Введение к работе
Актуальность проблемы. Фотохромные соединения, материалы и системы на их основе обладают высоким потенциалом для практического применения и востребованы в ряде важнейших областей науки, техники, промышленности и медицины. Наиболее перспективно их использование при разработке нового поколения элементной базы наноэлектроники (систем трехмерной оптической памяти), новых фоторегистрирующих сред и материалов, оптических молекулярных переключателей, хемосенсоров и др.
Большой интерес для нанобиотехнологии и наномедицины представляют исследования возможности реализации обратимого фотоуправления определенными биологическими процессами (например, транспортом определенных соединений через клеточные мембраны, биокатализом или процессами распознавания в системе лиганд-рецептор, адресной фотоуправляемой доставкой лекарственных средств к органу- или ткани-мишени, новых средств диагностики и визуализации патологий на молекулярном уровне с высокой чувствительностью и селективностью, диагностикумов и биосенсоров многократного использования с высокой цикличностью и др.).
В связи с вышесказанным дизайн новых молекулярных структур, содержащих фотохромные фрагменты в качестве активного работающего элемента и обладающих новыми полезными свойствами, а также исследование их поведения является актуальным направлением развития перспективных поисковых исследований в смежных дисциплинах -биоорганической химии, молекулярной биологии и бионанофотонике. В ходе выполнения настоящей работы впервые получены гибридные фотоактивные материалы новых типов на основе биологических и органических компонентов, в том числе обладающих бинарным набором двух различных по природе фотохромов.
В качестве целевой биологической мишени был выбран уникальный биофотохром -светозависимая протонная транслоказа - бактериородопсин из галофильной бактерии Halobacterium salinarum.
В качестве органических фотохромных компонентов были выбраны 2 серии производных спиропиранов, молекулы которых для придания им способности к ковалентному взаимодействию с биологической мишенью необходимо было модифицировать введением в 5- или б'-положение исходного фотохрома фотоизомеризуемых полиеновых линкеров различной природы, степени ненасыщенности и размера, содержащих разнообразные реакционноспособные терминальные группы. Настоящая работа является логическим продолжением цикла структурно-функциональных исследований бактериородопсина, проводимых на кафедре Биотехнологии МИТХТ им. М.В. Ломоносова под руководством академика РАМН Швеца В.И., в результате которого был
1 В руководстве отдельных этапов работы, связанных с изучением спектрально-кинетических характеристик спиропиранов, принимал участие к.ф-м.н., зав. лаб. Центра фотохимии РАН Барачевский В. А.
4 разработан и широко применяется метод замещения природного хромофора - ретиналя на
его аналоги различной природы.
Работа является частью плановых научных исследований, проводимых на кафедре биотехнологии МИТХТ им. М.В. Ломоносова в рамках госбюджетной темы 1Б-5-356 "Исследования липидов, нуклеозидов, пептидов, ретиноидов методами биотехнологии и химического синтеза с целью создания препаратов медицинского назначения (онкологические и вирусные болезни, возрастные патологии)", по грантам президента РФ по поддержке ведущих научных школ № РИ-112/001/609, № 02.512.11.2144 и № 02.512.11.0011, гранта РФФИ 04-03-32746-а "Новые фотохромные системы, способные к образованию супрамолекулярных ансамблей с различными субстратами".
Цели и задачи исследования:
1. Разработка новых синтетических методов получения двух серий неизвестных ранее
фотохромных лигандов ряда спиропиранов:
отработка известных путей получения исходных спиропиранов,
разработка новых подходов для модификации молекул исходных спиропиранов,
синтез С5-фосфонатного реагента,
исследование процесса олефинирования по Хорнеру-Эммонсу карбонильных предшественников в ряду спиропиранов,
анализ и доказательство строения фотохромных аналогов ретиналя ряда спиропиранов.
Исследование фотохимических характеристик синтезированных фотохромов.
Изучение процесса взаимодействия синтезированных аналогов ретиналя с бактериоопсином в составе апомембран Halobacterium salinarum.
Научная новизна. Разработан и детально исследован новый метод прямого селективного формилирования в условиях реакции Даффа по 5-му положению молекулы спиропиранов, имеющих электронно-акцепторные заместители в пирановом цикле, и с его использованием осуществлен синтез ключевого 6'-нитро-5-формилспиропирана (2 б).
