Рукотворные атомные бусы: манипуляции с макроциклами
В попытках объяснить ребенку термин «молекула», можно сказать, что это гроздь винограда, а виноградинки — отдельные атомы. Утрировано, но вполне понятно. Когда же речь идет о макроциклах, то тут скорее подойдет сравнение с бусами, ибо такие молекулы состоят из больших колец атомов. Уникальность подобных структур заключается в их форме, которая определяет их свойства. Если форму можно контролированно менять, то можно менять и свойства. Ученые из Монреальского университета (Канада) разработали новую методику, позволяющую получить контроль над макроциклами посредством вполне естественного процесса под названием биокатализ. Как именно работает новая методика, какие результаты она показала во время испытаний и какое будущее ждет данное открытие? Ответы на вопросы мы будем искать в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Макроциклы являются достаточно уникальными структурами. Они могут выступать в роли лигандов, т.е. быть молекулами, которые связываются с другими атомами посредством донорно-акцепторного взаимодействия. Этот процесс обозначает перенос заряда между донором (в данном случае макроциклом) и акцептором (принимающей стороной, т.е. другой молекулой или атомом) без образования между ними химической связи.
Результатом такой связи чаще всего становится координационная донорно-акцепторная связь, где лиганды являются донорами электронной пары. Важно отметить, что в процессе этого преобразования химические свойства участников связи также подвергаются изменениям.
Циклический каркас макроцикла способен накладывать серьезные ограничения на вращение связей*, которые могут блокировать функциональные группы или другие молекулярные фрагменты в конформациях*, которые в противном случае были бы неблагоприятны для ациклического аналога (т.е. для линейной, а не циклической структуры).
Вращение связей* — вращение вокруг линии между двумя связанными атомами (ось связи), где один конец связи неподвижен, а другой вращается.
Конформация* — пространственное расположение атомов в молекуле определенной конфигурации.
Подобная ситуация наблюдается с планарно (по плоскости) хиральными (утрировано, зеркальными) циклофанами — подмножеством макроциклов, для которых конформация или размер ограничивают вращение ароматической* единицы в каркасе.
Ароматичность* — свойство некоторых химических соединений, за счет которого сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность.
Изображение №1
По словам ученых, планарные хиральности в терпенах* природных продуктов, а также в макроциклических пептидах, уже достаточно хорошо изучены (1A).
Терпены* — класс углеводородов состава C5H8n, являются продуктом полимеризации изопрена. Терпены в природе в больших количествах встречаются в хвойных растениях.
Тем не менее, несмотря на обширные знания, синтетические методы, применяемые для создания пептидных циклофанов, сопряжены с рядом проблем. Основной является необходимость формирования жесткого и часто напряженного макроцикла при одновременном поддержании высоких уровней энантиоселекции*.
Энантиоселекция* — отбор конкретного энантиомера* соединения в качестве продукта реакции.Энантиомеры — пара пространственных изомеров, которые имеют одинаковое строение, но разное (в данном случае зеркальное) пространственное положение.
Следовательно, методики атропоселективной макроциклизации могут быть разделены на две основные категории (1В).
Чаще всего используется вспомогательное соединение, обеспечивающее конформацию ациклического предшественника посредством нековалентных взаимодействий. Реже применяют катализ* для асимметрии во время образования циклофана.
Катализ* — выборочное ускорение одного из возможных направлений химической реакции за счет действия катализатора.
Рассматриваемый в данном труде биокатализ ранее уже применялся, однако в прошлых исследованиях метод DKR (динамическое кинетическое расщепление) был более сложным и насчитывал дополнительные этапы, предшествующие нужному результату. Таким этапом является деацилирование (удаление одной или нескольких ацильных групп из соединения) для получения доступа к спирту и амину (1C).
Если сравнивать предложенный в данном исследовании метод с DKR методом, то можно выявить ряд отличий (1D).
Во-первых, в DKR ацилирование является временным, поскольку обычно требуется свободный спирт или амин. Кроме того, ацилирующий агент может быть добавлен в избытке для улучшения скорости реакции и результирующего продукта. В процессе макроциклизации ацилирование присуще конечному продукту, и стехиометрия (соотношение массы) между спиртом и ацилирующим агентом является естественной.
