Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Макроциклические соединения на основе производных пиримидина 14
1.1 Номенклатура соединений циклофанового ряда 14
1.2 Пиримидинофаны, содержащие один пиримидиновый фрагмент в макроцикле 16
1.3 Пиримидинофаны, содержащие два пиримидиновых фрагмента в макроцикле 23
1.4 Пиримидиновые макроциклы с ароматическими и гетероароматическими структурами в соединительных цепях 31
1.5 Пиримидинофаны, содержащие более двух пиримидиновых фрагментов 34
1.6 Краун-эфиры с пиримидиновыми фрагментами и пиримидинофаны с гетероатомами в соединительных мостиках 38
1.7 Циклические нуклеотиды и их аналоги 45
ГЛАВА 2. Синтез пиримидинофанов, содержащих гетероатомы в соединительных мостиках 57
2.1 Синтез исходных соединений - 1,3-бис(со-бромалкил)урацилов и их производных 58
2.2 Синтез макроциклов, содержащих один пиримидиновый фрагмент 62
2.2.1 Получение пиримидинофанов с атомом азота в соединительном мостике 62
2.2.2 Синтез пиримидинофанов с атомом серы в соединительном мостике 74
2.2.3 Пиримидинофаны, содержащие легко функционализируемые фрагменты 76
2.2.3.1 Особенности поведения пиримидинофанов, содержащих 5-бромурациловый фрагмент 77
2.3 Синтез двухфрагментных пиримидинофанов 82
2.3.1 Синтез двухфрагментных пиримидинофанов с атомами азота в соединительных мостиках 82
2.3.2 Синтез пиримидинофанов, содержащих два урациловых фрагмента и атомы серы в соединительных мостиках 86
2.4 Синтез пиримидинофанов иного строения 87
ГЛАВА 3. Исследование структуры пиримидинофанов 91
3.1 Структура пиримидинофанов в кристаллах 91
3.1.1 Структура макроциклов с одним урациловым фрагментом 91
3.1.2 Структура макроциклов с двумя урациловыми фрагментами 95
3.2 Структура макроциклов в растворе 96
3.2.1 Исследование структуры пиримидинофанов методом ЯМР 96
3.2.2 Метод дипольных моментов 104
3.3 Теоретическое изучение структуры пиримидинофанов, содержащих один урациловый фрагмент 106
3.4 Факторы, определяющие конформационное состояние пиримидинофанов, содержащих один урациловый фрагмент 109
ГЛАВА 4. Реакционная способность пиримидинофанов 114
4.1 Основные свойства 114
4.1.1 Константы основности 114
4.1.2 Изменение структуры при протонировании мостиковых атомов азота 115
4.1.3 Моделирование процессов протонирования 120
4.1.4 Литературные данные 122
4.2 Введение функциональных групп в состав однофрагментных пиримидинофанов 123
4.3 Кватернизация мостиковых атомов азота пиримидинофанов 126
4.3.1 Кватернизация двухфрагментных пиримидинофанов 126
4.3.2 Кватернизация однофрагментных пиримидинофанов 127
4.4 Функционализация макроциклов с атомами серы 128
4.4.1 Синтетические методы 128
4.4.2 Структурные изменения в пиримидинофанах с сульфонированным атомом серы 131
4.5 Биологическая активность пиримидинофанов 132
Основные результаты и выводы 135
ГЛАВА 5. Экспериментальная часть 137
Список литературы 207
Приложение 233
- Пиримидинофаны, содержащие один пиримидиновый фрагмент в макроцикле
- Синтез макроциклов, содержащих один пиримидиновый фрагмент
- Структура макроциклов с одним урациловым фрагментом
- Изменение структуры при протонировании мостиковых атомов азота
Введение к работе
Актуальность работы. Производные пиримидина проявляют исключительно широкий спектр биологической активности. Препараты на основе производных пиримидина применяются в разных областях медицины: как антимикробные (хлоридин, триметоприм), противовоспалительные (метилурацил), антивирусные (азидовудин, дидезоксицитидин), гипотензивные (урапидил, миноксидил), противораковые (фторурацил, фторафур) препараты. В лаборатории Химико-биологических исследований ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН создан высокоэффективный противоожоговый и иммуномодулирующий препарат ксимедон. Кроме того, пиримидиновый цикл является составной частью всех нуклеотидных оснований, а нуклеотидные основания помимо того, что являются строительными блоками ДНК и РНК, входят в состав соединений, обслуживающих сотни ферментативных реакций как в качестве коферментов, так и в качестве источника энергии. Мы предположили, что введение в структуру макроцикла пиримидинового фрагмента может придать соединению совершенно новые свойства и, в частности, биологическую активность. Новые свойства макроциклов могут появиться за счет дополнительных возможностей для связывания с различными субстратами, в том числе с биомишенями, не присущих ациклическим соединениям. Макроциклическое соединение, в состав которого входят нуклеотидные основания, способно выступить в качестве неспецифического фрагмента, усиливающего эффект специфического фармакофорного фрагмента за счет более прочного связывания с биомишенью. Таким образом могут быть созданы новые высокоэффективные лекарственные препараты широкого спектра действия и обладающие разноплановой биологической активностью.
