Полиаминокислоты, содержащие краунэфирные группировки Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2003, том 45, № 5, с. 735-741

ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ - И ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

УДК 541.64:547.466

ПОЛИАМИНОКИСЛОТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ КРАУНЭФИРНЫЕ ГРУППИРОВКИ1

© 2003 г. Сюй Чжон, Г. В. Попова, В. В. Киреев, Н. А. Царенко, В. В. Яншин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева 125190 Москва, Миусская пл., 9

Поступила в редакцию 27.02.2002 г.

Принята в печать 17.12.2002 г.

Модификация полиаминокислот (политлутаминовой, полилизина, полиаланина) краун-эфирами проведена различными методами: дициклогексилкарбодиимидным, активированных эфиров, К-карбоксиан-гидридным. Рассмотрены условия синтеза и влияние различных факторов на выход целевых соединений. В зависимости от метода и строения полиаминокислот получены олигомеры различной структуры: хромофор находится в боковой цепи (полилизин-азакраун-эфир), хромофор присоединен к главной цепи (полиаланин-диаминодибензокраун-эфир-полиаланин), хромофор введен между цепями (поли-глутаминовая кислота с диаминодибензокраун-эфиром между основными цепями). Спектральные данные подтверждают строение синтезированых соединений. Сорбционные свойства к ряду металлов у полиаминокислот, содержащих краун-эфирные группировки, близки к сорбции исходных макроциклов.

Исследование возможностей синтеза и свойств новых супра-молекулярных соединений, включающих модельные макроциклические фрагменты, важно для понимания механизма многих биохимических реакций и для разработки молекулярных материалов, обладающих необычными структурой и свойствами [1].

В последние годы получены разнообразные полипептиды, конформация которых фиксирована в результате стабилизирующего влияния металло-лиганда. Подобные жестко закрепленные полипептиды, связанные с макроцикл ическими лигандами (краун-эфирами, порфириновыми и другими метал-локомплексами) могут представлять интерес в качестве катализаторов реакции окисления в воде, темплатов для электронного переноса [2], каналов ионной проводимости, моделей биомиметических систем [1,3].

1 Работа выполнена в рамках проекта 236 "Молекулярные материалы и нанотехнологии" Министерства образования Российской Федерации и Федеральной целевой программы "Интеграция" (проект АО 132 ОУНЦ "Супрамолекуляр-ная химия для высоких технологий").

E-mail: galina@muctr.edu.ru (Попова Галина Викторовна).

Получение устойчивых полипептидных спиральных структур достигают обычно либо кова-лентным сшиванием полипептидных цепей метал-лолигандом, либо введением подходящего лиган-да в качестве бокового заместителя. Последний при добавлении металла образует бидентантные комплексы и закрепляет пептид в нужной кон-формации.

В настоящей работе предпринята попытка получить новые краун-содержащие полиаминокислоты для дальнейшего изучения их супрамолекуляр-ных ансамблей как в растворе, так и в квазидвумерном состоянии (пленки Лэнгмюра-Блодже).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Цель настоящей работы - синтез полипептидов, содержащих краун-эфирные макроциклические группировки в боковой цепи (структура А) или между двумя пептидными цепями - структуры Б и В (кольцо - макроцикл, волнистая линия -полипептидная цепь). Условно эти структуры показаны ниже.

А

Б

Полимеры типа А синтезировали реакцией полилизина с активированными эфирами (АЭ) кар-боксифункциональных аза-краун-эфиров.

Структуры типа Б получали взаимодействием 1Ч-карбоксиангидрида (КА) ¿-а-аланина с диами-но-дибензо-18-краун-6, а полимеры типа В - реакцией того же макроцикла с избытком полиглу-таминовой кислоты. Отличие структур Б и В состоит в том, что в случае Б макроцикл соединяет пептидные цепи по концевым звеньям, а в случае структуры В - статистически по звеньям в любом месте соединяемых цепей.

