Рациональный дизайн циклоалкиновых клик-реагентов (промежуточный, этап 1)

Циклоалкиновые реагенты являются современным и перспективным инструментом для решения широкого круга биологических, медицинских, материаловедческих и различных междисциплинарных задач. Поиск новых циклоалкиновых реагентов представляет важную и актуальную научную проблему, требующую оригинальных решений. В данном проекте в рамках первого отчётного периода выполнялись работы, связанные непосредственно с созданием циклоалкиновых реагентов для конкретного использования, а также с рациональным дизайном новых циклоалкиновых структур. Нами была продемонстрирована принципиальная роль природы циклоалкина, входящего в состав циклоалкиновых флуоресцентных реагентов, при их использовании внутри клеток. В этом случае менее активные в циклоприсоединии с азидами циклононины BT9N, разработанные в рамках проекта, имеют преимущество перед более активными и коммерчески доступными циклоалкиновыми реагентами на основе DBCO и BCN. Это связано, в первую очередь, с повышенной реакционной неспецифичностью активных к азидам циклоалкинов DBCO и BCN по сравнению с разработанными нами реагентами семейства BT9N. Активные алкины параллельно с азид-алкиновым циклоприсоединением легко вступают в реакции с внутриклеточными сульфидами и сульфеновыми кислотами, тогда как наши реагенты инертны к внутриклеточным сульфидам, что было доказано при помощи масс-спектрометрии MALDI. Таким образом, полученные нами флуоресцентные циклоалкиновые реагенты на основе BT9N, могут быть рекомендованы для изучения внутриклеточных процессов с использованием биоортогональной биоконъюгации. Также нами был использован рациональный дизайн с применением квантово-химических расчетов для создания новых более активных циклоалкинов на основе гетероциклононинов, конденсированных с гетероциклами. Нами было реализовано два подхода: 1 – замена бензотиофенового цикла на триазольное кольцо; 2 - изменение донорной природы атома серы на акцепторную за счет окисления серы в сульфон. В случае триазол-аннелированных гетероциклононинов нами была реализована стратегия тройной активации циклоалкинового цикла за счет аннелирования с пятичленным гетероциклом, а также введения эндоциклического и экзоциклического сигма-акцепторов. Эта стратегия позволила увеличить реакционную способность циклоалкинов за счет дополнительного искажения валентных алкиновых углов и остаться в рамках стабильности за счет увеличения энергетического зазора между граничными молекулярными орбиталями, что препятствует процессу деградации циклоалкинов за счет олигомеризации. В результате реализации этого направления нами были получены стабильный азациклононин, который оказался активнее в SPAAC, чем соответствующий бензотиофеновый аналог, а также оксациклононин, который является самым активным на сегодняшний день представителем циклононинов, но стабилен только в разбавленном растворе. При дизайне нового циклоалкина на основе сульфона бензотиофена нам удалось добиться увеличения реакционной способности в циклоприсоединении с азидами в 3,5 раза при сохранении стабильности циклоалкинового кора. Такой результат объясняется существенным снижением энергии in-plane орбитали тройной связи алкина при сохранении искажения валентных алкиновых углов по сравнению с неокисленным бензотиофеновым аналогом. Оба примера демонстрируют, что рациональный дизайн с привлечением квантово-химических расчетов является ключевым рабочим инструментом при создании новых циклоалкиновых реагентов с заданными свойствами. Кроме этого нами были расширены синтетические возможности реакции Николаса для получения сульфаматных циклооктинов, которые ранее синтезировали более трудоемким и дорогостоящим методом, основанным на Rh-катализируемом азиридинировании силилированных алленов с последующим раскрытием TMS-илиденазиридина при действии TBAF. Было показано, что реакция Николаса может быть использована для получения комплексов кобальта бензокоденсированных сульфаматных циклооктинов. Однако, свободные от кобальта циклы оказались нестабильными. Поэтому отработанная нами методика будет использована для получения моноциклических сульфаматных циклооктинов. Кроме этого нами были проведены работы по синтезу изокумариновых флуоресцентных красителей. Было показано, что изокумарины, содержащие в положении C6 электроноакцепторный заместитель, а при атоме С4 – арилэтинильный фрагмент могут рассматриваться как интересные и синтетически доступные флуоресцентные метки, в том числе для создания флуоресцентных циклоалкиновых реагентов. Таким образом, нами был достигнут ряд практически и теоретически важных результатов в области разработки, синтеза и применения новых циклоалкиновых реагентов.