PANNON EGYETEM FERROCÉNTARTALMÚ BIOKONJUGÁTUMOK ELŐÁLLÍTÁSA HOMOGÉNKATALITIKUS KARBONILEZÉSSEL DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS Készítette: Balogh János okleveles vegyészmérnök Témavezető: Skodáné Dr. Földes Rita egyetemi tanár Pannon Egyetem Kémiai és Környezettudományi Doktori Iskola Kémia Intézet Szerves Kémia Intézeti Tanszék Veszprém 2011
FERROCÉNTARTALMÚ BIOKONJUGÁTUMOK ELŐÁLLÍTÁSA HOMOGÉNKATALITIKUS KARBONILEZÉSSEL Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta: Balogh János Készült a Pannon Egyetem Kémiai és Környezettudományi Doktori Iskolájának keretében. Témavetető: Skodáné Dr. Földes Rita Elfogadásra javaslom (igen/nem)... (aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton... %-ot ért el. Veszprém,...... Szigorlati Bizottság elnöke Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve:... igen/nem Bíráló neve:... igen/nem... (aláírás)... (aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján... %-ot ért el. Veszprém,... A doktori (PhD) oklevél minősítése:...... Bíráló Bizottság elnöke... EDT elnöke
KIVONAT Ferrocéntartalmú biokonjugátumok előállítása homogénkatalitikus karbonilezéssel Készítette: Balogh János Az egyedi szerkezeti felépítéssel és meglepően nagy stabilitással rendelkező ferrocént kedvező elektrokémiai tulajdonságai és alacsony toxicitása teszi vonzóvá a preparatív vegyész számára. Az első szendvics-komplex sokrétű alkalmazhatóságát helyettesített származékainak egyre szélesedő skálája egyértelműen bizonyítja. Az egyes vegyületek ferrocénvázhoz való kapcsolása új, eddig kiaknázatlan lehetőségeket rejt. A biomolekulák, és a biológiai aktivitással rendelkező vegyületek ferrocénnel történő jelzése számos előnnyel járhat: a ferrocenil rész adott esetben védőcsoportként szolgálhat; a jelölés a biológiai hatás fokozódásával járhat, de lehetővé teheti a biomolekula detektálhatóságát is. A doktori munka alapvető célja új ferrocénnvázat tartalmazó biokonjugátumok szintézise volt homogénkatalitikus karbonilezés útján. A szerző végrehajtotta két argininszármazék, valamint négy szteránvázas vegyület palládium-katalizált homogénkatalitikus karbonilezési reakcióját. Az előbbi módszer alkalmasnak bizonyult ferrocénvázat tartalmazó di- és triacilezett argininszármazékok, az utóbbi pedig kalkonvázas szteroid-ferrocén hibridek szintézisére. Ezt követően a szerző részletesen vizsgálta az etil-diazoacetát ferrcenil-iminek jelenlétében lejátszódó kobalt-katalizált karbonilezési reakcióját. Elsődleges célja ferrocéntartalmú β-laktámok szintézise volt. Megállapította, hogy az alkalmazott Schiff-bázisok szerkezeti felépítése és az etildiazoacetát koncentrációja nagyban befolyásolják a reakció szelektivitását. Az átalakítás során - feltételezhetően a [2+2] cikloaddícióval kialakuló azetidin-2-on gyűrű N(1)-C(4) atomjai közötti kötés felhasadása révén - 2-(1-ferrocenil-metilidén)-malonsav származék(ok) képződtek. A reakciókörülmények megfelelő megválasztásával négy esetben sikerült a várt β- laktám terméket izolálni. Egyes iminek átalakítása során a cikloaddíciót egy hetero-diels- Alder reakció követte, melynek eredményeként ferrocénnel jelzett tetrahidropirimidin-4-on vázas származékok keletkeztek. 1
ABSTRACT Synthesis of ferrocene-containing bioconjugates via homogeneous catalytic carbonylation By János Balogh Due to the unique structure and favourable electrochemical and biological properties of ferrocene, its derivatives have wide applications in biological and medical fields. The main goal of the present work was the synthesis of novel ferrocene labelled bioconjugates by homogeneous catalytic carbonylations. The transformation of two arginin derivatives and four steroidal compounds was performed by palladium catalyzed aminocarbonylation. The cobalt-catalyzed reaction of ethyl diazoacetate in the presence of ferrocenylimines under CO pressure was also investigated. The original aim of the research was to synthesize ferrocene labelled β-lactam derivatives. However, instead of the β-lactams,the transformation led to 2-(1-ferrocenylmethylidene)-malonates in most cases. By the proper choice of the reaction conditions, β- lactams were isolated, too. In the reaction of some ferrocenylimines, novel ferrocene containing tetrahydropirimidine-4-one derivatives were obtained via a [4+2] cycloaddition reaction of the imines and the 2-(1-ferrocenyl-methylidene)-malonates. Numerous new ferrocene labelled bioconjugates have been prepared which may have practical importance in the different fields of the organic chemistry or pharmacology. 2
ZUSAMMENFASSUNG Die Synthese von ferrocenehaltige Biokonjugaten durch homogenkatalytische Karbonylierung Von János Balogh Auf Grund ihrer einzigartigen Struktur und diversen Eigenschaften, die Derivate von Ferrocene haben breite Anwendungen im biologischen ind medizinischen Fld gefunden. Die ferrocenhaltige Biokonjugate bildet eine Klasse von Verbindungen mit neueartiger Struktur die auch potenzielle biologische Aktivität besitzen. Ziel der Arbeit war die Synthese von neuen ferrocenehaltigen Biokonjugaten durch homogenkatalytische Karbonylierung. Die Umwandlung von zwei Arginin-Derivaten und vier Steroid Verbindungen wurde ausgeführt. Die angewendete Method erwies sich als ein geieignetes Verfahren bei der Synthese von Ferrocene-markierte Arginin- und Steroid- Derivaten. Die Kobalt-katalisierte Reaktion von Ethyl-diazoacetat in Gegenwart von Ferrocenylimines unter CO-Druck wurde ebenfalls untersucht. Ziel der Untersuchung war die Gewinnung von Ferrocen-markierten β-lactam Derivate. Neben dem erwarteten β- Lactam Produkt, die Bildung von 2-(1-Ferrocenyl-methylidene)-malonat wurde festgestellt. Neue Ferrocene-markierte Biokonjugaten wurden hergestellt, die möglicherweise praktische Bedeutung erlangen werden in den verschieden Bereichen der organischen Chemie oder der Pharmakologie. 3
