Содержание к диссертации
Введение
2. Синтез гидрофосфорильных производных моносахаридов (литературный обзор) 6
2.1. Синтез гидрофосфорильных соединений методами этерификации и переэтерификации 7
2.2. Синтез гидрофосфорильных соединений моносахаридов при помощи амидов кислот трёхвалентного фосфора 13
2.3. Синтез гидрофосфорильных соединений моносахаридов при помощи ангидридов кислот трёхвалентного фосфора 25
2.4. Синтез кислых циклофосфитов на основе моносахаридов 29
3. Синтез и некоторые химические свойства гидрофосфорильных соединений на основе защищенных моносахаридов (обсуждение результатов) 33
3.1 Синтез гидрофосфорильных производных моносахаридов 33
3.1.1. Синтез эфиров гипофосфористой кислоты 33
3.1.2. Синтез эфиров фосфонистой кислоты 37
3.1.3 Синтез эфиров фосфористой кислоты 40
3.1.3.1 Синтез гидрофосфорильных соединений на основе защищенных моносахаридов с использованием хлорангидридов фосфористой кислоты 40
3.3.1.1 Синтез гидрофосфорильных соединений на основе защищенных моносахаридов с использованием амидов фосфористой кислоты 47
3.2. Химические свойства гидрофосфорильных соединений моносахаридов 55
3.2.1. Поведение гидрофосфорильных соединений моносахаридов в условиях реакции Кабачника-Филдса 55
3.2.2. Поведение гидрофосфорильных соединений моносахаридов в условиях реакции Абрамова 62
3.2.3. Исследование некоторых химических свойств неполных амидофосфитов моносахаридов 66
3.2.4. Исследование реакции арилирования гидрофосфорильных соединений моносахаридов 71
4. Экспериментальная часть 75
5. Выводы 99
6. Список литературы 100
- Синтез гидрофосфорильных соединений моносахаридов при помощи амидов кислот трёхвалентного фосфора
- Синтез гидрофосфорильных соединений моносахаридов при помощи ангидридов кислот трёхвалентного фосфора
- Синтез эфиров фосфористой кислоты
- Поведение гидрофосфорильных соединений моносахаридов в условиях реакции Кабачника-Филдса
Введение к работе
К настоящему времени в химии природных соединений усилилось внимание к группе веществ с общей гидрофосфорильной функцией. Актуальность обращения к таким системам определяется достигнутыми успехами по созданию практически важных продуктов за счёт направленной химической модификации фосфорсодержащих аналогов биологически важных соединений. Заметим, что упомянутая функция обеспечивает современные стратегии синтеза. Так, неполные эфиры кислот трёхвалентного фосфора, содержащие углеводный остаток, нашли применение в качестве полупродуктов для синтеза 1—>6 связанных фосфорных аналогов ди- и олигосахаридов, которые являются фрагментами разного рода фосфоглюканов, гликопротеинов и других веществ. Интересные результаты получены и в области фосфолипидных и нуклеотидных структур. Все упомянутые соединения оказались весьма полезными объектами для решения насущных задач в области биоорганической химии и в смежных с ней науках. Гидрофосфорильную функцию в полной мере можно рассматривать как фосфорный аналог карбонильной группы. Это открывает второе направление использования подобных соединений, заключающиеся в получении оригинальных сложных конструкций, расширяющих структурные возможности классических групп природных веществ. В частности, также, гидрофосфорильные соединения в последнее время стали использоваться в каталитическом арилировании и гетероарилировании.
Главной целью работы был синтез и изучение основных химических
свойств гидрофосфорильных производных углеводов, а именно 1,2:5,6-ди-0-
изопропилиден-а-1)-глюкофуранозы, 1,2:4,5-ди-0-циклогексилиден-а->-
фруктопиранозы и 2,3-<9-изопропилиден-а-/,-метилрамнопиранозида.
Впервые разработаны методы синтеза разнообразных гидрофосфорильных соединения Сахаров, относящихся к различным классам фосфорорганических
соединений: фосфитов, амидофосфитов, фосфонитов, гипофосфитов. Изучены химические свойства вновь полученных гидрофосфорильных соединений: их поведение в условиях реакций Кабачника-Филдса, Абрамова, окисления. Совместно с лабораторией элементоорганических соединений кафедры органической химии МГУ им. М.В. Ломоносова проведено изучение каталитического арилирования гидрофосфорильных производных моносахаридов. Нами показано, что гидрофосфорильные производные углеводов могут с успехом использоваться в качестве полупродуктов для синтеза производных кислот пятивалентного фосфора, представляющих интерес как аналоги природных биологически активных соединений: фосфатов, фосфонатов, фосфинатов.
