Содержание к диссертации
Введение
1. Синтез и свойства фуллеропирролидинов
1.1. Присоединение азометиновых илидов к C^Q
1.2. Функционализированные фуллеропирролидины
1.3. Фуллеропролины
1.4. Спин-меченые фуллеропирролидины
1.5. Ковалентно и нековалентно связанные донорно-акцепторные системы
1.6. Синтез полифуллереновых соединений
1.7. Синтез бис-пирролидинофуллеренов
2. Обсуждение результатов
2.1. Синтез фуллеропирролидинов с фармакофорными группами 40
2.2. Синтез фосфорилированных и тиофосфорилированных производных фуллерена. 56
2.3. Электрохимическое и ЭПР- исследование фуллеропирролидинов. 85
2.3..1. Электрохимическое поведение и ЭПР-исследованне фуллеропирролидинового пространственно-затрудненного фенола 87
2.3.2. Исследование электрохимического поведения фуллеро-нирролидинов с фармакофорными группами 100
2.3.3. Особенности электрохимического восстановления тиофосфорилированных фуллеронирролидинов 109
2.4. Взаимодействие фуллеронирролидинов со свободными радикалами 114
2.5. Биологическая активность фуллеронирролидинов с фармакофорными группами. 124
2.6. Монослои Ленгмюра на основе фосфорилировашюго фуллеропирролидина 129
3. Экспериментальная часть 135
Основные результаты и выводы 155
- Функционализированные фуллеропирролидины
- Синтез полифуллереновых соединений
- Электрохимическое и ЭПР- исследование фуллеропирролидинов.
- Особенности электрохимического восстановления тиофосфорилированных фуллеронирролидинов
Введение к работе
Принципиально новым объектом исследования, перспективным для создания нового поколения материалов и биологически активных препаратов являются фуллерены и их производные. Теоретические предпосылки потенциально высокой биологической активности фуллеренов основываются на уникальности физико-химических свойств замкнутой гидрофобной углеродной оболочки и присущей им высокой реакционной способности, наблюдаемой как в реакциях присоединения, так и радикальных процессах. Благодаря своей геометрии и электронной структуре, фуллерены способны образовывать многообразные моно-, бис- и поли- аддукты, содержащие фармакофорные группы и способны легко переходить в возбужденное состояние под действием различных факторов (в частности, видимого света, химических доноров электронов), давая при этом анион-радикалы. В настоящее время имеется ряд экспериментальных данных, подтверждающих наличие у фуллеренов широкого спектра выраженной биологической активности, в том числе антивирусной (на различных штаммах вируса гриппа, ВИЧ) и фотодинамической активности (при лечении раковых заболеваний человека). Фотодинамическая активность фуллерена проявляется в его способности генерировать при облучении видимым светом в физиологических условиях из молекулярного кислорода, присутствующего в организме, синглетный кислород, который вызывает некроз опухолевых тканей. По совокупности данных фуллерены не могут быть сегодня отнесены к какому-либо из известных классов биологически активных веществ. Основные усилия химиков направлены на получение различных водорастворимых
производных фуллеренов. В то же время практически отсутствуют работы по синтезу и изучению свойств, производных фуллеренов, несущих фармакофорные или специфичные к различным рецепторам функциональные группы.
Известно, что фуллерен проявляет свойства «радикальной ловушки» и этим обусловлена его способность ингибировать радикальные процессы в живом организме. Мы полагаем, что сочетание в одной молекуле фрагментов, способных участвовать в ингибировании развития раковых клеток по различным механизмам, имеет принципиальное значение для определения способности фуллереновой оболочки быть с одной стороны транспортной единицей для фармакофорных групп, с другой стороны, для выявления способности самого фуллеренового ядра в зависимости от природы присоединенного фрагмента проявлять присущие ему свойства ингибировать радикальные процессы в живом организме.
Поэтому нам представляется актуальным осуществить комплексные исследования, включающие как синтез новых производных фуллерена с фармакофорными группами, так и изучение биологической и фотодинамической активности.
Целью настоящей работы является:
- разработка методов направленного синтеза новых типов функционально
замещенных фуллеропирролидинов в том числе, растворимых в полярных средах и
содержащих фармакофорные группы и группы, способные увеличить сродство к
активным центрам ферментов и рецепторов;
- изучение биологической активности (противораковой и антивирусной) в качестве
ловушек свободных радикалов и активности по отношению к ДНК.
Научная новизна. В работе впервые осуществлен направленный синтез производных фуллерена, содержащих «фармакофорные» группы, ответственные за проявление биологической активности: алкилирующие (бис- и моно-хлорэтиламиногруппы), антиоксидантные (фрагмент пространственно затрудненного фенола), фрагмент природного азотистого гетероцикла индола, входящего в состав ряда медицинских препаратов. Исследование генотоксичности этих соединений показало, что они не являются токсичными.
Впервые изучены реакции синтезированных фуллеропирролидинов со свободными углерод- и фосфор-центрированными радикалами и найдено, что изученные вещества являются в 100 раз более эффективными ловушками свободных радикалов, чем свободный фуллерен С60 ив 10 раз более эффективными, чем метанофуллерены. Это дает основание полагать, что новые синтезированные соединения могут выполнять полифункциональную биологическую роль.
