На правах рукописи

СОЛИЕВА Наталья Зоировна

КИНЕТИЧЕСКОЕ И ДИНАМИЧЕСКОЕ КИНЕТИЧЕСКОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ

РАЦЕМИЧЕСКИХ АМИНОВ ПРОИЗВОДНЫМИ ХИРАЛЬНЫХ КИСЛОТ

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Екатеринбург 2008 2

Работа выполнена в лаборатории асимметрического синтеза Института органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения Российской академии наук (г. Екатеринбург).

Научный руководитель профессор, доктор химических наук Краснов Виктор Павлович

Научный консультант старший научный сотрудник, кандидат химических наук Жданова Елизавета Александровна

Официальные оппоненты профессор, доктор химических наук Шкляев Юрий Владимирович, Институт технической химии, Пермь профессор, доктор химических наук Сосновских Вячеслав Яковлевич, УрГУ, Екатеринбург

Ведущая организация Институт химии Коми НЦ УрО РАН

Защита состоится «20» октября 2008 г. в 15 : 00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.08 в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет им.

Первого Президента России Б.Н. Ельцина, по адресу: ул. Мира 28, третий учебный корпус УГТУ-УПИ, аудитория Х-420.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, К-2, Уральский государственный технический университет.

Ученому секретарю совета Университета факс (343)375-41-35, e-mail: [email protected]

Автореферат разослан «20» сентября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат химических наук Т.А. Поспелова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Получение энантиомеров соединений различных классов является одной из важнейших и стремительно развивающихся областей органической химии. Среди разнообразных методов синтеза стереоизомеров органических соединений особое место занимают методы разделения.

В последнее десятилетие получили существенное развитие методы оптического кинетического разделения (КР) рацематов. Метод КР основан на разности скоростей превращения индивидуальных стереоизомеров рацемата в реакциях с хиральным реагентом и/или катализатором. Процессы КР могут входить в качестве составной части в более сложные процессы, например процессы динамического кинетического разделения (ДКР).

Метод ДКР, позволяющий, по крайней мере, в принципе превратить смесь энантиомеров в оптически чистый продукт реакции привлекает в настоящее время самое пристальное внимание исследователей.

Возможности методов КР активно изучаются. Наиболее сложной проблемой его применения является невозможность предсказать заранее, насколько эффективным будет применение конкретного расщепляющего агента. Поэтому исследование реакций КР и ДКР, позволяющих выявить факторы, определяющие стереохимический результат процесса, являются весьма актуальными.

В последнее время в лаборатории асимметрического синтеза ИОС им. И.Я. Постовского УрО РАН проводятся исследования, направленные на изучение закономерностей процессов КР под действием ацилирующих агентов. Показано, что сравнительно простые по строению производные хиральных кислот (арилпропионовых кислот, аминокислот) могут служить эффективными реагентами для КР гетероциклических аминов.

В настоящей работе изучены процессы ДКР, протекающие при синтезе пептидов методом смешанных ангидридов и возможность использования метода КР для разделения рацематов ряда хиральных аминов. В качестве производных хиральных кислот были изучены оксазолоны N-ациламинокислот и хлорангидриды напроксена и N-тозил-(S)-пролина.

Целью работы являлось изучение процессов КР и ДКР рацематов хиральных аминопроизводных под действием ацилирующих асимметрических реагентов, производных хиральных кислот, в первую очередь, аминокислот, определение влияния различных факторов на стереохимический результат реакции и разработка новых методов синтеза и анализа ряда практически важных продуктов.

Настоящая работа выполнена как часть плановых научно-исследовательских работ, проводимых в Институте органического синтеза УрО РАН по теме: «Разработка методов стереоселективного синтеза соединений различных классов с использованием оптически активных аминокислот и их производных» (Гос. рег. № 01.2.00 1 05150), а также в рамках проекта РФФИ (грант № 00-03-32776 «Изучение механизмов и закономерностей процесса кинетического разделения стереоизомеров в ряду гидрированных производных бензоксазина и хинолина»), гранта «Поддержка ведущих научных школ» НШ 1766.2003.3 и Государственного контракта № 02.522.11.2003 «Разработка технологий получения и выпуск опытных партий синтетических препаратов, обладающих избирательным действием на генетический аппарат, с целью лечения заболеваний вирусной и опухолевой природы».

