цінних будівельних
блоків для одержання на їх основі біологічно активних молекул є актуальним
і перспективним напрямком органічної хімії.
Під час розробки синтетичних підходів особливу увагу було приділено
практичній складовій, адже саме доступність та можливість масштабування
методу створює перспективи його подальшого використання в органічному
синтезі, ЯМР-дослідженнях або у створенні нових препаратів для медичної
та агрохімічної промисловості.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана на хімічному факультеті Київського
національного університету імені Тараса Шевченка в рамках бюджетних тем
№ 06БФ037-06, 11БФ037-04, 14БП037-02, 16БП037-05.
Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи є дизайн, синтез та
вивчення будови нових конформаційно утруднених флуоровмісних амінокислот для подальшого використання як 19F-міток в дослідженнях за
допомогою твердотільного ЯМР; флуоровмісних амінів різної будови та
флуорованих діазоалканів для застосування в органічному синтезі і
одержання на їх основі біологічно активних молекул.
Для досягнення поставленої мети було необхідно розв’язати наступні задачі:
провести дизайн нових флуоровмісних конформаційно утруднених амінокислот,
амінів та діазоалканів; розробити практичні методи синтезу цільових структур з
урахуванням можливості масштабування реакцій; встановити будову і
8
стереохімічні особливості одержаних сполук; дослідити вплив атомів Флуору на
структурні, хімічні та фізичні властивості синтезованих похідних.
Об’єкти дослідження – амінокислоти, аміни та діазоалкани з різними
флуоровмісними замісниками.
Предмет дослідження – підходи до синтезу, будова, фізичні та хімічні
властивості флуоровмісних амінокислот, амінів та діазоалканів.
Методи дослідження – органічний синтез, тонкошарова, препаративна
колонкова та високоефективна рідинна хроматографія, спектроскопія ЯМР
на ядрах 1
Н, 13С та 19F, круговий дихроїзм, мас-спектрометрія, рентгеноструктурні дослідження.
Наукова новизна одержаних результатів. Одержано серію нових
моно- та біциклічних флуоровмісних амінокислот для заміни залишків
аланіну, валіну, лейцину, ізолейцину, фенілаланіну, серину, треоніну та
проліну в пептидах. Досліджено структурні властивості ряду
мембраноактивних пептидів, модифікованих синтезованими флуоровмісними
амінокислотами.
Синтезовано нові флуоровмісні аміни – конформаційно обмежені
аналоги піперидину, піролідину та азепану, а також ізомерні трифлуорометилморфоліни та трифлуорометилалкіланіліни.
Показано можливість генерування in situ ряду нових флуоровмісних
діазоалканів з наступним їх застосуванням в синтезі піразол(ін)ів.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено
препаративні методи синтезу ряду флуорованих амінокислот та амінів, що
дозволяють одержання грамових кількостей бажаних продуктів, які є
цінними будівельними блоками для медичної та агрохімічної галузей.
Продемонстровано можливість включення ряду одержаних 19F-мічених
амінокислот до складу мембраноактивних пептидів з подальшим вивченням
їх будови методом твердотільного 19F-ЯМР.
Розроблено практичні одноколбові методи синтезу різноманітних рядів
флуоро- та CN-вмісних піразол(ін)ів шляхом взаємодії генерованих in situ
9
діазоалканів (CF3CHN2, C2F5CHN2, HCF2CF2CHN2, CF2HCHN2, NСCHN2) з
електронодефіцитними алкенами/алкінами.
Особистий внесок здобувача є визначальним на всіх етапах
дослідження і полягає у формуванні наукового напрямку, обґрунтуванні ідеї,
виборі об’єктів дослідження, плануванні експерименту, аналізі, інтерпретації,
узагальненні експериментальних даних, одержаних як особисто, так і у співавторстві з іншими дослідниками. Автор вдячний за плідні наукові дискусії
науковому консультанту проф. А. О. Толмачову, проф. І. В. Комарову,
проф. О. А. Запорожець, а також проф. А. Ульріх (Німеччина) та PhD
С. Афоніну (Німеччина) за допомогу в дослідженні пептидів. У виконанні
синтетичної частини роботи брали участь: к.х.н. О. Артамонов, к.х.н. А.
Ткаченко, PhD В. Кубишкін, к.х.н. Д. Радченко, к.х.н. А. Бездудний, а також
студенти і аспіранти. Систематизація даних проведена за участю к.х.н. О.
Григоренка та к.х.н. Ю. Пустовіта; протолітичні і ліпофільні характеристики
окремих сполук визначені В. Старовою. Синтез комплексних сполук
здійснено у співпраці з науковою групою проф. Р. Діаза (США).