TARTALOMJEGYZÉK KIVONAT 1 ABSTRACT 2 ZUSAMMENFASSUNG 3 TARTALOMJEGYZÉK 4 RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE 6 BEVEZETÉS 8 1. IRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ 10 1.1. A FERROCÉN TÖRTÉNETE 10 1.2. A FERROCÉN ELŐÁLLÍTÁSA, REAKCIÓI 13 1.2.1. A ferrocén előállítása 13 1.2.2. A ferrocén reakciói 13 1.3. A FERROCÉNTARTALMÚ BIOKONJUGÁTUMOK FELHASZNÁLÁSA 15 1.3.1. Anyagtudományok I.: Folyadékkristályos viselkedés 15 1.3.2. Anyagtudományok II.: Redox kapcsolók tervezése 18 1.3.3. Gyógyszerkémiai alkalmazás 19 1.3.4. Bioszenzorok 22 1.3.5. Molekula- és ionreceptorok 24 1.4. A FERROCÉNTARTALMÚ BIOKONJUGÁTUMOK ELŐÁLLÍTÁSA 25 1.4.1. Ferrocénnel jelzett aminosav származékok szintézise 25 1.4.2. Ferrocénnel jelzett szteránvázas vegyületek előállítása 28 1.4.3. Ferrocéntartalmú β-laktámok szintézise 33 1.5. PALLÁDIUM- ÉS KOBALT-KATALIZÁLT KARBONILEZÉSI REAKCIÓK 39 1.5.1. Palládium-katalizált aminokarbonilezési reakciók 39 1.5.2. Kobalt-katalizált karbonilezési reakciók 44 2. CÉLKITŰZÉSEK 50 3. KÍSÉRLETI RÉSZ 51 3.1. PALLÁDIUM-KATALIZÁLT KARBONILEZÉS 51 3.1.1. Ferrocenoil-L-argininszármazékok szintézise 51 3.1.2. Ferrocénnel jelzett szteroidszármazékok szintézise 55 3.2. FERROCENIL-IMINEK ÉS ETIL-DIAZOACETÁT KOBALT-KATALIZÁLT KARBONILEZÉSI REAKCIÓJÁNAK VIZSGÁLATA 61 3.2.1. Előkísérletek 80 bar CO nyomáson 62 3.2.2. A reakciókörülmények változtatásának hatása a β-laktám-gyűrűs termék szelektivitására 69 3.2.3. Az N-aril-iminek és az Fc-CH=N-CHR 1 R 2 (R 1, R 2 H) szerkezetű Schiffbázisok viselkedése 75 3.2.4. Az Fc-CH=N-CH 2 R szerkezetű Schiff-bázisok átalakítása 82 4. METODIKAI RÉSZ 92 4.1. A KÍSÉRLETI MUNKA SORÁN FELHASZNÁLT ANYAGOK ELŐÁLLÍTÁSA, MINŐSÉGE 92 4.1.1. Alapanyagok, katalizátorrendszer, segédanyagok 92 4.1.2. Oldószerek, gázok 92 4.2. A KÍSÉRLETI KIVITELEZÉSE, AZ EGYES SZÁRMAZÉKOK KINYERÉSE 93 4.2.1. Jód-ferrocén (31) előállítása 93 4
4.2.2. Ferrocénnel jelzett argininszármazékok (66a-b, 67a-b) szintézise jód-ferrocén aminokarbonilezésével 94 4.2.3. Ferrocéntartalmú szteroid-konjugátumok (68b-71b) szintézise 94 4.2.4. Ferrocéntartalmú Schiff-bázisok (76a-l) előállítása 95 4.2.5. Az etil-diazoacetát kobalt-katalizált karbonilezése ferrocéntartalmú Schiffbázisok jelenlétében 95 4.3. MŰSZERES ANALITIKAI VIZSGÁLATI MÓDSZEREK ÉS KÉSZÜLÉKEK 97 4.4. AZ ELŐÁLLÍTOTT VEGYÜLETEK ANALITIKAI ADATAI 98 4.4.1. Az ismert ferrocénvázas Schiff-bázisok analitikai adatai 98 4.4.2. A szintetizált új vegyületek analitikai adatai 101 5. ÖSSZEFOGLALÁS 125 IRODALOMJEGYZÉK 127 PUBLIKÁCIÓS LISTA 137 5
Rövidítések jegyzéke RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE AC-CV váltakozó áramú ciklikus voltametria Bzl benzilcsoport CGF koleszteril-glicinát-ferrocenilamid COSY korrelációs spektroszkópia Cp ciklopentadienil DCC N,N -diciklohexil-karbodiimid DBU 1,8-diazabiciklo-[5.4.0]undec-7-én DMAP 4-(dimetil-amino)-piridin DMF N,N-dimetil-formamid DPV differenciál pulzus voltammetria DNS dezoxi-ribonukleinsav DSC differenciál scanning kalorimetria EDA etil-diazoacetát EDC 1-etil-3-(3-(dimetil-amino)-propil)-karbodiimid EIS elektrokémiai impedancia spektroszkópia FAD oxidált flavin-adenin dinukleotid Fc ferrocenilcsoport Fem ferrocenil-metilcsoport HBTU O-benzotriazol-N,N,N,N -tetrametil-uronium-hexafluorofoszfát HMBC heteronuclear multiple-bond correlation spectra HO-Bt 1-hidroxi-benzotriazol HPLC-ED nagy teljesítményű folyadékkromatográfia elektrokémiai detektorral HO-Su N-hidroxi-szukcinimid HSQC heteronuclear single quantum coherence spectra LDA lítium-diizopropilamid MW mikrohullámú energiaközlés NMR mágneses magrezonancia spektroszópia NOE nuclear Overhauser effect 6
Rövidítések jegyzéke OPh PMP POM SPR THF TBTU XRD feniloxicsoport p-metoxi-fenilcsoport polarizációs optikai mikroszkópia felületi plazmon rezonancia tetrahirofurán benzotriazol-1-il-1,1,3,3-tetrametil-urónium-tetrafluoro-borát röntgendiffrakció 7
Bevezetés BEVEZETÉS 1951 decemberében T. J. Kealy és P. J. Pauson először adtak hírt a Nature hasábjain egy nagy stabilitású rendkívül érdekes szerkezetű molekula véletlen felfedezéséről. A benzolhoz hasonló aromás tulajdonságokat mutató, ferrocénnek elnevezett első szedvics-komplex szerkezeti felépítésének tisztázása után rögtön lázba hozta a fémorganikus kémikusok táborát, akik rövidesen számos új szintézisutat dolgoztak ki ferrocénszármazékok előállítására. Csaknem 60 év telt el azóta, s a ferrocénnel kapcsolatos tudományos publikációk száma meghaladta a 22 ezret; csak 2009 januárjától napjainkig több, mint 2600 közlemény került publikálásra. Miért is tart számot ekkora érdeklődésre ez a molekula? Egyedi szendvics-szerkezete, meglepően nagy stabilitása, kémiai reakciókban az aromásokhoz hasonló viselkedése, különleges kötésrendszere és számos területen való alkalmazhatósága önmagában is érdekessé teszi a tudomány számára. Kedvező redoxaktív tulajdonságainak és jól definiált egy-elektronos oxidációjának nyomon követhetősége miatt felkeltette a biokémikusok és a molekuláris szenzorok után kutatók figyelmét. Előbbiek oxidoreduktáz enzimek által katalizált reakciók vizsgálata során figyelték meg a - bioszenzorok részeként alkalmazott - ferrocén közvetítő szerepét az enzim aktív helye és az elektronátadást detektáló elektródok között, utóbbiak molekula- és ionreceptorként, valamint redox kapcsolóként bevethető származékok közöttük ferrocéntartalmú biokonjugátumok - széles skáláját közölték a szakirodalomban ezidáig. A különböző, heteroatomokat tartalmazó gyűrűk és a kapcsolódó szubsztituensek sokfélesége széles perspektívát kínál a preparatív vegyész számára. A két építőelem önmagában is mutat biológiai aktivitást, együttes alkalmazásuk pedig a ferrocén alacsony toxicitása-, és a sejtmembránon keresztül való diffúzió szempontjából kedvező lipofil jellege miatt - farmakológiai potenciált hordoz magában. Számos fémorganikus vegyületet fedeztek fel, amelyek érdekes alternatívák lehetnek a kemoterápiás gyógyításban és egyes trópusi betegségek, mint például a malária ellen. Kimutatták továbbá antibakteriális, antibiotikus, tumor-ellenes és gombaölő hatásukat is. A fenti számos példa közül jó néhány a ferrocéntartalmú biokonjugátumok széleskörű felhasználhatóságát illusztrálja. A biomolekula és a ferrocénváz közötti kapcsolat kialakítására a különböző átmenetifémek jelenlétében lejátszódó 8
Bevezetés homogénkatalitikus reakciók igazi áttörést jelenthetnek. Egy-egy új vegyület szintézisénél ma már szinte kihagyhatatlan alternatíva a jó hozamot és kiemelkedő kemo-, regio- (esetleg enantio-) szelektivitást biztosító homogénkatalitikus reakció. Elsődleges célom az volt, hogy ferrocénnel jelzett biomolekulákat, valamint biológiailag aktív vegyületeket állítsak elő homogénkatalitikus úton kobalt-, illetve palládiumkatalizátor jelenlétében. Kísérleti munkám első szakaszában palládium-katalizált folyamatokban aminokarbonilezései reakció révén építettem ki a kapcsolatot argininszármazékok, valamint szteránvázas molekulák és a ferrocénvázat tartalmazó kiindulási vegyület között. Ezt követően ugyancsak homogénkatalitikus rendszerben vizsgáltam etildiazoacetát ferrocéntartalmú Schiff-bázisok jelenlétében lejátszódó kobalt-katalizált karbonilezési reakcióját. 9
