WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

на правах рукописи

Попова Галина Викторовна

Химическая модификация амино- и полиаминокислот гетероциклами

02.00.03 - Органическая химия

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Иваново - 2008

Работа выполнена в Российском Химико-Технологическом Университете им. Д. И. Менделеева.

       

       Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Лукьянец Евгений Антонович

доктор химических наук, профессор Бурмистров Владимир Александрович

доктор химических наук, профессор Григорьянц Игорь Константинович

Ведущая организация: Институт Элементоорганических Соединений РАН им. А. Н. Несмеянова.

Защита состоится ___________________ 2008 г. в ______ часов в  на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.01 при ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу 153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета

по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 10.

Автореферат разослан _________________________

Ученый секретарь Хелевина О.Г.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Одним из перспективных направлений развития органической химии в XXI веке становится разработка и возрастающее применение так называемых «разумных» молекулярных материалов, реверсивно реагирующих на слабые изменения микросреды – температурные, механические, рН, излучение различных видов и другие. Синтетические полипептиды (ППТ) и полиаминокислоты (ПАК) как  модели природных белковых структур могут рассматриваться в качестве предшественников биомиметических «разумных» материалов.

Химическая модификация ПАК/ППТ различными функциональными соединениями (хромофорами), в частности: люминофорами, фотохромами, красителями, биологически активными веществами и др., способность указанных полимеров существовать в различных конформациях (клубок, -спираль, -структура) в зависимости от условий, возможность образовывать супрамолекулярные комплексы и ансамбли за счет различного типа нековалентных взаимодействий, полифункциональность – позволяют создавать на их основе молекулярные/ наноразмерные материалы.

Управляемая структурная организация/ реорганизация синтетических полипептидов  и полиаминокислот  в сочетании с иммобилизованными фрагментами дополнительно обладающими электро-, фото- или ионной проводимостью, люминесценцией и др., приводит к получению разумных/адаптивных биоинспирированных полимерных материалов для молекулярной и биомолекулярной электроники, молекулярных электронных устройств с оптической сенсорикой, фотомодулирующих систем, систем оптической записи и хранения информации, голографических сред, средств доставки лекарственных препаратов и т.д.

Целью настоящего исследования явилась: разработка методологии синтеза модифицированных различными гетероциклами модельных аминокислот, пептидов и полиаминокислот (все -аминокислоты в L конфигурации); идентификация синтезированных соединений; изучение зависимостей свойств от состава, строения, природы и местоположения гетероциклических структур в макромолекуле.

В ходе исследования необходимо было решить следующие задачи:

-        в зависимости от природы исходных соединений выбрать подходящие методы органического и полимерного синтеза, а также определенные защитные группировки для функциональных групп реагентов; обозначить ограничения и / или преимущества того или иного метода с применением прогнозирования конечных продуктов; унифицировать химические реакции для повышения выхода целевых соединений и упрощения многостадийного синтеза;

-        изучить строение образующихся модифицированных ПАК/ППТ и выявить условия образования супрамолекулярных ансамблей синтезированных соединений в виде самособирающихся систем и многослойных пленок типа Ленгмюра-Блоджетт;

-        исследовать функционирование модифицированных ПАК и ППТ в качестве молекулярных («разумных») материалов нового поколения;

-        выработать общую методологию и концепцию целевого синтеза биомиметиков на основе химически модифицированных ПАК и ППТ.

Введение гетероциклов в состав ППТ и ПАК осуществлялось взаимодействием концевых или боковых групп модифицируемых аминокислот или полимеризацией N-карбоксиангидридов аминокислот с использованием в качестве активаторов функциональных групп гетероциклов.

Научная новизна работы:

-        Разработаны пути синтезов коротких пептидов, где в качестве замещающей аминокислоты был применен L-5-гидрокситриптофан, а также олиготриптофанов и олигоаланинов, содержащих триптамины (Trp). Впервые синтезирован поли-5-гидрокситриптофан (5-НОТry), при этом установлено влияние инициатора полимеризации N-карбоксиангидрида, в зависимости от природы которого можно целенаправленно получить циклические или линейные олигомеры 5НОТry, синтезированы сополимеры L-α-глутаминовой кислоты и L-5-НОТry с различными соотношениями исходных аминокислот.

-        Разработаны пути синтеза ПАК при модификации их различными красителями, фотохромами, люминофорами, краун-эфирами. Максимальные степени введения хромофоров в боковые цепи ПАК методами дициклогексил-карбодиимидным (ДЦГК) и активированных эфиров (АЭ) можно прогнозировать при помощи квантово-химического анализа и компьютерного  моделирования. Показана возможность получения структур «голова-хвост» N-карбоксиангидридным методом (NКА) при этом степень полимеризации n может соответствовать соотношению мономер : инициатор в пределах от 5 до 11.

-        Получены органо-неорганические гибриды на основе олигомерных циклофосфазенов и производных  аминокислот. Рассмотрены преимущества и ограничения реакций аминолиза и алкоголиза циклотрифосфазенов триптаминами. Показано, что в случае аминолиза гексахлорциклотрифосфазена можно выделить циклотрифосфазены с различной степенью замещения, кроме пента, при алкоголизе максимально замещенным является тризамещенный циклофосфазен.

-        Осуществлен синтез полиаминокислотных производных циклотри- и циклотетрафосфазенов. Установлена возможность прямой реакции раскрытия N-карбоксиангидридов аминокислот аминозамещенными циклофосфазенами, при этом получены разветвленные (дендроноподобные) олигоаминокислотные производные циклофосфазенов.

-        Для всех полиаминокислотных производных различных гетероциклов показана их способность к образованию супрамолекулярных ансамблей, включая мультислойные пленки Лэнгмюра-Блоджетт. Впервые лэнгмюровские слои получены на структурах «голова-хвост», где в качестве ПАВ применены олигоаминокислоты, а в качестве «головы» - хромофоры.

-        Проведено комплексное исследование физико-химических свойств модифицированных ПАК, их супрамолекулярных ансамблей под действием температуры, УФ и лазерного облучения, электрического тока. Показано, что ультратонкие пленки модифицированных ПАК/ППТ проявляют свойства “разумных” молекулярных материалов, т.е. могут реверсивно изменять свои свойства за счет внутренних кооперативных взаимодействий.

-        Ряд производных гетероциклов обладают выраженной биологической активностью - противоопухолевой, нейро- и радиозащитной при низкой токсичности в тестах in vivo.

Практическое значение. Результаты работы являются перспективными для их использования в биомедицине и молекулярной электронике. Противоопухолевая активность ряда полученных триптаминоциклофосфазенов (в опытах in vitro и in vivo) при сравнительно низкой  токсичности представляет интерес для применения их в практических целях, учитывая возможность введения соединений как парентерально, так и перорально (пента-этиленимино-5-мектокситриптаминциклотрифосфазен). Короткие пептиды, содержащие 5гидрокситриптофан, проявляют нейроактивность (эффект возбуждения). Некоторые 5метокситриптаминсодержащие олиго-аминокислоты проявляют радиопротекторные свойства с пролонгированным действием (амид 5метокситриптамина и пентааланина). Способность модифицированных ПАК к образованию мультислойных структур делает их перспективными молекулярными материалами. Визуальные изменения окрашивания под действием внешних факторов: температуры (карбоцианиновые и спиропирановые), электрического тока (карбоцианиновые и акридиновые производные), УФ-облучения (спиропирановые и карбоцианиновые), позволяют рассматривать полученные соединения как исходные при конструировании пленочных молекулярных сенсоров. Зависимость люминесценции (флуоресценильные производные полиглутаминовой кислоты) от изменения рН среды, сохранение сорбционного эффекта ПАК краун-эфиров в растворах, являются свойствами, полезными для формирования молекулярных материалов с управляемыми сенсорными свойствами. Разветвленные ПАК структуры с центральными циклическими фосфазеновыми скелетами можно рассматривать как универсальные матрицы для иммобилизации: люминесцентных маркеров, биоактивных фрагментов, ферментов. Они могут быть применены как средства биодиагностики, переносчики лекарственных средств, нанобиокатализаторы и др.

Работа выполнялась в рамках следующих Программ и проектов: Программа Мин вуза РФ «Новые лекарственные препараты» (1997), Программа Госкомвуза РФ «Конверсия и высокие технологии» (1997-1999), Единый заказ-наряд Госкомвуза РФ (1999) и Минобрнауки РФ (2005), Федеральная целевая НТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского значения». Приоритетное направление «Новые материалы и химические продукты» (1999-2001); гранты РФФИ: №00-03-125; №01-03-32652; № 03-03-33157; Программы Минобр РФ «Химия и химические технологии» (1999), «Новые материалы» (2000-2001), Программа Госкомвуза РФ «Международное научное сотрудничество и экспортные технологии», Подпрограмма «ОММЭЛ – высокотехнологичные органические материалы для молекулярной электроники» (1995-2000), Программа Минобр РФ Международное Научно-техническое сотрудничество «Создание региональной сети международного сотрудничества Российских Университетов по теме – Молекулярные материалы и нанотехнологии» (2001-2004), Федеральная целевая Программа «Интеграция», проекты А0136»ОУНЦ – Супрамолекулярная химия для высоких технологий» (1999-2002); Б025 «Супрамолекулярная химия и высокие технологии для получения новых материалов» (2003-2004), П0059 Международное научное сотрудничество «Мультифункциональные адаптивные супрамолекулярные системы и материалы» (2003-2004), Проект Минобрнауки РФ «Международное научное сотрудничество по теме «Разумные органические молекулярные материалы» (2005), Проект Минобрнауки РФ «Развитие совместных научных и научно-образовательных программ и проектов с зарубежными партнерами» по теме  «Международное университетское объединение Интелбиомемс - Интеллектуальные Биомиметические Системы» №5118 (2006-2007), Программа Минобр РФ «Ведущие научно-педагогические коллективы» (2003-2004), Проект Минобрнауки РФ «Проведение фундаментальных исследований в области естественных наук» по теме «Самоорганизующиеся ансамбли макромолекул – компьютерное моделирование, квантово-топологический анализ, программируемый супрамолекулярный синтез» №5051 (2006-2007). Проводившиеся исследования были поддержаны грантами Италии; Земли Верхняя Саксония; Общества Макса Планка, Германия; Общества содействия продвижению науки Японии; Госкомиссии по образованию и Министерства химической промышленности КНР; субконтрактом по программе ЕС «Esprit», Нидерланды.

Личный вклад диссертанта. В цикле работ, составляющих диссертацию, автору принадлежит решающая роль в выборе направления исследования, разработке методических подходов, обобщении достигнутых результатов и выработке рекомендаций по получению новых перспективных биомиметических полимеров. Все представленные данные получены при непосредственном участии автора в проведении и постановке эксперимента.

