PANNON EGYETEM
FERROCÉNTARTALMÚ BIOKONJUGÁTUMOK ELŐÁLLÍTÁSA HOMOGÉNKATALITIKUS KARBONILEZÉSSEL A PhD ÉRTEKEZÉS TÉZISEI
Készítette: Balogh János okleveles vegyészmérnök
Témavezető: Skodáné Dr. Földes Rita Egyetemi tanár
Pannon Egyetem Kémiai és Környezettudományok Doktori Iskola
Kémia Intézet Szerves Kémia Intézeti Tanszék Veszprém 2011
I. ELŐZMÉNYEK ÉS CÉLKITŰZÉS
A ferrocén 1951-es felfedezése fontos mérföldkő volt a fémorganikus kémia területén. Az első szendvics-komplex - különleges szerkezetének megismerését követően - egyből a preparatív kémikusok célkeresztjébe került, akik a későbbiekben számos eljárást dolgoztak ki a legkülönbözőbb ferrocénszármazékok szintézisére. A biomolekulák valamint a biológiai aktivitással rendelkező vegyületek ferrocénnel való összekapcsolása az utóbbi évtizedekben egyre inkább az érdeklődés középpontjába került,
mivel
ezek
a
vegyületek
sokrétű
felhasználhatósága
számos
területen
(anyagtudományok, farmakológia, bioszenzorok valamint molekula- és ionreceptorok tervezése) bizonyított. A ferrocénszármazékok - előbb említett kedvező tulajdonságaiknak köszönhetően - a gyakorlatban mind nagyobb jelentőségre tesznek szert, ami a szintézisük minél gazdaságosabb, hatékonyabb megvalósítását teszik szükségessé. Munkám során alapvető célom a ferrocénváz és különféle biológiai aktivitással rendelkező vegyületek összekapcsolása volt átmenetifém-katalizált karbonilezési reakciókban. Csoportunk korábban bizonyította, hogy a jód-ferrocén aminosavészterek jelenlétében palládium katalizált folyamatban karbonilezhető. Az átalakítás során N-ferrocenoilaminosavak metilésztereit nyerték. A több nukleofil centrummal rendelkező arginin hasonló átalakítását még nem közölték az irodalomban, így két argininszármazék (az L-argininmetilészter
és
az
Nα-benzoil-L-arginin-etilészter)
palládiumkatalizátor
jelenlétében
karbonilatív körülmények között jód-ferrocénnel lejátszódó reakciójának vizsgálatát tűztem ki célul. Az irodalomban leírták szteránvázas jód-alkének, valamint alkil- és aril-triflátok különféle nukleofil partnerek jelenlétében lejátszódó karbonilezési reakcióját. Egy ferrocéntartalmú kalkonszármazék – az (E)-1-(p-amino-fenil)-3-ferrocenil-prop-2-én-1-on – nukleofil reagensként való alkalmazásával kísérletet tettem a szteránváz és a ferrocén közötti kapcsolat kialakítására. Staudinger munkája alapján közismert, hogy ketének és iminek [2+2] cikloaddíciós reakciója β-laktám gyűrűs termékek képződéséhez vezet. Tanszékünkön Ungváry és kutatócsoportja megfigyelte, hogy az etil-diazoacetát oktakarbonil-dikobalt jelenlétében szénmonoxid atmoszférában etoxikarbonil-keténné alakul, amely etil-alkohollal dietil-malonátot, míg különféle iminekkel 3-etoxikarbonil- β-laktám származékokat eredményez. Ferroceniliminekből kiindulva célom ferrocénnel jelzett azetidin-2-on vázas termékek előállítása volt. 1
Részletesen vizsgáltam, hogy a különböző reakcióparaméterek változtatása hogyan hat az etildiazoacetát átalakulására, valamint a reakció szelektivitására. Kísérleteim ferrocéntartalmú kiindulási vegyületeiként jód-ferrocént, illetve (E)-1-(pamino-fenil)-3-ferrocenil-prop-2-én-1-ont valamint ferrocénvázas imineket használtam. Az előállított új vegyületek elkülönítésén és karakterizálásán túlmenően hét esetben szerkezetüket röntgendiffrakciós módszerrel is igazoltam.
