FERROCÉNTARTALMÚ BIOKONJUGÁTUMOK ELŐÁLLÍTÁSA HOMOGÉNKATALITIKUS KARBONILEZÉSSEL

Átírás

1 PA EGYETEM FERRCÉTARTALMÚ BIKJUGÁTUMK ELŐÁLLÍTÁSA MGÉKATALITIKUS KARBILEZÉSSEL A PhD ÉRTEKEZÉS TÉZISEI Készítette: Balogh János okleveles vegyészmérnök Témavezető: Skodáné Dr. Földes Rita Egyetemi tanár Pannon Egyetem Kémiai és Környezettudományok Doktori Iskola Kémia Intézet Szerves Kémia Intézeti Tanszék Veszprém 2011

2 I. ELŐZMÉYEK ÉS CÉLKITŰZÉS A ferrocén 1951-es felfedezése fontos mérföldkő volt a fémorganikus kémia területén. Az első szendvics-komplex - különleges szerkezetének megismerését követően - egyből a preparatív kémikusok célkeresztjébe került, akik a későbbiekben számos eljárást dolgoztak ki a legkülönbözőbb ferrocénszármazékok szintézisére. A biomolekulák valamint a biológiai aktivitással rendelkező vegyületek ferrocénnel való összekapcsolása az utóbbi évtizedekben egyre inkább az érdeklődés középpontjába került, mivel ezek a vegyületek sokrétű felhasználhatósága számos területen (anyagtudományok, farmakológia, bioszenzorok valamint molekula- és ionreceptorok tervezése) bizonyított. A ferrocénszármazékok - előbb említett kedvező tulajdonságaiknak köszönhetően - a gyakorlatban mind nagyobb jelentőségre tesznek szert, ami a szintézisük minél gazdaságosabb, hatékonyabb megvalósítását teszik szükségessé. Munkám során alapvető célom a ferrocénváz és különféle biológiai aktivitással rendelkező vegyületek összekapcsolása volt átmenetifém-katalizált karbonilezési reakciókban. Csoportunk korábban bizonyította, hogy a jód-ferrocén aminosavészterek jelenlétében palládium katalizált folyamatban karbonilezhető. Az átalakítás során -ferrocenoilaminosavak metilésztereit nyerték. A több nukleofil centrummal rendelkező arginin hasonló átalakítását még nem közölték az irodalomban, így két argininszármazék (az L-argininmetilészter és az α -benzoil-l-arginin-etilészter) palládiumkatalizátor jelenlétében karbonilatív körülmények között jód-ferrocénnel lejátszódó reakciójának vizsgálatát tűztem ki célul. Az irodalomban leírták szteránvázas jód-alkének, valamint alkil- és aril-triflátok különféle nukleofil partnerek jelenlétében lejátszódó karbonilezési reakcióját. Egy ferrocéntartalmú kalkonszármazék az (E)-1-(p-amino-fenil)-3-ferrocenil-prop-2-én-1-on nukleofil reagensként való alkalmazásával kísérletet tettem a szteránváz és a ferrocén közötti kapcsolat kialakítására. Staudinger munkája alapján közismert, hogy ketének és iminek [2+2] cikloaddíciós reakciója β-laktám gyűrűs termékek képződéséhez vezet. Tanszékünkön Ungváry és kutatócsoportja megfigyelte, hogy az etil-diazoacetát oktakarbonil-dikobalt jelenlétében szénmonoxid atmoszférában etoxikarbonil-keténné alakul, amely etil-alkohollal dietil-malonátot, míg különféle iminekkel 3-etoxikarbonil- β-laktám származékokat eredményez. Ferroceniliminekből kiindulva célom ferrocénnel jelzett azetidin-2-on vázas termékek előállítása volt. 1

3 Részletesen vizsgáltam, hogy a különböző reakcióparaméterek változtatása hogyan hat az etildiazoacetát átalakulására, valamint a reakció szelektivitására. Kísérleteim ferrocéntartalmú kiindulási vegyületeiként jód-ferrocént, illetve (E)-1-(pamino-fenil)-3-ferrocenil-prop-2-én-1-ont valamint ferrocénvázas imineket használtam. Az előállított új vegyületek elkülönítésén és karakterizálásán túlmenően hét esetben szerkezetüket röntgendiffrakciós módszerrel is igazoltam. II. ALKALMAZTT KÍSÉRLETI MÓDSZEREK A karbonilezési kísérletek elvégzéséhez inert Schlenk technikát és nagynyomású saválló autoklávot alkalmaztam. A víz jelenlétében lejátszódó esetleges mellékreakciók elkerülése érdekében vízmentesített oldószereket használtam. A reakció előrehaladását, illetve a termékelegy összetételének változását gázkromatográfiás, GC-MS valamint vékonyréteg-kromatográfiás módszerekkel követtem nyomon. Az előállított vegyületek elkülönítését, tisztítását oszlopkromatográfiás módszerrel végeztem el. A vegyületek szerkezetét GC-MS, IR, 1 -, 13 C-, CSY-MR, továbbá 2D MR technikák (MBC és SQC), elemanalízis (C,, ) valamint több esetben röntgendiffrakciós vizsgálatokkal igazoltam. III. ÚJ TUDMÁYS EREDMÉYEK A Pannon Egyetem Szerves Kémia Intézeti Tanszékén elkezdett jód-ferrocén karbonilezési kísérleteink során az aminosav-észterek, mint nukleofil reakciópartnerek jelenlétében kivitelezett reakciókban -ferrocenoil-aminosav észtereket szintetizáltunk. 1. A munka folytatásaként első ízben vizsgáltam a jód-ferrocén palládium katalizált aminokarbonilezését argininszármazékok jelenlétében. 2