Рентгеноструктурні дослідження здійснено групою проф. О. В. Шишкіна.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертації було
представлено на міжнародних конференціях: 18th European Symposium on
Fluorine Chemistry (7–12.08.2016, Kyiv, Ukraine), Balticum Organicum
Syntheticum (3–6.06.2016, Riga, Latvia), 251st American Chemical Society National
Meeting (13–17.03.2016, San Diego, USA), 6th EFMC International Symposium on
Advances in Synthetic and Medicinal Chemistry (15–18.11.2015, Rehovot, Israel),
21st International Symposium on Fluorine Chemistry and 6th International Symposium
on Fluorous Technologies (23–28.08.2015, Como, Italy), Bioheterocycles 2015, XVI
International Conference on Heterocycles in Bioorganic Chemistry (8–11.06.2015,
Metz, France), FMC-ISMC 2014, XXIII International Symposium on Medicinal
Chemistry (7–11.09.2014, Lisbon, Portugal), 4th International Symposium on
Organofluorine Compounds in Biomedical, Organic Materials and Agriculture
Sciences (6–10.07.2014, Bordeaux, France), ASMC'13 Moscow, 5th International
10
Symposium on Advances in Synthetic and Medicinal Chemistry (5–8.05.2013,
Moscow, Russia), 11th German Peptide Symposium (18–21.03.2013, Munich,
Germany).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 38 статей у провідних
міжнародних фахових журналах, розділ монографії та 10 тез доповідей на
конференціях.
Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 360 сторінках і
складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних
джерел (440 найменувань), містить 81 рисунок та 26 таблиць. У першому
розділі висвітлено вплив атома Флуору на фізико-хімічні властивості
органічних сполук (літературний огляд). Другий розділ присвячено дизайну,
синтезу та використанню в дослідженні будови пептидів флуоровмісних
амінокислот. У третьому розділі розглянуто підходи до синтезу флуорованих
циклічних амінів. Четвертий розділ присвячено генеруванню флуоровмісних
діазоалканів та використанню їх в синтезі гетероциклічних сполук. П’ятий
розділ містить експериментальні дані дисертаційної роботи.

Список літератури

ВИСНОВКИ
У дисертації наведено шляхи вирішення наукової проблеми розробки
стратегій синтезу нових конформаційно обмежених флуоровмісних аналогів
природних амінокислот, структурно різноманітних флуоровмісних амінів і
діазоалканів як цінних будівельних блоків для одержання на їх основі
біологічно активних молекул для медичної та агрохімічної промисловості.
1. Проведено дизайн та синтезовано серію флуоровмісних моно- та
біциклічних конформаційно обмежених амінокислот на основі циклопропану, циклобутану, циклогексану, біцикло[1.1.1]пентану, біцикло-
[2.2.2]октану та азабіцикло[3.1.0]гексану як міток 19F-ЯМР для заміни
залишків природних амінокислот: Ala, Val, Leu, Ile, Phe, Ser, Thr, Pro.
2. Для ряду одержаних амінокислот (3-CF3-біциклопент[1.1.1]-1-илгліцину,
1-аміно-3-гідрокси-3-CF3-циклогексанкарбонової кислоти, 1-аміно-3-(4-
флуорофеніл)циклобутан карбонової кислоти, 6,6-дифлуоро-2-азабіцикло[3.1.0]гексан-3-карбонової кислоти, 2-аміно-(4-флуоробіцикло-
[2.2.2]окт-1-ил)ацетатної кислоти та 4-CF3-проліну) продемонстровано
сумісність зі стандартними методами твердофазного пептидного
синтезу, що дало можливість одержання 19F-мічених пептидів та
дослідження їх будови за допомогою методу твердотільного 19F-ЯМР.
Встановлено, що одержані амінокислоти є перспективними 19F-ЯМР
мітками, адже структури мічених пептидів не набувають змін через
конформаційно обмежений бічний ланцюг.
3. На прикладі 1-аміно-4,4-дифлуороциклогексанкарбонової кислоти
досліджено вплив атома Флуору на властивості молекули. Встановлено,
що введення Флуору не змінює геометрію молекули, але впливає на
значення рКа (підвищує кислотність карбоксильної функції та знижує
основність атома Нітрогену) та збільшує ліпофільність молекули.
4. Розроблено практичні синтетичні підходи для одержання ряду
біциклічних флуоровмісних амінів – аналогів піперидину, піролідину та
313
азепану, а також мультиграмові синтетичні підходи до ізомерних як
рацемічних, так і енантіомерно чистих 2- і 3-CF3-морфолінів.
5. На прикладі ізомерних CF3-морфолінів досліджено вплив трифлуорометильної групи на їх властивості і показано, що введення CF3-замісника
не змінює геометрію морфолінового фрагмента, але знижує основність і
збільшує ліпофільність молекул.
6. Розроблено надійну процедуру двохетапного мультиграмового
одержання трьох ізомерних C-(2,2,2-трифлуоретил)анілінів і практичний
загальний підхід до ізомерних (3,3,3-трифлуоропропіл)анілінів.
7. Показано, що генерування in situ ряду діазоалканів (CF3CHN2,
C2F5CHN2, HCF2CF2CHN2, CF2HCHN2, CNCHN2) з подальшим введенням
в реакцію з алкенами/алкінами є ефективним способом одержання
цінних піразолів та піразолінів з різними флуоровмісними замісниками.
Розроблені процедури є високопрактичними, оскільки не вимагають
ізоляції потенційно токсичних і вибухонебезпечних газоподібних
діазосполук, не потребують застосування інертної атмосфери,
каталізаторів та особливої підготовки розчинників, також легко
масштабуються, що дозволяє отримувати грамові кількості
піразол(ін)ових будівельних блоків.
8. Експериментально підтверджено, що взаємодія генерованих in situ
флуоровмісних діазоалканів з електронодефіцитними алкенами/алкінами
відбувається за І типом [3+2]-циклоприєднання, яке прискорюється
субстратами з електроноакцепторними залишками та уповільнюється
субстратами з електронодонорними групами.