Функционализация арабиногалактана малеинатными и глиоксалатными группами Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.458:577.114.4

DOI: 10.17122/bcj-2018-4-34-38

И. Ю. Понеделькина (к.х.н., доц.), А. Р. Гаскарова (к.х.н., м.н.с.), Э. А. Хайбрахманова (к.х.н., м.н.с.), В. Н. Одиноков (д.х.н., проф.)

ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ АРАБИНОГАЛАКТАНА МАЛЕИНАТНЫМИ И ГЛИОКСАЛАТНЫМИ ГРУППАМИ

Институт нефтехимии и катализа УФИЦ РАН 450075, г. Уфа, пр. Октября, 141, тел. (347)2843150, e-mail: ink@anrb.ru, ponedelkina@rambler.ru

I. Yu. Ponedel'kina, A. R. Gaskarova, E. A. Khaibrakhmanova, V. N. Odinokov

FUNCTIONALIZATION OF ARABINOGALACTAN BY MALEATE AND GLYOXALATE GROUPS

Institute of Petrochemistry and Catalysis UFRC RAS 141, Prospekt Oktyabrya Str, 450075 Ufa, Russia, ph. (347)2843150, e-mail: ink@anrb.ru,

ponedelkina@rambler.ru

С целью получения новых функционализиро-ванных производных арабино-3,6-галактана (АО), полисахарида из лиственницы сибирской (Ьапх зЛтса), разработаны условия получения малеинатов АО без применения растворителей. Озонолизом малеината АО в водной среде осуществлен синтез глиоксалата АО с альдегид-гидратной функцией. Продемонстрирована высокая реакционная способность малеинатов при взаимодействии с тиольными соединениями, такими как ¿-цистеин и тиогликолевая кислота. На примере реакции с 4-аминоантипирином показана способность альдегид-гидратных групп гли-оксалата АО образовывать основания Шиффа.

Ключевые слова: арабиногалактан; глиокса-лат; малеинат; малеиновый ангидрид; озонолиз; основания Шиффа; «тиол-ен» реакции (Михаэля); этерификация.

Арабино-3,6-галактаны (АО) относятся к полисахаридам (РБ) растительного происхождения, их сильно разветвленные макромолеку-лярные цепи состоят из остатков галактозы и арабинозы. Коммерчески значимыми источниками являются лиственницы западная (Ьат1х всс1йвпЬаН$) и сибирская (Ьат1х $1Ъ1т1са). Благодаря хорошей растворимости в воде, низкой токсичности, иммуномодулирующим, гастропротекторным и антиметастатическим свойствам, АО применяются для разработки различных лекарственных средств .

Малеинатная группа, введенная в АО, может служить инструментом для синтеза многих практически значимых соединений , в том числе эфиров глиоксалевой кислоты Глиоксалаты (в виде альдегид-гидратов) легко получить озонолизом малеинатов в водной сре-

Дата поступления 30.09.18

In order to obtain new functionalized derivatives of arabino-3,6-galactan (AG), a polysaccharide from Siberian larch (Larix sibirica), the conditions for obtaining AG maleates without the use of solvents were developed. By the AG maleate ozonolysis in an aqueous medium the synthesis of AG glyoxalate with an aldehyde-hydration function was carried out. The high reactivity of maleates in the interaction with thiol compounds, such as L-cysteine and thioglycolic acid, has been demonstrated. In the reaction with 4-amino-antipyrine the ability of aldehyde-hydrate groups of AG glyoxalate to form Schiff bases is shown.

Key words: arabinogalactan; esterification; glyoxalate; maleic anhydride; maleate; ozonolysis; Schiff bases; «thiol-ene» reactions (of Michael addition).

де 4, и для АО такой способ мог бы стать альтернативой периодатному окислению 5. И мале-инатная, и альдегидная группы полезны в последующих трансформациях АО, например, при получении аддуктов с тиолами 6 или аминами 5.

В отличие от многих других РБ, малеинат АО (АО-М) ранее не был получен. Целью настоящей работы являлась разработка условий синтеза АО-М с последующим озонированием АО-М в глиоксалат АО (АО-О) (схема 1).

