Εφαρμογές της Click Χημείας στον τομέα των νουκλεοζιτών.

Transcript

1 1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Διπλωματική εργασία στο πλαίσιο του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Ειδίκευσης στην Οργανική Χημεία με θέμα: Εφαρμογές της Click Χημείας στον τομέα των νουκλεοζιτών. Τρακόσσας Σακελλάριος Χημικός ΥΠΕΥΘΥΝΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: Αναπλ. Καθηγ. ΚΟΥΤΟΥΛΗ- ΑΡΓΥΡΟΠΟΥΛΟΥ ΕΥΔΟΞΙΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010

2 2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στην συγκεκριμένη μεταπτυχιακή εργασία μελετήθηκε μια σειρά αντιδράσεων με διάφορα υποστρώματα με στόχο να διερευνηθεί το εύρος και οι συνθετικές δυνατότητες της Click Χημείας στον τομέα των νουκλεοζιτών. Οι αντιδράσεις που μελετήθηκαν χωρίζονται στις ακόλουθες κατηγορίες: a) Διαμοριακές αντιδράσεις του τύπου CuAAC, b) Ενδομορακές αντιδράσεις του τύπου CuAAC χρησιμοποιώντας ως υποστρώματα κατάλληλα διυποκατεστημένες ουρακίλες, και c) Αντιδράσεις Kinugasa με υποστρώματα πυριμίδινο νιτρόνες. Ακόμη, στην εργασία αυτή αναφέρονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία σχετικά με το θέμα της μεταπτυχιακής εργασίας, όπως Click Χημεία, οι CuAAC αντιδράσεις, οι εφαρμογές της CuAAC, και η αντίδραση Kinugasa. Επίσης, στην εργασία αυτή περιλαμβάνονται οι συνθετικές πορείες που ακολουθήθηκαν και τα αποτελέσματα των παραγώγων που παρασκευάσθηκαν κατά την διάρκεια εκπόνησης της μεταπτυχιακής εργασίας. Η μεταπτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Οργανικής Χημείας της Σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης στο χρονικό διάστημα Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια κα. Ευδοξία Κουτούλη-Αργυροπούλου για την επιστημονική καθοδήγηση, τις συμβουλές και την στηριξή της καθόλη την διάρκεια της εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή Καθηγητή Νικόλαο Αργυρόπουλο για τις πολύτιμες συμβουλές του. Ακολούθως, θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στην Λέκτορα Βασιλική Σαρλή για την διόρθωση της παρούσας εργασίας και τις σημαντικές παρατηρήσεις της. Ακόμη, τις θερμές ευχαριστίες μου εκφράζω στον Επίκουρο Καθηγητή Πυγμαλίων Λίανη για την διόρθωση της παρούσας εργασίας και τις σημαντικές παρατηρήσεις του. Τις θερμές ευχαριστίες μου προς όλα τα μέλη Δ.Ε.Π. και Ε.Δ.Τ.Π. του Εργαστηρίου Οργανικής Χημείας για την συνεργασία τους, στους υποψήφιους διδάκτορες, τους μεταπτυχιακούς και προπτυχιακούς φοιτητές για το ευχάριστο, χαρούμενο και φιλικό περιβάλλον του εργαστηρίου.

3 3 Τις ιδιαίτερες ευχαριστίες μου στους υποψήφιους διδάκτορες Πέτρο Γκίζη, Στέφανο Κωτούλα, Έφη Γιώτη, την διδάκτορα Αναστασία-Αικατερίνη Βάρβογλη για το ευχάριστω κλίμα συνεργασίας που μου προσέφεραν. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου για την υπομονή, την συμπαράσταση και την αμέριστη ηθική υποστήριξη σε όλη την διάρκεια των σπουδών μου και της εργασίας αυτής. Θεσσαλονίκη, Οκτώμβριος 2010 Σακελλάριος Τρακόσσας

4 4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ.I ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...III 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κυκλοπροσθήκη αζιδίων καταλυόμενη απο χαλκό (Cu-catalyzed Azide- Alkyne Cycloaddition (CuAAC) Εφαρμογές της CuAAC Χρήση της CuAAC στην σύνθεση κατενανίων και ροταξανίων In situ click χημεία Η χρήση της CuAAC στην τροποποίηση πεπτιδομιμητικών ολιγομερών Click χημεία με το DA Click χημεία και πολυμερισμός Αντίδραση Kinugasa Σύνθεση β-λακταμών χρησιμοποιώντας την αντίδραση Kinugasa ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Διαμοριακές αντιδράσεις Click χημείας Παρασκευή των πρώτων υλών CuAAC αντιδράσεις μεταξύ αλκινυλο και αζιδο νουκλεϊκών βάσεων Αντιδράσεις μεταξύ αλκινυλο ή αζιδο νουκλεϊκών βάσεων με μη νουκλεϊκά υποστρώματα Αντιδράσεις μεταξύ αζιδο νουκλεϊκών βάσεων και αλκινυλονουκλεοζιτών Μελετη της βιολογικής δραστικότητας των προϊόντων Προσπάθειες ενδομοριακών αντιδράσεων Click χημείας Παρασκευή διυποκατεστημένων παραγώγων με αλκυλίωση και διαδοχική αντιδραση Sonogashira Προσπάθεια ενδομοριακής Click αντίδρασης του αζιδίου (96) Παρασκευή διυποκατεστημένων παραγώγων με αντιδραση Sonogashira και διαδοχική αλκυλίωση Ενδομοριακή Click αντίδραση του παραγώγου (103) Αντιδράσεις Kinugasa Παρασκευή των πρώτων υλών Αντιδράσεις Kinugasa της νιτρόνης (108)..50

5 5 3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Συσκευές και όργανα που χρησιμοποιήθηκαν Διαμοριακές αντιδράσεις Παρασκευές πρώτων υλών Σύνθεση της 1-(προπ-2-υνυλo)θυμίνης (66) Σύνθεση της 9-(προπ-2-υνυλo)αδενίνης (67) Σύνθεση της 1-(2-βρωμοαιθυλο)θυμίνης (74) Σύνθεση της 1-(2-αζιδοαιθυλο)θυμίνης (63) Σύνθεση της 9-(2-βρωμοαιθυλο)αδενίνης (75) Σύνθεση τα 9-(2-aζιδοαιθυλο)αδενίνης (64) Σύνθεση της φερροκενυλοδιμεθυλαμίνης (77) Σύνθεση του αμμωνιακού άλατος (78) Σύνθεση του φερροκενυλομεθυλοαζιδίου (65) Αντιδράσεις CuAAC Αντίδραση του αζιδίου (63) με το αλκίνιο (66) Αντίδραση του αζιδίου (63) με το αλκίνιο (67) Αντίδραση του αζιδίου (64) με το αλκίνιο (66) Αντίδραση του αζιδίου (64) με το αλκίνιο (67) Αντίδραση του αζιδίου (63) με το αλκίνιο (68) Αντίδραση του αζιδίου (64) με το αλκίνιο (68) Αντίδραση του αζιδίου (65) με το αλκίνιο (66) Αντίδραση του αζιδίου (65) με το αλκίνιο (67) Αντίδραση του αζιδίου (63) με το αλκίνιο (69) Αντίδραση του αζιδίου (64) με το αλκίνιο (69) Αντίδραση του αζιδίου (64) με το αλκίνιο (70) Αντίδραση του αζιδίου (64) με το αλκίνιο (71) Προσπάθειες ενδομοριακών αντιδράσεων CuAAC Σύνθεση της 1-(2-βρωμοαιθυλο)-5-ιωδοουρακίλης (92) Σύνθεση της 1-(6-βρωμοεξυλο)-5-ιωδοουρακίλης (93) Σύνθεση της 1-(6-βρωμοαιθυλο)-5-[(τριμεθυλοσιλυλο)αιθυνυλο]ουρακίλης (94)..69

6 Σύνθεση της 1-(6-βρωμοεξυλο)-5-[(τριμεθυλοσιλυλο)αιθυνυλο]ουρακίλης (95) Σύνθεση της 1-(6-αζιδοεξυλο)-5-αιθυνυλοουρακίλης (96) Σύνθεση της 5-[(τριμεθυλοσιλυλο)αιθυνυλο]ουρακίλης (98) Σύνθεση της 1-(3-βρωμοπροπυλο)-5-[(τριμεθυλοσιλυλο)αιθυνυλο] ουρακίλης (99) Σύνθεση της 1-3-δι(8-βρωμοοκτυλο)-5-αιθυνυλοουρακίλης (100a) Σύνθεση της 1-3-δι(8-βρωμοοκτυλο)-5-[(τριμεθυλοσιλυλο)αιθυνυλο] ουρακίλης (100b) Σύνθεση της 1-(8-βρωμοοκτυλο)-5-[(τριμεθυλοσιλυλο)αιθυνυλο]ουρακίλης (100c) Σύνθεση του 1-Αζιδο-8-βρωμοοκτάνιου(101) Σύνθεση της 1-(8-αζιδοοκτυλο)-5-[(τριμεθυλοσιλυλο)αιθυνυλο] ουρακίλης (102) Σύνθεση της 1-(8-Αζιδοοκτυλο)-5-αιθυνυλοουρακίλης (103) Ενδομοριακη CuAAC των (96) και (103) Αντιδράσεις Kinugasa Σύνθεση πρώτων υλών Σύνθεση της Σύνθεση της 2,4-δίχλωρο-5-μεθυλο-πυριμιδίνης (105) Σύνθεση της 2,4-διμεθόξυ-5-μεθυλο-πυριμιδίνης (106) Σύνθεση της 2,4-διμεθόξυ-5-φόρμυλο-πυριμιδίνης (107) Σύνθεση της -μεθυλο-c-(2,4-διμεθοξυ-5-πυριμιδινο)νιτρόνης (108) Αντιδράσεις Kinugasa Αντίδραση της νιτρόνης (108) με το αλκίνιο (67) Αντίδραση της νιτρόνης (108) με το αλκίνιο (68)..79 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ..81 ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ...85