Впервые синтезированы фуллеропирролидины, содержащие в своем составе альдегидную группу. В ходе этих исследований получены ранее неизвестные тиофосфорилированные производные фуллеренов со свободной альдегидной группой и впервые осуществлена перегруппировка Пищимуки в ряду тиофосфорилированных производных фуллеропирролидинов и получены тиоловые эфиры фосфоновых кислот фуллеропирролидинов.
Впервые изучено взаимодействие некоторых фуллеропирролидинов, содержащих различные функциональные группы, с поливинилпирролидоном с концевой аминогруппой. Найдено, что данные полимеры при взаимодействии с
плазмидной ДНК pUC 19 разрушают ДНК, в результате суперспирализованная ДІЖ превращается в кольцевую.
Впервые исследованы реакции электрохимического восстановления и окисления синтезированных соединений и показано, что в них происходит некоторое снижение сродства к электрону фуллереновой сферы по сравнению с фуллереном Сбо> но сохраняется способность фуллереновой сферы постадийно принимать три электрона с образованием стабильных анион-радикалов, дианионов и радикал-трианионов, а присоединенных фрагментов - донировать электроны. Практическая значимость.
Разработанные методы синтеза и полученные результаты имеют важное значение для синтеза новых производных фуллерена и выявлению среди них новых типов биологически активных препаратов, а также для определения роли фуллереновой оболочки в проявлении физических, химических и биологических свойств исследуемых молекул. В работе использованы новые подходы к получению неизвестных до этого фуллеропирролидинов, содержащих фармакофорные, фосфорильные, тиофосфорильные, альдегидные и «ониевые» группы, и изучению их свойств и электронного строения на базе сочетания экспериментальных (химических, хроматографических, спектроскопических, электрохимических) и квантово-химических методов, а также биологической активности. В ходе исследований установлено, что фуллеропирролидины являются эффективными ловушками радикалов и перспективными в качестве нового типа антиокислительных стабилизаторов в живых системах и в полимерных материалах.
Исследования противораковой активности фуллеропирролидинов с бис-
хлорэтиламинной группой и фрагментом пространственно затрудненного фенола
на штаммах лейкемии Р-388 и L-1210, а также меланоме В-16 показало, что они,
как химические вещества, проявляют противораковую активность.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены и обсуждены на
различных международных конференциях: международном симпозиуме
«Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах»
(г.Минск, 2002, 2004); 6th и 7th Biennial International Workshop "Fullerenes and Atomic
Clusters'^ St.Petersburg, Russia, 2003, 2005); IV Международной конференции
«Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии» (г. С-
Петербург, 2004 г.); 5 International Symposium Molecular mobility and order in
polymer systems, Saint Petersburg, 2005; XIY International conference on chemistry of
phosphorus compounds, Kazan, Russia, 2005.
Публикации. По материалам диссертации имеется 16 публикаций, в том числе 8
статьей в международных и российских изданиях и 8 тезисов докладов на
международных конференциях.
Объем и структура диссертации. Работа оформлена на 177 страницах, содержит
14 таблиц, 31 рисунок и 45 схем реакций. Она состоит из введения, 3-х глав,
выводов, списка цитируемой литературы, включающего 164 наименования. Глава 1
представляет собой литературный обзор, посвященный анализу методов
функционализации молекулы фуллерена с использованием процесса [2 + 3] -
циклоприсоединения 1,3-диполей с образованием фуллеропирролидинов,
содержащих в своей молекуле пятичленный азотосодержащий гетероциклический
фрагмент. В главе 2, состоящей из 9 разделов, обсуждаются результаты
собственных исследований по синтезу и изучению свойств новых производных
фуллерена Сбо - фуллеропирролидинов, содержащих различные функциональные
группы, в том числе и «фармакофорные» группы. Глава 3 представляет собой описание проделанного эксперимента.
Работа выполнена в лаборатории физиологически активных элементо-
органических соединений Института органической и физической химии имени А.Е.
Арбузова Казанского научного центра Российской Академии наук. Автор выражает
искреннюю благодарность научному руководителю - заведующему лабораторией,
профессору, доктору химических наук, члену-корреспонденту АН РТ Нуретдинову
И.А. за постоянное внимание и помощь, оказанные в процессе выполнения работы.
Особую сердечную благодарность автор выражает кандидату химических наук,
старшему научному сотруднику Губской В.П. за раскрытие особенностей синтеза и
выделения сложных фуллереновых структур и неоценимую помощь по всем
вопросам в процессе выполнения и оформления работы, а также всем остальным
сотрудникам лаборатории за поддержку. Автор выражает искреннюю
благодарность: сотрудникам лаборатории воспроизводимых лекарственных средств
- д.х.н. Янилкину В.В. и к.х.н. Настаповой Н.В. за проведенные электрохимические
исследования синтезированных соединений, с.н.с. лаборатории; к.х.н. Звереву В.В.
