НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ БІООРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ ТА НАФТОХІМІЇ

Толмачова Наталія Андріївна

УДК 547.812+547.302

СИНТЕЗ І ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

6-ПОЛІФТОРАЛКІЛВМІСНИХ ПІРОНІВ-2

02.00.10 – біоорганічна хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі тонкого органічного синтезу Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України.

Науковий керівник кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник

Герус Ігор Іванович

Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України, м. Київ

старший науковий співробітник відділу тонкого органічного синтезу

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Синиця Анатолій Данилович

Інститут органічної хімії НАН України, м. Київ

завідувач відділу хімії елементоорганічних сполук

доктор хімічних наук, професор

Комаров Ігор Володимирович

Київський Національний університет ім. Тараса Шевченка

завідувач кафедри органічної хімії

Захист дисертації відбудеться « 25» квітня 2008 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.220.01 в Інституті біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України (02094, Київ-94, вул. Мурманська 1).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України (02094, Київ-94, вул. Мурманська 1).

Автореферат розісланий « 20» березня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.М. Федоряк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Досягнення останніх десятиліть в галузі фторорганічної хімії суттєво вплинули на розвиток біоорганічної хімії. Зокрема, модифікацією відомих біологічно активних сполук введенням в молекулу атомів фтору чи поліфторалкільних замісників були створені ефективні низькомолекулярні біорегулятори. Такий підхід дозволяє значно підвищити біологічну активність завдяки підвищенню стійкості і проникності фторованих сполук через мембрани клітин порівняно з нефторованими аналогами, як це видно на прикладі трифтазину чи трифторотимідину. Крім того, введення атомів фтору в біомолекули часто кардинально змінює напрямок біохімічних процесів, як у випадку б-дифторометилорнітину, 5-фторурацилу тощо. Варто зазначити, що спрямований синтез поліфторалкілвмісних сполук пов’язаний, як правило, з багатостадійністю та важкодоступністю вихідних речовин. Тому розробка методів синтезу фторованих сполук на основі простих і доступних реагентів є однією з пріоритетних задач.

Пірони-2 широко зустрічаються в природі, багато представників цього класу гетероциклічних сполук біологічно активні речовини, та широко використовуються у тонкому органічному синтезі як синтони. Зручними “будівельними блоками” для отримання 6-поліфторалкілпіронів-2 можуть виступати -алкоксивініл(поліфторалкіл)кетони (АПФК), які доцільно розглядати як приховані 1,3-дикарбонільні сполуки. Незважаючи на значну кількість вдалих прикладів застосування АПФК для синтезу різноманітних гетероциклічних сполук, але ці речовин для отримання 6-поліфторалкілвмісних піронів-2 не застосовувалися. Таким чином, розробка методів синтезу 6-поліфторалкілвмісних піронів-2 на основі доступних АПФК, вивчення їх хімічних властивостей і можливості застосування як ефективних фторовмісних синтонів, в тому числі вихідних сполук для одержання фторованих амінокислот, відповідає актуальним задачам біоорганічної хімії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась в рамках планової бюджетної тематики відділу тонкого органічного синтезу Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України “Фтор- та фосфорорганічні синтони для синтезу аналогів природних сполук” (тема № 2.1.10.19, № державної реєстрації 0104U000962).

Мета і задачі дослідження. Основною метою дослідження була розробка зручного методу синтезу 6-поліфторалкілвмісних піронів-2 з доступних АПФК та їх використання для одержання потенційних біорегуляторів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- вивчити реакції АПФК із сполуками, які містять в своєму складі активну метиленову групу;

- дослідити хімічні властивості синтезованих піронів (реакція Дільса-Альдера, взаємодія з O- та N-нуклеофілами);

- розробити методи синтезу потенційних біорегуляторів (фторованих похідних амінокислот) на основі синтезованих піронів.

Об’єкт дослідження – 6-поліфторалкілвмісні пірони-2.

Предмет дослідження – синтез нових 6-поліфторалкілвмісних піронів-2 та їх використання для одержання потенційно біологічно активних речовин.

Методи дослідження – хімічний синтез, ІЧ- та ЯМР-спектроскопія (визначення структури синтезованих сполук), рентгеноструктурний аналіз (визначення структури синтезованих сполук), елементний аналіз (визначення складу синтезованих сполук), колонкова, тонкошарова та іонообмінна хроматографія (контроль перебігу реакцій та очистка сполук).

Наукова новизна одержаних результатів.

Синтезовано ряд невідомих раніше 6-поліфторалкілвмісних піронів-2 і вивчено їх фізико-хімічні властивості.

З синтезованих піронів за допомогою реакції Дільса-Альдера або взаємодією з N-нуклеофілами отримані нові пара-поліфторалкілвмісні аніліни або 6-поліфторалкілвмісні піридони-2.

Докладно вивчена реакція АПФК з гетероциклічними сполуками, які містять екзо-циклічну метиленову групу, і встановлено шлях утворення поліфторалкілвмісних піридоазолів.

Вперше синтезовані поліфторалкілвмісні похідні норлейцину та орнітину.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці зручних методів синтезу поліфторалкілвмісних піронів, піридонів, піридоазолів, аналоги яких використовуються в медицині і агрохімії. Розроблені методи синтезу поліфторалкілвмісних похідних норлейцину та орнітину – потенційних інгібіторів ферментних систем.