Достаточно подробно исследованы макроциклы, содержащие нуклеотидные основания - аденин или урацил, которые соединены друг с другом или сами на себя рибозидфосфатными мостиками. С 1987 года, когда in vivo была открыта циклическая аденозиндифосфатрибоза (cADPR), последовало огромное количество публикаций, посвященных биологической
7 роли этого макроцикла, который оказался вторичным мессенджером, регулирующим концентрацию ионов кальция в клетке. Предполагается, что cADPR и многочисленные синтетические аналоги могут использоваться для создания высокоэффективных препаратов для лечения гипертензии, ишемии, астмы. Другой в настоящее время интенсивно исследуемый тип макроциклов, содержащих производные нуклеотидных оснований и рибозидфосфатные мостики - внутримолекулярно циклизованные нуклеотиды. Такие макроциклы плодотворно используются для изучения стереохимии и конформационных свойств нуклеиновых кислот.
Еще один тип пиримидинсодержащих макроциклов, в которых пиримидиновые циклы соединены углеводородными мостиками -полиметиленовыми или ксилиленовыми, по аналогии с циклофанами получил название «пиримидинофаны». Пиримидинофаны представляют собой достаточно известный в синтетическом плане класс макроциклов. Однако, за исключением единичных публикаций, практически отсутствуют данные о структуре пиримидинофанов и их свойствах, например, биологической активности. На наш взгляд, пиримидинофаны являются перспективными биологически активными макроциклическими соединениями, способными выступить в роли неспецифического фрагмента, усиливающего действие специфического фармакофора и даже придающего ему новую направленность. Таким образом могут быть получены новые лекарственные средства. Между тем, в молекулах описанных в настоящее время в литературе пиримидинофанов практически отсутствуют возможности для дальнейшей функционализации.
Введение в состав углеводородных соединительных мостиков пиримидинофанов атомов азота или серы позволяет модифицировать структуру макроциклических соединений: в дальнейшем гетероатом может быть переведен в группировку, способную выступить в качестве специфического фармакофора, например, ониевую или сульфониевую. Также перспективными представляются структурные исследования подобных соединений, поскольку гетероатом в составе соединительных мостиков может выступать в роли
8 дополнительного фактора, стабилизирующего определенный набор конформаций, тем самым ограничивая конформационную лабильность макроциклов. Такие исследования представляются весьма ценными, поскольку дают редкую возможность получить информацию о взаимном расположении нуклеотидных оснований и других группировок, например, алкильных радикалов, ароматических (в том числе гетероароматических) фрагментов в отсутствие сахарного остатка. Эта информация представляет немалый интерес для моделирования взаимодействий между интеркалирующим агентом и нуклеиновыми кислотами, лекарственным препаратом и нуклеиновыми кислотами, взаимодействий субстрат-рецептор.
Кроме того, пиримидинофаны с гетероатомами в соединительных мостиках представляют интерес как лиганды для комплексообразования с нейтральными и заряженными субстратами и как объекты изучения супрамолекулярной химии.
Целью данной работы является синтез макроциклических соединений на основе производных пиримидина - пиримидинофанов, содержащих гетероатомы в соединительных мостиках, а именно атомы азота, серы и кислорода. Варьирование длины и конформационной лабильности соединительных мостиков, а также заместителей при гетероатоме позволяет оценить влияние различных факторов на структуру и свойства синтезированных макроциклов. Целью данной работы также является определение биологической активности, и, в частности, антимикробной активности некоторых из синтезированных пиримидинофанов.
Научная новизна. Разработаны методы синтеза пиримидинофанов различного строения с гетероатомами в составе соединительных мостиков. Впервые синтезирован ряд макроциклических соединений, содержащих один или два урациловых фрагмента, а также атомы азота, серы и кислорода в соединительных полиметиленовых или ксилиленовых мостиках. В составе целевых соединений варьировались заместители при С5 и С6 пиримидиновых циклов, гетероатомы в составе соединительных мостиков и заместители при
9 гетероатомах. Методами РСА, ЯМР и МДМ установлено, что как в кристалле, так и в растворе [9]- и [11](1,3)пиримидинофаны находятся в жесткой «свернутой» конформации, а [13](1,3)пиримидинофаны— в «развернутой», с удаленными друг от друга структурными элементами. Изомерным двухфрагментным пиримидинофанам приписана определенная структура на основании данных РСА и МДМ. Обнаружена зависимость конформационного состояния однофрагментных пиримидинофанов от присутствия в растворе доноров протонов — органических и неорганических кислот. Протонирование мостикового атома азота сопровождается структурными переходами. Эти переходы обратимы - при добавлении более сильного основания макроцикл возвращается в исходное состояние. Различия в конформационном состоянии пиримидинофанов отражаются на их основных характеристиках. В результате взаимодействия 1,3-бис(3-бромметилбензил)-5-бромурацила с я-метокси-бензиламином выделен макроциклический продукт, содержащий 5-гидроксигидантоиновый фрагмент, тогда как в литературе описано лишь превращение 5-бромурацилового фрагмента в гидантоиновый.
Некоторые из синтезированных макроциклов проявляют высокую антибактериальную и противогрибковую активность.
Синтезировано и охарактеризовано 97 новых соединений - производных 5- и 6-замещенных урацилов, хиназолин-2,4-диона, аллоксазина, 5-метилизоцианурата, 5,6-дигидро-6-метилурацила и в том числе 70 макроциклических соединений.