7 7 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όπως σε πολλές αρχιτεκτονικές προσπάθειες και στην χημεία, η λειτουργία και η μορφή συνδέονται στενά. Αυτό που έχει σημασία είναι η λειτουργία του μορίου και η δημιουργία μια νέας λειτουργίας είναι ο απώτερος σκοπός στην χημική έρευνα από την παρασκευή ενός φαρμάκου εως την παρασκευή ενός πολυμερούς. Μέσα σε αυτή την τεράστια δυναμική «λίμνη» ενώσεων υπάρχουν πολλές απαντήσεις σε διάφορες χημικές απορίες, όπως γιατί πολλές διαφορετικές ενώσεις παρουσιάζουν την επιθυμητή λειτουργικότητα. Βέβαια το πρόβλημα είναι να τις βρούμε και αυτό εξαρτάται αρχικά από την παρασκευή τους και μετά από την αποτίμηση τους. Γι αυτό πρωτίστως ανάμεσα στις διάφορες επιστήμες, η χημεία απαιτεί την σύνθεση. Για περισσότερα από 150 χρόνια σύγχρονης χημείας έχουν αναπτυχθεί πολλές ενδιαφέρουσες τεχνικές σύνδεσης τμημάτων μορίων. Όπως πολλές από αυτές είναι αρκετά εξεζητημένες απαιτώντας ιδιαίτερο χειρισμό πολύ δραστικών αντιδραστηρίων υπό αυστηρά ελεγχόμενες συνθήκες. Το 2001 μια ομάδα χημικών υπό την καθοδήγηση του K. Barry Sharpless στο Scripps Research institute εισήγαγαν τον όρο «Click Chemistry» στις βέλτιστες χημικές αντιδράσεις. [1]. Τα χαρακτηριστικά τους είναι ότι μπορούν να εκτελεστούν εύκολα, ανταποκρίνονται πολύ καλά προς τα επιθυμητά προϊόντα σε υψηλές αποδόσεις με σχηματισμό μικρής ποσότητας ή καθόλου παραπροϊόντων, δουλεύουν καλά υπό διάφορες συνθήκες και παραμένουν ανεπηρέαστες από την φύση των ομάδων που συνδέονται μεταξύ τους. Ο τίτλος Click δηλώνει ότι με την χρήση αυτής της μεθόδου η σύνδεση τμημάτων μορίων είναι τόσο εύκολη όσο το κούμπωμα των δύο τμημάτων ενός κουμπιού. Το «κουμπί» λειτουργεί ανεξάρτητα με το τι φέρει πάνω του, αρκεί τα δύο τμήματα του να μπορούν να έρθουν κοντά το ένα στο άλλο. Τα εξαρτήματα του «κουμπιού» μπορούν να ενωθούν μόνο το ένα με το άλλο. Η κύρια ερώτηση που έθεσε ο Sharpless και οι συνεργάτες του είναι κατά πόσο οι επιθυμητές λειτουργίες μπορούν να επιτευχθούν από μόρια χρησιμοποιώντας είτε τις καλύτερες Click χημικές αντιδράσεις, είτε χρησιμοποιώντας αυτές όσο περισσότερο γίνεται. Αυτή η οξυδερκής αντιμετώπιση της σύνθεσης αποτελεί μια αναμφίβολη πρόκληση για τους οργανικούς χημικούς οι οποίοι συνήθως συνθέτουν περίπλοκα μόρια με περίπλοκες πορείες, και είναι ο τρόπος σύνθεσης των λειτουργικών πολυμερών, τα οποία δεν μπορούν να παρασκευασθούν χωρίς

8 8 αντιδράσεις που πληρούν τις βασικές αρχές της Click Xημείας. Ως συνήθως, η φύση παρέχει έμπνευση με διάφορα παραδείγματα όπως πολλά φυσικά προϊόντα, πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα με εξεζητημένες λειτουργίες μπορούν να συντεθούν με φαινομενική απλή επανάληψη σχηματισμού συγκεκριμένων δεσμών. Οι Click αντιδράσεις μοιράζονται τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: 1. Πολλά από τα Click συστατικά προέρχονται από αλκένια και αλκίνια και αυτά κατ επέκταση από πυρόλυση του πετρελαίου. Οι πολλαπλοί δεσμοί άνθρακα-άνθρακα χρειάζονται ταυτόχρονα ενέργεια και μηχανιστικά μονοπάτια ώστε να μετατραπούν σε δραστικές ενώσεις για click σύνδεση. 2. Οι περισσότερες Click αντιδράσεις περιλαμβάνουν τον σχηματισμό δεσμών μεταξύ άνθρακα και ετεροατόμου, συνήθως, και S. Κάτι που έρχεται σε αντίθεση με την πρόοδο της σύγχρονης συνθετικής οργανικής χημείας, η οποία έχει επικεντρωθεί στον σχηματισμό δεσμών άνθρακα-άνθρακα. 3. Οι Click αντιδράσεις είναι ισχυρά εξώθερμες αντιδράσεις, είτε λόγω των ενεργειακά υψηλά αντιδρώντων, είτε λόγω των ισχυρά σταθερών προϊόντων. 4. Οι Click αντιδράσεις είναι συνήθως πορείες συνένωσης (χωρίς παραπροϊόντα) είτε πορείες συμπύκνωσης (σχηματισμός νερού ως παραπροϊόν). 5. Πολλές Click αντιδράσεις είναι αρκετά ανεκτικές ή και ακόμα επιταχύνονται από την παρουσία νερού. Μόνο μια «χούφτα» μετατροπών πληρούν τις περισσότερες ή όλες αυτές τις προϋποθεσεις. Ανάμεσα σ αυτές ιδιαίτερη θέση έχουν οι αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης μεταξύ αζιδίων και αλκινίων (AAC) σχηματίζοντας 1,2,3- τριαζόλια. Οι AAC είναι μοναδικά χρήσιμες εξαιτίας των ιδιοτήτων των αντιδρώντων συστατικών. Τα αζίδια και τα αλκίνια έχουν υψηλή χημική δυναμική ενέργεια και η συνένωση τους για τον σχηματισμό του τριαζολικού δακτυλίου είναι εξώθερμη κατά 45 kcal mol -1. Παρόλα αυτά η ταχύτητα των αντιδράσεων αυτών είναι σχετικά χαμηλή και συνήθως απαιτείται παρατεταμένη θέρμανση για μη δραστικά αλκίνια. Η αζιδο και η αλκινο ομάδα είναι σταθερές στην παρουσία πυρηνόφιλων, ηλεκτρονιόφιλων και διαλύονται εύκολα στις καθορισμένες συνθήκες αντίδρασης, τα αζίδια αποτελούν εξαίρετο παράδειγμα 1,3-διπολικών αντιδραστηρίων που έχουν αυτές τις ιδιότητες. Οι AAC αντιδράσεις μπορούν να επιταχυνθούν είτε κάνοντας το αλκίνιο ηλεκτρονικά φτωχότερο, είτε να έχει τάση και με κατάλυση συμπλόκων του Cu(I) ή Ru(II). Έτσι, εξαιτίας της μεγάλης αξίας και χρήσης των μικρών και εύκολα

9 9 παρασκευαζόμενων αζιδίων και ακραίων αλκινίων, η κατάλυση με μονοσθενή χαλκό (CuAAC) έχει χρησιμοποιηθεί περισσότερο, χωρίς να αποκλείονται και κάποιες άλλες εξίσου σημαντικές παραλλαγές. 1.2 Κυκλοπροσθήκη αζιδίων καταλυόμενη απο χαλκό (Cu-catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition (CuAAC). Οι αντιδράσεις οι οποίες είναι αξιόπιστα επιδεκτικές στην κατασκευή «οικοδομημάτων» μορίων που φέρουν διάφορες λειτουργικές ομάδες και μπορούν να πραγματοποιηθούν σε ευρύ φάσμα συνθηκών αποτελούν το πιο χρήσιμο εργαλείο στην κατασκευή νέων μορίων με ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Η CuAAC έχει χαρακτηριστεί ως το πρώτο παράδειγμα Click Xημείας, ο Click μετασχηματισμός πραγματοποιείται πολύ εύκολα, σχηματίζονται ταχύτατα τα επιθυμητά προϊόντα σε υψηλή απόδοση με ελάχιστα ή καθόλου παραπροϊόντα, δουλεύει καλά υπό διάφορες συνθήκες και δεν επηρεάζεται από την φύση των ομάδων που συνδέονται. Η δυναμική των οργανικών αζιδίων ως ενεργά και εκλεκτικά αντιδραστήρια επισημάνθηκε ήδη από τις πρώτες εφαρμογές τους και έτσι εξετάστηκε η διπολική κυκλοπροσθήκη αυτών με ολεφίνες και αλκίνια για να διαπιστωθεί εάν ικανοποιούν τα Click κριτήρια. Όμως, η μικρή ταχύτητα αντίδρασης των αζιδίων με τα αλκίνια κατά την κυκλοπροσθήκη τους δεν τα καθιστούσε χρήσιμα στην Click χημεία μέχρι την ανακάλυψη της κατάλυσης της από χαλκό (Ι). Η αντίδραση κατάλυσης με χαλκό αναφέρθηκε ταυτόχρονα και ανεξάρτητα από δύο ομάδες, του Meldal στην Δανία [2] και των Fokin και Sharpless στις ΗΠΑ [3]. Μετέτρεψαν οργανικά αζίδια και ακραία αλκίνια αποκλειστικά στα επιθυμητά 1,4-υποκατεστημένα 1,2,3-τριαζόλια, σε αντίθεση από την μη καταλυόμενη από χαλκό αντίδραση που απαιτεί υψηλότερες θερμοκρασίες και παρέχει μίγμα 1,4- και 1,5-regio-ισομερή. Ο Meldal και οι συνεργάτες του ασχολήθηκαν με την σύνθεση πεπτιδοτριαζολίων σε οργανικούς διαλύτες ξεκινώντας από αλκυλιωμένα αμινοξέα σε στερεή φάση επικεντρωμένοι στην θέση που πρέπει να βρίσκεται το αλκίνιο ώστε η αντίδραση να είναι επιτυχής. Αντίθετα, η ομάδα από το Scripps ασχολήθηκε αμέσως με υδατικά συστήματα και πρότεινε μια πειραματική διαδικασία για ομοιοπολικό «ράψιμο». Ακόμη, υποστήριξε την ευρεία εφαρμογή της διαδικασίας αυτής σε οποιοδήποτε σύστημα περιέχει ένα αζίδιο και ένα αλκίνιο. Πράγματι κατά την