Особистий внесок здобувача. Систематизація літературних даних, експериментальна частина роботи, аналіз і узагальнення отриманих результатів, встановлення будови одержаних сполук та формулювання висновків дисертаційної роботи виконано особисто дисертантом. Постановка мети дослідження та обговорення результатів здійснювались разом з науковим керівником к.х.н. І. І. Герусом, окремих етапів роботи разом з проф. Г. Хауфе. Вивчення реакції Дільса-Альдера 6-трифторометилпіронів з б- та в-фторостиролами проведено разом з доктором М. Ессерсом. Обговорення деяких спектральних даних проведено разом з к.х.н. С. І. Вдовенком (ІЧ спектри) та Ю. О. Кіржнером (ЯМР-спектри). Біологічні дослідження проведено разом з к.б.н. Л. О. Метелицею та к.б.н. Л. Л. Чарочкіною. Рентгеноструктурний аналіз проведено разом з проф. Р. Фройліхом, д.х.н. О. В. Шишкіним та к.х.н. Е. Б. Русановим.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на XIX та XXII наукових конференціях ІБОНХ НАН України з біоорганічної хімії та нафтохімії (м. Київ, 2004 та 2007 р.), 14-му та 15-му Європейських симпозіумах з хімії фтору (м. Познань, Польща, 2004 р. та м. Прага, Чехія, 2007 р.), 18-му Міжнародному симпозіумі з хімії фтору (м. Бремен, Німеччина, 2006 р.), XX та XXI Українських конференціях з органічної хімії (м. Одеса, 2004 р. та м. Чернігів, 2007 р.), Міжнародному симпозіумі «Advanced Science in Organic Chemistry (ASOC)» (Судак, 2006 р.), 232-их Національних зборах Американського хімічного товариства (ACS National Meeting & Exposition, Сан-Франциско, США, 2006 р.), 10-му Міжнародному конгресі з амінокислот та пептидів (Тессолоніки, Греція, 2007 р).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладені у 3-х статтях у фахових наукових журналах та в тезах 8-ми доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків та переліку літературних джерел (223 найменування). Робота викладена на 158 сторінках і містить 113 схем, 28 таблиць та 17 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ВЗАЄМОДІЯ -АЛКОКСИВІНІЛ(ПОЛІФТОРАЛКІЛ)КЕТОНІВ ЗІ СПОЛУКАМИ, ЯКІ МІСТЯТЬ В СВОЄМУ СКЛАДІ АКТИВНУ МЕТИЛЕНОВУ ГРУПУ

Представники б-піронов широко використовуються в тонкому органічному синтезі як синтони, зустрічаються серед природних сполук і є біологічно активними речовинами. Як приклади останніх можна навести 3-бензил-6-хлоропірон-2 (інгібітор серинової гідролази), 4-гідрокси-піран-2-они (інгібітори ВІЛ-протеази, PD107067). 6-Пентилпірон-2 (виділений з Trichoderma viride), демонструє антимікробну активність по відношенню до Rhizoctonia cerealis, Gaeumannomyces graminis і Botrytis cinerea.

Хоча обсяг літературних даних щодо синтезу різноманітних поліфторалкілвмісних гетероциклічних сполук досить великий, синтезу піронів-2 з поліфторалкільними замісниками було присвячено лише декілька робіт. Увага в цих дослідженнях приділялась тільки сполукам з трифторометильною групою.

Як відомо, 1,3-дикарбонільні сполуки та їх похідні успішно використовуються для синтезу 6-алкілпіронів-2. Для синтезу 6-поліфторалкіл-піронів-2 нами досліджено реакції N-ацилгліцинів з АПФК, які можна розглядати як фторовмісні приховані 1,3-дикарбонільні сполуки, що раніше успішно використовувались для отримання різноманітних гетероциклічних систем, але для синтезу 6-поліфтороалкілпіронів-2 не застосовувались.

Синтез 6-поліфторалкілпіронів-2. Нами знайдено, що при нагріванні АПФК 1 з N-ацилгліцинами 2 в оцтовому ангідриді утворюються 3-ациламіно-6-поліфтороалкілпірони-2 (3) з препаративними виходами (Схема 1, табл. 1). Реакція має широке використання – можна варіювати не тільки ацильний замісник в N-ацилгліцинах, але й поліфторалкільну групу в енонах 1. Треба зазначити, що введення електронодонорних замісників в бензенове кільце гіпурових кислот прискорює утворення піронів 3c-e, а електроноакцепторні замісники відчутно уповільнюють перебіг реакції і вихід піронів 3f-h низький, а з 4-нітрогіпуровою кислотою енон 1а практично не реагує. Заміна гіпурової кислоти на ацетурову також погіршує вихід цільового продукту 3а. Заміна атома фтору на атом хлору в трифторометильній групі енона 1а чи подовження перфторалкільного ланцюга суттєво не впливає на перебіг реакції. В той же час заміна одного атома фтору на водень призводить до різкого зниження виходу пірону 3к і необхідності застосування більш жорстких умов реакції. Нефторований метилвмісний енон 1е дає пірон 3l, який виділений хроматографічно з дуже низьким виходом.

Схема 1

Умови реакції: (і) Ac2O, 60-120 єC.