за квантово-химические расчеты некоторых моделей полученных соединений;
сотрудникам лаборатории радиоспектроскопии зав. лабораторией, д. х. н. Латыпову
Ш.К., к.ф.-м.н. Исмаеву Н.Э., Баландиной А.А. за снятие спектров ЯМР и помощь в
их интерпретации; к.х.н. Морозову В.И. за снятие спектров ЭПР и ценные советы
при обсуждении результатов; сотрудникам лаборатории масс-спектроскопии к.х.н,
Ефремову Ю.Я., к.х.н. Шарафутдиновой Д.Р. за снятие масс-спектров; сотруднику
лаборатории РСА к.ф-м.н. Губайдуллину А.Т. за проведенный рентгено-
структурный анализ; д.х.н., проф. Р.Г. Гасанову и д.х.н. Б.Л. Туманскому (Институт
элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова) за исследования взаимодействия полученных нами соединений со свободными радикалами; проф. Н.П. Коноваловой за проведение экспериментов по исследованию противораковой активности (Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка, Московская область); д.т.н., проф. Н.Б. Мельниковой и к.х.н. Н.В. Губановой за исследование образования монослоев Ленгмюра на основе синтезированных нами соединений (Нижегородская государственная медицинская академиия и Нижегородский государственный университет); к.х.н. О.В. Назаровой за проведение экспериментов по получению водорастворимых полимеров на основе тиофосфорилированных фуллеропирролидинов (Институт высокомолекулярных соединений РАН, г. Санкт-Петербург).
Функционализированные фуллеропирролидины
Методология функционализации фуллерена, основанная на реакции Прато, в последние годы занимает ведущее место в целенаправленном синтезе производных фуллерена для получения новых материалов и потенциальных биологически активных соединений. Например, с целью оценки влияния фуллеренового фрагмента на токсичность никотина был синтезирован фуллереновый аналог природного никотина 8 [27] (схема 6). Однако растворимость соединения 8 в водно-органических системах оказалась слишком низкой. И поэтому аминокислоту модифицировали мощным солюбилизатором - триэтиленгликолем и получили реагент 9, при взаимодействии которого с альдегидами и фуллереном С60 образуются фуллеропирролидины 10 (в том числе, содержащие фрагмент никотина), растворимые в смеси Н2О-ДМСО (схема7)[27Ь]. В работе [28] показано, что из саркозииа, терефталевого альдегида и фуллерена Сбо при нагревании в толуоле (в этом случае промежуточный илид стабилизирован фенильной группой) получено соединение 11, которое затем превращено в амфифильный Ы-метил-2(4-диметоксиметилфенил) фуллерено-[СбО][С]- Соединение 11 образует пленки Ленгмюра-Блоджетт и монослои на поверхности раздела воздух/вода. Пленки обладают хорошей прозрачностью и термической устойчивостью [28,29]. Совсем недавно была получена сложная серия (фенилпирролидиновых) производных фуллерена (схема 9). С помощью ЯМР-экспериментов при различной температуре (от комнатной до 120 С) было показано, что находящиеся в орто-положениях заместители препятствуют свободному вращению ядер вокруг фенил-пирролидиновой связи, и поэтому реакция орто-замещенных бензальдегидов с Сео является диастереоселективной, так как в результате этой реакции образуется только один из двух возможных атропоизомеров [30]. Азометиновые илиды, полученные из эфиров аминокислот и параформальдегида, термически присоединяются к фуллерену Сбо, давая производные фуллеропролинов - новых неприродных аминокислот, в которых пролиновый цикл напрямую присоединяется к С60 [31, 32]. Фуллеропролиновые производные могут таюке быть получены термическим раскрытием 2-замещенных карбалкоксиазиридинов [31] или фотолизом эфиров Л ЛЧциалкиламино кислот (схема 10). Большой интерес представляет 1,3-диполярное циклоприсоединение хиральных азометинилидов, т.к. это приводит к дисимметричным соединениям с необычной хиральностью самой тг-системы фуллерена. Две возможности получения этих соединений лежат в использовании либо хиралыюго альдегида, либо хиральной аминокислоты [33].
Так, конденсация легкодоступного хирального -(+) 2,3-0-изопропилиден-0-глицеринового альдегида с саркозином в кипящем толуоле in situ дает хиральный азометинилид, который стереоселективно присоединяется к Сб0 образуя два диастереомерных фуллеренопирролидина 15 и 16 (схема 11) с выходами 5 и 17% соответственно [34]. Взаимодействие 0-замещенной(28,4К)-4-гидроксипирролидин-2-карбоновой кислоты (L-4-гидроксипролииа), параформа и СбО в кипящем толуоле приводит к образованию двух диастереомерных моноаддуктов 17 и 18 с выходами 11 и 24% [34] (схема 12). Производные фуллерена, содержащие аминокислоту представляют особый интерес в качестве биологически активных компонентов. Так в работе [21] описано несколько методов синтеза производного фуллерена содержащего аминокислоту, при чем двумя способами: термически и фотохимически. При проведении термической реакции фуллерена растворенного в толуоле с этиловым эфиром глицина (последний был получен нейтрализацией хлоргидрата этилового эфира глицина 1 н раствором NaOH в EtOH) был получен преимущественно продукт 19, в фотохимической реакции этих же реагентов был получен продукт 20 с выходом 60% (схема 13). Продолжая работы по получению производных фуллерена, содержащих аминокислотную группу, китайские ученые в работе [22] описали синтез моно- и дикарбоксильных производных фуллерена. Таким образом, обрабатывая эфир L-аланина метиловым эфиром бромуксусной кислоты был получен сс-метилиминодиуксусный эфир и проведен фотолиз данного эфира с фуллереном Сб0 что привело к образованию соединения 21 с высоким выходом, тогда как чистый L-аланин с фуллереном реагирует очень медленно (схема 14). Было показано, что третичные аминокарбоновые кислоты вступают в реакцию подобно первичным и вторичным аминокарбоновым кислотам. В работах [35-40] сообщается о синтезе фуллеропирролидинов, содержащих в различных положениях пирролидинового кольца группу TEMPO (2,2,6,6- тетраметилпиперидин-1-оксил) (схема 15). В условиях лазерного освещения методом электронного парамагнитного резонанса наблюдалось возбужденное квартетное состояние, полученное взаимодействием триплета (фуллеропирролидин) с дублетом (нитроксид), как в растворах, так и в замороженном состоянии. Была исследована зависимость взаимодействия между возбужденным триплетом Cgo и TEMPO радикалом относительно расстояния и положения фрагментов. Неспаренный электрон нитроксидного фрагмента используется в качестве парамагнитного зонда для изучения анионов СбО [38]. Нитроксидный радикал оказался также хорошим зондом для исследования фотоиндуцированного внутримолекулярного переноса электрона от ферроцена к фуллерену в производных 25 и 26. Соединение 27, полученное окислением соответствующего фуллеропирролидина 3-хлорпербензойной кислотой, проявляет ферромагнитные свойства [40,41]. Внутримолекулярный перенос электрона, протекающий в донорно-акцепторных (D-A) модельных системах является предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований. Для того, чтобы контролировать динамику и эффективность процессов разделения зарядов, систематически изучается влияние таких факторов, как структура и расстояние между D и А, сольватационные эффекты и энергетика D-A - систем.
