CC BY
9ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2008, том 50, № 6, с. 959-964
СИНТЕЗ
УДК 541.64.547.83
ПОЛИАМИНОКИСЛОТНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ЦИКЛОТРИФОСФАЗЕНА С ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМИ ФРАГМЕНТАМИ1
© 2008 г. М. А. Ванцян*, Д. А. Алекперов*, H. Ihara**, Г. В. Попова*, В. В. Киреев*
*Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская пл., 9 **Kumamoto University Kumamoto 850-8555, Japan Поступила в редакцию 26.09.2007 г.
Принята в печать 24.01.2008 г.
С использованием гексакис-(4-аминофенокси)циклотрифосфазена и 1-пиренбутановой кислоты получены и идентифицированы полиаминокислоты с центральным трифосфазеновым циклом и периферийным пиреновым фрагментом. Введение люминофора привело к образованию высокоупоря-доченных структур, содержащих фрагменты по три а-спирали в транс-положении относительно фосфазенового цикла. Характер люминесцентных спектров позволяет предположить наличие пи-реновых димеров, что может быть связано с межмолекулярной агрегацией пептидных цепей с концевыми хромофорными группами. Методом ДСК для таких соединений выявлено стеклование, обусловленное "размораживанием" подвижности боковых цепей, и установлено изменение типа спирали полиаминокислотных фрагментов.
В последние годы интенсивно развиваются исследования по синтезу и изучению соединений с откликом на действие внешних факторов, в частности, различные типы облучения - УФ, ИК, лазерное и другие. Люминесцентные метки представляют большой интерес при использовании их в устройствах молекулярной электроники, а также медицине как для диагностики, так и для лечения [1, 2]. Актуальной задачей является также разработка светоиспускающих материалов с переменной управляемой люминесценцией на основе мультифункциональных соединений, способных к самоорганизации и функционированию в супрамолекулярной фазе, например, в виде жидкого кристалла, органогеля или мультислоев [3, 4]. Производные циклофосфазенов в силу своей полифункциональности, биодеградируемости, способности к стекинг-взаимодействию представляют собой уникальные объекты для получения новых "строительных блоков", пригодных в синтезе разнообразных целевых мультифункциональных адаптивных систем [5, 6].
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, Программа "Развитие научного потенциала высшей школы" (подпрограмма 2.2.2).
E-mail: galina@muctr.edu.ru (Попова Галина Викторовна).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Продолжая ранее начатые исследования по темплатному синтезу (синтезу по шаблону) производных циклофосфазенов [7, 8], мы провели иммобилизацию пиренового хромофора на гекса-замещенные циклотрифосфазены (ЦТФ). В качестве исходного соединения был выбран арил-аминозамещенный ЦТФ с функциональными аминогруппами в пара-положении бензольного кольца.
Органоциклофосфазен - гексакис-(4-амино-фенокси)циклотрифосфазен (I) был использован для введения полиаминокислот, в данном случае полиглутамильных производных, содержащих люминесцентный фрагмент - остаток 1-пиренбутановой кислоты.
Ранее сообщали об иммобилизации полиглута-миновой кислоты на ЦТФ [7], что привело к вы-сокоупорядоченной звездчатой структуре, в которой "лучи" полиглутаминовой кислоты, отходящие от центрального фосфазенового цикла, находятся в а-спиральной конформации [9]. Проведенные квантово-химические и структурные исследования подтвердили высокоупорядоченное состояние макромолекулы ЦТФ-ПАК [10]. Ин-
тересно было синтезировать подобные соединения с периферическими хромофорами, в данном случае люминесцентными фрагментами, и рассмотреть структурные особенности полученных гибридов. Известно, что полициклические люминесцентные способы к самоорганизации и стекинг-взаимодействиям [11, 12], поэтому следовало ожидать образования организованных ансамблей при введении люминесцентных фрагментов в полиаминокислотные производные ЦТФ. Как правило, светочувствительные производные
полипептидов получают полимераналогичными превращениями боковых функциональных групп аминокислот [13, 14]. В настоящей работе, синтез ПАК, содержащей хромофор на конце цепи, можно было реализовать непосредственным раскрытием К-карбоксиангидрида у-эфира глутами-новой кислоты первичной аминогруппой цикло-фосфазенового производного с последующим связыванием амидной связью остатка 1-пиренбу-тановой кислоты с концевой аминогруппой ПАК по схеме, приведенной ниже.