Научная новизна. Найдены условия взаимодействия 2-метил-4-фенилоксазол-5(4Н)-она с производными аминов, обеспечивающие быструю рацемизацию исходного соединения и позволяющие эффективно проводить процессы ДКР. Впервые проведено сравнительное изучение ДКР в реакциях оксазолонов, полученных из N-ацетил-, N-трифторацетил- и Nадамантан-1-карбонил)фенилаланина с эфирами (S)-аминокислот. Показано, что на диастереоселективность в синтезе дипептидов N-ацилфенилаланина из соответствующего оксазолона наибольшее влияние оказывает строение боковой цепи аминокомпоненты.

Природа (объем) эфирной группы аминокомпоненты слабо влияет на стереохимический результат реакции. Увеличение объема ацильной группы приводит к уменьшению диастереоселективности процесса.

Впервые показано, что введение хиральной N-ацильной группы, фрагмента (S)напроксена, в молекулу аминокислоты, позволяет непосредственно наблюдать образование и взаимное превращение стереоизомеров 5(4Н)-оксазолона в процессе синтеза дипептидов методом смешанных ангидридов, а также влияние основания на этот процесс.

Впервые проведено сравнительное изучение КР рацемических аминов и этиловых эфиров рацемических аминокислот в зависимости от их строения с помощью хлорангидрида напроксена. Показано, что, в отличие от производных бензоксазина и хинальдина, существенного КР указанных соединений не происходит. Исключение представляет анабазин (de 46%). Разработан оригинальный метод определения оптической чистоты анабазина методом ЯМР с предварительной дериватизацией.

Практическая значимость. Для противоопухолевого препарата лизомустин разработан метод определения энантиомерной чистоты на основе анализа на хиральной стационарной фазе методом ВЭЖХ метилового эфира N2,N6-дифталоил-(S)-лизина, полученного из (S)-лизина, образующегося в результате гидролитического разложения лизомустина.

Найдены условия реакции, обеспечивающие избирательное образование (S,R-R,S) диастереомерного рацемата этилового эфира N-ацетилфенилаланилвалина, промежуточного продукта в синтезе противоопухолевого препарата цифелин. Найдены условия реакции, обеспечивающие избирательное образование и высокий выход (S,R-R,S) диастереомерного рацемата этилового эфира N-{N-ацетил-4-[ди-(2-хлорэтил)амино]-фенилаланил}-валина, полупродукта синтеза цифелина, позволяющие существенно повысить эффективность его получения.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи, 1 патент и сделаны доклады с опубликованием тезисов на 16 международных и российских конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав и выводов, изложенных на 170 стр., включает 7 рисунков и 17 таблиц, список литературы ( наименований). В первой главе приведен аналитический обзор литературы об использовании оксазол-5(4Н)-онов в стереоселективном синтезе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 2. Исследование ДКР оксазолонов в реакции с производными аминов В соответствии с целью работы были исследованы закономерности процессов ДКР при взаимодействии оксазолонов, полученных из производных N-ацилфенилаланина, с различными аминопроизводными: эфирами аминокислот, жирноароматическими и гетероциклическими аминами.

Производные фенилаланина были выбраны по двум причинам. Во-первых, эти соединения поглощают в УФ области спектра, поэтому их содержание легко можно определить методом ВЭЖХ с УФ детектированием. Во-вторых, производное фенилаланина, сарколизин, входит в состав ряда цитотоксических пептидов, применяемых в клинической онкологии.

Известно, что синтез пептидов методом смешанных ангидридов по классической двустадийной методике, заключающейся в проведении активации кислотной компоненты алкилхлорформатом в присутствии третичного основания и дальнейшей её конденсации с аминокомпонентой, сопровождается существенной рацемизацией. N-Ациламинокислоты, активированные по карбоксильной группе, легко циклизуются в производные 5(4Н)оксазолонов, которые, взаимодействуя с эфирами аминокислот, дают смеси диастереомеров пептидов. В случае, если рацемизация 5(4Н)-оксазолона протекает быстро, стереохимический результат реакции определяется относительными скоростями взаимодействия стереоизомеров 5(4Н)-оксазолона с аминокомпонентой и образование дипептида представляет процесс ДКР.

На примере 5(4Н)-оксазолонов, полученных из N-ацилфенилаланина, изучены факторы, определяющие стереохимический результат их взаимодействия с эфирами аминокислот, различающихся строением боковой цепи и эфирной группы. Для проведения сравнительных исследований, первоначально были отработаны условия реакций ДКР. Показано, что наилучшие результаты обеспечивает проведение процесса в тетрагидрофуране (ТГФ) с использованием 20 % мольного избытка триэтиламина (ТЕА).

