ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность Хлорофилл а и его производные представляют большой интерес в связи с их значительной ролью в живой природе и практическому применению в ряде областей (медицина, фотоэлектрохимия, фотокатализ и др). Известно, что катионные порфирины являются эффективными фотосенсибилизаторами (ФС) для фотодинамической терапии (ФДТ) онкологических заболеваний, причем их эффективность во многом обусловлена способностью накапливаться в определенных органеллах клетки. Кроме того, внедрение катионных групп обуславливает повышение гидрофильности молекулы и может придать хлорину растворимость в воде. Реакции внедренных диметиламинометильных групп могут быть также использованы для получения новых хлориновых соединений. Сам метилфеофорбид а, получаемые из него хлорин е6 и его ближайшие аналоги представляют собой хорошую основу для синтеза противоопухолевых ФС: известно, что такие соединения имеют хорошую тропность к злокачественным новообразованиям, способность генерировать синглетный кислород при облучении лазером и низкую темновую токсичность. Таким образом, синтез катионных хлоринов на основе метилфеофорбида а представляет значительный интерес. Для формирования на периферии хлоринового макроцикла катионных групп удобно использовать алкилирование соответствующих третичных амино-групп. При этом наиболее предпочтительным вариантом является присоединение таких катионных фрагментов к хлориновому макроциклу углерод-углеродной связью. Известно, что для внедрения диметиламинометильной группы может быть использован бисN,N(диметиламино)метан. Этот бисамин применяется в реакции Манниха для генерирования диметиламинометильного катиона, которое может быть достигнуто как при действии йодметана или ацилхлорида (получение «реагента Эшенмозера» и его аналогов), так и при действии слабой кислоты. Поскольку в молекулах производных хлорофилла а имеются центры для электрофильной атаки, эти процессы могут быть использованы для их аминометилирования.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является изучение взаимодействия производных хлорофилла а с бис(N,N-диметиламино)метаном как возможного метода внедрения диметиламинометильных групп, а также исследование дальнейших превращений полученных производных для формирования катионных фрагментов и изучение возможности введения других заместителей.
Анализ литературных данных показал, что для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить взаимодействие производных хлорофилла а с бис(N,N-диметиламино)метаном в различных условиях, обеспечивающих генерирование из последнего диметиламинометильного катиона (кипячение в полярных растворителях, действие Бренстедовых кислот различной силы, проведение реакции в присутствии кислот Льюиса) и выявление оптимальных условий аминометилирования производных хлорофилла а.
2. Изучить аминометилирование производных хлорофилла а различного строения бис(N,N-диметиламино)метаном в найденных оптимальных условиях. Выявить зависимость направления замещения и выхода продуктов реакции от строения субстрата и условий взаимодействия.
3. Исследовать взаимодействие бис(N,N-диметиламино)метана с порфириновыми соединениями различного строения для выявление границ применимости этого реагента в синтезе диметиламинометильных производных порфиринов.
4. Синтезировать и исследовать катионные хлорины на основе полученных аминометильных производных алкилированием третичной амино-группы.
5. Изучить взаимодействие аминометилированных хлоринов с нуклеофильными реагентами (спиртами, фенолом, аминами).
Научная новизна. Впервые реализовано аминометилирование производных хлорофилла а бис(N,N-диметиламино)метаном (в смеси ТГФ с уксусной кислотой) и показаны возможности этого реагента в химии производных хлорофилла а. Впервые осуществлено аминометилирование экзоцикла метилфеофорбида а и внедрение двух диметиламинометильных заместителей в винильную группу 13-амидных производных хлорина е6 и некоторых других винил-хлоринов и винил-порфиринов, выявлено влияние условий и строения субстрата аминометилирования на направление реакции и выход продуктов. Показана возможность активирования винильной группы при внедрении катионов цинка и никеля в координационную сферу хлорина. Впервые получено производное хлорина е6 с фрагментом метилового эфира акриловой кислоты в положении 15 из метилфеофорбида а и его аминометилированного производного. Предложены механизмы протекающих реакций. Показано, что для полученного 15-акрилового производного реализуются 4 атропо-изомера. Алкилированием третичных амино-групп дважды аминометилированных производных хлорина е6 йодистым метилом впервые получены 13-амиды хлорина е6 с двумя катионными заместителями в винильной группе. Установлено, что некоторые из полученных дикатионных хлоринов могут образовывать истинные растворы в воде. Выявлено влияние размера гидрофобного заместителя в 13-амидной группе на способность полученных дикатионных хлоринов образовывать истинные растворы в воде. На примере взаимодействия дважды аминометилированного производного 13-N-метиламида хлорина е6 с различными нуклеофильными реагентами (алифатические спирты, фенол, амины) показано, что обе аллильные диметиламинные группы могут принимать участие в реакциях нуклеофильного замещения. Использование разработанного метода аминометилирования и найденных реакций полученных аминометилированных производных позволило получить 34 не описанных ранее соединения.