10 10 διάρκεια των ετών που ακολούθησαν η CuAAC έχει βρεί πολλές εφαρμογές και συγκεντρώνει ένα συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον, όπως εμφανίζεται σε διάφορα άρθρα επισκόπισης [4-10]. Η θερμική αντίδραση ακραίων ή εσωτερικών αλκινίων με οργανικά αζίδια (Σχήμα 1Α) είναι γνωστή για περισσότερο από έναν αιώνα, η πρώτη σύνθεση 1,2,3- τριαζολίου πραγματοποιήθηκε από τον A. Michael το Η αντίδραση διερευνήθηκε εκτενέστερα από τον Huisgen και τους συνεργάτες του στις δεκαετίες του 50 έως του 70 κατά τις μελέτες της μεγάλης οικογένειας αντιδράσεων 1,3- διπολικών κυκλοπροθηκών [11]. Η αντίδραση είναι εξώθερμη ΔΗ 0 = -50 με -65 kcal mol -1 και η υψηλή ενέργειας ενεργοποίησης (25 kcal mol -1 για το μεθυλοαζίδιο και το προπίνιο) έχει ως αποτέλεσμα την μικρή ταχύτητα αντίδρασης για μη δραστικά αντιδρώντα ακόμη και με παρατεταμένη θέρμανση. Επιπλέον, η ενεργειακή διαφορά των HM-LUM τροχιακών των αζιδίων και αλκινίων είναι της ίδιας τάξης μεγέθους, έτσι και οι δύο HM-διπόλου και LUM-διπόλου ελεγχόμενες πορείες λειτουργούν εξίσου σε αυτή την κυκλοπροσθήκη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό μίγματος regio-ισομερών 1,2,3-τριάζολο προϊόντων όταν το αλκίνιο είναι ασύμμετρα υποκατεστημένο. Σχήμα 1: Τυποι αντιδράσεων κυκλοπροσθηκών αζιδίων αλκινίων.

11 11 Αντίθετα στην CuAAC (Σχήμα 1Β) σχηματίζονται αποκλειστικά 1,4- διυποκατεστημένα-1,2,3-τριαζόλια σε θερμοκρασία δωματίου σε υψηλές αποδόσεις. Η κατάλυση με χαλκό αλλάζει δραστικά τον μηχανισμό και την έκβαση της αντίδρασης και με μια σειρά διαδοχικών σταδίων οδηγεί στο 5-τριαζολυλο-χαλκο ενδιάμεσο (Σχήμα 2). Ο σχηματιζόμενος δεσμός κλειδί C- λαμβάνει χώρα μεταξύ του πυρηνόφιλου βινυλικού-β-άνθρακα και του ηλεκτρονιόφιλου ακραίου αζώτου του συναρμοσμένου οργανικού αζιδίου. Σχήμα 2: Απλοποιημένη αναπαράσταση των προτεινόμενων σταδίων σχηματισμού του C- δεσμού στην CuAAC. Η ταχύτητα της CuAAC αυξάνεται κατά 10 7 φορές σε σχέση με την θερμική αντίδραση, κάνοντας την ταχύτερη ακόμα σε θερμοκρασία δωματίου ή χαμηλότερη από αυτήν. Φαινομενικά η αντίδραση δεν επηρεάζεται από τις στερεοχημικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες των ομάδων που φέρουν τα αζίδια και τα αλκίνια, ακόμη πρωτοταγή, δευτεροτεγή, τεταρτοταγή, ηλεκτρονικά πλούσια ή φτωχά, αλειφατικά, αρωματικά και ετεροατομικά αζίδια αντιδρούν ικανοποιητικά με πληθώρα υποκατεστημένα ακραία αλκίνια. Η αντίδραση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε πρωτικούς και απρωτικούς διαλύτες συμπεριλαμβανομένου και του νερού και οι διάφορες οργανικές και ανόργανες λειτουργικές ομάδες δεν επηρεάζονται με αποτέλεσμα να μην χρειάζεται η προστασία αυτών. Ο 1,2,3-τριαζολικός δακτύλιος παρουσιάζει μεγάλα πλεονεκτήματα όπως σταθερότητα (στην υδρόλυση, σε οξειδοαναγωγικές συνθήκες, υψηλή θερμοκρασία), υψηλή διπολική ροπή (4,8-5,6 Dedye), αρωματικό χαρακτήρα και δυνατότητα αποδοχής δεσμών υδρογόνου. Έτσι, μπορεί να αλληλεπιδράσει με διάφορα βιολογικά μόρια, οργανικές και ανόργανες επιφάνειες και υλικά. Για παράδειγμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μη υδρολύσιμος αντικαταστάτης του αμιδικού δεσμού [12]. Σήμερα, ο χαλκός χρησιμοποιείται ως το μοναδικό μέταλλο για αξιόπιστη, εύκολη και 1,4-regio ειδική κατάλυση της αντίδρασης κυκλοπροσθήκης αζιδίων-

12 12 αλκινίων. Υπάρχουν και άλλα γνωστά μέταλλα που καταλύουν πληθώρα άλλων μετασχηματισμών αλκινίων, μέχρι τώρα όμως δεν έχουν βρεθεί αποτελεσματικοί καταλύτες για τον μετασχηματισμό αζιδίων και αλκινίων σε 1,4-τριαζολικά παράγωγα. Σε διάφορα εργαστήρια έχουν αποτιμηθεί τα στοιχεία της πρώτης περιόδου των μεταβατικών στοιχείων του Π.Π, καθώς και άλλα σύμπλοκα του Ag(I), Pd(0/II), Pt(II), Au(I/II), Hg(II) άλλα δεν έδωσαν αξιοσημείωτα αποτελέσματα. Η μοναδική ικανότητα του μονοσθενή χαλκού μπορεί να εξηγηθεί από τον συνδυασμό της ικανότητας του να συμπλέκεται και με σ- και π-αλληλεπιδράσεις και στην ταχύτατη ανταλλαγή ligands στην σφαίρα συναρμογής του ιδιαίτερα σε υδατικά συστήματα. Το 2005 βρέθηκε ότι κάποια σύμπλοκα του Ru καταλύουν τον σχηματισμό 1,5-υποκατεστημένων τριαζολίων από αζίδια και ακραία αλκίνια [13]. Η καταλυτική αυτή δράση περιλαμβάνει και εσωτερικά αλκίνια (Σχήμα 1C). Αυτή η συμπληρωματική αντίδραση έχει ονομασθεί RuAAC, μηχανιστικά διαφέρει από την CuAAC, όμως η βασική ενεργοποίηση του αλκινίου φαίνεται να είναι παρόμοια: η πυρηνοφιλικότητα του π-συστήματος αυξάνεται από το μέταλλο. Η εμβέλεια και η συμβατότητα λειτουργικών ομάδων είναι εξαιρετική στην RuAAC, η αντίδραση όμως είναι πιο ευαίσθητη στους διαλύτες και στις στερεοχημικές απαιτήσεις των υποκαταστατών του αζιδίου απ ότι στην CuAAC και δεν έχει βρεί προς το παρόν μεγάλη εφαρμογή [14]. Από την ανακάλυψη της CuAAC και μετά έχει χρησιμοποιηθεί μεγάλο πλήθος πειραματικών συνθηκών, τονίζοντας την ισχύ και την συμβατότητα της με πολλές λειτουργικές ομάδες, διαλύτες και πρόσθετα που δεν επηρεάζουν τον καταλύτη. Η επιλογή του καταλύτη εξαρτάται από τις συγκεκριμένες απαιτήσεις του πειράματος και συνήθως διάφοροι συνδυασμοί οδηγούν στο ίδιο επιθυμητό αποτέλεσμα. Άλατα του μονοσθενή χαλκού με ιώδιο, χλώριο, βρώμιο, κ.α. και σύμπλοκα του όπως [Cu(CH 3 C) 4 ]PF 6 και [Cu(CH 3 C) 4 ]Tf έχουν χρησιμοποιηθεί. Η χρήση αλάτων του με ιώδιο δεν συνιστάται διότι το ανιόν ιωδίου γεφυρώνει ως ligand τα μεταλλικά κέντρα σχηματίζοντας πολυπυρηνικά σύμπλοκα και έχει ως αποτέλεσμα να παρεμβαίνει στον καταλυτικό κύκλο και να ανενεργοποιεί τον καταλύτη. Ακόμη, υπό ορισμένες συνθήκες η χρήση ιωδιούχου χαλκού μπορεί να προκαλέσει τον σχηματισμό 1-ιωδοαλκινίων και κατ επέκταση 5-ιωδοτριαζολίων. Υψηλή συγκέντρωση ιόντων χλωρίου ( 0.5 Μ) στο νερό μπορεί να είναι επιβλαβής, όμως η

