U
NIVERZA VL
JUBLJANIF
AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJODIPLOMSKO DELO
Leja Jelenko
Ljubljana, 2021
U
NIVERZA VL
JUBLJANIF
AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJOUNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM 1. STOPNJE KEMIJA
Sinteza in uporaba 2-naftolnega derivata
DIPLOMSKO DELO
Leja Jelenko
M
ENTOR: prof. dr. Janez Košmrlj
Ljubljana, 2021
IZJAVA O AVTORSTVU
diplomskega dela
Spodaj podpisana Leja Jelenko sem avtorica diplomskega dela z naslovom: Sinteza in uporaba 2-naftolnega derivata
S svojim podpisom zagotavljam, da:
• je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom prof.
dr. Janeza Košmrlja;
• sem poskrbela, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predloženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;
• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje
predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);
• sem poskrbela za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;
• je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.
V Ljubljani, datum Podpis avtorice:
Zahvala
Zahvaliti se želim mentorju prof. dr. Janezu Košmrlju za nasvete, pomoč in konstruktivno kritiko pri pisanju diplomske naloge. Prav tako se zahvaljujem Urošu Vezoniku za pomoč, usmeritev in prijetno atmosfero pri laboratorijskem delu.
Rada bi se zahvalila še družini, prijateljem in fantu za spodbudo in podporo v trenutkih, ko sem to potrebovala. Posebna zahvala gre mami in očetu, saj sta verjela vame in mi omogočila študij.
Sinteza in uporaba 2-naftolnega derivata
Povzetek: Alzheimerjeva bolezen je ena izmed najbolj raziskovanih nevrodegenerativnih bolezni. Gre za progresivno nevrološko motnjo, ki zmanjša velikost možganov in vodi k odmrtju možganskih celic. Fluorescenčne sonde se pogosto uporabljajo v kliničnih raziskavah in diagnozi Alzheimerjeve bolezni. V tem delu je predstavljena sinteza dveh derivatov naftola, katerih optične lastnosti bi lahko s pridom uporabljali na različnih področjih znanosti. Gre za 6-acetil-2-(dimetilamino)naftalen in 1-{6-[(2- hidroksietil)(metil)amino]-2-naftil}etanon, oba sintetizirana iz 1-(6-hidroksinaftalen-2- il)etanona.
Ključne besede: Alzheimerjeva bolezen, naftolni derivati, sinteza, Heckova reakcija Buchererjeva reakcija
Synthesis and application of 2-naphthol derivative
Abstract: Alzheimer disease is one of the most researched neurodegenerative diseases.
It is a progressive neurological disorder that reduces the size of the brain and leads to the death of brain cells. Fluorescent probes are widely used in clinical trials and the diagnosis of Alzheimer disease. This thesis presents the synthesis of two naphthol derivatives, optical properties of which could be used to advantage in various fields of science. These are 6-acetyl-2-(dimethylamino)naphthalene and 1-{6-[(2-hydroxyethyl)(methyl)amino]- 2-naphthyl}ethanone, both synthesized from 1-(6-hydroxynaphthalen-2-yl)ethanone.