AG

,OH

AG'

Схема 1

HO' AG-M

- HOOC-CHO

AG

OH

Vc O OH

AG-G

Нами изучена этерификация АО в расплаве малеинового ангидрида (МА, Тпл. 52 оС), взятого в многократном избытке (АО:МА= = 1:7). Титрованием продукта раствором

O

O

3

O

NaOH установлено, что при температуре реакции 70—80 °С получен AG-M, в котором степень замещения гидроксигрупп (DS) составила 0.30 ммоль на 1 г AG-M в Н+-форме; при увеличении температуры до 110—120 оС DS возросла до 0.72. Выход составил 76—81% (табл. 1). Добавление в сухие смеси AG/MA К2С03, Na2C03 или (NH4)2C03 привело к существенному повышению степени малеиниро-вания (до 1.27—2.22 ммоль/г). Наиболее эффективным проявил себя К2С03 (DS 2.22, выход 64%, табл. 1). В спектрах ЯМР малеи-натным группам в AG-M соответствовали уширенные сигналы олефиновых протонов с 5.6 и 6.7 м.д.

Согласно литературным данным 7, полезными приемами для увеличения DS в малеина-тах PS являются многократная обработка ангидридом 8 и добавление воды (3—12 % мас.). Увлажнение образцов, даже в присутствии К2С03, не дало преимуществ перед использованием сухих смесей, DS и выход AG-М уменьшились. Повторное малеинирование образца с DS 2.22 привело к продукту с DS 2.87, но последний был выделен с существенными потерями, обусловленными, по-видимому, деструктивным действием как температуры, так и сильнокислотных -С00Н-групп малеи-новой кислоты (pKa 1.81), образующейся при раскрытии МА в присутствии воды 9 (табл. 1).

Таблица 1 Условия малеинирования AG и характеристики образцов AG-М

№ Условия DS, ммоль/г выход, %

1 70-80 оС 0.30 81

2 70-80 оС, 20% мас. К2СО3 1.27 86

3 110-120 оС 0.72 75

4 110-120 оС, 20% К2СО3 2.22 64

5 110-120 оС, 15%а Ы82СОз 1.91 70

6 110-120 оС, 14%а (ЫИ^СОз 1.85 76

7 повторная обработка ангидридом образца №4 с ОБ 2.22 в условиях опыта №4 2.87 55

8 70-80 оС, 10% Н2О 0.29 71

9 70-80 оС, 10% Н2О, 20% К2СО3 0.53 54

10 110-120 оС, 10% Н2О, 20% К2СО3 1.08 40

a — Моль-масса каждого из этих карбонатов ниже, чем К2С03, соответственно, Na2C03 и (NH4)2C03 добавляли в смеси AG/MA в меньшем количестве.

Важной характеристикой продуктов мале-инирования является DS первичных гидро-ксигрупп (DSp) AG-М. Нами предложен спектральный метод определения DSp в AG-М с помощью двумерных спектров HSQC, в которых кросс-сигнал этерифицированных

-СН2ОН групп сдвигался в более слабое поле (5 4.15-4.36/63.3 м.д.) по сравнению с кросс-сигналом для интактных -СН2ОН групп (5 3.66-3.82/61.0 м.д.) (рис. 1). Из отношения интенсивности (1т) сигнала в слабом поле к суммарной интенсивности кросс-пиков (1т+1) для образца АО-М с ЭБ 2.22 было найдено значение ЭБр, равное 0.56, т.е. в структуре АО-М более половины (56%) первичных гидроксигрупп были этерифицированы.