Практическая значимость заключается в разработке методов синтеза пиримидинофанов с гетероатомами в соединительных мостиках. Использованный подход позволяет вводить в состав пиримидинофанов различные замещенные урациловые фрагменты, в том числе с конденсированными ароматическими циклами, варьировать длину и конформационную лабильность соединительных мостиков, вводить в состав мостиков атомы N, О или S, облегчающие дальнейшую функционализацию пиримидинофанов, и может использоваться для проведения направленных
10 синтезов макроциклов с целью получения веществ с заданными свойствами. Пиримидинофаны с кватернизованными атомами азота или сульфониевой группировкой обладают высокой антибактериальной активностью по отношению к грам-положительным бактериям и могут найти применение в качестве антибактериальных препаратов. Обнаруженные для некоторых из синтезированных пиримидино фанов обратимые структурные переходы под действием кислот и оснований могут использоваться при создании молекулярных рН-переключаемых устройств.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на итоговых научно-образовательных конференциях студентов КГУ (Казань, Россия, 2004, 2005), итоговых конференциях Казанского научного центра РАН (Россия, Казань, 2005, 2007, 2008), XLIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Россия, Новосибирск, 2005), научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра КГУ (Россия, Казань, 2006, 2007), Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов" (Россия, Москва, 2005, 2008), V Всероссийском научном семинаре и Молодежной научной школе «Химия и медицина» (Россия, Уфа, 2005), IV Национальной кристаллохимической конференции (Россия, Черноголовка, 2006), IX научной школе-конференции по органической химии (Россия, Москва, 2006), Всероссийской научной конференции «Современные проблемы органической химии» (Россия, Новосибирск, 2007), Всероссийском симпозиуме «Эффекты среды и процессы комплексообразования в растворах» (Россия, Красноярск, 2007), XXII Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Молдова, Кишинев, 2005), Международной конференции по химии гетероциклических соединений (Россия, Москва, 2005), Международной конференции «Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности» (Россия, Санкт-Петербург, 2006), 3 международной конференции «Химия и биологическая активность азотсодержащих
гетероциклов», посвященной памяти проф. А.Н. Коста (Россия, Черноголовка, 2006), XXIII Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Украина, Одесса, 2007), XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Россия, Москва, 2007), XXX International Symposium on macrocyclic chemistry (Германия, Дрезден, 2005), International symposium "Advances in science for drug discovery" (Россия, Москва-Кижи-Валаам-Санкт-Петербург, 2005), IVth International symposium "Design and synthesis of supramolecular architecture" (Россия, Казань, 2006), International Symposium on Advanced Science in Organic Chemistry (Украина, Судак, 2006), 1st European Chemistry Congress (Венгрия, Будапешт, 2006), 10th Session of the V.A. Fock Meeting on quantum and computational chemistry. (Россия, Казань, 2006), International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Россия, Туапсе, 2006), International Symposium on Advances in Synthetic and Medicinal Chemistry (Россия, Санкт-Петербург, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей в центральных отечественных и международных журналах, а также тезисы 26 докладов различных конференций и симпозиумов.
Работа выполнена в лаборатории Химико-биологических исследований (ХБИ) в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН по теме: «Функционализация клешневидных и макроциклических соединений, содержащих N-гетероароматические и карбоциклические фрагменты, с целью придания им практически полезных свойств: растворимости, избирательного связывания, электропроводности, способности реагировать на внешние физико-химические воздействия» (№ гос. per. 0120.0503489), при поддержке гранта РФФИ 05-03-32497 «Пиримидиноазациклофаны - рН-зависимые сенсоры» 2005-2006 гг, программ ОХНМ РАН «Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров» и «Биомолекулярная и медицинская химия», программы Президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и
12 создание новых материалов», совместного гранта CRDF и Министерства образования и науки РФ (REC-007).
Объем и структура работы. Работа выполнена на 242 страницах, содержит 4 таблицы, 41 рисунок и библиографию, включающую 218 наименований.
Диссертационная работа состоит из введения, списка использованных сокращений, 5 глав, посвященных методам синтеза пиримидинофанов и исследованию их свойств, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. В 1 главе приведены литературные данные по теме работы, во 2 — представлены методы синтеза пиримидинофанов различной структуры, в 3 главе описываются результаты исследования структуры синтезированных соединений различными физико-химическими методами, 4 глава посвящена изучению химических свойств пиримидинофанов, 5 глава - экспериментальная часть.
Автор выражает благодарность и искреннюю признательность своему научному руководителю, кандидату химических наук, доценту Семенову Вячеславу Энгельсовичу за неоценимую помощь и поддержку в процессе выполнения работы и обсуждения полученных результатов. Автор также благодарит заведующего лабораторией Химико-биологических исследований, профессора Резника B.C., м.н.с. Гиниятуллина Р.Х. и других сотрудников лаборатории ХБИ. Автор выражает благодарность за помощь в проведении структурных исследований д.х.н., заведующему лабораторией Радиоспектроскопии Латыпову Ш.К., д.х.н., заведующему лабораторией Дифракционных методов исследования, профессору Литвинову И.А., сотрудникам этой же лаборатории к.х.н., н.с. Лодочниковой О.А., д.х.н., с.н.с. Катаевой О.Н. и д.х.н., в.н.с. Губайдуллину А.Т., д.х.н., в.н.с. лаборатории Фосфорсодержащих аналогов природных соединений Катаеву В.Е., к.х.н., с.н.с. лаборатории Высокоорганизованных сред Тимошевой А.П., за проведение масс-спектрометрического анализа - к.х.н., с.н.с. лаборатории Физико-химического анализа Ефремову Ю.Я., к.х.н., н.с. этой же лаборатории
13 Шарафутдиновой Д.Р., за исследование растворов макроциклов методом потенциометрии - к.х.н., с.н.с. лаборатории Супрамолекулярных систем Подъячеву С.Н. и н.с. этой же лаборатории Судаковой С.Н.