Активные исследования ведутся в области комбинирования абсорбционных и электроноакцепторных свойств фуллерена С6о с такими же свойствами других ковалентно-связанных электро- и/или фото-активных аддендов [42]. Перспективной целью этих исследований является использование долгоживущих разделенных зарядами состояний для искусственного фотосинтеза или использование их для конверсии солнечного света в электрическую энергию. На схеме 16 приведен пример такого ансамбля, состоящего из производного фуллеропирролидина и ковалентно-связанного с ним фрагмента ZnP. Возбуждение фрагмента ZnP видимым светом ведет преимущественно к заселению его первого возбужденного состояния, ! ZnP , затем следует быстрый внутримолекулярный перенос электрона (kcs), давая долгоживущее разделенное зарядом состояние с высоким выходом [43]: В работе [54] затронуты элегантные и разнообразные методы химической функционализации фуллеренового ядра с помощью ферроцена и тетратиофульвалєна. Уникальная делокализация, обусловленная 3-х мерной структурой фуллеренового ядра в сочетании с малой энергией превращения предотвращают быстрый процесс обратного переноса электрона в данных системах. Главной идеей данной работы является стабилизация компоненты содержащей окисленный донор и образующейся радикальной пары. Известно, диффузионное разделение радикальных пар в системе фуллерен-металлокомплексы является основой для создания искусственных фотосинтетических систем с эффективным и долгоживущим диполем, но с меньшим количеством электронных переходов и с меньшей потерей энергии. Для применения в молекулярной электронике могут быть использованы материалы, содержащие два различных ковалентно соединенных редокс-центра. Поэтому сочетание двух электронно-активных соединений, таких как фуллерен и ферроцен в одной молекуле, ведет к уникальному редокс-ансамблю. Исходя из этого кипячением смеси ферроцен-альдегида, саркозина и фуллерена Cgo в толуоле с выходом 57% после хроматографии было получено соединение 29 (схема 17). Циклическая вольтамперометрия этого интересного соединения в смеси ацетонитрил-толуол показала как восстановительные, так и окислительные свойства фуллереновой и ферроценовой частей данного соединения.
Синтез полифуллереновых соединений
Бис и трис производные фуллерена образуют кластеры в смеси растворителей 80% ацетонитрила и 20% толуола [65]. Эти кластеры оптически прозрачны, термодинамически устойчивы и образуют интересные наноструктуры размером от 100 нм до 1мм и форма этих структур варьируется от прямой проволоки до смотанных в клубок. Получение молекулярных систем, которые имеют способность к самоорганизации и образованию трехмерных структур, таких как кластеры, лежит в области интересов "химической нанотехнологии". Димеры и большие ансамбли фуллерена (фуллеродендримеры) образуют новейший класс молекулярных систем, которые могут иметь применение в молекулярных электронных устройствах и супрамолекулярной химии. Фуллеродендримеры образуют блоки для изготовления макромолекул, обогащенных фуллереном. Эти макромолекулы способны создавать микроокружение богатое электронами путем присоединения различных производных фуллерена к фото- или электроноактивному центральному ядру. Так как в фуллеродендримерах невозможно изучение процесса стабилизации заряда из-за большого количества фуллереновых единиц, было решено создать молекулу с определенным числом фуллереновых единиц, для получения основной информации о системах кластеров. Бис и трис производные фуллерена были получены через реакцию циклоприсоединения из бисальдегида и трисальдегида соответственно [65] (схема 20). На основании изучения внутримолекулярного переноса электронов между бис- и трис-фуллереновыми производными и iV-метилфенотиазином было показано, что кластеры из нанотрубок или сферических скрученных структур являются гораздо лучшими стабилизаторами зарядов, чем мономерные формы фуллереновых производных. В этих триадах обнаружено сильное тушение флуоресценции олигонафталинвиниленовой функции, что свидетельствует о быстром фотоиндуцируемом переносе электрона от возбужденного олигомера к фуллереновой сфере [68]. 1.7. Синтез бис-пирролидинофуллеренов В последние 10 лет многие исследователи систематически изучают химическую реакционную способность фуллеренов, давая тем самым твердую почву для создания новых и изощренно сложных" архитектур". Большинство исследований ограничивается моноприсоединениями, в основном, по причине значительных трудностей при разделении продуктов полиприсоединения, так как этот процесс требует длительных разделений. Это легко понять, если принять во внимание то, что в случае бис-, трис- и тетракис-присоединений симметричных аддендов образуются 8, 46 и 262 возможных изомеров, соответственно.
