Возобновляемые ресурсы для синтеза биологически активных соединений: 5-гидроксиметилфурфурол в многокомпонентной химии изоцианидов: 2019 г. этап 2

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

В современном мире ископаемые углеводороды – нефть и газ – являются основными источниками не только энергии, но и исходного сырья для всей химической промышленности. В то же время снижающиеся запасы ископаемого сырья вместе с растущими потребностями, а также связанная с добычей и переработкой нефти и газа нагрузка на окружающую среду делают насущной проблему поиска альтернативных источников сырья для химической промышленности. И в первую очередь к ним можно отнести биомассу и органические соединения, получаемые непосредственно из неё – например, 5-гидроксиметилфурфурол (5-ГМФ). Поиск путей трансформации таких соединений в обладающие полезными свойствами более сложные продукты представляет собой актуальную проблему развития химической промышленности, а её решение является необходимым шагом на пути человечества к более чистому “зелёному” будущему. В данном проекте мы реализуем синтез разнообразных 5- и 6-членных би- и трициклических гетероциклических структур (часть из которых практически не описана в литературе на сегодняшний день), отвечающий ряду принципов “зелёной” химии:
1. Центральным объектом исследования является 5-гидроксиметилфурфурол – доступный из растительных источников “строительный блок”. Изучение синтетического потенциала этого соединения само по себе представляет собой актуальную задачу современной органической химии.
2. Предложенная синтетическая стратегия использует чрезвычайно эффективные методы с точки зрения инкорпорирования исходных соединений в структуру конечных продуктов (т.е. атом-экономные реакции). Формально, единственными побочными продуктами при переходе от исходных соединений к конечным являются две молекулы воды.
3. Важной особенностью является то, что 5-ГМФ будет использован без постановки защиты на гидроксильную группу. Отсутствие необходимости постановки и снятия защитных групп снижает и временные, и экономические затраты, а также снижает нагрузку на окружающую среду (меньше синтетических стадий – меньше актов очистки и выделения).
Кроме этого, предложенная синтетическая стратегия является экономически выгодной, поскольку не предполагает использования дорогостоящих катализаторов и вспомогательных веществ.
Наконец, некоторые из полученных соединений будут протестированы на сродство в отношении ряда мишеней ЦНС, благодаря чему мы надеемся обозначить возможности дальнейшего практического применения результатов, полученных в ходе реализации данного проекта.