Озонолиз АО-М открывает путь к глиок-салатам (АО-О, схема 1) — эфирам глиоксале-вой кислоты (НООС-СНО), перспективным в качестве соединений с альдегидной функцией. При озонировании непредельных соединений в воде восстановления пероксидных продуктов озонолиза не требуется; например, малеинат ментилового спирта в водной среде (рН 8.5— 9.1, 30—35 °С, 96 ч) непосредственно превращался в глиоксалат (в альдегид-гидратной форме) 4. Поэтому озонирование образца АО-М с ЭБ 2.22 выполняли в воде (рН 8), контролируя завершенность реакции по исчезновению в спектрах ЯМР сигналов малеинат-ных протонов с 5 5.6 и 6.7 м.д. По сравнению с методикой 4, условия озонирования АО-М оказались более мягкими, при комнатной температуре реакция заканчивалась уже через 40 мин. В ЯМР спектре озонированного продукта в области с 5 5.40 м.д. наблюдался уширенный сигнал, в спектре НБОС он коррелировал с сигналом с 5 86.3 м.д., характерным для атома углерода метиновой группы в альдегид-гидратах, и свидетельствовал об образовании АО-О. Кросс-сигнал, соответствующий атомам метиленовой группировки в глиокса-латных группах -СН2ОС(О)СН(ОН)2, сдвигался в еще более слабое поле по сравнению с кросс-сигналом малеинированных -СН2ОН групп (5 4.15-4.36/63.3 м.д.) и регистрировался в области с 4.27-4.42/64.6 м.д.; его интенсивность составила 41% от суммарной интенсивности обоих кросс-сигналов (рис. 1). Это на 15% меньше, чем для малеината с ЭБ 2.22 (56%), что свидетельствовало о частичном гидролизе сложноэфирных групп во время озоно-лиза. Содержание глиоксалатных групп, найденное кислотно-основным титрованием свободной глиоксалевой кислоты после щелочного гидролиза образца, составило 1.79 ммоль/г.

Как известно, активированная двойная

связь малеиновой кислоты и ее производных

легко вступает в реакцию с тиолами 6. Это

свойство положено в основу «тиол-ен» клик-10 11

химии , методы которой в настоящее время широко применяются в органическом син-

Рис. 1. Спектры HSQC AG (A), AG-M (Б) и AG-G (В), кросс-сигналы -CH2OH групп выделены прямоугольниками

тезе, функционализации полимеров, биоорганической химии. В реакциях с ¿-цистеином (Су8) или тиогликолевой кислотой (ТОА) (схема 2) образец АО-М с ЭБ 2.22 проявил высокую реакционную способность, о чем свидетельствовало быстрое исчезновение сигналов малеинатных протонов в спектрах 1Н ЯМР. Сигналы, появившиеся в области с 5 ~3 и ~4 м.д., были характерны для 5-производ-ных Су8, сигнал с 5 3.14 м.д. отвечал аддукту АО-М с ТОА. Согласно 12, наиболее вероятными являются региоизомеры, представленные на схеме 2.

количественным выходом, об этом свидетельствовало исчезновение в 1Н ЯМР спектре сигнала метинового протона альдегид-гидратной группы с 5 5.40 м.д. Характерные для остатка 4-ААР сигналы наблюдались в области с 5 2.33 (С=ССН3), 3.40 (КСИ3), 7.50 и 7.70 м.д. (РЬ).

AG-G

H,N CH,

2w 3

O^V^

Ph

AG

,O

с

CH3

Схема 3

N' I

Ph

CH

RSH

AG-M

AG'

Схема 2

H

V--4 ^R, где R= или -CH2COOH

or *

Свойство АО-О (ЭБ 1.79) реагировать с аминами с образованием оснований Шиффа продемонстрировано нами на примере реакции с 4-амино-2,3-диметил-1-фенил-3-пиразолин-5-оном (4-аминоантипирином, 4-ААР) — прекурсором для синтеза анальгина, известного лекарственного средства анальгетического, противовоспалительного и жаропонижающего действия. При взаимодействии АО-О с 4-ААР в Э2О конъюгат АО-ААР (схема 3) получен с

Таким образом, разработаны условия для эффективной функционализации AG малеинат-ными и глиоксалатными (альдегид-гидратными) группами. Для малеинатов продемонстрирована высокая реакционная способность в реакции присоединения тиолов по Михаэлю, для глиок-салатов — способность образовывать основания Шиффа при взаимодействии с аминами.

