Лестница
В химии ладдеран — это органическая молекула, содержащая два или более конденсированных циклобутановых колец. Название происходит от сходства ряда сросшихся циклобутановых колец с лестницей . было разработано множество синтетических подходов . Для синтеза ладдерановых соединений различной длины [1] Механизмы фотоциклоприсоединения часто включают [2 + 2] — полезную реакцию для создания напряженных 4-членных колец. Встречающиеся в природе ладдераны были идентифицированы как основные компоненты мембраны анаммоксосом анаммокс -бактерий типа Planctomycetota . [2]
Номенклатура
[ редактировать ]Длина цепи
[ редактировать ]
Синтетические подходы позволили получить лестницы различной длины. Разработана система классификации для описания ладдерейнов на основе количества последовательных колец. [3] Длина лестницы определяется числом в скобках, которое предшествует слову «лестница». Это равно количеству связей, общих для двух циклобутанов ( n ) плюс 1.
Ладдеран из 3 и более звеньев может соединяться в круг, образуя полосу, которую также можно рассматривать как два соединенных между собой параллельных циклоалкановых кольца. Их называют призманами .
Стереохимия
[ редактировать ]
B: анти- и син-[3]-ладдеран
У ладдеранов есть два типа стереохимических отношений. [3] Один описывает относительное расположение атомов водорода при слиянии двух циклобутановых колец. Эти атомы водорода могут находиться как в цис-, так и в транс- конфигурации. Транс-ладдераны не были синтезированы из-за деформации кольца в этих соединениях.
Второе стереохимическое соотношение описывает ориентацию трех последовательных циклобутановых колец и, следовательно, применимо только к ладдеранам с n ≥ 2. Два внешних кольца могут находиться на одной стороне (син-) или на противоположной стороне (анти-) центральное кольцо.
Синтез
[ редактировать ]Для лабораторного синтеза ладдерановых соединений использовались различные синтетические методы. Тремя основными подходами являются (1) димеризация предшественников полиенов , (2) поэтапное присоединение одного или двух колец за раз, (3) и олигомеризация. [3] Ниже приведены несколько примеров синтеза ладдерана.
Димеризация циклобутадиена
[ редактировать ]Димеризация двух циклобутадиенов может привести к образованию как син-, так и антиладдерановых продуктов в зависимости от условий реакции. [4] Первый этап образования син-продукта включает получение 1,3-циклобутадиена путем обработки цис-3,4-дихлорциклобутена амальгамой натрия . Реагент проходит через металлированное промежуточное соединение перед образованием 1,3-циклобутадиена, который затем может димеризоваться с образованием синдиена. Гидрирование двойных связей приводит к образованию насыщенного син-[3]-ладдерана.
Для получения антипродукта цис-3,4-дихлорциклобутен обрабатывают лития амальгамой . [5] Производное лития подвергается реакции сочетания CC с образованием открытой димерной структуры. Это промежуточное соединение реагирует с образованием антидиена, который можно гидрировать с образованием конечного продукта анти-[3]-ладдерана.
Синтез [4]-лестничного диена.
[ редактировать ]Другой синтетический подход, разработанный Мартином и его коллегами, позволил синтезировать [4]-ладдераны. [4] Начальная стадия включает образование [2]-ладдерана путем добавления двух эквивалентов малеинового ангидрида с ацетиленом . Остальные два кольца образуются в результате сжатия кольца Рамберга-Беклунда .
Синтез длинноцепочечных ладдеранов
[ редактировать ]Мехта и его коллеги синтезировали лесдераны с длиной до 13 циклобутановых колец. [6] Этот процесс включает in situ генерацию дикарбометоксициклобутадиена из его комплекса Fe(CO) 3 при низких температурах с добавлением нитрата аммония церия(IV) (CAN) . генерации бутадиена При быстро образуется смесь [ n ]-ладдеранов длиной до n = 13 с общим выходом 55%. Все ладдераны, синтезированные этим методом, имеют одну цис,син,цис-структуру. Это может быть результатом начальной димеризации двух циклобутадиенов, которая предпочтительно образует син-продукт, показанный ниже. Дальнейшая димеризация приводит к образованию только антипродукта из-за стерических факторов.
Димеризация предшественников полиенов
[ редактировать ]В этих реакциях ладдераны образуются в результате множественных [2 + 2] фотоциклоприсоединения между двойными связями двух полиенов. [7] Осложнением этого подхода является реакция предшественников через альтернативные, более благоприятные пути фотовозбуждения . Эти побочные реакции предотвращаются добавлением химического спейсера, который удерживает два полиена параллельно друг другу, позволяя происходить только [2 + 2] циклоприсоединения.
Обычным спейсером, используемым в этих реакциях, является [2.2]парациклофановая система. Он достаточно жесткий и может удерживать полиеновые хвосты достаточно близко для того, чтобы происходили циклоприсоединения.