Практическая значимость. Предложен простой в исполнении и эффективный метод аминометилирования производных хлорофилла а, заключающийся в действии бис(N,N-диметиламино)метана в смеси ТГФ с уксусной кислотой при различных температурах. На основе найденной реакции аминометилирования винильной группы 13-амидов хлорина е6 предложен простой и эффективный метод получения дикатионных хлоринов (три стадии исходя из метилфеофорбида а), различающихся размером гидрофобной части, некоторые из них растворимы в воде. Все реакции, необходимые для синтеза дикатионных хлоринов, проходят, как правило, с выходами целевых продуктов 80% и выше, не требуют сложных процедур при проведении и хорошо масштабируются. Предложен метод синтеза никелевых, цинковых и медных комплексов природных хлоринов, заключающийся во взаимодействии природных хлоринов с небольшим избытком или эквимольным количеством соответствующего ацетилацетоната при кипячении в толуоле. Все полученные производные хлорофилла могут быть исследованы в качестве фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии онкологических заболеваний, а также (в случае комплексов) – в качестве темновых противоопухолевых цитостатиков.
Апробация работы и публикации. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на IV Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2006); Всероссийской научной конференции «Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги» (Сыктывкар, 2007); VII Школе-конференции молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений (Одесса, 2007); Fifth International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines (ICPP-5) (Moscow, Russia, 2008); XII Молодежной конференции по органической химии (Иваново-Суздаль 2009). По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и тезисы 9 докладов на всероссийских и международных конференциях, получено 2 патента РФ.
Работа выполнена в соответствии с планами Института химии Коми НЦ УрО РАН как раздел комплексной темы лаборатории органического синтеза и химии природных соединений «Научные основы химии и технологии комплексной переработки растительного сырья; синтез хиральных функциональных производных изопреноидов, липидов и природных порфиринов для получения новых материалов и физиологически активных веществ» № гос. рег. 0120.0 604259 и «Органический синтез новых веществ и материалов; получение физиологически активных веществ на основе функциональных производных изопреноидов, липидов и природных порфиринов; асимметрический синтез. Научные основы химии и технологии комплексной переработки растительного сырья» № гос. рег. 01.2.00950779. Работа поддержана грантами Президента Российской Федерации по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации: «Научные основы химии и технологии комплексной переработки растительного сырья; синтез производных изопреноидов, липидов и природных порфиринов» (НШ-1206.2006.3; НШ-4028.2008.3).
Личный вклад автора состоит в и непосредственном участии в постановке цели и задач исследования, планировании эксперимента и обсуждении полученных результатов. Все описанные в работе эксперименты выполнены лично автором.
Объем и структура диссертации Диссертационная работа изложена на 145 стр., содержит 20 рисунков и состоит из введения, 3-х глав, выводов и списка литературы из 123 наименований. В Главе 1 (Литературный обзор) рассмотрены методы синтеза катионных порфиринов (получение предшественников и формирование катионных групп), реакции электрофильного замещения с участием производных хлорофилла в качестве субстратов и использование бис(N,N-диметиламино)метана как реагента в реакции Манниха. В заключительной части обзора литературы, на основании обобщения литературных данных, сформулированы задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной в работе цели. В Главе 2 приводится обсуждение полученных результатов. В Главе 3 приведены методы получения соединений и их спектральные характеристики.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ДИССЕРТАЦИИ
1. Получение субстратов для аминометилирования
Метилпирофеофорбид а (2) был получен декарбоксилированием метилфеофорбида а (1) при кипячении в пиридине (Схема 1). Оксимы метилфеофорбида а (3) и метилпирофеофорбида а (4), а также метоксим метилпирофеофорбида а (5) получены по описанной в литературе методике. Цинковый, никелевый и медный комплексы метилпирофеофорбида а (Схема 1) были получены кипячением (2) с эквимольным количеством соответствующего ацетилацетоната в толуоле согласно разработанному нами методу. 13-Амиды хлорина е6 (6-14) (Схема 1) были получены действием соответствующего амина на метилфеофорбид а (1).