II. ALKALMAZOTT KÍSÉRLETI MÓDSZEREK
A karbonilezési kísérletek elvégzéséhez inert Schlenk technikát és nagynyomású saválló autoklávot alkalmaztam. A víz jelenlétében lejátszódó esetleges mellékreakciók elkerülése érdekében vízmentesített oldószereket használtam. A
reakció
előrehaladását,
illetve
a
termékelegy
összetételének
változását
gázkromatográfiás, GC-MS valamint vékonyréteg-kromatográfiás módszerekkel követtem nyomon. Az előállított vegyületek elkülönítését, tisztítását oszlopkromatográfiás módszerrel végeztem el. A vegyületek szerkezetét GC-MS, IR, 1H-,13C-, COSY-NMR, továbbá 2D NMR technikák
(HMBC
és
HSQC),
elemanalízis
(C,
H, N) valamint
több
esetben
röntgendiffrakciós vizsgálatokkal igazoltam.
III. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK
A Pannon Egyetem Szerves Kémia Intézeti Tanszékén elkezdett jód-ferrocén karbonilezési kísérleteink során az aminosav-észterek, mint nukleofil reakciópartnerek jelenlétében kivitelezett reakciókban N-ferrocenoil-aminosav észtereket szintetizáltunk. 1. A munka folytatásaként első ízben vizsgáltam a jód-ferrocén palládium katalizált aminokarbonilezését argininszármazékok jelenlétében.
2
Fc O
N N H
Fc
O
OR2
N H
NHR1 R1
+ CO NH
I Fe
+
H2N
Pd(OAc)2 2PPh3
O OR2
N H
65a
R2
H
Me
65b COPh
Me
66b COPh
Et
+
31 (Fc-I) R1
R2
66a COFc
Et3N 1,4-dioxán
NHR1
O
O Fc
NH N H
O OR2
N H
1
NHR
Et R1
R2
COFc
Me
67b COPh
Et
67a
A 65a és 65b argininszármazékokkal elvégzett kísérletek során megállapítottam, hogy mindkét nukleofil reakciópartner esetén triacilezett vegyületek (66a, 66b) keletkezése a kedvezményezett. Az átalakítás melléktermékeként a levegőn instabilisnak mutatkozó diacilezett vegyületek képződtek. A 65a aminosavból kiindulva monoacilezett származék megjelenését nem tapasztaltam. 2. Az alábbi, ’jódvinil’ szerkezeti egységet tartalmazó szteroidok, valamint egy szteránvázas enol- és egy aril-triflát palládium-katalizált átalakítását vizsgáltam a 73 ferrocenil-kalkon jelenlétében.
3
A kísérleti eredmények alapján elmondható, hogy a módszer alkalmas változatos szerkezetű szteránvázas alkenil-halogenidek/triflátok átalakítására. Jó szelektivitással és elfogadható hozammal sikerült előállítanom négy – az irodalomban eddig nem ismert ferrocénnel jelzett szteroid molekulát. 3. Az etil-diazoacetát oktakarbonil-dikobalt hatására szén-monoxid nyomás alatt iminek jelenlétében [2+2] cikloaddíciós reakcióban β-laktám származékokká alakul át. Eredeti célom az
előbbi
módszer
felhasználásával
3-etoxikarbonil-4-ferrocenil-β-laktám
előállítása volt.