Диссертация имеет традиционное строение и состоит из шести частей: введения, литературного обзора, который посвящен методам синтеза гидрофосфорильных соединений Сахаров. Третья часть - обсуждение полученных в ходе работы результатов, а четвёртая часть содержит описание проведённых экспериментов. Завершают настоящую рукопись выводы и список использованной литературы.
Автор выражает огромную благодарность к.х.н., в.н.с. Васяниной Л.К. за регистрацию спектров ЯМР и помощь в интерпретации спектральных данных; к.х.н. Карлстэдт Н.Б. за помощь в изучении закономерностей арилирования гидрофосфорильных производных углеводов; д.х.н. Нифантьеву Н.Э. за содействие в получении исходных веществ и полезные рекомендации; к.х.н. Липовцину Е.В., д.х.н., проф. Коротееву М.П. за ценные советы; к.х.н., доц. Кухаревой Т.С. и чл.-корр. РАН Нифантьеву Э.Е. за неоценимую помощь, понимание и поддержку.
Синтез гидрофосфорильных соединений моносахаридов при помощи амидов кислот трёхвалентного фосфора
Амидный метод заключается во взаимодействии частично защищенных Сахаров с амидами фосфористой кислоты (АФК). Первые публикации о применении АФК в реакциях со спиртами и фенолами появились в конце 50-ых - начале 60-ых годов прошлого столетия [12-14] и сразу привлекли внимание химиков разных лабораторий своей необычностью, поскольку было известно немного реагентов, которые бы легко подвергались разрыву связи Э-N. Последовавший затем индукционный период не пропал даром, поскольку за это время были проведены работы, установившие каталитический характер реакции, а также наиболее перспективные пути использования АФК. АФК имеют серьёзные достоинства в области синтеза: реакции осуществляются в мягких условиях, не сопровождаются выделением агрессивных продуктов реакции и предполагают использование доступных исходных веществ. Благодаря перечисленным выше качествам АФК сегодня широко привлекаются для решения многих задач тонкого органического синтеза, что находит своё отражения в работах в области углеводной, нуклеотидной химии и химии других природных соединений и их аналогов. Следует отметить, что АФК не уступают по применимости в синтетической практике соответствующим хлорангидридам фосфористой кислоты, в некоторых случаях использование АФК даже предпочтительнее. При их применении в фосфорилировании выделяется амин, который, как правило, не осложняет процесса и легко удаляется из реакционной смеси. Реакции с использованием амидов кислот трёхвалентного фосфора проводят либо при нагревании в присутствии солей аминов, либо при комнатной температуре в присутствии кислых катализаторов таких, как 1,2,4-триазол и 1//-тетразол [15]. В последнее время в нуклеотидной химии в качестве катализатора предложено использовать доступный 2,4-динитрофенол [16]. Этот вариант катализа является весьма любопытным, так как 2,4-динитрофенол может вступать в побочные взаимодействия с реагентами трёхвалентного фосфора, например, в реакции окисления.
Моногликофосфиты предложено получать при ацидолизе и гидролизе соответствующих диамидофосфитов (31, 32) [17, 18]. Так, с выходом около 100% получены фосфиты диацетонглюкозы и диацетонгалактозы (33, 34) [17]:
Взаимодействием 6-0-изопропил фосфит-1,2:3,4-ди-0-изопропилиден-а-)-галактопиранозы (37) с метиловыми эфирами а-аминокислот в присутствии окислителя получали соответствующие моноамидофосфаты. Строение всех соединений доказано методами спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии [19].
Амидный метод использован для синтеза аналогов липида А (компонента клеточной стенки некоторых бактерий) (38). В качестве фосфорилирующего реагента использовали ди-(1,2,4-триазолид)-(2,2,2-трихлорэтил)-фосфит (39): Образующийся на первой стадий бис-триазолид подвергли гидролизу, в результате чего получился бисфосфорилированный кислый фосфит (40) с выходом 35% [20].