Irodalmi összefoglaló 1. IRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ Ebben a fejezetben szeretném összefoglalni munkám előzményeit, irodalmi hátterét. Igyekszem bemutatni a dolgozat alapját képező ferrocénszármazékok tulajdonságait, felhasználási lehetőségeit, lehetséges előállítási módjait. Röviden áttekintem a kobalt- és palládium-katalizált homogénkatalitikus karbonilezési reakciók általános jellemzőit. 1.1. A ferrocén története serendipity: képesség értékes dolgok találására ott, ahol ez kevéssé valószínű 1951 decemberében és 1952 februárján egy-egy tudományos közlemény jelent meg a Nature [1] illetve a Journal of the Chemical Society [2] hasábjain. Egymástól függetlenül Peter Pauson és munkatársai [1], illetve Samuel Miller és kutatócsoportja [2] egy véletlenül előállított vasorganikus vegyületről számolt be. Peter Pausonnak és - doktorandusz hallgatójának - Tom Kealynek eredeti terve az volt, hogy bizonyítsák vagy megcáfolják Robert D. Brown elméletét, miszerint a fulvalén -nak nevezett C 10 H 8 konjugált rendszer aromás tulajdonságokat mutat. Pauson szkeptikus volt a dologgal kapcsolatban. Elgondolása szerint az említett vegyület (2) két lépésben elérhető: két ciklopentadienil anionok oxidációjával keletkező ciklopentadienil-gyök kapcsolásával a dihidro-vegyülethez (1) jut, amely dehidrogénezése révén fulvalénnak kellene keletkeznie. Feltételezte, hogy a FeCl 3 elősegítheti az 1,1 -bisz(ciklopenta-2,4)-dién képződését Grignard-vegyületből, illetve fulvalénné oxidálja a keletkezett intermediert (1.1 ábra). 1.1 ábra A ciklopentadienil-grignard reagens és a vas(iii)-klorid Pauson által feltételezett reakciója Azonban a kísérlet eredménye rendkívül meglepő volt: a reakcióelegy feldolgozása után egy narancssárga kristályos vegyületet izoláltak, amelyről a C,H-analízist követően kiderült: a várt C 10 H 10 helyett C 10 H 10 Fe összetételű [1]. 10
Irodalmi összefoglaló 1.2 ábra Pauson és Kealy által javasolt határszerkezetek A másik közlemény amelyet már négy héttel Kealy és Pauslon cikkét megelőzően elfogadtak, de csak két hónappal később jelent meg teljesen eltérő reakcióutat közölt [2]. Samuel Miller és munkatársai egy új - ammónia és aminok olefinből és nitrogénből történő szintézisére alkalmas katalizátor előállítását kísérelték meg. A ciklopentadién nitrogén atmoszférában végbemenő vas katalizált reakcióját vizsgálták 300 C hőmérsékleten. A várt amin helyett egy 100 C fölött bomlás nélkül szublimáló sárga kristályos figyelemre méltó vegyületet diciklopentadienil-vas -at izoláltak, amely a legtöbb szerves oldószerben jól oldódott. Miller rövid magyarázattal szolgált az új vegyület szerkezetét illetően: feltételezése szerint a ciklopentadienil-kálium analógiájára a szubsztitúció a metiléncsoporton következett be. Pausonnak az új molekula szerkezetére vonatkozó javaslata három kutatóban azonnal nagy érdeklődést váltott ki. Ernst Otto Fischer Münchenből, illetve Geoffrey Wilkinson és Robert Burns Woodward a Harvardról meg volt győződve arról, hogy a Pauson-féle elképzelés, miszerint az új molekula lineáris felépítésű, nem helyes. E. O Fischer és akkori diákja R. Jira megismételték a Pauson által közölt szintézisreakciót, majd miután megerősítették, hogy a vegyület sem nedvességre, sem levegőre nem érzékeny, a kapott terméket egy autoklávban 150 C-on 200 bar szénmonoxiddal reagáltatták. Mivel az előbb említett reakciókörülmények között is változatlan visszakapták az új vasorganikus vegyületet, Fischer arra a következtetésre jutott, hogy a rendkívüli stabilitást az okozhatja, hogy a két ciklopentadienil anion 6π elektronpárja részt vesz a fémmel való kötés kialakításában, amelynek során mindkét ciklopentadienil gyűrű 3-fogú ligandumként funkcionál és feltölti a vas üres pályáit kialakítva ezzel a kriptonhoz hasonló 18 elektronos nemesgázkonfigurációt [3]. Fischer javaslata a Fe(C 5 H 5 ) 2 szerkezetét illetően egy olyan oktahedrális struktúra volt, amelyben a központi vasatomot körülveszi a két párhuzamos planáris ciklopentadienil gyűrű. Az általa Doppelkegel -nek elnevezett elrendeződést W. Pfab röntgenkrisztallográfiás vizsgálatokkal is alátámasztotta [4]. Kísérleteik során arra is rájöttek, hogy a molekula diamágneses sajátságokat mutat. 11
Irodalmi összefoglaló A Harvardon dolgozó G. Wilkinson és munkatársai R. B. Woodward vezetésével a Miller által leírt eljárást követve állították elő a bisz(ciklopentadienil)vasat. A termékről készült infravörös spektroszkópiai felvételeken egyetlen C-H rezgési sáv volt megfigyelhető. Meghatározták a vegyület dipólus momentumát is, amely zérusnak adódott. Wilkinson Fischerrel egy időben azt is kimutatta, hogy a molekula diamágneses [5]. Javaslatot tettek az új vegyület szerkezeti felépítésére is (1.3 ábra). 1.3 ábra A ferrocén Wilkinson és munkatársai által javasolt konformerjei [5] Woodward 1952 júniusában elfogadott közleményében az egyedülálló vas vegyület aromás tulajdonságairól számol be, amikor is a benzol analógiájára az új vegyületet ferrocén-nek nevezi el [6]. E. O. Fischer és G. Wilkinson egymástól függetlenül végzett, cikopentadienil-fém vegyületek kémiája terén elért, eredeti és újszerű munkájuknak köszönhetően 1973-ban megosztott kémiai Nobel-díjat kaptak [7]. 12
Irodalmi összefoglaló 1.2. A ferrocén előállítása, reakciói 1.2.1. A ferrocén előállítása A ferrocén előállítására számos út létezik. Pauson és Kealy kísérletei alapján [1] a Grignard-reagens ciklopendatienil-magnézium-bromid vízmentes dietil-éterben szuszpendált vas(ii)-kloriddal való reakciója a kívánt termékhez vezet (1.1 egyenlet). (1.1) Fém vas [8] vagy vas-pentakarbonil [9] 350 C-on közvetlenül is reagál gázfázisú ciklopentadiénnel (1.2 egyenlet és 1.3 egyenlet). (1.2) (1.3) Hatékonyabb eljárás azonban a transzmetallálás, amelynek során a kereskedelmi forgalomban is beszerezhető nátrium-ciklopentadienidet [10] (1.4 egyenlet), vagy káliumhidroxid jelenlétében frissen előállított ciklopentadiént [11] reagáltatnak vas(ii)-kloriddal (1.5 egyenlet). (1.4) (1.5) 1.2.2. A ferrocén reakciói Kémiai tulajdonságait tekintve a ferrocén aromás jellegénél fogva számos aromás szénhidrogénekre jellemző reakcióba vihető. A ferrocén reakciókészségét alapvetően meghatározza az a tény, hogy a ciklopentadienil-gyűrű parciális negatív töltést hordoz, ezért a benzolszármazékokhoz képest elektrofil reagensekkel szemben nagyobb reakciókészséget mutat. A ferrocén könnyen oxidálható, mivel benne a vasatom formálisan Fe(II)-nek tekinthető, így az elektrokémiailag vagy oxidálószerekkel Fe(III)-má alakítható, az oxidáció kékesszürke színű ferricínium-iont ([(C 5 H 5 ) 2 Fe] + ) eredményez. A ciklopentadienil gyűrű nagy reakciókészségét mutatja, hogy Friedel-Craftsacilezés során minden esetben termékelegyet kapunk. Például az alábbi reakcióban a 13