Изучение влияния на диастереоселективность реакции строения боковой цепи аминокомпоненты реакции между 1 и эфирами аминокислот 4-12 проводили при температуре -13°С с последующим повышением до 20°С. Время на стадии активации составило 30 мин, после чего к полученному раствору добавляли гидрохлорид эфира аминокислоты, нейтрализованный эквимолярным количеством ТЕА и выдерживали в течение суток.

Реакционные смеси фильтровали, упаривали досуха, растворяли в хлороформе, промывали растворами соды, соляной кислоты и воды, а затем сушили сульфатом натрия. Такая обработка реакционной смеси позволяла удалить исходные вещества, не изменяя состав и соотношение диастереомеров продуктов реакции. Анализ смесей диастереомеров проводили методами ВЭЖХ и ЯМР 1Н спектроскопии. Соотношение диастереомеров продуктов считали определенным правильно, если оба метода давали близкие результаты. Такой подход обусловлен тем, что в ходе конденсации могли образоваться примеси неустановленной природы, которые могли исказить результаты анализа, наложившись на хроматографические пики диастереомеров, или их сигналы в спектрах ЯМР.

4,13 R = Me, R' = Me, 5,14 R = Bn, R' = Me, 6,15 R = iPr, R' = Me, 7,16 R = Me, R' = Et, 8,17 R = Bn, R' = Et, 9,18 R = (CH2)2-COOEt, R' = Et, 10,19 R = iPr, R' = Et, a: (S,S)-диастереомер, b: (R,S)-диастереомер Для отнесения сигналов использовали индивидуальные (S,S)-диастереомеры 13а-21а, полученные методом, исключающим рацемизацию. В этом случае применяли Nметилморфолин (NMM) в качестве третичного основания, время на стадии активации составляло 2 мин, все загружаемые в реакцию компоненты брали в эквимолярном соотношении. Следует отметить, что, несмотря на все предосторожности, предпринятые с целью уменьшить рацемизацию, дипептиды содержали от 2 до 9% (R,S)-диастереомера.

Перекристаллизация из ацетона приводит к выделению индивидуального (S,S)диастереомера.

Влияние строения боковой цепи и природы эфирной группы аминокомпоненты на 18a,b Ac-Phe-(S)-Glu(OEt)2 31,0 69,0 сигналы перекрываются 70, Диастереоселективность процесса зависит от природы боковой цепи аминокомпоненты.

Во всех случаях были получены смеси диастереомеров с преобладанием (R,S)-диастереомера 13b-19b соответствующего дипептида (табл. 2.1). Наблюдается тенденция к увеличению количества (R,S)-диастереомера с усложнением строения боковой цепи аминокомпоненты в ряду Ala < Phe < Glu < Val.

Нами показано, что при проведении процесса при комнатной температуре в реакционной массе также преобладает (R,S)-диастереомер дипептида (de от 31,2% (16a,b) до 58,4% (19a,b) по данным ВЭЖХ) и стереохимический результат практически не зависит от температуры. Это позволило упростить процедуру пептидного синтеза, проводя его при комнатной температуре.

При исследовании влияния природы эфирной группы анализ диастереомерного состава полученных смесей дипептидов 15, 19, 20, 21 проводили методами ВЭЖХ и ЯМР 1Н спектроскопии, при этом диагностическими группами служили метильные группы валина (табл. 2.1).

Из приведенных в табл. 2.1 данных следует, что вне зависимости от строения эфирной группы в пептидах 15, 19, 20, 21 все полученные смеси обогащены (R,S)-диастереомерами (69-75%). Следует отметить также тенденцию к некоторому уменьшению диастереоселективности с ростом объема эфирной группы. Таким образом, объем эфирной группы слабо влияет на стереохимический результат реакции, в отличие от влияния строения боковой цепи аминокислот. По-видимому, стереодифференциация определяется взаимодействием наиболее близких к реакционным центрам групп, каковой в данном случае является боковая цепь аминокислоты.

Отмечено, что характерным признаком принадлежности дипептидов к (S,S)- или (R,S)ряду является величина AB – разность химических сдвигов неэквивалентных протонов CH2-группы фенилаланина в спектрах ЯМР 1Н. Для всех дипептидов N-ацетилфенилаланина имеет место соотношение RSAB >> SSAB. Следует отметить, что в (R,S)-дипептидах 15b, 19b – 21b RSAB возрастает с увеличением объема эфирной группы R в валине, тогда как в (S,S)изомерах SSAB практически равна нулю, за исключением случая R = tBu.