основные результаты по проекту в целом

В соответствии с общим планом работ, на первом этапе реализации проекта была изучена тандемная реакции Уги/Дильса-Альдера с участием 5-гидроксиметилфурфурола (5ГМФ) и альфа,бета-непредельными кислотами (моноэфиры и моноамиды фумаровой и малеиновой кислот, коричные кислоты) (схема 1 и таблица 1). Эти реакции проводились нами по недавно разработанной методике, позволяющей генерировать изоцианиды прямо в реакционной смеси. Помимо отсутствия контакта экспериментатора с обладающими неприятным запахом изонитрилами такой подход открывает доступ к использованию малоустойчивых изонитрилов. Условия проведения синтеза были тщательно оптимизированы, результаты оптимизации представлены в таблице 2. Далее, установив оптимальные условия, мы продемонстрировали широту применимости предложенного нами подхода, получив ряд трициклических продуктов. Для этого нами были использованы, в общей сложности, 9 различных кислот, 10 аминов и 9 изоцианидов. Конечные продукты были получены в виде единственного диастереомера с умеренными выходами, причём реакция протекала стереоспецифично: так, использование цис-замещённых кислот приводило к получению 3S,3aS,6R,7R,7aR продуктов, в случае транс-кислот – к 3S,3aS,6R,7S,7aR. Стереохимическое строение подтверждено, в том числе, данными рентгеноструктурного анализа (рисунок 1). Результаты этой работы отражены в первой статье (Tetrahedron Letters, 2019, 60, 1578-1581).
Продолжая исследования в области “безызоцианидных” реакций, мы предприняли попытку проведения синтеза с генерируемыми in situ аллил и пропаргил изонитрилами (схема 2). Будучи летучими, эти соединения обладают крайне сильным и резким запахом, что делает нерациональным их выделение и использование в чистом виде. После многочисленных попыток мы убедились в том, что этот подход не позволяет добиться удовлетворительных результатов. В одном из экспериментов нам удалось с невысоким выходом выделить промежуточный продукт реакции Уги, однако попытки проведения дальнейшей внутримолекулярной реакции Дильса-Альдера оказались безуспешными и приводили лишь к осмолению. Таким образом, данное направление исследования было остановлено, и мы перешли к реакциям с N-аллилиминами 5ГМФ.
С учётом накопленного опыта третью серию реакций было решено проводить в классическом варианте, т.е. с использованием чистых заранее приготовленных изонитрилов (схема 3). Даже в таком варианте реакция протекает с умеренными выходами, однако после небольшой оптимизации нам удалось найти условия, в которых аддукты Уги/Дильса-Альдера являются единственными продуктами реакции. Затруднением здесь стал тот факт, что продукты образуются в виде диастереомерных смесей, выделение чистых диастереомеров из которых сопряжено со значительными потерями. Так, для соединения 3а суммарный выход двух диастереомеров по данным спектроскопии ЯМР реакционной смеси составил чуть более 60%. Выделение чистых диастереомеров потребовало проведения трёх очисток препаративной колоночной хроматографией (грубое разделение изомеров, при котором каждый из них выделяется вместе с неидентифицируемыми примесями; тонкая очистка каждого из диастереомеров), и конечные продукты были выделены с выходами 21% и 26%; потери составили более 10% даже с учётом погрешности при определении выхода по ЯМР. Выделить чистую смесь диастереомеров нам также не удалось. Решением проблемы могла бы стать ароматизация эпоксиизоиндолинов. Действительно, при этом шестичленный цикл уплощается, и в структуре продукта остаётся только один центр хиральности, а значит, оба диастереомера должны дать один и тот же продукт в виде рацемата. Поэтому следующей задачей стал подбор условий дегидратации/ароматизации полученных аддуктов реакции Уги/Дильса-Альдера. Мы опробовали разнообразные литературные методики, использовали различные по природе кислотные реагенты и растворители при температурах от комнатной и до 150 °С, однако пока не смогли добиться удовлетворительных результатов (схема 4). Во всех случаях мы наблюдаем либо отсутствие реакции, либо осмоление. Тем не менее, работы по данному направлению продолжаются. Мы провели ряд экспериментов с определение выходов продуктов по спектрам ЯМР реакционных смесей и выяснили, что к реакции применимы различные по природе субстраты; интересно, что в качестве кислотной компоненты может быть использован пара-нитрофенол, в результате реализуется тандем реакция Уги/перегруппировка Смайлса/реакция Дильса-Альдера (таблица 3).
Наконец, для соединений, полученных на первом этапе работы, была проведена оценка ингибирующей способности к нейтрофильной эластазе. Тест на гидролиз флуорогенного субстрата MeOSuc-Ala-Ala-Pro-Val-AMC показал наличие умеренной ингибирующей способности у некоторых из синтезированных соединений по сравнению с известным ингибитором AZD-9668 (Alvelestat) (график 1). После отработки метода синтеза изоиндолинов 3 мы планируем оценить их ингибирующую способность, и вместе эти данные станут основой для второй публикации по проекту.

описание вклада в работу каждого из участников (учётная форма ЦИТиС)

Голубев П.Р. - общее руководство; выполнение синтетической работы, выделение и очистка продуктов, а также их физико-химическая характеризация; подготовка материалов для публикации (в т.ч. поиск литературы); написание манускрипта, подача в журнал, доведение до публикации; подготовка отчётности по проекту.
Панькова А.С. - выполнение синтетической работы, выделение и очистка продуктов, а также их физико-химическая характеризация; подготовка материалов для публикации (в т.ч. поиск литературы).
АкронимRFBR_mol_a_2018 - 2
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания8/08/1910/03/20

Ключевые слова

  • возобновляемые ресурсы
  • 5-гидроксиметилфурфурол
  • многокомпонентные реакции
  • реакция Уги
  • реакция Дильса-Альдера
  • азотистые гетероциклы

Fingerprint

Просмотреть темы исследований, затронутые в этом проекте. Эти метки созданы на базе основных наград/грантов. Вместе они формируют уникальную картину активности.