Я2 Я2
\ / ИМ МИ
Здесь Я1 = Я2-
О ИИ С-С-М-
2
СИ
I
СИ2
I 2
О=С
I
0
1
СИ2С6И5
О
м И
-С-С-ШХ
2
СИ
I
СИ2
I 2
О
, где X = Н (Я1) или
О=С
I
0
1
СИ2С6И5
(Я2); ДЦФ - диэтил-
цианофосфонат.
9
Полимеризацию К-карбоксиангидрида у-бен-зилглутамата (инициатор - гексакис-(4-аминофе-нокси)циклотрифосфазен) проводили при исходном соотношении мономер : инициатор = 70 : 1, Мк полученного продукта, определенная методом ГПХ, составляла 11600 (соединение II), ММР при этом достаточно узкое (не более 1.3). Введение 1-пиренбутановой кислоты осуществляли алкилфосфонатным методом при значительном избытке люминофора. Полученные ранее данные кругового дихроизма (КД) и ИК-спектроско-пии показали, что присоединенные к ЦТФ полипептидные цепи находятся в а-спиральной кон-формации [9, 10]. В спектре КД наблюдали максимальное поглощение при 190 нм и два минимума при 208 и 220 нм, что указывает на образование правовращающих а-спиральных структур [7]. В ИК-спектре присутствуют полосы поглощения валентных колебаний Амид I (1652 см-1) и Амид II (1548 см-1), свидетельствующих о предпочтительной спиральной конформации. Эта кон-формация была доминирующей и в целевых соединениях (Ша, Шб) - продуктах конденсации 1-пиренбутановой кислоты с концевыми аминогруппами поли-у-бензилглутаматов. Анализ кривых ГПХ позволяет предположить, что ММ полимеров в результате присоединения хромофора выросли (время выхода на хроматограмме уменьшилась). Кроме того, на хроматограмме наблюдалось уширение пика основного продукта.
Данные ИК-, ЯМР-спектров и спектров люминесценции не противоречат структуре ЦТФ-ПАК как с шестью, так и с одним остатком 1-пи-ренбутановой кислоты (соединения Ша и Шб).
Максимумы испускания при 374, 382 и 396 нм на эмиссионных кривых Ша и Шб соответствуют мономерным молекулам пирена. Однако наблюдаемый максимум в области 480 нм обусловлен так называемым эксимерным излучением, что позволяет предположить наличие пиреновых димеров. Поскольку отношение интенсивно-стей при 396 и 480 нм не менялось с изменением концентрации хромофора в пределах 0.1-2.0 ммоль/л, природа возникновения эксимерного излучения у соединения Ша скорее связана с внутримолекулярными особенностями структуры, нежели с межмолекулярной агрегацией пептидных цепей с концевыми хромофорными группами, так как для образования эксимера пиреновые кольца должны находиться в параллельных плоскостях и
на расстоянии около 4-8 А [15]. Полипептидные цепи, "растущие" от фосфазенового центра, могут собираться в своеобразные "пучки", что приводит к достаточно плотному расположению концевых пиреновых групп. Косвенно на это указывает и наличие a-спиральной конформации, которая стабилизируется внутримолекулярным межцепным взаимодействием бензольных колец стекинг-взаимодействием [16]. В случае соединения III6 возникновение эксимерного излучения, возможно, связано с межмолекулярным взаимодействием цепей, содержащих пиреновый фрагмент.