Схема 1
2. Аминометилирование порфириновых соединений с использованием бис(N,N-диметиламино)метана как аминометилирующего реагента
Известно, что в порфириновом макроцикле, если не считать периферических заместителей, имеется два центра для электрофильной атаки: β- и мезо-положения. В случае исследованных в настоящей работе производных хлорофилла а доступны для электрофильной атаки только мезо-положения, причем наиболее активным должно быть соседнее с гидрированным пиррольным циклом положение 20 (аналогично расположенное положение 15 занято). Из периферических заместителей исследованных производных хлорофилла а наиболее верятным объектом для электрофильной атаки является винильная группа и, в случае метилфеофорбида а (1) и его аналогов, экзоцикл, представляющий собой относительно легко енолизующийся фрагмент эфира циклической β-кетокислоты. Для генерирования диметиламинометильного катиона из бис(N,N-диметиламино)метана (15) в реакциях с производными хлорофилла и некоторыми другими порфириновыми соединениями наиболее удобным и эффективным оказалось взаимодействие со слабой кислотой (проведение реакции в смеси ТГФ с уксусной кислотой 1:1 по объему при различных температурах) (Схема 2).
2.1. Взаимодействие бис(N,N-диметиламино)метана с метилфеофорбидом а и его аналогами
Экзоцикл метилфеофорбида а (1) и его аналогов является активным реакционным центром, вступающим в самые разнообразные реакции, многие из которых используются для синтеза различных хлориновых соединений. Енольная форма экзоцикла представляет собой активный реакционный центр при взаимодействии с электрофилами, причем его активность должна быть значительно больше, чем активность винильной группы в аналогичных реакциях: +М-эффект гидроксила сильно активирует кратную связь в енольной группе. Это предположение полностью подтвердилось при исследовании взаимодействия бис(N,N-диметиламино)метана (15) с метилфеофорбидом а (1) (схема 2). Оказалось, что при 10-12°С в ТГФ/AcOH происходит аминометилирование в α-положение по отношению к кето-группе экзоцикла (1) с образованием 13(2)-диметиламинометильного производного (16).
i (15), ТГФ-AcOH, 10-12оС, 24 ч, выход 75%; ii (15), ТГФ, кипячение, выход 40%; iii ТГФ-AcOH, 48 ч, комн. темп., выход 45%; iv ТГФ, кипячение 15ч, выход 20%.
Схема 2
Аминометилирование метилфеофорбида а (1) происходит стереоселективно, образуется только 13(2)R-диастереомер (данные ROESY). Стереоселективность протекания реакции можно объяснить тем, что енольная форма соединения (1) не является, по всей видимости, строго плоской. Карбометоксильная группа в положении 13(2) несколько вытеснена в трансоидное положение по отношению к метилпропионатному заместителю в положении 17 за счет взаимного отталкивания этих заместителей. Поэтому при электрофильной атаке кратной связи енольной формы (1) противоположная сторона ее оказывается стерически более доступной. В результате образуется только один диастереомер с диметиламинометильным заместителем, расположенным по одну сторону плоскости хлоринового макроцикла с 17-пропионатным фрагментом.
Схема 3
Интересно, что образование продукта аминометилирования происходит в очень узком диапазоне условий. Небольшое увеличение температуры (до 18-20°С) или времени реакции приводит к изомеризации производного (16) с образованием 13-диметиламидного производного хлорина е6 с фрагментом метилового эфира акриловой кислоты в положении 15 (17) (Схемы 2-4). Исследование соединения (17) при помощи спектроскопии ЯМР показывает, что для этого соединения реализуются четыре пространственных изомера. Мы предполагаем, что для соединения (17) реализуются атропоизомеры с различным взаимным расположением плоскостей хлоринового макроцикла, амидной группы в положении 13 и фрагмента метилового эфира акриловой кислоты в положении 15 (схема 2). Появление четырех атропоизомеров для соединения (17) может быть обусловлено затруднением вращения вокруг связей (13)С-(13(1))С и (15)С-(15(1))С (схема 2). Аналогичное явление наблюдалось при исследовании производных хлорина е6 с третичными амидными группами в положении 13, таких как хлорин е6 13-N,N-диметиламид-15,17-диметиловый эфир (12): по литературным данным, такие соединения существуют в виде двух атропоизомеров, отличающихся друг от друга взаимным расположением хлоринового макроцикла и 13-амидной группы (схема 2).