4
vegyületek
Megfigyeltem, hogy 80 bar szén-monoxid nyomás alatt meglepő módon a cikloaddíciót egy, az N(1)-C(4) atomok közötti kötés felhasadásával járó folyamat követi. Ennek eredményeképp 2-(1-ferrocenil-metilidén)-malonsav származékok képződtek. R
+ 80 bar CO O Fe
+
N R
O
CH2Cl2
CHN2
EtO
N
Co2(CO)8 Fe
CO2Et
rt / 24 óra 63
76a-l
77a-l
O
EtO2C
RHN
O
CO2Et
NHR
+ Fe
H
Fe
H
78c-l
79a-b, 79d-l
(E-izomer)
(Z-izomer)
4. 80 bar szén-monoxid nyomás alatt a ferrocénvázas Schiff-bázisokkal ekvivalens mennyiségű etil-diazoacetát alkalmazásával sikerült 21 új 2-(1-ferrocenil-metilidén)-malonsav származékot szintetizálnom. 5.
Megfigyeltem,
hogy
az
alkalmazott
imin
szerkezete
döntő
hatással
van
a
malonsavszármazékokhoz vezető reakció szelektivitására: a. A ferrocenil-metilidén-N-aril-iminek (76a-b) átalakításával kizárólag a Z-2-(1ferrocenil-metilidén)-malonsav származékok voltak szintetizálhatók. b. Az N-ferrocenil-metilidén-terc-butil-aminból (76c) kiindulva az előbbiekkel ellentétben kizárólag a (E)-N-terc-butil-2-etoxikarbonil-3-ferrocenil-2-propénamid képződött. c. A további kilenc ferrocénvázas Schiff-bázis (76d-l) reakciója egy olyan izomerelegyhez vezetett, amelyben a 2-(1-ferrocenil-metilidén)-malonsav származékok Eizomerei voltak a főtermékek. 6. Vizsgáltam a reakcióparaméterek változtatásának a ferrocénvázas iminek konverziójára és a reakció szelektivitására gyakorolt hatását. Az iminek legjobb átalakulását 60 bar szén-monoxid nyomás alatt 24 óra reakcióidővel metilén-klorid oldószerben szobahőmérsékleten értem el.
5
A ferrocenil-iminre nézve 3 ekvivalens etil-diazoacetát alkalmazása esetén (76c-g Schiffbázisok esetén) sikeresen szintetizáltam β-laktám gyűrűs termékeket. A képződött Z-izomerek és β-laktám termékek elválasztását megnehezítette, hogy mindkét komponens különböző polaritású oldószerekbe is hasonló Rf értékkel vándorolt. Ez a jelenség felelős a kipreparált ferrocénvázas β-laktám alacsony hozamáért. 8. Az etil-diazoacetát koncentrációjának növelése a 3-etoxikarbonil-4-ferrocenil-N-terc-butilazetidin-2-on (77c) szintézisét egyértelműen segítette. Mivel 76c iminből kiindulva 79c Zizomer keletkezését semmilyen körülmény között nem tapasztaltam, így 77c elválasztása a reakció során kialakuló 78c propénamid E-izomerétől oszlopkromatográfiás technikával könnyen kivitelezhető volt. Így ebben az esetben sikerült megfelelő hozammal szintetizálnom a ferrocénnel jelzett azetidin-2-on vázas célterméket. Az izolált N-terc-butil-transz-αetoxikarbonil-β-ferrocenil-β-laktám
(77c)
szerkezetét
egy
egykristályról
készült
röntgenkrisztallográfiás felvétellel is sikerült igazolni. 9. Meglepő módon az Fc-CH=N-CH2R szerkezettel leírható Schiff-bázisok esetében a reakciókörülmények
előbbiekben
említett
változtatása
nem
a
β-laktám
származék
képződéséhez vezetett, hanem a már ismertetett gyűrűfelnyílást egy hetero-Diels-Alder reakció követte. A [4+2] cikloaddíciós reakció tetrahidropirimidin-4-on származékok keletkezéséhez vezetett. A 76h-l iminekből a különböző kísérleti körülmények között három különféle tetrahidropirimidin-4-on-vázas izomert sikerült elkülönítenem, szerkezetüket a különböző spektroszkópiai módszereken túl három esetben röntgendiffrakciós méréssel is megerősítettem.
