Синтез функциональных полиаминокислот на циклофосфазеновых темплатах Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2006, том 48, № 8, с. 1514-1518

УДК 541.64.547(83+466)

СИНТЕЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОЛИАМИНОКИСЛОТ НА ЦИКЛОФОСФАЗЕНОВЫХ ТЕМПЛАТАХ1

© 2006 г. Г. В. Попова*, Д. А. Алекперов*, Т. Sakurai**, Н. Ihara**, В. В. Киреев*

* Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева 125190 Москва, Миусская пл., 9 **Kumamoto University, Kumamoto 850-8555, Japan Поступила в редакцию 19.10.2005 г. Принята в печать 04.03.2006 г.

С использованием гексякмс(и-аминофенокси)циклотрифосфазена и тетрафенилтетрааминоцикло-тетрафосфазеиа, первичные аминогруппы которых инициировали полимеризацию N-карбоксиан-гидридов L-a-аланина и у-эфиров L-a-глутаминовой кислоты, получены полиаминокислоты с неорганическим центральным циклом. Мольное соотношение мономер: инициатор варьировали для получения пептидных цепей различной длины. ММ синтезированных образцов хорошо совпадали с вычисленными значениями, полимеры имели узкое ММР (MJMn < 1.3). Данные спектров кругового дихроизма и ИК-спектроскопии показали преимущественно спиральную конформацию цепей полиаминокислот с центральным трифосфазеновым циклом и неупорядоченную структуру цепей полиаминокислот, связанных с циклотетрафосфазеном.

Органо-неорганические гибридные соединения являются постоянными объектами исследования в химии, физике, материаловедческих науках, так как они проявляют синергизм свойств отдельных составляющих, экологически безопасны, обладают необычными качествами. Циклофосфазены можно рассматривать как почти идеальные объекты для получения их различных органических модификаций в силу особенности строения, полифункциональности, достаточно легкой биодегра-дируемости. Циклофосфазены, связанные с полимерными производными, являются перспективными соединениями для получения супрамо-лекулярных ансамблей различной архитектуры -дендримеров, металлокомплексов, ионсодержа-щих систем и т.д. [1-3]. Поэтому нам представлялось интересным разработать пути получения биомиметических гибридов, используя циклофосфазены как неорганические темплаты (матрицы, шаблоны) для присоединения полиаминокислотных цепей, рассмотреть конформационные состояния синтезированных производных, а также

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 03-03-33157) в рамках Проекта "Разумные органические молекулярные материалы", Подпрограммы № 4 Министерства образования и науки Российской Федерации "Международное научно-образовательное сотрудничество".

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

возможность применения их как матриц для дальнейшей иммобилизации различных хромофоров.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Гексахлорциклотрифосфазен дважды пере-кристаллизовывали из гексана, Гпл = 113-114°С. «-Нитрофенол, гидрид натрия, диоксид платины ("АШпсЬ"), ДМФА (для пептидного синтеза), анилин ("\Yako"), у-бензил-£-глутамат ("\Vako") и у-метил-/,-глутамат ("АЫпсЬ") применяли без дополнительной очистки. Тетрагидрофуран очищали кипячением с бензофеноном и натрием, а затем перегонкой над алюмогидридом лития.

Гексакис(4-нитрофенокси)циклотрифосфазен синтезировали в соответствии с методом [4], Гпл = = 263-265°С. ЯМР 31Р (ДМСО-<!6) - 8, м.д.: 8.32 (с). ЯМР 1Н (ДМСО-ёб) - 5, м.д.: 8.15 и 7.30 (каждый ¿/АВ, каждый 12Н, аром.). ИК (КВг), см-1: 1590 (аром.), 1520 и 1350 (нитрогруппа); 1210, 1185 и 1160 (фосфазеновый цикл).