Возможные механизмы образования соединения (17) приведены на схемах 3 (механизм 1) и 4 (механизм 2). Механизм 1 реализуется при проведении реакции в присутствии уксусной кислоты, когда удается зафиксировать образование диметиламинометильного производного (16). Реализация механизма 2 возможна при кипячении в ТГФ без кислоты, когда образование (16) не наблюдается. Дополнительным аргументом в пользу возможности реализации механизма 2 может служить сильное уменьшение (с 8 ч до 3 ч) времени образования аналогичного продукта в случае реакции бисамина (15) с метилфеофорбидом d (18) (Схема 2, продукт 19). Известно, что внедрение электроноакцепторной альдегидной группы на периферию аналога метилфеофорбида а повышает реакционную способность кето-группы в положении 13(1) экзоцикла в реакциях с аминами, что и обуславливает уменьшение времени реакции.
Схема 4
Таким образом, действием бис(N,N-диметиламино)метана (15) на метилфеофорбид а (1) в зависимости от условий могут быть получены не описанные ранее 13(2)-N,N-диметиламинометильное производное метилфеофорбида а (16) и 13-диметиламидное производное хлорина е6 с фрагментом метилового эфира акриловой кислоты в положении 15 (17). Винильная группа метилфеофорбида а (1) в условиях аминометилирования экзоцикла в реакцию не вступает.
2.2. Аминометилирование 13-амидов хлорина е6
Как и следовало ожидать, для аминометилирования винильной группы 13-амидов хлорина е6 (6-14) требуются более жесткие условия, чем для аминометилирования экзоцикла метилфеофорбида а (1). Реакцию удается осуществить при кратковременном (20-30 минут) кипячении винилхлоринов (6-14) с избытком бисамина (15) в ТГФ/AcOH. В результате реакции с хорошим выходом образуются дважды аминометилированные по винильной группе 13-амиды хлорина е6 (23-28) (Схема 5). Аминометилирование протекает как электрофильное замещение с промежуточным образованием диметиламинометильного катиона из бисамина (15) при действии кислоты. В результате реакции образуется смесь цис- и транс-изомеров в соотношении 1:1 (данные ЯМР 1Н).
Схема 5
Взаимодействие метилфеофорбида а (1) с бисамином (15) в этих же условиях приводит к тому, что в реакцию вступают и экзоцикл и винильная группа, причем реакция по экзоциклу не ограничивается аминометилированием и происходит изомеризация с образованием 15-акрилового производного (29) (Схема 6). Образовавшаяся в положении 15 замещенная винильная группа при этом не аминометилируется: ее пониженная по сравнению с винильной группой в положении 3 реакционная способность обусловлена, во-первых, отрицательным мезомерным эффектом сложноэфирной группы и, во-вторых, стерическими препятствиями, обусловленными соседними заместителями.
Схема 6
Интересно, что дизамещение в винильной группе происходит даже при комнатной температуре: взаимодействие 13-амида (6) с бисамином (15) приводит к медленному аминометилированию сначала амидной, а затем винильной группы (Схема 7).
Схема 7
2.3. Взаимодействие бис(N,N-диметиламино)метана с другими
хлоринами и порфиринами
С целью выяснения возможностей бис(N,N-диметиламино)метана (15) как аминометилирующего агента в химии порфириновых соединений в настоящей работе было исследовано взаимодействие бисамина (15) с порфиринами и хлоринами, имеющими другие заместители в макроцикле (Схемы 8-11).
Схема 8
Взаимодействие форбиновых производных (2-5) с бисамином (15) приводит к образованию сложной смеси продуктов (данные ТСХ и ЯМР 1Н). Основными компонентами наименее полярных фракций получающихся смесей являются продукты аминометилирования (соответственно (32-35)). Комплекс (Cu-2) в этих условиях в реакцию не вступает, а (Ni-2) с выходом 60% образует продукт аминометилирования (Ni-32). Полученные результаты могут быть объяснены, с одной стороны, –М-эффектом кето-группы экзоцикла, приводящим к дезактивации винильной группы, с другой стороны – возможными побочными реакциями с участием экзоцикла. Внедрение катиона никеля в случае (Ni-2) приводит к активации винильной группы, что и приводит к хорошему результату.