МакГилливрей и его коллеги продемонстрировали, что супрамолекулярный подход к ковалентному синтезу в организованной среде твердого состояния, не содержащей растворителей, может обеспечить решение проблемы организации двух полиенов для внутримолекулярной реакции с образованием ладдерана. В частности, применив подход к контролю реакционной способности твердых тел с помощью молекул, которые служат линейными матрицами, они продемонстрировали полезность сокристаллизации резорцина (1,3-бензолдиола) или его производного с полностью транс -бис(4 -пиридил)поли- м -ен (4-пир-поли- м -ен) образует четырехкомпонентную молекулярную сборку 2(резорцин)·2(4-пир-поли- м -ен), в которой каждый резорцин предварительно организует , через два взаимодействия водородных связей O—H···N, два поли- м -ена для фотоприсоединения [2+2]. Два полиена расположены на матрицах так, что связи C=C олефинов лежат параллельно и разделены расстоянием <4,2 Å, положение, подходящее для фотореакции. УФ-облучение твердого тела дает целевой [ n ]ладдеран, при этом связи C=C реагируют с образованием конденсированного циклобутанового каркаса. Широкополосное УФ-облучение двух таких четырехкомпонентных водородных связей. супрамолекулярные сборки дают соответствующие ладдераны стереоспецифично и с количественным выходом в граммах. [8]
Биологическая основа
[ редактировать ]
Ladderanes были впервые идентифицированы в редкой группе анаэробных аммонийокисляющих ( анаммокс ) бактерий, принадлежащих к типу Planctomycetota . Эти бактерии изолируют катаболические анаммокс-реакции во внутриклеточных компартментах, называемых анаммоксосомами. [2] Процесс анаммокса включает до газообразного окисление аммония азота с нитритом в качестве конечного акцептора электронов . Промежуточными продуктами этого процесса являются два высокотоксичных соединения: гидразин (N 2 H 4 ) и гидроксиламин (NH 2 OH). Процесс окисления включает создание протонного градиента на внутрицитоплазматической поверхности анаммоксосомы. Диссипация протонного градиента связана с фосфорилированием АДФ посредством мембраносвязанных АТФаз . [9]
Анаммоксосомы обогащены ладдерановыми липидами , показанными справа. [10] Анализ мембран анаммоксосом бактерий Brocadia anammoxydans и Kuenenia stuttgartiensis показал, что ладдераны составляют более 50% мембранных липидов. Высокое содержание ладдерановых липидов в анаммоксосоме приводит к образованию исключительно плотной мембраны с пониженной проницаемостью. [11] Снижение проницаемости может уменьшить пассивную диффузию протонов через мембрану, которая рассеивает электрохимический градиент. Это будет особенно вредно для анаммокс-бактерий из-за относительно медленного метаболизма анаммокса. Также было высказано предположение, что снижение проницаемости связано с изоляцией высокотоксичных и мутагенных промежуточных продуктов, гидразина и гидроксиламина, которые могут легко диффундировать через биомембраны. Потеря этих ключевых промежуточных продуктов повредит ключевые клеточные компоненты, такие как ДНК , а также снизит катаболическую эффективность клетки.
Синтез ладдерановых липидов
[ редактировать ]Встречающийся в природе [5]-ладдерановый липид, названный пентациклоанаммоксовой кислотой, был синтезирован Кори и его коллегами. [12] Первый этап этой реакции включает бромирование с последующей циклизацией циклооктатетраена с образованием циклогексадиена. Этот циклогексадиен улавливается дибензилазодикарбоксилатом. Модификации функциональных групп производятся для получения циклобутана, который получается посредством фотоциклоприсоединения [2+2] с циклопентеноном с образованием второго циклобутанового кольца. Защита карбонильной группы с последующей реакцией экструзии N 2 дает еще два конденсированных циклобутановых кольца. Конечный циклобутан образуется в результате перегруппировки Вольфа , а алкильная цепь устанавливается путем олефинирования по Виттигу .
В 2016 году Бернс и его коллеги из Стэнфордского университета сообщили об энантиоселективном синтезе как [3]-, так и [5]-ладдерановых липидных хвостов и их включении в полный липид фосфатидилхолина . [13] В обоих маршрутах используется небольшой [2]-ладдереновый строительный блок бицикло[2.2.0]гексен, полученный реакцией Рамберга-Беклунда . Путь к получению жирной кислоты, содержащей [5]-ладдеран, включает димеризацию этого промежуточного продукта с образованием полностью анти- [5]-ладдерана углеводорода. Хлорирование C–H марганцево -порфириновым катализатором и последующее отщепление приводит к образованию ненасыщенности с образованием [5]-ладдерена. Гидроборирование и реакция Цвайфеля устанавливают линейную алкильную группу.
Путь к [3]-ладдерановому жирному спирту начинается с фотоциклоприсоединения [2+2] между бромированным бензохиноном и бицикло[2.2.0]гексеном. Удаление H–Br и добавление цинкорганического соединения приводит к образованию алкилового спирта. Реакция деоксигенирования, опосредованная гидразином , с последующим гидрированием с использованием катализатора Крэбтри приводит к восстановлению до циклогексанового кольца.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хопф, Хеннинг; Джоэл Ф. Либман; Х. Марк Перкс (2009). «Кубаны, фенестраны, ладдераны, призманы, стаффаны и другие олигоциклобутаноиды». Химия функциональных групп PATAI . дои : 10.1002/9780470682531.pat0337 . ISBN 9780470682531 .