Keywords: Alzheimer disease, naphthol derivatives, synthesis, Heck reaction, Bucherer reaction
Vsebina
1 Uvod ... 1
Alzheimerjeva bolezen ... 1
Fluorescenca in fluorescenčne sonde ... 2
Uporaba 2-naftolnih derivatov kot fluorescenčnih sond ... 3
1.3.1 Uporaba fluorescenčnih sond za detekcijo Alzheimerjeve bolezni ... 3
Optične lastnosti ... 3
Sinteza derivatov 2-naftola ... 4
1.5.1 Heckova reakcija ... 4
1.5.2 Buchererjeva reakcija ... 6
2 Namen dela ... 9
3 Rezultati in razprava ... 11
Sinteza 1-(6-hidroksinaftalen-2-il)etanona (1) ... 11
Sinteza 6-acetil-2-(dimetilamino)naftalena (2a) in 1-{6-[(2- hidroksietil)(metil)amino]-2-naftil}etanona (2b) ... 13
4 Eksperimentalni del ... 15
Reagenti, topila in aparature ... 15
Sinteza 1-(6-hidroksinaftalen-2-il)etanona (1) iz 6-bromo-2-naftola... 17
4.2.1 Prva sinteza produkta 1 ... 17
4.2.2 Druga sinteza produkta 1 ... 17
Sinteza 6-acetil-2-(dimetilamino)naftalena (2a) iz 1-(6-hidroksinaftalen-2- il)etanona (1) ... 21
Sinteza 1-{6-[(2-hidroksietil)(metil)amino]-2-naftil}etanona (2b) iz 1-(6- hidroksinaftalen-2-il)etanona (1) ... 24
5 Zaključek ... 29
6 Literatura ... 31
Seznam uporabljenih kratic in simbolov
d dublet
dd dublet dubleta
DPPP 1,3-bis(difenilfosfino)propan
EDG elektron donorske skupine (ang. electron donating groups) ESI elektrorazprševanje (angl. electrospray ionization)
EWG elektron privlačne skupine (ang. electron withdrawing groups) HRMS masna spektrometrija visoke ločljivosti (angl. high resolution mass spectrometry)
m multiplet
NMR nuklearna magnetna resonanca pTau mikrotubolski protein Tau s singlet
t triplet
TLC tankoplastna kromatografija
TOF analizator na čas preleta ionov (angl. time of flight)
VQIVYK aminokislinska sekvenca valin-glutamin-izolevcin-valin-tirozin-lizin
1
1 Uvod
Alzheimerjeva bolezen
Alzheimerjeva bolezen je najpogostejša oblika demence in spada med nevrodegenerativne bolezni. Patogeneza bolezni je povezana s spremenjeno obliko beljakovine beta amiloid, hiperfosforiliranim proteinom tau, visoko vsebnostjo kovinskih ionov, abnormalno encimsko aktivnostjo in reaktivnimi astrociti.[1] Gre za progresivno nevrološko motnjo, ki zmanjša velikost možganov in vodi k odmrtju možganskih celic.[2]
Fluorescenčne sonde se pogosto uporabljajo v kliničnih raziskavah in diagnozi Alzheimerjeve bolezni.[1]
Slika 1: Napredovanje Alzheimerjeve bolezni[2]
Derivati naftola, ki imajo elekton akceptoske in elektron donorske skupine na položajih 2 in 6, so tisti, ki jih uvrščamo v skupino D−π−A push-pull barvil. Znano je, da imajo te spojine potencial za označevanje proteinskih agregatov različnih sestav, ki nastanejo v možganih bolnikov, ki trpijo za Alzheimerjevo boleznijo.[3]
2
Fluorescenca in fluorescenčne sonde
Fluorescenčne sonde so molekule, ki absorbirajo svetlobo specifične valovne dolžine in emitirajo svetlobo drugačne, po navadi daljše, valovne dolžine. Elektron fluorescenčnega delca absorbira foton vzbujajoče svetlobe in dvigne nivo energije elektrona v vzbujeno stanje. V tem kratkem obdobju vzbujanja se del energije z molekularnimi trki razprši ali prenese na proksimalno molekulo, preostala energija pa se odda kot foton in elektron se vrne v osnovno stanje. Ker oddani foton po navadi nosi manj energije in ima zato daljšo valovno dolžino kot vzbujevalni foton, lahko sevajočo svetlobo ločimo od vzbujajoče svetlobe. Opisanemu procesu pravimo fluorescenca in v bioloških raziskavah se uporablja zadnjih 100 let.[4, 5] Jablonski diagram fluorescence je prikazan na sliki 2. Fluorescenčne sonde s pridom uporabljamo pri študiju bioloških vzorcev. Molekule, znane tudi kot fluoroforji, so lahko pritrjene na ciljno molekulo in delujejo kot marker za analizo s fluorescenčno mikroskopijo. Velika izbira fluoroforjev danes ponuja večjo prilagodljivost, variacije in učinkovitost fluoroforja.
