Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




20.06.2017

Впервые синтезированы «молекулярные крендели» — квазикатенаны и квазиротаксаны

Химики из Амстердамского и Утрехтского университетов смогли синтезировать новый класс органических молекул. Полученные структуры состоят из двух колец, продетых друг в друга, имеют один общий атом углерода и напоминают традиционные немецкие крендели. Новые соединения смогут найти самостоятельное применение в качестве потенциальных фармакологически активных соединений, а отточенные при их получении методы и приемы сделают возможным лабораторный синтез «пептидов-лассо».

Рис. 1. Схематичное отображение геометрии «молекулярных кренделей» — квази[1]катенана (2) и квази[1]ротаксана (3). Оба эти соединения можно получить из одного и того же исходного вещества (5), в структуре которого присутствует один четвертичный атом углерода. При замыкании связанных с четвертичным атомом углерода цепей (на схеме пары таких цепей обозначены синим и красным) в отсутствие направляющего протекание реакции молекулярного шаблона (его структура приведена на рис. 2) образуется вещество хорошо известной ранее спироциклической структуры (1). Шаблон, фиксируя положение «красных» цепей, способствует образованию квази[1]катенана. Размещение на концах цепей объемных фрагментов, препятствующих циклизации второй петли (синие шарики на схеме), и проведение циклизации без шаблона дает циклическое соединение, содержащее два заместителя (4) (см. Химическая номенклатура) у одного атома углерода. Проведение реакции в присутствии молекулярного шаблона позволяет синтезировать квази[1]ротаксан (3). Переходы между веществами (1) и (2), а также (3) и (4) невозможны ни в одном из направлений
Рис. 1. Схематичное отображение геометрии «молекулярных кренделей» — квази[1]катенана (2) и квази[1]ротаксана (3). Оба эти соединения можно получить из одного и того же исходного вещества (5), в структуре которого присутствует один четвертичный атом углерода. При замыкании связанных с четвертичным атомом углерода цепей (на схеме пары таких цепей обозначены синим и красным) в отсутствие направляющего протекание реакции молекулярного шаблона (его структура приведена на рис. 2) образуется вещество хорошо известной ранее спироциклической структуры (1). Шаблон, фиксируя положение «красных» цепей, способствует образованию квази[1]катенана. Размещение на концах цепей объемных фрагментов, препятствующих циклизации второй петли (синие шарики на схеме), и проведение циклизации без шаблона дает циклическое соединение, содержащее два заместителя (4) (см. Химическая номенклатура) у одного атома углерода. Проведение реакции в присутствии молекулярного шаблона позволяет синтезировать квази[1]ротаксан (3). Переходы между веществами (1) и (2), а также (3) и (4) невозможны ни в одном из направлений

Пять лет потребовалось исследовательской группе профессора Яна ван Марсевена (Jan van Maarseveen) из Амстердамского университета для разработки и успешной проверки метода синтеза, который может оказаться полезным для получения так называемых пептидов-лассо. В результате проверки метода был получен новый класс синтетических соединений — квази[1]катенаны. Название, происходящее от латинского слова catena — «цепь», означает, что полученные соединения состоят из двух переплетенных, как звенья цепи, макроциклов, имеющих один общий атом углерода (на это указывает цифра 1 в квадратных скобках), по форме напоминая крендель. «Квази»-катенанами молекулярные крендельки назвали, чтобы подчеркнуть их отличие от «настоящих» катенанов — «соединений без химической связи», в которых два и более цикла механически сплетены как звенья цепи, но общих атомов не имеют. В 2016 году за разработку методов направленного синтеза катенанов и других «молекул без химических связей», ротаксанов, Жан-Пьеру Соважу, Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Феринге была вручена Нобелевская премия по химии с формулировкой «за проектирование и синтез молекулярных машин».

Пептиды-лассо (lasso peptides; см. J. D. Hegemann et al., 2015. Lasso Peptides: An Intriguing Class of Bacterial Natural Products), подходы к синтезу которых и планировал Ян ван Марcевен с сотрудниками, представляют собой небольшие цепочки, содержащие от 15 до 24 аминокислотных остатков и отличающиеся скромной для пептидов молекулярной массой — от 1500 до 2500 Да (дальтон). Эти цепочки состоят из двух пептидных фрагментов — молекулярной «веревки» и обвивающей ее молекулярной «петли».