Автор приносит благодарность: И. В. Мягкову, к.х.н., Н. К. Матвеевой, к.х.н. - Институт Физических Проблем им. Лукина, Зеленоград; С. Г. Юдину, д.ф.м.н., С. П. Палто д.ф.м.н. - Институт Кристаллографии им. Шубникова РАН; А. Г. Витухновскому, д.ф.м.н. - Физический Институт им. Лебедева РАН; В. Г. Цирельсону, д.ф.м.н. и М. Ф. Боброву, к.х.н. - РХТУ им. Д. И. Менделеева, участвовавших в приборном и программном обеспечении исследований и обсуждении результатов. Автор благодарен за проведенные биологические испытания Г. А. Чернову д.б.н. – Институт биофизики МЗ РФ, М. В. Васину, д.б.н. – в/ч 64688, Ю.А. Ершовой, к.б.н., Т. К. Трубицыной,  к.б.н. –  ВНИХФИ им. С. Орджоникидзе, Н. Г. Луценко, доц. –РХТУ им. Д.И.Менделеева. Автор благодарит Минобрнауки РФ, Фонды РФФИ, Max-Planck Society, ESF, ГНФК, JSPS, за финансовую поддержку исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены в виде стендовых, приглашенных и пленарных докладов на высокоуровневых профильных Российских и международных конференциях, в том числе: International Symposium "Liquid Cryst. and Related Polymers", (1999); International Symposium “Molecular Design and Synthesis of Supramolecular Architectures”, (2002, 2004, 2006); International Conferences on Heterocyclic Compounds (2000, 2002); Conferences of European Federation of Chemical Societies “Heterocycles in Bioorganic Chemistry (2000, 2002); XVI IUPAC Photochemistry (1996); International Conferences on Unconventional Photoactive Systems (1999, 2001); NATO ARW  (1996, 1997), NATO  ASI (2006); European Conferences on Molecular Electronics (1994, 1996, 1997); EURESCO “Supramolecular Chemistry. Advanced Materials” (1998, 1999, 2002); International Conferences “Intelligent Materials Forum” (1998, 2003); Conference on Phosphororganic compounds (2000, 2003); Gordon Research Conferences on chemosensors (2001, 2003); RSC Conferences “Nanoscience & Nanotechnologies” (2005), “Advancing Materials by Chemical Design” (2007); III-ей Международной НП Конференции “Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности” (2007) и др. Ряд доложенных результатов получили награды High-Light Research (EURESCO, Gordon RC). Обсуждение результатов осуществлялось на семинарах с зарубежными партнерами: сотрудниками Института Органической Химии Католического Университета Наймегена (Nijmegen, the Netherlands, 1997), Лаборатории синтеза полимеров Факультета науки и технологии тканей (Shinshu Univ., Japan, 1998), Института Органической Химии Университета Иоганна Гутенберга (Mainz, Germany, 1999), Института Органической Химии ”Hebrew Univ.” – Иерусалим, Израиль (2002), Центра защиты окружающей среды Канады (Ottawa, Canada, 2006).

Публикации. Результаты диссертации изложены в 90 печатных работах, включая статьи в центральных отечественных и зарубежных изданиях, обзоры, авторское свидетельство. Приводится список основных публикаций – 48.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

•        Синтез и идентификация пептидов и полиаминокислот, содержащих биологически активные ингредиенты - индольные гетероциклы и производные хинолина.

•        Целенаправленная модификация полиаминокислот с применением приемов комбинаторной химии и компьютерного моделирования молекулярной архитектуры: химическое взаимодействие полиаминокислот с гетероциклическими хромофорами (красителями, люминофорами, фотохромами, макроциклами).

•        Модификация неорганических гетероциклов – циклофосфазенов – производными аминокислот и полиаминокислотами: получение нового типа гибридных мультифункциональных соединений.

•        Исследование свойств синтезированных соединений для использования их в биомедицине и молекулярной электронике.

•        Выработка общей концепции целенаправленного синтеза биомиметиков на основе полиаминокислот и / или полипептидов модифицированных гетероциклами. Стратегия и оценка перспектив.

Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из пяти глав, три из которых посвящены синтезу и идентификации новых соединений – ППТ и ПАК-производных ГЦ. В 4 главе представлены свойства полученных веществ в контексте их перспективного использования в биомедицине и молекулярной электронике. В 5 главе изложена основная концепция стратегии и развития биомиметиков на основе полипептидных производных ГЦ. Главы 1-3 снабжены аналитическими обзорами литературы и резюме в связи с поставленными задачами. Главы 1-4 содержат экспериментальную часть. Выводы изложены отдельно в конце диссертации. Объем диссертационной работы составляет 294 страницы машинописного текста, содержит __39__ схем, __44__ таблицы, __18__ рисунков, 18 приложений. Список цитируемой литературы содержит _429_ наименований.

Содержание работы. В общем введении обсуждаются актуальность темы, цели и задачи диссертации, научная и практическая значимость, приводится общая структура диссертации.

Глава 1Модификация амино- и полиаминокислот биологически активными азотистыми гетероциклами. Обзор литературы рассматривает синтез и свойства производных гетероциклов биомедицинского назначения, в том числе нейропептидов на примере энкефалинов. Обсуждение результатов состоит из четырех разделов: 1. Синтез и идентификация коротких пептидов, модифицированных L-α-5-гидрокситриптофаном; 2. Синтез и идентификация полипептидов и полиаминокислот, содержащих индольные гетероциклы. 3. Пептидные производные хинолина. 4. Заключение.

Синтез и идентификация коротких пептидов, модифицированных L-α-5-гидрокситриптофаном. Широкий спектр фармакологического действия 5-гидрокситриптофана и то обстоятельство, что он является предшественником серотонина и аналогом тирозина послужили предпосылкой для введения 5-OTrp в цепь нейропептида, в данном случае пентапептида Leu5-энкефалина, с целью возможного усиления нейротропной активности. В основу синтеза коротких пептидов был положен принцип построения олигомерной цепи от димера до пентамера и далее до макромолекулы ПАК, содержащей в среднем до 40 остатков аминокислот.

Тетрааналоги [l-5OTrp]1-Leu5-энкефалина и пентааналоги метилового эфира [5-OTrp] Leu5-энкефалина и амидов [5-OTrp] Leu5-энкефалина представлены нижеприведенными формулами: Trp(OH)-Gly-Gly-Phe-NH2; Trp(OH)-Gly-Gly-Phe-Leu-метиловый эфир; Trp(OH)-Gly-Gly-Phe-Leu-метиловый эфир; Trp(OH)-Gly-Gly-Phe-Leu-изопропил амид.

При осуществлении синтеза для защиты аминогрупп применяли, в основном, бензилоксикарбонильную защиту, и иногда трет-бутилоксикарбонильную группу. Для модификации карбоксильных групп использо­вали метиловый эфир, амидную и изопропиламидную группировки. Использование для всех аминокислот бензилоксикарбонильной и бензильной блокировок позволило унифицировать  методы их отщепления. В данном случае применяли каталитический гидрогенолиз на Рd-катализаторах. Выход свободного пентапептида в виде гидрохлорида 5-ОТrp-Gly-Gly-Phe-Leu-OMe составил 15%.

Учитывая опыт работы по синтезу эфирного аналога [l-5-ОТrp]1-Leu5-энкефалина, для синтеза амидного производно­го выбрали блочную схему синтеза 3+2, как более эффективную. Тример Z-5-(Bzl)OTrp-Gly-Gly конденсировали с дипептидом Phe-Leu-NHiPr ДЦГК методом. Выход пентамера составил 50% после хроматографического разделения и переосаждения. Если каталитическое отщепление Z-защиты у Z-Phe-Leu-изопропиламида проходило без осложнений, то на заключительной стадии получения свободного пентапептида - аналога Leu-энкефалина обнаружились трудности. Одновременное удаление Z- и Bzl-защит с фрагмента 5-гидрокситриптофана в пентапептиде происходит не полностью. По данным ЯМР 13С и 1Н достаточно легко отщеплялась  Z-блокировка и только после введения многократного избытка катализатора, повышения температуры и введения эквивалента хлористого водорода были достигнуты положительные результаты и удалось практически полностью отщепить Z- и Bzl-группы. Значительное влияние оказывала природа растворителя. В присутствии эквивалента НС1 гидрогенолиз приводил к образованию пентапептида с выходом ~20%, таблица 1.

Таблица 1.

Каталитический гидрогенолиз [5-OH-Trp]1-пептидов

№ п/п

Соединение

Растворитель

Т, °С

Кат.

Выход, %

1

5-ОН-Trp-Gly-Gly-Phe-NH2

MeOH

20

60

Pd/C избыток

~2

2

5-ОН-Trp-Gly-Gly-Leu-OMe

MeOH

60

Pd чернь, избыток

~35

3

5-ОН-Trp-Gly-Gly-Phe-Leu-OMe

MeOH

MeOH:AcOH + 1 экв HCl

55

Pd/C избыток

~15

4

5-ОН-Trp-Gly-Gly-Phe-Leu-NH-Pr-i

i-PrOH:MeOH (2:7)

i-PrOH:MeOH (3:1)

iPrOH:MeOH:AcOH (7:2:2) + 1 экв HCl

60

Pd чернь, избыток

~10

~20

Использование принципа минимальных защитных групп и их унификация, а также унификация методов пептидного синтеза позволяет сократить общее число стадий.

Структуры синтезированных соединений были подтверждены УФ, ИК, ЯМР (1Н и 13С) и, в отдельных случаях,  масс-спектрами, которые приведены в диссертации и свидетельствуют о наличии внутримолекулярной водородной связи, аминокислотном составе и  последовательности пептидной цепи.

Синтез и идентификация полипептидов и полиаминокислот, содержащих индольные гетероциклы. Рассмотрены возможные пути синтеза поли-L-5-гидрокситриптофана методом активированных эфиров и N-карбоксиангидридным методом. Получение непосредственно мономеров – гидрохлоридов пентахлорфенилового эфира моно- и ди-5-бензилокситриптофана – оказалось малоэффективным. Циклический мономер - NKA-5-Бензилокситриптофана удалось получить с выходом до 40% в тетрагидрофуране с PCl5 при ступенчатом повыше­нии температуры от –15 до 30°С. Полимеризацию с раскрытием цикла N-карбоксиангидрида L-5-бензилокситриптофана осуществляли при действии различных инициаторов: триэтиламина, метилата натрия, а также биологически активного амина - 5метокситриптамина. В последнем случае 5-метокситриптамин входит в цепь полиаминокислоты. Отношение M/I коррелировало со степенью полимеризации n в пределах 5–15. Полученный олигомер 5гидрокситриптофана содержал при этом в своей цепи инициатор, т.е. 5метокситриптамин. Для даль-нейших исследований были выбраны олигомеры с соотношением M/I = 5, схема 1.

Синтез поли-L-α-5-гидрокситриптофанов осуществляли полимеризацией NKA 5гидрокситриптофана при его 10%-ной концентрации в ДМФА (20°С) под действием триэтиламина или метилата натрия. При значениях отношения M/I 5 влияние концентрации инициаторов (триэтиламин или MеONa) на молекулярно-массовое распределение незначительно. По данным ЯМР 1Н и масс-спектрометрии, при инициировании триэтиламином при M/I=15 из реакционной массы выделены циклический пента-5-бензилокси-триптофан (~75%) и линейный продукт (менее 5%). С увеличением отношения M/I возрастает доля линейного полимера. При M/I=30, по данным ЯМР и ТСХ, образуется смесь линейных олигомеров разной молекулярной массы. При M/I=50 образуется линейный поли-5-бензилокситриптофан ([η] = 0.6 дл/г) более узкого молекулярно-массового распреде­ления, чем при значении отношения M/I = 30.

Инициирование MeONa уже при M/I = 5 дает возможность получать в основном линейные продукты полимеризации. При M/I = 15 из реакций выделены только линейные поли-5-бензилокситриптофаны с выходом до 60 % ([η] = 0.4 дл/г). Удаление Bzl-защиты у поли-5-бензилокси-триптофанов проводили каталитическим гидрогенолизом на Pd-катализаторе, схема 1. Полученные поли-5-гидрокситриптофаны в воде растворимы ограниченно.

Нерегулярные полипептиды 5гидрокситриптофана и глутаминовой кислоты получали сополимеризацией их N-карбоксиангидридов в присутствии триэтиламина, cхема 2. Мольное соотношение аминокислот в полипептидах соответствовало соотношению исходных мономеров N-карбоксиангидридов аминокислот и составило 1:9, 1:3, 1:1, 3:1, 9:1 (глутаминовая кислота:5бензилокситриптофан). Данные спектров ЯМР 1Н и ИК хорошо коррелировали с данными аминокислотного анализа и спектрофотометрического метода.