Irodalmi összefoglaló monoacetil-ferrocén (4) mellett megfigyelhető az 1,1 -diacetil-ferrocén (5) keletkezése is (1.6 egyenlet) [12]. (1.6) A központi vas szerepe a ferrocén elektrofil szubsztitúciós reakcióiban nem teljesen tisztázott. Az elektrofil ágens támadása révén elvben exo (A) vagy endo (B) típusú kationos ciklopentadién intermedier komplex alakulhat ki (1.4 ábra). Erős elektrofil reagensek támadásakor, mint amilyen a fenti példában van, a ciklopentadienil gyűrű direkt megtámadásával az exo típusú intermedier képződik. Ha az intermedier keletkezése a központi vas megtámadásával kezdődik és a szubsztituens innen vándorol a ciklopentadienil gyűrűre, akkor az endo komplexhez jutunk, ilyen intermedierek kialakulását a H + -nál gyengébb elektrofil reagensek esetén figyeltek meg [13]. 1.4 ábra A ferrocén elektrofil szubsztitúciós reakciójának mechanizmusa A fenti reakció mechanizmusának értelmezése ennél valamivel bonyolultabb, de annyi bizonyos, hogy az elektrofil reagens reakciókészsége mellett fontos szerep jut a ferrocénszármazékban lévő központi vas bázicitásának is. 14
Irodalmi összefoglaló 1.3. A ferrocéntartalmú biokonjugátumok felhasználása Az utóbbi évtizedekben ismét jelentős figyelem fordult a ferrocénszármazékok felé, hiszen sokféle területen felhasználhatók. Különösen intenzív kutatás folyik a ferrocéntartalmú biokonjugátumok szintézisével és alkalmazási lehetőségeivel kapcsolatban. Minden alkalmazás szempontjából döntő jelentősége van a ferrocénvázhoz kapcsolódó ligandumoknak, amelyek jelentősen befolyásolják a vegyület sztérikus és elektronikus tulajdonságait. Biokonjugátumról akkor beszélünk, ha az összekapcsolt vegyületek mindegyike rendelkezik valamilyen biológiai aktivitással és ezt a tulajdonságukat a konjugálás, a kovalens kémiai kötés kialakítása után is megőrzik Az eddig előállított biokonjugátumok rendkívül változatos fizikai, kémiai vagy biológiai viselkedést mutatnak. Egyes szteránvázzal leginkább koleszterinnel - összekapcsolt ferrocénszármazékok kristályos fázist képeznek. A ferrocén kedvező redoxaktív tulajdonságait és jól karakterizálható egy-elektronos oxidációjának nyomon követhetőségét kihasználva számos ferrocéntartalmú biokonjugátum bizonyított mind a bioszenzor kutatásban, mind molekula- és ionreceptorok valamint redox kapcsolók területén. Rengeteg biomolekula analitikai detektálhatóságát, mennyiségi és minőségi analízisét megkönnyíti a ferrocénnel történő jelölés. Ekkor ugyancsak a ferrocén különleges elektrokémiai és szerkezeti sajátságait használják ki. Maga a ferrocén az emlősökre nézve kevéssé toxikus. Emellett könnyen áthatol a biológiai membránokon, stabil és viszonylag könnyen hozzákapcsolható különféle biomolekulákhoz, így gyorsan a farmakológusok célkeresztjébe került. A dolgozat korlátait figyelembe véve csak néhány konkrét példát említek a számos felhasználási lehetőség közül. 1.3.1. Anyagtudományok I.: Folyadékkristályos viselkedés A folyadékkristályok olyan anyagok, amelyek ugyan folyékonyak, de sok fizikai tulajdonságuk a kristályokéhoz hasonlóan anizotrop. Az ilyen anyagok molekulái általában hosszú láncúak, hossztengelyük irányában kettőskötés rendszerük miatt merevek, nagy permanens dipólmomentumuk van és a láncvégeken könnyen polarizálható csoportok helyezkednek el. Optikai átlátszóságuk elektromos terekkel csökkenthető. 15
Irodalmi összefoglaló Noha F. Reinitzer 1888-as kísérlete alapján már régóta köztudott, hogy számos koleszterinszármazék folyadékkristályos viselkedést mutat, de a metallocének különleges szerkezetét kihasználó jelzett vegyületek szintézise és vizsgálata csak az utóbbi néhány évtizedben indult fejlődésnek. Elég csak a folyadékkristályos kijelzőkre gondolni, rögtön belátható, hogy rendkívül dinamikusan fejlődő iparág épült az újszerű folyadékkristályos rendszerek kifejlesztésére. Melyek azok a sajátságok, amelyek révén ferrocén potenciális jelöltté válik a termotrópikus folyadékkristályok tervezése során? A ciklopentadienil-gyűrűkhöz változatos szerkezetű szubsztituensek kapcsolhatók, így nagy számban állíthatók elő új vegyületek. Mind a ferrocén, mind származékai az általánosan használt szerves oldószerekben jó oldhatóságot és nagyszerű stabilitást mutatnak. Maga a ferrocénváz nagy termikus stabilitással rendelkezik, s a benne található Fe(II) centrum révén redox aktivitást hordoz, így folyadékkristályos kapcsoló készülékek kifejlesztését teszi lehetővé. Scutaru és munkatársai azo- és imino-csoportot tartalmazó ferrocénvázas rendszereket kapcsoltak össze koleszterin egységekkel. Az így szintetizált új folyadékkristályos vegyületektől azt remélték, hogy kombinálhatják a fémtől származó tulajdonságokat (szín, elektronsűrűség, mágnesesség és polarizálhatóság) a királis nematikus fázis kedvező tulajdonságaival (magas kettőstörés és a fizikai színek jelenléte). A kialakult szmetikus fázis viselkedését POM (polarizációs optikai mikroszkópia), DSC (differenciál scanning kalorimetria) és XRD (röntgendiffrakció) technikákkal tanulmányozták, továbbá vizsgálták a kritikus kapcsolódó csoportok rugalmasságát és térigényét [14]. A mezogének olyan folyadékkristályos polimerek, amelyek erősen rendezett, merev, rúd alakú kristályokból épülnek fel. Az új, elektro-optikai készülékként alkalmazható anizotrópos tulajdonsággal rendelkező metallomezogén polimerek jelentékeny érdeklődésre tartanak számot az alkotó egységek fent említett kombinálhatósága miatt. Érdekes felhasználási lehetőséget említ Shreeve 2007-es összefoglalójában [15]. Az elektrondonor tulajdonságú ferrocén mezomorf tulajdonságú malonát származékának C 60 fullerénnel és koleszterinnel alkotott vegyületénél (7 1.5 ábra) intramolekuláris elektron transzfert tapasztaltak, így elképzelhető, hogy e vegyületek nanotechnológiában fotogalvanikus és szerves, fényt kibocsátó diódák tervezéséhez alkalmazhatók. A fotogalvanikus kifejezés itt lényegében azt jelenti, hogy az 16