Соединение III6 дополнительно изучали методами РСА и ДСК. Дифрактограмма III6 в больших углах (q = 0.21-2.8 А-1, q = 4п sinX) содержит ~18 узких рефлексов (рис. 1). Вместе с тем некоторые рефлексы оказываются как бы наложенными на аморфное гало в области от q = 1.06 А-1 до q = = 2.45 А-1; это свидетельствует о том, что боковые заместители ПБГ-звеньев разупорядочены, в то время как основная пептидная цепь находится в a-спиральной конформации. Данная дифракционная картина не может быть отнесена к какой-либо из известных форм чистого ПБГ. Проведенный расчет структуры III6 показал, что образуется триклинная элементарная ячейка с параметрами a = 15.52 А, b = 16.32 А, с = 9.037 А, a = 119.24°, р = 92.64°, у = 89.21°. Подобное наблюдение соответствует литературным данным, согласно которым присоединение пире-нового фрагмента к концевой группе полиаминокислотной цепи может приводить к образованию различных упорядоченных структур [17, 18].
ДСК-кривая соединения III6 (рис. 2) отмечена двумя пиками. Первый пик (при 50°C), вероятно, отвечает переходу в мезофазу; пик около 100°C может отвечать превращению 7/2-спирали (в которой на два витка приходится семь мономерных звеньев) в спираль 18/5 (на 5 витков 18 звеньев). Около 20°C происходит стеклование, вызванное "размораживанием" подвижности боковых цепей, что характерно и для поли-у-бензил-£-а-глу-тамата без фрагментов люминофора [19, 20].
Таким образом, соединения Ша и III6, содержащие остатки 1-пиренбутановой кислоты, являются высокоорганизованными структурами. Вероятно, наибольшей упорядоченностью обладает ЦТФ-ПАК с шестью люминесцентными фраг-
I, отн. ед 20
10 -
10 20 30
Рис. 1. Дифрактограмма соединения Шб.
20, град
Т1 /
Т2 /
-50
50
100
150 Т, °С
Рис. 2. ДСК-кривая соединения Шб. Т1 - температура перехода в мезофазу, Т2 - температура изменения типа спирали.
ментами, что делает его перспективным для последующего изучения ансамблей с переменной люминесценцией.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Гексахлорциклотрифосфазен ("АЫпсИ") два-
жды перекристаллизовали из н-гексана,
Т =
= 114°С. 4-Нитрофенол, гидрид натрия, диоксид платины ("АЫпсИ"), ДМФА (для пептидного синтеза), анилин ('^ако"), у-бензиловый эфир ^глу-таминовой кислоты, 1-аминопирен, 1-пиренбута-новая кислота, этил-4-гидроксибензоат ('^ако"), диэтилцианофосфонат ("АЫпсИ") применяли без
дополнительной очистки. Тетрагидрофуран очищали обработкой бензофеноном и натрием и перегонкой над алюмогидридом лития. Диоксан высушивали едким калием, перегоняли над металлическим натрием.
Гексакис-(4-нитрофенокси)циклотрифосфа-зен получали по методу, предложенному АПсоск [21]. Характеристики соединения: Тпл = 263-265°С, ЯМР 31Р (ДМСО-ё6), 8р, м.д.: 8.32 (с). ЯМР 1Н (ДМСО-а6), 8н, м.д.: 8.15 и 7.30 (каждый йАБ>, каждый 12Н, аром.). ИК (КБг), см-1: 1590 (аром.), 1520 и 1350 (нитрогруппа); 1210, 1185 и 1160 (фос-фазеновый цикл).
0
0
Соединение I синтезировали в соответствии с ранее описанной методикой [9]. После перекристаллизации из о-дихлорбензола получали соединение I в виде бесцветных пластинок с Тпл = 171-173°С. ЯМР 31Р (ДМСО-dg), 5р, м.д.: 11.07 (с). ЯМР 1Н (ДМСО-dg), 5H, м.д.: 6.44 и 6.54 (каждый dAB, каждый 12Н, аром.) и 4.92 (с, 12Н, амино). ПК (KBr), см-1: 1625 (амино), 1508 (аром.), 1195, 1178 и 1165 (фосфазеновый цикл).