Удаление бензильных групп с сополимеров проводили каталитическим гидрогенолизом на палладиевом катализаторе, средний выход продукта составил 30-40 %. Характеристическая вязкость  в ДМФА составляла [η] = 0.60 – 0.78 дл/г. Растворимость полученных сополимеров в воде возрастала с увеличением содержания глутамильных остатков.

Изучение условий полимеризации N-карбоксиангидрида L--Аla при инициировании производными индолилалкиламинов показало, что N-тритил-5-бензилокситриптамин и индол не инициировали процесс. N-Тритил-5-окситриптамин и N-тритилтриптамин вызывали полимеризацию N-карбоксиангидрида аминокислоты, которая в стандартных условиях протекала свыше 240 часов. Олигомеры, выделенные в результате реакции, индольных фрагментов не содержали. Триптамин, -метилтриптамин, 5-метокситриптамин, натриевая соль N-тритил-5-окситриптамина инициировали полимеризацию N-карбоксиангидрида L--Аlа, причем образующиеся олигомеры содержали на конце растущей цепи фрагмент индолилалкиламина, т.е. были получены амиды и эфиры полиаланина и триптаминов соответственно. Степень полимеризации аланина (n) и содержание триптамина в олигомерах по данным ЯМР 1Н, аминокислотного анализа, масс-спектроскопии соответствовали соотношению мономер : инициатор при n=310 для олигоамидов (выход 75 %) и n=510 для олигоэфиров (выход 60 %) соответственно. Дальнейшее увеличение такого соотношения приводило к значительной полидисперсности образующихся олигомеров, что подтверждалось и данными тонкослойной хроматографии. Исходя из характера ИК и КД спектров, можно заключить, что образование спиральных структур в полиаланинах, содержащих 5-метокситриптамин, возможно при n8. Каталитический гидрогенолиз бензильной группы в полиаланил-5-бензилокситриптамидах сопровождался NO миграцией триптаминового фрагмента в смеси ДМФА-этанол и переэтерификацией в ледяной уксусной кислоте, схема 3 (На схеме выделен концевой триптаминовый фрагмент).

Продукты перегруппировок были охарактеризованы данными ЯМР, ИК,  масс-спектров. Удаление тритильной группы было проведено обработкой соединений 80%ной уксусной кислотой. Полученные водорастворимые ацетаты олигомеров (n = 5, 7, 10) были выделены и охарактеризованы. Данные элементного анализа дополнительно подтверждают правильность предложенных структур.

Пептидные производные хинолина были получены с применением различных методов пептидного синтеза – ДЦГК, активированных эфиров, внутренних ангидридов – для аминокислот цистеина, аланина, глутаминовой кислоты.

Было показано, что гетероциклический амин хипазин  достаточно инертен в условиях пептидного синтеза, хотя и реагирует с указанными аминокислотами. Большое значение имеет природа защитных групп аминокислот и применяемый метод конденсации. Более благоприятно протекала пептидная конденсация глутаминовой кислоты и 2-(1-пиперазинил)хинолина. При сравнении подобных реакций аминокислот и/или пептидов с 5-метокситриптамином, другими индолилалкиламинами и 5гидрокситриптофаном, видно, что вторичная аминогруппа пиперидинового цикла обладает пониженной реакционной способностью, однако при выделении целевых соединений, азот пиридинового фрагмента образует гидробромиды и гидрохлориды, что может осложнить дальнейшие реакции и биологические испытания. Наибольшие выходы были достигнуты для глутамилпроизводного хипазина - 75% и цистеинил-глутамил-пептида, связанного с двумя молекулами хипазина -70%. По данным ИК и ЯМР-спектроскопии все синтезированные соединения обладают способностью к межмолекулярному нековалентному связыванию с образованием ассоциатов и ансамблей различной природы ввиду наличия соответствующих центров водородного связывания.

Глава 2 - Разработка путей модификации полиаминокислот гетероциклическими хромофорами (красителями, люминофорами, фотохромами, макроциклами). В обзоре литературы дан анализ методов синтеза и свойств светочувствительных ПАК/ППТ, с целью получения как макрообъектов (для традиционных технологий), так и наноразмерных агрегатов (мономолекулярные пленки и жидкие кристаллы). Обсуждение результатов содержит разделы: 1. Модификация полиглутаминовой кислоты люминофорами: флуоресцеином, родамином, нафтальимидом, аминоакридином; 2. Синтез и идентификация полиаминокислот, содержащих красители: карбоцианины, кумарины, сафранин; 3. Получение фотоактивных полиаминокислот – спиропирановых производных; 4. Получение полиаминокислот, содержащих краун-эфиры, и завершается Заключением.

Модификация полиглутаминовой кислоты люминофорами: флуоресцеином, родамином, нафтальимидом, аминоакридином.

Введение люминофоров в ПАК было осуществлено для дальнейшего изучения процесса переноса энергии вдоль цепи макромолекулы, что представляет интерес для конструирования светоиспускающих молекулярных электронных устройств. Поэтому были рассмотрены пары люминофоров, в которых максимум испускания (люминесценции) одного фрагмента был бы комплиментарен максимуму поглощения другого фрагмента. Конкретно рассматривались модификации ПАК донорно-акцепторными парами «флуоресцеин / родамин» и «акридин / нафтальимид».

Рис. 1. Оптимизированная модель флуоресцеин-содер-жащей полиглутаминовой кислоты, фрагмент с n=10 (вид сбоку).

В синтезе производных ковалентно связанных красителей и полиглутаминовой кислоты получение N-карбоксиангидрида пространственно объемных производных аминокислот не всегда результативно в силу стерических причин. Для полимераналогичных превращений мы применяли метод ДЦГК, cхема 4, рассчитывая предварительно стехиометрическое соотношение компонентов, исходя из оптимизированных моделей молекул синтезируемых соединений (рис.1). Были получены амиды полиглутаминовой кислоты (n=40, ММ 5200), раздельно и совместно связанной с люминесцирующим фрагментами флуоресцеин / родамин (Fl/Rod) - донором и акцептором (D/A).

Природа хромофора  оказывала влияние на выход целевых полиаминокислот, связанных с люминофорами. Более легко и с большими выходами были получены производные флуоресцеина и родамина. Средняя степень содержания люминофора в полимере 34% мол. и 25% мол. соответственно. Сравнительные данные условий синтеза полиглутаминовой кислоты, связанной с люминофорами, приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Синтез амидов полиглутаминовой кислоты и люминофоров методом ДЦГК

№ п/п

Люминофор

AК / Люм

Катализатор

τ, час

Выход, % вес.

1

аминоакридин

4 : 1

пиридин

72

50

2

аминонафтальимид

3 : 1

пиридин

72

30

3

флуоресцеин

3 : 1

~

36

60

4

родамин

4 : 1

~

60

60

*Растворитель ДМФА; [С] пм = 30% вес; Т = -50°C.

Максимумы поглощения в электронных спектрах полиглутамидов красителей соответствовали 370 нм для аминоакридинового производного и 440 нм - нафтальимидного. В спектре поглощения флуоресценильного производного (D) полиглутаминовой кислоты появилось два максимума 462 нм и 490 нм; в спектре излучения родаминового производного (A) появляются две мало интенсивные полосы в области 449 и 542 нм. Длинноволновые максимумы поглощения донора и акцептора увеличились на 1.5 нм и 8 нм соответственно. λмах испускания донора сдвинулась в коротковолновую область на 13 нм, λмах испускания акцептора сдвинулась в длинноволновую область на 18 нм. Следствием этих изменений является уменьшение Стоксового сдвига донора после реакции с полиглутаминовой кислотой и увеличение Стоксового сдвига у акцептора на 10 нм. Таким образом, синтезированные n-Glu-(D) и n-Glu-(А) сохраняют свойства начальной пары D-А: λмах испускания производного флуоресцеина (D) находится близко от λмах поглощения производного родамина (А) – 552 нм и 566 нм соответственно. Масс-спектры n-Glu(Fl) и nGlu(Rod) не содержат пиков молекулярных ионов, однако фрагментация макромолекул подтверждает состав ПАК. Протонные спектры недостаточно информативны в силу перекрывания сигналов большого числа ароматических протонов, но сравнительная оценка общей интегральной интенсивности ароматических протонов фрагментов хромофоров и протонов α-СН групп в полиглутаминовой кислоте позволяет оценить отношение люминофоров и аминокислотных звеньев в макромолекуле. Спектрофотометрический метод последовательных разведений модифицированных ПАК также был применен для установления содержания флуоресцеина и родамина в ПАК.

Синтез и идентификация полиаминокислот, содержащих красители: карбоцианины, кумарины, сафранин.

Осуществлен синтез некоторых ПАК с максимальным содержанием кумаринов, сафранина, карбоцианинов в боковой цепи, а также олигомеров аминокислот с фиксированным положением красителя на конце цепи (модель «голова-хвост»). В связи с этим для создания ковалентной связи между ПАК и фрагментом красителя были применены карбодиимидный и N-карбоксиангидридный методы, схемы 5 и 6.

В процессе полимеризации NKA аминокислот, Ala и Glu, с использовании в качестве инициаторов кумариновых красителей и сафранина соотношение M/I = n не соблюдалось. Не удалось по­лучить олигомеры, содержащие на конце макромолекулы сафранин Т. По данным ЯМР, соотношение аминокислота : краситель в среднем составило 30:1. Характер спектров ПМР, анализ тонкослойных хроматограмм и данных гель-хроматографии полученных полиаминокислот указывали на довольно узкое ММР. Учи­тывая строение кумариновых красителей и сафранина Т, пониженную реакционную спо­собность их амино- и гидроксигрупп, можно предположить, что при раскрытии N-карбоксиангидридного цик­ла аминокислоты амином, образующийся форполимер сам инициирует дальнейший рост цепи, в результате чего образуется полиаминокислота с более высокой молекулярной массой, чем предполагали первоначально выбранные условия, и соотношение М/I = n в этом случае не соблюдается.

Прямое введение карбоцианиновых и кумариновых красителей, а также сафранина Т в цепь полиглутаминовой кислоты (ММ 6000) осуществляли методом ДЦГК, схема 6.

Предварительное рассмотрение оптимизированных моделей и их квантово-химический анализ показал, что оксикарбоцианиновый краситель может присоеди­няться к полиглутаминовой кислоте не менее чем через три свободных аминокислотных единицы, а аминофункциональный – через четыре. Для кумарина и сафранина интервал составил 4 АК звена. При этом удалось ввести 1-3% кумаринов и 5% сафранина с выходом менее 20%.

Стехиометрическое соотношение аминокислотное звено: оксикарбоцианин составило максимально 4:1 и далее 8:1, 12:1. Введение аминокарбоцианина в полиглутаминовую кислоту возможно не менее чем через четыре свободные аминокисло­ты, т. е. стехиометрия аминокислота: краси­тель соответствует 5 : 1. Выход амида поли­глутаминовой кислоты 75 - 80%, сложного эфира - до 75%.

Для всех синтезированных соединений были рассмотрены их УФ, ЯМР, 1Н, 13С, ИК-спектры, которые подтверждают предполагаемые структуры.