13 13 αναστολή που προκαλεί το ιόν χλωρίου είναι λιγότερο αποφασιστική από αυτή που προκαλεί το ιόν ιωδίου. Έτσι, για αντιδράσεις που πραγματοποιούνται σε υδατικά συστήματα ευνοείται η χρήση βρωμιούχου χαλκού και οξικού χαλκού καθώς και θειικού χαλκού με in situ αναγωγή, ενώ για οργανικά συστήματα ο οξικός χαλκός αποτελεί μια καλή επιλογή. Οι πιο κοινές οξειδωτικές καταστάσεις του χαλκού είναι η 0, +1 και +2, η +1 είναι η θερμοδυναμικά λιγότερο σταθερή. Το ιόν του μονοσθενούς χαλκού μπορεί να οξειδωθεί στο ανενεργό ή σε μίγμα Cu(0) και Cu(II). To πρότυπο δυναμικό για το ζεύγος Cu 2+ /Cu + είναι 159 mv και εξαρτάται από τον διαλύτη και από τα ligand του μετάλλου. Όταν χρησιμοποιούνται αλογονίδια του Cu(I) σε οργανικούς διαλύτες θα πρέπει η αντίδραση να γίνεται με αποκλεισμό οξυγόνου για να αποφευχθεί η οξείδωση του Cu(I) στον ανενεργό Cu(II). Το ασκορβικό είναι ένα μέτριο αναγωγικό μέσο που προτάθηκε από τον Fokin και τους συνεργάτες του ως μια βολική και πρακτική εναλλακτική επιλογή για συνθήκες απουσίας ατμοσφαιρικού οξυγόνου. Ο συνδυασμός του με άλατα του δισθενή χαλκού όπως πενταένυδρου θειικού χαλκού έγινε αποδεκτός ως μέθοδος παρασκευής 1,2,3-τριαζολίων. Το νερό φαίνεται να είναι ιδανικός διαλύτης για την σταθεροποίηση του ακετυλενικού μονοσθενή χαλκού ιδιαίτερα όταν σχηματίζεται in situ. Με την μέθοδο αυτή μπορούν να σχηματισθούν τριαζολικά παράγωγα σχεδόν ποσοτικά και με μεγαλύτερη από 90% καθαρότητα χωρίς να απαιτούνται ligands, πρόσθετα ή συνθήκες έλλειψης οξυγόνου (Σχήμα 3). Φυσικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλατα του μονοσθενή σε συνδυασμό με ασκορβικό, έτσι ώστε οι οξειδωμένες μορφές του δισθενή χαλκού να μετασχηματισθούν στις καταλυτικά ενεργές (+1 οξειδωτική κατάσταση). Σχήμα 3: Aντίδραση CuAAC σε διάλυμα παρουσία ασκορβικού νατρίου.

14 14 Η αντίδραση μπορεί να καταλυθεί από μορφές μονοσθενή χαλκού που προέρχεται από στοιχειακό χαλκό, κάτι που απλοποιεί περισσότερο την πειραματική διαδικασία ένα μικρό κομμάτι χαλκού (σύρμα) προστίθεται στο μίγμα της αντίδρασης και ακολουθεί ανάδευση για h [15, 16]. Υδατικές αλκοόλες (μεθανόλη, αθανόλη, tert-βουτανόλη), τετραυδροφουράνιο (THF) και DMF χρησιμοποιούνται ως διαλύτες. Μπορεί να προστεθεί θειικός χαλκός για να επιταχύνει την αντίδραση όμως δεν είναι απαραίτητο αφού τα οξείδια του χαλκού από την σκουριά της μεταλλικής επιφάνειας είναι αρκετά ώστε να εκκινήσουν τον καταλυτικό κύκλο. Οι αντιδράσεις που βασίζονται στην χρήση μεταλλικού χαλκού χρειάζονται μεγαλύτερους χρόνους αντίδρασης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και παρέχουν προϊόντα υψηλής καθαρότητας με πολύ χαμηλά επίπεδα επιμόλυνσης με χαλκό. Ακόμη, η αντίδραση μπορεί να πραγματοποιηθεί με μικροκύματα σε υψηλή θερμοκρασία μειώνοντας τον χρόνο σε min. H μέθοδος αυτή είναι πολύ απλή και πρακτικά βολική για την γρήγορη δημιουργεία βιβλιοθηκών ενώσεων για βιολογική μελέτη. Τα προϊόντα απομονώνονται σε αποδόσεις >85-90% και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για βιολογική μελέτη χωρίς καμία κατεργασία αφού η επιμόλυνση με χαλκό είναι ελάχιστη. Αν και γενικά τα οργανικά αζίδια είναι σταθερές και ασφαλείς ενώσεις, τα αντίστοιχα μικρού μοριακού βάρους μπορούν αυθόρμητα να διασπασθούν κάνοντας τα δύσκολα ή και επικίνδυνα στον χειρισμό τους. Συγκεκριμένα, μικρού μοριακού βάρους αζίδια δεν πρέπει ποτέ να απομονώνονται με απόσταξη, καταβύθιση ή ανακρυστάλλωση. Η CuAAC είναι ανεκτική σε πληθώρα πρόσθετων περιλαμβανόμενων και ανόργανων ενώσεων όπως το νατραζίδιο σε μεγάλη κλίμακα. Έτσι, η αντίδραση πρέπει να πραγματοποιείται σε one-pot ή two-pot αντιδράσεις, όπου το οργανικό αζίδιο σχηματίζεται in situ και μετέχει στην επόμενη αντίδραση. Κάποια πρόσφατα παραδείγματα παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Οι χημικοί της Pfizer ανέπτυξαν μια συνεχούς ροής διαδικασία για την δημιουργία βιβλιοθήκης 1,4- διυποκατστημένων 1,2,3-τριαζολίων από αλκυλοαλογονίδια, νατραζίδιο και ακραία αλκίνια (Σχήμα 4Β). Αρυλο-και βίνυλο-αζίδια μπορούν να σχηματιστούν σε ένα στάδιο από τα αντίστοιχα αλογονίδια μέσω αντίδρασης καταλυόμενης από χαλκό με νατραζίδιο και παρουσία καταλυτικής ποσότητας L-προλίνης (Σχήμα 4C) [17]. Με αυτή την μέθοδο είναι δυνατόν να παρασκευασθεί πληθώρα 1,4- διυποκατστημένων 1,2,3-τριαζολίων σε ικανοποιητική απόδοση. Η αντίδραση μπορεί να

15 15 πραγματοποιηθεί με μικροκύματα σε υψηλή θερμοκρασία μειώνοντας τον χρόνο αντίδρασης σε 10-30min. A CuS 4.5H 2 (5mol%) R 1 sodium ascorbate (10 mol%) R 1 -X a 3 R DMF/H 2 4:1 6 Ph R 2 B Ph Ph Ph 6a 6b 83% 93% Ph Br H 7 C R 1 -I R 2 10a&b 11a&b R 1 :arylorvinyl a 3,DMF H 150 o C 8 copper tubing, 5 min 9 71% a 3 (1,2 eq) CuS 4.5H 2 (5-10mol%) sodium ascorbate (10-20 mol%) L-Pro (20 mol%) a 2 C 3 (20 mol%) DMS:H 2 9:1 60 o C R 1 12 R 2 H 2 H Ph 12a 74% Br 12b 78% Et 2 Et 2 12c 73% Et 2 Σχήμα 4: ne pot σύνθεση τριαζολίων από αλογονίδια. Στην CuAAC έχουν αναφερθεί πολλά σύμπλοκα του χαλκού με διάφορα ligands να καταλύουν την αντίδραση. Μπορούμε να πούμε ότι είναι πιο δύσκολη η εύρεση ανενεργών καταλυτών από την μετατροπή αυτών σε ενεργούς καταλύτες. Έχουν αναφερθεί πολλές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα υπό διάφορες συνθήκες, κάνοντας την σύγκριση αποδοτικότητας των διάφορων ligands δύσκολη. Όμως, μπορούν να οργανωθούν σε δύο κατηγορίες σε μαλακά και σκληρά ανάλογα με την αποτελεσματικότητα των μεταλλικών κέντρων να δρουν ως δότες. Ο μονοσθενής