Гексакис(4-аминофенокси)циклотрифосфазен (I) получали следующим образом. В автоклав емкостью 500 мл помещали 10 г (10.4 ммоля) гек-сакис(4-нитрофенокси)циклофосфазена, 100 мл анилина и 0.02 г диоксида платины. Смесь продували сухим азотом в течение 10 мин, вакуумиро-вали автоклав и гидрировали при давлении водорода 2.5 атм и температуре 50°С при интенсивном

СИНТЕЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОЛИАМИНОКИСЛОТ

1515

перемешивании в течение 48 ч. После охлаждения катализатор отфильтровывали и растворитель отгоняли под вакуумом. Полученное вязкое масло (около 5 мл) растворяли в минимальном количестве концентрированной соляной кислоты, раствор обесцвечивали активированным углем и уголь отфильтровывали. К фильтрату при перемешивании добавляли по каплям 10%-ный раствор гидроксида калия, полученный осадок отфильтровывали и промывали последовательно водой, этанолом и гексаном. После перекристаллизации из о-дихлорбензола получали 6.2 г (77%) соединения I в виде бесцветных пластинок с Гпл= 171-173°С. ЯМР 31Р (ДМСО-с!6) - 8, м.д.: 11.07 (с). ЯМР 'Н (ДМСО-а6) - 6, м.д.: 6.44 и 6.54 (каждый dAB, каждый 12Н, аром.) и 4.92 (с, 12Н, амин). ИК (КВг), см"1: 1625 (амин), 1508 (аром.), 1195, 1178 и 1165 (фосфазеновый цикл).

Тетрафенилтетрааминоциклотрифосфазен (II) синтезировали в соответствии с работой [5], Гпл = 225°С. ЯМР 31Р (ДМСО-с16) - 8, м.д.: -3 (с). ЯМР 'Н (ДМССМб) - 8, м.д.: 6.52-7.19 (м, 20Н, аром.), 8.80 (с, 8Н, амин). ИК (КВг), см"1: 1440 (аром.), 3400 и 3380 (амин), 1200 (фосфазеновый цикл).

N-Карбоксиангидрид у-бензил-£-глутамата (БГ-КА) синтезировали путем фосгенирования у-бензил-£-глутамата, используя трифосген в сухом ТГФ в соответствии с методом [6], Гпл = 97-98°С. ЯМР lH (CDC13) - 8, м.д.: 7.3-7.4 (м, 5Н, аром.), 6.71 (с, 1Н, NH), 5.14 (с, 2Н, СН2-бензил), 4.40 (т, 1Н, СН), 2.61 (м, 2Н, глутамат у-С), 2.10-2.31 (м, 2Н, глутамат (3-С). ИК (КВг), см-1: 1859 и 1789 (С=0, ангидридный), 1730 (С=0, сложный эфир).

N-Карбоксиангидрид у-метил-£-глутамата (МГ-КА) синтезировали аналогично, Т„л = 99-100°С. ЯМР lH (CDCI3) - 8, м.д.: 6.48 (с, 1Н, NH), 4.40 (т, 1Н, СН), 3.70 (с, ЗН, метил), 2.60 (м, 2Н, глутамат у-С), 2.05-2.28 (м, 2Н, глутамат |3-С). ИК (КВг), см"1: 1855 и 1786 (С=0, ангидридный), 1728 (С=0, сложный эфир).

Полимеризацию БГ-КА и МГ-КА проводили в растворах сухого ТГФ или ДМФА по типичной методике, одна из которых приведена ниже.

Раствор 28 мг (35.7 мкмоля) соединения I в 5 мл ДМФА прибавляли к перемешиваемому раствору 1 г (5.3 ммоля) МГ-КА в 8 мл ДМФА при комнатной температуре. Смесь перемешивали 36 ч и затем выливали в большой избыток сухого диэти-лового эфира. Полученный продукт очищали, дважды переосаждая его из раствора в гексафто-ризопропаноле диэтиловым эфиром. Выход 1.007 г (98%).

Хроматографический контроль однородности химических соединений осуществляли на пластинках Silufol UV-254. Проявители: нингидрин, пары иода, УФ-облучение.

Спектры ЯМР записывали на приборе "Vanan" (400 МГц), внутренний стандарт для спектров ЯМР 1Н - тетраметилсилан, для спектров ЯМР 31Р - 0.485 M трифенилфосфат в CDC13.

