Ученые предложили новый высокоспецифичный способ синтеза органических соединений, состоящих из трех сочлененных между собой углеродных колец. В отличие от существующих подходов, новая методика позволяет точно контролировать, какими участками присоединяются кольца, и с вероятностью до 98% получать геометрически абсолютно одинаковые продукты. Это важно, поскольку образуемые таким образом вещества используются при синтезе биологически активных соединений и некоторых лекарств, и даже небольшие изменения в геометрии молекул могут радикально влиять на их активность. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chemical Communications.

Органические молекулы, состоящие из нескольких сочлененных между собой углеродных колец, часто используются в качестве предшественников для синтеза лекарств и биологически активных соединений, таких как стероиды, артемизинин, таксол и его производные. Получить соединение, в структуру которого входят, например, два или три кольца, позволяют реакции димеризации между двумя молекулами, каждая из которых содержит одно углеродное кольцо. Так, в частности, димеризацию циклопентенона —молекулы в виде кольца из пяти атомов углерода, к которому присоединен один атом кислорода, — проводят, освещая исходное вещество ультрафиолетом.

Несмотря на простоту подхода, он оказывается недостаточно эффективным. Дело в том, что углеродные кольца соединяются каждый раз разными участками, в результате чего атомы кислорода в образуемых димерах оказываются «выступающими» в разные стороны. Так, например, если атомы кислорода находятся по одну сторону от условной оси молекулы, то такое расположение называют «голова-к-голове», а если по разные — «голова-к-хвосту». При этом в любом синтезе нужно быть уверенным, что получается лишь один из возможных вариантов, поскольку даже небольшие различия в пространственном строении молекул могут сильно влиять на их биологическую активность. В противном случае возникает необходимость в дополнительных стадиях разделения и очистки целевого продукта, сложных из-за сходства физических и химических свойств у различных димеров.

Ученые из Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН (Новосибирск) предложили подход, позволяющий избирательно получать нужный вариант молекулы при димеризации циклопентенона, который часто используется при синтезе лекарственных препаратов. Авторы провели реакцию в порах металлорганического каркасного соединения — пористого полимера, который можно сравнить с губкой. Он содержит множество пустот, размер которых не превышает нанометра (миллионной доли миллиметра). Эти поры послужили миниатюрными «колбами», в которых осуществлялся синтез.

Каждая «наноколба» может вместить лишь две молекулы циклопентенона. Кроме того, попадая в такие пустоты, молекулы связываются с металлорганическим каркасом строго определенным образом, благодаря чему все они оказываются одинаково ориентированы в пространстве. В результате взаимодействовать между собой они могут лишь одной из возможных «сторон», что обеспечивает избирательность синтеза. Димеризацию исследователи проводили с помощью мягкого ультрафиолетового света.

Упаковка молекул циклопентенона до облучения (слева) и его димера после облучения (справа) в порах металлорганического каркаса. Источник: Павел Демаков.

Авторы проанализировали структуру полученных димеров и определили, что 98% из них состояли из двух молекул циклопентенона, ориентированных «голова-к-хвосту». Это подтвердило высокую избирательность предложенного метода.

«Высокоупорядоченные поры металлорганического каркаса помогли молекулам циклопентенона ориентироваться так, чтобы синтез прошел максимально специфично. Подобной избирательности не позволяют достичь ни синтез в обычных растворах, ни реакции с применением катализаторов. Предложенный метод поможет упростить производство сложных лекарств и других биологически активных соединений, содержащих в своем составе фрагменты циклопентенона, например различные стероиды, перспективные противораковые и противогрибковые средства Plumisclerin A, Paesslerin A, Hippolachnin A, Massarinolin A. В дальнейшем мы планируем протестировать селективный синтез в нанопорах для других, более сложных органических соединений», — рассказывает ведущий исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Павел Демаков, кандидат химических наук, сотрудник лаборатории металлорганических координационных полимеров Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН.

Павел Демаков контролирует процесс димеризации циклопентенона в металлорганическом каркасе. Источник: Павел Демаков.

Пресс-служба Российского научного фонда