Czasopismo:

Projekty - Praktyczna Szkoła Modelowania II

Badanie oddziaływań makrocyklicznych chemicznych receptorów, zawierających w swej strukturze szkielet cząsteczki sacharozy, z prostymi kationami nieorganicznymi (K+, NH4+) oraz chiralnymi kationami amoniowymi.

Maciej Cieplak, Sławomir Jarosz*

Instytut Chemii Organicznej PAN, Kasprzaka, 44/52, 01-224 Warszawa

Wstęp

Cukry są związkami szeroko rozprzestrzenionymi w przyrodzie. Jednym z najpowszechniej występujących naturalnych cukrów jest sacharoza. Mimo że wiele znanych cukrów charakteryzuje się słodkim smakiem, to właśnie sacharoza znalazła największe zastosowanie komercyjne. Ważnym powodem tej popularności sacharozy był zapewne łatwy sposób jej otrzymywania w bardzo czystej postaci, początkowo z trzciny cukrowej, później też z buraków cukrowych.1 Obecnie na świecie jest ona otrzymywana na skalę przemysłową w ilości sięgającej 167 mln ton rocznie. Sacharoza w niezmienionej formie jest konsumowana głównie przez przemysł spożywczy, a w znacznie mniejszym stopniu przez inne gałęzie przemysłu: chemiczny, kosmetyczny czy farmaceutyczny. Jednak znaczna ilość tego związku (optycznie czynnego i otrzymywanego w czystej postaci) pozostaje niewykorzystana. Stąd rozwój badań nad wykorzystaniem sacharozy w przemyśle i syntezie organicznej zarówno w formie niezmienionej jak i w postaci pochodnych.

Większość zastosowań sacharozy polega na jej degradacji. Skupiają się one wokół produkcji biopaliw, wodoru czy materiałów porowatych. Pochodne sacharozy są również często spotykane w przyrodzie, głównie w postaci estrów posiadających między innymi właściwości antybakteryjne, czy też hamujące replikację wirusa HIV.2,3

Z punktu widzenia chemika organika ciekawe wydają się takie zastosowania tego disacharydu w syntezie, w których nie ulega on degradacji co umożliwia pełne wykorzystanie dużej liczby centrów stereogenicznych obecnych w cząsteczce. Innym sposobem wykorzystania potencjału tego disacharydu jest funkcjonalizacja obecnych w sacharozie grup hydroksylowych. Przykładem tego typu zastosowań może być np. otrzymywanie związków powierzchniowo czynnych,4 substancji słodzącej – sukralozy (4,1’,6’-trichloro-tridezoksy-galaktosacharozy)5 czy tłuszczu dietetycznego – Olestry (oktaacylo-sacharozy).6

Na świecie prowadzone są również badania nad otrzymywaniem bardziej skonplikowanych pochodnych. W tego rodzaju badania zaangażowany jest również zespół prof. Sławomira Jarosza w Instytucie Chemii Organicznej PAN. Badania skupiły się w ostatnim okresie na syntezie makrocyklicznych receptorów zawierających w swojej strukturze szkielet sacharozy. Opracowana została metodologia umożliwiającą selektywne funkcjonalizowanie pozycji C-6 i C-6’ tego disacharydu,7 otworzyło drogę do szerokiej gamy makrocyklicznych receptorów, w których pozycje C-6 i C-6’ zostały połączone łańcuchem polieterowym, bądź łącznikiem, w którym jeden atom tlenu został zastąpiony atomem azotu (Schemat 1).8,9

Związki te są zdolne do kompleksowania, z umiarkowanymi stałymi, prostych kationów metali (Li+, Na+, K+) oraz kationu amoniowego. Dalsze badania nad syntezą receptorów makrocyklicznych skupiły się nad możliwością wprowadzenia większej liczby atomów azotu do struktury związku makrocyklicznego na bazie sacharozy.10,11,12 Otrzymano szereg receptorów, których własności kompleksujące okazały się zdecydowanie lepsze od związków otrzymanych wcześniej. Głównym sukcesem było otrzymanie receptorów makrocyklicznych, zawierających kilka atomów azotu (Schemat 2) i wykazujących enancjoselektywne kompleksowanie kationu α-fenyloetyloaminy.

Projekt ten jest kontynuacją prac badawczych prowadzonych w Zespole IV IChO PAN w Warszawie. Pozwoli on zgłębić naturę oddziaływań receptorów chemicznych zawierających w swojej strukturze szkielet sacharozowy z odpowiednimi kationami oraz pozwoli wyjaśnić wykazywaną przez nie wysoką selektywność.

2) Planowane prace

Obliczenia będą prowadzone cząsteczek receptorów 1 i 2, oraz par kationów K+/NH4+, S(-)/R(+) 1-fenyloetyloamoniowych. Stałe trwałości tych kompleksów zostały wyznaczone przy pomocy pomiarów NMR. 11,12

1. Analiza konformacyjna: naszkicowanie cząsteczek receptorów, wstępna optymalizacja metodami AM1, a następnie konstrukcja ew. konformeró optymalizacja B3LYP/6-31G z uwzględnieniem rozpuszczalnika.

2. Modelowanie struktury kompleksu receptora 1 z kationami K+ i NH4+ . Obliczenie energii, zestawienie długości wiązań, energii oraz oszacowanie selektywności receptorów.

3. Korelacja z danymi eksperymentalnymi, wyciąganie wniosków.

4. Powtórzenie ww. etapów dla kolejnej pary kationów.

5. Powtórzenie ww. etapów dla receptora 2.

6. Opracowanie i prezentacja uzyskanych wyników.

3) Literatura

J.F. Robyt Essential of carbohydrate chemistry, Springer 1998, str. 4-5.

S.P.B. Ovenden, J. Yu, J. Bernays, S.-S. Wan, L.J. Christophidis, G. Sberna, R.M. Tait, H.G. Wildman, D. Lebeller, J. Lowther, N.G. Walsh, B.M. Meurer-Grimes, J. Nat. Prod., 2005, 68, 282-284.

J.-Q. Cutrone, S. Huang, J. Trimble, H. Li, P.-F. Lin, M. Alam, S.E. Klohr, K.F. Kadow J. Nat. Prod., 1996, 59, 196-199.

N. Villandier, I. Adam, F. Jerome, J. Barrault, R. Pierre, A. Bouchu, J. Fitremann, Y. Queneau, J. Mol. Catal. A: Chem., 2006, 259, 67-77

L. Hough, S.P. Phandis Carbohydr. Res., 1975, 44, C12-C13.

F.H. Mattson, R.A. Volpenhein J. Lipid Res., 1972, 13, 325-328.

S. Jarosz, M. Mach Pol. J. Chem., 1999, 73, 981-988.

S. Jarosz, A. Listkowski J. Carbohydr. Res., 2003, 22, 753-763.

S. Jarosz, A. Listkowski Can. J. Chem., 2006, 84, 492-496.

S. Jarosz, A. Listkowski, B. Lewandowski, C. Ciunik, A. Brzuszkiewicz Tetrahedron, 2005, 61, 8485-8492.

B. Lewandowski, S. Jarosz Chem. Commun, 2008, 6399-6401.

S. Jarosz, B. Lewandowski Carbohydr. Res., 2008, 5, 965-969