Распространённым фосфорилирующим реагентом является трис-имидазолид фосфористой кислоты (41). Его генерируют in situ из РСІз, имидазола и третичного амина в качестве акцептора хлороводорода. Достоинством этого метода является простота получения фосфорилирующего реагента, исключительно мягкие условия проведения реакции и высокие выходы соответствующих фосфитов. Синтезированный в результате бисимидазолидофосфит гидролизуют, при этом получают аммониевые соли фосфористой кислоты. Особенно применимым этот метод оказался в т.н. «Я-фосфонатном методе» получения фрагментов различных биологических препаратов. «Водородфосфонатный метод» предполагает получение на первой стадии глико- или гликозилфосфита с использованием трис-имидазолидофосфита, о чём уже говорилось выше. На второй стадии проводят конденсацию кислого фосфита с соответствующим моногидроксильным углеводным компонентом в присутствии конденсирующего средства, в качестве которого обычно выступает пивалоилхлорид, реже бис-(оксооксазолидин-3-ил)-хлорфосфат. На заключительной стадии проводят окисление до производных фосфорной кислоты и удаление защитных групп. Окисление обычно осуществляют элементарным иодом в водном пиридине:
Применение конденсирующего реагента предполагает получение реакционноспособного ацилфосфита, который выступает в качестве мягкого фосфорилирующего средства. Роль пиридина на первой и второй стадий синтеза связана, вероятно, с образованием активированного пиридиниевого интермедиата [21]:
Синтез гидрофосфорильных соединений моносахаридов при помощи ангидридов кислот трёхвалентного фосфора
Для получения гидрофосфорильных соединений использовались также ангидриды кислот трёхвалентного фосфора [50, 51]. Они получаются с практически количественным выходом контролируемым гидролизом соответствующих дихлорангидридов вычисленным количеством воды в присутствии триэтиламина. Данные соединения являются мягкими фосфорилирующими средствами, позволяющими фосфорилировать сахара со свободным спиртовым или гликозидным центром. При этом реакция идёт при комнатной температуре и не сопровождается выделением агрессивных побочных продуктов. Так была осуществлена реакция между ангидридом изобутилфосфонистой кислоты (96) и сахарами (15, 97):
Выходы составили 49% (15) и 70% (97). Недостатком ангидридов кислот трёхвалентного фосфора является их неустойчивость, которая выражается в склонности этих соединений к полимеризации даже при непродолжительном хранении. К сожалению, этот метод, имеющий широкие синтетические возможности, в углеводной химии не получил дальнейшего развития.
Распространённым реагентом, применяемым для получения гидрофосфорильных соединений, является салицилхлорфосфит (100). При фосфорилировании этим веществом углеводов получаются крайне лабильные салицилгликофосфиты, которые легко подвергаются гидролизу [52, 53]:
Для синтеза кислых гликозилфосфитов этот реагент был применён впервые в 1986 г. В данном варианте проводили фосфорилирование 2,3,4,6-тетра-0-бензил-а-/)-глюкопиранозы (104). При действии на полученный гликозилсалицилфосфит (105) воды получается моноэфир фосфористой кислоты (106), а при действии двух молей 2-цианоэтилового спирта образуется триэфир фосфористой кислоты (107) [54]:
Авторы работы [55] с помощью указанного реактива провели xосфорилирование тетраацетатов маннозы (108), галактозы (109), глюкозы (110) и триацетата/--фукозы (111). Все сахара изначально имели свободный гликозидный центр. Фосфорилирование проводили в диоксане при комнатной температуре в присутствии пиридина. Полученные при этом гликозилсалицилфосфиты подвергались гидролизу. Аналогично, салицилфосфит использовался для гидрофосфорильных производных аналога липида А. [20]. синтеза
Салицилхлорфосфит (100) применялся для синтеза гликозилфосфита на основе рамнопиранозы [56]. Образовавшийся продукт использовался как промежуточное звено для синтеза аналогов природных веществ:
Интересным свойством Сахаров и других полиолов, обладающих пространственно сближенными гидроксильными группами, является образование каркасных систем - циклофосфитов. Такие соединения обладают рядом специфических свойств, связанных с особенностью пространственной организации атома фосфора. Они оказались интересными объектами исследований в аспекте стереохимии, реакционной способности, а также практического использования.
В сообщениях [57, 58] приводится пример получения циклофосфорилированных Сахаров, содержащих гидрофосфорильную группу. На 1,2-алкилиден-а-1)-ксилофуранозу (119, 120) действовали одним молем трёххлористого фосфора. Реакцию проводили в эфире при охлаждении в присутствии триэтиламина. Полученные в результате хлорциклофосфиты (121,122) гидролизовали: Кислые циклофосфиты предложено получать также путём раскрытия бициклофосфитного каркаса [59-63]. Так фосфит (126) синтезировали действием уксусной кислоты на бициклофосфит (125), содержащего фосфоамидную связь:
Кислые циклофосфиты (136, 137) оказались удивительно лабильными соединениями. Так, после удаления из реакционной смеси избытка галогеноводорода, они самопроизвольно полностью циклизовались в исходные бициклофосфиты. Авторы объясняют это внутримолекулярным О-алкилированием амбидентной системы Р-0- таутомерной Р(Ш) формы кислого фосфита или его аниона. Косвенно это подтверждается тем, что особенно легко процесс циклизации проходит в присутствии оснований. Таким образом, эта перегруппировка обратна известной реакции Михаэлиса-Беккера. Следует отметить, что подобные превращения не имеют аналогов в химии гидрофосфорильных соединений и являются специфическим свойством циклофосфитных систем [59, 62].