Впервые пептиды-лассо были выделены из микроорганизмов Streptomyces griseoflavus в 1994 году. Дальнейшие исследования показали, что они вырабатываются и многими другими бактериями. Для бактерий пептиды-лассо служат «химическим оружием», с помощью которого они защищаются от других микроорганизмов. Это обстоятельство, естественно, побудило многих ученых попытаться использовать сами пептиды-лассо и результаты их синтетических модификаций, проведенных в лаборатории, в качестве антибиотиков, защищающих не только бактерий, но и людей. Известно, что некоторые пептиды-лассо угнетают рост резистентных к действию антибиотиков энтерококков и золотистого стафилококка (см. Y. Li et al., 2015. SpringerBriefs in Microbiology, глава Lasso Peptides).

Однако за двадцать с лишним лет исследователям так и не удалось разработать стратегию, позволяющую воспроизвести уникальную структуру пептидов-лассо в лаборатории. Причиной неудач было сложное строение веществ, которые могли бы рассматриваться как синтетические аналоги пептидов-лассо. С одной стороны, синтез систем, в которых одна пептидная петля нахлеснута на другую (как в случае катенанов) или надета на «веревку с заглушками на концах» (как у ротаксанов), осуществляли с получением целевых соединений с выходом не менее 80% (то есть образуется 80% от максимального числа молекул конечного продукта реакции, что для органической химии довольно много) таких вынужденно связанных молекул еще в начале XXI века. С другой стороны, пептиды-лассо отличаются от катенанов и ротаксанов тем, что в них «петля» и «веревка» соединены химическими связями. Поэтому прием, который использовали для синтеза ротаксанов, — «продевание» молекулярной нити через «полупетлю», выполняющееся с применением молекулярного шаблона, с последующим замыканием серповидной полупетли в обычную петлю — для получения «молекулярных лассо» не работал.

Поняв, что «нобелевский» метод неприменим для лабораторного синтеза пептидов-лассо, химики из Амстердама решили пойти другим путем. Они использовали исходное вещество, которое одновременно было заготовкой и молекулярной веревки, и молекулярной петли (см. структуру 5 на рис. 2). Таким веществом стала молекула, содержавшая четвертичный атом углерода, с которым были связаны две пары молекулярных заместителей.

Рис. 2. Молекулярные структуры вещества (5), послужившего исходным в синтезе квази[1]катенана и квази[1]ротаксана; молекулярного шаблона (6), необходимого для направленного замыкания цикла; объемной группы (11), входящей в состав квази[1]ротаксана
Рис. 2. Молекулярные структуры вещества (5), послужившего исходным в синтезе квази[1]катенана и квази[1]ротаксана; молекулярного шаблона (6), необходимого для направленного замыкания цикла; объемной группы (11), входящей в состав квази[1]ротаксана

Одна из этих пар служила заготовкой для образования петли (красные фрагменты на обоих рисунках), а вторая пара (обозначена синим) в присутствии шаблона, управляющего циклизацией, могла давать вторую петлю, при замыкании которой и получался «молекулярный крендель» — квази[1]катенан. Изменение условий проведения синтеза — прививка к концам одной из цепей исходного вещества объемных групп, препятствующих циклизации, — приводит к тому, что вторая петля не замыкается. Тогда продуктом реакции служит квази[1]ротаксан: вещества этого класса близки по структуре к «пептидам-лассо», пусть и отличаются от них наличием двух больших по размеру органических групп на конце «молекулярной веревки».

Хотя разработанный голландскими химиками синтетический подход — уверенный шаг вперед в разработке лабораторных методов синтеза пептидов-лассо, до окончательного формирования протокола их получения необходимо решить еще ряд задач. В первую очередь нужно подобрать условия размыкания одной из петель в «молекулярном кренделе» или же такое исходное соединение, которое давало бы квази[1]ротаксановую структуру даже в отсутствие объемных «заглушек» на концах заместителей. Хотя практическая ценность полученных в ходе этого этапа работы соединений еще под вопросом, квазикатенаны и квазиротаксаны — это новые классы веществ, покорившиеся химикам-органикам, и, безусловно, они представляют огромный интерес с точки зрения разработки новых подходов синтеза соединений, зачастую обладающих достаточно причудливым строением.

Источник: Luuk Steemers, Martin J. Wanner, Martin Lutz, Henk Hiemstra, Jan H. van Maarseveen. Synthesis of spiro quasi[1]catenanes and quasi[1]rotaxanes via a templated backfolding strategy. Nature Communications. 2017. V. 8. Article number: 15392. DOI: 10.1038/ncomms15392.

Аркадий Курамшин


Источники:

  1. elementy.ru



ИНТЕРЕСНО:

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'