Таблиця 1

Умови синтезу та вихід піронів (3а-l)

Сполука | Час, (г) / T, (єC) | Вихід, (%) | R | Rf

3a | 60 / 120 | 30 | CH3 | CF3

3b | 6 / 60 | 80 | C6H5 | CF3

3c | 6 / 60 | 75 | 4-t-BuC6H4 | CF3

3d | 5 / 60 | 65 | 4-MeOC6H4 | CF3

3e | 3 / 60 | 75 | 3,4-(MeO)2C6H3 | CF3

3f | 20 / 60 | 40 | 4-ClC6H4 | CF3

3g | 120 / 80 | 10 | 3-NO2C6H4 | CF3

3h | 120 / 80 | 20 | 2-thienyl | CF3

3i | 10 / 60 | 60 | C6H5 | CClF2

3j | 10 / 80 | 65 | C6H5 | C3F7

3k | 23 / 80 | 15 | C6H5 | CHF2

3l | 140 / 80 | 2 | C6H5 | CH3

Ми вважаємо, що утворення піронів 3 йде через формування проміжного оксазалону 5, зафіксувати який в реакційній суміші не вдалося. Підтвердженням цього є те, що сполуку 5b нам вдалося одержати нагріванням пірону 3b з гідроксидом калію в ДМФА з наступним акуратним підкисленням (Схема 2). Оксазалон 5b термічно нестабільний і повністю переходить в пірон 3b після нагрівання в толуені при 70 oC протягом кількох годин, що пояснює, чому утворення оксазалонів 5 не було зафіксовано в реакційних сумішах при утворенні піронів 3.

Схема 2

Умови реакції: (i) КОН, ДМФА; (ii) 7% НСl, 0 оС; (iii) толуен, 70 оС.

Енон 7, що містить в б-положенні електроноакцепторну етоксикарбонільну групу, більш реакційно здатний, ніж енон 1a, і відповідні пірони 8 утворюються в більш м’яких умовах та з високими виходами. Так, енон 7 реагує при 60 єС не тільки з гіпуровою кислотою та її тіофеновим аналогом, а й з 4-нітрогіпуровою кислотою (Схема 3).

Схема 3

Умови реакції: (і) Ac2O, 60 єC.

Заміна етоксикарбонільної групи на ще більш електроноакцепторну трифторацетильну групу приводить до того, що енон 9 реагує з N-ацилгліцинами вже при кімнатній температурі (Схема 4). В цьому випадку спочатку спостерігається утворення кето-вмісних піронів 10а,b, які легко переходять в гідратну форму в результаті приєднання води – пірони 11а,b.

Схема 4

Умови реакції: (і) Ac2O, 15-20 єC.

Енони 12а,b, які містять в в-положенні метильну або етоксильну групу при реакції з N-ацилгліцінами піронів не утворюють.

Схема 5

Умови реакції: (і) Ac2O, кип’ятіння.

Навіть в жорстких умовах реакції (кип’ятіння протягом 3 тижнів в оцтовому ангідриді) за даними 19F ЯМР спектрів реакційних сумішей утворення відповідних піронів не фіксується (Схема 5).

Реакції -алкоксивініл(поліфторалкіл)кетонів 1 та 9 з азолами, які містять в своєму складі активну метиленову групу. Як зазначено вище, першою стадією в синтезі піронів 3 є утворення оксазолонів 4 з N-ацилгліцинів 2 в оцтовому ангідриді, з подальшою реакцією ендо-циклічної метиленової групи оксазолонів 4 з еноном 1 з утворенням нового C–C зв’язку. Ми вивчили також реакцію енонів 1 та 9 із сполуками, які мають активну ациклічну метиленову групу. Об’єктами дослідження були вибрані азоли з екзо-циклічною метиленовою групою в положенні 2, яка додатково активована різними електроноакцепторними замісниками (EWG) (Рис. 1). Напрямок реакції енонів 1 і 9 з різними азолами може залежати як від природи гетероциклічного фрагменту і електроноакцепторної групи, так і від умов проведення реакції.

Рис. 1 Схематичне зображення гетероциклічних сполук з ендо- та екзо-циклічною активною метиленовою групою.

Реакція енонів 1a-c з етил-(5-метил-1,3-тіазол-2-іл)ацетатом 13а без розчинника при кімнатній температурі дає сполуки 14a-с з високими виходами, як результат нуклеофільної атаки в-положення енонів 1 активною метиленовою групою (Схема 6). При нагріванні сполук 14 в оцтовому ангідриді відбувається внутрішньо-молекулярна циклізація з утворенням піронів 15а-с.

Схема 6

Умови реакції: (і) без розчинника, 20 oС; (ii) Ac2O, 80 oC; (ііі) Ас2О, 20 oС.

Реакція енонів 1а-с з 1,3-тіазол-2-ацетонітрилами 13b,с, які в своєму складі мають нітрильну групу замість естерної, за кімнатної температури без розчинника або в оцтовому ангідриді дає піридини 18a-d, разом з утворенням поліфторалкілвмісного мінорного продукту 17 (5-15%), який у випадку енона 1с (з C3F7 групою) нам вдалось виділити в чистому вигляді з виходом 3% і охарактеризувати як піридин 17с. Утворення суміші продуктів 18 і 17 можна пояснити конкурентним нуклеофільним приєднанням води чи етанолу до нітрильної групи.