N-Карбоксиангидрид у-бензил-£-глутамата (БГ-КА) получен фосгенированием у-бензил-L-глутамата с использованием трифосгена в сухом ТГФ по методу Dormán [22], Тпл = 97-98°C. ЯМР XH (CDCl3), 5H, м.д.: 7.3-7.4 (м, 5H, аром.), 6.71 (с, 1H, NH), 5.14 (с, 2H, СН2-бензил), 4.40 (тр, 1H, CH), 2.61 (м, 2H, глутамат у-С), 2.10-2.31 (м., 2H, глутамат p-C). ПК (KBr), см-1: 1859 (C=O, ангидридный), 1789 (C=O, ангидридный), 1730 (C=O, сложный эфир).
Соединение II получали следующим образом. Полимеризацию БГ-КА с соединением I в качестве инициатора проводили в растворе сухого ТГФ или ДМФА по методике [9].
Синтез соединения Ша проводили так. К раствору 274 мг (0.016 ммоля) соединения II и 90 мг (0.3 ммоля) 1-пиренбутановой кислоты в 5 мл ДМФА, охлажденной до 0°C, прибавляли 30 мг (0.19 ммоля) диэтилцианофосфоната при перемешивании. Далее в реакционную смесь при охлаждении вводили 20 мг (0.19 ммоля) триэтиламина в 1 мл ДМФА и перемешивали при 0°C 4 ч, затем при комнатной температуре 36 ч. Реакционную массу переосаждали из воды, осадок промывали 10%-ным раствором лимонной кислоты, водой и метанолом последовательно, выход 75%. Аналогично получали соединение III6, при этом мольное соотношение концевых аминогрупп I и пи-ренбутановой кислоты равно 1 : 1.1. Спектр ЯМР XH (CDCl3), 5H, м.д.: 7.95-8.25 (аром., пирен), 7.90 (с, 1H, NH), 7.11-7.39 (м, 5H, аром.), 5.16 (с, 2H, СТ2-бензил), 4.63 (тр, 1H, CH), 2.45 (м, 2H, глутамат y-C), 2.18 и 1.94 (м., 2H, глутамат P-C). Спектр ПК (KBr), см-1: 1732 (C=O), 1652 (Амид I), 1548 (Амид II). Молекулярная масса соединения Ша Mw = 13600, III6 - 11900 (ГПХ).
Хроматографический контроль однородности химических соединений осуществляли на пластинках "Silufol UV-254". Проявители: нингид-рин, пары йода, УФ-облучение.
Спектры ЯМР записывали на приборе "Varian 400 МГц", внутренний стандарт для спектров ЯМР ХН тетраметилсилан, для спектров ЯМР 31Р - 0.485 М раствор трифенилфосфата в CDCl3. Пзмерение кругового дихроизма проводили в гексафторизопропаноле на спектрополяриметре Jasco J-725 в кювете объемом 3 мл, длиной пути 1 см, со сканированием от 300 до 185 нм каждые 0.5 нм, в среднем 8 сканирований. ПК-Фурье спектры записывали на спектрометре FTIR-5M в таблетке с KBr и (или) в пленке из смеси гексафтори-зопропанол : хлороформ (1 : 1). Спектры люминосценции записывали на приборе ЕР-550А при длине волны возбуждения X = 337 нм, источник излучения - азотный лазер. ММ находили методом ГПХ на высокоскоростном жидкостном хроматографе "Waters-600", элюент - ДМФА при 30°С с адсорбентом TSK-gel-Super NMM, стандарт - ПС.
РСА выполняли с помощью дифрактометра ДРОН-3 (Cu^-излучение, изогнутый кварцевый монохроматор). Порошки запаивали в лавсановые пакеты, при этом толщина образца составляла 1.0-1.5 мм. Анализ соединений с помощью ДСК осуществляли на калориметре "Perkin-Elm-er" (модель DSC-7) со скоростью нагревания/охлаждения 20 град/мин в области
50...+130°C, навеска 5-6 мг. Температуру переходов определяли как максимумы соответствующих эндотермических пиков на кривой нагревания с точностью ±1°C.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Barry C.E. // Modern drug development. Infect. Diseases. 2003. V. 2. № 2. P. 137.
