Содержание к диссертации
Введение
2. Литературный обзор 8
3. Обсуждение резул ьта тов
3.1 Синтез моностириловы х производных 48
3.2 Синтез бисстириловы х произ водны х
3.2.1 Синтез бис(стирилбензотиаз олов) с алкильным спейсером 53
3.2.2 Синтез бис(стирилгетероциклов) с алкиламмонийным спейсером 55
3.2.3 Синтез бис(стирилгетероциклов) с оксиэтиле новым спейсером 58
3.2.4. Синтез одноядерных бис(стирил)а зинов 44-46 59
3.3 Фотохимические реакции стирилазагетероцикл ов 61
3.3.1 [2+2]-Фотоциклоприсоединение краун-содержащих стирилгетероциклов 62
3.3.2 Фотоциклизация стирилзамещенны х азагетероциклов 74
3.3.2.1 Влияние заместителей в фенильном фрагменте на фотопревращения замещенных 2-с тирил хинол инов 75
3.3.2.2 Влияние строения гетероциклического фрагмента на фотоцикл изацию в ряду стирилазагетероциклов 81
3.3.2.2.1 Фотоциклизация моностирилаз инов 81
3.3.2.2.2 Фотоциклизация бис(стирил хинолина) 43 87
3.3.2.2.3 Фотоциклизация одноядерны х бисстирилазинов 44-46 88
3.4. Взаимодействие прод уктов фотоциклизации с ДНК 94
3.4.1 Изучение связывания продуктов фотоциклизации моностирилгетероциклов 16ес-19ес, 22ес с ДНК тимуса теленка
2 3.4.2 Изучение связывания продуктов фотоциклизации
бис(стирилге тероциклов) 43ес, E-44ес, E-45ес с ДНК тим уса теленка 98
3.4.3 Фотоуправляемое связывание производного 2-стирилпиридина 19 с ДНК
тимуса теленка 105
3.4.4. Использование электроциклической реакции в фотоуправляемых супрамолекулярных комплексах. 107
4. Выводы 109
5. Экспериментал ьная часть 110
5.1 Синтетическая часть 114
5.1.1 Общая методика синтеза соединений 10-18 114
5.1.2 Общая методика синтеза 2-стирилхинолинов 20, 21 120
5.1.3 Общая методика фотолиза стириловы х произ водны х 130
5.1.4 Общая методика получения циклобутанов 10cb-13cb 135
5.2 Спектрофотометрическое определение констант устойчивости комплексов 137
5.3. Исследование взаимодействия продуктов электроциклизации с ДНК тимуса теленка 138
5.3.1. Исследования взаимодействий ДНК-лиганд методами оптической спектроскопии 139
6. Список литературы
- Синтез бис(стирилбензотиаз олов) с алкильным спейсером
- Влияние заместителей в фенильном фрагменте на фотопревращения замещенных 2-с тирил хинол инов
- Изучение связывания продуктов фотоциклизации моностирилгетероциклов 16ес-19ес, 22ес с ДНК тимуса теленка
- Общая методика синтеза 2-стирилхинолинов 20, 21
Синтез бис(стирилбензотиаз олов) с алкильным спейсером
Фотоциклизация на третьей и пятой стадиях синтеза проводилась в метаноле с добавлением иода при облучении УФ-светом с фильтром Pyrex ( 320 нм) с выходами 39% и 13% соответственно.
Г. Майером и соавторами [23] показано, что облучение дегазированных бензольных растворов 3,6-бисстирилзамещенных пиридазинов 34a-f (Hanovia 450 Вт со светофильтром Pyrex, 290 нм) не приводит к циклизации. Продуктом данного фотопревращения является фотостационарная смесь E,E- и E,Z-изомеров 34, причем образование Z,Z-изомера не наблюдалось. Стоит отметить, что количество боковых цепей влияет на состав образующейся смеси (схема 15, таблица 6). Поскольку поглощение 34a-f практически идентично, различие в соотношении образующихся изомеров может объясняться различным участием конформеров.
В работе [24] представлено исследование фототрансформаций аналогов стирилпиридина – бензилиденаминопиридинов 35а-с и пиридиналанилинов 36а-с.