На відміну від напрямку реакції енону 1а з нітрилом 13a, взаємодія між імідазолом 19 і еноном 1а в ГМФТА при 100 °C дає продукт 22, що утворюються внаслідок циклізації за участю ендо-циклічного атому нітрогену (Схема 7). В більш м’яких умовах імідазол 19 реагує з еноном 1а з утворенням речовини 20, яка є проміжною в синтезі сполуки 22. Утворення піридоімідазолу 22 із сполуки 20, вірогідно, йде через утворення проміжної біциклічної речовини 21, яка внаслідок дегідратації легко утворює ароматичну систему.

Схема 7

Умови реакції: (i) 1а, ГМФТА, 100 °C; (ii) 1а, ГМФТА, 20 °С.

Для більш детального вивчення впливу імідазольного кільця на перебіг реакції з енонами 1а-с ми провели реакції енонів 1 з бензімідазолами 23. Так, нагрівання бензімідазолів 23a-d з еноном 1а в толуені чи з енонами 1b,c в ГМФТА дає піридобензімідазоли 26a-f,h з високими виходами (Схема 8).

Схема 8

Умови реакції: (i) 1а (Rf=CF3), толуен, 100 оС або 1b,с (Rf=CF2Cl, C3F7), ГМФТА 120 оС; (ii) 1а-с, ацетонітрил, 10 оС; (ііі) толуен, 100 оС (Rf=CF3) або ГМФТА, 120 оС (Rf=CF2Cl, C3F7).

В м’яких умовах нами були виділені і охарактеризовані проміжні продукти 24 (EWG = CN) або 25 (EWG = COOMe, COPh, CONHCH2Ph). Нагрівання сполук 24 або 25 також дає піридобензімідазоли 26. Природа полігалогеналкільної групи впливає на властивості проміжних продуктів. Так, продукти з СF2Cl-групою 24e та 25f більш стабільні (ніж з CF3 групою) та дають піридобензімідазоли 26e,f в більш жорстких умовах. Продукти 24g і 25h з С3F7-групою ще стійкіші: сполука 24g не утворює відповідного піридобензімідазолу навіть при кип’ятінні в ГМФТА.

Реакційно здатний енон 9 реагує не тільки з бензімідазолами 23a,b, але й з 2-(фенілсульфоніл)метил-1H-бензімідазолом 27, який не вступає в реакцію з еноном 1а. На першій стадії реакції утворюються нестійкі продукти 28a-c (виділена лише сполука 28b з EWG = COOMe). Продукти 26a,b та 29 утворюються як результат формального відщеплення трифтороцтової кислоти від сполук 28 (Схема 9).

Схема 9

Умови реакції: (i) ацетонітрил, 20 оС; (ii) ГМФТА, 100 оС.

Енон 9 реагує також з N-метилбензімідазолом 30а та бензтіазолами 30b-d з утворенням продуктів 32a-d. В даному випадку реакція йде за участю ендо-циклічного атома нітрогену, а не за участю EWG-групи, як це спостерігалось для тіазолів 13. У випадку реакції енону 9 з N-метилбензімідазолом 30а за м’яких умов було виділено та охарактеризовано продукт 31 (Схема 10).

Схема 10

Умови реакції: (i), ацетонітрил, 10 оС; (ii) ГМФТА, 45 оС.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ 6-ПОЛІФТОРАЛКІЛПІРОНІВ-2

Реакційна здатність піронів-2 визначається наявністю спряженої системи зв’язків. Серед реакцій -піронів, що найчастіше використовуються, слід відзначити реакцію Дільса-Альдера та реакції з нуклеофілами. Ми вирішили вивчити реакційну здатність 6-поліфтороалкілпіронів-2, оскільки такі перетворення можуть привести до нових або важкодоступних потенційно біологічно активних поліфторалківмісних речовин.

Реакція Дільса-Альдера 6-поліфторалкілпіронов-2 як 1,4-дієнів. Нами було показано, що нагрівання пірону 3b з -фторостиролом 33 або сумішшю в-фторостиролів 38 в толуені дає тільки один продукт реакції Дільса-Альдера ? N-бензоїл-4-трифторометиланілін 36. орто-Положення фенільного замісника до амідної групи доведено за допомогою РСА. Це дає підставу стверджувати, що реакція іде через утворення проміжної біциклічної сполуки 34 (а не 35, яка мала б давати продукт 37), що легко втрачає CO2 і НF, з формуванням сполуки 36 (Схема 11).

Схема 11

Умови реакції: (i) толуен, 34 доби, 120 °C; (ii) толуен, 40 діб, 120 °C.

Ацетилени та вінілові етери в реакції Дільса-Альдера є синтетичними еквівалентами електронозбагачених галогеналкенів. Так, нагрівання піронів 3b, 8a та 11a з ацетиленами 39 приводить до продуктів 36 з високими виходами (Схема 12, табл. 2). Жорсткі умови проведення реакції не дають можливості зафіксувати, навіть спектрально сполуки 40, які, ймовірно, є проміжними продуктами цих реакцій.

Схема 12

Умови реакції: (i) без розчинника, 1-7 діб, 100-120 C; (іі) ДБУ, метанол, кип’ятіння або МХО.