Пиримидинофаны, содержащие один пиримидиновый фрагмент в макроцикле
Под действием ацетата меди происходит внутримолекулярная циклизация 4,6-бис(пент-4-ин-1-ил)-2-метилпиримидина (2а) с образованием пиримидинофана (1а), содержащего тройные связи. Циклизацию изомерного соединения (26) в аналогичных условиях осуществить не удалось, к сожалению, авторы не приводят объяснений этого неожиданного факта. В результате каталитического гидрирования макроцикла (1а) был получен 13-метил[10](4,6)пиримидинофан (16) (схема 1) [11]. Cu(OAc)2 N пиридин N XH Схема 1 В работе [12] изучается взаимодействие урацила, тимина или 5-фторурацила с дигалогеналканами в растворе ДМФА в присутствии NaH с целью синтеза макроциклических соединений. Наряду с другими продуктами были выделены циклофаны (3) (схема 2), выход макроциклов (3) существенно повышается при увеличении числа метиленовых групп в исходных дибромалканах. О R NH О н R = Н, F, СН3 1. NaH/DMF _ 2. Br(CH2)nBr/DMF Схема 2 В отдельную группу можно выделить работы, в которых однофрагментные пиримидинофаны синтезировались на основе уже готового макроциклического фрагмента. В работе [13] приводится синтез ряда производных пиримидина конденсацией различных кетонов с мочевиной при 280С в присутствии я-толуолсульфокислоты. В том числе, в результате взаимодействия циклододеканона с мочевиной с высоким выходом был получен пиримидинофан (4) (схема 3). О S H,N О Л NH, О ПА NH н Н О 90% 4 Схема 3 Аналогичный подход был применен и в работе [14], продуктом конденсации циклододеканона с мочевиной либо биуретом в этом случае также оказался пиримидинофан (4). Однако при проведении реакции с тиомочевиной был выделен продукт (5) (схема 4). Для дополнительного подтверждения струк NH О SхH2N NH2 і S Н+, ксилол н51% Схема 4 туры был осуществлен встречный синтез макроцикла (4) и его тиоаналога (схема 5). Целью работы являлась разработка метода синтеза брассиловой кис О СООСН, X А NK H2N EtONa/EtOH Схема 5 лоты НООС-(СН2)ц-СООН, и в результате щелочного гидролиза макроцикла (4) при 250-280С наблюдалось образование целевого продукта с выходом 67%.
Было обнаружено [16-18], что дигалогенциклопропилацетатов с нуклеофилами приводит к различным гетероциклам. В результате реакции соединения (7) с избытком гуанидина была получена вязкая масса, в которой единственным идентифицируемым продуктом оказался выделенный с выходом 12% пиримидинофан (8) (схема 7) [16]. ОАс :CCL ,N NH. HNU/NH2 NH0 .N 7 8 Схема 7 В то же время, при взаимодействии соединения (7) с гидразином в аналогичных условиях происходит образование целевого пиразолофана с выходом более 49%. По-видимому, причиной таких различий являются разные механизмы протекания реакций [17,18]. Для доказательства структуры макроцикла (8) был дополнительно осуществлен его синтез из 2-гидроксиметилциклододеканона и гуанидина (схема 8) [16]. NH f A H2N NH2 »» 8 \ H20 5% CH„OH Схема 8 В работе [19] описан синтез макроциклов, содержащих пуриновые фрагменты. В качестве промежуточных соединений для синтеза целевых пуринофанов был получен ряд соединений общей формулы (10). Для синтеза пиримидинофанов (10) авторы применили следующую схему: сначала был синтезирован ряд цикломочевин (9), а затем они были введены в реакцию конденсации с этиловым эфиром цианоуксусной кислоты (схема 9). Выход пиримидинофанов на заключительной стадии оказался весьма высоким, однако образование полиметиленмочевин (9) протекало менее гладко. О 1. NC-CH2COOEt (СН2)П (СН2)П 84-95% 10 2. Na2HP04 Схема 9 Для изучения противораковой активности в работе [20] осуществлен многостадийный синтез стерически напряженного пиримидинофана (12), содержащего две тройные и одну двойную связь в цикле. Заключительной стадией синтеза является каталитическая циклизация соединения (11) в присутствии палладиевого катализатора (схема 10). Авторы сообщают, что мак Pd(PPh3)4 BuNH, Схема 10 роцикл (12) также потенциально способен усиливать действие других противораковых препаратов за счет ингибирования глутатиона. Оригинальный подход для синтеза пиримидинофанов был применен в работах [21,22]. С использованием перегруппировки Димрота был получен ряд макроциклов, в том числе этим методом удалось получить ряд весьма стери-чески напряженных пиримидинофанов (14) с короткими соединительными мостиками (схема 11). Путь реакции и выходы макроциклов сильно зависят от N (СНг)п ,CN 4NH2 ЕЮ Rv n=4,5 R=CN, CONH2, COOEt 16-95% Схема 11 длины соединительного мостика и условий проведения реакции. В случае коротких мостиков в основном образуются соединения (13), а при увеличении длины перегруппировка происходит практически сразу и соединения (13) не выделялись из реакционных смесей. Реакции проводили при кипении в бутаноле либо этаноле, а в некоторых случаях оптимальные выходы были достигнуты при проведении реакции в ТГФ в присутствии п-толуолсульфокислоты [21]. В случае конденсированных систем взаимодействие протекало несколько иначе - в ходе реакции продукты перегруппировки не образовывались, однако под действием водно-спиртового раствора гидроксида калия были получены макроциклы (15) (схема 12). Как и в предыдущем случае, выходы макроциклов увеличиваются с удлинением соединительного мостика [22].