Экспериментальная часть

Спектры 1Н и 13C ЯМР регистрировали для растворов в D2O на спектрометре Bruker AVANCE 400 (400.13 (1Н) и 100.62 МГц (13C)) или Bruker DRX-500 (500.17 и 125.78 МГц), внутренний стандарт — ацетон. В работе ис-

HO

O

O

пользовали озонатор «ТЛ-2», рН-метр «рН-340» и реактивы: AG из лиственницы сибирской Larix sibirica, M 14-16 кДа (Институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, г. Иркутск), Cys, TGA и 4-ААР фирмы Acrus.

Общая методика получения AG-M. 4.2 г MA нагревали в фарфоровой чашке до требуемой температуры, затем в расплав при интенсивном перемешивании добавляли 0.6 г AG или смесь AG с добавками (табл. 1). Через 5-7 мин отвердевшую массу охлаждали до комнатной температуры, затем промывали Et2O для удаления избытка MA. Остаток растворяли в 10 мл Н2О, нейтрализовали NaOH и осаждали в MeOH (40 мл). Осадок отделяли центрифугированием, растворяли в 10 мл Н2О при рН 2-3, осаждали MeOH, промывали MeOH, Et2O и высушивали, получив в виде белых порошков образцы AG-M в кислотной форме. DS (в ммоль -СООН групп на г AG-M) определяли титрованием 0.05 н NaOH в присутствии фенолфталеина. Характеристики продуктов приведены в табл. 1.

Синтез AG-G. 0.30 г AG-M с DS 2.22 растворяли в 3 мл Н2О, рН 8, затем барботирова-ли озоно-кислородную смесь со скоростью 10

Литература

1. Grischenko L.A., Parshina L.N., Larina L.I., Novikova L.N., Trofimov B.A. Modification of arabinogalactan propargyl ethers by triazolylfunctions / / Carbohydr. Polym.-2015.- V. 115.- Pp.294-304.

2. Vasi A.-M., Popa M. I., Butnaru M., Dodi G., Verestiuc L. Chemical functionalization of hyaluronic acid for drug delivery applications / / Mat. Sci. Eng.: C.- 2014.- V.38.- Pp.177-185.

3. Patent EP 1065217, Germany. Polysaccharide aspartate / Kretzschmar G. // www.espacenet. com.- 2001.

4. Patent US 20040254395, USA. Ozonolysis process for preparing menthyl glyoxylate hydrate / Cook F. P., Keller J. M., Yang X. Y. // www.espacenet.com.- 2004.

5. Golenser J., Frankenburg S., Ehrenfreund T., Domb A.J. Efficacious treatment of experimental leishmaniasis with amphotericin B-arabinogalac-tan water-soluble derivatives // Antimicrob. Agents Chemother.- 1999.- V.43.- Pp.22092214.

6. Morgan E. J., Friedmann E. Interaction of maleic acid with thiol compounds // Biochem. J.-1938.- V.32, №4.- Pp.733-742.

7. Xing G.-X., Zhang S.-F., Ju B.-Z., Yang J.-Z. Microwave-assisted synthesis of starch maleate by dry method // Starch.- 2006.- V.58.- Pp.464467.

8. Patent US 2891947, USA. Preparation of starch esters / Paschall E.F., Katzbec W.J. // www.espacenet.com.- 1959.

мл/мин при комнатной температуре, поддерживая рН с помощью NaOH и отбирая пробы V=0.05 мл через 10, 20, 30 и 40 мин для анализа методом ЯМР. По окончании реакции (40 мин) продукт выделяли осаждением из MeOH и высушивали, получив 0.18 г (64%) в виде белого порошка.

Содержание глиоксалатных остатков в AG-G (ммоль/г) определяли следующим образом. Точную навеску AG-G (0.1 г) помещали в колбу, добавляли 5 мл 75% EtOH, 2 мл 0.5 M NaOH и выдерживали 24 ч при комнатной температуре. По окончании гидролиза избыток щелочи титровали 0.2 M HCl.