16 16 χαλκός είναι ένα οριακά μαλακό οξύ κατά Lewis και γι αυτό μπορεί να συναρμοσθεί με μεγάλο αριθμό δραστικών ligands. Στην τάξη των μαλακών ligands κατατάσσονται καταλυτικά ενεργά είδη φωσφινών όπως Cu(P(Me) 3 ) 3 Br και Cu(PPh 3 ) 3 Br [18,19]. Αυτά τα σύμπλοκα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οργανικούς διαλύτες οπού τα άλατα του χαλκού είναι δυσδιάλυτα. Πρόσφατα αναφέρθηκε το σύμπλοκο Cu(PPh 3 ) 2 Ac ως εξαίρετος καταλύτης αντιδράσεων CuAAC που πραγματοποιούνται σε τολουόλιο και διχλωρομεθάνιο [20]. Τα χηλικά σύμπλοκα φωσφινών δεν παρουσιάζουν καταλυτικό ενδιαφέρον. Διάφορα σύμπλοκα του Cu(I) με -ετεροκυκλικά καρβένια ως ligands έχουν αναφερθεί ως καταλύτες στην CuAAC σε υψηλή θερμοκρασία σε οργανικούς διαλύτες, σε ετερογενή υδατικά συστήματα και απουσία διαλύτη. Οι καταλύτες αυτοί είναι πολύ δραστικοί σε συνθήκες απουσίας διαλύτη, ενώ σε συστήματα με διαλύτες η δραστικότητα τους είναι μειωμένη [21]. Στην τάξη των σκληρών ligands κυριαρχούν οι αμίνες. Πολλές φορές οι αμίνες χρησιμοποιούνται ως πρόσθετα παρά ως ligand γιατί αποσκοπούν στην αποπρωτονίωση του ακραίου αλκινίου παρά στη συναρμογή με το μέταλλο. Ακόμη, οι αμίνες αποσκοπούν στην αποτροπή σχηματισμού ανενεργών πολυπυρηνικών συμπλόκων Cu(I), στην συναρμογή του αζιδίου με τον χαλκό και στην αύξηση της διαλυτότητας των συμπλόκων χαλκού. Η πιο μεγάλη και αποτελεσματική τάξη είναι αυτή οπού τα ligands παρουσιάζουν ιδιότητες μεταξύ μαλακών και σκληρών ligands, περιλαμβάνει ετεροκυκλικούς δότες ως ligands, με εξαίρεση τεταρτοταγείς αμίνες που μπορούν να δράσουν ταυτόχρονα ως δότες συναρμογής και βάσεις [22-25]. Η ανάγκη για αυτά τα ligands έγκειται για αντιδράσεις βιολογικών μορίων μικρών συγκεντρώσεων σε υδατικά συστήματα και τα οποία είναι ευαίσθητα στην θέρμανση. Οι μετασχηματισμοί που χρησιμοποιούνται στην βιοσύζευξη επιβάλλουν συγκεκριμένες απαιτήσεις, όπως πρέπει να είναι χημειοεκλεκτικές, βιοσυμβατές και γρήγορες. Παρά την απλότητα και αποτελεσματικότητα της μεθόδου με το ασκορβικό, η ταχύτητα της αντίδρασης απουσία ligand δεν είναι υψηλή όταν οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων είναι χαμηλές. Η λύση για το πρόβλημα της βιοσύζευξης δόθηκε με την παρασκευή κάποιων ligand (Σχήμα 5). Αυτά τα ligand φαίνεται να επιταχύνουν την αντίδραση και σταθεροποιούν τον μονοσθενή χαλκό σε υδατικά συστήματα.

17 17 Σχήμα 5: Ligand που επιταχύνουν την αντίδραση CuAAC. Οι αρχικοί υπολογισμοί για την CuAAC αντίδραση επικεντρώθηκαν στις πιθανές δυνατές πορείες για μονοπυρηνικούς ακετυλενικό μονοσθενή χαλκό και οργανικά αζίδια, για απλοποίηση επιλέχθηκαν το προπίνιο και το μεθυλοαζίδιο (Σχήμα 6A) [16]. Σχήμα 6: (A) Aρχικά προτεινόμενος καταλυτικός κύκλος για την CuAAC με βάση υπολογισμούς DFT. (B) Επίδραση ενός δευτέρου ατόμου Cu (I).

18 18 Ο σχηματισμός του ακετυλενικού Cu(I) (step A) υπολογίστηκε ότι είναι εξώθερμος (11.7 kcal mol -1 ) σύμφωνα με τη γνωστή ευκολία του σταδίου αυτού, το οποίο πιθανόν λαμβάνει χώρα μέσω ενδιαμέσου π-συμπλόκου αλκινίου-χαλκού. Η π- συναρμογή του αλκινίου με τον χαλκό κάνει πιο όξινο το υδρογόνο του ακραίου τριπλού δεσμού του αλκινίου διευκολύνοντας την αποπρωτονίωση και τον σχηματισμό σ-ακετυλενίων. Εν συνεχεία, το αζίδιο ενεργοποιείται με συναρμογή στον χαλκό (step B). Αυτό το στάδιο είναι θερμοδυναμικά ουδέτερο (2.0 kcal mol -1 ). Στο επόμενο στάδιο (step C) λαμβάνει χώρα ο σχηματισμός του πρώτου C- δεσμού σχηματίζοντας ένα κυκλικό εξαμελές ενδιάμεσο που μετέχει το μέταλλο. Το στάδιο αυτό είναι ενδόθερμο ( 12.6 kcal mol -1 ) με υπολογισμένο ενεργειακό φράγμα 18.7 kcal mol -1 που συμφωνεί με την αύξηση της παρατηρούμενης ταχύτητας και είναι αξιοσημείωτα μικρότερη από το φράγμα για μη καταλυόμενη αντίδραση (26 kcal mol -1 ), κάτι που εξηγεί την παρατηρούμενη επιτάχυνση της ταχύτητας ολοκλήρωσης της αντίδρασης από τον μονοσθενή χαλκό. Ο σχηματισμός του τριαζολικού χαλκού είναι εύκολος και ευνοείται ενεργειακά (step D). Όταν είναι στερεοχημικά παρεμποδισμένα τα σύμπλοκα του χαλκού είναι δυνατή η απομόνωση τους και σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να επιτευχθεί υψηλή καταλυτική ταχύτητα με μικρή ποσότητα καταλύτη και το επόμενο στάδιο (step E) μπορεί να περιορισθεί. Η συναρμογή του αζιδίου στον χαλκό μέσω του ακραίου αζώτου προτάθηκε πρόσφατα και βρέθηκε ότι δεν ευνοείται ενεργειακά. Εναλλακτικές πορείες που περιλαμβάνουν συγχρόνη κυκλοπροσθήκη του αζιδίου και του ακετυλενιού χαλκού έχουν επίσης αποκλειστεί. Μελέτες με DFT που λαμβάνουν υπόψιν και τη δυνατότητα διαμεσολάβησης ενός διπυρηνικού ακετιλιδίου έδειξαν μια ακόμη μεγαλύτερη πτώση κατά 3-6 kcal mol -1 στην ενέργεια ενεργοποίησης (Σχήμα 6Β) [26, 27]. Μια ακόμη πιό σύγχρονη μηχανιστική εικόνα της όλης διαδικασίας που λαμβάνει υπόψιν και προηγούμενες μελέτες και αποτελέσματα κινητικών αναλύσεων δίνεται στο σχήμα 7 [10]. Οι βασικές παρατηρήσεις και υποθέσεις είναι οι παρακάτω: Αρχικά, ο σχηματισμός μεγαλύτερης τάξης πολυπυρηνικών ακετυλενίων έχει ανεπιθύμητο αποτέλεσμα στην ταχύτητα και την έκβαση της αντίδρασης. Έτσι, διαλύτες που προάγουν την ανταλλαγή ligands (νερό, αλκοόλες) προτιμούνται σε σχέση με μη πολικούς οργανικούς διαλύτες που προάγουν την συσσώρευση ειδών χαλκού διαφορετικής οξειδωτικής βαθμίδος. Ακόμη, διπυρηνικά σύμπλοκα μπορεί να

19 19 ενισχύσουν την δραστικότητα, μέχρι σήμερα δεν έχει αναφερθεί κάποιο παράδειγμα αντίδρασης που να αναδείχνει σταθεροποίηση του καταλύτη καθώς εξελίσσονται. Σχήμα 7: Διάφορα στάδια ισορροπίας κλειδιά και μη αντιστρεπτά εκτός κύκλου στάδια της CuAAC. Επιπλέον, για να είναι αποτελεσματικά τα ligands στην CuAAC πρέπει να εξισορροπούν ολικά της απαιτήσεις γεφύρωσης του Cu(I) ισχυρά έτσι ώστε να αποφεύγεται ο σχηματισμός ανενεργών πολυμερικών συμπλόκων, επιτρέποντας στα αζίδια να πλησιάσουν στην σφαίρα συναρμογής του μεταλλικού κέντρου. Ένας ισχυρός συναρμοστής μπορεί να ακινητοποιήσει τις απαραίτητες περιοχές συναρμογής του χαλκού, ενώ ένας ασθενής μπορεί να μην αποτρέψει τον σχηματισμό υψηλότερης τάξης συσσωματωμάτων. Χαρακτηριστικά παραδείγματα ligands του τύπου αυτού παρουσιάζονται στο σχήμα 5 όπου συνδυάζονται ασθενείς δότες ligands στους βραχίονες της ένωσης με ισχυρό δότη (κεντρικό άτομο αζώτου). Η διαμόρφωση του ενεργοποιημένου συμπλόκου παρουσιάζεται στο σχήμα 8. Αυτά τα ligands παρέχουν αρκετή ηλεκτρονική πυκνότητα στο μέταλλο προάγοντας την

20 20 κατάλυση και ταυτόχρονα δεν αποσταθεροποιούν την οξειδωτική κατάσταση του Cu(I). Σχήμα 8: Πιθανή δομή του ενεργού συμπλόκου με ligands. 1.3 Εφαρμογές της CuAAC Χρήση της CuAAC στην σύνθεση κατενανίων και ροταξανίων. Υπάρχουν τρεις διακριτές μέθοδοι σύνθεσης ροταξανίων και κατενανίων (Σχήμα 9): Η μέθοδος capping (πωματισμός). Η μέθοδος clipping, και Η μέθοδος με δραστικό μέταλλο. Σχήμα 9: Γενικές στρατηγικές σύνθεσης ροταξανίων και κατενανίων.