Таблиця 2

Результат реакції Дільса-Альдера піронів (3b, 8a, 11a) з ацетиленами (39)

Сполука | R | R' | Rf | Вихід, (%)

36a | Ph | H | CF3 | 91

36b | nC5H11 | H | CF3 | 68

36c | CH2Cl | H | CF3 | 62

36d | Ph | H | CF2Cl | 86

36e | Ph | H | C3F7 | 80

36f | Ph | CO2Et | CF3 | 91

36g | Ph | C(O)CF3 | CF3 | 76

4-Трифторометиланіліни 41a,f,g утворюються з високими виходами при кип’ятінні сполук 36а,f,g з двома еквівалентами ДБУ в метанолі (6–10 годин) чи під дією мікрохвильового опромінення (МХО, 1–3 хвилини).

Відомо, що алкілвінілові етери реагують з піронами-2 в більш м’яких умовах, ніж ацетилени. Ми вивчили реакцію пірону 3b з вініловими етерами, оскільки сподівались виділити чи зафіксувати відповідні проміжні біциклічні сполуки. Реакція пірону 3b з ізобутилвініловим етером 42 при 100 °C дає єдиний продукт: ароматичну сполуку 44 – як результат відщеплення CO2 та спирту від адукту реакції Дільса-Альдера 43 (Схема 13). Підчас проведення реакції при 80 °C в 19F ЯМР спектрах реакційної суміші фіксується сигнал в районі –80 м.д., який може відповідати трифторометильній групі біцикло-1,4-гексадієну 43, що виявися нестійким в умовах хроматографічного розділення продуктів реакції.

Схема 13

Умови реакції: (i) без розчинника, 48 годин,100 °C; (іі) толуен, 80 оС; (iіі) без розчинника, 160 оС.

Реакція пірону 3b з циклічними вініловими етерами 45a,b йде лише при 160 °C з утворенням циклогексадієнів 46a,b – продуктів відщеплення CO2 від адуктів реакції Дільса-Альдера типу 43, але без відщеплення спиртової групи (Схема 13).

Нуклеофільні реакції 6-трифторометилпірону-2 3b. Пірони стійкі до елекрофільної атаки, однак легко взаємодіють з нуклеофілами. Ми вивчили дію деяких O- та N-нуклеофілів на 6-поліфторалкілпірони-2 на прикладі доступної трифторометилвмісної сполуки 3b.

Так, метаноліз пірону 3b в присутності органічних основ дає сіль 47. На противагу алкоголізу, гідроліз пірону 3b протікає не так однозначно. В 2N водному розчині лугу пірон 3b розчиняється з утворенням помаранчевого розчину солі 48, що при підкислені дає безбарвний осад дигідропірону 49 (Схема 14).

Схема 14

Умови реакції: (і) MeOH, B; (iі) 2N NaOH; (iіі) HCl.

Реакція б-піронів з первинними амінами має практичне значення для синтезу б-піридонів, представники яких зарекомендували себе як ефективні лікарські препарати та гербіциди. Ми вивчили взаємодію пірону 3b з амінами за різних умов (Схема 15). При реакції пірону 3b з аміаком чи 2-метоксиетиламіном одержуються проміжні дигідропіридони 50a,b, в інших випадках (MeNH2, BuNH2, BnNH2) відповідні дигідропіридони лише фіксувалися 19F ЯМР спектрами реакційних сумішей (Схема 15). Відщеплення води від проміжних дигідропіридонів 50 приводить до піридонів 51.

Схема 15

Умови реакції: (i) NH3, MeOH, 60 oC; (ii) NH2(CH2)2OCH3, толуен, 90oС; (iii) NH2R [R = H (a), (CH2)2OCH3 (b), CH3 (c), (CH2)3CH3 (d), CH2Ph (e)], без розчинника, 100-160 oС.

Сполуки 51а-е можна отримати в одну стадію у більш жорстких умовах. Варто відмітити, що реакція з бензиламіном приводить до суміші продуктів, в якій піридон 51е є основним. Сполука 51е була також отримана з високим виходом шляхом алкілювання піридону 51а бензилбромідом, реакція йде з високою регіоселективністю по ендо-циклічному атому нітрогену (Схема 16).

Схема 16

Умови реакції: (і) MeI, ацетон, KI, K2CO3; (iі) PhCH2Br, ацетон, KI, K2CO3.

На відміну від бензилювання, метилювання піридону 51а дає суміш продуктів 51с (продукт алкілювання по ендо-циклічному атому нітрогену) та 52 (продукт алкілювання по атому оксигену) із співвідношенням 70:30.

СИНТЕЗ ПОЛІФТОРАЛКІЛВМІСНИХ -АМІНОКИСЛОТ

З літературних даних відомо, що відновлення 3-ациламінозаміщених піронів-2 чи піридонів-2 дає д-гідрокси- або д-аміно-б-амінокислоти. З метою розширення використання 6-поліфторалкілпіронів в синтезі біологічно активних сполук, ми вивчили особливості відновлення поліфторалкілвмісних піронів і піридонів, які можуть бути використані для одержання раніше невідомих поліфторалкілвмісних похідних норлейцину та орнітину.

Синтез поліфторалкілпохідних норлейцину. Нами знайдено, що відновлення 6-поліфторалкілпіронів 3b,j,k воднем в метанолі при атмосферному тиску дає суміш діастереомерних метилових естерів 55 та 56 (Схема 17).

Схема 17

Умови реакції: (і) H2, PdCl2, Et3N, MeOH.

Співвідношення продуктів та вихід реакції залежать від природи поліфторалкільного замісника. Найбільш ймовірно, що на першій стадії реакції пірони 3 відновлюються до діастереомерних лактонів 53 та 54, які далі розкриваються метанолом в присутності триетиламіну.