Круговой дихроизм измеряли в гексафторизо-пропаноле на спектрополяриметре "Jasco J-725" в 3 мл кювете длиной пути 1 см, со сканированием от 300 до 185 нм каждые 0.5 нм, в среднем 8 сканирований. ИК-Фурье спектры записывали на спектрометре FTIR-5M в таблетке КВг и пленке из смеси гексафторизопропанол : хлороформ =1:1.

ММ определяли методом ГПХ на высокоскоростном жидкостном хроматографе "Waters-600" при 30°С, элюент ДМФА, адсорбент TSK gel Super NMM, стандарт ПС.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ опубликованных данных по синтезу полимерных производных циклотрифосфазенов [1,7] показывает необходимость первоначального получения циклофосфазеновых темплатов, в которых атомы хлора замещены на функциональные органические спейсеры. Для циклотри-фосфазена наиболее стабильный мостиковой группой является феноксигруппа, позволяющая вводить якорные реакционноспособные функциональные фрагменты карбокси- или аминогрупп. Последние представляют специальный интерес, поскольку могут инициировать полимеризацию N-карбоксиангидридов полиаминокислот, присоединяясь к полимерной цепи. В соответствии с этим гексахлорциклотрифосфазен подвергали алкоголизу «-нитрофенолом с последующим каталитическим восстановлением на PtÓ2 согласно общей методике, предложенной Allcock [4].

Ранее было показано, что как в [NPX2]3, X = Cl, Br и OPh [8], так и в [NP(0-C6H4-C6H5)2]3 [9], фос-фазеновое кольцо деформировано, но почти пла-нарно, и боковые феноксигруппы ориентированы перпендикулярно в транс-положении к плоскости кольца. Это позволяет предположить, что полиаминокислотные производные циклотри-фосфазена могут также представлять собой симметричные транс-конформеры относительно кольца фосфазена.

Полимеризацию КА у-эфиров (метилового или бензилового) L-a-глутаминовой кислоты в присутствии соединения I проводили в ДМФА при

1516

ПОПОВА и др.

комнатной температуре, удаляя выделяющийся углекислый газ током аргона, при мольном соотношении мономер : инициатор, равном 8, 20, 40 (для каждой из шести боковых растущих на цик-лотрифосфазене цепей). Контроль реакции осуществляли ИК-спектроскопически (по исчезновению характеристических полос поглощения 1860 и 1780 см"1, относящихся к валентным колебаниям карбонильных групп КА) и методом ЯМР по исчезновению пиков ароматических протонов и-аминогрупп в 4-аминофенокси-радика-лах соединения I (6 = 6.44-6.54 м. д.). В спектрах ЯМР 31Р для исходного соединения I наблюдали синглет с 6 = 12.3 м.д., хим. сдвиг которого после присоединения полиаминокислотных цепей практически не изменился (5 = 12.5 м.д.). Указанные спектральные данные подтверждали полноту реакции полимеризации по всем шести инициирующим центрам циклотрифосфазена. Полученные полимеры представляли собой белую порошкообразную массу и обладали плохой растворимостью в обычных органических растворителях, за исключением ДМФА и гексафторизопропанола.

Применение циклотетрафосфазена для тем-плат-полипептидного синтеза впервые было предложено нами [10]. В силу большего размера и большей гибкости фосфазенового кольца цик-лотетрамер представляет повышенный интерес для реакций комплексообразования с металлосо-единениями и для формирования самособирающихся систем с нековалентным связыванием. В качестве функционального темплата было выбрано соединение II, полученное ранее [5], которое содержало симметрично чередующиеся заместители, однако его (цис-, транс-) конформеры определены не были. Тетрафенилтетраамино-циклотрифосфазен - реакционноспособное соединение с температурой плавления 225°С, хорошо растворимое в органических растворителях. Спектр ЯМР 31Р содержит синглет с хим. сдвигом 6 = -3 м. д., что соответствует полностью замещенному симметричному циклофосфазену.