Введение функциональных краун-эфиров в боковые группы полиаминокислоты осуществляли с использованием наиболее распространенных методов образования амидной связи: метода активированных эфиров и прямого карбодиимидно-

го синтеза. Учитывая то обстоятельство, что (»-аминогруппа полилизина находилась в виде гидрохлорида, целесообразно было применить активированный пентахлорфениловый эфир карбок-сигруппы аза-краун-эфиров. Конденсация пентах-лорфениловых эфиров с гидрохлоридами аминов протекает обычно с высокой скоростью и приводит к количественному образованию амидной связи [4]. Ранее этот метод был успешно распространен на синтез различных гетероциклических производных полиглутаминовой кислоты [5]. Мы получили пен-тахлофениловые эфиры карбоксил-функциональных аза-краун-эфиров через комплекс дициклогек-силкарбодиимида (ДЦГК) с пентахлорфенолом [6]. Конденсацию гидрохлорида полилизина (М ~ 105) с активированным краун-эфиром, содержащим ДЦГК, проводили в стандартных условиях [6]

II, III

IV, V

г С )

где й = ио (П, IV) и

Ч'

о

(III, V).

он,

(2)

Ввиду того, что боковую группу №12 полилизина количества объемистых краун-заместителей. Наи-

отделяют от <х*-СН-хирального центра аминокис- более благоприятным оказалось мольное соотно-

лоты четыре метиленовые группы, можно было шение аминокислотное звено : краун-эфир = 3:1

ожидать введения в полимер достаточно большого и концентрация исходных реагентов в ДМФ А

40-50 мае. %. Указанные условия позволили получить полилизин с содержанием краун-эфирных групп ~39%. Стереохимический анализ моделей Стюарта-Бриглеба показал, что введение большего количества заместителя невозможно из-за сгерических препятствий. При использовании более концентрированных или более разбавленных растворов выход соединений IV и V понижался. Очевидно, причина этого связана с различным кон-формационным состоянием макромолекул полилизина в растворе ДМФА.

Продолжительность реакции и температура в интервале 0-20°С значительного влияния на выход конечных продуктов не оказывали. При равных условиях выход был выше в случае соединения V, что, видимо, обусловлено большей длиной спейсера в случае исходного активированного кра-ун-эфира III.

Выделение и очистка продуктов реакции также происходили более легко в случае соединения V. Условия получения полиаминокислотных краун-эфиров и их выход представлены в таблице.

Структура синтезированных соединений подтверждена данными ИК и ЯМР.

Реакция протекала достаточно гладко при мольном соотношении мономер : инициатор = 10 : 1, 14:1 и 18:1.

Соотношение интегральных интенсивностей <х-СН3-протонов в остатках аланина и ароматических протонов краун-эфира VI при соотношении мономер : инициатор = 10 : 1 и 18 : 1 составляло 1 : 1.5 и 1 : 2.7, что соответственно относится к

Сравнение интегральных интенсивностей сигналов протонов четырех групп СН2 в полилизине и протонов групп СН2 аза-краун-эфира привело к соотношениям 12 : 1 для соединения IV и 3 : 1 для соединения V, что соответствует содержанию макроциклов ~39 мае. % в полилизине со степенью полимеризации п = 158.

Определенный интерес представляло связывание бифункциональным диаминодибензо-18-кра-уном-6 полиаминокислотных цепей. Два возможных способа иммобилизации макроциклов на полиаминокислотных цепях представлены на схемах (3) и (4).

Для получения линейной структуры типа Б (полиаминокислота-краун-эфир-полиаминокис-лота) наиболее подходящим представлялся поли-аланин из-за его склонности к образованию устойчивой а-спирали при п > 8 и отсутствия функциональных боковых групп. В этом случае диаминодибензо-18-краун-6 (VI) был использован как инициатор полимеризации N-карбоксиангид-рида аланина, в результате чего был получен ди-амиддиаланилдибензо- 18-краун-6

(3)

структурам, где на один фрагмент краун-эфира приходится ~10 или -18 звеньев олигоаланина (соединение VII).