Тем не менее, развиваются различные подходы к синтезу очень сложных мультиаддуктов с полным контролем стереохимии фуллереновых производных. Вероятно, наиболее эффективным средством контролируемых мультиприсоединений является методология полифункционализации с удаленными на расстоянии тезерами, которая основывается на 2-х реакциях: циклопропанировании и присоединении Дильса-Альдера [69]. Контролируя длину и геометрию тезера, можно получить почти исключительно, либо экватор [70], либо cis-2 [69], либо даже trans-2 [71] и trans-1 изомеры [72, 73]. С другой стороны, систематическое изучение последовательного полиприсоединения тетраоксида осмия [74], броммалонатов [75], и/или нитренов к С60 проливает свет на эту сложную тему. Были синтезированы все бис-аддукты, а также более сложные структуры, такие как трис-аддукты [75, 76] и Ть-симметричные гексааддукты [77]. Эти исследования показали, что для стерически загруженных аддендов (метаномостик) имеется заметное предпочтение для второй атаки по экваториальному и trans-З положениям, в то время как в случае менее стерически загруженных аддендов (иминомостик) предпочтителен также cis-І. Эти экспериментальные результаты подтверждаются также теоретическими расчетами [77]. Таким образом, использование менее стерически загруженных аддендов привело к успешному выделению и характеристике полной серии из 9 и 8 региоизомерных бис-аддуктов [78,79]. Развиваются также остроумные подходы для получения специфически присоединенных труднодоступных структур, которые включают: - синтез trans-1 аддуктов через топохимически контролируемую реакцию внутримолекулярного переноса антрацена [80]; - синтез экваториальных тетракис-аддуктов путем использования тезеров и последующего селективного удаления их [81]; - синтез экваториальных гексакис-аддуктов посредством обратимого темплатного присоединения [82, 83]. Большинство работ по мультиприсоединению ограничиваются однако реакциями циклопропанирования. Недостаточно развиваются работы по получению аддуктов с большим размером кольца, даже для случая наиболее распространенного метода функционализации фуллерена -1,3-диполярного циклоприсоединения азометиновых илидов к Сб0 [13, 62, 63]. Так как фуллеропирролидины имеют электронные свойства, отличные от циклопропано- и азиридино-фуллеренов, то важно иметь полную и однозначную характеристику серии бис-пирролидинов. Появились сообщения об исследовании полной серии изомерных фуллеробис-М-метилпирролидинов. Первыми, кто справился с такой трудной задачей, были Wilson и Schuster [84], они выделили и охарактеризовали пять изомеров. В работе Прато и сотр. [85] впервые сообщается о выделении и полной характеристике всей серии пирролидиновых бис-аддуктов (trans-1, trans-2, trans-3, trans-4, equator, cis-3, cis-2, и cis-1 согласно номенклатуре Хирша [75], (схема 22). С целью повысить растворимость получаемых фуллеробиспирролидинов авторами была введена в молекулу аминокислоты mEG-группа. Бис-аддукты были синтезированы реакцией 2-х эквивалентов mEG-аминокислоты, одного эквивалента Cgo и 10 эквивалентов параформальдегида в кипящем толуоле. Авторы впервые сумели полностью охарактеризовать три незамеченные ранее бис-аддукта -cis-1, cis-2 и cts-З-, в дополнение к пяти, выделенным ранее [84] изомерам (trans-1, trans-2, trans-3, trans-4, equatorial).
Структура полученных бис-аддуктов расшифровывалась на наблюдениях симметрии и подтверждалась анализом их ПМР спектров. Использование НМВС спектроскопии с гетероядерной корреляцией очень важно для установления структуры новых изомеров cis-1, cis-2. Было еще раз показано, что УФ-спектры бис-пирролидиновой серии могут быть использованы как эталон для будущих расшифровок бис-аддуктов с присоединенными пяти- и шести-членными циклами. При кипячении в хлорбензоле смеси ct-аминокислоты, карбонильного соединения и фуллерена происходит циклоприсоединение последнего по (2+3)-типу к промежуточному азометинилиду 3; при этом образуются олигоаддукты 44, содержащие в зависимости от условий реакции от одного до трех пирролидиновых фрагментов [35,40]. Таким образом, анализ литературных данных показывает, что фуллерен и его производные - фуллеропирролидины - являются объектом внимания многих исследователей, так как позволяют получать на их основе новые типы материалов и биологически активных веществ. Однако подход к получению биологически активных соединений проводится недостаточно системно. До сих пор, за редким исключением [27], не проводились работы по введению в состав фуллеренов групп, способных определять появление или увеличение тех или иных видов специфической фармакологической активности («фармакофорных групп»); В основном решение создания биологически активных соединений фуллерена сводилось к получению водорастворимых производных, способных преодолевать водные фазы биологической среды для доставки фуллеренов к клеточным и иным структурам. Поэтому разработка методов синтеза новых водорастворимых производных фуллерена на основе предложенной нами концепции «фармакофорных групп», изучение их строения, химических, электрохимических и оптофизических свойств, реакционной способности в условиях электронного переноса позволит определить типы производных фуллерена, перспективных для получения наноустройств и биологически активных препаратов. сделать вывод, что одним из наиболее экономически рентабельных [4, 10, 91, 92] является использование фуллерена для получения биологически активных веществ.