Синтез макроциклов, содержащих один пиримидиновый фрагмент
В результате реакции 1,3-бис(со-бромалкил)урацилов с первичными аминами при соотношении реагентов 1:1 или при небольшом избытке амина образуются пиримидинофаны (93-99) (схема 71) [138-143]. О. О. -N n=5; R1=CH3; R2=H; R3=Bn - 93а (17%); R3=Bu - 936 (19%); R3=(CH2)3Ph - 93в (5%); R3=4-MeO-C6H4-CH2 - 93г (28%); RI=H; R2=CH3; R3=Bn - 94a (16%); R3=Et - 946 (9%); R3=CH(CH3)C6H5 - 94B (9%); R3=Bu - 94r (17%); R3=Allyl - 94д (18%); R3=CH2Nap- 94e (14%) RI=H; R2=H; R3=2-CI-C6H4-CH2 - 95a (5%); R3=4-CI-C6H4-CH2 - 956 (10%); R3=3-MeO-C6H4-CH2 - 95B (11%); R3=4-MeO-C6H4-CH2 - 95r (22%); R3=CH2Nap - 95д (5%); R1=N02; R2=H; R3=Bn - 96 (4%); Ri=Br; R2=H, R3=4-MeO-C6H4-CH2 - 97 (13%) n=6; R1=CH3; R2=H; R3=Bn - 98 (22%); RI=H, R2=H, R3=Dpm - 99 (6%) Реакции с аминами в основном проводили в ацетонитриле или н-бутаноле в присутствии карбоната калия при 80-100С при соотношении реагентов от 1:1 до 1:2. Варьировались заместители при урациловом фрагменте — получены пиримидинофаны как с электроноакцепторными (соединения (96) и (97)), так и с электронодонорными заместителями (соединения (93а-г), (94а-е) и (98)). В реакции циклизации вводили алкиламины (этиламин, бутиламин), пропилфениламин, бензиламин, замещенные бензиламины с заместителями различной природы (хлор- и метоксизамещенные), 1-нафтилметиламин, оптически активный Я-(+)-фенилэтиламин, бензгидриламин, п-толуолсульфамид. Варьируя заместители в ароматических фрагментах макроциклов, мы пытались изменять распределение электронной плотности в молекуле и таким образом модифицировать донорные либо акцепторные свойства макроцикла [136,138].
Образование макроциклов четко фиксируется в спектрах ЯМР 1Н -структура сигналов метиленовых групп при атомах азота пиримидинового цикла претерпевает драматические изменения, также исчезает мультиплет в области 5=3.40 м.д., соответствующий фрагменту СН2Вг.
Полное приписание линий в спектрах ЯМР Н и 13С однофрагментных пиримидинофанов в растворе CDCb представляет собой достаточно сложную задачу и было осуществлено на основании комплекса экспериментов ID ROESY, 2D COSY, 2D TOCSY, 2D HSQC и 2D HMBC при 303K и 263K. Пониженная температура использовалась для увеличения интенсивности кросс-пиков в 2D НМВС спектрах [138,144].
Спектр ЯМР Н в CDC13 макроцикла (94а). сигналами, рассмотрим на этом примере подробно процедуру отнесения сигналов в Ни 13С ЯМР-спектрах. На первом этапе, начиная с С5пирН для 6-метилурацилового фрагмента, с С Н и С Н для алифатических спейсеров и с СН2-группы для СН2Рп-фрагмента, используя комплекс ID- и 2D-экспериментов, настроенных на обнаружение корреляций за счет гомо- и гетероядерных констант спин-спинового взаимодействия (КССВ), устанавливаются структуры фрагментов. Следующий шаг - объединение этих фрагментов, базируясь на результатах НМВС корреляций. 2D TOCSY/COSY спектр макроцикла (94а) при Т=303К в CDC13. Резонансные сигналы геминальных протонов при мостиковом С представляют собой два уширенных мультиплета при 4.43 и 3.53 м.д. Наличие кросс-пиков в 2D TOCSY спектре между сигналами этих протонов и резонансами остальных протонов спеисера позволяют определить положения резонансных сигналов всех протонов цепочки С -С . Из анализа кросс-пиков в 2D COSY спектре можно выделить среди наблюдаемых сигналов в 2D TOCSY спектре кросс-пики между сигналами вицинальных СНг-групп, и, таким образом, соотнести все сигналы. Например, наличие кросс-пиков в 2D COSY спектре между сигналами протонов С Н и уширенными мультиплетами при 1.91 м.д. и 1.42 м.д. позволяют отнести эти сигналы к резонансу протонов при С . Аналогично были определены положения резонансных сигналов остальных протонов цепочки С2-С6: 1.30 м.д. (С4Н), 1.40 м.д. (С5Н) и 2.33 м.д. (С6Н).