4 Fc Fc R 1 R 2 +C R 1 R 2 Fe I + 2 R 2 R 1 Pd(Ac) 2 2PPh 3 Et 3 1,4-dioxán 66a CFc Me 66b CPh Et + 31(Fc-I) R 1 R 2 65a Me 65b CPh Et Fc R 1 R 2 R 1 R 2 67a CFc Me 67b CPh Et A 65a és 65b argininszármazékokkal elvégzett kísérletek során megállapítottam, hogy mindkét nukleofil reakciópartner esetén triacilezett vegyületek (66a, 66b) keletkezése a kedvezményezett. Az átalakítás melléktermékeként a levegőn instabilisnak mutatkozó diacilezett vegyületek képződtek. A 65a aminosavból kiindulva monoacilezett származék megjelenését nem tapasztaltam. 2. Az alábbi, jódvinil szerkezeti egységet tartalmazó szteroidok, valamint egy szteránvázas enol- és egy aril-triflát palládium-katalizált átalakítását vizsgáltam a 73 ferrocenil-kalkon jelenlétében. 3

5 A kísérleti eredmények alapján elmondható, hogy a módszer alkalmas változatos szerkezetű szteránvázas alkenil-halogenidek/triflátok átalakítására. Jó szelektivitással és elfogadható hozammal sikerült előállítanom négy az irodalomban eddig nem ismert - ferrocénnel jelzett szteroid molekulát. 3. Az etil-diazoacetát oktakarbonil-dikobalt hatására szén-monoxid nyomás alatt iminek jelenlétében [2+2] cikloaddíciós reakcióban β-laktám származékokká alakul át. Eredeti célom az előbbi módszer felhasználásával 3-etoxikarbonil-4-ferrocenil-β-laktám vegyületek előállítása volt. 4

6 Megfigyeltem, hogy 80 bar szén-monoxid nyomás alatt meglepő módon a cikloaddíciót egy, az (1)-C(4) atomok közötti kötés felhasadásával járó folyamat követi. Ennek eredményeképp 2-(1-ferrocenil-metilidén)-malonsav származékok képződtek. R + 80barC Co 2 (C) 8 Fe R + Et C 2 C 2 Cl 2 Fe C 2 Et rt/24óra 63 76a-l 77a-l R Fe C 2 Et + Fe Et 2 C R 78c-l 79a-b, 79d-l (E-izomer) (Z-izomer) bar szén-monoxid nyomás alatt a ferrocénvázas Schiff-bázisokkal ekvivalens mennyiségű etil-diazoacetát alkalmazásával sikerült 21 új 2-(1-ferrocenil-metilidén)-malonsav származékot szintetizálnom. 5. Megfigyeltem, hogy az alkalmazott imin szerkezete döntő hatással van a malonsavszármazékokhoz vezető reakció szelektivitására: a. A ferrocenil-metilidén--aril-iminek (76a-b) átalakításával kizárólag a Z-2-(1- ferrocenil-metilidén)-malonsav származékok voltak szintetizálhatók. b. Az -ferrocenil-metilidén-terc-butil-aminból (76c) kiindulva az előbbiekkel ellentétben kizárólag a (E)--terc-butil-2-etoxikarbonil-3-ferrocenil-2-propénamid képződött. c. A további kilenc ferrocénvázas Schiff-bázis (76d-l) reakciója egy olyan izomerelegyhez vezetett, amelyben a 2-(1-ferrocenil-metilidén)-malonsav származékok E- izomerei voltak a főtermékek. 6. Vizsgáltam a reakcióparaméterek változtatásának a ferrocénvázas iminek konverziójára és a reakció szelektivitására gyakorolt hatását. Az iminek legjobb átalakulását 60 bar szén-monoxid nyomás alatt 24 óra reakcióidővel metilén-klorid oldószerben szobahőmérsékleten értem el. 5