Схема 9
Аминометилирование винильной группы β-винил-тетра-(мезофенил)-порфина (36), как и в случае 13-амидов хлорина е6, приводит к дважды аминометилированному производному (37), (Схема 9), однако выход (37) не превышает 10%. Аналогично реагирует диметиловый эфир протопорфирина (38): выход продукта аминометилирования обеих винильных групп (39) (Схема 10) не превышает 10%. Низкий выход аминометилированных порфиринов (37, 39) связан, по всей видимости, с низкой устойчивостью исходного порфирина и продукта его аминометилирования в условиях проведения реакции. Аналогично аминометилированию 13-амидов хлорина е6, полученные порфирины (37, 39) представляют собой смесь цис- и транс-изомеров в соотношении 1:1 (в случае (39), в котором аминометилированию подвергаются две винильные группы, образуется смесь из четырех пространственных изомеров).
Схема 10
Также было исследовано взаимодействие бис(N,N-диметиламино)метана с порфиринами, имеющими свободные β-положения. Реакция с диметиловым эфиром дейтеропорфирина (40) приводит, по данным спектроскопии ЯМР 1Н и масс-спектрометрии, к смеси моноаминометилированных производных (41) и (42) с общим выходом 15% (Схема 11). Увеличение времени реакции приводит к образованию смеси полярных соединений и не позволяет получить дважды аминометилированные производные.
Схема 11
Свободные β-положения тетрафенилпорфина не вступают в реакцию с бис(N,N-диметиламино)метаном даже после 6 часов кипячения в смеси ТГФ с уксусной кислотой.
Таким образом, наличие электроноакцепторных заместителей и искажение хлоринового макроцикла, вызванные наличием экзоцикла, а также переход от хлоринового макроцикла к порфириновому препятствует аминометилированию бис(N,N-диметиламино)метаном винильной группы и свободных β-положений многих из исследованных субстратов.
2.4 Аминометилирование цинковых комплексов хлоринов и порфиринов.
Как было показано в предыдущем разделе, продукт аминометилирования винильной группы далеко не всегда может быть получен кипячением субстрата с бис(N,N-диметиламино)метаном в смеси ТГФ с уксусной кислотой. Устранение побочных реакций, снижающих выход продуктов аминометилирования, могло бы быть достигнуто за счет более мягких условий реакции. Однако, исследование взаимодействия бис(N,N-диметиламино)метана с некоторыми производными хлорофилла в ТГФ/AcOH при комнатной температуре показывает, что, хотя диметиламинометильный катион в этих условиях образуется (см. аминометилирование экзоцикла соединеня (1)), реакционная способность винильной группы недостаточна для реализации аминометилирования. В случае N-метиламида (6) в реакцию вступает 13-амидная группа (см. раздел 2.1). В случае метилпирофеофорбида а (2) происходит аминометилирование экзоцикла (Схема 12).
Схема 12
И в случае N-метиламида (6) и в случае метилпирофеофорбида а (2) образование продукта аминометилирования происходит медленно, конверсия исходных веществ мала и выходы продуктов реакции крайне низки. Известно, что внедрение цинка в координационную сферу винил-порфирина повышает реакционную способность их винильной группы в реакциях с электрофилами, что может быть использовано для аминометилирования порфириновых соединений, которые не удалось вовлечь в реакцию. В настоящей работе исследовано взаимодействие цинковых комплексов порфиринов (2, 4, 5, 38, 40) с бис(N,N-диметиламино)метаном (15) при комнатной температуре в ТГФ/AcOH с целью синтеза безметальных аминометилированных производных. Несмотря на относительную лабильность цинковых комплексов, их деметаллирование в условиях реакции не происходит. Получение безметальных производных осуществляли деметаллированием образующихся из комплексов продуктов аминометилирования при действии концентрированной соляной кислоты непосредственно на реакционную смесь без выделения аминометилированных комплексов. Наилучших результатов удалось добиться в случае метилпирофеофорбида а (2), его оксима (4) и метоксима (5) (30-40% (32-34), Схема 13). Аминометилирование цинковых комплексов происходит аналогично аминометилированию 13-амидов хлорина е6.
Схема 13
Использование цинковых комплексов для получения аминометилированных производных диметиловых эфиров прото- (Zn-38) и дейтеро- (Zn-40) порфиринов не позволило улучшить результат, полученный при кипячении безметальных порфиринов с бисN,N(диметиламино)метаном (15) в ТГФ/AcOH. Хотя взаимодействие происходит при комнатной температуре, в случае цинкового комплекса диметилового эфира дейтеропорфирина с низким выходом образовалась смесь продуктов моноаминометилирования (Схема 14) при неполной конверсии (Zn-40).