Синтез эфиров фосфористой кислоты
Кислые фосфиты, содержащие сахарную матрицу - наиболее изученный класс фосфорорганических соединений [2]. Эти вещества с успехом используются для получения аналогов природных соединений, труднодоступных производных кислот пятивалентного фосфора, а также в качестве лигандов для металлокомплексных катализаторов. В то же время сведения об этой интересной группе фосфорорганических веществ, в частности о методах их синтеза, особенностях структуры, анализа строения, носят отрывочный характер.
Продолжая ведущиеся с середины 1960-ых годов в лаборатории физиологически активных фосфорорганических соединений МПГУ работы по изучению фосфорилирования углеводов производными трёхвалентного фосфора, мы впервые предприняли попытку целенаправленно изучить пути синтеза и химической модификации гидрофосфорильной функции, связанной с сахарным остовом.
В качестве фосфорилирующих реагентов были выбраны дихлорангидриды фосфористой кислоты. Выбор их обусловлен тем, что эти реагенты проявляют высокую реакционную способность, доступны и удобны в экспериментальном использовании. Существенно, что полученные неполные фосфиты могут быть легко переведены в соответствующие P(V) производные, например, в фосфаты или в фосфонаты, что открывает путь дизайна органических веществ, представляющих интерес как биорегуляторы.
Согласно выдвинутой нами стратегии, на первом этапе сахарная компонента взаимодействовала с эквимолекулярным количеством дихлорфосфита с образованием монохлорангидрида. На втором этапе монохлорангидрид обрабатывали соответствующим количеством воды, что приводило к получению искомых кислых эфиров фосфористой кислоты.
В качестве объектов исследования были выбраны сахара: 1,2:5,6-ди-(9-изопропилиден-ос-)-глюкофураноза (2); 1,2:4,5-ди- 2-циклогексилиден-а- -фруктопираноза (6); 2,3-0-изопропилиден-а-/,-метилрамнопиранозид (7).
На первом этапе к 1.1 экв соответствующего дихлорангидрида, растворенного в диоксане, медленно прибавляли по каплям раствор 1.0 экв диацетонглюкозы и 2.5 экв пиридина в диоксане:
В спектрах ЯМР 31Р реакционной смеси мы наблюдали синглетные сигналы с химическим сдвигом 168-171 м.д., соответствующие монохлорангидридам (14-18). Кроме того, в данных спектрах мы фиксировали сигналы в области 136-142 м.д., которые, по всей вероятности отвечают полным эфирам фосфористой кислоты, в молекулах которых содержатся два остатка сахара. Для подтверждения нашего предположения мы изменили порядок смешивания реагентов: к смеси 1.0 экв диацетонглюкозы (2) и 1.0 экв пиридина в диоксане медленно прикапывали диоксановый раствор 0.5 экв дихлорангидрида циклогексилфосфористой кислоты:
Спектральные характеристики примеси, образующейся при синтезе монохлорангидрида (16) и продукта встречного синтеза (19), оказались идентичными. В виду лабильности продукта реакции (19), мы перевели это вещество в более устойчивый тионфосфат (20). Соединение (20) было очищено методом колоночной хроматографии и представляет собой маслообразное вещество жёлтого цвета. Строение полученного соединения (20) доказано методами ЯМР 13С, 31Р и подтверждено методом криоскопии и элементного анализа. В спектре ЯМР 31Р (СНСЬ) мы фиксировали сигнал с химическим сдвигом 65.7 м.д. В спектре ЯМР С (в CDCI3) присутствовали все сигналы, характерные для сахарного остова, а также сигналы от атомов углерода циклогексильного радикала.