Впервые осуществлен синтез двух серий спиропирановых аналогов ретиналя путем двукратного повторения сочетания процедуры олефинирования по Хорнеру-Эммонсу соответствующих карбонильных предшественников С5-фосфонатом (3) и восстановления нитрильной группы соответствующих промежуточных нитрилов при использовании DIBAH.
Впервые изучены условия проведения и стереохимия продуктов реакции олефинирования по Хорнеру-Эммонсу в ряду производных спиропиранов.
Исследованы продукты побочных реакций конденсации инд оленина (19) с производными салицилового альдегида, а также в процедуре восстановления нитрильной группы промежуточных нитрилов при использовании DIBAH.
5 На основании результатов физико-химических методов анализа доказано строение
всех полученных соединений.
Впервые исследованы спектрально-кинетические характеристики новых гибридных аналогов ретиналя.
Изучен процесс взаимодействия двух серий синтезированных спиропирансодержащих аналогов ретиналя с бактериоопсином в составе апомембран Halobacterium salinarum.
Практическая значимость. Отработаны препаративные методы синтеза ряда замещенных производных салицилового альдегида (11)-(15). Подобраны и оптимизированы условия циклизации индоленина (19) и ряда замещенных салициловых альдегидов (13)-(15) с целью минимизации образования побочных продуктов. Впервые предложен удобный и эффективный одностадийный метод синтеза нового 6'-нитро-5-формилспиропирана -ключевого интермедиата для получения серий разнообразно модифицированных по 5-положению производных. Получена серия новых гибридных фотохромов, обладающих бинарным набором фотоактивных звеньев.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в отечественных и международных научных журналах: J. of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry; Molecular Crystals and Liquid Crystals; Вестник МИТХТ; Химия высоких энергий; Биоорганическая химия. Подана 1 заявка на получение патента РФ.
Результаты, полученные в диссертационной работе, неоднократно были доложены и представлены на следующих международных научных конференциях: 4th International Symposium on Photochromism "Photoswitchable Molecular System and Devices", Arcachon, France, 2004; Third International Symposium on Supramolecular Chemistry "Molecular Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", Kazan, Russia, 2004; III съезде биотехнологов России, Москва, Россия, 2005; XXIst IUPAC Symposium on Photochemistry, Kyoto, Japan, 2006; International Symposium on Molecular Photonics devoted to the memory of academician A.N. Terenin, St. Petersburg, Russia, 2006; International Symposium "Advanced Science in Organic Chemistry", Sudak, Crimea, 2006; XI Международной научно-технической конференции "Наукоемкие химические технологии - 2006", Самара, Россия, 2006; Юбилейных научных чтениях, посвященных 110-летию со дня рождения проф. Н.А. Преображенского, Москва, Россия, 2006; IVth International Symposium on Supramolecular Chemistry "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", Kazan, Russia, 2006; XVIII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, Moscow, Russia, 2007; International Conference "Molecular and nanoscale system for energy conversion", Moscow, Russia, 2007; Международной конференции "Нанофотоника", Черноголовка, Россия, 2007; International Symposium on Photochromism, Vancouver, British Columbia, Canada, 2007; XXIII International Conference on Photochemistry, Cologne, Germany, 2007; XXIInd IUPAC International Symposium
on Photochemistry, Gothenburg, Sweden, 2008, Международном симпозиуме "Нанофотоника" , Ужгород, Украина, 2008.
Положения, выносимые на защиту.
Методы получения двух серий аналогов ретиналя ряда спиропиранов.
Метод прямого формилирования спиропиранов, имеющих электронно-акцепторные
заместители в пирановом цикле, по 5-му положению молекулы.
3. Результаты анализа структуры продуктов побочных реакций в синтезе фотохромных
аналогов ретиналя на основе производных спиропиранов.
4. Результаты спектрально-кинетических исследований характеристик новых гибридных
аналогов ретиналя.
5. Методология получения новых пигментов бактериородопсина, из новых
спиропирансодержащих аналогов ретиналя.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах
машинописного текста, содержит схем, рисунков, таблиц и состоит из введения,
литературного обзора, изложения и обсуждения результатов, экспериментальной части,
выводов и списка литературы ( наименований).