Схема 14
В случае цинкового комплекса диметилового эфира протопорфирина произошло образование сложной смеси продуктов, содержание четырежды аминометилированного производного в которой так же невелико, как и в реакции с безметальным порфирином. Кроме того, деметаллирование аминометильных производных осложнено низкой устойчивостью как самих комплексов, так и деметаллированных продуктов.
Аминометилирование мезо-положений всех исследованных порфиринов и их комплексов не происходит ни при каких условиях. Увеличение времени реакции, которое могло бы привести к мезо-замещению в молекулах порфиринов и хлоринов со свободными мезо-положениями, приводит к образованию продуктов осмоления, обусловленному реакциями активных функциональных групп, имеющихся на периферии макроциклов этих соединений. Для выявления возможности аминометилирования бис(N,N-диметиламино)метаном мезо-положений было исследовано его взаимодействие с не имеющим активных групп октаэтилпорфином и его цинковым, никелевым и медным комплексами более длительное время в ТГФ/AcOH (при кипячении в течение 10 часов в случае октаэтилпорфина и его никелевого и медного комплексов и 10 суток при комнатной температуре в случае цинкового комплекса октаэтилпорфина). Однако, несмотря на ужесточение условий и увеличение времени реакции, аминометилирование мезо-положений не наблюдалось.
Использование CH2(NCH3)2, ТГФ/АсОН
Использование реагента Эшенмозера
Схема 15
Полученные результаты позволяют отметить, что аминометилирование порфириновых соединений с использованием бисN,N(диметиламино)метана (15) во многом схоже с аминометилированием при помощи реагента Эшенмозера, что определяется природой электрофила, участвующего в реакции. Однако по литературным данным при аминометилировании винильной группы реагентом Эшенмозера происходит образование производных с монозамещенной винильной группой (Схема 15). Различие результатов аминометилирования действием бисN,N(диметиламино)метана и реагентом Эшенмозера можно объяснить тем, что в случае реагента Эшенмозера в результате реакции формируется катионная группа, которая препятствует повторной атаке со стороны электрофила (Схема 15). При использовании бис(N,N-диметиламино)метана после замещения одного из протонов формируется электронейтральный заместитель и второй диметиламинометильный катион может вступать в реакцию. Образование дважды аминометилированных производных в случае цинковых комплексов, несмотря на мягкие условия реакции, подтверждает предположение о препятствии повторной атаке электрофила со стороны катионной группы, образующейся при использовании реагента Эшенмозера.
Таким образом, предложенный нами метод аминометилирования бис(N,N-диметиламино)метаном дополняет методы, описанные в литературе, и позволяет получить не описанные ранее производные хлорофилла а, в том числе дважды аминометилированные по винильной группе производные хлорина е6. Простота применяемых процедур и хорошие выходы продуктов аминометилирования позволяет рассматривать полученные соединения как возможные субстраты для дальнейших превращений.
3. Синтез и исследование катионных хлоринов на основе полученных аминометильных производных
Внедренные диметиламинометильные группы могут быть использованы для формирования катионных заместителей. Реакция полученных дважды аминометилированных производных хлорина е6 (20-28) с йодистым метилом позволяет получить дикатионные амфифильные хлорины (44-52), имеющие различный размер гидрофобной части молекулы (Схема 16).
Схема 16.
Изучена растворимость полученных катионных хлоринов в воде. Оказалось, что имеющее относительно небольшой гидрофобный фрагмент соединение (44) растворимо в воде, причем образует истинные растворы. Исследование раствора полученного дикатионного хлорина в дейтерированной воде методом ЯМР 1Н позволяет выявить сигналы большинства протонов хлоринового макроцикла, не участвующих в обменных реакциях. В случае образования коллоидных растворов сигналы протонов макроцикла наблюдать не удается. Внедрение этильной и больших по размерам групп приводит к потере растворимости в воде. Растворимость в воде придает также наличие в амидном фрагменте гидрофильной группы: гидрокси-производное (49), так же как и соединение (44), образует истинный раствор в воде.
4. Реакции нуклеофильного замещения с участием хлоринов с
аллильной амино-группой.