Получение фотоактивных полиаминокислот - спиропирановых производных. Анализ опубликованных данных показывает, что обычно спиропирановые фрагменты присоединяли к полиглутаминовой кислоте и полилизину только через кольцевой атом азота индольного цикла. Мы применили функциональные индолспиропираны с первичной аминогруппой в положении 5 индольного кольца, или 5 спиранового цикла, присоединение N-гидразинового производного спиропирана к полиаминокислоте позволяет значительно расширить возможности синтеза спиропирансодержащих полимеров и проследить возможное влияние природы спиропирана на фотохромные свойства конечной полиаминокислоты. Впервые индолспиропираны были использованы в качестве инициирующих первичных аминов в реакции раскрытия N-карбоксиангидридного цикла γ-метилового эфира L-α-глутаминовой кислоты, схема 7:

Применение стандартных условий реакции полимеризации NKA γметилового эфира Lαглутаминовой кислоты (10%-ная концентрация NKA в ДМФА, 20 С, аргон) позволяет синтезировать олигомер с определенной степенью полимеризации n, которая соответствует отношению n = [M] / [I] в пределах 5-9, для гидразина спиропирана при [M] / [I] = 5 - 8 был выделен продукт только с n = 6 с выходом до 50%.

Индолспиропираны, содержащие первичную аминогруппу в положении 5 индольного цикла или в положении 5 спиранового кольца, давали олигомеры n = [M] / [I] = 5; 7 и 9 с выходом до 75%.

Строение полученных соединений подтверждено данными ИК-, УФ-, ЯМР-спектроскопии и элементного анализа. Соотношение [M] / [I] с достаточной степенью точности характеризуется спектрами ЯМР1Н. Соотношение сигналов αСН группы аминокислотной цепи (δ = 4.1 м.д.) и сигналов ароматических протонов спиропиранового фрагмента (δ = 6.67.5 м.д.), а также γСН3 сложноэфирной группы глутаминовой кислоты (δ = 2.07 м.д.) и 6Н-СН3 групп спиропирана приводит к  соотношению [M] / [I] равное отношению количества аминокислотных остатков к фрагменту спиропирана, что согласуется с условиями эксперимента. В дальнейшем при конструировании монослоев полученных соединений на границе раздела фаз вода / воздух и применения оптических методов был произведен расчет  ММ олигомеров и содержания фотохромов, что полностью коррелирует с данными ЯМР спектроскопии.

Синтез полиглутаминовой кислоты (ММ 5200, n=40), содержащей индолспиропираны в боковой цепи, проведен методом ДЦГК, схема 8:

Компьютерное моделирование позволило прогнозировать максимальную степень введения спиропирана ~ 30-32%, т. е. на каждые две свободные аминокислотные единицы может быть одна, связанная с фотохромом. Таким образом изначальное стехиометрическое соотношение компонентов должно составить 3 : 1. В нашем случае в качестве матрицы был использован практически монодисперсный олигомер, реакцию вели в спиралеобразующем растворителе ДМФА, при незначительном (1 : 1.1) избытке фотохрома и конденсирующего агента (ДЦГК). Все это благоприятствовало образованию полиаминокислоты, регулярно замещенной на хромофор в боковой функциональной группе, обладающей спиральной конформацией в растворе и так же, как и полиγ(оксикарбоцианин)-глутаматы, со структурой «волосатого стержня» («hairy-rod»). Изменение соотношения исходных компонентов (уменьшение количества спиропирана) приводит к нарушению жесткой регулярной структуры замещенной полиаминокислоты, поэтому весь эксперимент мы проводили для теоретически максимально замещенных полиаминокислот. Зависимость выхода от условий реакции методом ДЦГК (диметилформамид, 20С, [с] = 30% вес., τ = 72 - 100 час.) приведена в табл. 3.

Концентрация полимера в пределах 20-70% вес.. не оказывала значительного влияния на выход конечной модифицированной полиаминокислоты. Однако, в более концентрированных растворах реакции заканчивались быстрее с количественным выходом. Содержание замещающего спиропирана в полиаминокислоте найдено из данных ЯМР-спектров и удовлетворительно коррелирует с начальными соотношениями исходных компонентов.

При сопоставлении условий реакции методами NKA и ДЦГК и выходов целевых соединений, явного преимущества какого-либо из этих двух методов не отмечено. Конечные продукты получены примерно с равными выходами.

Фотохромное поведение спиропирановых производных полиглутаминовой кислоты было рассмотрено при облучении видимым светом в гексафтор-2-пропаноле. КД-спектры окрашенного раствора полиглутамил-γ-амидоспиропирана содержит две полосы поглощения около 500 и 370 нм, соответствующих мероцианиновой форме, конформация клубка. Облучение видимым светом (500550 нм) или выдержка раствора на свету приводит к появлению поглощения с максимумом 355 и 272 нм, относящихся к спироформе, конформация α-спирали. При этом фотоиндуцированный конформационный переход полностью обратим.

Таблица 3.

Получение поли-L-α-глутаминовой кислоты, содержащей индолспиропиран в γ-положении методом ДЦГК.


Звено олигомера со спиропираном

Ак / Сп

τ, час

Выход, %

Примечание

3 : 1

36; 60; 100

35; 45; 45

Регулярно замещен

4 : 1

72; 100

40

Статистически замещен

6 : 1

24; 72

55

2 : 1

24

30

Выделен непрореагировавший спиропиран

3 : 1

72

45

Регулярно замещен

1 : 1

72

25

Выделен непрореагировавший  спиропиран

Синтез полиаминокислот, содержащих краун-эфиры. Исследование возможностей синтеза и свойств новых супрамолекулярных соединений, включающих модельные макроциклические фрагменты, важно для понимания механизма многих биохимических реакций и для разработки молекулярных материалов, обладающих необычными структурой и свойствами.

Были рассмотрены пути синтеза ПАК, содержащих краун-эфирные макроциклические группировки в боковой цепи (структура А) или между двумя ПАК цепями - структуры Б и В (кольцо - макроцикл, волнистая линия - полиаминокислотная цепь).

ПАК типа А синтезировали реакцией полилизина с активированными эфирами карбоксифункциональных аза-краун-эфиров. Структуры типа Б получали взаимодействием N-карбоксиангидрида L-α-аланина с диаминодибензо-18-краун-6, а полимеры типа В - реакцией того же макроцикла с избытком полиглутаминовой кислоты.

Введение функциональных краун-эфиров в боковые группы ПАК осуществля­ли с использованием наиболее распространенных методов образования амидной связи: метода активированных эфиров и прямого карбодиимидного синтеза, схема 9: Наиболее благоприятным оказалось мольное соотношение аминокислотное звено:краун-эфир =3:1 и концентрация исходных реагентов в ДМФА 40-50 мол. %. Указанные условия позволили получить полилизин (ММ=100000 n=158) с содержанием краун-эфирных групп ~40% с выходом 38-50%. Структура синтезированных соеди­нений подтверждена данными ИК и ЯМР. Сравнение интегральных интенсивностей сигналов протонов четырех групп СН2 в полилизине и протонов групп СН2 аза-краун-эфира привело к соотношениям 12 : 1 и 3 : 1, что соответствует содержанию макроциклов ~39 % мол. в полилизине.

Определенный интерес представляло связывание бифункциональным диаминодибензо-18-крауном-6 полиаминокислотных цепей. Два возможных способа иммобилизации макроциклов на полиаминокислотных цепях представлены на схемах 10 и 11.

Для получения линейной структуры типа Б (полиаминокислота-краун-эфир-полиаминокислота) наиболее подходящим представлялся полиаланин из-за его склонности к образованию ус­тойчивой α-спирали при n ≥ 8 и отсутствия функ­циональных боковых групп. В этом случае диаминодибензо-18-краун6 был использован как инициатор полимеризации N-карбоксиангидрида аланина, в результате чего был получен ди-амид-диаланил-дибензо-18-краун-6 с выходом 65%. Реакция протекала достаточно гладко при мольном соотношении мономер : инициатор = 10 : 1, 14: 1 и 18 : 1. Соотношение интегральных интенсивностей α-СНз-протонов в остатках аланина и ароматиче­ских протонов краун-эфира при соотношении мономер : инициатор =10:1 и 18:1 составляло 1:1.5 и 1:2.7, что соответственно относится к структурам, где на один фрагмент краун-эфира приходится ~10 или ~18 звеньев олигоаланина.

Полиглутаминовая кислота явилась достаточ­но удобным объектом для введения диаминоди-бензо-18-крауна6 в ее боковую цепь из-за нали­чия γ-функциональной СООН-группы.

Конденсацию полиглутаминовой кислоты (MM=6000, n=45) с диаминодибензо-18-краун-6 легче всего было осуществить дициклогексилкарбоди­имидным методом при соотношении исходных реагентов из расчета 2 моля олигомера на 1 моль краун-эфира, температуре 20°С, концентрации полимера 30 % вес., про­должительности реакции 72 ч в ДМФА. Учитывая возможность образования в реакционной массе разветвленных и сшитых полиглутамильных производных, после окончания реакции были удалены все нерастворимые продукты и проведено многократное переосаждение конечной ПАК, после чего выход целевого продукта составил 60%. В выделенном продукте реакции соотношение α-СН и γ-СН2 протонов полиглутаминовой кислоты и ароматических протонов диаминодибензокрауна равно 16 : 1, т. е., вероятно, одна молекула краун-эфира связывает две макромоле­кулы полиглутаминовой кислоты. Характеристическая вязкость [] продукта реакции в ДМФА со­ставляет 0.84 дл/г, что выше характеристической вязкости исходной полиаминокислоты (0.76 дл/г).

Таким образом, модификация ПАК органическими гетероциклическими хромофорами может быть осуществлена различными методами: NКА, ДЦГК, АЭ и т.д. Защитные группы должны быть легко удаляемыми, не затрагивать связь АК-хромофор, не влиять на природу вводимого хромофора. Получение линейных ПАК производных приводит к двум типам структур: «голова – хвост» и хромофор в боковой цепи макромолекулы. Модифицированные олигоаминокислоты типа «голова – хвост» со степенью полимеризации n10 предпочтительнее получать NKA методом в одну стадию, при этом соотношение M/I как правило соответствует соотношению аминокислота/хромофор в пределах от 3 до 10. Введение хромофоров в боковую цепь ПАК может привести к регулярной структуре макромолекулы, если достигается максимальная степень замещения. Для правильного выбора стехиометрии и дальнейшей характеризации структуры модифицированной ПАК, необходимо провести квантово-химический анализ целевой макромолекулы или ее фрагмента с компьютерным моделированием и расчетом электронных свойств. При этом следует учитывать природу вводимого гетероцикла и его функциональных групп. Наибольшего выхода можно добиться, меняя растворители (эффект сольватации), однако надо учитывать конформационное состояние ПАК в примененном растворителе.

Глава 3 - Модификация неорганических гетероциклов циклофосфазе­нов производными аминокислот и полиаминокислотами: получение нового типа гибридных мультифункциональных соединений. В обзоре литературы этой главы рассмотрены циклофосфазены как темплаты (шаблоны) в синтезе органо-неорганических гибридов, включая ковалентное связывание различных фрагментов с циклофосфазенами для получения звездчатых или гиперразветвленных структур – дендронов и дендримеров, и нековалентное связывание функциональных циклофосфазенов – синтез супрамолекулярных структур. Обсуждение результатов состоит из трех разделов: 1. Взаимодействие циклофосфазенов с производными аминокислот; 2. Получение полиаминокислот на циклофосфазеновых темплатах; 3. Заключение.

В данной части диссертации приведены реакции три- и тетра циклофосфазенов (ЦФ) с производными триптофана - триптаминами, дальнейшее нуклеофильное замещение оставшихся атомов хлора с целью выявления химического поведения ЦФ в подобных реакциях, установление структуры синтезированных соединений и получение веществ, пригодных для биологических испытаний, а также для синтеза темплатов, используемых при получении полиаминокислотных производных циклофосфазенов.