Электрохимическое и ЭПР- исследование фуллеропирролидинов.
Изучение электрохимических свойств фуллеренов и их производных имеет большое значение. Первая статья, посвященная электрохимии фуллеренов, а именно, вол ьтамперометричес кому исследованию электрохимического восстановления Си, была опубликована в 1990 г. [125]. В течение десяти последующих лет количество публикаций, в которых в той или иной мере обсуждались электрохимические свойства фуллеренов [126], выросло до двух тысяч. Практически для каждого нового производного фуллеренов получены вольтамперные характеристики. Основная задача, решаемая электрохимическими методами, это определение потенциалов восстановления и окисления, как меры энергий граничных орбиталей сольватированных молекул и оценка устойчивости продуктов электронного переноса. Абсолютное большинство публикаций посвящено вольтамперометрическому исследованию процессов восстановления. Потенциалы восстановления являются как бы паспортной характеристикой фуллеренов и их производных. Интерес к этим данным обусловлен тем, что возможное практическое применение в качестве проводящих, сверхпроводящих и ферромагнитных материалов [118], фотоэлектрических, молекулярных электронных устройств [I27-I3I], искусственных фотосинтетических систем [132-134], систем с нелинейными оптическими свойствами [135-137], лекарственных препаратов [4, 10, 138, 139] основано на электроноакцепторных свойствах фуллеренов и их производных. Поэтому важными являются характеристики НСМО и устойчивость анионных шггермедиатов. Важной особенностью молекул фуллеренов является способность легко, постадийно и обратимо принимать несколько электронов, не разрушая при этом фуллереновой структуры. Аналогичными свойствами обладают и монозамещенные производные фуллерена С . Так, для последнего описан обратимый перенос шести электронов, а для фуллеропирролидинов - пяти электронов [44, 124].
С другой стороны, в случае некоторых функционально замещенных производных фуллерена перенос двух, трех или четырех электронов на молекулу приводит к анионоидному элиминированию заместителя и образованию аниона фуллерена, а при последующем окислении и самого фуллерена СбО- Так, при электрохимическом восстановлении дикарбэтоксиметано[60]-фуллерена и фосфорилированных метано[60]фуллеренов происходит медленное элиминирование метаногруппы уже при переносе двух электронов, значительно ускоряющееся при переносе трех электронов (ретро-реакция Бингеля) [120-122]. [2+3]-Ретро реакция наблюдается при переносе четырех электронов на молекулу фуллероцирролидина, содержащего п-бензохиноидную и NH-группы (два электрона на фуллерен и два на и-бензохинон) [94]. При восстановлении аналогичного N-Me производного ретро-реакция не протекает при переносе даже пяти электронов, что свидетельствует о стабильности фуллеропирролидинов в процессе восстановления в отсутствие N-H протона. Электрохимические ретро-реакции являются важной отличительной особенностью функционально замещенных фуллеренов. На основе ретро-реакции может быть реализована схема синтеза новых труднодоступных производных фуллерена, включающая предварительное введение нуклеофугнои группы в качестве защитной и ее электрохимическое снятие после функционализации. В связи с вышесказанным представляет интерес исследование электрохимического восстановления и стабильности образующихся интермедиатов замещенных фуллеренов. Ниже представлены результаты изучения электрохимического восстановления фуллеропирролидинов 2-6, структурные формулы которых представлены в каждом разделе данной главы, методами циклической вольтамперометрии и электролиза в сочетании с ЭПР, а также квантово-химических расчетов полуэмпирическим методом РМЗ . 2.3,1. Электрохимическое поведение и ЭПР-исследоеание фуллеро-пирролидинового пространственно-затрудненного фенола Процессы электрохимического восстановления и окисления соединения 2 исследовали в системе толуол - ДМФА (2:1, v/v) на фоне 0.1 моль-л" Et4NBF4 с использованием электрода из стеклоуглерода (СУ) и в системе орто-дихлорбензол-ДМФА (3:1 v/v) на фоне 0.1 моль-л" BU4NBF4 на СУ и Pt- электродах. В системе толуол - ДМФА для соединения 2, также как и для [60]фуллерена, были получены три пика восстановления (рис.20). Все три пика для соединения 2 смещены в область отрицательных потенциалов по сравнению с С6о (табл.1), что свидетельствует о снижении сродства к электрону при присоединении к фуллереновой оболочке пирролидинового фрагмента. Перенос первых двух электронов на соединение 2 с образованием анион-радикала и дианиона является обратимым: на ЦВА-кривых при реверсе потенциала регистрируются соответствующие пики окисления (рис.20). Перенос третьего электрона с образованием трианиона происходит при потенциалах, близких к разложению фонового электролита. По-видимому, из-за наложения токов восстановления фонового электролита на ЦВА-кривых не наблюдается пик окисления трианиона и формально третий пик восстановления является необратимым, хотя его высота соответствует переносу одного электрона.