По литературным данным мезо-диметиламинометильные производные порфиринов вступают в реакции нуклеофильного замещения с участием бензильной диметиламинной группы. Поэтому полученные в настоящей работе дважды аминометилированные производные хлорофилла а, имеющие аллильные диметиламино-группы могут представлять интерес с точки зрения их дальнейшей химической модификации с использованием реакций SN. Для исследования поведения подобных соединений в реакциях SN был использован дважды аминометилированный хлорин (20). Для генерирования карбокатиона из аллильной амино-группы были использованы три различных способа (Схема 17): нагревание в полярных растворителях (ТГФ, спирты, амины); действие кислот Льюиса и предварительная кватернизация диметиламинометильных групп, позволяющие сформировать «хорошую» уходящую группу. В качестве нуклеофильных агентов использовались спирты (метиловый, изопропиловый, бутиловый, изоамиловый), амины, вода и фенол (Схема 17). Изо всех исследованных нуклеофилов продукты реакции SN удалось получить только в случае метилового и бутилового спиртов при генерировании карбокатиона действием ацетата цинка. Из аминов реагирует только этаноламин, причем происходит только амидирование сложноэфирной группы заместителя в положении 17 ((59), Схема 17). Выход бутильного производного (54) в 3-4 раза ниже, чем продукта реакции с метанолом (53) (40% для (53) и 10% для (54)) (кроме реакций амино-групп происходит образование цинковых комплексов, которые были деметаллированы кратковременным действием соляной кислоты).
 Схема 17
Таким образом, на исследование взаимодействия дважды аминометилированного хлорина (20) с нуклеофильными агентами показало, что продукты реакции нуклеофильного замещения образуются только с относительно простыми нуклеофилами, поэтому использование аналогичных реакций для присоединения более сложных фрагментов представляется на сегодняшний день проблематичным и требует дополнительных исследований.
Основные результаты и выводы.
1. Предложен новый метод аминометилирования производных хлорофилла а, основанный на генерировании диметиламинометильного катиона из бис(N,N-диметиламино)метана в присутствии слабой кислоты и заключающийся в действии на хлорин бис(N,N-диметиламино)метана в смеси равных объемов уксусной кислоты с ТГФ при различных температурах. Разработанный метод позволил реализовать аминометилирование метилфеофорбида а по положению 13(2) экзоцикла и осуществить внедрение двух диметиламинометильных заместителей в винильную группу 13-амидов хлорина е6.
2. Показано, что цинковые и никелевые комплексы форбиновых производных хлорофилла а могут быть использованы в качестве субстратов для аминометилирования бис(N,N-диметиламино)метаном: винильная группа этих соединений реагирует при комнатной температуре аналогично винильной группе 13-амидов хлорина е6 с образованием дважды аминометилированных производных. Деметаллирование продуктов аминометилирования цинковых комплексов, проведенное без их выделения, позволяет получить дважды аминометилированные форбиновые производные хлорофилла а с выходами 30-40%, считая от исходного безметального производного.
3. Установлено, что изомеризация 13(2)-(диметиламинометил)-метилфеофорбида а приводит к неописанному ранее производному хлорина е6 с фрагментом метилового эфира акриловой кислоты в положении 15. Показано, что это же соединение может быть получено действием бис(N,N-диметиламино)метана непосредственно из метилфеофорбида а без промежуточного образования 13(2)-диметиламинометильного производного. Предложены механизмы протекающих реакций.
4. Исследование реакций нуклеофильного замещения с участием аллильных диметиламино-групп дважды аминометилированного производного 13-N-метиламида хлорина е6 и его кватернизованного производного с использованием в качестве нуклеофилов спиртов, фенолов и аминов показало, что нуклеофильное замещение возможно с участием обеих третичных аллильных аминогрупп.
5. Алкилированием третичных амино-групп дважды аминометилированных производных хлорина е6 йодистым метилом получены новые амфифильные дикатионные хлорины, различающиеся размером гидрофобной части. Показано, что некоторые из полученных дикатионных хлоринов могут образовывать истинные растворы в воде, причем внедрение в амидную группу гидрофобных заместителей (начиная с двух метильных или одной этильной группы) приводит к потере растворимости.
Публикации по теме диссертации
1. Белых Д.В., Тарабукина И.С., Матвеев Ю.С., Кучин А.В. Никелевые комплексы производных хлорофилла // Журнал общей химии. 2007. Т. 77. № 7. С. 1218-1225.
2. Dmitri V. Belykh, Irina S. Tarabukina, Ivan V. Gruzdev and Aleksandr V. Kutchin. Unexpected transformations of methylpheophorbide а under the action of
bis(N,N-dimethylamino)methane // Mendeleev Communications. 2007. № 6. Р. 340-342.