6
IV. A TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK JELENTŐSÉGE
Elfogadható hozammal új ferrocénvázas szteroid- és arginin-konjugátumokat szintetizáltam palládium-katalizált karbonilezési reakciókban. Az így előállított vegyületek – mint biokonjugátumok - farmakológiai jelentőséggel bírhatnak, továbbá a ferrocénnel jelzett argininszármazékok – kihasználva a ferrocén különleges elektrokémiai sajátosságait – potenciális jelöltekké válhatnak új ion- és molekulareceptorok valamint bioszenzorok tervezése során. A szteránvázas vegyületek karbonilezése során nukleofil reakciópartnerként (E)-1-(pamino-fenil)-3-ferrocenil-prop-2-én-1-ont alkalmaztam, amelyhez hasonló ferrocenil-kalkon vegyületek között ismertek antibakteriális, maláriaellenes, illetve tumorellenes hatású származékok. Emiatt az (E)-1-(p-amino-fenil)-3-ferrocenil-prop-2-én-1-on és különböző szteroidok összekapcsolása többféle előnnyel is járhat. Egyrészt a szteránváz beépítése révén a lipofil jelleg növekedésével várható az eredeti ferrocénszármazék biológiai hatásának intenzitásnövekedése, másrészt a ferrocénváz jelenlétében lehetővé válik a hozzákapcsolt szteroidok elektrokémiai detektálása. Egyes β-laktámokat napjaink legfontosabb antibiotikumai között tartják számon. A ferrocénnel jelzett azetidin-2-on vázat tartalmazó származékok sikeres szintézise után az így előállított vegyületek további funkcionalizálása gyógyszerkémiai jelentőséggel bírhat. Az új, két ferrocénegységet is tartalmazó tetrahidro-pirimidinon vázas vegyületeket iminek és a 2-(1-ferrocenil-metilidén)-malonsav származékok keto-enol tautomerizációja során kialakuló enol [4+2] cikloaddíciós reakciójában nyertem. Hasonló hetero-Diels-Alder reakcióra az irodalomban nem találtam példát. Az új – a gyűrűben két nitrogénatomot tartalmazó – heterociklusok biológiai vizsgálatokban történő tesztelése ugyancsak érdekes lehetőségeket rejt. Doktori munkám alapvetően preparatív jellegű volt, melynek eredményeként számos új molekulával gyarapítottam a ferrocéntartalmú biokonjugátumok táborát, melyek gyakorlati szempontból igen nagy érdeklődésre tartanak számot.
7
V. A DISSZERTÁCIÓ ALAPJÁT KÉPEZŐ TUDOMÁNYOS KÖZLEMÉNYEK ÉS ELŐADÁSOK/POSZTEREK KÖZLEMÉNYEK: J. Balogh, V. Zsoldos-Mády, D. Frigyes, A.C. Bényei, R Skoda-Földes, P.Sohár, Synthesis of Novel Ferrocene Labelled Steroidal Derivatives via Palladium-catalysed Carbonylation. X-ray Structure of 17-(N-(4’-((2-ferrocenyl-ethenyl)-carbonyl)phenyl)carbamoyl)-5alpha-androst-16-ene Journal of Organometallic Chemistry 2007, 692 (7), 1614-1618. IF: 2.168 (2007) J. Balogh, Z. Berente, D. Frigyes, L. Kollár, R.Skoda-Földes Synthesis of ferrocenoyl L-arginine derivatives by homogeneous catalytic carbonylation Synth. Comm. 2009, 39, 887-895 IF: 0.981 (2009) J. Balogh, T. Kégl, F. Ungváry, R. Skoda-Földes Co2(CO)8 induced domino reactions of ethyl diazoacetate, carbon monoxide and ferrocenylimines leading to 2-(1-ferrocenyl-methylidene)-malonic acid derivatives Tetrahedron Letters 