Fluoroforje lahko razdelimo v tri skupine:
• Organska barvila
• Biološki fluoroforji
• Kvantne pike
Fluoroforji različnih skupin imajo različne lastnosti, ki jih je dobro poznati preden se odločimo za njihovo uporabo na različnih raziskovalnih področjih.[5]
Slika 2: Jablonski diagram fluorescence
3
Uporaba 2-naftolnih derivatov kot fluorescenčnih sond
2-Naftolne derivate lahko uporabljamo na številnih raziskovalnih področjih kot fluorescenčne sonde za odkrivanje in analizo npr. kovinskih ionov, rakotvornih snovi, biomarkerjev bolezni, podceličnih organelov, encimske aktivnosti, biološkega pH.[6]
1.3.1 Uporaba fluorescenčnih sond za detekcijo Alzheimerjeve bolezni
Mikrotubolski protein tau (pTau) v možganih stabilizira citoskelet. Mehanizem nevrogenerativnih bolezni ni natančno poznan, predvideva pa se, da do agregacije pTau v možganih pride zaradi hiperfosforilacije. Vzrok za to predstavljajo genske predispozicije, travmatične poškodbe možganov in patološki stres. Ugotovljeno je bilo, da se prisotnost hiperfosforiliranega pTau v možganih pojavi leta pred nastopom simptomov Alzheimerjeve bolezni, kar zagotavlja sredstvo za zgodnjo diagnozo nevrodegenerativnih tauopatij. Za uspešno diagnozo potrebujemo fluorescenčno sondo z ustrezno strukturo, da zaide v VQIVYK (valin-glutamin-izolevcin-valin-tirozin-lizin) vezavni žep pTau.[7] Fluorescenčne sonde, ki predrejo krvno-možgansko pregrado in ciljajo na omenjene proteine, so radioaktivno označene, kar predstavlja enega izmed najbolj inovativnih prispevkov kemije k diagnozi Alzheimerjeve bolezni.[1]
Optične lastnosti
6-Acetil-2-(dimetilamino)naftalen (produkt 2a, slika 3) in njegovi analogi so široko uporabljeni kot dvofotonska barvila, saj so majhni, hkrati pa so njihove absorbcijske lastnosti uporabne na različnih področjih. Produkt 2a ima maksimalne absorbcijske in emisijske valovne dolžine pri ~370 nm. Žal se valovna dolžina prekriva z valovnimi dolžinami riboflavina in flavoproteinov. Biomolekule tako povzročajo avto-fluorescenco in s tem motnje pri slikanju tkiva. Dvofotonsko vzbujanje na primeru produkta 2a je najbolje izvajati pri 780 nm, kar pa nas omeji na ~300 μm ali manj v globino tkiva. Zato obstaja veliko povpraševanje po novih analogih 6-acetil-2-(dimetilamino)naftalena (produkta 2a), ki bi se lahko vzbujali pri daljših valovnih dolžinah, po možnosti okrog 900 nm pri dvofotonskem vzbujanju.[8]
4
Slika 3: Sprememba aminske skupine pri sintetiziranih spojinah v tem delu
Takšen analog bi lahko predstavljala spojina 2b (slika 3). Literaturni podatki kažejo, da je z emisijskimi značilnostmi posameznih analogov 6-acetil-2-(dimetilamino)naftalena mogoče manipulirati s spremembo aminske skupine (EDG). Eksperimentalni testi so bili izvedeni na molekulah, ki imajo podobno aminsko skupino. Sklepamo lahko, da obstaja velika verjetnost, da lahko spojino 2b vzbujamo pri daljših valovnih dolžinah pri dvofotonskem vzbujanju.[9]