Методом спектроскопии ЯМР 1Н и 13C нами получено прямое доказательство образования 5(4Н)-оксазолона в качестве промежуточного продукта в изученном процессе.

Для этого к раствору N-ацетил-(S)-фенилаланина и ТЕА в CDCl3 при комнатной температуре добавляли эквимолярное количество этилхлорформата (ЭХФ). В спектре ЯМР 1Н помимо сигнала при 4,73 м.д., относящегося к CH протону исходного соединения 1, наблюдается сигнал C(4)H оксазолона с химическим сдвигом 4,45 м.д. в виде дублета дублетов квартетов регистрируется в области 2,09 м.д. с константой 2,0 Гц, тогда как в исходном соединении этот сигнал проявляется в виде синглета при 1,96 м.д. Наличие дальнего спин-спинового взаимодействия через пять связей между протоном C(4)H и протонами метильной группы при атоме C(2) доказано с помощью 2D эксперимента COSY-LR, оптимизированного для регистрации дальних протон-протонных КССВ. Такое гомоаллильное взаимодействие является характерным признаком спектров ЯМР 1H 5(4Н)-оксазолонов и ранее описано на примере 2,4-диметилоксазолона-5.

В спектре ЯМР 13C оксазолона 3 сигнал углерода C(4) смещен в слабое поле 65,98 м.д.

по сравнению с исходным соединением 1 (-CH 54,31 м.д.), тогда как сигнал метильной группы сдвигается в сильное поле 13,96 м.д. (23,21 м.д. – в исходном). Отнесение сигналов протонированных атомов углерода подтверждено двумерным экспериментом HETCOR.

Для количественной оценки относительной скорости образования и рацемизации оксазолона в процессе реакции в качестве модельного соединения был использован N-[(2S)-2метоксинафтил-2)пропионил]-(2S)-фенилаланин 22, который действием ЭХФ превращали в оксазолон 23. Реакцию между амидом 22, ЭХФ в присутствии ТЕА в растворе CDCl проводили при комнатной температуре.

В результате реакции образовывались диастереомерные оксазолоны (S,S)-23 и (S,R)-23, которые возможно различить в ЯМР 1Н спектрах благодаря наличию двух асимметрических центров. Характерными сигналами являются триплеты дублетов С(4)Н оксазолонового фрагмента: 4,49 м.д. (3JC4H, CH2 = 5,2 Гц; 5JC4H, CH-Nap = 1,0 Гц) и 4,51 м.д. (3JC4H, CH2 = 5,2 Гц;

JC4H, CH-Nap = 2,1 Гц) для (S,S)-23 и (S,R)-23, соответственно (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Фрагмент ЯМР 1H (400 МГц) спектра соединения 23 в растворе CDCl При проведении реакции со стехиометрическим количеством TEA, суммарное содержание оксазолонов через 10 мин после смешения реагентов составило 40%, а соотношение (S,S)-23 и (S,R)-23 83:17. Через 8 ч общее содержание оксазолонов увеличилось до 60%, а соотношение (S,S)-23 и (S,R)-23 стало 60:40. Через 30 ч наблюдалась полная рацемизация. При проведении реакции с 20% мольным избытком TEA, как скорость образования оксазолона, так и скорость его рацемизации существенно увеличились. Уже через 10 мин после смешения реагентов суммарное содержание оксазолона 23 составило 98%. При этом наблюдалась полная рацемизация. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что 2-замещенные 5(4Н)-оксазолоны образуются во время пептидного синтеза оптически чистыми, а затем рацемизуются в ходе реакции под действием основания.

Введение хиральной N-ацильной группы, фрагмента (S)-напроксена, в молекулу аминокислоты позволило непосредственно наблюдать образование и взаимное превращение стереоизомеров 5(4Н)-оксазолона 23 в процессе синтеза дипептидов N-ацилфенилаланина методом смешанных ангидридов.

2.3. Реакции ДКР N-трифторацетилфенилаланина В случае смешанных ангидридов трифторацетиламинокислот процесс рацемизации протекает через образование 2-трифторметилпсевдооксазолона-(5) 26. Нами изучены условия реакции ДКР при получении диастереомерных дипептидов N-трифторацетилфенилаланина:

температуры реакции, строения боковой цепи и защитной эфирной группы второй аминокислоты на стереохимический результат.