Аддукты AG-M (DS 2.22) с Cys и TGA. 15 мг AG-M (0.033 ммоль -СООН групп) растворяли в 0.7 мл D2O, рН 7, добавляли 4 мг (0.033 ммоль) Cys гидрохлорида или 3 мг (0.033 ммоль) TGA. Через 20-30 мин регистрировали спектры 1Н ЯMР.

Конъюгат AG-G (DS 1.79) с 4-ААР. 20 мг AG-G (0.036 ммоль глиоксалатных групп) растворяли в 0.7 мл D2O, добавляли 7.3 мг (0.036 ммоль) 4-ААР, оставляли на ночь при комнатной температуре. По завершении реакции регистрировали спектры 1Н ЯMР.

References

1. Grischenko L.A., Parshina L.N., Larina L.I., Novikova L.N., Trofimov B.A. [Modification of arabinogalactan propargyl ethers by triazolylfunctions] Carbohydr. Polym., 2015, vol.115, pp.294-304.

2. Vasi A.-M., Popa M. I., Butnaru M., Dodi G., Verestiuc L. [Chemical functionalization of hyaluronic acid for drug delivery applications] Mat. Sci. Eng.: C., 2014, vol.38, pp.177-185.

3. Kretzschmar G. [Polysaccharide aspartate]. Patent no.EP1065217, 2001.

4. Cook F. P., Keller J. M., Yang X. Y.[Ozonolysis process for preparing menthyl glyoxylate hydrate]. Patent no.US 20040254395, 2004.

5. Golenser J., Frankenburg S., Ehrenfreund T., Domb A.J. [Efficacious treatment of experimental leishmaniasis with amphotericin B-arabinogalactan water-soluble derivatives] Antimicrob. Agents Chemother., 1999, vol.43, pp.2209-2214.

6. Morgan E. J., Friedmann E. [Interaction of maleic acid with thiol compounds] Biochem. J., 1938, vol.32, pp.733-742.

7. Xing G.-X., Zhang S.-F., Ju B.-Z., Yang J.-Z. [Microwave-assisted synthesis of starch maleate by dry method]. Starch, 2006, vol.58, pp.464-467.

8. Paschall E.F., Katzbec W.J. [Preparation of starch esters]. Patent no.US 2891947, 1959.

9. Biswas A., Shogren R.L., Kim S., Willett J.L. [Rapid preparation of starch maleate half-esters] Carbohydr. Polym., 2006, vol.64, pp.484-487.

9. Biswas A., Shogren R.L., Kim S., Willett J.L. Rapid preparation of starch maleate half-esters // Carbohydr. Polym.- 2006.- V.64.- Pp.484487.

10. Hoyle Ch. E., Bowman Ch. N. Thiol-ene click chemistry // Angew. Chem. Int. Ed.- 2010.-V.49 (9).- Pp.1540-1573.

11. Chan J. W., Hoyle C. E. Lowe A. B. Bowman M. Nucleophile-initiated thiol-Michael reactions: effect of organocatalyst, thiol, and ene // Macromolecules.- 2010.- V.43(15).- Pp. 63816388.

12. Baczko K., Chasseray X., Larpent Ch. Synthesis and surfactant properties of symmetric and unsymmetric sulfosuccinic diesters, Aerosol-OT homologues // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2.2001.- V.11.- Pp.2179-2188.

10. Hoyle Ch. E., Bowman Ch. N. [Thiol-ene click chemistry]. Angew. Chem. Int. Ed., 2010, vol.49, no.9, pp.1540-1573.

11. Chan J. W., Hoyle C. E. Lowe A. B. Bowman M. [Nucleophile-initiated thiol-Michael reactions: effect of organocatalyst, thiol, and ene]. Macro-molecules, 2010, vol.43, no.15, pp.6381-6388.

12. Baczko K., Chasseray X., Larpent Ch. [Synthesis and surfactant properties of symmetric and unsymmetric sulfosuccinic diesters, Aerosol-OT homologues]. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 2001, vol.11, pp.2179-2188.