Sinteza derivatov 2-naftola
1.5.1 Heckova reakcija
Moderna organokovinska kemija temelji na spojinah kovin prehoda, ki katalizirajo tvorbo novih sp2 C−C vezi.[10] Primeren katalizator je tisti, ki je stabilen za hrambo in hkrati tudi dovolj reaktiven, da kemijska reakcija poteče. Imeti mora tudi možnost regeneracije in minimalne vplive na okolje. V praksi se uporabljajo katalizatorji, ki zadostijo prvemu pogoju, a takšni po navadi sami po sebi niso dovolj reaktivni. V reakcijski zmesi se in situ z uporabo ustreznih kompleksov pretvorijo v bolj reaktivno obliko. To se zgodi s sprostitvijo enega ali dveh ligandov. Za Heckovo reakcijo (tudi Mizoroki-Heckovo spajanje) se po navadi uporablja paladij in paladijevi kompleksi, mogoča pa je tudi uporaba soli niklja, kobalta, rutenija in bakra. Za potek reakcije je potrebna le katalitska količina izbrane kovine.[11, 12]
S paladijem katalizirana Heckova reakcija je zaradi svoje preprostosti, možnosti aplikacije na različne funkcionalne skupine in enostavne razpoložljivosti substratov eno izmed najpomembnejših orodij v sintezni kemiji. Gre za reakcijo spajanja med aril ali vinil halogenidi in alkeni v prisotnosti kovinskega katalizatorja in baze, kot kaže slika 4.
Pomembna je zato, ker omogoča nukleofilno adicijo na neaktiven alken. Slednji je lahko mono- ali disubstituiran in lahko je elektronsko bogat, reven ali nevtralen. Ne potrebujemo močne baze, zadošča že Et3N, NaOAc, vodna Na2CO3 ali trietilamin.
Metoda je zelo učinkovita in se uporablja pri sintezah, ki jih je težje izvesti s starejšimi metodami.[12]
5
Slika 4: Heckova reakcija ali Mizoroki-Heckovo spajanje
Kompleks Pd(0) spontano nastane iz PdL2 in liganda, ki stabilizira katalitsko reaktivno zvrst, ki drugače ni dovolj dolgoživa, da bi lahko sodelovala v katalitskem ciklu. Pri Heckovi reakciji je pogosta uporaba fosfinov, kot je PPh3, P(o-Tol)3 ali DPPP (1,3- bis(difenilfosfino)propan). Korak intramolekularne redukcije je reverzibilen. Stabilen kompleks se kvantitativno tvori v prisotnosti dveh ekvivalentov DPPP in baze.[13, 14]
Katalitski cikel, predstavljen na sliki 5, je sestavljen iz oksidativne adicije organskega halida in redukcije Pd(II) (kompleks A) do Pd(0) (kompleks B). Sledi karbometaliranje oziroma vrinjenje s premestitvijo do kompleksa C in eliminacija β-hidrida, kjer pride do prenosa protona na paladijev kompleks, dobimo kompleks E. Slednji se v zadnji stopnji reduktivne eliminacije z deprotonacijo z bazo regenerira nazaj do reaktivnega 14- elektronskega PdL2 kompleksa A.
Slika 5: Katalitski cikel Heckove reakcije
6
Heckova reakcija je zaradi svoje sposobnosti učinkovitega spajanja C−C vezi pogosto uporablja na akademskem, farmacevtskem, medicinskem in industrijskem področju.
Predstavlja enega izmed najbolj uporabnih načinov sinteze različnih nenasičenih spojin.