- ^ Jump up to: а б Фюрст, Джон А. (23 мая 2005 г.). «Внутриклеточная компартментация планктомицетов». Ежегодный обзор микробиологии . 59 : 299–328. дои : 10.1146/annurev.micro.59.030804.121258 . ПМИД 15910279 .
- ^ Jump up to: а б с Нури, Дастин Х.; Дин Дж. Тантилло (ноябрь 2006 г.). «Они пришли из глубины: синтез, применение и биология ладдеранов». Современная органическая химия . 10 (16): 2055–2074. дои : 10.2174/138527206778742678 .
- ^ Jump up to: а б Хопф, Хеннинг (2003). «Шаг за шагом – от неестественных молекулярных лестниц к биологическим» . Angewandte Chemie, международное издание . 42 (25): 2822–2825. дои : 10.1002/anie.200301650 . ПМИД 12833336 .
- ^ Петтит, Р.; Дж. Хенери (1970). «цис-3,4-дихлорциклобутен» . Органические синтезы . 50:36 . дои : 10.15227/orgsyn.050.0036 . Архивировано из оригинала 19 апреля 2012 г. Проверено 6 мая 2013 г.
- ^ Мехта, Говердхан; М. Баладжи Вишванатх; Аджит К. Кунвар (1994). «Характеристика [ n ]-ладдеранов беспрецедентной длины: новый рекорд для слитых карбоциклических массивов». Журнал органической химии . 59 (21): 6131–6132. дои : 10.1021/jo00100a002 .
- ^ Грейвинг, Хельмут; Хеннинг Хопф; Питер Дж. Джонс; Питер Бубеничек; Жан Пьер Девернь; Анри Буа-Лоран (1994). «Синтез, фотофизические и фотохимические свойства четырех изомеров [2.2] циннамофана; высокоэффективное стереоспецифическое [2 + 2] фотоциклоприсоединение». Журнал Химического общества, Химические коммуникации (9): 1075–1076. дои : 10.1039/C39940001075 .
- ^ МакГилливрей, ЛР (2004). «Супрамолекулярная конструкция молекулярных лестниц в твердом состоянии» . Энджью. хим. Межд. Эд . 43 (2): 232–236. дои : 10.1002/anie.200352713 . ПМИД 14695618 .
- ^ ван Нифтрик, Лаура А.; Джон А. Фюрст; Яап С. Синнингхе Дамсте; Дж. Гийс Куэнен; Майк С.М. Джеттен; Марк Строус (2004). «Анаммоксосома: внутрицитоплазматический отсек анаммокс-бактерий» . Письма FEMS по микробиологии . 233 (1): 7–13. дои : 10.1016/j.femsle.2004.01.044 . hdl : 2066/60180 . ПМИД 15098544 .
- ^ Дамсте, Яап С. Синниге; Марк Страус; В. Ирен К. Рейпстра; Эллен С. Хопманс; Ян А.Дж. Джиневасен; Адри КТ ван Дуин; Лаура А. ван Нифтрик; Майк С.М. Джеттен (17 октября 2002 г.). «Линейно сцепленные циклобутановые липиды образуют плотную бактериальную мембрану». Природа . 419 (6908): 708–712. Бибкод : 2002Natur.419..708S . дои : 10.1038/nature01128 . ПМИД 12384695 . S2CID 4373854 .
- ^ Мосс, Фрэнк Р.; Шукен, Стивен Р.; Мерсер, Джарон AM; Коэн, Кэролайн М.; Вайс, Томас М.; Боксер, Стивен Г.; Бернс, Ной З. (23 августа 2018 г.). «Ладдерановые фосфолипиды образуют плотно упакованную мембрану с нормальным гидразином и аномально низкой проницаемостью для протонов/гидроксидов» . Труды Национальной академии наук . 115 (37): 9098–9103. Бибкод : 2018PNAS..115.9098M . дои : 10.1073/pnas.1810706115 . ISSN 0027-8424 . ПМК 6140541 . ПМИД 30150407 .
- ^ Маскитти, Винсент; Э. Дж. Кори (11 ноября 1994 г.). «Полный синтез (±)-пентациклоанаммоксовой кислоты». Журнал Американского химического общества . 126 (48): 15664–15665. дои : 10.1021/ja044089a . ПМИД 15571387 .
- ^ Мерсер, Джарон AM; Коэн, Кэролайн М.; Шукен, Стивен Р.; Вагнер, Анна М.; Смит, Майлз В.; Мосс, Фрэнк Р.; Смит, Мэтью Д.; Вахала, Рику; Гонсалес-Мартинес, Алехандро (14 декабря 2016 г.). «Химический синтез и самосборка лестничного фосфолипида» . Журнал Американского химического общества . 138 (49): 15845–15848. дои : 10.1021/jacs.6b10706 . ISSN 0002-7863 . ПМК 5279923 . ПМИД 27960308 .