Полиглутаминовая кислота явилась достаточно удобным объектом для введения диаминоди-бензо-18-крауна-6 в ее боковую цепь из-за наличия у-функциональной СООН-группы

НзС н

2п У" +

VI

H

о

ru Jn N СН3 н

vn

H

NJ

O-v^Vt СНз

О

H

Н

О он

I

дцгк

н

н I

о "он

о

о^ ^он

о

^он

о га

С° °

о о

(4)

VIII

Принимая во внимание известные литературные данные по химическим и физическим свойствам по-лиглутаминовой кислоты в ДМФА [7], ее конденса-

цию с диаминодибензо-18-крауном-6 легче всего было осуществить дициклогексилкарбодиимидным методом при соотношении исходных реагентов из

Синтез краун-эфирсодержащих полиаминокислот

Соединение Амино-кислота или полиаминокислота Краун-эфир Метод Мольное соотношение звеньев аминокислота : краун Время, ч Г,°С Выход, %

IV Полилизин II АЭ 3 1 48 20 35

V Полилизин Ш АЭ 3 1 48 20 50

10 1

VII Алании VI КА 14 1 72 0-2 65

18 1

VIII Полиглутаминовая кислота VI ДЦГК 2 1 72 0 60

расчета 2 моля олигомера на 1 моль краун-эфира, температуре 20°С, концентрации 30 мае. %; продолжительности реакции 72 ч в ДМФА.

Учитывая возможность образования в реакционной массе разветвленных и сшитых полиглу-тамильных производных, после окончания реакции были удалены все нерастворимые продукты и проведено многократное переосаждение конечного полимера.

В выделенном продукте реакции VIII соотношение (J-CH2 и y-CH2 протонов полиглутамино-вой кислоты и ароматических протонов диамино-дибензокрауна равно 16 : 1, т.е., вероятно, одна молекула краун-эфира связывает две макромолекулы полиглутаминовой кислоты. Характеристическая вязкость [ц] соединения VIII в ДМФА составляет 0.84 дл/г, что выше характеристической вязкости исходной полиаминокислоты (0.76 дл/г).

Для соединений УП и УШ были рассмотрены сорбционные свойства к ряду металлов (А1, Аи(Ш), В, Ва, Bi (Ш), Са, Cd (П), Со(Ш), Cs(III), Си(П), Fe(III), Ga(III), 1п(ПГ), К, Mg, Мп(П), Na, №(П), Pb, Sn(II), Sr, Zn, Zr(rV)) в сравнении с исходным диаминодибен-зо-18-краун-6 эфиром. Оказалось, что сорбционные свойства у полиаминокислотных производных краун-эфиров сохраняются на уровне исходных макроциклов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Хроматографический контроль реакций и чистоту синтезированных соединений осуществляли на пластинках "Silufol UV-254" в системах хлороформ : ацетон = 4 : 10 (система А) или бутиловый спирт: уксусная кислота: вода = 4:1:1 (система Б), проявители - нингидрин, пары йода, УФ-облуче-ние.

Спектры ЯМР 'Н снимали на приборе "Bruker WM-400" с рабочей частотой 400 МГц в дейтери-рованном ДМФА, внутренний стандарт тетраме-тилсилан, температура 30°С. ИК-спектры записывали на приборе "Specord UR-20".

Характеристическую вязкость измеряли на вискозиметре "Desreux-Bishoff' при 25°С в ДМФА.

Все полиаминокислоты и исходные аминокислоты использовали в L-a-форме. Полилизин (М = = 1 х 105) производства "Sigma". Полиглутамино-вую кислоту (М = 6 х 103), N-карбоксиангидрид

L-a-аланина, карбоксил-функциональные аза-крауны синтезированы по методикам [8-10] соответственно. Диаминодибензо-18-краун-6 (соединение VI) получали согласно работе [11]; использовали цис-изомер с Гпл= 152°С; ДЦГК - производства "Fluka". Комплекс пентахлорфенола с ДЦГК получали по методике [6].

Синтез пентахлорфениловых эфиров

карбоксилфункциональных аза-краун-эфиров - соединения II и III

0.01 моля N-алкилкарбоксил-аза-краун-эфира растворяли в хлороформе при 0°С; 0.012 моля комплекса ДЦГК с пентахлорфенолом растворяли в хлороформе и добавляли к охлажденному раствору краун-эфира, выдерживали при -5...0°С в течение 36 ч. Отфильтровывали мочевину, растворитель отгоняли, к остатку доливали этилацетат, отфильтровывали осадок, переосаждали из смеси хлороформа с этилацетатом (7 : 3).

Соединение II: выход 85%, Я/А) = 0.80, Т^ = = 65 °С.

Соединение III: выход 90%, Я/А) = 0.80, = = 68°С.