Kljub temu pa ima ta sintetično uporabna reakcija svoje pomanjkljivosti. Ena od glavnih je ta, da se paladijev katalizator ob koncu katalitskega cikla izgubi, zato raziskovalci iščejo učinkovito metodo za recikliranje paladijevega katalizatorja. Druga pomanjkljivost pa je, da so fosfinski ligandi strupeni in dragi, zato je potrebno za izboljšanje učinkovitosti reakcije odkriti ligande brez fosfina.[15]
1.5.2 Buchererjeva reakcija
Buchererjeva reakcija je relativno preprosta metoda pretvorbe aromatskih aminov v hidroksi spojine ali hidroksiaromatskih spojin v primarne, sekundarne in terciarne aromatske amine. Reakcija poteka v vodni fazi v prisotnosti žveplove(IV) kisline ali njenih soli. Uporablja se za pripravo številnih derivatov naftalena, ki so še posebej pomembni kot barvila.[16] Buchererjeva reakcija je reverzibilna, kar prikazuje slika 6.
Slika 6: Prikaz reverzibilne Buchererjeve reakcije
Slika 7 prikazuje potek Buchererjeve reakcije in pretvorbo naftola (1’) v aromatski amin (5’) in obratno. Reakcija je katalizirana in poteka v prisotnosti izbrane žveplove soli (v tem primeru NaHSO3). Znano je, da je ključni korak te reakcije ketonizacija naftola. V prvi stopnji pride do protoniranja naftola (1’). Proton se veže na elektronsko bogato mesto, to pa vodi do resonančno stabiliziranih struktur 1a’–1c’. V naslednjem koraku nastopi katalizator, ki reagira na elektrofilnem mestu, atomu C3. Dobimo 2a’, ki tautomerizira do bolj stabilne oblike 2b’. Po nukleofini adiciji izbranega amina dobimo 3a’, sledi prenos protona na hidroksilno skupino (3b’) s sledečo eliminacijo vode, kar vodi do 4a’. Z deprotonacijo spojine 4a’ pridemo do imina 4b’ ali enamina 4c’. Sledi korak regeneracije NaHSO3 pri čemer se enamin 4c’ spremeni do željenega končnega produkta 5’.[17]
Kljub temu, da po tej metodi reagira malo derivatov benzena, pa se je izkazalo, da je Buchererjeva reakcija odlična pot za pretvorbo derivatov antracena, fenantrena in naftola.
Pomembno je, da je spojina, ki jo transformiramo, topna v vodi.[16] Poleg tega vodni reakcijski pogoji omejujejo uporabo izhodnih ketonov ali aldehidov le na tiste, ki so pod
7
temi pogoji stabilni. V nasprotnem primeru je potrebno poseči po drugih možnostih. Prav tako prisotnost močnih nukleofilov (amini) v reakcijski zmesi izključuje prisotnost dobrih izstopajočih funkcionalnih skupin, kot so triflati, tozilati, mezilati ali halogeni.[18]
Slika 7: Mehanizem Buchererjeve reakcije
8
9
2 Namen dela
Namen diplomske naloge je sinteza naslednjih spojin:
• 1, 1-(6-hidroksinaftalen-2-il)etanon
• 2a, 6-acetil-2-(dimetilamino)naftalen
• 2b, 1-{6-[(2-hidroksietil)(metil)amino]-2-naftil}etanon
Spojino 1 bomo s Heckovo reakcijo pripravili iz 6-bromo-2-naftola po spodnji reakcijski shemi:
Spojina 1 bo služila kot prekurzor za pripravo spojin 2a in 2b s pomočjo Buchererjeve reakcije po spodnji reakcijski shemi:
10
11
3 Rezultati in razprava
Sinteza 1-(6-hidroksinaftalen-2-il)etanona (1)
Raziskovalno delo smo pričeli s sintezo produkta 1, ki služi kot osnovni prekurzor v sintezi končnih produktov. Spojino smo uspešno pripravili s pomočjo s paladijem kataliziranega Heckovega ariliranja elektronsko bogatega olefina (slika 8), pri čemer smo katalizator tvorili in situ iz Pd(OAc)2 in DPPP kot stabilizirajočega liganda. Za izhodno spojino smo uporabili predhodno pripravljen 6-bromo-2-naftol, ki smo ga derivatizirali z 2-hidroksietil vinil etrom.