Значения химсдвигов углеродов цепочек С -С и С -С определены с помощью соответствующих кросс-пиков в 2D HSQC спектре исходя из уже известных положений резонансных сигналов мостиковых протонов. Сигналы геминальных протонов метиленовой группы бензильного фрагмента представляют собой АВ систему, проявляющуюся при 273К в виде двух уширенных дуплетов. Кросс-пики в 2D TOCSY спектре между сигналами этих протонов и сигналом в низких полях позволяют идентифицировать резонансы фенильных протонов. Кроме того в 2D COSY спектре наблюдаются кросс-пики между сигналами протонов АгЗН и Аг2Н, а также между АгЗН и Аг4Н. Кросс-пик в 2D НМВС спектре между сигналами протонов CH Ph и Аг2Н и сигналом при 140.5 м.д. позволяет идентифицировать последний как принадлежащий атому углерода Arl. На основании соответствующих кросс-пиков в 2D HSQC спектре были определены химсдвиги остальных атомов углерода, составляющих бензильный фрагмент [138,144]. В масс-спектрах всех синтезированных пиримидинофанов наблюдаются пики молекулярных ионов, значение m/z для [М]+ совпадает с вычисленным с большой точностью, что однозначно доказывает образование макроциклической, а не полимерной структуры.
В некоторых случаях удалось получить кристаллы, пригодные для проведения рентгеноструктурного анализа, полученные результаты подтвердили правильность структуры, приписанной синтезированным соединениям. Геометрия молекул пиримидинофанов представлена на рис. 6-8, сразу же можно заметить определенные различия в строении макроциклов с разной длиной соединительных мостиков, однако более подробно структура пиримидинофанов будет рассмотрена в следующем разделе [138,145].
Геометрия молекулы (98) в кристалле. Использованный подход позволяет ввести в состав пиримидинофанов помимо урацилового фрагмента и его производные с конденсированной ароматической системой - например, хиназолин-2,4-дион и аллоксазин. Взаимодействием соединений (89а-в) с бензиламином или 1-нафтилметиламином синтезированы пиримидинофаны (100-101) .
Геометрия молекулы (а) (100а), (б) (106) в кристалле. Таким образом были получены макроциклы, соединительные мостики которых содержат 10 или 12 метиленовых групп. Попытки синтеза пиримидинофанов с более коротким мостиком, например, введением в реакцию 1,3-бис(4-бромбутил)тимина (88а) не привели к циклическим продуктам: по данным масс-спектрометрии в реакционной среде были зафиксированы лишь следовые количества целевого макроцикла. Схема 103 (4%) Нам не удалось осуществить циклизацию бензиламином 1,3-бис(2-хлорэтоксиэтил)-6-метилурацила (91); макроцикл (94ж), в состав которого дополнительно введены атомы кислорода, удалось синтезировать исходя из соединения (104), полученного заменой в соединении (91) атомов хлора на атомы йода (схема 76). При этом выход оказался лучше, чем для большинства макроциклов, полученных из 1,3-бис(со-бромалкил)урацилов.
Структура макроциклов с одним урациловым фрагментом
Монокристаллические образцы пиримидинофанов (93а) и (94а) выращены из ДМСО, и, как показывают данные РСА (рис. 6), содержат только соответствующие макроциклические молекулы [138]. В кристалле пиримидинофана (94а) находятся 2 кристаллографически независимые молекулы, представляющие собой энантиомерную пару. Геометрия молекул полностью совпадает в пределах погрешности эксперимента (за исключением знака соответствующих торсионных углов), поэтому на рис. 66 представлена одна из независимых молекул. В асимметрической части кристаллической ячейки пиримидинофана (93а) находится 1 макроциклическая молекула, один из атомов спейсера которой (С10) разупорядочен по двум положениям с примерно равной заселенностью, на рисунке разупорядоченность исключена с целью упрощения (рис. 6а). Из рис. 6 видно, что молекулы (93а) и (94а) в кристаллах находятся в «свернутой», "С"-образной конформации с пространственно сближенными ароматическими фрагментами. Количественно общую конформацию молекул (93а) и (94а) можно охарактеризовать взаимным расположением 3-х плоскостей (рис. 15): плоскости пиримидинового основания а, средней плоскости 14-членного гетероцикла b и плоскости фенильного заместителя с. Несмотря на «свернутую» конформацию молекулы, а также ортогональность ароматических фрагментов, последние, однако, в достаточной степени сдвинуты друг относительно друга (расстояние между центрами циклов составляет 6.0 А в молекуле (93а) и 5.8 А в молекуле (94а), вследствие чего между ними отсутствуют как к-п, так и С-Н...% взаимодействия. 14-членный гетероцикл, содержащий 11 атомов углерода и 3 атома азота, в наиболее развернутой проекции имеет форму "восьмерки" (рис. 16) с кратчай Рис. 16. Внутримолекулярные C-H...N взаимодействия в пиримидинофанах (93а), (94а). шим трансанулярным межуглеродным расстоянием С4...С10 4А. Такая форма макроцикла стабилизируется четырьмя взаимодействиями С-Н.. .N типа между интранулярными атомами водорода при С4, С10 с одной стороны, и атомами азота пиримидиновых циклов N1, N13 и мостиковым атомом азота N7 с другой стороны [138].