Irodalmi összefoglaló elektromágneses sugárzásnak (napsugárzás) kitett anyag a napsugárzást közvetlenül elektromos árammá alakítja át. Ezen az elven működnek a napkollektorok is. 1.5 ábra A ferrocén mezomorf tulajdonságú malonát származékának C 60 fullerénnel és koleszterinnel alkotott vegyülete Metallomezogéneknek tekinthető, a magjukban két- és három aromás gyűrűt tartalmazó, egyik végükön ferrocenil egységgel lezáródó koleszterin bázisú aszimmetrikus dimerek szintéziséről és termikus tulajdonságainak tanulmányozásáról számol be Majumdar és kutatócsoportja. A ferrocén és az aromás magok közötti lánc hosszát változtatva enantiotróp mezomorfia jelenséget tapasztaltak, amelyre optikai-, kalorimetriás-, és röntgen diffrakciós mérések alapján következtettek. Eljárásukkal sikeresen szintetizáltak új, folyadékkristályos fázisként viselkedő rendszereket [16]. Liu nevéhez fűződik az a megállapítás, hogy szteroid-ferrocén konjugátumokkal új, kémiailag ellenőrzött szol-gél fázisátalakulás valósítható meg [17-18]. Az alkalmazott vegyület (8 koleszteril-glicinát-ferrocenilamid - CGF) a különböző gélek esetén különböző szupramolekulás szerkezeteket hozott létre. A ferrocenilcsoport oxidációja gél-szol átalakulást eredményezett, mivel gyengítette az intermolekuláris hidrogénkötéseket a gélben a CGF molekulák között [17]. 1.6 ábra A Liu által szintetizált koleszteril-glicinát-ferrocenilamid 17
Irodalmi összefoglaló 1.3.2. Anyagtudományok II.: Redox kapcsolók tervezése Gokel és munkatársai tették közzé az első publikációt arról, hogy szupramolekulás rendszerek létrehozása lehetséges a ferrocén molekula Fe(II) centrumának oxidációjával [19]. Az általuk szintetizált ferrocénnel jelzett koleszterin származékoknál megfigyelték, hogy UV hullámhosszúságú fénnyel való besugárzás hatására érdekes hólyagszerű képződmények keletkeztek. A kialakult membrán kémiai- (Ce 4+ ionok segítségével) és elektrokémiai oxidációs vizsgálatai alapján megállapították, hogy a membrán képződését egy redox reakció eredményezte, tehát a ferrocén-ferrocínium redox rendszer befolyásolni tudja a folyadékkristályok felépítését, keletkezését. Így a redoxaktív fémcentrumot tartalmazó molekula szupramolekulás szerkezetek ellenőrzött felépítésére alkalmazható. Ez teljesen új módszert jelent például membránok, micellák létrehozásában. A továbbiakban olyan kolesztán-, vagy ösztránvázat tartalmazó ferrocén-szteroid konjugátumokat állítottak elő, amelyek fémorganikus amfifilekként viselkedtek. A ferrocenil egység oxidációjával az első redox-kapcsolt α,ω-típusú felületaktív anyag képződéséről számoltak be (9 1.7 ábra) [20]. Fe O O Fe 9 1.7 ábra Gokel és kutatócsoportja által előállított fémorganikus amfifil vegyület A káliumion elektrokémiai detektálására alkalmas érdekes felépítésű elektronikus nanokapcsoló kifejlesztéséről számol be munkájában Wu [21]. A szerkezet működése egyetlen guaninban gazdag ferrocenoilcsoporttal jelzett, arany elektród felületén immobilizált DNS szál szekvencia konformációs változásán alapszik. A rugalmas egyszálas struktúra K + -ion jelenlétében négyzetes elrendezésű guanin-quadruplexszé alakul át, amely meggátolja az elektronáramlást (1.8 ábra). 18
Irodalmi összefoglaló 1.8 ábra Az elektronikus nanokapcsoló szerkezetének és a K + -ion detektálási folyamatának sematikus ábrázolása. A próba-dns szekvenciája 5 -tiol-, és 3 -aminohelyettesített guaninban gazdag DNS szekvencia, amelyet ferrocénkarbonsavval való jelzés után arany elektród felületén immobilizáltak [21] 1.3.3. Gyógyszerkémiai alkalmazás A metallocénekkel jelzett vegyületek farmakológiai alkalmazhatóságára számos példa található az irodalomban [22]. A metallocének különleges hatása annak tulajdonítható, hogy külső felületük nagyon hasonlít egy egyszerű, benzoid típusú aromás rendszerére, azonban lényegesen nagyobb kiterjedésűek a harmadik dimenzióban, vagyis sokkal vastagabbak. Így amellett, hogy nem változtatják meg a molekula gyógyhatáshoz szükséges alakját, jellegzetességeit, a vastagságuk miatt gátolják a fertőző mikroorganizmusok egyes enzimjeinek aktív helyeit, ezért azok inhibitoraként alkalmazhatók. Egy másik fontos szempont, hogy a metallocének lipofil tulajdonságuknak köszönhetően nagyobb poláris szubsztituenseket is könnyen át tudnak vinni a sejtmembránokon, ahol azután azok kifejthetik gyógyhatásukat [23]. Egyedi szerkezetének, különleges membrán-permeációs tulajdonságainak és anomális metabolizmusának, valamint egyszerű szubsztituálhatóságának köszönhetően a ferrocént egyre gyakrabban kapcsolják biomolekulákhoz. A ferrocén részletet stabilitása és alacsony toxicitása miatt előszeretettel alkalmazzák továbbá új gyógyszerek tervezésekor, vagy régebbi hatóanyagok új, hatékonyabb analógjainak fejlesztésében [24]. 19
Irodalmi összefoglaló Az irodalomban eddig számos ferrocénnel jelzett aminosav illetve peptid farmakológiai célú alkalmazhatóságát vizsgálták. Metzler-Nolte tanulmánya szerint az általuk előállított arginin tartalmú N-ferrocenoil peptidek antibakteriális aktivitást mutattak néhány Gram-pozitív baktériummal szemben [25]. Miklan és munkatársai vízoldhatóságot elősegítő és sejtpenetráló képességgel rendelkező oligoarginin peptidekhez (tetra-, hexa- és oktaarginin) kapcsoltak ferrocénkarbonsavat, illetve ferrocén-akrilsavat. A konjugálás eredményeként az addig vízben nem oldódó ferrocén vegyületek vízoldhatókká váltak. A konjugátumok humán leukémia (HL- 60) sejteken mért citosztatikus aktivitásának vizsgálata során kiderült, hogy az oligoargininnel való konjugálás nem csak a vízoldhatóságot, hanem egy vegyület biológiai hatásosságát is növelheti. Ferrocén-karbonsav esetében a hexa- és oktaarginint tartalmazó konjugátum citosztatikus hatása az eredeti vegyület aktivitásánál jobbnak bizonyult [26]. Kenny és kutatócsoportja N-(ferrocenil)-benzoil dipeptideket, [27] valamint tri és tetrapeptid észtereket [28], illetve N-(3-ferrocenil-2-naftoil)-, és N-(6-ferrocenil-2-naftoil) dipeptid észtereket [29] szintetizált és in vitro vizsgálta a vegyületek rákellenes aktivitását. Úgy találta, hogy a benzoil származékok esetében az oldallánc hosszának növekedése kedvezőtlenül hat a rákellenes aktivitásra. A sejtciklus analízis alapján megállapította, hogy az N-{orto-(ferrocenil)-benzoil}-glicin-L-alanin etilészter blokkolja a sejtciklust, megállítva azt a G2/M fázisában. A naftoil származékokat H1299 típusú tüdőrák sejteken tesztelték. Ebben az esetben az N-(6-ferrocenil-2-naftoil)-glicin-L-alanin etilészter a már klinikailag alkalmazott cisplatinhoz hasonló antitumor aktivitást mutatott. A férfiak halálozásának egyik fő