Slika 8: Shema sinteze produkta 1
Sintezo smo izvedli po postopku, opisanem v literaturi.[19] Pred dodatkom etra in segrevanjem smo reakcijsko zmes razplinili pod znižanim tlakom, s čimer smo preprečili neželeno oksidacijo katalitsko aktivnega paladija. Sintezo produkta 1 smo pod istimi pogoji izvedli dvakrat, v obeh primerih pa smo potek reakcije vsako uro zasledovali s TLC. Kot je opisano v literaturi, se v prvi stopnji reakcije tvori cikličen ketal X (slika 9), ki ga v naslednjem koraku z razredčeno vodno raztopino HCl hidroliziramo v željen produkt 1. V prvi stopnji je glede na spremljanje reakcije s TLC do popolne konverzije izhodne spojine v obeh primerih sinteze prišlo po štirih urah, kar se ujema z literaturo.
Slika 9: Tvorba intermediata X
Po zaključku reakcije smo v obeh primerih po ekstrakciji v izoliranem produktu opazili prisotnost nečistot, prav tako pa smo glede na analizo s TLC sklepali, da je prisoten tudi ketal X, saj je bila prisotna lisa, ki se je ujemala s standardom intermediata X. Prisotnost
12
intermediata X nismo (nedvoumno) potrdili. Zaradi tega smo se odločili produkt dodatno očistiti, pri čemer smo čiščenje izvedli na različna načina.
V prvem primeru smo produkt 1 očistili s kolonsko kromatografijo na silikagelu. Kot mobilno fazo smo uporabili petroleter : etil acetat (v nadaljevanju PE:EA) v razmerju 1:1.
Zbrane frakcije smo sproti preverjali s TLC (slika 10), pri čemer smo potrdili uspešno ločbo željenega produkta 1 od ketala. Na podlagi TLC smo sklepali, da imamo še zmeraj prisotne polarne nečistoče, a je NMR analiza pokazala, da je delež le teh zanemarljiv.
Končni izkoristek sinteze produkta 1 po čiščenju s kolonsko kromatografijo je znašal 75%, kar je v skladu z literaturo, kjer je izkoristek produkta 1 znašal 80%.[19]
V drugem primeru smo se odločili za čiščenje s sistemom za avtomatsko kromatografijo.
Kot mobilno fazo smo ponovno uporabili mešanico PE:EA, pri čemer je sistem gradientno spreminjal sestavo glede na TLC analizo, ki smo mu jo predhodno posredovali. Glede na posnet NMR spekter očiščene spojine smo z avtomatsko kromatografijo dobili bolj čist produkt, a je izkoristek sinteze v tem primeru znašal 66%.
V obeh primerih smo po čiščenju lahko opazili, da se je barva produkta iz črne spremenila v svetlorumen kristaliničen prah.
Identiteto produkta 1 smo potrdili z 1H NMR spektroskopijo, IR spektroskopijo, masno spektrometrijo in z merjenjem temperature tališča. V NMR spektru so vidne resonance v območju med 7 in 8 ppm, kar nakazuje na prisotnost aromatskih protonov, v spektru pa je po sintezi viden še nov singlet pri 2.71 ppm za metilne protone na α mestu ob karbonilni skupini.