7 A ferrocenil-iminre nézve 3 ekvivalens etil-diazoacetát alkalmazása esetén (76c-g Schiffbázisok esetén) sikeresen szintetizáltam β-laktám gyűrűs termékeket. A képződött Z-izomerek és β-laktám termékek elválasztását megnehezítette, hogy mindkét komponens különböző polaritású oldószerekbe is hasonló R f értékkel vándorolt. Ez a jelenség felelős a kipreparált ferrocénvázas β-laktám alacsony hozamáért. 8. Az etil-diazoacetát koncentrációjának növelése a 3-etoxikarbonil-4-ferrocenil--terc-butilazetidin-2-on (77c) szintézisét egyértelműen segítette. Mivel 76c iminből kiindulva 79c Z- izomer keletkezését semmilyen körülmény között nem tapasztaltam, így 77c elválasztása a reakció során kialakuló 78c propénamid E-izomerétől oszlopkromatográfiás technikával könnyen kivitelezhető volt. Így ebben az esetben sikerült megfelelő hozammal szintetizálnom a ferrocénnel jelzett azetidin-2-on vázas célterméket. Az izolált -terc-butil-transz-αetoxikarbonil-β-ferrocenil-β-laktám (77c) szerkezetét egy egykristályról készült röntgenkrisztallográfiás felvétellel is sikerült igazolni. 9. Meglepő módon az Fc-C=-C 2 R szerkezettel leírható Schiff-bázisok esetében a reakciókörülmények előbbiekben említett változtatása nem a β-laktám származék képződéséhez vezetett, hanem a már ismertetett gyűrűfelnyílást egy hetero-diels-alder reakció követte. A [4+2] cikloaddíciós reakció tetrahidropirimidin-4-on származékok keletkezéséhez vezetett. A 76h-l iminekből a különböző kísérleti körülmények között három különféle tetrahidropirimidin-4-on-vázas izomert sikerült elkülönítenem, szerkezetüket a különböző spektroszkópiai módszereken túl három esetben röntgendiffrakciós méréssel is megerősítettem. 6

8 IV. A TUDMÁYS EREDMÉYEK JELETŐSÉGE Elfogadható hozammal új ferrocénvázas szteroid- és arginin-konjugátumokat szintetizáltam palládium-katalizált karbonilezési reakciókban. Az így előállított vegyületek mint biokonjugátumok - farmakológiai jelentőséggel bírhatnak, továbbá a ferrocénnel jelzett argininszármazékok kihasználva a ferrocén különleges elektrokémiai sajátosságait potenciális jelöltekké válhatnak új ion- és molekulareceptorok valamint bioszenzorok tervezése során. A szteránvázas vegyületek karbonilezése során nukleofil reakciópartnerként (E)-1-(pamino-fenil)-3-ferrocenil-prop-2-én-1-ont alkalmaztam, amelyhez hasonló ferrocenil-kalkon vegyületek között ismertek antibakteriális, maláriaellenes, illetve tumorellenes hatású származékok. Emiatt az (E)-1-(p-amino-fenil)-3-ferrocenil-prop-2-én-1-on és különböző szteroidok összekapcsolása többféle előnnyel is járhat. Egyrészt a szteránváz beépítése révén a lipofil jelleg növekedésével várható az eredeti ferrocénszármazék biológiai hatásának intenzitásnövekedése, másrészt a ferrocénváz jelenlétében lehetővé válik a hozzákapcsolt szteroidok elektrokémiai detektálása. Egyes β-laktámokat napjaink legfontosabb antibiotikumai között tartják számon. A ferrocénnel jelzett azetidin-2-on vázat tartalmazó származékok sikeres szintézise után az így előállított vegyületek további funkcionalizálása gyógyszerkémiai jelentőséggel bírhat. Az új, két ferrocénegységet is tartalmazó tetrahidro-pirimidinon vázas vegyületeket iminek és a 2-(1-ferrocenil-metilidén)-malonsav származékok keto-enol tautomerizációja során kialakuló enol [4+2] cikloaddíciós reakciójában nyertem. asonló hetero-diels-alder reakcióra az irodalomban nem találtam példát. Az új a gyűrűben két nitrogénatomot tartalmazó heterociklusok biológiai vizsgálatokban történő tesztelése ugyancsak érdekes lehetőségeket rejt. Doktori munkám alapvetően preparatív jellegű volt, melynek eredményeként számos új molekulával gyarapítottam a ferrocéntartalmú biokonjugátumok táborát, melyek gyakorlati szempontból igen nagy érdeklődésre tartanak számot. 7