Взаимодействие циклофосфазенов с производными аминокислот. Рассматривая триптамины как аналоги аминокислоты 5-гидрокситриптофана, осуществили аминолиз циклофосфазенов триптаминами, замещенными в 5ом положении на окси-, нитро-, метокси-, бензилокси-группы и метилтриптамином (индопаном). Основная эксперимен­тальная работа была направлена на получение производных гексахлорциклотрифосфазена (ГХЦТФ), 5-метокситриптамина (5-МОТ) и, в отдельных случаях, 5гидрокситриптамина (5НОТ).

Аминолиз циклофосфазенов аналогами аминокислот. Взаимодействие ГХЦТФ с 5МОТ проводили по схеме 12.

Рассмотрение влияния стехиометрии, природы раство­рителей, температуры, продол­жительности реакции на выход 5-метокситриптаминциклофосфазе­нов с различными степенями замещения показало, что синтез производных со степенью замещения n>3 требует избытка триптамина, применения полярного растворителя, проведения реакции при высокой температуре в тече­ние длительного времени. Во всех случаях в реакционной массе наблюдали образование соединений с различными степенями замещения n. Выделение и очистку конечных соединений осуществляли при помощи колоночной хроматографии. Зависимости выходов триптаминциклофосфазенов от условий синтеза приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Выход 5-метокситриптаминоциклотрифосфазенов общей формулы

P3N3Cl6-n(5-MOT)n, в зависимости от степени замещения (n = 1, 2, 3, 4, 6) *)

n

моль 5МОТ

Растворитель ***)

Температура реакции, °С

Время реакции, час

Выход, %

1

1

ТГФ

~10

0.75

75

2

2

ТГФ

0

2

60

3

4.5

ТГФ

~10 → +20

24

20

4

6

Х : А (7 : 1)

20 → 50

24

40 **)

6

12

Х : А (7 : 1)

50 → 60

144

60

*) Пентазамещенный циклотрифосфазен выделить не удалось.

**) Указан общий выход изомеров (геминального и негеминального).

***) Растворители: ТГФ – тетрагидрофуран, Х – хлороформ, А – ацетонитрил.

Образование геминального и негеминального изомеров у дизамещенного фосфазена в нашем случае отмечено не было. Для тетразамещенного были выделены 2 изомера - геминальный в негеминальный, для триптаминофосфазенов со степенью замещения n>3 наблюдали связывание выделяющегося в реакции хлористого водорода циклическим атомом азота, т. е. реализовался «эффект насыщения», наиболее выраженный у триптаминоциклофосфазенов со степенью замещения n>3.

Состав и строение синтезированных триптаминоциклотрифосфазенов были установлены на основании данных элементного анализа, УФ-, ИК-, ЯМР-спектроскопии. При рассмотрении УФ-спектров триптаминофосфазенов было под­тверждено наличие в них триптаминовых фрагментов, причем экстинкция замещенных фосфазенов возрастает пропорционально степени замещения атомов хлора на триптамин. Из рассмотре­ния ИК-спектров очевидно, что характеристические полосы поглощения ва­лентных групп P=N-Р и P-Nбок  для 5нитротриптаминофосфазенов несколько сдвинуты в область более низких частот, для α-метилтриптаминофосфазенов - в область более высо­ких частот.

Изучение ЯМР-спектров триптаминозамещенных циклотрифосфазенов показало, что спектры 13C ЯМР триптаминофосфазенов близки к спектрам триптаминов. Заметные изменения в химсдвигах после взаимодействия с фосфазеном наблюдается только для α, β, C3 углеродных атомов. Спин-спиновое взаимодействие ядер РА и Сα заместителя также является подтверждением существования связи  между  циклическим атомом фосфора  и индольным производными. Константы спин-спинового взаимодействия JPa-Cα  хорошо заметны в спектрах  13С триптаминофосфазенов, кроме моно-(α-метил-3-индолил)циклотрифосфазена, где величина JPa-Cα  может быть меньше (прини­мая во внимание индуктивный  эффект  при Сα  метильной группы). Сравнение спектров 13С дли моно-, ди-, три-, тетра- и гекса-производных 5-МОТ и ГХЦТФ показывает практически полное совпаде­ние (в пределах ошибки) значений химсдвигов в триптаминовом фрагменте, что свидетельствует об эквивалентности заместителей, независимо от их количества в триптаминофосфазене. Сопоставляя значения химических сдвигов ядер фосфора, в исходном циклотрифосфане, моно- и дизамещенном тримере, мож­но сказать, что дизамещенный триптаминофосфазен представляет со­бой негеминальный изомер, так как в противном случае изменения химических сдвигов всех атомов фосфора с введением второй замещающей группы 5-МОТ  должны сохраниться, что привело бы к дифференциации химсдвигов ядер  31Р в кольце (рис. 2). Синглетный сигнал (δ = -24,02 м. д.) в спектре три-(5-метокси-триптамино)-трихлорциклотрифосфазена также свидетельствует о негеминальном механизме замещения.

Рис. 2 . Динамика изменения химсдвигов ядер 31Р для 5-метокситриптаминофосфа-зенов.

Значения химических сдвигов сигналов в спектрах, полученных тетрапроизводных, оказались в более сильном поле по сравнению со значением δ для тризамещенного, в данном случае реализуются оба пути замещения - негеминальный с δPa=-23,88 и δPb =-14,0 и геминальный с δPa = -23,20  и δPb=-3,55. Выделенные соединения не раз­личались по составу и показывали одинаковую величину экстинкции в УФ-спектрах (при одинаковой концентрации), но имели разные зна­чения Rƒ  и температуры плавления.

Рассмотрение масс-спектров синтезированных соединений показало, что для производных 5-метокситриптамина и ГХЦТФ (степень замещения n= 1, 2, 3, 4, 6) наблюдают­ся определенные отличия в спектрограммах в зависимости  от степе­ни замещения  n. Моно- и  дизамещенные  фосфазены  дают пики, ха­рактерные для полигалогенсодержащих соединений, т. е. пики с массовыми числами М+, М++1, М++2, М++4 и М++6  - для монотриптаманоциклотрифосфазенов, пики с массовыми числам М++2, М+- для  Р3N3Cl4(5-МОТ)2. Три- и тетразамещенные фосфазены не дают пика молекулярного иона. Фрагментация тетразамещенных циклотрифосфазенов предположительно, изомеров, происходит различными путями и служит еще  одним подтверждением их стро­ения. Сравнивая наличие осколочных фрагментов, их массы и интен­сивности, можно с большой вероятностью заключить, что более стабильным является изомер тетразамещенного фосфазена, фрагментация, которого более отвечает негеминальному строению исходного соединения. Данные масс-спектрометрии находятся в полной корреляции с результатами, полученными при анализе образцов методами ЯМР 31Р.

Взаимодействие циклотетрафосфазена с 5-метокситриптамином  проводили на фенилированном изомере - тетрафенилтетрахлор-циклотетрафосфазене (tпл.230°С) с тем, чтобы сравнить реакционную способность тетрамера и тримера, схема 13.

Физико-химические характеристики триптаминциклотетрафосфазенов подтверждали структуру синтезированных соединений  и не противоречили литера­турным данным для циклотетрафосфазенов. Спектр ЯМР 31Р тетрафенилтетрахлорциклотетрафосфазена даёт одну линию с δ=-8,20 м. д., т.е. мы имеем дело с эквивалентными атомами фосфора,у которых атомы хлора симметрично замещены на фенильные группы (негеминальный изомер).

Полностью замещенный тетрамер (степень замещения на 5-МОТ = 4) имеет в спектрах ЯМР Р31 синглет с δ= -5,71 м. д., то есть замещение всех атомов хлора в фенилированном тетрамере на триптаминовые остатки, как и для тримера вызывает смещение химического сдвига в сильное поле.

Таблица 5.

Условия реакции тетрафенилтетрахлорциклотетрафосфазена с 5-ме-токситриптамином (степень замещения n = 1, 2, 4)

Соединение

моль 5МОТ

Растворитель

Т, °С

τ, час

Выход, %

P4N4Ph4Cl3(5MOT)

1

~

~5

5

30

P4N4Ph4Cl3(5MOT)

1

ТГФ

~5 ~0

5

40

P4N4Ph4Cl2(5MOT)2

2

ТГФ

20

14

50

P4N4Ph4(5MOT)4

7.5

Хлф : Ацетонитрил (7 : 1)

30 ~40

16

66

В спектрах ПМР интегрирование сигналов фенильных протонов (δ= 8,1 м.д.) и протонов метоксигруппы 5метокситриптамина (δ= 3,79 м.д.) позволило рассчитать соотношение указанных заместителей в тетрамере: для полностью замещенного (1,66, 20 протонов Ph группы и 12 протопов СН3 группы), для дизамещенного (3,5, 20 протонов Ph  груп­пы и 6 протонов СH3  группы).

Алкоголиз циклотрифосфазена аналогом 5гидрокситриптофана. Квантово-химический анализ и компьютерное моделирование позволило предположить, что в виду стерических препятствий замещение атомов хлора на Nтритил-5-гидрокситриптамин должно протекать по негеминальному механизму и при этом возможно заместить 3 хлора у разных атомов фосфора. Мы использовали свежеприготовленные Na и Li соли и тритильную защиту первичной аминогруппы серотонина в синтезе триптаминокси-циклотрифосфазенов, схема 14. Выход конечных соединений составил от 20%вес (тризамещенные) до 45%вес (монозамещенные).

Структуру синтезированных соединений подтвер-ждали данными элементного анализа, ИК- и ЯМР-спект-роскопии. Спектры ЯМР 1Н N-Тгt-5-гидрокситриптаминофосфазенов остались практически без изменений по сравнению с исходным N-Trt-5-гидрокситриптамином. Спектр ЯМР 31Р моно-5-О-[N-тритилокситриптамино]-пентахлорциклотрифосфазена отвечает спиновой системе АВ2 и содержит сигналы с δА=-14,3 м. д., δВ=-17,2 м. д., Спектр тризамещенного фосфазена представляет собой синглет с δ=-16,9 м. д., что го­ворит о симметричном замещении хдоров в циклотрифосфазене и соответствует нашей предпосылке о негеминальном замещении хлора у 3-х различных атомов фосфора, учитывая пространственный фактор. В препаративном плане получение производных ГХЦТФ и серотонина малоэффективно.

Синтез смешанных органическо-неорганических гетероциклических структур. Частично замещенные триптаминофосфазены можно рассматривать как промежуточные продукты в дальнейшем синтезе целевых веществ, оценить способность замещенных на триптамин фосфазенов к взаимодействию с рядом  нуклеофильных агентов и в дальнейшем установить порядок замещения атомов хлора. В качестве нуклеофилов нами были взяты аммиак, диметиламин, диэтиламин, γаминопиридин, этиленимин, метилат натрия и уксусная кислота. Реакции замещения оставшихся атомов хлора проводили на 5метокситриптаминофосфазенах со сте­пенью замещения n = 1 и 2, в отдельных случаях были использова­ны и другие триптаминофосфазены.

Полное замещение оставшихся атомов хлора в триптаминохлорцикло­трифосфазенах принципиально было осуществлено в реакциях с аммиаком, этиленимином. Не удалось выделить циклотрифосфезены, не содержащие хлора, в случае диметиламина и γ-аминопиридина. Реакция с водным диметиламином сопровождалась гидролизом Р-С1 связей, с диэтиламином - деструк­цией циклотрифосфазена. Аминолиз  триптаминофосфазенов этиленимином был проведен реакцией монозамещенных триптаминофосфазенов с этиленимином с выходом до 70%, схема 15.