Підтвердженням такої послідовності перетворень може виступати відновлення сполуки 47 (яка утворюється в результаті алкоголізу пірону 3b), що призводить з високим виходом до діастереомерної суміші метоксивмісних кислот 57 і 58 (Схема 18). Одержання кислот 57 і 58, в яких метоксигрупа знаходиться біля трифторометильного замісника, підтверджує наше припущення про послідовність перебігу відновлення пірону 3b в метанолі.

Схема 18

Умови реакції: (і) H2, PdCl2, MeOH; (ii) H+.

У 6-хлордифторометилпіроні 3і відбувається не тільки відновлення подвійних зв’язків піронового циклу, а і перетворення хлородифторометильної групи в дифторометильну з утворенням діастереомерної суміші сполук 55с і 56с з виходом 30% (Схема 19). Як побічні продукти нами були також виділені 6-дифторометилпірон 3k (6%) та 6-метилпірон 3l (20%). Це свідчить про те, що перетворення CF2Cl групи в CF2H відбувається до відновлення піронового циклу. На відміну від сполук з трифторометильною або перфторопропільною групами, перекристалізація діастереомерної суміші 55с та 56с з хлороформу дозволила отримати чистий діастереомер 55с з виходом 40%.

Схема 19

Умови реакції: (і) H2, PdCl2, Et3N, MeOH.

Зважаючи на те, що відновлення 6-поліфторалкілпіронів призводило до утворення сумішей діастереомерних ациклічних продуктів, ми провели відновлення 6-поліфторалкілпіронів в умовах зберігання тетрагідропіранового циклу, що могло б покращити діастереоселективність. Гідрування 6-поліфторалкілпіронів проводили в апротонних розчинниках воднем за відсутності нуклеофілів.

Відновлення 6-трифторометилпірону 3b в ТГФ дає діастереомерно чистий лактон 53а з виходом 90% (Схема 20). Окрім спектральних досліджень, підтвердженням будови лактону 53а є утворення діастереомерно чистого метилового естеру амінокислоти 55а при дії на лактон 53а метанолу в присутності триетиламіну. У випадку гідрування 6-перфторопропілпірону 3j утворюється діастереомерна суміш лактонів 53 та 54 у співвідношенні 85:15. Відновленням дифторометилпірону 3k було отримано діастереомерно чисту сполуку 53 з виходом 40%.

Схема 20

Умови реакції: (i) Pd/C, ТГФ, 20 атм, 1 година (Rf = СF3); (ii) Pd/C, ТГФ, 30 атм, 3-6 годин (Rf = С3F7, СF2Н); (iii) MeOH, Et3N.

На противагу наведеним вище прикладам, гідрування 6-хлородифторометилпірону 3і в ТГФ при тиску водню в 20 атм дало складну суміш продуктів, в якій були зафіксовані пірони 3k,l. Відновлення пірону 3і у метанолі йде більш однозначно, при цьому утворюється суміш діастереомерів 55с і 56с із співвідношенням 50:50 та виходом 80% (Схема 21).

Схема 21

Умови реакції: (i) Pd/C, MeOH, 50 атм.

Обережне нагрівання суміші діастереомерів 55а і 56а в 15% HCl призводить до гідролізу естерної групи з утворенням діастереомерної суміші N-бензоїльованих кислот 59 і 60, із співвідношенням 3:1. Перекристалізацією цієї суміші нам вдалося виділити чистий діастереомер 59 (Схема 22).

Схема 22

Умови реакції: (i) 15% HCl, 60 єС.

Більш жорсткі умови (30% HCl) гідролізу сполук 55а-с і 56а,b; 57 і 58; 59 дозволяють одержати вільні д-гідрокси- та д-метокси-б-амінокислоти як у вигляді діастереомерних сумішей, так і в діастереомерно чистому вигляді (Схема 23).

Схема 23

Умови реакції: (i) 30% HCl, 100-110 єС.

Синтез 4-(2,2,2-трифторо-1-гідроксіетил)глутамінової кислоти. В результаті відновлення піронів 8a та 11а, які в положенні 5 містять етоксикарбонільну чи трифторацетильну групу, ми сподівались одержати нові похідні амінокислот, в яких буде присутня додаткова функціональна група. Крім того, продукт відновлення пірону 8a, повинен призводити до глутамінової кислоти з трифторетилгідроксильною групою в г-положені.

Встановлено, що каталітичне відновлення пірону 8а воднем в метанолі в присутності триетиламіну та PdCl2 дає складну суміш продуктів. Методом колонкової хроматографії було виділено сполуку 63а з виходом 20%, яка утворюється при розкритті піронового циклу з наступним елімінуваням CF3СOОН. Відновлення пірону 11а в тих же умовах дає суміш кетону 63b та гем-діолу 64 в співідношенні 85:15 (Схема 24).

Схема 24

Умови реакції: H2, PdCl2, Et3N, MeOH.

Відновлення пірону 8а в умовах зберігання лактонового циклу призвело до діастереомерно чистої сполуки 65 з виходом 45% (Схема 25). Кислим гідролізом лактону 65 нами було отримано трифторогідроксиетильне похідне глутамінової кислоти 66.