R TFA NH O

7,27 R = Me, R' = Et, 10,28 R = iPr, R' = Et, 8,29 R = CH2Ph, R' = Et, 9,30 R = (CH2)2COOEt, R' = Et, 6,31 R = iPr, R' = Me, 11,32 R = iPr, R' = tBu, 12,33 R = iPr, R' = Bn a: (S,S)-диастереомер, b: (R,S)-диастереомер Установлено, что в условиях проведения процесса, использованных для Nацетилпроизводных, образуется значительное количество этилового эфира N-изобутилкарбомоил-(S)-валина, уретана, 34 и в реакционной смеси остается не вступивший в реакцию псевдооксазолон 26. В результате исследования влияния условий реакции (растворитель, время активации, избыток основания и т.д.) на процесс ДКР в синтезе пептидов N-трифторацетилфенилаланина было установлено, что наилучшие результаты обеспечивает использование температуры +40°С, времени на стадии активации 30 мин и 20%-ного избытка ТЕА. Специальным экспериментом показано, что в этих условиях отсутствует рацемизация аминокомпоненты.

Обычно применяемый для анализа таких смесей метод ВЭЖХ оказался непригоден.

Поэтому анализ смесей диастереоизомеров проводили методами ГЖХ и ЯМР 1Н спектроскопии.

Диастереомерный состав дипептидов N-трифторацетилфенилаланина 28a,b 30a,b 31a,b 32a,b 33a,b Как видно из приведенных данных, во всех случаях образуется больше (S,S)диастереомера дипептида N-трифторацетилфенилаланина. Диастереоселективность реакции незначительно зависит от природы боковой цепи (соединения 27a,b–30a,b). Наибольшее значение стереоселективности обнаружено в случае дипептида 29a,b, что, по-видимому, связано с влиянием ароматического кольца аминокомпоненты на устойчивость образующегося промежуточного комплекса.

Влияние природы эфирной группы аминокомпоненты исследовано на примере эфиров валина, наиболее стерически затрудненной аминокислоты (соединения 28a,b, 31a,b-33a,b).

Наибольшая диастереоселективность наблюдается в случае использования в качестве защиты карбоксильной функции метильной группировки (соединение 31a,b). В целом, усложнение диастереоселективности, за исключением бензильного производного.

Таким образом, показано, что в случае синтеза дипептидов из рацемического Nтрифторацетилфенилаланина, в отличие от N-ацетилфенилаланина, преимущественно образуется (S,S)-диастереомер. Такое различие в стереохимическом результате реакции связано с различной реакционной способности промежуточных оксазолонов 26 и 3. Таким образом, варьируя N-защитные группы фенилаланина, можно влиять на стереохимический результат ДКР при синтезе пептидов.

2.4. Реакции ДКР N-(адамантан-1-карбонил)фенилаланина Для исследования роли N-ацильной защитной группы в процессах ДКР нами проведены сравнительные исследования N-ацетильной и N-адамантан-1-карбонильной групп.

Предполагалось, что последняя, в силу своего объемного строения, может существенно повлиять на результат ДКР в синтезе дипептидов. Кроме того, производные адамантана обладают разнообразной биологической активностью и такого рода пептиды могут представлять существенный интерес.

Синтез исходного N-(адамантан-1-карбонил)-(R,S)-фенилаланина 38 проводили путем ацилирования хлорангидридом адамантан-1-карбоновой кислоты 36 метилового эфира (R,S)фенилаланина с последующим омылением водно-ацетоновым раствором NaOH.

Дипептиды 40a,b–43a,b синтезировали в растворе ТГФ в присутствии ЭХФ и 20% избытка ТЕА при комнатной температуре:

Adm NH Adm:

К образующемуся промежуточному оксазолону 39 добавляли растворы этиловых эфиров (S)-аминокислот, полученных нейтрализацией гидрохлоридов эфиров ТЕА. Для отнесения сигналов в спектрах ЯМР 1Н и на ВЭЖХроматограммах использовали индивидуальные (S,S)диастереомеры 40a – 43a, синтезированные в условиях, исключающих рацемизацию.

Диастереомерный состав и выходы дипептидов 40a,b – 43a,b 40a,b 41a,b 43a,b 43a,b Как видно из данных табл. 2.3, в синтезе соединений 40a,b – 43a,b образуются смеси, преимущественно содержащие (R,S)-диастереомер дипептида. Стереоселективность реакции