21 21 Το 2006 χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά η αντίδραση CuAAC για την σύνθεση μηχανιστικά εσώκλειστων αρχιτεκτονικών δομών (Σχήμα 10) [28]. Η τετραεδρική διάταξη των ligands με τον χαλκό(ι) θα καθοδηγούσε το αζίδιο και το αλκίνιο στο εσωτερικό της κοιλότητας του μακροκυκλικού μορίου σχηματίζοντας το επιθυμητό ροταξάνιο. Έτσι, με ανάδευση ισομοριακών ποσοτήτων του μακροκυκλικού μορίου, αζιδίου και αλκινίου, Cu(MeC) 4 PF 6 σε διχλωρομεθάνιο για 24 h σχηματίζεται το επιθυμητό [2]ροταξάνιο με απομάκρυνση του μετάλου με ΚC σε 57% απόδοση. Με βελτιστοποίηση των συνθηκών χρησιμοποιώντας πενταπλάσια περίσσεια του αζιδίου και του αλκινίου σχηματίστηκε το επιθυμητό προϊόν σε απόδοση 94%. Σχήμα 10: Σύνθεση μέσω ενεργού μετάλλου [2]ροταξανίων με CuAAC.

22 22 Η αποτελεσματικότητα της CuAAC αντίδρασης για την σύνθεση κατενανίων έγκειται στην υψηλή χημειοειδικότητα της αντίδρασης. Το αζίδιο και το αλκίνιο αντιδρούν υπερβολικά προς την επιθυμητή διαμόρφωση ακόμα και όταν η πρόσβαση δεν είναι δυνατή, όπως συμβαίνει κατά την κυκλοποίηση μεγάλων δακτυλίων, γι αυτό τον λόγο δίνει επί το πλείστων μακροκυκλικά προϊόντα υπό συνθήκες μεγάλη αραίωσης. Ο Stoddart και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν την μέθοδο σχηματισμού ροταξανίων μέσω της CuAAC στο απαιτητικό πεδίο σχηματισμού κατενανίων (Σχήμα 11) [29, 30]. Τα ψευδοροταξάνια του σχήματος υποβλήθηκαν σε συνθήκες CuAAC δίνοντας το επιθυμητό [2]κατενάνιο σε μέτρια απόδοση (>41%). Το μήκος της μονάδας CH 2 CH 2 - έχει σημαντική επίδραση στην απόδοση, τα καλύτερα αποτελέσματα λήφθηκαν για n=1 της ομάδας ( CH 2 CH 2 -) n. Σχήμα 11: Σύνθεση [2]κατενανίων με κλείσιμο δακτυλίου με CuAAC In situ Click Xημεία. Στο σχήμα 12 περιγράφεται το γενικό πλάνο της in situ Click Xημείας [31]. Σχήμα 12: In situ Click Χημεία.

23 23 Σύμφωνα με την μέθοδο αυτή συντίθενται σειρές πιθανών αναστολέων με ομάδες Χ και Ψ για υποδοχείς με δύο θέσεις δέσμευσης. Παρουσία της πρωτείνης επιταχύνεται η αντίδραση και ο σχηματισμός του καταλληλότερου διδραστικού αναστολέα. Το πρώτο βιολογικό μόριο στόχος που χρησιμοποιήθηκε στην in situ Click Xημεία είναι το ένζυμο ακετυλοχολιστεράση (AChE). Επιλέχθηκε για τη βιολογική του σπουδαιότητα ως ένωση κλειδί σε διάφορες νευρολογικές λειτουργίες και έτσι αποτελεί φαρμακολογικό στόχο. Το AChE έχει δύο διακριτές περιοχές σύνδεσης σε κοντινή απόσταση η μια από την άλλη. Έχουν παρασκευασθεί διάφορα τοπο-ειδικά ligands που αναστέλλουν τον καταλυτικό κύκλο με σύνδεση στην καταλυτική περιοχή του ενζύμου. Ακόμη, έχουν παρασκευασθεί διδραστικά ligands που μπορούν να στοχεύουν ταυτόχρονα και προς τις δύο περιοχές και βρέθηκαν να είναι δραστικά. Έτσι, για να ελεγχθεί το πλάνο της in situ Click Xημείας, παρασκευάσθηκαν οι αναστολείς tacrine και propidium με ανθρακικές αλυσίδες που φέρουν αζιδο- και αλκινο-ομάδες. Πρόεκυψε μια βιβλιοθήκη παραγώγων των δύο αναστολέων που διαφέρουν ως προς το μήκος της ανθρακικής αλυσίδας (Σχήμα 13) [32]. Σχήμα 13: In situ Click πειράματα με την ακετυλοχολιστεράση.

24 24 Ένα άλλο βιολογικό μόριο στόχος είναι η πρωτεάση HIV-1 που αποτελεί το κύριο θεραπευτικό στόχο στην μάχη κατά του AIDS. Η μεγάλη μεταλλακτική ταχύτητα του ιού στα φάρμακα αποτελεί πρόκληση για την δημιουργία μεθόδων ανακάλυψης νέων αναστολέων της πρωτεάσης. Η επιτευξιμότητα της in situ Click Xημείας τονίστηκε από τον Fokin και τους συνεργάτες του με την πρότυπη σύνθεση γνωστού αναστολέα [33]. Η δυναμικότητα αυτού του τριάζολο-αναστολέα είχε διαπιστωθεί από προηγούμενη σύνθεση (συνδυασμένη με CuAAC). Σε αντίθεση με την περίπτωση της ακετυλοχολιστεράσης όπου οι πρόδρομες ενώσεις είχαν μικρή συγγένεια με το υπόστρωμα, στην περίπτωση της πρωτεάσης του ΗIV-1 οι πρόδρομες ενώσεις δεν δεσμεύονται ισχυρά στο υπόστρωμα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να απαιτούνται μεγαλύτερες συγκεντρώσεις (Σχήμα 14). Σχήμα 14: Σύνθεση του αναστολέα HIV-1 με συμμετοχή του ενζύμου στόχου Η χρήση της CuAAC στην τροποποίηση πεπτιδομιμητικών ολιγομερών. Τα τελευταία χρόνια, η αντίδραση CuAAC έχει γίνει δημοφιλής τόσο στους οργανικούς συνθετικούς χημικούς όσο και βιοοργανικούς χημικούς. Ο τριαζολικός δακτύλιος παρουσιάζει παρόμοιες φυσικοχημικές ιδιότητες με τον αμιδικό δεσμό τόσο στην επιπεδότητα όσο και στην υψηλή διπολική ροπή που παρουσιάζει [4]. Έτσι, ο τριαζολικός δακτύλιος βρήκε πρόσφατα πρακτική εφαρμογή στο πεδίο πεπτιδομιμητών. Ο τριαζολικός δακτύλιος παρουσιάζει αντοχή στην ενζυματική αποικοδόμηση, στην υδρόλυση και στην οξείδωση καθιστώντας τον ιδανικό για την αντικατάσταση ευμετάβλητων δεσμών σε βιολογικά δραστικά μόρια. Τα μικρά βιολογικά δραστικά μόρια που περιέχουν αμιδικούς δεσμούς υποφέρουν συνήθως από μη ειδική αναγνώριση και υδρολυτική ευαισθησία σε

25 25 βιολογικά συστήματα. Με την αντικατάσταση των αμιδικών δεσμών με πιο σταθερούς συνδέσμους είναι δυνατόν να ξεπερασθούν αυτά τα μειονεκτήματα. Για παράδειγμα, έχει χρησιμοποιηθεί η CuAAC για την σύνδεση δύο μικρών μορίων σχηματίζοντας ενώσεις που είναι μιμητές του αναστολέα της HIV-1 πρωτεάσης, amprenavir (Σχήμα 15) [34]. Η ένωση ΑΒ2 προέκυψε από αυτές τις μελέτες βιολογικής δραστικότητας της HIV-1 πρωτεάσης. Από μελέτες προσομοίωσης και κρυσταλλογραφίας αποδείχθηκε ότι όταν η ΑΒ2 προσδεθεί στο ενεργό κέντρο του ενζύμου, ο τριαζολικός δακτύλιος εντοπίζεται στην ίδια θέση που υιοθετεί η αμιδο μονάδα της amprenavir. Ακόμη, το κεντρικό άτομο αζώτου του τριαζολικού δακτυλίου είναι σε ευνοϊκή θέση για τον σχηματισμό δεσμού υδρογόνου με ένα μόριο νερού που βρίσκεται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου. Σχήμα 15:Amprenavir, αμιδικός αναστολέας της HIV πρωτεάσης και αντίστοιχο τριαζολικό παράγωγο Click Xημεία με το DA. Από την ομάδα του Seela έχει πραγματοποιηθεί σημαντική έρευνα στο πεδίο χαρακτηρισμού ολιγονουκλεοτιδίων [35-38]. Μελέτησαν τις 7-διαζαπουρίνες και πυριμιδίνες του σχήματος 15, τις οποίες μετέτρεψαν αρχικά στα αντίστοιχα φωσφοροαμίδια και έπειτα τις χρησιμοποίησαν στην σύνθεση των αντίστοιχων

26 26 ολιγονουκλεοτιδίων σε στερεή φάση. Ο πρόδρομος οκτυλο-1,7-διινυλο-νουκλεοζίτης παρασκευάσθηκε από το αντίστοιχο ιωδο-παράγωγο μέσω αντίδρασης σύζευξης καταλυόμενης από παλλάδιο (Sonogashira cross-coupling). Από πειράματα τήξης βρέθηκε ότι ο αντίστοιχος διαλκίνυλο νουκλεοζίτης έχει θετική επίδραση στην σταθερότητα του DA σε σχέση με νουκλεοζίτες που φέρουν απλά αλκίνια. Σχήμα 16: Αλκινυλο νουκλεοζίτες για επισήμανση ολιγονουκλεοτιδίων. Τα παραπάνω παράγωγα νουκλεοτιδίων με ακραίο αλκίνιο συνενώνονται εκλεκτικά με μη φθορίζουσα 3-αζιδο-7-υδρόξυ-κουμαρίνη μέσω CuAAC αντίδρασης σχηματίζοντας φθορίζοντα 1,2,3-τριαζολοπαράγωγα (Σχήμα 17) [39]. Σχήμα 17: Σύνθεση φθορισμοφόρων νουκλεοζιτών με Click Xημεία.

