Triamino-ciklohexán alapú tripodális ligandumok előállítása és komplexeik vizsgálata

Triamino-ciklohexán alapú tripodális ligandumok előállítása és komplexeik vizsgálata

Szorcsik Attila, Matyuska Ferenc, Gajda Tamás, Nagy Nóra Veronika Szegedi Tudományegyetem, MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Szegedi Tudományegyetem, Szervetlen és Analitikai kémiai Tanszék

MTA-TTK, Molekuláris Farmakológiai Intézet

Célkitűzés:

- a natív enzimekhez hasonló fémion affinitással, katalitikus aktivitással, szelektivitással és működési mechanizmussal rendelkező kis molekulatömegű fémkomplexek kifejlesztése.

- lehetővé teszik szerkezetileg viszonylag merev (preorganizált, a metalloenzimek aktív centrumára jellemző) fémkötőhelyek kialakítását

Megvalósítás:

- korábbi biomimetikus vizsgálatainkra alapozva tripodális ligandumok előállítása és Cu(II), Zn(II), Mn(II), Fe(II) és Co(II), komplexeinek vizsgálata.

47. Komplexkémiai Kollokvium

2013. Május 29-31., Mátraháza

• nagy affinitású fémkötőhely alakulhat ki már egyszerű piridin, imidazol, pirazol és/vagy karboxilát csoportok révén is.

Tripodális ligandumok

Az előállított új tach (cisz.cisz-1,3,5-triamino-ciklohexán) alapú ligandumok

H N N H

H N N

N

N

H N H N

N H N H

N N

H N H N

N

L

L

• L⁰ (2pirtach): 6 N koordinációja révén nagy stabilitású ML komplex

• L¹ (2pirtachMD): az egykarú származéka által szubsztrát megkötődése

• L² (3pirtach): a tach 3N koordinációja mellett a 3 piridil N szabad koordinációs helyet biztosíthat további fémion megkötéséhez, ugyanakkor a 3piridilmetil karok

megakadályozzák a lúgos tartományban a Cu-tach komplex hidroxohidas dimerizációját, a piridin gyűrűk alkotta zseb pedig hidrofób/H-hidas kölcsönhatások révén elősegítheti a szubsztrát megkötését

• L³ (1paztach): 6N-es kötőhelye teljesen körbeöleli a fémiont, viszont a pirazolát nitrogének részvételével egy allosztérikus fémkötőhely is kialakulhat

RHN

NHR

HN N

L

L

R=

R = H N

L

L

A ligandumok előállítása (1)

• N,N’,N”-trisz(benzil)karbamát előállítása cisz,cisz-1,3,5-ciklohexán- trikarbonsavból kiindulva, Curtius-lebontást alkalmazva (a)

• A benzil-karbamát csoport lehasítása 33%-os HBr/HOAc oldatot alkalmazva (b)

HOOC

HOOC

COOH

a

HN

HN

NH

CBZ

CBZ

ZBC b

H₂N

H₂N

NH₂

a: Et₃N, DPPA, Bz-OH

3HBr b: HBr/HOAc

• cisz,cisz-1,3,5-ciklohexán-

trikarbonsav (m = 63 g; n = 291 mM)

• N,N’,N”-trisz(benzil)karbamát (m = 89,5 g; n = 169 mM)

• Kitermelés: 58%

a: b:

(m = 89,5 g; n = 169 mM)

• cisz.cisz-1,3,5-triamino-ciklohexán (m = 59 g; n = 159 mM)

• Kitermelés: 94%

Az előállított vegyületek tisztaságát

H NMR spektroszkópiával ellenőriztük

A ligandumok előállítása (2)

• A ligandumok iminjeinek előállítása Schiff-bázis szintézissel a cisz.cisz-1,3,5- triamino-ciklohexánból és a megfelelő piridin- vagy pirazol-karboxaldehidből kiindulva 1:3 (és 1:1) mólarányt alkalmazva (a)

• Az imin csoport redukálása NaBH₄-et alkalmazva (b)

• Az 1:1 mólarány szerinti egylábú ligandum előállítása még nem sikerült optimalizálni

• Végezetül a ligandumok hidrokloridjait kaptuk száraz HCl gázzal történő kezelés után

• A termékek tisztaságát ¹H NMR spektroszkópiával ellenőriztük

• oldategyensúlyi vizsgálatok (ligandum, ill. Cu²⁺ és Zn²⁺ komplexek)

• szerkezetvizsgálati mérések (UV-VIS, ESR és NMR spektroszkópia)

H₂N

H₂N

NH₂

+3 (vagy 1) RCOH -3 (vagy 1) H₂O

N

N

N

a

HC

C CH H R

R R

b

NaBH₄ ^NH

NH

NH H₂C

CH₂ CH₂

R

R R

R =

N

N HN

(vagy H)