Аналогично стирилпиридинам, фотолиз растворов 35, 36 приводит к протеканию реакции электроциклизации, однако успешное проведение реакции требует специальных условий. Так, облучение 35, 36 в неполярных органических растворителях (ртутная лампа высокого давления, 400 Вт), таких как бензол, циклогексан, не приводит к образованию соответствующих диазафенантренов. Успешному протеканию фотоциклизации способствует блокировка неподеленной электронной пары атома азота пиридинового фрагмента проведением реакции в кислых средах. Таким образом исключается возможность n- -перехода с участием пиридинового атома азота и - -переход, приводящий к фотоциклизации, становится наиболее вероятным. Облучение растворов 35, 36 в 99% серной кислоте ртутной лампой высокого давления (400 Вт) приводит к образованию диазафенантренов 37, 38.
Бензоконденсированные аналоги стирилпиридина - стирилхинолины -также способны претерпевать фотоиндуцированную электроциклическую реакцию. Так, при облучении растворов 4-стирилхинолина 39 и 3-стирилизохинолина 40 в гексане светом с длиной волны 220-230 нм наблюдалось образование дигидрофенантрединов 41, 42 (схема 16) [27]. Схема hv hv Серия замещенных бензо[i]фенантрединов 44a-p была получена фотооблучением 4-стирилхинолинов 43a-p, имеющих электронодонорные и электроноакцепторные заместители, в воздушно-насыщенном растворе циклогексана в присутствии каталитических количеств иода с выходами 18-42%
Изучению фототрансформаций 4-(4-R-стирил)хинолинов 45 (R = NO2, Cl, F, NH2, OEt) посвящена также работа Будыки М.Ф. [27]. Облучению УФ-светом (ртутная лампа ДРШ-500, l=365 нм) подвергались спиртовые растворы стирилхинолинов. Схема протекающей при этом фотореакции аналогична представленной в предыдущей работе [26] (схема 17). На первой стадии реакции достаточно быстро (200 с) устанавливается фотостационарное состояние, соответствующее смеси E- и Z-изомеров, дальнейшее, более длительное облучение приводит к протеканию реакции фотоциклизации (для 4-стирилхинолинов с акцепторными заместителями R = NO2, Cl, F), однако квантовый выход циклизации Z-изомера оказался ниже 0.01. При переходе от незаряженной к протонированной форме 46 квантовый выход фотоизомеризации изменился незначительно, однако электроциклизация не наблюдалась.
Бензоконденсированный аналог 4-стирилхинолина 47 при облучении воздушно-насыщенного раствора в бензоле (ртутная лампа среднего давления, 400 Вт) также вступает в реакцию электроциклизации с образованием сложного поликонденсированного производного 48 c выходом 18% (схема 18) [28, 29]. При проведении фотолиза в инертной атмосфере/дегазированном растворе образования 48 не наблюдается, фототрансформация в данном случае включает в себя димеризацию и образование изомерных замещенных циклобутанов.
Ключевой стадией здесь является циклизация промежуточного продукта 3-стирилизохинолин-1-она 53. Авторами был предложен следующий механизм данной фотореакции (схема 20).
Группой Castedo был предложен способ получения производных 2 азахризена 54 из стирилзамещенных изохинолинов 55 и 1,2,3,4 тетрагидроизохинолинов 56 [31]. Так, облучение раствора диметоксистирилизохинолина 55a в смеси диэтилового эфира и дихлорметана с добавлением каталитического количества иода (ртутная лампа среднего давления Hanovia, 450 Вт, с фильтром Pyrex 290 нм) приводило к образованию нафтоизохинолина 54 с выходом 60% (схема 21). Стоит отметить, что при попытке провести циклизацию для незамещенного по атому азота аналогу 55b полученная реакционная смесь имела достаточно сложный состав, и выделить из нее целевой продукт не удалось. Авторы объясняют это наличием свободной пары электронов на гетероатоме N [32].
Влияние заместителей в фенильном фрагменте на фотопревращения замещенных 2-с тирил хинол инов
Механизм обеих фотохимических перегруппировок включает в себя фотохимическую конротаторную циклизацию, [1,9]-H-сдвиг, раскрытие цикла и, наконец, фотохимическое превращение эфира диенола в сопряженный кетон (схема 35). Последняя стадия очень чувствительна по отношению к полярности и влажности растворителя и может эффективно протекать в водном дихлорметане; если растворителем выступает менее полярный абсолютный бензол, реакция гидратации не протекает [74].