Таким образом, наиболее трудной задачей оказалось получение монохлорангидридов (14-18) с хорошими выходами. Ход фосфорилирования разделяется на два конкурирующих направления. Первое связано с образованием сшш-фосфита, второе - несимметричного монохлорангидрида. Очевидно, что первое направление предпочтительнее, так как приводит к получению более устойчивого продукта. В результате длительной экспериментальной работы нами найдены оптимальные условия реакции, позволяющие увеличить содержание монохлорангидридов (14-18) в реакционной массе: растворитель (диоксан), температурный режим (12С), время прибавления по каплям раствора углевода к раствору фосфорилирующего реагента ( 20 мин), основание (пиридин). В итоге удалось увеличить выход монохлорангидридов, согласно спектрам ЯМР 31Р, до 90-94%.
Поведение гидрофосфорильных соединений моносахаридов в условиях реакции Кабачника-Филдса
Соединение (37) было очищено методом колоночной хроматографии с восстановленной окисью алюминия по Брокману И. Характерно, что при использовании в качестве неподвижной фазы силикагеля нами наблюдалось разрушение фосфината (37) с выделением чистого циклогексанола, что говорит о его неустойчивости даже в слабокислых средах. Фосфинат (37) представляет собой оранжевое масло. Его строение доказано методами ЯМР на ядрах 3,Р, % 13С. В спектре ЯМР 31Р (без растворителя) присутствовал синглет с химическим сдвигом 51.5 м.д.. В спектре ЯМР С (CDC13) присутствовали два дублета, имеющих константу спин-спинового взаимодействия на магнитно-активное ядро фосфора: с химическим сдвигом 50.1 м.д, характерные для метиленовой группы, непосредственно связанной с фосфором с КССВ Vpc = 109.6 Гц и с химическим сдвигом 47.8 м.д., характерный для метилена диэтиламидной группы, 3Урс = 8.0 Гц.
При взаимодействии с эквимолекулярным количеством бензальанилина, гипофосфит на основе глюкофуранозы (5) проявляет высокую активность и, несмотря на пространственные затруднения, в реакционной смеси помимо фосфонита (38) образуется фосфинат (39):
Реакцию проводили в хлороформе при комнатной температуре. В спектре ЯМР 3,Р реакционной смеси мы наблюдали 3 дублетных сигнала с химическими сдвигами 33.9, 35.2, 38.6 м.д., которые имели прямую константу примерно 665 Гц. Эти сигналы, по всей вероятности, отвечают соединению (38). Кроме того, в данном спектре присутствовали два синглета в области 45.3 и 45.8 м.д., отвечающих структуре (39). Соотношение интегральных интенсивностей сигналов, отвечающих структурам (38:39) составляло 6:1.
Таким образом, реакция Кабачника-Филдса с объёмным бензальанилином региоселективна и приводит к преимущественному образованию фосфонитов (38).
Методом колоночной хроматографии удалось выделить с выходом 12% только фосфинат (39). Он представляет собой пенкообразное вещество жёлтого цвета с tm 98-100С. Спектр ЯМР 31Р (СНС13) представляет собой два синглета с химическими сдвигами 45.3 и 45.8 м.д. Согласно спектрам ЯМР на ядрах ]Н и 13С соединение (39) представляет собой смесь четырёх диастереомеров в примерно равных соотношениях. Строение (39) подтверждено также данными элементного анализа. а-Аминофосфонаты получали путём взаимодействия бис(диэтиламино)метана с кислыми гликофосфитами. В качестве исходных соединений нами были выбраны вещества (22) и содержащий более объёмный циклогексильный радикал (23).
Реакции проводили при комнатной температуре в течение 10 контролировали методами ТСХ и ЯМР Р. Вещества (40, 41) были очищены методом колоночной хроматографии и представляют собой сиропы бледно красного цвета, соотношение двух диастереомеров примерно одинаково. Строение продуктов реакции Кабачника-Филдса (40, 41) доказано методами ЯМР на ядрах Си Р и подтверждено данными элементного анализа. В спектре ЯМР 31Р в хлороформе указанные продукты имеют синглетные сигналы в области 25-26 м.д. В спектре ЯМР С присутствуют все необходимые сигналы, характерные для сахарного остова и для заместителей при атоме фосфора. Отдельные атомы углерода в данных спектрах образуют дублетные сигналы вследствие взаимодействия с магнитно-активным ядром фосфора, как указано в приведённой ниже в таблице 3:
Фосфинаты, содержащие асимметричный атом фосфора, получали из соответствующих кислых гликофосфонитов (11, 13) и аминаля. В этом случае реакция проходила несколько труднее: требовалось нагревание реакционной смеси на глицериновой бане (t = 46-48С) в условиях избытка электрофила (2.5 экв по отношению к 1 экв сахара).