Полимеризацию КА у-бензилового эфира Ь-а-глутаминовой кислоты и КА ¿-а-аланина, инициированную первичными аминогруппами соединения II, и контроль за ходом реакций осуществляли в условиях, аналогичных описанным выше. Мольные соотношения мономер : инициатор для каждой растущей полимерной цепи составило 10 для у-бензилглутамата и 10 для аланина.

ММ всех образцов находили методом ГПХ. Затруднение в определении ММ вызвали образцы, содержащие у-метиловый эфир полиглутамино-вой кислоты (п = 20, 40) на циклотрифосфазене

(Шб и Шв) и полиаланин (п = 10) на циклотетра-фосфазене (IV6) ввиду их низкой растворимости в подвижной фазе. В остальных случаях расчетная ММ практически совпадала с экспериментальным значением, и полидисперсность образцов не превышала 1.3. Экспериментальное определение степени полимеризации каждой цепи не представлялось возможным, поэтому ее рассчитывали исходя из соотношения мономер: инициатор, исхода из числа функциональных групп в фосфазене.

Для всех синтезированных соединений были рассмотрены данные спектров кругового дихроизма в растворе и пленках, и ИК-Фурье спектроскопии в пленках и в виде таблеток, прессованных с КВг. Характер кривых в спектрах кругового дихроизма для соединения Illa, типичен для a-спиральных полиаминокислот. Так, мы наблюдали максимальное поглощение при 190 нм в положительной области и два минимума при 208 и 220 нм, что указывает на образование правовращающих a-спиральных структур [11]. Рассмотрение спектров кругового дихроизма при различных температурах не дает какой-либо дополнительной информации о возможных кон-формационных переходах в растворах соединений Ша-Шв. Данные ИК-Фурье спектров подтверждали спиральный характер фрагментов ПАК. В спектрах соединения Ша присутствовали полосы поглощения валентных колебаний Амид I (1652 см-1) и Амид II (1548 см-1), свидетельствующих о предпочтительной спиральной конформа-ции. В спектрах соединений Шб и Шв, у-метило-вого эфира полиглутаминовой кислоты, иммобилизованного на циклотрифосфазене, наблюдали также слабое поглощение (в виде плеча) в области более низких частот: 1630 см-1 (Амид I) и 1525 см-1 (Амид II), что типично для (3-складчатой структуры. Наличие этих слабых полос вызвано возможным сосуществованием разных конфор-маций в твердом состоянии (в пленке).

Иные данные были получены для полиаминокислот, полимеризованных на циклотетрафосфа-зеновом темплате. Спектр кругового дихроизма тетрафенилтетраамидополиаланина (IV6) (степень полимеризации 10) представлял собой кривую с максимумом при 195 нм и минимумом при 215 нм, характерным для (3-складчатой конфор-мации. Спектр кругового дихроизма у-бензилово-го эфира полиглутаминовой кислоты, связанной с тетрафенилтетрааминоциклотетрафосфазеном (соединение IVa) показывал наличие неупорядоченной структуры, содержащей фрагменты различных конформаций. Сложный вид ИК-спек-тров, в частности, наличие слабых поглощений в

СИНТЕЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОЛИАМИНОКИСЛОТ

низкочастотных областях, также указывало на существование различных конформационных состояний у соединения 1Уа. Вероятно, в циклотри-фосфазене ввиду более жесткой структуры кольца и заранее заданной транс-конфигурации заместителей реализуется упорядоченная общая структура молекулы, ще полиаминокислотные цепи стабилизируются в своей спиральной конформации за счет водородного межцепного внутримолекулярного связывания. Подобную архитектуру можно пред-

1517

ставить как две связки из трех спиралей в трансконфигурации относительно центрального трифос-фазенового цикла. В то же время в поли-у-бензил-глутамате, полимеризованном на тетрафенилцик-лотетрафосфазене, аминокислотные цепи находятся в неупорядоченном состоянии в отсутствие добавочного стабилизирующего фактора центрального фосфазенового кольца. Схематически строение полученных полимеров, аналогичное приведенному в работах [1,7], показано ниже.