27 27 Η ένταση φθορισμού αυτών των νουκλεοζιτών που φέρουν κουμαρίνη και αζωτούχα βάση παρουσιάζει την αναμενόμενη εξάρτηση από το ph. Έτσι, η δημιουργία φθορισμού μέσω Click αντίδρασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην οπτικοποίηση του DA σε διάλυμα ή του DA που είναι ενσωματωμένο σε πρωτεΐνες, καθώς επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον χαρακτηρισμό και οπτικοποίηση βιομορίων in vivo Click Xημεία και πολυμερισμός. Η Click Xημεία περιλαμβάνει μεγάλη ποικιλία αντιδράσεων, οι οποίες έχει αποδειχθεί δυναμικές και πολλαπλών χρήσεων στην «εργαλειοθήκη» των χημικών. Η ευρεία χρησιμότητα των αντιδράσεων αυτών πηγάζει από την έμφυτη απλότητα και αποδοτικότητα τους. Στην βιβλιογραφία της Click Xημείας κυρίαρχη θέση διαθέτει η αντίδραση κυκλοπροσθήκης αζιδίων-αλκινίων που καταλύονται από χαλκό (Ι). Αυτές οι απλές και ευπροσάρμοστες αντιδράσεις μπορούν να διευκολύνουν την σύνθεση και τροποποίηση πολυμερικών υλικών. Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία διαφορετικών υλικών που έχουν παρασκευασθεί με διάφορες click αντιδράσεις όπως ακραία και «κρεμαστά» λειτουργικά πολυμερή, (multi) συγκροτήματα συμπολυμερών, μικύλλια, δενδρομερή πολυμερή, πολυμερή που χρησιμοποιούνται σε νανο-υλικά. Πολλά πολυμερή που χρησιμοποιούνται για περεταίρω τροποποιήσεις παρασκευάζονται με τεχνικές ελεγχόμενου πολυμερισμού. Η παρασκευή συνενωμένων συμπλεγμάτων συμπολυμερών των PS και πολυ- (3-εξυλοθειoφαινίου) (P3HT) παρουσιάστηκε πρόσφατα με συνδυασμό ATRP (atom transfer radical polymerization) και Click Xημείας [40]. Χρησιμοποιήθηκε αζιδοεκκινητής για τον πολυμερισμό του στυρενίου και τροποποιημένο Grignard αντιδραστήριο χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή του διαλκινινο-p3ht. α- αζιδο-ρs συνενώθηκε υπό Click συνθήκες με το homotelechelic P3HT σχηματίζοντας ΑΒΑ τριπλό συγκρότημα συμπλυμερών (Σχήμα 18). Βρέθηκε ότι απαιτείται αλκυλοspacer μεταξύ της κύριας αλυσίδας του P3HT και του ακραίου αλκινίου για να πραγματοποιηθεί αντίδραση κυκλοπροσθήκης με καταλύτη μονοσθενή χαλκό.

28 28 Σχήμα 18: Σύνθεση συμπολυμερών πολυστυρενίου και πολυ(3-εξυλοθειοφαινίου) με Click Xημεία. 1.4 Αντίδραση Kinugasa. Η παρατηρούμενη αντίσταση των βακτηρίων αποτελεί ένα αυξανόμενο πρόβλημα. Είναι δύσκολο να φανταστούμε πως ήταν η ποιότητα ζωής πριν την ανακάλυψη των αντιβιοτικών όταν βακτηριακές μολύνσεις όπως η σηψαιμία ήταν σχεδόν θανατηφόρες. Όταν για πρώτη φορά απομονώθηκε η πενικιλίνη στην Οξφόρδη έγινε αμέσως το καλύτερο φάρμακο. Από τότε διάφορες οικογένειες αντιβιοτικών β-λακταμών έχουν αναπτυχθεί και η παγκόσμια μαζική χρήση τους αποτελεί ακόμα την πρώτη γραμμή άμυνας έναντι των παθολογικών μολύνσεων. Πρόσφατα το ιατρικό ενδιαφέρον για αυτές τις ενώσεις έχει στραφεί προς άλλες περιοχές όπως μηχανιστικοί αναστολείς των πρωτεασών σερίνης και ως αναστολείς της acyl-coa χολιστερο-ακυλοτρανσφεράσης (ACAT). Εξαιτίας αυτών των φαρμακολογικών εφαρμογών, η χημική σύνθεση β-λακταμών έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Για τους χημικούς αποτελεί πρόκληση η σύνθεση του τετραμελούς δακτυλίου της αζετιδιν-2-ονης, η οποία είναι ο πυρήνας όλων των αντιβιοτικών β-λακταμών.

29 29 Στην προσπάθεια σύνθεσης β-λακταμών έχουν αναπτυχθεί διάφορες χημικές μέθοδοι όπως φένεται στο σχήμα 18 [41-45]. Κάποιες μέθοδοι περιλαμβάνουν [2+2] κυκλοπροσθήκες, όπως η κυκλοπροσθήκη κετενών-ιμινών (Staudinger reaction), η κυκλοπροσθήκη ενολο-μεταλλοεστερα-ιμινών, η κυκλοπροσθήκη χρωμικών καρβενο-ιμίνων, η κυκλοπροσθήκη ισοκυανικών-ολεφινών και η [3+2] κυκλοπροσθήκη νιτρονών αλκινίων που είναι γνωστή ως αντίδραση Kinugasa. Συγκεκριμένα, η τελευταία μέθοδος παρέχει μια χρήσιμη και οικονομική πρόσβαση στις β-λακτάμες λόγω της διαθεσιμότητας νιτρονών και αλκινίων, όμως αυτή η μέθοδος ολιγωρεί σε μεγάλο βαθμό στις σύγχρονες εφαρμογές της οργανικής χημείας. R 2 R 1 HR X R 2 R 1 R 2 R 1 R 2 H R 1 R HR R C R R 2 R 1 R 2 R 1 C R R Σχήμα 19: Διάφοροι τρόποι σχηματισμού β-λακταμών Σύνθεση β-λακταμών χρησιμοποιώντας την αντίδραση Kinugasa. Ο σχηματισμός β-λακταμών μέσω αντίδρασης φαινυλοακετυλενίων Cu(I) και νιτρονών (Σχήμα 20) είναι γνωστό ως αντίδραση Kinugasa [46]. Η πρώτη αναφορά της αντίδρασης δημοσιεύθηκε το 1972, περιγράφοντας τον αποκλειστικό σχηματισμό των cis-προϊόντων με απόδοση 51-60% μέσα σε 30 min-1h [47]. Η αντίδραση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας άνυδρη πυριδίνη ως διαλύτη και βάση σε θερμοκρασία δωματίου υπό αδρανή ατμόσφαιρα αργού.

30 30 Σχήμα 20: Η πρώτη αναφορά αντίδρασης Kinugasa. Έχουν προταθεί δύο μηχανισμοί για την αντίδραση αυτή. Ο μηχανισμός που προτάθηκε από τους Ding και Irwin περιλαμβάνει ένα υψηλής τάσης συμπυκνωμένο δικυκλικό σύστημα που περιέχει έναν τριμελή δακτύλιο οξαζιριδίνης και έναν τετραμελή δακτύλιο αζετιδίνης (Σχήμα 21) [48]. Σχήμα 21: Προτεινόμενος μηχανισμός για την αντίδραση Kinugasa από τους Ding και Irwin. Ο δεύτερος εναλλακτικός μηχανισμός περιλαμβάνει τον σχηματισμός μιας κετένης ως ενδιάμεσο και επακόλουθη ενδομοριακή κυκλοποίηση (Σχήμα 22) [46].

31 31 Σχήμα 22: Εναλλακτικός μηχανισμός για την αντίδραση Kinugasa μέσω ενδιάμεσης κετένης. Παρόλα αυτά δεν υπάρχουν αναμφισβήτητα αποδεικτικά στοιχεία για το ποιος από τους δύο μηχανισμούς ισχύει (όπως απομόνωση ή παγίδευση ενδιαμέσων). Ο μηχανισμός που περιλαμβάνει την κετένη ως ενδιάμεσο φαίνεται να έχει αυξανόμενη υποστήριξη από τον De Shong και τους συνεργάτες του [49]. Η ομάδα αυτή παρουσίασε τον σχηματισμό β-λακταμών μέσω κυκλοπροσθήκης μιας νιτρόνης και του τριμεθυλοσιλυλοακετυλενίου και ακόλουθη αποσιλυλίωση με φθόριο. Ο μηχανισμός που πρότειναν (Σχήμα 23) είναι ακριβώς όμοιος με αυτόν του σχήματος 22. Σχήμα 23: Προτεινόμενος μηχανισμός του De Shong.