Во-вторых, в отсутствие вторичных спиртов необходимо использовать другой процесс рацемизации. Несмотря на трудности, ученые считают, что биокаталитический DKR вариант получения планарно хиральных циклофанов обладает значительным потенциалом.
Суть в том, что коммерчески доступные липазы (водорастворимые ферменты) обладают отличной термостабильностью и высокой энантиоселективностью, что делает их идеальными реагентами для процессов макроциклизации посредством биокатализа.
Исследователи поставили перед собой задачу создать методику, позволяющую использовать в синтезе плоскостно хиральных макроциклов простых и доступных строительных блоков.
Для реализации этой задачи было решено использовать обычные дикислоты (двухосновные кислоты) или диэфиры (органическое соединение, содержащее две сложноэфирные функциональные группы) в качестве алифатических линкеров (отмечены буквой А на изображении 1D).
Также возможна и хемоферментная макроциклизация путем последовательного ацилирования с использованием липазы на ароматическом гликоле (двухатомный спирт) (буква В на изображении 1D).
В отличие от классического процесса DKR рацемизация* промежуточного соединения C происходит посредством свободного вращения ароматического кольца.
Рацемизация* — преобразование вещества с одним энантиомером в вещество с более, чем одним энантиомером.
Несмотря на многие положительные характеристики рассматриваемого метода хемоферментной макроциклизацией, есть и ряд проблем. Одной из них является факт того, что замыкание кольца может привести к «прочному» макроциклу, и фермент должен быть в состоянии способствовать такому замыканию кольца.
По словам ученых, можно было повысить температуру для стимуляции макроциклизации, однако это могло привести к разложению фермента или к пагубному влиянию на конформационную стабильность циклофана.
Чтобы способствовать макроциклизации, можно было также использовать более длинные диэфиры А, но ароматические заместители R1 должны быть более объемными, чтобы ограничить вращение анса-моста (от франц. anse — петля). Размер заместителей R1 также является критическим, поскольку они должны влиять на селективность фермента, но не должны отрицательно влиять на реакционную способность.
В DKR вторичных спиртов ранее применялась CALB, т.е. лапаза В гидролазы Candida antarctica (грибок), показавшая отличные результаты. Потому было решено использовать ее и в этом исследовании (2А).
Изображение №2
Сначала была проведена оценка молекулы с незамещенным ароматическим ядром (1a на изображении 2А), после чего был выделен желаемый ахиральный (обладающий зеркально-поворотной осью) макроцикл (3a).
Удостоверившись, что CALB может стимулировать макроциклизацию, ученые исследовали последующую циклизацию с замещением ароматического ядра OMe (метокси) группами (1b). В таком случае на выходе получалось лишь 10% парациклофана (3b).
Проведенная ЯМР-спектроскопия с переменной температурой сигналов бензильных протонов (выделено зеленым цветом на 2А) показала слияние сигналов при 50°C.
Макроциклизация с использованием более крупных бромзаместителей (диол 1с) была еще менее успешной, скорее всего, из-за неблагоприятного стерического столкновения между орто-замещенным бензильным диолом и активной частью фермента.
Ввиду этого было решено переделать исходный диол, встроив метиленовую группу рядом с ароматическим ядром (5 на изображении 2В). С расширенным диолом удалось получить желаемый парациклофан (6 на изображении 2В) с хорошим выходом и высокой энантиоселективностью.
Спектроскопия сигналов бензильных протонов парациклофана показала отсутствие слияния сигналов даже при 100 °C. Если же температуру понижали, то выход парациклофана снижался. Если же повышали, то положительного влияния на результирующий парациклофан не было.
Несмотря на то, что CALB благоприятно влиял на ацилирование R-центрированных углеродных хиральных центров, оставалось неясно, как активные области CALB приспособился бы к прохиральной ароматической плоскости формирующегося макроцикла.
Для лучшего понимания того, как активные участки CALB работают с различными конформациями циклофановой подложки была проведена
процедура молекулярного докинга* (2C).
Молекулярный докинг* — метод молекулярного моделирования, позволяющий предсказать самую выгодную ориентацию и конформацию одной молекулы (лиганда) в центре связывания другой (рецептора) для получения устойчивой структуры.