9 V. A DISSZERTÁCIÓ ALAPJÁT KÉPEZŐ TUDMÁYS KÖZLEMÉYEK ÉS ELŐADÁSK/PSZTEREK KÖZLEMÉYEK: J. Balogh, V. Zsoldos-Mády, D. Frigyes, A.C. Bényei, R Skoda-Földes, P.Sohár, Synthesis of ovel Ferrocene Labelled Steroidal Derivatives via Palladium-catalysed Carbonylation. X-ray Structure of 17-(-(4 -((2-ferrocenyl-ethenyl)-carbonyl)- phenyl)carbamoyl)-5alpha-androst-16-ene Journal of rganometallic Chemistry 2007, 692 (7), IF: (2007) J. Balogh, Z. Berente, D. Frigyes, L. Kollár, R.Skoda-Földes Synthesis of ferrocenoyl L-arginine derivatives by homogeneous catalytic carbonylation Synth. Comm. 2009, 39, IF: (2009) J. Balogh, T. Kégl, F. Ungváry, R. Skoda-Földes Co 2 (C) 8 induced domino reactions of ethyl diazoacetate, carbon monoxide and ferrocenylimines leading to 2-(1-ferrocenyl-methylidene)-malonic acid derivatives Tetrahedron Letters 2009, 50 (33), IF: (2009) J. Balogh; T. Kégl; L. Párkányi; L. Kollár; F. Ungváry; R. Skoda-Foldes Synthesis of (E)-2-(1-ferrocenylmethylidene)malonic acid derivatives by a cobalt-catalyzed domino reaction of ethyl diazoacetate, carbon monoxide and ferrocenylimines Journal of rganometallic Chemistry elfogadva doi: /j.jorganchem J. Balogh, L. Párkányi, Zs. Csók, L. Kollár, R. Skoda-Földes The octacarbonyl-dicobalt catalysed domino reaction of ethyl diazoacetate and ferrocenylimines: Synthesis of ferrocene labeled tetrahydro-pirimidin-4-on derivatives European Journal of rganic Chemistry összeállítás alatt ELŐADÁSK/PSZTEREK: Balogh J., Skodáné Földes R., Kollár L. Ferrocén-szubsztituált.argininszármazékok előállítása homogénkatalitikus karbonilezéssel (poszter) Centenáriumi Vegyészkonferencia, Sopron (Magyarország) május 29-június 1. J. Balogh, R. Ungváry, R. Skoda-Földes A Co 2 (C) 8 induced domino reaction leading to 2-(1-ferrocenyl-methylidene)-malonic acid derivatives (poszter) CST Chemistry D40 Workshop on Innovative Catalysis 4th Management Committee Meeting and Workshop Innovative Catalysis: ew Processes and Selectivities Turku (Finnország) május

10 J. Balogh, F. Ungváry, R. Skoda-Földes Investigation of cobalt-catalyzed domino reaction of ethyl diazoacetate, carbon monoxide and ferrocenylimines (poszter) 17th International Symposium on omogeneous Catalysis (ISC-17) Poznan (Lengyelország) július 4-9. VI. A DISSZERTÁCIÓZ KAPCSLÓDÓ TUDMÁYS KÖZLEMÉYEK ÉS ELŐADÁSK KÖZLEMÉYEK A.Kuik, R. Skoda-Földes, J. Balogh, L. Kollár Synthesis of ferrocenoyl amino acid derivatives via homogeneous catalytic aminocarbonylation Journal of rganometallic Chemistry 2005, 690 (13), IF: Ungvári, E. Fördős, J. Balogh, T. Kégl, L. Párkányi, F. Ungváry Triphenylphosphane-modified cobalt-catalysts for the selective carbonylation of ethyl diazoacetate rganometallics 2010, 29 (17), IF: (2009) J. Balogh, R. Skoda-Földes Ferrocenes: Compounds, Properties and Applications (könyvfejezet) Editor: Elisabeth S. Phillips ova. Publisher: ova Science Pub Inc. ISB: ELŐADÁSK/PSZTEREK: J. Balogh, R. Skoda-Földes, L. Kollár Labelling of amino acids with ferrocene viahomogeneous catalytic carbonylation (poszter) 23rd International Conference on rganometallic Chemistry (ICMC 2008) Rennes (Franciaország) július VI. EGYÉB TUDMÁYS KÖZLEMÉYEK ÉS ELŐADÁSK J. Balogh, S. Mahó, V. áda, L. Kollár, R. Skoda-Földes, Facile synthesis of steroidal primary amides via palladium-catalyzed aminocarbonylation of steroidal alkenyl halides Synthesis-Stuttgart 2008, 19, IF: (2009) J. Balogh, Á. Kuik, L. Ürge, F. Darvas, J. Bakos, R. Skoda-Földes Double Carbonylation of Iodobenzene in a Microfluidics-based igh Throughput Flow Reactor Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 2009, 302, IF: (2009) 9