2009, 50 (33), 4727-4730 IF: 2.660 (2009) J. Balogh; T. Kégl; L. Párkányi; L. Kollár; F. Ungváry; R. Skoda-Foldes Synthesis of (E)-2-(1-ferrocenylmethylidene)malonic acid derivatives by a cobalt-catalyzed domino reaction of ethyl diazoacetate, carbon monoxide and ferrocenylimines Journal of Organometallic Chemistry 2011. elfogadva doi: 10.1016/j.jorganchem.2011.01.008 J. Balogh, L. Párkányi, Zs. Csók, L. Kollár, R. Skoda-Földes The octacarbonyl-dicobalt catalysed domino reaction of ethyl diazoacetate ferrocenylimines: Synthesis of ferrocene labeled tetrahydro-pirimidin-4-on derivatives European Journal of Organic Chemistry 2011. összeállítás alatt
and
ELŐADÁSOK/POSZTEREK: Balogh J., Skodáné Földes R., Kollár L. Ferrocén-szubsztituált.argininszármazékok előállítása homogénkatalitikus karbonilezéssel (poszter) Centenáriumi Vegyészkonferencia, Sopron (Magyarország) 2007. május 29-június 1. J. Balogh, R. Ungváry, R. Skoda-Földes A Co2(CO)8 induced domino reaction leading to 2-(1-ferrocenyl-methylidene)-malonic acid derivatives (poszter) COST Chemistry D40 Workshop on Innovative Catalysis 4th Management Committee Meeting and Workshop Innovative Catalysis: New Processes and Selectivities Turku (Finnország) 2009. május 26-28
8
J. Balogh, F. Ungváry, R. Skoda-Földes Investigation of cobalt-catalyzed domino reaction of ethyl diazoacetate, carbon monoxide and ferrocenylimines (poszter) 17th International Symposium on Homogeneous Catalysis (ISHC-17) Poznan (Lengyelország) 2010. július 4-9. VI. A DISSZERTÁCIÓHOZ KAPCSOLÓDÓ TUDOMÁNYOS KÖZLEMÉNYEK ÉS ELŐADÁSOK KÖZLEMÉNYEK A.Kuik, R. Skoda-Földes, J. Balogh, L. Kollár Synthesis of ferrocenoyl amino acid derivatives via aminocarbonylation Journal of Organometallic Chemistry 2005, 690 (13), 3237-3242
homogeneous
catalytic
IF: 2.025
N. Ungvári, E. Fördős, J. Balogh, T. Kégl, L. Párkányi, F. Ungváry Triphenylphosphane-modified cobalt-catalysts for the selective carbonylation of ethyl diazoacetate Organometallics 2010, 29 (17), 3837-3851 IF: 4.204 (2009) J. Balogh, R. Skoda-Földes Ferrocenes: Compounds, Properties and Applications (könyvfejezet) Editor: Elisabeth S. Phillips Nova. Publisher: Nova Science Pub Inc. ISBN: 978-1-61761880-2 ELŐADÁSOK/POSZTEREK: J. Balogh, R. Skoda-Földes, L. Kollár Labelling of amino acids with ferrocene viahomogeneous catalytic carbonylation (poszter) 23rd International Conference on Organometallic Chemistry (ICOMC 2008) Rennes (Franciaország) 2008. július 13-18. VI. EGYÉB TUDOMÁNYOS KÖZLEMÉNYEK ÉS ELŐADÁSOK J. Balogh, S. Mahó, V. Háda, L. Kollár, R. Skoda-Földes, Facile synthesis of steroidal primary amides via palladium-catalyzed aminocarbonylation of steroidal alkenyl halides Synthesis-Stuttgart 2008, 19, 3040-3042. IF: 2.257 (2009) J. Balogh, Á. Kuik, L. Ürge, F. Darvas, J. Bakos, R. Skoda-Földes Double Carbonylation of Iodobenzene in a Microfluidics-based High Throughput Flow Reactor Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 2009, 302, 76-79 IF: 3.135 (2009)
9