okozója a prosztatarák. A rákos sejtek burjánzása ebben az esetben az androgének (férfi nemi hormonok) által szabályozott folyamat. Úgy találták, hogy a hormonfüggő prosztatarák sejtek elpusztulnak, amennyiben megfosztják őket az androgénektől. A legújabb terápiás eljárások antiandrogéneket alkalmaznak, amelyek a tesztoszteron helyett az androgén receptorhoz kapcsolódva blokkolják az androgének által előidézett hormonális hatásokat. G. Jaouen, S. Top és kutatócsoportjuk többek között 17-es pozícióban ferrocénvázzal helyettesített etinil-tesztoszteron származékokat szintetizált (10 1.9 ábra) [30]. Jaouen munkatársaival már korábban bizonyította, hogy a ferrocenilcsoport nagy térkitöltése ellenére az androgén receptor a molekulát képes felismerni. [31-33]. A fent említett ferrocénnel jelzett molekulák - 2009- ben megjelent közleményük szerint [30] - az első olyan szteránvázas fémorganikus vegyületek, amelyek PC-3 hormonfüggetlen prosztatarák sejteken végzett biológiai 20
Irodalmi összefoglaló vizsgálat során erős antiproliferatív (sejtosztódást gátló) hatást mutattak. Ez a viselkedés minden valószínűség szerint a ferrocén Fenton-típusú tulajdonságához kapcsolható. 1.9 ábra Jaouen, Top és kutatócsoportjuk által szintetizált szteroid-ferrocén konjugátum Régóta köztudott, hogy a Gram-pozitív baktérium által okozott fertőzések kezelésére alkalmas β-laktám vázas vegyületek (penicillinek, cephalosporinok) antibiotikus hatással rendelkeznek. A β-laktám antibiotikumok a baktériumok sejtfalában a peptidoglikánok közötti keresztkötések kialakulását gátolják. A penicillin β-laktám része ahhoz a transzpeptidáz enzimhez kötődik, mely a baktérium peptidoglikán molekuláit kötné össze. Az enzim így nem tud megfelelően működni és a baktérium sejtfala osztódás során meggyengül. Ezen felül a felhalmozódott peptidoglikán prekurzorok a baktériumban aktiválják a sejtfal hidrolázok működését, amelyek tovább rombolják a baktérium meglevő peptidoglikánját. Az utóbbi években számos β-laktám vázas vegyületet szintetizáltak, amelyek között található koleszterinszint csökkentő [34-35], antibakteriális és gombaölő-[36], valamint antitumor-, [37] továbbá β-laktamáz inhibitor hatással rendelkező is [38]. Edwards és munkatársai már az 1970-es években előállították számos penicillin és cephalosporin ferrocénvázzal jelzett származékát [39-43]. Az előállított vegyületeket illetően majdnem minden esetben antibiotikus aktivitást (néhányuknál fokozott aktivitást) észleltek, valamint egyes molekulák potenciális β-laktamáz inhibitorként viselkedtek. Hasonló eredményre jutott egy másik, Simionescu által vezetett kutatócsoport. Mono- és heterodiszubsztituált ferrocéntartalmú β-laktám vázas antibiotikumokat szintetizáltak. Az elvégzett biológiai vizsgálatok a vegyületek Gram-pozitív baktériumokkal szembeni antibakteriális hatását bizonyították [44]. 21
Irodalmi összefoglaló 1.3.4. Bioszenzorok Biológiailag aktív anyagok elektrokémiai, optikai vagy egyéb érzékelők felületén való rögzítésével olyan bioszenzorok építhetők, amelyekben a mérendő anyag mennyiségének meghatározása során az anyagmennyiség és a detektált jel között fennálló függvénykapcsolatot használják ki. Különféle ferrocén-peptid konjugátumok alkalmazhatók szenzor molekulaként fehérjék detektálására. Ezeket a konjugátumokat úgy tervezik, hogy inhibitor peptid szekvenciát hordozva lehetővé tegyék a fehérjék felismerését és az oldat fázisból való megkötését. A ferrocenilcsoport, amely különböző módszerekkel a kiválasztott elektród felületére van kötve, redox szondaként viselkedik, ezáltal közvetlenül nyerhető elektrokémiai információ a kötődő fehérjéről. D-glükóz D-glükonsavlakton FAD glükóz-oxidáz FADH 2 2 Fc ferrocén + 2 H + ferrocínium ion 2 e - 2 Fc + 1.10 ábra Ferrocénnel módosított glükóz oxidáz enzim működése Különböző oxidoreduktáz típusú enzimek (glükóz-oxidáz, D-aminosav-oxidáz) működése nem követhető hagyományos elektródok alkalmazásával, mivel az aktív centrum 22
Irodalmi összefoglaló túl távol van a fehérje külső felületétől. Heller és Degani ezt problémát a következő érdekes megoldással küszöbölte ki. A glükóz-oxidáz enzimek aminosav oldalláncait ferrocénvázzal jelölték (1.10 ábra 11). Ezáltal a ferrocén mediátorként működött az elektród és az enzim között: miután az elektródra feszültséget kapcsoltak, elektronáramlás indult meg, így a ferrocén-ferricínium átalakulás révén elektronokat közvetített. Ezzel a módszerrel sikeresen újraoxidálták az enzimreakció során képződő FADH 2 redox kofaktort. A folyamatban fellépő áram arányos volt a glükóz koncentrációjával [45-46]. A papayában található papain a cisztein proteáz enzimek családjába tartozik. Egy propeptid résszel rendelkező inaktív proenzimként szintetizálódik. Az enzim aktiválási folyamata során a propeptid rész lehasadása következik be. Növényekben, gombákban, de emlősökben is megtalálható Számos jótékony hatása ismert, többek között gyulladáscsökkentő, immunrendszer erősítő, de sebfertőtlenítő tulajdonságát is közölték. Kraatz és munkatársai ferrocén-peptid konjugátummal (1.11 ábra 12) módosított arany elektródot használtak papain enzim szenzoraként [47] (1.12 ábra). Tapasztalataik szerint a módosított Au elektród biokompatibilis felületként képes a papain enzimet megkötni. Az arany elektród felületén bekövetkező enzim-peptid kölcsönhatást elektrokémiai vizsgálatokkal, (EIS elektrokémiai impedancia spektroszkópia; AC CV váltakozó áramú ciklikus voltametria), valamint SPR (felületi plazmon rezonancia) technika alkalmazásával hatékonyan érzékelték. 1.11 ábra Az Fc-peptid (Gly-Gly-Arg-Tyr) sematikus ábrázolása 23
Irodalmi összefoglaló ferrocén-peptid konjugátum Fe papain-enzim Fe Fe S S S S aranyelektód 1.12 ábra A peptidfilm adszorpciója az arany felületén és a papain kapcsolódása a módosított Au felületen [47] 1.3.5. Molekula- és ionreceptorok A redox érzékeny receptorok olyan molekulák, amelyek képesek egy vendég (guest) molekula vagy ion szelektív megkötésére, amely azután másodlagos kölcsönhatásokon, és/vagy különböző kötéseken keresztül hatást fejt ki a redox központra. A hatás elektrokémiai módszerekkel (általában ciklikus voltammetriával) mérhető. Kationokra érzékeny receptorok kifejlesztéséről számoltak be Kraatz és munkatársai. Munkájuk során vízoldható két- és háromértékű fémionok (Mg 2+, Ca 2+, Zn 2+, La 3+, Tb 3+ ) detektálására alkalmas ferrocén-aminosav biokonjugátumokat szintetizáltak, valamint CV (ciklikus voltammetria) és DPV (differenciál pulzus voltammetria) mérésekkel alátámasztották, hogy az aszparaginsavval és a glutaminsavval jelzett ferrocén származékok lantanoid ionokra, míg a glicinszubsztituált vegyületek a Mg 2+ és a Ca 2+ ion esetében mutattak érzékenységet [48]. Gallagher, Kenny és Sheehy számos N-ferrocenoil-aminosav észter szintézisét és az előállított vegyületek anionokra való érzékenységének -elektrokémiai- (CV) valamint 1 H- NMR titrimetriával történő vizsgálatát írják le közleményükben [49-51]. 24