2. Deo S.K., Dourant S. // J. Analyt. Chem. 2001. V. 369. № 4. P. 258.
3. Malinsky J.E., Vienot J.G, Jabbour J.E. // Chem. Mater. 2002. V. 14. № 7. P. 3054.
4. Sun T.X., Jabbour J.E. // MRS Bull. 2002. V. 27. № 5. P. 309.
5. Advanced Macromolecules and Supramolecular Materials and Processes / Ed. by K.E. Geckeler. New York: Kluwer Acad. Plenum Publ., 2003.
6. Percec V. // Nature. 2002. V. 417. № 6890. P. 384.
7. Alekperov D, Shirosaki T., Sakurai T., Popova G, Kireev V., IharaH. // Polym. J. 2003. V. 35. № 5. P. 417.
8. Popova G, Kireev V., Spitsyn A., Ihara H, Scherbina M, Chvalun S. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2003. V. 390. № 1. P. 91.
9. Попова Г.В., Алекперов Д.А., Sakurai T, Ihara H, Киреев В. В. // Высокомолек. соед. Б. 2006. Т. 48. № 8. С. 1514.
10. Ванцян М.А., Бобров М.Ф., Попова Г.В., Киреев В В., Цирелъсон В.Г. // Высокомолек. соед. А. 2007. Т. 49. № 3. С. 533.
11. Lee S, Chen B, Fredrickson D. C, DiSalvo F. J., Lobk-ovsky E, Adams J. A. // Chem. Mater. 2003. V. 15. № 7. P. 1420.
12. Wang Y, Wang H, Liu Y, Di C, Sun Y, Wu W, Gui Yu G, Zhang D, Zhu D. // J. Am. Chem. Soc. 2006. V. 128. № 40. P. 13058.
13. Sisido S., Inai Y, Imanushi Y. // Macromolecules. 1990. V. 23. № 6. P. 1665.
14. Мйхер Халид, Елисеева E.H., Попова Г.В., Юдин С.Г. // Высокомолек. соед. Б. 1994. Т. 36. № 3. P. 515.
15. Someharju P. // Chem. Phys. Lipids. 2002. V. 116. № 1. P. 57.
16. Higashi N, Koga T., Niwa N, Niwa M. // Chem. Commun. 2000. V. 5. № 5. P. 361.
17. Jones G, Vullev V.I. // Org. Lett. 2001. V. 3. № 16. P. 2457.
18. Jones G, Vullev VI. // Org. Lett. 2002. V. 4. № 23. P. 4001.
19. Papadopoulos P., Floudas G, Klok H.-A, Schnell I, Pakula T. // Biomacromolecules. 2004. V. 5. № 1. P. 81.
20. Watanabe J, Uematsu I. // Polymer. 1984. V. 25. № 12. P. 1711.
21. Allcock H, Austin P., Rakowsky T. // Macromolecules. 1981. V. 14. № 6. P. 1622.
22. Dorman L.C., Shiang W.R., Meyers P.A. // Synth. Commun. 1992. V. 22. № 22. P. 3257.
Poly(amino acid) Derivatives of Cyelotriphosphazene with Luminescent Fragments
M. A. Vantsyana, D. A. Alekperova, H. Iharab, G. V. Popovaa, and V. V. Kireeva
a Mendeleev University of Chemical Technology, Miusskaya pl. 9, Moscow, 125047 Russia b Kumamoto University, Kumamoto 850-8555, Japan e-mail: galina@muctr.edu.ru
Abstract—Poly(amino acid)s with the central triphosphazene cycle and the peripheral pyrene moiety were synthesized from hexakis(4-aminophenoxy)cyclotriphosphazene and 1-pyrenebutanoic acid and were characterized. The introduction of the luminophore resulted in the formation of highly ordered structures containing fragments with three a-helices in the trans position to the phosphazene cycle. The character of luminescence spectra suggests the presence of pyrene dimers, their appearance may be associated with the intermolecular aggregation of peptide chains with chromophore end groups. The DSC data revealed the glass transition due to the freezing-out of the mobility of side chains, as well as an alteration in the helix type of the poly(amino acid) fragments.