Схема 25

Умови реакції: (i) Pd/C, ТГФ, 25 атм; (iі) 30% HCl, 100-110 єС.

Синтез трифторометилпохідних орнітину. Похідні орнітину (наприклад 5-фторометилорнітин), що містять в положенні 5 фторалкілвмісні замісники, є першими відомими специфічними зворотніми інгібіторами L-орнітин-2-оксид-амінотрансферази. В літературі описано метод синтезу 5-поліфторалкілорнітинів – NH2(Rf)CH (CH2)2CH(NH2)COOH, де Rf = CH2F, CHF2, CHFCl, та вивчено інгібування цими амінокислотами L-орнітин-2-оксидамінотрансферази. Наведений метод синтезу 5-поліфторалкілорнітинів складний і багатостадійний, не дає можливості синтезувати 5-трифторометилорнітин. З метою одержання фторованих похідних орнітину ми дослідили каталітичне відновлення піридонів 51.

Каталітичне відновлення 6-трифторометилпіридонів 51а,с дає діастереомерно чисті лактами 67a,b. Слід зауважити, що на відміну від NМе-піридону 51с, відновлення NH-піридону 51а потребує більш жорстких умов, і при цьому відновлюється бензенове кільце N-бензоїльної групи. При гідролізі лактаму 67b у м’яких умовах утворюється сіль N-бензоїлорнітину 68. Гідроліз лактамів 67 у 30% НСl приводить до похідних орнітину 69 (Схема 26).

Схема 26

Умови реакції: (і) Н2, 5% Pd/C, 80 атм, 60 єС, 4 доби (R = H) або Н2, 5% Pd/C, 20 атм, 20 єС, 4 доби (R = Me); (іі) 15% HCl, 60 єС; (ііі) 30% HCl, 100-110 єС.

Склад та структура всіх нових речовин, одержаних в дисертаційній роботі, були підтверджені елементним аналізом та комплексом спектральних методів (1H, 19F, 13C ЯМР та ІЧ спектроскопії). Для встановлення структури та віднесення сигналів у ЯМР спектрах використовувались методи двомірної спектроскопії. Будова сполук 5b, 28b, 36a, 49b, 55с, 59, 67b була підтверджена рентгеноструктурними дослідженнями.

Первинні медико-біологічні дослідження синтезованих амінокислот. Біологічні дослідження сполук 61а+62a, 61а, 61с, 68, 69b були проведені співробітниками відділу медико-біологічних досліджень ІБОНХ НАНУ к.б.н. Л.О. Метелицею та к.б.н. Л.Л. Чарочкіною.

Проведений на мишах первинний скрінінг сполук дозволяє зробити висновки, що всі вивчені сполуки (окрім 61с) проявляють імуномодулюючу активність, виступають інгібіторами гуморального імунітету, неспецифічної резистентності організму та стимуляторами клітинного імунітету. Сполука 69b – виражений стимулятор клітинного імунітету, вона не має суттєвого негативного впливу на неспецифічну резистентність та гуморальний імунітет, і тому перспективна для подальшого вивчення як потенційний індуктор імунітету.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

АНОТАЦІЯ

Толмачова Н. А. Синтез і хімічні властивості 6-поліфторалкілвмісних піронів-2. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.10 – біоорганічна хімія. – Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії Національної Академії наук України, Київ, 2008.

Дисертаційна робота присвячена синтезу та вивченню хімічних властивостей 3-ациламіно-6-поліфторалкіл-2Н-піра-2-онів. Широкий ряд 3-ациламіно-6-поліфторалкіл-2Н-піран-2-онів був синтезований виходячи з доступних в-алкоксивініл(поліфторалкіл)кетонів з високим виходом.

Знайдено закономірності перебігу реакцій в-алкоксивініл(поліфторалкіл)-кетонів з різноманітними гетероциклічними сполуками, які містять екзо-циклічну активну метиленову групу. Реакція починається з нуклеофільної атаки карбону метиленової групи в-положення енонів. Пірони та піридони утворюються в результаті циклоконденсації за участю естерної чи нітрильної групи, тоді як реакції за участю ендо-циклічного атома нітрогену призводять до піридоазолів.

На прикладі 6-трифторометилпірону-2 вивчено реакцію одержаних 6-поліфторалкілпіронів-2 з O- та N-нуклеофілами і були одержані 3-N-бензоїламіно-6-гідрокси-6-трифтрометил-5,6-дигідро-2Н-піран-2-он, 3-N-бензоїламіно-6-гідрокси-6-трифтрометил-5,6-дигідро-2Н-піридин-2-он, 3-N-бензоїламіно-6-трифторометил-2Н-піридин-2-он. У випадку реакції з циклічними вініловими етерами були отримані дигідробензени.

Досліджена реакція Дільса-Альдера 6-поліфторалкілпіронів-2 з фторостиролами, ацетиленами і вініловими етерами. Розроблено препаративний метод синтезу N-бензоїл-4-поліфторалкіланілінів з 6-поліфторалкілпіронів-2 та ацетиленів.

Виходячи з одержаних поліфторалкілвмісних піронів-2 та піридонів-2 синтезовані невідомі раніше поліфторалкілвмісні похідні норлейцину та орнітину, відповідно.

Ключові слова: 2H-піран-2-он, 2H-піридин-2-он, в-алкоксивініл-(поліфторалкіл)кетони, реакція Дільса-Альдера, норлейцин, орнітин.