Представляет интерес анализ межмолекулярных взаимодействий в кристаллах пиримидинофанов. Было установлено, что независимые молекулы пиримидинофана (94а) вступают в разные типы взаимодействий с соседними молекулами. Так, для одной из независимых молекул между урациловыми циклами в кристалле наблюдаются достаточно сильные п-п взаимодействия (рис. 17а) (расстояние между центрами циклов 3.8А, диэдральный угол между
. Диаграмма перекрывания пиримидиновых циклов соседних молекул, ними 0, кратчайшее расстояние между центром одного цикла и плоскостью другого 3.39А), в то время как для другой не наблюдается аналогичного взаимодействия, так как урациловые циклы в них сдвинуты друг относительно друга (рис. 176) (расстояние между их центрами составляет 5.06А). Они связаны между собой С-Н...О взаимодействиями протона метильной группы при С с атомом кислорода О карбонильной группы.
Взаимное расположение двух соседних молекул (93а) в кристалле (рис. 17в) свидетельствует о перекрывании их тиминовых циклов в еще большей степени (расстояние между центрами циклов 3.4А, диэдральный угол между ними 0, кратчайшее расстояние между центром одного цикла и плоскостью другого 3.34А) [138].
В кристаллах других пиримидинофанов (94в), (96), (100а), (106) с 10 метиленовыми группами в соединительных мостиках, различными гетероциклическими фрагментами и различными фрагментами при мостиковом атоме N эти структурные особенности сохраняются. На рис. 7а представлена геометрия молекулы пиримидинофана (94в) с фенилэтильным заместителем, хиральный атом углерода в котором сохраняет конфигурацию исходного амина #-(+)-фенилэтиламина [145].
Как видно из рис. 7а, для макроцикла реализуется «сложенная» конформация с кратчайшим расстоянием 3.2А между урациловым и фенильным фрагментами. Такая же «сложенная» геометрия сохраняется для пиримидинофана (96) с нитрогруппой при атоме С5 пиримидинового цикла (рис. 76). Аналогичная конформация реализуется и для пиримидинофана (100а) с конденсированной ароматической системой — хиназолин-2,4-дионовым фрагментом (рис. 9а). Примечателен тот факт, что при введении в состав циклофана вместо пиримидинового цикла 5-метилизоциануратного фрагмента (макроцикл (106)) также имеет место подобная «сложенная» конформация с расстоянием между фрагментами в районе 3.3А (рис. 96). В отличие от описанных выше макроциклов, пиримидинофан (98) с 12 метиленовыми группами в соединительном мостике имеет развернутое строение с торсионными углами в полиметиленовой цепочке, близкими к 180 и удаленными друг от друга фенильным и пиримидиновым фрагментами (рис. 8). Однофрагментные пиримидинофаны с атомами S в мостике сохраняют структурные особенности, характерные для макроциклов с мостиковыми атомами N. В принципе, в кристалле геометрия молекулы макроцикла (109а) с мостиком, содержащим 8 метиленовых групп и атом серы (рис. 10а), аналогична геометрии пиримидинофанов с более длинным мостиком, состоящим из 10 метиленовых групп и атома азота.
Таким образом, установлено, что конформация макроциклов в кристалле определяется длиной соединительного мостика, так, в случае мостика, состоящего из 10 метиленовых групп и атома азота, макроциклы находятся в «свернутой» конформации независимо от урацилового фрагмента и заместителя при мостиковом атоме азота, при увеличении же длины цепочки до 12 метиленовых групп происходит изменение конформации на «развернутую» с удаленными друг от друга основными фрагментами пиримидинофанов [138,145].
Для макроциклов с двумя урациловыми фрагментами возможно образование геометрических изомеров. В некоторых случаях нам удалось выделить изомеры в индивидуальном виде и выполнить их рентгено-структурный анализ.
Молекулы (118а) и (119а), являющиеся транс-изомерами, в кристалле находятся в частном положении в центре симметрии, половина молекулы макроцикла при этом является симметрически зависимой. По этой причине урациловые фрагменты находятся в параллельных плоскостях, расстояния между центрами циклов составляют 10.07 А, 12.16 А для (118а) и (119а) соответственно.
В отличие от молекул транс-изомеров, макроцикл (1196) с цис-расположением карбонильных групп при различных пиримидиновых циклах кристаллизуется в несимметричной конформации, симметрически независимой является вся молекула (рис. 14). Урациловые фрагменты в молекуле (1196) уже не являются параллельными, диэдральный угол между их плоскостями составляет 44.
Согласно полученным данным полость макроцикла (118а) имеет небольшой объем, недостаточный для включения молекул растворителя. Полости пиримидинофанов (119а) и (1196), имеющие несколько больший размер, не являются в кристалле свободными, поскольку ограничены с обеих сторон метальными группами урациловых фрагментов соседних молекул.