Строение синтезированных соединений - производных этиленимина и триптаминофосфазенов было подтверждено  данными элементного анализа, ИК, ЯМР, масс-спектрометрии.

В масс-спектрах этих соединений наряду с фрагментами, характерными для распада триптаминофосфазенов, присутствуют ионы, массовые числа которых соответству­ет осколкам фосфазенового цикла. Подобная фрагментация этилениминовых замещенных циклотрифосфезена не типична для циклотрифосфазенозых производных, так как обычно фосфазеновое кольцо достаточно устойчиво. В нашем  случае можно  наблюдать продук­ты распада циклотрифосфазена, в которых сохраняется связь атомом фосфора и атомом азота органических заместителей - триптаминов, и, в особенности, этиленимина.

Получение полиаминокислот на циклофосфазеновых темплатах. Синтез и подтверждение структуры полиаминокислот с центральным фосфазеновым циклом как гибридных строительных блоков были произведены при использовании циклотри-, циклотетрафосфазенов, эфиров глутаминовой кислоты и аланина в качестве исходных соединений. Анализ опубликованных данных по синтезу полимерных производных циклотрифосфазенов показывает необходимость первоначального получения циклофосфазеновых темплатов, в которых атомы хлора замещены на функциональные органические спейсеры. Ввиду того, что при удалении бензильной и тритильной защит с фрагментов триптаминов происходило частичное разрушение фосфазенового цикла, их неэффективно рассматривать в качестве темплатов полимерного синтеза. Для циклотрифосфазена наиболее стабильный мостиковой группой является арилокси-группа, позволяющая вводить якорные реакционноспособные функциональные фрагменты карбокси- или аминогрупп. Последние представляют специальный интерес, т. к. могут инициировать полимеризацию N-карбоксиангидридов полиаминокислот, присоединяясь при этом к полимерной цепи.

Полимеризацию NКA γэфиров (метилового или бензилового) Lαглутаминовой кислоты в присутствии аминоциклофосфазена проводили в ДМФА при комнатной температуре, удаляя выделяющийся углекислый газ током аргона, при мольном соотношении мономер : инициатор = 8, 20, 40 (для каждой из шести боковых растущих на циклотрифосфазене цепей). Выход конечных продуктов составил 75-80%. Контроль реакции осуществляли методами ИК спектроскопии – по исчезновению характеристических полос поглощения 1760 см-1, 1780 см-1, относящихся к валентным колебаниям карбонилов NKA и методом ЯМР-1Н, по исчезновению пиков незамещенных паминофеноксигрупп (δ = 6.46.5 м. д.). В спектрах ЯМР-31Р для начального (гексааминофенокситрициклофосфазен) ГАФЦТФ наблюдали синглет с δ = 12.3 м. д., химсдвиг которого после присоединения полиаминокислотных цепей практически не изменился (δ = 12.5 м. д.).

Применение циклотетрафосфазена для темплатпептидного синтеза впервые было предложено нами. В качестве циклического темплата был выбран тетрафенилтетрааминоциклотетрафосфазен (ТФТАЦТФ) полученный нами ранее негеминальный изомер, cхема 16.

Раскрытие NКA γбензилового эфира Lαглутаминовой кислоты и NКA Lαаланина и контроль за ходом реакций осуществляли в условиях, аналогичным описанным выше. Мольные соотношения мономер : инициатор для каждой растущей полимерной цепи выбраны 10 для γбензилглутамата и 8 для аланина, что должно было соответствовать степени полимеризации каждого фрагмента. Выход целевых соединений составил 70-75%.

Молекулярную массу всех образцов определяли гель-проникающей хроматографией. Затруднение в определении ММ вызвали образцы, содержащие γметиловый эфир полиглутамино-вой кислоты (n = 20, 40), присоединенные к циклотрифос-фазену и полиаланин (n = 8), связанный с циклотетрафосфазеном в виду их низкой растворимости. В остальных случаях расчетная молекулярная масса практически совпадала с экспериментальным значением, т. е. Mw / Mn < 1.3. Экспериментальное определение степени полимеризации каждой цепи не представлялось возможным, поэтому принимается лишь их усредненное общее значение или общее значение степени полимеризации n. Как наиболее благоприятные для дальнейшего изучения и превращений были выбраны поли-γбензилглутамат на циклотрифосфазене с общей степенью полимеризации n = 48, Mw = 11600 и полиγбензилглутамат на циклотетрафосфазене с общей степенью полимеризации n = 40, Mw = 10000. Для всех синтезированных соединений были рассмотрены данные спектров кругового дихроизма в растворе и пленках, и Фурье-ИК спектроскопии в пленках. Характер кривых в спектрах КД 208 и 220 нм типичен для правовращающих αспиральных ПАК. Данные Фурье ИК спектров подтверждают спиральный характер ПАК-фрагментов: амид I (1652 см-1) и амид II (1548 см-1).

Рис. 3. Оптимизированная модель полиаминокислотного (поли-γ-метилглутамил-) производного  циклотрифосфазена: слева – модель перекрывающихся сфер, справа – проволочная модель с областями меж- и внутрицепного водородного связывания.

Иные данные были получены для полиаминокислот, полимеризованных на циклотетрафосфазеновом темплате. КД спектр тетрафенил-тетраамидополиаланина (nобщ = 32) представлял собой кривую с максимумом при 195 нм и минимумом при 215 нм, характерным для βскладчатой конформации. Спектр КД γбензилового эфира полиглутаминовой кислоты, содержащей ТФТАЦТФ показывает наличие неупорядоченной структуры, содержащей фрагменты различных конформаций. Сложный вид Фурье-ИК спектров характеризуется наличием слабых поглощений в низкочастотных областях, что также указывает на существование различных конформационных состояний у производного ТФТАЦТФ. Вероятно, в циклотрифосфазене в виду более жесткого темплата и заранее заданной транс-конфигурации заместителей, реализуется упорядоченная общая структура молекулы, где полиаминокислотные цепи стабилизируются в своей спиральной конформации за счет водородного межцепного внутримолекулярного связывания. Подобную архитектуру можно представить как две связки из трех спиралей в транс-конфигурации относительно центрального трифосфазенового цикла, рис.3. Поли-γбензилглутамат, полимеризованный на тетрафенилциклотетрафосфазене представляет собой соединение, в котором ПАК цепи находятся в неупорядоченном состоянии в отсутствии добавочного стабилизирующего фактора.

Наличие функциональных концевых аминогрупп в ПАК цепях производных циклофосфазенов, открывает возможности для их дальнейших превращений. Первые шаги в этом направлении были предприняты при введении люминесцентных фрагментов, в частности, присоединение γ(пиренил1)-пропионовой кислоты.

Применение неорганических гетероциклов – циклофосфазенов для модификации АК и ПАК представляет всесторонний интерес, как с точки зрения химии, структурных особенностей, получения оригинальной молекулярной архитектуры, так и для изучения свойств новых мультифункциональных строительных блоков.

Глава 4. Рассмотрение свойств синтезированных соединений для использования их в биомедицине и молекулярной электронике.

Обсуждение результатов, представленных в главе, состоит из трех разделов: 1. Биологически активные соединения; 2. Модифицированные полипептиды как предшественники разумных молекулярных материалов; 3. Заключение.

Изучение свойств полученных в настоящем исследовании полиаминокислот, полипептидов, аминокислот, модифицированных гетероциклами проведено в трех основных направлениях  - рассмотрение биологической активности, явлений самоорганизации и отклик супрамолекулярных систем на действие внешних факторов.

Биологически активные соединения (БАС). Общим для всех тестированных соединений – как низкомолекулярных, так и полимерных – является их низкая токсичность. Ряд полимерных производных проявляют пролонгирование действия, что объясняется, очевидно, постепенным освобождением БАС, связанных с нетоксичной матрицей.

Высокой активностью обладают циклофосфазеновые производные смешанных типов – модификация аналогом 5-гидрокситриптофана - 5метокситриптамином и этиленимином (ЭИ). Установлено, что гибрид ЦТФ / 5МОТ / ЭИ проявляет выраженный цитостатический эффект в опытах in vitro (в конц. 1 мг/кл, 0,1 мг/мл и 0,01 мг/мл тормозит рост опухолевой ткани  на  100,  96, 84%), a также активен в отношении асцитной опухоли (Лимфолейкоз  NК/Ly): при введении в/бр. в дозах 40 мг/кг, 20 мг/кг тормозит полностью рост опухоли, при введении внутрь, на 37-57%. Это гибридное соединение имеет преимущество перед клиническим препаратом противоопухолевого действия «Фотрин», активного в отношении саркомы Йенсена по методу введения. «Фотрин» применяют в виде иньекций, в то время, как синтезированное нами соединение активно подавляет рост опухоли при пероральном введении (таблетки), не обладая при этом токсичностью (мыши линии F). Перспективно получение и исследование таких БАВ в сочетании с металлосоединениями – Pt, Cu, Co – что может привести к усилению действия или появлению нового типа активности. При рассмотрении свойств полиаланильных производных триптофанового аналога 5-метокситриптамина в опытах in vivo и in vitro была обнаружена корреляция между радиозащитной активностью (мыши самцы линии F, Cо60 , в/б ) и устойчивостью к действию протолитического кишечного фермента лейциламинопептидазы (in vitro), что является обнадеживающим фактом для дальнейшего синтеза и прогнозирования активности подобных олигоаминокислот и пептидов с концевыми БАС направленного действия. Пептидные модификации 5-гидрокситрипофана и хипазина требуют всестороннего физиологического изучения ввиду их явной перспективности как радиозащитных и возбуждающих агентов.

Модифицированные полиаминокислоты как предшественники разумных молекулярных материалов. Самоорганизация и формирование супрамолекулярных ансамблей. Полиаминокислотные, полипептидные,  и циклофосфазеновые производные гетероциклов наиболее способны к самоорганизации за счет внутри- и межмолекулярных водородных, а также координационных связей. Рассмотрение молекулярной архитектуры требует предварительных квантово-химических расчетов и моделирования возможных структур. Модификация ПАК в боковых цепях объемными гетероциклами приводит, как правило, к так называемым «волосатым стержням» (hairy rod), которые могут самособираться в агрегаты (ансамбли) как за счет межцепного взаимодействия через боковые заместители, так и за счет свободных функциональных боковых групп (например, -СООН группы в глутаминовой кислоте). Таким образом, формируются агрегаты из двух спиралей ПГК, модифицированной флуоресцеином, родамином или карбоцианиновыми красителями. Далее агрегаты могут организовываться в более крупные ансамбли как в растворах, так и в квазидвумерном состоянии – монослоях. Все синтезированные полиаминокислоты, содержащие гетероциклы, включая и макроциклы, способны образовывать  монослои и мультислойные структуры типа Лэнгмюра-Блоджетт. Ансамбли, полученные в результате такой индуцированной (наведенной) самоорганизации, являются моделями для экспериментального установления супрамолекулярной архитектуры, отработки кооперативных взаимодействий и их реорганизации. Агрегация ПАК, содержащих боковые хромофоры, в монослоях происходит в соответствии со схемой, предложенной при компьютерном моделировании и реализующейся в растворах. Макромолекулы полиглутаминовой кислоты, связанной с флуоресцеином, родамином, карбоцианинами, могут организовываться в Н-агрегаты (до 28-29 молекул в агрегате) в монослоях через боковую ассоциацию двойных спиральных макромолекул, что независимо демонстрируется методами ИК-Фурье спектроскопии совместно с люминесцентным анализом (люминесцентные ПАК) и оптического дихроизма (карбоцианиновые производные). Короткие олигоаминокислоты типа «голова-хвост» формируют стабильные монослои, что впервые показано для фотоактивных олигоаминокислот такой структуры. Изучение их агрегации, так же, как самоорганизации и архитектуры ансамблей ПАК, содержащих краун-эфиры (до 5 макромолекул в агрегате), представляется перспективным и необходимым, особенно для дальнейшего создания фотоактивных и ионпроводящих биополимеров и элементов «молекулярных машин» на их основе. Полипептиды 5-гидрокситриптофана и глутаминовой кислоты обладают анизотропией поверхности в мультислойных пленках, и различной упорядоченностью агрегатов в зависимости от содержания аминокислот в полипептиде. Монослои органическо-неорганических гибридов на основе циклофосфазенов и ПАК впервые получены и охарактеризованы. При этом циклотетрафосфазены проявляют тенденцию к анизотропии поверхности, более всего объяснимую образованием специфических доменов.