Основной продукт (-)-6 (отмечен зеленым на 2С) ориентирован своими карбоксильными группами на близлежащий каталитический сериновый остаток (Ser105), а один из заместителей брома направлен наружу активного центра.
Прогнозируемая трансляция (+)-6 (отмечен желтым на 2С) является результатом столкновения между атомом брома и Leu140, что исключает связывание атома брома в гидрофобной области, обозначенной Leu140, Ala141 и Leu144. При докинге исходного дибромдиола (5), он входит в полость, причем его спирт распространяется в направлении каталитически активного серина.
Биокаталитический синтез парациклофана может быть легко воспроизведен в масштабах граммов, потому было решено изучить объем субстрата с учетом размера кольца.
Хотя дибромциклофан 6 может быть получен при использовании дикислоты с 6-метиленовым спейсером [-(CH2)6-], уменьшение спейсера до четырех или пяти метиленовых звеньев не привело к значительному увеличению деформации кольца. В результате этого были получены [12]- и [13]-парациклофаны с высокой энантиоселективностью (изображение №3).
Изображение №3
Эта серия макроциклов может быть получена с атомами хлора или йода, заменяющими заместители брома. Изменение размера галогенового заместителя не имело значительного влияния на выход и энантиочистость полученных [12]-, [13]- и [14]-парациклофанов (10 → 12).
Расширение анса-моста дополнительным метиленовым спейсером позволило получить достаточно [15]-парациклофана (9). Однако полученные продукт был в виде рацемической смеси, что свидетельствует о том, что более крупное алифатическое кольцо больше не сдерживает вращение плоскостного циклофана.
Больший размер йода позволил синтезировать энантио-обогащенный [15]-парациклофан (17). Чтобы выяснить, может ли активный участок фермента переносить более функционализированные анса-мосты, было подготовлено два функционализированные анса-моста с фенилзамещенными (18) и алкинилзамещенными (19) ядрами в своем каркасе, а также [14]-парациклофан 20, который имеет дисульфидный мост.
Ряд функционализированных ароматических диолов также хорошо переносился в процессе макроциклизации. Макроцикл 21 на основе терфенила может быть образован путем макроциклизации, так же как и аналогично замещенные p-анизоил и m-анизоил циклофаны (22 и 23 соответственно) с высокой энантиоселективностью. Также удалось синтезировать и [14]-парациклофаны 24 и 25, которые имеют ядра с фенилалкинильными или гексинильными заместителями.
Наконец, были получены C1-симметричные производные с высокой энантиоселективностью. Макроцикл 27 был выделен одним йодидным заместителем и одним алкинильным звеном, тогда как макроцикл 28 был выделен одним бромидным заместителем и Csp3-гибридизированным мотивом (бензилом).
Примечательно, что галогенсодержащие планарные хиральные макроциклы могут выступать в качестве платформы для синтеза других производных с помощью современных методов перекрестного соединения. Например, бромзамещенный циклофан 6 может быть подвергнут сочетанию Хека (реакция Хека) с образованием макроцикла 30. Того же, но с меньшим выходом (19%), можно достичь и биокаталитическим путем с высокой селективностью.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Данное исследование назвать легким невозможно, ведь речь идет о моделировании молекулярных структур. Этот труд напоминает работу Эркюля Пуаро, когда особое внимание уделяется самым маленьким деталям, ибо они имеют огромное влияние на общую картину.
Биокатализ, как метод получения плоскостных хиральных макроциклов, в данном труде был изучен впервые. Методы, применяемые ранее были куда более затратными по ресурсам и времени либо использовали весьма токсичные реагенты. Биокатализ же позволил получить желаемое, используя более чем доступные материалы, такие как фермент CALB.
Биокатализ важен как для химиков, так и для медиков, так как позволяет наделять те или иные соединения новыми функциями за счет присоединения дополнительных структур.
Авторы исследования планируют совершенствовать свою методику, так как макроциклы имеют большой потенциал в медицине (в качестве антибиотиков и противораковых агентов) и даже в электронике (например, в лазерных технологиях).
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы :)
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