3. Белых, Д.В., Тарабукина, И.С., Груздев, И.В., Кучин, А.В. Превращения экзоцикла метилфеофорбида а под действием бис(N,N-диметиламино)метана // Журнал органической химии. 2009. Т. 45. Вып.1. С. 1-9.
4. Dmitri V. Belykh, Irina S. Tarabukina, Ivan V. Gruzdev, Mikhail I. Kodess, and Aleksandr V. Kutchin. Aminomethylation of chlorophyll a derivatives using bis(N,N-dimethylamino)methane // J. Porphyrins and Phthalocyanines. 2009 V. 13. Р. 949-956.
5. Белых Д.В., Тарабукина И.С., Матвеев Ю.С., Кучин А.В. Способ получения комплексов производных хлорофилла (а) с переходными металлами // Патент № 2310658. Опубл. 20.11.2007. Бюл. № 30.
6. Белых Д.В., Тарабукина И.С., Кучин А.В. Способ синтеза производных хлорофилла с двумя N,N-диметиламинометильными группами. // Патент № 2337103. Опубл. 27.10.2008. Бюл. № 32.
7. Д.В. Белых, И.С. Тарабукина, А.В. Кучин. Синтез никелевых комплексов природных хлоринов. // Тезисы докладов. IV Всероссийская научная конференция «Химия и технология растительных веществ». 2006. Сыктывкар. С. 33.
8. Белых Д.В., Тарабукина И.С., Груздев И.В., Кучин А.В. Неожиданные превращения метилфеофорбида а под действием бис(N,N-диметиламино)метана // Тезисы докладов. Всероссийская научная конференция «Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги». 2-5 апреля 2007. Сыктывкар. С. 16-18.
9. Белых Д.В., Тарабукина И.С., Груздев И.В., Кодесс М.И., Кучин А.В. Простой метод синтеза производных хлорофилла с двумя N,N-диметиламинометильными группами // Тезисы докладов. Всероссийская научная конференция «Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги». 2-5 апреля 2007. Сыктывкар. С. 19-20.
10. Белых Д.В., Тарабукина И.С., Груздев И.В., Кодесс М.И., Кучин А.В. Взаимодействие производных хлорофилла а с бис(N,N-диметиламино)метаном // Тезисы докладов. VII школа-конференция молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений. 7-10 сентября 2007. Одесса. С. 69-71.
11. Dmitri V. Belykh, Irina S. Tarabukina, Ivan V. Gruzdev, Mikhail I. Kodess, and Aleksandr V. Kutchin. Aminomethylation of chlorophyll a derivatives using bis(N,N-dimethylamino)methane. // Fifth International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines (ICPP-5). July 6 -11, 2008 Moscow, Russia. Book of abstracts. P. 218.
12. Тарабукина И.С., Белых Д.В., Груздев И.В., Кучин А.В. Новые дикатионные производные хлорина е6 // Тезисы докладов. XX Международная конференция по физической и координационной химии порфиринов и их аналогов (ICPC-10). 2009 Иваново. С. 74-75.
13. Тарабукина И.С., Белых Д.В., Груздев И.В., Кучин А.В. Аминометилирование цинковых комплексов форбиновых производных хлорофилла а с использованием бис(N,N-диметиламино)метана // Тезисы докладов. XII Молодежная конференция по органической химии. 7-11 декабря 2009 года. Иваново. С. 390-392.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю к.х.н., доц. Белых Д.В. за всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах работы; к.х.н., доц. Груздеву И.В. за помощь в проведении масс-спектрометрических исследований синтезированных соединений; к.х.н. Кодессу М.И. (Центр «Урал-ЯМР», Екатеринбург) и н.с. Зайнулиной Е.Н. (Лаборатория физико-химических методов исследования, Институт химии Коми НЦ УрО РАН) за помощь в проведении ЯМР-спектроскопических исследований синтезированных соединений, к.х.н., вед. н. с. Ишкову Ю.В. (Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова) за предоставленные винильные производные ТФП, д.х.н., проф. Семейкину А.С. за предоставленные диметиловые эфиры прото- и дейтеропорфирина и октаэтилпорфин; коллективам Лаборатории органического синтеза и химии природных соединений (Институт химии КомиНЦ УрО РАН) и Кафедры органической химии (химико-биологический факультет СыктГУ) за полезное обсуждение полученных результатов. |