Изучение монослоев модифицированных полиаминокислот является также вспомогательным средством при установлении количественного состава и соотношения аминокислота : хромофор. В проведенных исследованиях результаты, полученные из оптических данных монослоев, соответствуют данным других независимых методов: ЯМР, УФ, аминокислотного анализа. В ряде случаев отмечена способность модифицированных полимеров образовывать ЖКС и гели.

Отклик супрамолекулярных ансамблей на слабые внешние факторы. Чувствительность ансамблей ПАК, модифицированных гетероциклами, к действию слабых внешних стимулов – температуры, УФ, видимого и лазерного облучения, электротока и др. – более всего проявилась при рассмотрении монослоев люминесцентных и карбоцианиновых производных полиглутаминовой кислоты. Реверсивная перестройка происходила в мультислойной Лэнгмюровской пленке (180 монослоев) под действием температуры (в диапазоне от 40 до 80 0C) с визуально заметным изменением окрашивания. Изучение спектров поглощения и Старк-эффекта подтвердило реверсивный процесс декомпозиция-самосборка трех составляющих: собственно макромолекула, агрегат из двух молекул и Н-агрегат. Изменение окрашивания под действием температуры происходило без разрушения пленки свыше 100 раз и воспроизводилось в течение года. Подобный термохромизм был отмечен и для аминокарбоцианина, связанного с ПГК. Высокая чувствительность пленки в определенном диапазоне температур представляет интерес для конструирования наноразмерных термосенсоров красной области спектра. Необратимый отклик карбоцианиновых производных на УФ-облучение, сопровождается углублением окрашивания – батохромный сдвиг на 30 нм – и , по данным ЯМР, химической деструкцией модифицированной ПАК. Облученная область мультислоя обесцвечивается после обработки ее хлороформом, хотя пленка остается неповрежденной. Такие качества позволяют говорить о перспективах рассмотрения карбоцианиновых производных ПГК в качестве позитивного фоторезиста и в качестве резистных масок для нановпечатывающих молекулярных материалов (imprinting polymers). Электрохромные эффекты были отмечены для полиглутаминовой кислоты, связанной ковалентно с сафранином Т, а также при нековалентном введении мероцианинового красителя, в присутствии дицианинового акцептора электронов. При этом мультислойная пленка (нековалентно связанный комплекс), нанесенная на полимер со специальными оптическими свойствами, обладала как продольной, так и поперечной электропроводимостью с визуальным изменением окрашиванием (обесцвечивание) и тепловым эффектом. Процесс был реверсивным и многократным. ПГК, содержащая сафранин, проводила электроток (J=0,3А) с резким изменением окрашивания (с оранжевого до фиолетового) в ДМФА и хлороформе. Люминесценция в мультислойной пленке nGluFlu (43 слоя) появляется только после выдержки в парах триэтиламина или аммиака, то есть при рН>7,5, что косвенным образом подтверждает наличие и разрушение агрегатов флуоресцеинсодержащей ПГК. Вместе с тем отклик на изменение рН среды, демонстрирующий люминесценцию только в основной среде, является важным свойством при выявлении сенсорных свойств модифицированных ПАК. Сорбцион­ные свойства у полиаминокислотных производ­ных краун-эфиров сохраняются на уровне исход­ных макроциклов к ряду металлов (А1, Аu(Ш), В, Ва, Bi(III), Ca, Cd(II), Co(III), Cu(II), Fe(III), К, Mg, Мn(II), Na, Pb, Sr, Zn, Zr(IV)), что представляет интерес для аналитического определения металлов в молекулярных детекторах. ПАК, модифицированные спиропиранами, сохраняют фото- и термохромные свойства при пропитке пористых материалов (бумага Watman, х/б ткань, пористый пластик) в течение года и более. Оксикарбоцианиновое производное ПГК в смесевых композициях (с<3%) с полиуретаном марки Силоктан Т, равномерно  окрашивает полимер и улучшает его деформационно-прочностные свойства.

На основе полученных данных можно заключить, что слабые внешние стимулы вызывают сильные физико-химические изменения, как правило, хорошо наблюдаемые визуально – изменение цвета. Изменение люминесценции, содержания ионов отмечено при варьировании так называемых «экстернальных факторов», то есть как влияние окружающей среды. Подобные отклики супрамолекулярных ансамблей основываются на реорганизации «интернальных взаимодействий»: деструкции нековалентных связей и повторной самоорганизации их строительных блоков. Эти качества являются необходимыми при создании различных типов «разумных материалов», в данном случае для конструирования молекулярных сенсорных систем на основе полиаминокислот, модифицированных гетероциклами.

Глава 5. Выработка общей концепции целенаправленного синтеза биомиметиков на основе полиаминокислот и / или полипептидов, модифицированных гетероциклами, оценка перспективности их развития.

Целевой синтез модифицированных гетероциклами ПАК/ППТ может быть выражен универсальной концепцией «от молекулы до материала», включающий общую поэтапную стратегию: Синтез функциональных блоков с применением комбинаторной химии Компьютерный синтез промежуточных и конечных соединений с расчетом реакционных центров, электронных свойств и прогнозированием молекулярной архитектуры Основной синтез целевых соединений и их идентификация Самоорганизация и образование супрамолекулярных фаз Рассмотрение функционирования в нанометрическом диапазоне (Молекулярные материалы) Изучение физико-химических свойств соединений в процессе изменения микросреды – внешние стимулы (Разумные молекулярные материалы).

Проблемы получения биологически активных веществ направленного действия во многом связаны с наличием таких свойств, как токсичность и пролонгирование действия, а также с химическим синтезом природных соединений. В этом контексте полипептидные производные гетероциклов имеют постоянную востребованность. Их химический скрининг неисчерпаем, а программированное взаимодействие субстрат-рецептор приводит к изучению механизма действия на клеточном и субмолекулярном условиях.

С другой стороны биомолекулярная и молекулярная электроника базируются на мультифункциональных наноразмерных материалах, приоритетными среди которых являются полимерные биомиметики. Доступные и сравнительно дешевые синтетические ПАК / ППТ могут имитировать субстанции и функции, присущие природным. Использование их модифицированных форм, которые действуют в различных фазовых состояниях, может привести к созданию молекулярных материалов с программированными и управляемыми свойствами, пригодными для работы в оптических и биомолекулярных миниатюрных сенсорных и детекторных системах.

Выводы

  1. Разработана концепция методологии синтеза полиаминокислот / полипептидов, модифицированных гетероциклами. Предложен универсальный подход, позволяющий упростить / унифицировать пути синтеза целевых соединений в зависимости от природы комбинаторных элементов, строительных блоков, прогнозированием молекулярной структуры.
  2. Осуществлена модификация полипептидов биоактивными азотистыми гетероциклами – индолил­алкиламинами и хинолином различными химическими методами– дициклогесилкарбодиимидным, активированных эфиров, смешанных ангидридов, выбор которых зависит от примененных защитных групп.
  3. Осуществлена модификация полиаминокислот (глутаминовой, лизина, аланина) полимераналогичными превращениями, и полимеризацией с раскрытием цикла хромофорами различной природы – флуоресцеином, родамином, карбоцианинами, кумаринами, акридином, нафтальимидом, индолспиропиранами, краун-эфирами.
  • выявлены ограничения и возможности модификации полимеров гетероциклами в зависимости от природы реагентов и условий синтезов: боковая модификация полиаминокислот зависит от стехиометрического и пространственного факторов. Средняя степень введения гетероцикла в боковые цепи полиглутаминовой кислоты или полилизина, как правило, составляет 22-35% мол. Соотношение аминокислота / гетероцикл в структурах «голова – хвост» (полимеризация с раскрытием цикла) соответствует соотношению мономер / инициатор в пределах n 10 (n – степень полимеризации). Эти данные не реализуются при использовании кумаринов и акридина.
  1. Показано соответствие компьютерного и экспериментального синтеза модифицированных гетероциклов на примере производных полиглутаминовой кислоты; при этом продемонстрирована возможность квантово-химического прогнозирования структуры целевых соединений – введение хромофора, пространственное расположение заместителя, конформационное состояние полиаминокислоты.
  2. Изучена модификация циклофосфазенов производными аминокислот и полиаминокислотами;
  • всесторонне рассмотрены аминолиз и алкоголиз циклотри- и циклотетрафосфазенов производными 5-гидрокситриптофана – триптаминами; показана возможность получения смешанных производных циклотрифосфазенов с разной степенью содержания гетероциклов различной природы; установлен механизм реакции хлорциклофосфазенов с производными аминокислот и проведена характеризация целевых соединений спектральными методами;
  • показана принципиальная возможность синтеза полиаминокислотных производных циклофосфазенов через функциональные спейсеры (N-карбоксиангидридный метод). Конформационное состояние полиаминокислотных цепей зависит от наличия стабилизирующего фактора и пространственного их расположения, при этом можно получать как спиральные, так и неупорядоченные структуры;

6.        Выявлены биологически активные свойства ряда синтезированных соединений. Наиболее значительной – противоопухолевой активностью обладают производные циклотрифосфазена. 5Гидрокситриптофил-триптаминовые пептиды обладают возбуждающим действием на центральную нервную систему; олигоаланильные и полиглутамильные производные индолилалкиламинов проявляют выраженный радиозащитный эффект.

  1. Супрамолекулярные мультифункциональные системы на основе модифицированных гетероциклами полиаминокислот обладают поверхностно-активными свойствами и проявляют адаптивность к изменению внешних условий: карбоцианиновые производные полиглутаминовой кислоты обладают откликом на температуру, электрический ток, УФ облучение – флуоресценильные производные – на лазерное облучение и изменение рН среды; полиаминокислотные производные краун-эфиров чувствительны к содержанию ионов металлов; фотоактивные ПАК реагируют на солнечный свет и УФ облучение; акридиновые полиаминокислоты проводят электрический ток с изменением окрашивания. Эти свойства проявляются в нанометрическом диапазоне при кооперативных изменениях различных связей в супрамолекулярных ансамблях модифицированных полиаминокислот и являются перспективными при создании сенсорных материалов для оптических наноустройств.