32 32 Σε αυτό το σημείο πρέπει να τονισθεί ότι όποιος και να είναι ο ενεργός μηχανισμός της αντίδρασης το στερεοχημικό αποτέλεσμα της αντίδρασης εξαρτάται από το στάδιο της κυκλοπροσθήκης για τον σχηματισμό του ισοξαζολικού παραγώγου. Η προσθήκη καθορίζει την απεικόνιση του C-4, η οποία επηρεάζει την στερεοχημεία του C-3. Η cis-β-λακτάμη είναι το κύριο διαστερεομέρες που σχηματίζεται πρώτο. Όμως η αντίδραση λαμβάνει χώρα υπό βασικές συνθήκες με αποτέλεσμα το cis-ισομερές να μετατρέπεται στο trans-ισομερές μέσω επιμερίωσης (Σχήμα 20). Η έκταση μετατροπής εξαρτάται από την ευκολία ισομερίωσης στον C-3 υπό βασικές συνθήκες και από τον υποκαταστάτη στην θέση αυτή. Πρόσφατα έχει αναφερθεί η σύνθεση διάφορων ενώσεων τύπου χίμαιρα β- λακταμών, νουκλεϊκών βάσεων από τις αντίστοιχες Ν-προπάργυλο-νουκλεϊκές βάσεις μέσω αντίδρασης Kinugasa με μέτριες αποδόσεις (Σχήμα 24) [50]. Σχήμα 24: Σύνθεση διαφόρων χιμαιρών β-λακταμών-νουκλεϊκών βάσεων Ποικιλία μονοκυκλικών β-λακταμών έχουν παρασκευασθεί επιτυχώς μέσω της αντίδρασης Kinugasa που έχει προσαρμοσθεί στις συνθήκες της Click Xημείας (Σχήμα 25) [51]. Η αντίδραση πραγματοποιείται ακόμη και με την παρουσία νερού με χρήση μικρής ποσότητας καταλύτη (10 mol %) και δίνει παρόμοια αποτελέσματα όταν αντικατασταθεί ο θειικός χαλκός από οξικό χαλκό. Η αντίδραση δεν

33 33 πραγματοποιείται απουσία L-ασκορβικού, κάτι που αποκλείει την εμπλοκή του δισθενή χαλκού στην αντίδραση Kinugasa. Μείωση της ποσότητας του θειικού χαλκού σε λιγότερο από ένα ισοδύναμο έδωσε παρόμοια αποτελέσματα στην απόδοση και στην εκλεκτικότητα. Έτσι η ποσότητα του καταλύτη μπορεί να μειωθεί μέχρι 10 mol % χωρίς να επηρεάσει τα αποτελέσματα. Περεταίρω μείωση μειώνει την απόδοση και η αντίδραση γίνεται αργή. Όσο αφορά την επιλογή διαλύτη, η αντίδραση λειτούργησε εξίσου καλά ακόμα και όταν χρησιμοποιήθηκε μόνο νερό και δεν επηρεάστηκε η διαστερεοεκλεκτικότητα. Όμως, ακραία ακετυλένια όπως το φαινυλοακετυλένιο που είναι μη πολικά μόρια απέτυχαν να σχηματίσουν β-λακτάμες υπό αυτές τις συνθήκες. Σχήμα 25: Η αντίδραση Kinugasa υπό συνθήκες Click Xημείας.

34 34 2. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Στα πλαίσια των εφαρμογών της Click Χημείας στη σύνθεση τροποποιημένων νουκλεοζιτών μελετήθηκε μια σειρά αντιδράσεων με διάφορα υποστρώματα με στόχο να διερευνηθεί το εύρος και οι συνθετικές δυνατότητες της Click Χημείας στον τομέα των νουκλεοζιτών. Οι αντιδράσεις που μελετήθηκαν είναι: Διαμοριακές αντιδράσεις τύπου CuAAC. Αυτές περιλαμβάνουν i) Αντιδράσεις μεταξύ αλκινυλο- ή αζιδο- νουκλεϊκών βάσεων με μη νουκλεϊκά υποστρώματα ii) Αντιδράσεις μεταξύ αλκινυλο- και αζιδο- νουκλεϊκών βάσεων που οδηγούν σε διμερή προϊόντα iii) Αντιδράσεις μεταξύ αζιδο- νουκλεϊκών βάσεων και αλκινυλονουκλεοζιτών οι οποίες οδηγούν σε δικέφαλους τροποποιημένους νουκλεοζίτες Ενδομοριακές αντιδράσεις τύπου CuAAC χρησιμοποιώντας ως υποστρώματα κατάλληλα διυποκατεστημένες ουρακίλες Αντιδράσεις Kinugasa με υποστρώματα πυριμίδινο νιτρόνες 2.1 Διαμοριακές αντιδράσεις Click χημείας Παρασκευή των πρώτων υλών. Όπως αναφέρθηκε χρησιμοποιήθηκε μια ποικιλία υποστρωμάτων τα οποία δίνονται συνολικά στο σχήμα 26. Από τις ενώσεις του σχήματος 26 η προπαργυλική αλκοόλη (68) είναι εμπορικά διαθέσιμη, οι ενώσεις 63, 64, 65, 66 και 67 συντέθηκαν στο εργαστήριο μας ενώ οι νουκλεοζίτες 69, 70, 71 παραχωρήθηκαν από τον αν. Καθηγητή του τμήματος Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας του Παν. Θεσσαλίας κ. Κομιώτη στα πλαίσια συνεργασίας μας.

35 35 Αζίδια H 2 H Me CH 2 3 Fe Αλκίνια H Me H 2 H H Ac H H Ac HCPh Ac H Ac H H H Ac H H H Ac H H H H H H F H H H H 71 Σχήμα 26: Πρώτες ύλες διαμοριακών αντιδρασεων CuAAC. Η 1-(προπ-2-υνυλο)θυμίνη (66) παρασκευάστηκε κατά την βιβλιογραφία [52] με αλκυλίωση της θυμίνης. Η αλκυλίωση γίνεται με επίδραση άνυδρου ανθρακικού καλίου και τετραπλάσιων ισοδύναμων προπάργυλο βρωμιδίου σε διαλύτη DMF (dry) σε θερμοκρασία δωματίου για 3 ώρες. H 1-(προπ-2-υνυλο)θυμίνη (66) παραλήφθηκε

36 36 με χρωματογραφία στήλης με απόδοση 52%. Με την ίδια μέθοδο παρασκευάστηκε και 9-(προπ-2-υνυλο)αδενίνη (67), η οποία παραλήφθηκε σε απόδοση 87%. H Me K 2 C 3 (άνυδρο) Br DMF (dry), rt, 3h H Me H H 2 H 2 73 H K 2 C 3 (άνυδρο) Br DMF (dry), rt, 2h 67 Σχήμα 27: Σύνθεση των προπάργυλο-νουκλεϊκών βάσεων. Η 1-(2-aζιδοαιθυλο)θυμίνη (63) παρασκευάζεται κατά την βιβλιογραφία [53] με τις αντιδράσεις του σχήματος 28. Ξεκινώντας από θυμίνη (72) με επίδραση τριμεθυλοσιλυλο χλωριδίου σχηματίζεται ο αντίστοιχος τριμεθυλοσιλυλοαιθέρας, ο οποίος δεν απομονώνεται και σε ένα δεύτερο στάδιο με επίδραση 1,2- διβρωμοαιθανίου σχηματίζεται η 1-(2-βρωμοαιθυλο)θυμίνη (74). Εν συνεχεία, με επίδραση τριμεθυλοσιλυλοαζιδίου και tert-βουτυλοαμμωνιο φθοριδίου 1Μ σε THF με θέρμανση στους 65 ο C για 3 ώρες σχηματίζεται η 1-(2-αζιδοαιθυλο)θυμίνη (63). Το προϊόν παραλαμβάνεται με κρυστάλλωση σε αιθανόλη με απόδοση 85 %. Σχήμα 28: Σύνθεση της 1-(2-αζιδοαιθυλο)θυμίνης.

37 37 Η 9-(2-αζιδοαιθυλο)αδενίνη (64) παρασκευάζεται σύμφωνα με το σχήμα 29. Ξεκινώντας από αδενίνη (73) με επίδραση άνυδρου ανθρακικού καλίου και 1,2- διβρωμοαιθανίου σχηματίζεται η 9-(2-βρωμοαιθυλο)αδενίνη (75) [72]. Εν συνεχεία, με επίδραση τριμεθυλοσιλυλοαζιδίου και tert-βουτυλοαμμωνιο φθοριδίου 1Μ σε THF με θέρμανση στους 65 ο C για 3 ώρες σχηματίζεται η 9-(2-Αζιδοαιθυλο)αδενίνη (64). Το προϊόν παραλαμβάνεται με κρυστάλλωση σε αιθανόλη με απόδοση 77%. Ταυτοποιήθηκε με βάση τα φασματοσκοπικά δεδομένα και την στοιχειακή ανάλυση. Σχήμα 29: Σύνθεση της 1-(2-αζιδοαιθυλο)αδενίνης. Το αζιδιο 65 παρασκευάζεται κατά την βιβλιογραφία [54, 55] με τις αντιδράσεις του σχήματος 30. Με αμινομεθυλίωση του φερροκενίου παρασκευάζεται η αμίνη 77, η οποία με μεθυλοιωδίδιο τεταρτοταγοποιείται προς το άλας 78. Πυρηνόφιλη υποκατάσταση της τεταρτοταγούς αμμωνιο ομαδας με Νa 3 δίνει το αζίδιο 65. Fe [(CH 3) 2] 2CH 2, H 3P 4, CH 3CH, 95 0 C, 5h Fe CH 2 (CH 3 ) 2 CH 3I, CH 3H, 0 C, 1h Fe CH 2 (CH 3 ) 3 I a 3, H 2 reflux, 6 h Σχήμα 30: Σύνθεση του αζιδίου 65. Fe CH CuAAC αντιδράσεις μεταξύ αλκινυλο και αζιδο νουκλεϊκών βάσεων. Όπως αναφέρθηκε και στο εισαγωγικό μέρος οι πειραματικές συνθήκες που εφαρμόζονται στις αντιδράσεις CuAAC ποικίλουν. Στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται υδατοοργανικά διαλύματα και ο μονοσθενής χαλκός δημιουργείται in situ με αναγωγή του δισθενούς χαλκού. Για τις αντιδράσεις που μελετήθηκαν επιλέχθηκαν ως διαλύτης μίγμα THF/H 2 και ως καταλύτης CuS 4 /ασκορβικό