Irodalmi összefoglaló 1.4. A ferrocéntartalmú biokonjugátumok előállítása A ferrocén felfedezését, karakterizálását követően számos kutatócsoport irányította figyelmét ferrocénszármazékok, köztük a ferrocéntartalmú biokonjugátumok szintézisére. Schögl nagyon korán, már 1957-ben közölte számos ferrocenil- és ferrocenoil-csoporttal jelzett aminosav észter előállítását [52]. Mára már rengeteg különféle eljárás létezik, amelyek mind a hagyományos preparatív kémiai-, mind a modern átmenetifém-katalizált kapcsolási technikákat felhasználva megfelelő hozamot és szelektivitást biztosítanak a preparatív vegyész számára. 1.4.1. Ferrocénnel jelzett aminosav származékok szintézise A ferrocén elektrokémiai aktivitását kihasználó ferrocenil-metil-jelzőcsoporttal (Fem-csoport) kapcsolt aminosav tartalmú konjugátumokat (16) biomolekulák - főként aminosavak és peptidek meghatározására lehet használni. A Fem-csoport peptidszintézis során védőcsoportként is szerepelhet. A preparatív kémiában az egyik legáltalánosabb és gyakran alkalmazott módszer a ferrocénnel jelzett aminosavak előállítására, amikor a ferrocénkarboxaldehidet (13) reagáltatják egy aminosav (14) szabad aminocsoportjával, ami imin típusú termékhez (15) vezet. A reakció többnyire szobahőmérsékleten játszódik le [54], az oldószer általában EtOH [53], MeOH [54], vagy CHCl 3 [55], de találhatunk az irodalomban példát oldószermentes körülmények között megvalósított eljárásra is [56]. A termék hozama az előbb említett módszerek mindegyikénél meghaladta a 75%-ot (1.7 egyenlet). 25 (1.7)
Irodalmi összefoglaló A szekunder amin típusú ferrocenilmetil (Fem) származékokhoz (16) az így képződött vegyület vegyszeres, vagy katalitikus redukciója révén jutnak NaBH 4 vagy csontszénre választott palládium katalizátor + hidrogén jelenlétében (hozam >90%). Egy másik módszerrel NaBH 3 CN reagens alkalmazásával ferrocénkarboxaldehidből közvetlenül, egy lépésben nyerhetők a Fem-csoporttal jelzett vegyületek. N-ferrocenoil-aminosavak és peptidek a ferrocénkarbonsav származékai. Rendkívül széleskörű felhasználhatóságukról korábban már esett szó: szolgálhatnak anion-, valamint kation receptorként (ld. 1.3.5. fejezet), de alkalmasak lehetnek a fehérjék bizonyos szerkezeti elemeinek modellezésére is. Számos vegyület farmakológiai potenciált rejt magában. Az első ferrocéntartalmú aminosav- és dipeptid származékokat (Fc-CO-Gly-OMe, Fc-CO-Gly-OH, és Fc-CO-Gly-Leu-OEt) ugyancsak Schlögl állította elő 1957-ben [52]. Mivel maga a ferrocénkarbonsav (17) önmagában nem elég erős acilezőszer, így az N-ferrocenoil-aminosavak előállítása során a peptidkötés kialakításához aktiválni kell. Erre több módszert is kifejlesztettek (1.13 ábra). Az acilezésére legáltalánosabban alkalmazott acilezőszer a karbonsav-klorid (18), melyet a ferrocénkarbonsav és az oxalil-klorid, vagy a tionil-klorid reakciójában nyernek (1.13 ábra a reakcióút) [52] [57]. A preparatív kémiában az aktiválásra az egyik leggyakrabban alkalmazott megoldás az, amelynek során a karbonsavból szukcinimid származékot (19) (1.13 ábra b reakcióút), vagy benzotriazol-észtert (20) (1.13 ábra c reakcióút) képeznek. Mindkét esetben valamilyen karbiimidet, EDC-t (1-etil-3-(3-(dimetil-amino)-propil)-karbodiimidhidroklorid) vagy DCC-t (N,N -diciklohexil-karbodiimid) használnak aktiváló ágensként. [58]. A legpraktikusabb, ezáltal legközkedveltebb N-ferrocenoil-aminosavak előállítására irányuló szintézis az, amikor a ferrocénkarbonsavat in situ HBTU-val (O-benzotriazol- N,N,N,N -tetrametil-uronium-hexafluoro-foszfát), vagy TBTU-val (benzotriazol-1-il- 1,1,3,3-tetrametil-urónium-tetrafluoro-borát) bázis (pl. Et 3 N) jelenlétében aktiválják (1.13 ábra d reakcióút). Ennek a megoldásnak a legnagyobb előnye a rövid reakcióidő mellett az, hogy nem szükséges vízmentes oldószerek használata, valamint a kapcsoló reagensből keletkező melléktermékek extrakcióval könnyen eltávolíthatóak, így további tisztítási művelet nem szükséges. Ezáltal kiváló hozammal, nagy tisztaságú termék szintetizálható [59]. 26
Irodalmi összefoglaló 1.13 ábra Ferrocénkarbonsav aktiválásának lehetőségei N-Ferrocenoil-aminosav-észterek palládium-katalizált karbonilezéssel is előállíthatók. E reakció ismertetésével az 1.5.1 fejezetben foglalkozom. 27
Irodalmi összefoglaló 1.4.2. Ferrocénnel jelzett szteránvázas vegyületek előállítása A Jaouen és Top vezette kutatócsoport rendkívül széleskörű szintetikus és biológiai kutatást végzett a fémorganikus szteránvázas androgén származékok terén. A vegyületekben rejlő farmakológiai lehetőségekkel kapcsolatban közel 20 éve végeznek eredményes kutatásokat (lásd 1.3.3. fejezet [30-33]). Az első ferrocén egységgel jelzett szteroid hormonról szóló beszámoló 1977-ben jelent meg az irodalomban. Riesselmann és Wenzel az ösztron és az ösztradiol 3-as helyzetű hidroxil-csoportjának észteresítését végezte el [61]. Az ezt követő 103 RuCl 3 -mal való fémcsere reakció egy olyan radioaktív rutenocénnel jelzett ösztron valamint ösztradiol konjugátumhoz vezetett, amelyeket a későbbiekben biológiai immunvizsgálatok során alkalmaztak. A másik korai közlemény a szteránvázas vegyületek ferrocénnel való jelzésének területéről Cais és munkatársai nevéhez fűzhető [62]. A kutatók metallo-immuno vizsgálatok során alkalmazható ferrocéntartalmú ösztron (25), -ösztradiol és ösztratriol származékokat szintetizáltak a következő módon: a szteroidok (pl. 22) 3-as helyzetű hidroxil-csoportját elsőként mono-halogeno-ecetsavval (X = Cl, Br, I) reagáltatták, ezáltal egy 3-O-karboxi-metil-éter származékhoz jutottak, amelyet a következő lépésben DCC jelenlétében N-hidroxi-szukcinimiddel aktiváltak. Az így kapott vegyületet (23) aminometil-ferrocénnel (24) reagáltatva - bázisként fölöslegben alkalmazott trietil-amin jelenlétében - jutottak el a jelzett vegyületekhez (25). Az eljárást az ösztron példáján keresztül mutatom be az 1.14 ábrán (hozam: 81%). 28