ИК-спектр, см-1: 1780-1785 (С=0 в пентахлор-фениловом эфире).

Конденсация поли-Ь-а-лизина с пентахлорфениловыми эфирами N-алкил-аза-крауна - соединения IV и V

К раствору 1fr4 моля пентахлорфенилового эфира аза-краун-эфира в ДМСО приливали при 5°С раствор 3 х 10-4 моля гидрохлорида полилизина в ДМФА и 4 х 10"4 моля триэтиламина. Через 24 ч осадок отфильтровывали, растворитель отгоняли. К остатку добавляли минимальное количество ДМСО, осадок отфильтровывали. В фильтрат доливали диэтиловый эфир, осадок отфильтровывали, высушивали в вакууме.

Соединение IV: выход 35%, Я/Б) = 0.30.

Соединение V: выход 50%, Я/ Б) = 0.32.

ИК-спектр, см"1: 1640, 1570 (CONH), 3320, 3360 (NH2), 3300 (уш. NH).

Элементный анализ синтезированных соединений IV и V хорошо совпадает с вычисленным.

Синтез диамидодиаланилдибензо-18-краун-6 -соединение VIII

0.1 моля N-карбоксиангидрида L-a-аланина растворяли в ДМФА (10 мае. %); приливали 0.05 моля диаминодибензо-18-краун-6 в ДМФА; реакционная масса густеет с выделением С02; остаток выдерживали 72 ч при 0°С, выливали в эфир; осадок отфильтровывали, переосаждали из спиртово-диметил-формамидной (1:7) смеси диэтиловым эфиром; высушивали в вакууме.

Выход 65%, Д/Б) = 0.54.

ИК-спектр, см-1: 1660, 1570 (CONH), 3370, 3400(NH).

ПМР-спектр, м. д.: 4.12 (a-CH), ~8 (NH), 1.17 (Р-СН3), 7.86 (аром.).

Соотношение интегральных интенсивностей сигналов протонов |5-СН3 и протонов краун-эфи-ра равно 1 : 1.5 (10 остатков аланина) и 1 : 1.27 (18 остатков аланина).

Найдено, %: С 54.34; Н 7.03; N 17.02.

Для С^Нц^О*

вычислено, %: С 53.24; Н 6.95; N 16.79.

Получение полиглутаминовой кислоты,

связанной с диаминодибензо-18-крауном-6 -соединение VIII

2 х Ю-4 моля полиглутаминовой кислоты,

Ю-4 моля диаминодибензо-18-краун-6,1.1 х 10"4 моля ДЦГК растворяли в ДМФА при 0°С и вносили 2 х 10~5 молей пиридина. Через 72 ч осадок отфильтровывали. Фильтрат выливали в эфир и осадок снова отфильтровывали, обрабатывали этилацетатом, растворитель отгоняли и дважды обрабатывали спиртом, удаляя промежуточные осадки, остаток затирали с эфиром. Полученный осадок растворяли в хлороформе, растворитель отгоняли, остаток обрабатывали спиртом, эфиром; переосаждали из хлороформа диэтиловым эфиром; высушивали в вакууме при 1.06 кПа и комнатной температуре; собирали белый аморфный осадок.

Выход 60%, Rf( Б) = 0.10.

ИК-спектр, см"1: 1660, 1545 (CONH), 3330 (NH), 2500-2800 (диффузное), 1700 (СООН).

ПМР-спектр, м. д.: 1.75 (у-СН2), 1.19 (ß-CH2), ~4 уш. (a-CH), 8.1 уш. (NH), 7.6-7.8 (ароматические протоны).

Соотношение интенсивностей сигналов протонов аминокислотных остатков и протонов краун-эфира 16 : 1 (1 остаток краун-эфира на 2 макромолекулы) и 8 :1 (возможно 2 остатка краун-эфира на 2 макромолекулы), [r|] ~ 0.84 дл/г (ДМФА, 25°С).

Найдено, %: С 47.92; Н 5.59; N 10.9.

Для C420H588N82O246

вычислено, %: С 47.05; Н 5.48; N 10.71.