N

A N,N’,N”-trisz(2-piridilmetil)-cisz,cisz-1,3,5-triaminociklohexán (2pirtach), mint tripodális ligandum

• Rendkívül nagy fémion affinitású hatfogú kelátképző

• Klinikai vizsgálatok alapján vaskomplexe jelentős rákellenes hatással rendelkezik, programozott sejthalált indukál többféle ráktípusnál

• Nagy stabilitású kelát komplexeket képez a két vegyértékű fémionokkal (M = Fe, Zn, Cu, Ni, Ca, Mg, Mn) vizes és nem-vizes körülmények között

• Számos komplexének ismert az egykristály röntgenszerkezete

• 6N-es fémkötőhelye teljesen körbeöleli a fémiont

• A kialakult kompakt szerkezetű ML komplexekben nincs mód a szubsztrát koordinációjára

• Ugyan előállítottuk a 2pirtacht is, de fentiek miatt nem alkalmas a célul kitűzött biomimetikus tulajdonságok tanulmányozására, így további vizsgálatokat nem végeztünk

R = H (2pirtach)

A 3pirtach ligandum és Cu 1:1 komplexének vizsgálata

0 20 40 60 80 100

2 4 6 8 10

pH

% Cu(II)

Cu(II) CuL CuH_-2L

CuH₃L

CuH_-1L CuHL

• oldhatósági problémák miatt a ligandum és a kialakuló komplexek protonálódási folyamatainak követése 60% DMF/víz elegyben történt - kényszermegoldás

6 deprotonálódási lépés:

→ 3 piridil N (pK = 2,63, 3,15, 4,86)

→ 3 szekunder NH(pK = 5,98, 6,93, 8,72)

Cu:L = 1:1 (60% DMF)

• pH 7 körül kialakul a domináns ML komplex

• közel azonos komplex képződési állandók, mint a tach-nál

• a piridin nitrogének nem vesznek részt a koordinációban (sztérikus gátlás)

• pH 8 felett a koordinált vízmolekulák deprotonálódásával az MH_-1L, majd MH_-2L pqr 3pirtach

(60 % DMF) tach 1paztach 061 32.27(10)

051 29.12(10) 041 26.49(10)

031 21.63(10) 25.93 21.50(1) 021 15.65(10) 18.88 16.00(1) 011 8.72(10) 10.21 8.84(1) 131 26.47(10)

111 16.31(10) 15.95 18.80(5) 101 10.75(10) 10.86 16.10(3) 1-11 2.15(15) 2.36

1-21 -7.00(15)

3-22 27.97(10)

3-32 23.11(7)

3-42 17.25(8)

2375 2575 2775 2975 3175 3375 3575 3775 Mágneses térerősség (G)

A 3pirtach ligandum és Cu 1:1 komplexének vizsgálata

0 20 40 60 80 100

2 4 6 8 10

pH

% Cu(II)

Cu(II) CuL CuH_-2L

CuH₃L

CuH_-1L CuHL

pH = 4 pH = 7 pH = 10

• csatolási állandók csökkennek

• pH 7 – 10 között a koordinált vízmolekulák deprotonálódása a jellemző folyamat

• a komplex szerkezete nem változik

• M₂L és ML₂ komplexek kialakulását nem tapasztaltuk

• a komplex alkalmas lehet hidrolitikus enzimutánzó vizsgálatokhoz

• a további vizsgálatokat más oldószerben kell megoldanunk

Szerkezetvizsgálathoz ESR spektrumok pH = 4 – 10 tartományban, 60% DMF/víz elegyben

0 20 40 60 80 100

2 4 6 8 10

pH

% Cu(II)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

A

Cu(II)

CuHL

Cu3H-4L2

CuL

Az 1paztach ligandum és Cu komplexeinek vizsgálata

pqr 3pirtach

(60 % DMF) tach 1paztach 061 32.27(10)

051 29.12(10) 041 26.49(10)

031 21.63(10) 25.93 21.50(1) 021 15.65(10) 18.88 16.00(1) 011 8.72(10) 10.21 8.84(1) 131 26.47(10)

111 16.31(10) 15.95 18.80(5) 101 10.75(10) 10.86 16.10(3) 1-11 2.15(15) 2.36

1-21 -7.00(15)

3-22 27.97(10)

3-32 23.11(7)

3-42 17.25(8)

Cu : 1

• pH potenciometriával csak a 3 szekunder amin pK- ja határozható meg – pirazol N-ek nagyon savasak

• pH 4 – 8 között domináns a nagy stabilitású ML komplex

• ML komplexekre jóval nagyobb stabilitási állandók, mint a tach-nál

• a nagy stabilitás 5 vagy 6 N koordinációjára utal

• pH 8 fölött egy jellegzetes vörös szín jelenik meg, ami nem értelmezhető az 1:1 mólarányú komplexel – dimer részecske kialakulására utal