Список научных  публикаций автора

    1. Суворова Е. В., Попова Г. В., Суворов Н. Н.. Синтез триптаминовых производных 5 гидрокситриптофана. Ж. Орг. Химии, 1992, 28, 3, 474-481.
    2. Попова Г. В., Суворова Е. В., Суворов Н. Н.. Синтез поли-5-гидрокситриптофана. Ж. Общей Химии, 1993, 63, 9, 2126-2130.
    3. Кушашвили Л.Т., Журавлев А.А., Попова Г.В., Суворов Н.Н., Неклюдов А.Д.. Получение энантиомеров 5-бензилокситриптофана с помощью микробной аминоацилазы. Антибиотики и Химиотерапия, 1988, 33, 1, 16-22.
    4. Халид М., Елисеева Е.Н., Попова Г.В., Юдин С.Г., Синтез и свойства полиаминокислоты, содержащей красители, для получения пленок Ленгмюра-Блождетт,  ВМС, Б, 1994, 36, 3,  515-518.
    5. Попова Г.В., Халид М., Юдин С.Г., Витухновский А.Г.. Фотохромные ЛБ-плен-ки полиглутаминовой кислоты. Краткие сообщения Физики. ФИАН,  1993, 11/12, 1-6.
    6. Сюй Чжон, Попова Г.В., Киреев В.В., Якшин В.В., Царенко Н.А.. Полиамино-кислоты, содержащие краун-эфирные группировки. ВМС, 2003, А, 45, 5, 1332-1336.
    7. Сюй Чжон, Крупей И. И., Плешкова Н. В., Попова Г. В., Захарычев В. В., Перевалов В. П.. Модификация L--полиглутаминовой кислоты ксантеновыми красителями по -карбоксильным группам аминокислотных остатков. Ж. Прикл. Хим., 2005, 78, 3, 452-456.
  1. Алапишвили М. Г., Попова Г. В., Воронцов Е. Д., Киреев В. В., Суворов Н. Н.. Синтез фосфоразотистых производных триптаминов. Сообщения АН Грузинской ССР, 1981, 102, 2, 353-356.
  2. Алапишвили М. Г., Попова Г. В., Воронцов Е. Д., Киреев В. В., Суворов Н. Н.. Аминолиз гексахлорциклотрифосфазена 5 метокситриптамином. Ж. Орг. Химии, 1983, 53, 5, 1040-1044.
  3. Алапишвили М.Г., Воронцов Е.Д., Попова Г.В., Суворов Н.Н., Киреев В.В.. Синтез и свойства триптаминциклотрифосфазенов. ХГС, 1983, 4, 489-492.
  4. Попова Г.В., Алапишвили М.Г., Воронцов Е.Д., Киреев В.В., Суворов Н.Н.. Синтез производных гексахлорциклотрифосфазена и 5 окситриптамина. Ж. Общей Химии, 1986, 56, 5, 1073-1076.
  5. Алекперов Д. А., Попова Г. В., Sakurai T., Ihara H., Киреев В. В.. Синтез функциональных полиаминокислот на циклофосфазеновых темплатах. ВМС Б, 2006, 48, 8, 1514-1518.
  6. Бобров М. Ф., Попова Г. В., Цирельсон В. Г.. Топологический анализ электрон-ной плотности и химических связей в циклофосфазенах. Ж. Физ. Химии, 2006, 3, 1-7.
  7. Бобров М. Ф., Попова Г. В., Цирельсон В. Г.. Анализ электронных характеристик циклофосфазенов, ответственных за их поведение в самособирающихся молекулярных ансамблях. Нанотехника, 2005, 3, 78-87.
  8. Ванцян М.А., Бобров М. Ф., Попова Г. В., Киреев В.В., Цирельсон В. Г., Компьютерное моделирование и структурный анализ полиаминокислотных производных циклотрифосфазена. ВМС А, 2007, 49, 3, 533-541. SpringerLink: http://dx.doi.org/10.1134/S0965545X07030170 .
  9. Palto S. P., Sorokin A. V., Yudin S. G., Popova G. V., Khalid M., Characterization of ordered poly-L-glutamylcarbocyanine LB-films by method of optical out of plane dichroizm, Mol. Mat. 1995, 5, 231-235.
  10. Popova G., Kireev V., Spitsyn A., Ihara H., Scherbina M., Chvalun S.. Inorganic-Or-ganic Hybrides based on Cyclotetraphosphazenes. Mol Cryst. Liq. Cryst., 2003, 390, 91-96.
  11. Alekperov D., Ihara H., Takafuji M., Sakurai T., Popova G., Kireev V.. Design and Synthesis of 6-Helix-Bundle Oligopeptides Supported by Cyclotriphosphazene, Polymer Preprints, 2002, 51, 14, 3611.
  12. Alekperov D., Sakurai T., Shirosaki T., Popova G., Kireev V., Ihara H.. Synthesis and Conformational Characterization of Oligopeptide - Cyclotriphosphazene Hybrids. Polymer J., 2003, 35, 5, 417-421.
  13. Takafuji M., Alekperov D., Popova G., Sagawa T., Ihara H.. Dendritic cyclotriphosphazene derivative with hexakis(alkylazobenzene) substitution as photosensitive trigger. Heterocycles, 2004, 63, 7, 1563-1572.
  14. Takafuji M., Shirosaki T., Chowdhury S., Alekperov D., Popova G., Hachisako H., Ihara H., Functional Organogels from Lypophilig L-glutamide derivatives Immobilized on Cyclophosphezene Core, J. Materials Research, 2006, 21, 5, 1274-1278.
  15. Popova G. V., Korigodski A. R., Sluch M. I., Vitukhnovsky A. G., Perevalov V. P. Study of Low-dimensional Energy Transfer on Copolymer  Films, Phys. Scripta, 1995, 5, 407-410.
  16. Kunizawa T., Sato T., Yonezawa Y., Popova G. V.. Prefered conformation of the H-Aggregate of Thiocarbocyanine Dye having meso-Aminogroup in Chitozan Films. Thin. Solid. Films, 1997, 311, 267-271.
  17. Raitman O. A., Katz E., Willner I., Chegel V. I., Popova G. V.. Photonic Transduction of a Three-State Electronic Memory and of Electrochemical Sensing of NADH by Using Surface Plasmon Resonance Spectroscopy. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 19, 3649-3652.
  18. Popova G., Spitsyn A., Vavtsyan M., Matveeva N., Yudin S., Palto S.. Thermal and Electrothermal Sensitivity of polyglutamic acid with incorporated carbocyanine dyes in Langmuir-Blodgett films. Thin Solid Films, 2008, 516, 10, 3257-3261.
  19. Алапишвили М.Г., Воронцов Е.Д., Попова Г.В., Киреев В.В., Суворов Н.Н.. Гетероциклические производные циклотрифосфазена с противораковой активностью. Авт. свид. СССР, №1092922, 15. 04. 84.
  20. Popova G., Suvorov N., Kireev V.. New Biocompatitive and Biodegradable Matrixes for Drug Delivery: Several Radio-protectors and Anticancer Agents. Proceedings IV Inter Conference "Ecomaterials Forum", Gifu, Japan, 1999, Nov., 10-12, 125-129.
  21. Xu Zhong, Fedorovsky O., Popova G.. Synthesis of Photosensitive derivatives of indolospiropyranes and poly-L-alpha-Glutamic acid for switch-systems, Proceedings IUPAC-XVI, Helsinki, Finland, 1996, 609-610.
  22. Fedorovsky O., Xu Zhong, Popova G., Petropavlovsky I.. Synthesis and Assemblies of Photosensitive derivatives of indolospiropyranes and poly-L-alpha-glutamic acid. Proceedings III European Conference on Molecular Electronics. Leuven, Belgium, 1996, p. 233-235.
  23. Popova G., Sazonov S., Yonezawa Y., Sato T., Kunizawa T.. NIR Dyes incorporated in Protein Models: Synthesis, Study of Aggregates and Properties, Proceedings NATO ARW, “Near Infrared Dyes for High Technology Application”. Trest, Czech. Republic, Sept., 24-27, Kluwer Academic Publishers, 1997, p. 23-25.
  24. Popova G., Xu Zhong, Fedorovsky O., Yakshin V., Myagkov I.. Assemblies of Polyaminoacids bearing with crown-ethers and photochromes: Design, Synthesis, Investigations. Proceedings IV European Conf. on Molecular Electronics, Cambridge, UK, 1997, p. 103-104.
  25. Popova G., Spitsyn A., Baleva M., Arsenov V., Photochromic effects of Supramolecular Assemblies of Crown-contented Polyaminoacids. Proceedings IX International Conference on Unconventional Photoactive Systems, UPS-99, Wurzburg, Germany, 1999, Aug., 31 - Sept. 4, p. 144-145.
  26. Popova G. V., Khalid M., Yudin S. G., Petukhova N. N., Palto S. P., Vitukhnovsky A.. LB-films of polyglutamic acid covalently bonded with different dyes. Proceedings II ECME, Kloster Banz, Germany, 1994, Sept., 4-9, p. 235-237.
  27. Popova G., Biomimetic materials for optical nanosensores on -irradiation // Proceedings “Technical means for prevention of radiation terrorism and liquidation of its conesquences” October, 18-20, 2004, Saint-Petersburgh.: PressCenter “SeverRoss”. 2004. p. 123-127.
  28. Shirosaki T., Alekperov D., Popova G., Sakurai T., Ihara H.. Synthesis and characterization of Lipophylic L-glutamate derivatives immobilized on cyclotriphosphazene. Proceedings VIII Pacific Polymer Conference, Bangkok, Thailand, 2003, CD-ROM p. 1-4.
  29. Popova G., Stimuli-responsive polyaminoacids for sensor Systems, Proceedings, Intelligent Materials Forum, Japan, Makahari, 1998 October 5-7,. Ed. Japan Society of Non-traditional Technologies, Chiba, 1998, p. 101-105.
  30. Popova G. V., Menzel H., Yonezawa Y.. LB-films of Polyaminoacids: preparation and properties. Proceedings, Inter. Conference "Chemistry of High-ordered Systems and Basics of Nanotechnology" St-Petersburg, Russia, June, 1996, p. 64-65.
  31. Ванцян М. А., Попова Г. В., Wegner G.. Исследование архитектуры наноразмерных систем традиционными физико-химическими методами. Нанотехнологии - Производству. Труды II Конференции. г. Фрязино, ноябрь 30  -  декабрь 1 2005, с. 24-27.
  32. Попова Г.В., Киреев В.В.. Разумные биомиметики как прогрессивные высокотехнологичные материалы – развитие и перспективы. Обзор в сборнике «Труды III-ей Международной НП Конференции “Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности”», изд. СП ПУ, С-Петербург, Россия, 2007, т. 8, 144.
  33. Pieroni O., Fissi A., Popova G.. Photochromic polyaminoacids. (Review). Polymeric Materials Encyclopedia, CRC Press, ed. J. Salamone, N.-Y., 1996, 7, 5123-5128.
  34. Pieroni O., Fissi A., Popova G.. Photochromic Polypeptides. (Review).  Progr. Polym. Sci., 1998, 23, 81-123.
  35. Popova G.. Biomimetic Polyaminoacids as Precursors for Optical Active Intelligent Materials. (Review). Society of Non-traditional Technologies World Forum, e-Version: http://www.psu.edu/ICIM  , 2003.
  36. Попова Г.В.,. Коригодский А.Р. Разумные биомиметические материалы для молекулярной электроники и медицины (Обзор). Нанотехника, 2004, 1, 41-43.
  37. Попова Г.В., Коригодский А.Р.. Разумные биомиметические материалы. (Обзор.) Наука-Производству, 2004, 7 (75), 5-6.
  38. Попова Г.В.. Молекулярная инженерия наноразмерных систем (Обзор), Нанотехника, 2004, 1, 47-48
  39. Попова Г.В., Коригодский А.Р.. Применение биомиметических материалов для молекулярной электроники и медицины. (Обзор.) Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России, 2004, 3, 3-6.
  40. Попова Г.В., Спицын А.Н.. Белковые модели для переноски лекарственных веществ: от мезо- до наноразмерного уровня. (Обзор.) Посвящается памяти проф. Н. Н. Суворова. Нанотехника, 2005, 2, 84-89.
  41. Ванцян М., Попова Г., Wegner G.. Традиционные физико-химические методы в изучении наноразмерных объектов (Обзор), Нанотехника, 2006, 3, 45-51.
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.