1ЧН2

ЫН2

I о X ^

О £ Т О

о к^р. х=В2, Ме о/

(X = Вг\, п = 10 (Ша); Ме, п = 20 (Шб); Ме, п = 40 (1Пв)).

мн2

Р=№

/I /А

Шо I

р

Н2И N РЬ НгИ N РЬ \// I/

Р-ы=Р

I I

РЬ РЬ

II

о х

н

°о°

X = Вг1, Ме

Я Ш

0 РЬ ш^о I I

—Р-РЬ

Н I

я

* " N N II I н

рь А н

о*. .ын

I

ни я

(Я = СН2СН2СООВг1 (1Уа) и СН3 (1Уб)).

1518

ПОПОВА и др.

Таким образом, как наиболее благоприятные для дальнейшего изучения и превращений были выбраны соединение Illa - поли-у-бензилглута-мат на циклотрифосфазене с общей степенью полимеризации п — 48 (Mw =11600) и соединение IVa -поли-у-бензилглутамат на циклотетрафосфазе-не с общей степенью полимеризации п = 40 (Mw - 1.0 х 104). Наличие функциональных концевых аминогрупп в полимерных цепях производных циклофосфазенов открывает возможности для их дальнейших превращений. Первые шаги в этом направлении были предприняты при введении люминесцентных фрагментов в соединении Ша, в частности, присоединение у-(пиренил-1)пропионовой кислоты [12].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ¡noue К., Itaya Т. // Bull. Chem. Soc. Jpn. 2001. V. 74.

P. 1.

2. Majorai J.P., Caminade M. // Chem. Rev. 1999. V. 99.

№ 3. P. 858.

3. Inoue K., Miyahara A., Itaya T. // J. Am. Chem. Soc. 1997. V. 119. P. 6191.

4. Allcock H., Austin P., Rakowsky Г. // Macromolecules. 1981. V. 14. P. 1622.

5. Голина С.И. Дис. ... канд. хим. наук. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1981.

6. Dorman L.C., Shiang W.R., Meyers P.А. // Synth. Commun. 1992. V. 22. P. 3257.

7. Inoue К., Sakai H., Ochi A., Itaya T., Tanigaki T. // J. Am. Chem. Soc. 1994. V. 116. P. 10783.

8. Marsh W. C., Trotter J. //J. Chem. Soc. A. 1971. P. 169.

9. Allcock H., Ngo D., Parvez M., Whittle R., Birdsall W. // J. Am. Chem. Soc. 1991. V. 113. P. 2628.

10. Popova G., Kireev V., Spitsyn A., Ihara H., Scherbi-naM., Chvalun S. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2003. V. 390. P. 91.

11. Alekperov D., Shirosaki T., Sakurai T., Popova G., Kireev V., Ihara H. // Polym. J. 2003. V. 35. № 5. P. 417.

12. Alekperov D., Shirosaki T., Sakurai T., Popova G., Kireev V., Ihara H. // Polym. Prepn. Jpn. 2002. V. 51. № 14. P. 3611.

Synthesis of Functional Poly(amino acids) on Cyclophosphazene Templates

G. V. Popova®, D. A. Alekperov*, T. Sakurai*, H. Ihara*, and V. V. Kireev*

a Mendeleev University of Chemical Technology, Miusskaya pi 9, Moscow, 125190 Russia b Kumamoto University, Kumamoto 850-8555, Japan

Abstract—With the use of hexakis(p-aminophenoxy)cyclotriphosphazene and tetraphenyltetraaminocyclotet-raphosphazene whose primary groups initiated the polymerization of L-a-alanine and y-esters of L-a-glutamic acid N-carboxyanhydrides, poly(amino acids) containing an inorganic central ring have been prepared. Polypeptide chains of various lengths have been obtained by varying the monomer-to-initiator molar ratio. The molecular masses of the synthesized samples are in good agreement with the calculated parameters, and the polymers show a narrow molecular-mass distribution (MJMn < 1.3). The CD spectra and IR studies indicate a predominantly helical conformation of poly(amino acid) chains with the central triphosphazene ring and the disordered structure of poly(amino acid) chains bonded to cyclotetraphosphazene.