Изменение структуры при протонировании мостиковых атомов азота
Для синтезированных пиримидинофанов с 10 метиленовыми группами и атомами азота в мостике помимо необычной «свернутой» конформации была обнаружена и еще одна структурная особенность. При дальнейшем добавлении кислоты спектр ЯМР Н пиримидинофана (93а) представляет собой спектр в условиях быстрого обмена в шкале ЯМР. Естественно, что поскольку центром протонирования макроциклов является мостиковый атом азота, то значительные изменения претерпевают сигналы протонов метиленовых групп при этом атоме - они сдвигаются в слабое поле на 0.6-0.8 м.д. Причиной драматических изменений в спектрах, происходящих при протонировании пиримидинофанов, является увеличение подвижности соединительного мостика. Как следствие, геометрия макроциклов из «свернутой» переходит в «развернутую» с пространственно удаленными друг от друга заместителем при мостиковом атоме азота и урациловым фрагментом, о чем свидетельствует отсутствие нетривиальных яэО в спектрах ID ROESY. Чувствительным индикатором такого перехода является структура сигналов геминальных протонов при NnilpCH2, находящихся в области 4.5-3.5 м.д., и реагирующих на присутствие в растворе даже следов CF3COOH и НС1. Процессы протонирования пиримидинофанов обратимы. Так, при добавлении в раствор смеси макроцикла (93а) и кислоты основания более сильного, чем пиримидинофан - триэтиламина в случае раствора в CDC13 или NaOH в случае водно-метанольного раствора, спектр ЯМР Н принимает исходный вид, характерный для непротонированных пиримидинофанов [144]. Последовательность «протонирование-депротонирование», по-видимому, можно повторять значительное число раз, возвращаясь каждый раз к исходной геометрии макроцикла в растворе.
Таким образом, пиримидинофаны, содержащие один урациловый фрагмент и атом азота и 10 метиленовых групп в соединительном мостике, являются системами, структурно чувствительными к присутствию в их растворах доноров протонов - органических или неорганических кислот.
Мы провели аналогичные исследования и для других синтезированных макроциклов, в том числе содержащих 12 метиленовых групп в соединительном мостике, а также других органических кислот, а именно фенилуксусной, /7-нитрофенилуксусной и л -нитробензойной кислот. Во всех случаях [11]пиримидинофаны ведут себя в растворе в CDCb в присутствии кислоты аналогично описанной выше системе пиримидинофан (93а) - ТФУК: уже при соотношении макроцикл - кислота 2:1 в спектре ЯМР Н смеси имеет место уширение сигналов геминальных протонов групп NnHpCH2, которые при дальнейшем повышении в растворе концентрации кислоты сливаются в два мультиплета. Также наблюдается значительный слабопольный сдвиг протонов метиленовых групп, непосредственно связанных с мостиковым атомом N. Добавление в раствор смеси сильного основания вызывает депротонирование макроцикла и возвращает систему в исходное состояние. Эти конформационные изменения иллюстрируются ниже. Спектры ЯМР !H в CDC13 (а) пиримидинофана (98), (б) смеси (98) -ТФУК 1:1, (в) смеси (98) - ТФУК - NEt3 1:1:1.5 Как уже упоминалось выше, все описанные превращения являются обратимыми, после трехкратного повторения цикла «протонирование-депротонирование» характерные особенности пиримидинофанов сохраняются.
Согласно определению, молекулярный переключатель - это молекулярная система, способная обратимо переходить между двумя или более стабильными состояниями в ответ на внешнее воздействие [191]. Таким образом, синтезированные макроциклы как с 10, так и с 12 метиленовыми группами в соединительном мостике можно рассматривать как простые модели молекулярных переключателей в растворах, вводимые в действие источниками протонов.
Выше нами были приведены данные расчетов структуры однофрагментных пиримидинофанов, в результате которых наиболее вероятной оказалась «свернутая» структура. Ниже будут проиллюстрированы превращения, происходящие при протонировании мостикового атома азота.
Если в случае с определением конформации непротонированных форм пиримидинофанов различия в энергиях были не очень большими и не давали полностью однозначного ответа, то при расчете протонирования энергии различных конформеров различаются гораздо более существенно.
В качестве стартовой геометрии использовали структуру, определенную ранее как наиболее вероятную. При симуляции процесса протонирования стартовая структура не сохраняется - сначала происходит инверсия мостикового атома азота (первоначально НЭП направлена «внутрь» макроцикла), а затем полное «разворачивание» молекулы макроцикла. При фиксировании «свернутой» конформации вручную, энергии полученных конформеров существенно (более 15 ккал/моль) превосходят «развернутые» структуры (табл. 3). Расчеты проводились в программе Gaussian 98W методом B3LYP/6-31G.
Различия в основности атомов N в составе мостиков [11]- и [13]пиримидинофанов могут быть объяснены, если провести параллели между данными соединениями и бициклическими аминами и диаминами, например, [4.4.4]диамином и [1.1.1]криптандом [192], а также структурно жесткими кавитандами, содержащими атомы N в соединительных мостиках [193]. Известно, что у бициклических аминов и диаминов низкие величины рКа объясняются энергетическими потерями, связанными с инверсией НЭП мостикового N при его протонировании из направленности НЭП «вовнутрь» макроцикла (конформация «in») в направленность «вовне» макроцикла (конформация «out») [192].
Возможные положения НЭП азота и влияние на основность [192,193] Согласно расчетам конформация «out» является энергетически невыгодной, поэтому атом N склонен к потере протона, чтобы вернуться в конформацию «in». По-видимому, этим механизмом объясняется увеличение более чем на порядок константы кислотности Ка пиримидинофанов с 12 метиленовыми группами в мостике по сравнению с пиримидинофанами с 10 метиленовыми группами в мостике, а именно макроцикла (93а) по сравнению с макроциклом (98) и макроцикла (100а) по сравнению с макроциклом (101). «Свернутая» геометрия пиримидинофанов (93а), (100а) обусловливает направленность НЭП мостикового атома N «вовнутрь» макроцикла. На наш взгляд, факт наличия такого эффекта в значительно более гибких пиримидинофанах по сравнению с весьма напряженными бициклическими диаминами, криптандами и кавитандами представляет несомненный интерес.