При замене заместителя в пара-положении фенильного кольца на атомы галогена, фотохимические свойства 2-стирилфурана и 2-стирилтиофена меняются 38 [75]. Фотолиз дегазированных ацетонитрильных растворов гетарилфенилэтенов 93a-f в реакторе Rayonet (350 нм) с добавлением 0.5М соляной кислоты приводило к смеси продуктов (схема 36). Схема 36 93a-f 94a-f 95a-f а: X = О, Y = F; Ь: X = О, Y = CI; с: X = О, Y = Вг; Y Y d: X = S, Y = F; e: X = S, Y = CI; f: X = S, Y = Br Как видно из данных таблицы 15, при переходе от фтора к брому увеличивается выход продуктов 95 и уменьшается выход 88, 89 за счет влияния атома галогена на скорость конкурирующих процессов гидролиза и [1,9]-Н-сдвига. Таблица 15. Конверсия и выходы фотореакций 93a-f в присутствии 0.5 М НС1. Времяоблучения,ч Выходы, % Реагент Конверсия 94 88, 89 95 93а 3.5 92 17 83 0 93Ь 18 100 55 25 19 93с 24 100 49 11 40 93d 21 78 12 75 13 93е 48 87 56 14 24 93f 48 90 36 11 54 Стирилфураны более сложного строения подвергаются фототрансформации в растворах с добавлением иода [76]. Стоит отметить, что замена заместителя в орто-положении фенильного фрагмента на винил приводит к протеканию другого фотопроцесса – циклоприсоединения (схема 37). 40 Схема 96a,b 96, 97a: R=H b: R=CH2=CH Фотоциклизация 2-стирилтиофена 98, не имеющего электронодонорных заместителей в бензольном ядре (схема 38), была успешно проведена облучением его раствора в циклогексане светом с длиной волны =350 нм [77]. Квантовый выход реакции циклизации составил фцикл= 0.07. Добавления неорганических кислот к облучаемым растворам в данном случае не понадобилось.
Попытка провести фотоциклизацию 2-тионилзамещенного орто-дивинил бензола (=300 нм) привела к получению смеси продуктов фотоциклизации 100а-с и [2+2]-фотоциклоприсоединения 101 двух молекул субстрата (схема 39) [78]. 41
Фотореакции 3-стирилзамещенных пятичленных гетероциклов изучены в меньшей степени. Однако сообщалось об успешном проведении фотоциклизации 3-стирилтиофена 102 [79]. Фотолиз дегазированного ацетонитрильного раствора 102 светом ртутной лампы среднего давления Hanovia 450 Вт ( =254 нм) приводил к образованию дигидропродукта 103, самопроизвольно окисляющегося до нафто[1,2-Ь]тиофена 104 в ходе выделения (схема 40). При проведении фотолиза в присутствии кислорода наблюдалось образование смеси 104 и продуктов фотоокисления.
Схема При фотолизе дегазированного бензольного раствора 3-тионилпроизводного о-дивинилбензола 105 в фотореакторе Rayonet ( = 350 нм) основным продуктом реакции являлся [4+2]-циклоаддукт 106 (схема 41) [78].
Производные стильбена, у которых один из ароматических фрагментов заменен на пятичленный гетероцикл, описаны в работе Starevi [81]. Производные стирилтиофена 109 и стирилфурана 110-112 при облучении ртутной лампой высокого давления 400 Вт со средними выходами давали соответствующие циклопродукты 113-116 (схема 43, таблица 17). Такие поликонденсированные гетероциклические соединения могут использоваться как интеркаляторы ДНК в исследованиях по фотодинамической терапии рака.
Для синтеза потенциальных противоопухолевых агентов была использована реакция фотоциклизации 2-стирил-N-метилпирролов 117a, b (таблица 18). Облучение (полный свет лампы среднего давления Hanovia 450 Вт) их кипящих ацетонитрильных растворов в атмосфере N2 проводилось в присутствии каталитических количеств (5%) Pd/C [82]. Таблица 18. Замещенные2-стирилпирролы 117a, b, время их облучения и выходы продуктов их фотоциклизации 118a, b.