В этой же среде нами было изучено электроокисление соединения 2. Необходимо отметить, что в доступной области потенциалов ( 0.73 В) это соединение не окисляется. Полученные результаты, с учетом низкой растворимости соединения 2 ( 5-Ю"4моль-л 1) в толуоле и ДМФА, показывают, что система толуол -ДМФА/0,1 моль-л 1 Et4NC104 не является оптимальной для исследования электрохимических реакций окисления и восстановления соединения 2. Несколько выше растворимость этого соединения и фуллерена С6о в системе орто-дихлорбензол-ДМФА (3:1 v/v) в присутствии 0.1 М BU4NBF4. В этой системе потенциал разложения фонового электролита смещается в сторону отрицательных значений и поэтому на СУ электроде удается наблюдать четыре пика восстановления С6о и три четких пика восстановления соединения 2, не искаженных процессами восстановления фонового электролита. Все пики по данным ЦВА являются обратимыми (рис.21). Высоты этих пиков равны между собой и соответствуют переносу одного электрона. Восстановление соединения 2 в электрохимической ячейке непосредственно в резонаторе ЭПР спектрометра при потенциалах первой волны протекает аналогично другим производным фуллерена [44] и сопровождается появлением сигнала анион-радикала соединения 2 с g=2.0000 и шириной линий 0.075 мТ при 290 К. В процессе электролиза при потенциалах первой волны в спектре ЭПР наряду с сигналом анион-радикала начинает появляться сигнал с g=2.0004, который можно отнести к димерному анион-радикалу (2)2." Восстановление при потенциалах второй волны приводит к уменьшению интенсивности сигнала анион-радикала и в меньшей степени уменьшению интенсивности сигнала димерных парамагнитных продуктов. Отключение потенциала сопровождается ростом интенсивности сигнала ЭПР вследствие взаимодействия дианиона и исходной молекулы 2 с образованием двух анион- радикалов. Окисление соединения 2 не наблюдается в области потенциалов +0.73 В. То, что фуллереновый фрагмент не окисляется в этих условиях, представляется вполне закономерным, поскольку известно [124], что фуллерен С60 достаточно трудно отдает электрон. Однако является неожиданным то, что в этих условиях не окисляется ни пирролидиновый, ни фенольний фрагмент молекулы. При окислении соединения 2 двуокисью свинца в толуоле по методике [123] в атмосфере аргона при 25С (схема 46) образуется феноксильный радикал (2) с g =2.0045 и шириной линии -0.04 мТ с характерным расщеплением от двух мета-протонов фенильного ядра я2н = 0.18 мТ и от протона при С?, ац=0А7 мТ и ядра 14N tfN=0.09 мТ (рис.22).
Особенности электрохимического восстановления тиофосфорилированных фуллеронирролидинов
Далее нами методом циклической вольтам пером етрии в среде о-ДХБ-ДМФА (3:1 v/v)/0.1 М Bu4NBF4 на стеклоуглеродном электроде исследовано электрохимическое восстановление фуллеропирролидинов 18 - 21. Электрохимическое восстановление фуллеропирролидинов 20- 21 протекает аналогично ранее изученным представителям этого класса производных [60]фуллерена [149, 151]. На циклических вольтамперограммах в изученной среде регистрируется по три пика восстановления, а на обратной ветви ЦВА по три сопряженных с ними пиков окисления (табл.5, рис.26). Высота пиков восстановления соответствует одноэлектронному уровню. Разность потенциалов пиков восстановления и соответствующих им пиков ре-окисления равна теоретической величине для процессов обратимого одноэлектронного переноса [118] ДЕР = ЕР)0ХШ - Epredm « 60 мВ (т = 1, 2, 3). На циклических вольтамперограммах соединений 18 и 19 наблюдается четыре пика восстановления. Первые две ступени восстановления идентичны восстановлению фуллеропирролидинов 20, 21. Наблюдается ступенчатый обратимый перенос двух электронов на фуллереновую сферу с образованием стабильных анион-радикалов и дианионов. Потенциал третьей ступени также соответствует переносу третьего электрона на фуллереновую сферу фуллеропирролидинов. Однако, в отличие от фуллеропирролидинов 20, 21, радикал-трианионы соединений 18, 19 неустойчивы. Поэтому анодные пики их окисления ниже, чем для соединений 20-21 при реверсе потенциала с третьего пика восстановления. Другой отличительной особенностью третьего пика восстановления является то, что его высота выше одноэлектрошюго уровня. Отношение высоты этого пика к высоте первого пика возрастает с уменьшением скорости развертки потенциала (табл.6), что указывает на кинетическую природу тока пика. Очевидно, в радикал-трианионе протекают медленные химические реакции, приводящие к появлению частиц, электрохимически активных в данной области потенциалов. Радикал-трианионы стабильны в случае фуллеропирролидина 20, который содержит аналогичную тиофосфонатную группу, но не содержит бензальдегидную группу. Следовательно, протекание последующих химических реакций в радикал-трианионе соединений 18 и 19 связано с совместным присутствием в молекуле тиофосфонатного и бензальдегидного фрагментов. Отсутствие четвертого пика для соединений 20, 21 и его наличие для фуллеропирролидинов 18, 19 однозначно свидетельствуют о том, что четвертый пик восстановления этих соединений связан с переносом электрона на бензальдегидный фрагмент.