АННОТАЦИЯ

Толмачева Н. А. Синтез и химические свойства 6-полифторалкил-содержащих пиронов-2. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.10 – биоорганическая химия. – Институт биоорганической химии и нефтехимии Национальной Академии наук Украины, Киев, 2008.

Диссертационная работа посвящена синтезу и изучению химических свойств 6-полифторалкилпиронов-2.

Показано, что доступные в-алкоксивинил(полифторалкил)кетоны являются удобными исходными веществами для синтеза различных 6-полифторалкил-3-ациламинопиронов-2. Исследовано влияние природы заместителей в N-ацилглицинах и в енонах на протекание реакций.

Исследованы реакции полифторалкиленонов с различными гетероциклическими соединениями, содержащими, в положении 2 активную метиленовую группу, дополнительно активированную электроноакцепторным заместителем. Показано, что структура образующихся продуктов зависит от природы гетероциклического остатка и электроноакцепторной группы, а также от условий проведения реакций. Во всех случаях реакция начинается с нуклеофильной атаки активной метиленовой группы по в-положению енона с последующим образованием нового гетероциклического фрагмента. Получены и/или зафиксированы с помощью ЯМР спектров промежуточные продукты реакции и установлена их структура. В ходе исследований синтезированы пироны и пиридоны (продукты циклоконденсации с участием сложноэфирной или нитрильной групп) и имидазо-, бензимидазо-, бензтиазопиридины (продукты реакции по эндо-циклическому атому азота).

Показано, что 6-полифторалкилпироны являются эффективными диенами в реакции Дильса-Альдера с фторстиролами, ацетиленами и алкилвиниловыми эфирами. Установлено, что [4+2]-циклоприсоединение 3-N-бензоиламино-6-трифторметил-2-пирона с циклическими виниловыми эфирами дает дигидробензолы.

Исследованы реакции 3-N-бензоиламино-6-трифторметил-2-пирона с N- и O-нуклеофилами, разработаны удобные методы синтеза 3-бензоиламино-6-трифторметил-5,6-дигидро-6-гидроксипиронa-2, 5,6-дигидро-6-гидроксипиридо-нов-2 и пиридонов-2. Изучена региоселективность метилирования и бензилирования NH-пиридона.

Разработан удобный метод синтеза 5-полифторалкил-5-гидроксинорлейцинов, 5-трифторметил-5-метоксинорлейцина и 4-(2,2,2-трифтор-1-гидроксиэтил)глутами-новой кислоты. Данные соединения были получены как в виде диастереомерных смесей так и диастереомерно чистых веществ. Восстановление 6-трифторметилпиридонов является удобным и эффективным методом получения диастереомерно чистых трифторметилпроизводных орнитина.

Ключевые слова: 2H-пиран-2-он, 2H-пиридин-2-он, в-алкоксивинил-(полифторалкил)кетоны, реакция Дильса-Альдера, норлейцин, орнитин.

ANNOTATION

Tolmachova N. A. Synthesis and сhemical properties of 6-polyfluoroalkyl containing pyrones-2. – A manuscript.

Dissertation for the candidate of chemical science degree in speciality 02.00.10 – Bioorganic chemistry. – Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2008.

The thesis is devoted to the synthesis and chemical properties of 3-acylamino-6-polyfluoroalkyl-2H-pyran-2-ones. A number of 3-acylamino-6-polyfluoroalkyl-2H-pyran-2-ones ware synthesized from в-alkoxyvinyl polyfluoroalkyl ketones and N-acylglycines in acetic anhydride in high yields.

The reaction of fluorinated enones with thiazoles, imidazole, benzimidazoles and benzthiazoles bearing at the position 2 methylene group activated by electron withdrawing substituents ware studied. The reaction starts with nucleophilic attack of the methylene carbon at the в-position of the enones. If a thiazole ring is in the starting methylene compounds, pyrones or pyridones were formed, respectively, due to the participation of ester or nitrile groups in heterocyclization. In other cases, imidazo-, benzimidazo- or benzthiazo-pyridines were formed by the participation of the nitrogen atom of corresponding azole rings in heterocyclization.

Under investigation of chemical properties of trifluoromethyl-containing 2H-pyran-2-one the reactions with O- and N-nucleophiles were studied and 3-N-benzoylamino-6-hydroxy-6-trifluoromethyl-5,6-dihydro-2H-pyran-2-one, 3-N-benzoylamino-6-hydroxy-6-trifluoromethyl-5,6-dihydro-2H-pyridin-2-one and 3-N-benzoylamino-6-trifluoromethyl-2H-pyridin-2-ones were obtained.

Also, a new practical method for regioselective synthesis of the N-benzoyl-4-polyfluoroalkylanilines by thermal Diels-Alder cycloaddition of 6-polyfluoroalkylpyran-2-ones and fluorostyrenes, acetylenes or vinyl ethers is described. In the case of the reaction of the pyrone with cyclic vinyl ethers the dihydrobenzenes were obtained.

The reduction of the obtained pyrones or pyridones affords corresponding 5-polyfluoroalkylnorleucines or 5-trifluoromethylornithines both as diastereomeric mixtures and as diastereomerically pure compounds.

Key words: 2H-pyran-2-ones, 2H-pyridin-2-ones, в-alkoxyvinyl polyfluoroalkyl ketones, Diels-Alder reaction, norleucine, ornithine.