Фотохимические свойства изомерных стирилзамещенных оксазолов описаны в работах [83, 84]. Так, в зависимости от положения стирилового фрагмента в оксазоле, преимущественными продуктами фотолиза могут выступать как полиароматические нафтооксазолы, так и фотостационарная смесь E-Z-изомеров. Облучение дегазированных аргоном или азотом растворов производных 5-стирилоксазола 119 и 120 в ацетонитриле или циклогексане светом с длиной волны 313 нм (для 119) или 333 нм (для 120) приводило к фотостационарной смеси, обогащенной Z-изомером. Дальнейшее облучение растворов Z-изомеров 119 и 120 светом с длиной волны 254 нм приводило к образованию дигидрофенантреновых интермедиатов 121, 122 и в небольшом количестве продуктов их окислительной реароматизации 123, 124 (схема 44).
Стоит отметить, что эффективность циклизации 5-стирилоксазолов, особенно незамещенного 119 ниже, чем у его карбоциклического аналога стильбена. Это объясняется, по всей вероятности, пониженной электронной плотностью оксазольного кольца из-за влияния основного атома азота непосредственно около реакционного центра - атома углерода, образующего в ходе реакции новую С-С связь [83].
Позиционный изомер 119 4-стирилоксазол 125 проявляет аналогичные фотохимические свойства. Для [Г обоих соединений преимущественным релаксационным Г "\ процессом является ii-Z-изомеризация, а интенсивность 125 О их флуоресценции достаточно низкая. Кроме того, Z-изомеры 119 и 125 являются менее активными по отношению к реакциям Z-ii-изомеризации и электроциклизации, если сравнивать их с Z-стильбеном. В целом, влияние положения стирилового заместителя для соединений 119 и 125 можно считать незначительным. Для 2-стирилоксазола 126, у которого нет возможности образовывать новую С-С связь в ходе реакции фотоциклизации, проводимой в 45 аналогичных условиях, признаков протекания С–N циклизации обнаружено не было (схема 45) [84].
Изучение связывания продуктов фотоциклизации моностирилгетероциклов 16ес-19ес, 22ес с ДНК тимуса теленка
В литературе существует множество подходов, позволяющих получить стириловый фрагмент, так как данный класс соединений находит довольно широкое практическое применение. Однако, к сожалению, универсального метода получения гетарилфенилэтенов с различными по природе заместителями не существует. Известно, что основным методом синтеза стирилгетероциклов является конденсация метильных производных гетероциклических оснований с соответствующими производными бензальдегида [85-89] (схема 3). На основании известных методик, для синтеза диметокси- и оксакраун-содержащих моностирил(аза)гетероциклов 1-9 нами проводилась конденсация 3,4 диметоксибензальдегида или 4-формилбензо-15-краун-5 эфира с метил(аза)гетероциклами в присутствии трет-бутилата калия в качестве 48 основания. Метильные группы, непосредственно связанные с гетероциклическим основанием, обладают способностью депротонироваться с образованием «енаминатных» анионов, стабилизированных в результате делокализации отрицательного заряда. Образующиеся анионы вступают в реакцию конденсации с карбонильными соединениями, в которых двойная связь С=О сильно поляризована, что позволяет использовать их в качестве эквивалентов электрофильных синтонов. Выходы синтезированных продуктов приведены в таблице 1.
Интересно отметить зависимость выхода реакции конденсации от структуры метиленовой компоненты. Ключевыми факторами в данном случае являются С-Н кислотность метильной группы (pKaCH) и стерические затруднения. Гетероциклы с наиболее «кислыми» СН3-группами – 2-метилхинолин 1 (pKaCH = 25), 4-метилхинолин 3 (pKaCH = 22), 4-метилпиридин 4 (pKaCH = 23) [90] – вступают в реакцию конденсации с хорошим выходом, 2-метилпиридин (pKaCH = 27) вовсе не реагирует с 3,4-диметоксибензальдегидом при тех же условиях. Однако, несмотря на наибольшую кислотность 4-метилхинолина 3, выход продукта его конденсации с 3,4-диметоксибензальдегидом заметно ниже.