• a lúgos tartományban extra deprotonálódásokkal az M₃H_-4L₂ komplex képződik

• M:L = 2:1 – már semleges pH-n csapadékos lett a rendszer

Az 1paztach ligandum és Cu komplexeinek vizsgálata

0 20 40 60 80 100

2 4 6 8

pH

% Cu(II)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Cu(II)

CuHL

Cu₃H_-4L₂ CuL

Cu₃H_-4L₂

Cu₃H_-3L₂

pqr pir3tach

(60 % DMF) tach paz1tach 061 32.27(10)

051 29.12(10) 041 26.49(10)

031 21.63(10) 25.93 21.50(1) 021 15.65(10) 18.88 16.00(1) 011 8.72(10) 10.21 8.84(1) 131 26.47(10)

111 16.31(10) 15.95 18.80(5) 101 10.75(10) 10.86 16.10(3) 1-11 2.15(15) 2.36

1-21 -7.00(15)

3-22 27.97(10)

3-32 23.11(7)

3-42 17.25(8)

• M : L = 3 : 2-nél már alacsonyabb pH tartományban megjelennek a kisebb deprotonáltságú dimer

részecskék, amelyek M : L = 1 : 1 kiindulási aránynál CuL komplex nagy stabilitása miatt nem jelentkeznek

• Már enyhén savas tartományban megjelenik a jellegzetes vörös szín, azaz 2-3 pH egységgel előbb elkezd kialakulni az M : L = 3 : 2 összetételű dimer részecske

• A piros szaggatott görbe a 400 nm-nél mért intenzitás, ami a 3 magvú dimer részecske kialakulására utal

Cu : 1

0 20 40 60 80 100

2 4 6 8

pH

% Cu(II)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 Cu(II) 1

CuHL

Cu3H-4L2

CuL

Cu3H-4L2

Cu3H-3L2

0 20 40 60 80 100

2 4 6 8 10

pH

% Cu(II)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

A

Cu(II)

CuHL

Cu₃H_-4L₂ CuL

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

300 400 500 600 700 800 900

nm

A

2.81 3.61 5.60 7.20 7.75 8.00 8.50 9.12 10.20 pH

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

300 400 500 600 700 800 900

nm

A

2.81 3.63 4.47 4.73 4.97 5.32 5.68 6.2 6.8 pH

Az 1paztach ligandum és Cu komplexeinek vizsgálata

Cu : 1

Cu : 1

• az 1:1 és 3:2 mólaránynál a pH emelkedésével ugyanaz a dimer részecske képződik

• A dimerizálódás pirazolát hidakon keresztül valósul meg – rendkívül erős töltésátviteli sáv látható mindkét kiindulási mólaránynál

• a 800 nm-nél növekvő elnyelés négyzetes piramisos szerkezetre utal a 2 szélső réznél

Az 1paztach ligandum és Cu komplexeinek vizsgálata

2375 2875 3375

Mágneses térerősség (G)

pH = 3,8 pH = 6,55

pH = 10 pH = 6,1 M:L = 3 : 2

M:L = 1 : 1 M:L = 1 : 1 M:L = 1 : 1 ESR vizsgálatok

N H

N H

N

H N NH

N M

NH N NH

N H N H

N

H N NH

N M

NH NH

N

N H N H

N

H N N

N M

N NH

N

M

NH NH NH N N

N M N

N H

N

A VIS spektrumokban a CuL részecskének kb. 630 nm-nél van a maximuma, ami

alapján négyzetes piramisos (5N) vagy oktaéderes (6N) szerkezetű részecske kialakulását feltételeztük axiális

koordinációval

az 1:1 mólaránynál 10-es, míg a 3 : 2-nél már 6-os pH körül megjelenik a réz

centrumok kölcsönhatása révén kialakuló 3 magvú dimer részecske

CuL

Cu

H

L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

300 400 500 600 700 800 900

nm

A

2.81 3.61 5.60 7.20 7.75 8.00 8.50 9.12 10.20

Cu : 1

Konklúziók

• célkitűzéseinkre vonatkozóan mindkét tanulmányozott rendszer ígéretesnek tűnik

• az 1paztach hárommagvú dimer rézkomplexe redoxifolyamatok katalizálására tűnhet alkalmasnak

• a 3pirtach-nál a lúgos tartományban kialakuló

komplexek a hidrolitikus folyamatoknál tűnhetnek igéretesnek

• sikerültek a terveink, az 1paztach képes egy további fém

megkötésére, még ha nem is 2:1, hanem 3:2 M : L mólarány szerint

Köszönetnyilvánítás

Munkatársaimnak: Gajda Tamás, Matyuska Ferenc Nagy Nóra Veronika (ESR)

A munkát az OTKA támogatta (K101541)

Köszönöm a figyelmet!