Тиофосфонатный фрагмент проявляет электроноакцепторные свойства, облегчая перенос электрона. Известно [152], что арилфосфаты электрохимически эффективно восстанавливаются не только на электроде, но и гомогенно с помощью органических переносчиков электронов. При этом происходит двухэлектронный необратимый разрыв С-О связи с образованием фосфат-иона и аренов. По аналогии можно предположить, что при электрохимическом восстановлении соединений 18, 19 происходит медленный внутримолекулярный электронный перенос от радикал-трианиона фуллереновой сферы на тиофосфонатный фрагмент, облегченный наличием акцепторной бензальдегидной группы. Этот процесс и обусловливает прирост третьего пика восстановления относительно одноэлектронного уровня и потребление радикал-трианионов. Следовательно, ступенчатый перенос трех электронов на фуллереновую сферу приводит к стабильным анион-радикалам, дианионам и неустойчивым радикал-трианионам. Таким образом, присутствие в молекуле тиофосфонатной и тиофосфатной групп не отражается на электрохимическом восстановлении фуллеропирролидшюв 20, 21. Наличие же тиофосфонатной и/или бензальдегидной групп в соединениях 18,19 определяет специфику поведения этих соединений на определенных стадиях восстановления. Вместе с тем во всех случаях перенос первых трех электронов происходит на фуллереновую сферу и на этих стадиях они проявляют свойства типичные для моно-фуллеропирролидинов. Все фуллеропирролидины 18- 21 восстанавливаются труднее [60]фуллерена: потенциал первого пика моно-аддуктов 18 - 21 смещен в катодную область на 100 - 130 мВ. Примерно на такие же величины отличаются и потенциалы переноса второго электрона. А потенциалы третьих пиков восстановления различаются значительно сильнее. Полученные результаты означают, что нарушение единой я-системы сопряжения С6о введением пирролидинового цикла снижает его сродство к электрону. Известно, что в живой клетке митохондрия является поставщиком высокореакционноспособных радикальных частиц, которые при взаимодействии с ДНК могут вызвать нежелательные последствия. Организм защищает себя от этого такими средствами, как витамин Е, супероксиддисмутаза и т.д. Очень часто этого недостаточно, поэтому поиск антиоксидантов, легко реагирующих с различными радикальными частицами является важным. Фуллерен и его производные являются «ловушками свободных радикалов. Малая токсичность для теплокровных является весьма полезным свойством производных фуллерена. Изучение реакционной способности новых производных фуллерена по отношению к стабильным радикалам является важным для выявления влияния адденда на способность фуллеренового соединения быть «радикальной ловушкой», что имеет особое значение для изучения биологической активности производных фуллерена.
Наиболее подходящим методом для изучения реакционной способности производных фуллерена по отношению к свободным радикалам является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Ранее в ходе этих исследований методом ЭПР установлено, что фосфорилированные метанофуллерены превосходят по реакционной способности сам фуллерен и малонатный метанофуллерен [156а]. При изучении реакционной способности метано[60]фуллеренов, синтезированных в нашей лаборатории, по отношению к свободным радикалам было показано также, что наличие метанофрагмента приводит к деформации углеродного остова и изменению кривизны поверхности фуллерена, возникновению стерических препятствий и полярных эффектов вблизи присоединенной группы, вследствие чего изменяется реакционная способность производных фуллерена Сбо. В данной работе методом спектроскопии ЭПР в Институте элемептоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова было изучено присоединение радикалов Bu (R ) И P(0)(OPr )2 (R2) к фуллеропирролидинам 2,4, 7, 8, что соответствует нумерации 1-4 для этих же соединений, приведенных ниже. Определены константы скорости присоединения радикалов R1 к этим фуллеропирролидинам и димеризации спин-аддуктов (СА) радикалов R1 с соединениями 1-4. Относительные значения пирам идальн ости атомов С фуллеропирролидина C62H4NMe (6 -модельного соединения для расчетов) и 3, вычисленные методом функционала плотности DFT/PBE/TZ2P с обменнокорреляционным потенциалом Perdew-Burke-Ernzerhof [155] по программе PRIRODA[153, 154] и полуэмпирическим методом РМЗ по программе GAMESS[144], сопоставлены в табл.7. Величина Да определена как разность суммы валентных углов атомов С (Xа) в рассматриваемой молекуле и в фуллерене C6Q. Согласно расчетам, для фуллерена С6оа составляет 348. Следовательно, Да=а - 348. Клапан конверта разбивает фуллереновую оболочку соединения 2 на два неэквивалентных фрагмента - син и анти. При сопоставлении результатов расчетов геометрических параметров соединения 6 методами DFT/PBE/TZ2P и РМЗ мы обнаружили близость теоретических значений суммы валентных углов, полученных этими методами. Наибольшее различие наблюдалось для атома b связи cis-2, полуэмпирический метод существенно занижает пирамидальность данного атома. Это следует учитывать в случае соединения 2 при применении только полуэмпирического метода РМЗ. Кроме того, согласно расчетам, пирамидальности атомов родственных связей различных фрагментов одинаковы. Как следует из результатов расчетов, атомы Ъ четырех связей cis-2 имеют максимальную пирамидальность, т.е. они будут в первую очередь подвергаться атаке свободными радикалами. Два других изомера, по-видимому, образуются в результате атаки атомов связей cis-З.
![3-аминотиено[2,3-b]пиридины и гетероциклические системы на их основе: синтез, свойства и биологическое действие](/i/i/4435/49289.png "3-аминотиено[2,3-b]пиридины и гетероциклические системы на их основе: синтез, свойства и биологическое действие Осипова Анжелика Автандиловна")