Это объясняется, по-видимому, стерическими факторами. Объемный трет-бутилат анион, выступающий в роли основания, испытывает стерические трудности со стороны бензольных колец, аннелированных в орто-положении относительно метильной группы, что замедляет лимитирующую стадию реакции – депротонирование – и вместе с тем понижает выход реакции. Аналогичный эффект наблюдается и для других аннелированных гетероциклов (1-метилизохинолин). Стоит обратить внимание, что стерический эффект не наблюдается для 2-метилхинолина 1, бензольное кольцо которого не является пространственно сближенным с реакционным центром. Введение второго атома азота в пиридиновый цикл приводит к повышению кислотности метильной группы. Поэтому ожидалось, что в отличие от 2-метилпиридина, метильные производные пиразина, пиримидина и пиридазина будут вступать в конденсацию с 3,4-диметоксибензальдегидом. Действительно, карбанионы, образующиеся при депротонировании метилазинов, стабилизируются за счет резонансных структур, в которых отрицательный заряд делокализуется с участием обоих гетероатомов (схема 4). Стирилзамещенные азины 14-17 были выделены с выходами 48-52% (таблица 1).
Схема Стоит отметить, что выходы краун-содержащих стирилгетероциклов по сравнению с диметоксизамещенными аналогами выше, за счет того что бензо-15-краун-5 способен образовывать прочные комплексы с катионами К+. Это в свою очередь приводит к увеличению концентрации реагирующих частиц (трет-бутилат анионов), за счет диссоциации t-BuOK. С другой стороны, связывание катиона К+ полостью краун-эфира смещает электронную плотность в молекуле альдегида к атомам кислорода краун-эфира и повышает частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода, что повышает его электрофильность и облегчает присоединение карбаниона к карбонильной группе. Для синтеза 2-(3,4-диметоксистирил)пиридина 19, который не удалось синтезировать конденсацией в основных условиях, нами был предложен двухстадийный метод (схема 5). На первой стадии проводилась конденсация 1,2-диметилпиридиний йодида и 3,4-диметоксибензальдегида. Подвижность атомов водорода боковых алкильных групп четвертичных метилпиридиниевых солей существенно выше, и реакции конденсации с участием продуктов депротонирования проходят в значительно более мягких условиях. Так, нагреванием смеси реагентов в н-бутаноле с добавлением пирролидина в качестве основания приводило к образованию стирилового красителя 19а. Последующее нагревание стирилового красителя 19а в N,N-диметиланилине приводило к отрыву метильной группы от пиридиниевого фрагмента и образованию целевого стирилпиридина 19 с выходом 62%. Несмотря на то, что последняя стадия проводилась в инертной атмосфере аргона, наблюдалось значительное осмоление реакционной массы, что снизило выход продукта 19.
Схема Условия основного катализа также оказались неприемлемыми для конденсации производных 2-метилхинолина с замещенными бензальдегидами, поэтому синтез его стириловых производных проводился в условиях кислотного катализа (синтез соединений 20, 21), кислотно-основного катализа (синтез 22), а также по реакции Виттига (соединение 23). Аминозамещенный 2-стирилхинолин 24 был получен путем восстановления нитропроизводного 21 (схема 6).
Общая методика синтеза 2-стирилхинолинов 20, 21
Органические соединения, содержащие циклобутановый фрагмент, представляют важный класс природных метаболитов, обнаруженных в различных земных и водных организмах [91-94]. Большинство встречающихся в природе производных циклобутана обладают значительной биологической активностью, что делает их многообещающими базовыми соединениями, на основе которых могут быть получены новые противораковые, антибактериальные и фунгицидные препараты [93-94]. Кроме того, циклобутаны являются важными синтетическими интермедиатами, обеспечивающими атом-экономичные одностадийные переходы от простых структур к сложным, что особенно необходимо для синтеза природных соединений и других труднодоступных молекул [95-98].