Irodalmi összefoglaló 1.14 ábra Cais és munkatársai módszere ferrocénnel jelzett ösztron előállítására Noha a ferrocénnel való jelzés érdekes új lehetőségeket kínál, csak kevés ilyen szteroid származék szintézise fedezhető fel a szakirodalomban. A csekély számú közlemény egy fontos hányada alapvegyületként a biológiailag aktív az ösztradiol ferrocén-szubsztituált konjugátumairól számol bel. A Jaouen és munkatársai által előállított 17α-ferrocenil-17β-hidroxi-ösztradiolhoz (30) többlépéses reakciósorozaton keresztül vezetett az út. Munkájuk során a bróm-ferrocénből (27) kialakított rendkívül reakcióképes lítiált származékot (28) kapcsolták a 3-as pozícióban t BuMe 2 Si- védőcsoporttal ellátott ösztronhoz (29), így 29%-os hozammal kapták meg a várt terméket [63] (1.15 ábra). 29
Irodalmi összefoglaló 1.15 ábra 17α-ferrocenil-17β-hidroxi-ösztradiol (30) előállítása Az orvosbiológiai alkalmazásokon túl, a ferrocénnel történő jelölés analitikai detektálás célú felhasználása [64] kihasználva a ferrocén elektrokémiai sajátsága nyújtotta előnyöket ugyancsak rendkívül népszerűvé vált az elmúlt néhány évtizedben [65-68]. Osella és munkatársai 17α-(ferroceniletinil)-ösztradiolt (33) állítottak elő [69]. A ferrocén-ösztradiol konjugátumot 17α-etinil-ösztadiolból (32) kiindulva szintetizálták homogénkatalitikus keresztkapcsolási reakcióban. A szteránvázas vegyületet trietilaminban 13 mol% CuI és katalizátorként alkalmazott 5 mol% PdCl 2 (PPh 3 ) 2 jelenlétében reagáltatták jód-ferrocénnel (31). 4 órás reakcióidőt követően 38%-os hozammal izolálták a terméket (1.8 egyenlet). A HPLC-ED technikával (nagy teljesítményű folyadékkromatográfia elektrokémiai detektorral) elvégzett analízis során a ferrocén jelenléte miatt a szteroid kimutathatósági határa 1nM-ra csökkent, ezáltal a módszer alkalmazhatóvá vált a farmakológiai minták mennyiségi meghatározására. 30
Irodalmi összefoglaló (1.8) Coutouli-Argyropoulou és munkatársai számos biomolekulát, közöttük egy kolesztán vázas vegyületet kapcsoltak össze etinil-ferrocénnel ugyancsak Sonogashira körülmények között [70], két különböző katalizátort alkalmazva. A szteroid triflátszármazékát reagáltatták mindkét esetben DMF-ben 2 mol% CuI és bázis jelenlétében az etinil-ferrocénnel. Az egyik esetben 10 mol% Pd(PPh 3 ) 4 katalizátort alkalmaztak, így 87%-os hozammal kapták meg a ferrocénnel jelzett biokonjugátumot; a második eljárás során a katalizátor PdCl 2 (PPh 3 ) 2 (6,5 mol%) volt, ekkor 65%-os hozamot értek el. Vicinális szteránvázas amino-alkoholok amino-csoportjának ferrocénkarboxaldehiddel (13) lejátszódó reakciója előbb imin származékokhoz, majd az így kapott iminek NaBH 4 -del történő redukciója az N-ferrocenilmetil-aminosavak analógiájára Fem egységgel jelzett szteroidokhoz (34) vezet [71] (1.16 ábra). Ezzel a módszerrel Schönecker és kutatócsoportja 68-84%-os hozammal tudta előállítani a későbbiek során biológiai vizsgálatokhoz használt molekulákat. OH NH Fe H 3 CO 34 1.16 ábra Schönecker és munkatársai által szintetizált Fem egységgel jelzett szteránvázas molekula szerkezete A fentiekben említett ösztradiol mellett a koleszterin volt az a másik szteránvázas molekula, amelynek ferrocénnel való összekapcsolását számos tanulmányban vizsgálták. Deschenaux egy 6 mezomorf ferrocén egységgel helyettesített folyadékkristályos tulajdonságú elsőgenerációs dendrimer szintéziséről számol be közleményében [72]. 31
Irodalmi összefoglaló Nakamura és kutatócsoportja a 90 -es évek eleje óta folytat intenzív kutatásokat a ferrocénnel jelzett folyadékkristályos vegyületek terén [73]. Az általuk alkalmazott egyik eljárás során a 4-ferrocenil-benzoesav ezüst sóját kapcsolták össze ω-jodo-alkánsavak koleszterinnel képzett észterével. Scutaru és munkatársai koleszteril-részletet hordozó termotróp 1 tulajdonságú ferrocénszármazékok szerkezetbeli változtatásainak a folyadékkristályos viselkedésre gyakorolt hatását tanulmányozták [74]. A célvegyület szintézisét három lépésben valósították meg. Elsőként, ferrocénből (3) kiindulva Lewis-sav katalizátor (AlCl 3 ) jelenlétében borostyánkősav-anhidrid vagy glutársav-anhidrid felhasználásával metilénkloridban 5 C-on az α-keto-karbonsav származékot állították elő, amelyet ezt követően a frissen cinkből és HgCl 2 -ből sósavas oldatban készített amalgámmal toluolban redukáltak, ezáltal 4-ferrocenil-butánsavhoz, illetve 5-ferrocenil-pentánsavhoz (35) jutottak (1.17 ábra). 1.17 ábra Scutaru és munkatársai módszere ferrocén-koleszterin konjugátum (37) előállítására 1 termotróp molekulák azok a molekulák, amelyek a hőmérséklet növekedésével és csökkentésével különböző mezofázisokat mutatnak 32
Irodalmi összefoglaló A második lépésként a koleszterint négy lépcsőben koleszteril-4-(4- hidroxifenilazo)-benzoáttá (36) alakították. A ferrocéntartalmú folyadékkristályt (37) a DCC-vel aktivált ferrocenil-karbonsav (35) és az azo-koleszteril (36) mezogén-egység katalitikus mennyiségű DMAP jelenlétében metilén-kloridban lejátszódó reakciójában nyerték. 24 órás reakcióidő után >60%-os hozammal kapták meg a várt terméket (1.17 ábra). Összességében megállapítható, hogy a koleszterin tartalmú folyadékkristályos származékok szintézise során a leggyakoribb nehézséget a ferrocénvázas mezogén egység előállítása jelenti. Az előbb említett vegyület karbonsavszármazékának sikeres szintézise után a szteránvázzal való kapcsolatot a koleszterin 3-as helyzetű hidroxil-csoportjának észteresítésével oldják meg. 1.4.3. Ferrocéntartalmú β-laktámok szintézise A 4-es szénatomon ferrocén egységet tartalmazó β-laktámok szintézise az utóbbi évtizedekben rendkívül nagy érdeklődést váltott ki. A ferrocén beépítésével a β-laktám molekula alakjának a harmadik dimenzióban való megváltoztatására nyílik lehetőség anélkül, hogy az antibiotikus hatásért felelős szerkezetét módosítanák. Az első ferrocénnel jelzett β-laktámok tulajdonképpen a 6-aminopenicillinsav és a 7-aminocephalosporinsav ferrocénszubsztituált származékai voltak. A 70 -es évek közepén az angol Edwards, Epton és Marr [39-43], míg 20 évvel később Romániában a Scutaru Simionescu vezette kutatócsoport [75-78] vizsgálta intenzíven a fent említett ferrocénnel helyettesített antibiotikumok szintézisének lehetőségeit és a ferrocénnek az antibiotikumok antibakteriális tulajdonságára gyakorolt hatását. Az angol kutatók ferrocénnel helyettesített egyenes és elágazó szénláncú karbonsav-kloridokkal acilezték a penicillin-, valamint a cephalosporin aminocsoportját. A fémorganikus vegyülettel jelzett antibiotikumok Na-sóit izolálták kielégítő hozammal (50%-82%) (1.19 egyenlet). 33