Для исследования сорбционных свойств указанных соединений выбрали 0.5-3.0 М растворы HCl, содержащие по 1 х Ю-3 мае. % каждого из следующих элементов: AI, Аи(1П), В, Ва, Bi(III), Ca, Cd (II), Со(Ш), Се(Ш), Cu(II), Fe(III), Ga(III), In(III), К, Mg, Mn(II), Na, Ni(II), Pb, Sn(II), Sr, Zn, Zr(IV) и 0.5-3.0 M растворы HN03 с таким же содержанием указанных элементов. Содержание элементов в растворах до и после сорбции определяли атомно-эмиссионным методом с возбуждением спектров в высокочастотном разряде.

Опыты проводили путем контактирования 0.1 г соединений VII или VIII с 5 мл раствора при комнатной температуре в течение 6 ч.

Установлено, что из солянокислых растворов более чем на 10% извлекаются следующие элементы: Au на 98% из 0.5 М HCl; Au (95%), Fe (25%), Ga (21%) из 1.0 M HCl; Au (92%), Fe (56%), Ga (49%), Sb (31%), Sn (18%) из 3.0 M HCl.

Из азотнокислых растворов более чем на 10% извлекаются РЬ (35%) из 0.5 М HN03; Pb (42%), Zr (10%) из 1.0 М HN03; Pb (79%), Zr (51%), Ca (12%), К (10%) из 3.0 M HN03.

Ряд извлечения металлов является традиционным для краун-эфиров с 18 атомами в цикле.

Авторы выражают благодарность Р.И.М. Нолте (Наймегенский католический университет, Нидерланды) за обсуждение и содействие в выполнении исследования, O.A. Федоровой (Центр фотохимии РАН) за предоставленные карбоксифункцио-нальные аза-краун-эфиры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nostrum C.F., Nolte RJ.M. // Chem.Comm. 1996. V. 4. P. 2385.

2. Schneider J.P., Kelly J.W. // Chem. Rev. 1995. V. 95. № 6. C. 2165.

3. Mellon J.-C., Voyer N.. Biron E„ Sanschagrin F., Stod-dart J. Fraser // Angew. Chem. Int. Ed. 2000. V. 39. № 1. P. 143.

4. Klausner /., GianottiR.,KapoorA. // J. Am. Chem. Soc. 1966. V. 88. №4. P. 10.

5. Халид M., Елисеева E.H., Попова Г.В., Юдин С.Г. // Высокомолек. соед. Б. 1994. Т. 36. № 3. С. 425.

6. Ко vacs /., Bodansky М. // Synthesis 1972. V. 9. P. 453.

7. Шварц М. Анионная полимеризация. М.: Мир, 1971.

8. Суворов Н.Н., Попова Г.В., Неклюдов А.Д. // Журн. общ. химии, 1981. Т. 52. С. 2337.

9. Hanby W„ Wlaley S„ Watson J. // J. Chem. Soc. 1950. P. 3239.

10. Fedorova O.A., Gromov S.P., Pershina Y.V. // J. Chem. Soc. Perkin Trans. II. 2000. № 3. P. 563.

11. Shcori E., Jagur-Gvodzinski Y., Shcpore M. // J. Am. Chem. Soc. 1973. V. 95. P. 38.

Poly(amino acids) Containing Crown-Ether Groups Xu Zhong, G. V. Popova, V. V. Kireev, N. A. Tsarenko, and V. V. Yakshin

Mendeleev University of Chemical Technology, Miusskaya pi. 9, Moscow, 125190 Russia

Abstract—Poly(amino acids) (polyglutamic, polylysine, polyalanine) were modified with crown ethers using various methods: dicyclohexylcarbodiimide, activated ethers, and N-carboxy anhydride. The conditions of synthesis and the effect of various factors on the yield of target compounds were considered. Depending on the methods of synthesis and the nature of poly(amino acids), oligomers of diverse structures were synthesized: chromophore occurred in the side chain (polylysine-aza crown ether), chromophore was attached to the backbone (polyalanine-diaminodibenzo crown ether-polyalanine), and chromophore was inserted between chains (poly(glutamic acid) with diaminodibenzo crown ether between the main chains). The structure of the synthesized compounds was confirmed by the spectral data. The sorption properties of poly(amino acids), containing crown ether groups, toward a number of metals was found to be close to the sorption behavior of parent mac-rocycles.