Высокая практическая ценность производных циклобутана стимулирует развитие синтетических подходов для их получения. Наиболее часто применяемый способ построения циклобутанового фрагмента – это фотохимическое [2+2]-циклоприсоединение двух этиленовых кратных связей, протекающий внутри- или межмолекулярно [96-103]. Тем не менее, прямое применение реакции [2+2]-фотоциклоприсоединения для синтеза сложных природных молекул зачастую ограничивается ее низкой регио- и стереоселективностью. Для решения данной проблемы применяются три основных способа. Классический метод основан на введении подходящих заместителей, направляющих фотохимическую реакцию в нужную сторону за счет стерических и электронных эффектов [104]. Второй метод, основанный на применении каталитического [2+2]-циклоприсоединения, интенсивно развивается в течение последних десяти лет [105]. Третий подход заключается в супрамолекулярной предорганизации молекул субстратов, что обеспечивает фиксацию реагирующих связей в необходимом взаимном расположении до протекания циклоприсоединения. Большое количество исследований проводилось в сфере темплатного синтеза в твердой фазе. Молекулы субстрата предорганизовывались за счет водородных связей [106], цеолитов [107] и наноклеток [108]. Существует несколько примеров обратимого циклоприсоединения стильбеноподобных молекул в кристаллическом состоянии [109-111]. В растворах супрамолекулярный катализ применялся для комплексов макроциклических хозяев с фотоактивными гостями, вступающими в реакцию [2+2]-фотоциклоприсоединения непосредственно в полости [112-113]. Еще одним типом супрамолекулярной предорганизации для [2+2]-фотоциклоприсоединения является самосборка субстратов в растворе с участием координации с катионами металлов, водородного связывания, --стэкинг взаимодействия и частичного ковалентного связывания [114-127].
В рамках данного диссертационного исследования мы предложили вариацию метода супрамолекулярной предорганизации, в ходе которого были получены производные циклобутанов серии краун-содержащих стирилазинов 10-13 (схема 15). Ключевым процессом, обеспечивающим замыкание циклобутанового кольца является [2+2]-фотоциклоприсоединение этиленовых двойных связей, протекающее при облучениии супрамолекулярных димеров 10-13 (схема 15). Образование димерных комплексов 10-13 типа голова-к-голове достигается за счет --стэкинг взаимодействия гетероциклического фрагмента и координации двух краун-эфирных фрагментов с катионом Ва2+ с образованием сэндвичевой структуры.
Одним из первых примеров [2+2]-фотоциклоприсоединения в схожем супрамолекулярном комплексе краун-содержащего стирилбензотиазола был представлен в работе [118]. Тем не менее, в описанном ранее случае реакция циклоприсоединения не была стереоспецифичной, и наблюдалось образование смеси двух изомерных производных циклобутана в соотношении 1:3.5. В рамках данной работы мы изучили димерные комплексы стирилазинов, демонстрирующие исключительную стереоспецифичность в реакции фотоциклоприсоединения: так, из 11 возможных изомеров циклобутана наблюдалось образование только одного. Роль --стэкинг взаимодействия оценивалась с помощью изменения площади гетероароматической части от пиридина до фенантролина.
Стационарная оптическая спектроскопия. Спектры поглощения стирилазинов 10–13 имеют интенсивную длинноволновую полосу в области 330– 360 нм (рисунок 3, таблица 2), появление которой связано с внутримолекулярным переносом заряда от насыщенных электронной плотностью атомов кислорода краун-эфирной части к электрон-дефицитным гетероароматическим фрагментам. В зависимости от силы акцепторного эффекта гетероциклического остатка, максимум поглощения сдвигается в более красную область в ряду 13 11 12 10. Добавление Ba(ClO4)2 или Mg(ClO4)2 к ацетонитрильным растворам 10–13 приводит к батохромному сдвигу максимума полосы поглощения за счет связывания катионов Ba2+ и Mg2+ с полостью краун-эфира и уменьшению их донорного влияния на хромофорную систему стирилазинов 10–13 (рисунок 3). В случае Mg2+, благодаря геометрическому соответствию размеров полости краун-эфира и катиона [124-125], наблюдается образование комплексов включения состава 1:1. В то же время, полость 15-краун-5-эфира является слишком маленькой для связывания катиона бария, поэтому для них ожидается образование сэндвичевых структур состава металл:лиганд = 1:2.