Slika 10: Prikaz TLC analize produkta 1. Na sliki je prikazano zasledovanje reakcije po štirih urah in čiščenje zmesi s kolonsko kromatografijo na silikagelu. TLC ploščice so
bile razvite v mobilni fazi PE:EA = 1:1, λ = 254 nm
13
Sinteza 6-acetil-2-(dimetilamino)naftalena (2a) in 1-{6-[(2- hidroksietil)(metil)amino]-2-naftil}etanona (2b)
V nadaljevanju smo keton 1 uporabili kot izhodno spojino v sintezi produktov 1-(6- dimetilaminonaftalen-2-il)etanona (2a) in (1-{6-[(2-hidroksietil)(metil)amino]-2- naftil}etanona) (2b). Substitucijo hidroksilne skupine smo uspešno izvedli z Buchererjevo reakcijo in uporabo ustreznega sekundarnega amina (slika 11) po modificiranem postopku opisanem v literaturi.[19]
Slika 11: Shema sinteze produktov 2a in 2b
Produkta 2a in 2b smo po izolaciji uspešno očistili z avtomatsko kromatografijo, pri čimer je izkoristek sinteze 2a znašal 20%, v primeru spojine 2b pa 24%. To je precej manj od literaturno opisanih izkoristkov, ki bi naj znašala 85% oziroma 70%.[19] Razlog za zelo nizek izkoristek sinteze produkta 2b je lahko tudi, da smo za reakcijo uporabili izhodno spojino 1 iz prve ponovitve sinteze, ki je še vsebovala nekaj nečistoč, ki bi posledično lahko ovirale pretvorbo.
Identiteto obeh produktov smo potrdili s 1H NMR spektroskopijo, IR spektroskopijo, masno spektrometrijo in z izmerjenim tališčem, v primeru produkta 2b pa tudi s 13C NMR spektroskopijo. V obeh primerih (produkt 2a in 2b) imamo v 1H NMR spektru prisotne resonance v območju med 7.00 in 8.00 ppm, kar kaže na prisotnost aromatskih protonov.
V spektru spojine 2a smo pri 3.11 ppm dobili resonanco, ki ustreza protonom dveh metilnih skupin vezanih na aminski dušik. V spektru produkta 2b vidimo dve značilni tripletni resonanci (pri 3.90 ppm in 3.65 ppm), ki ustrezata metilenskima skupinama alkilne skupine vezane na aminski dušik, pri 3.14 ppm pa je prisoten singlet, ki ustreza metilni skupini vezani na dušik.
14
Slika 12: Prikaz sintetiziranih produktov. Od leve proti desni: produkt 1, produkt 2b, produkt 2a.
15
4 Eksperimentalni del
Reagenti, topila in aparature
Kemikalije so bile iz komercialnih virov (Fluka, Sigma Aldrich, FluoroChem). Topila so bila uporabljena brez predhodnega čiščenja, sušenja ali drugačnega načina predpriprave.
Meritve mase so bile izvedene na tehtnici Mettler Toledo, model XS 204.
Tališča so bila izmerjena s Koflerjevim mikroskopom z merilcem tališča Büchi Melting Point M-560.
NMR spektri so bili posneti s 500 MHz spektrometrom Bruker Avance III. Kemijski premiki protonskih resonanc so podani glede na rezidualni signal CDCl3 (δ = 7.26 ppm).
Kemijski premik ogljikovih resonanc je prav tako podan glede na rezidualni signal CDCl3
(δ =77.2 ppm). Sklopitveni vzorci so podani kot: s (singlet), d (dublet), t (triplet), dd (dublet dubleta), in m (multiplet).
IR spektre smo posneli z Brukerjevim ALPHA FT-IR spektrometrom s Platinum ATR nastavkom.
Masni spektrometri visoke ločljivosti (HRMS) so bili izmerjeni z Agilentovim Accurate Mass TOF LC/MS spektrometrom (Agilent 6224) na prelet ionov (TOF, angl. time of flight) nastalih pri elektrorazprševanju (ESI, angl. electrospray ionization) pri atmosferskem tlaku.
Za tankoplastno kromatografijo smo uporabljali TLC ploščice (Fluka Analytical) s silikagelskim matriksom na aluminijastih nosilcih, impregnirane s fluorescenčnim indikatorjem (λe = 254 nm). Opazovali smo jih pod UV-svetilko (CAMAG) pri valovnih dolžinah 254 nm in 366 nm. Za kolonsko kromatografijo smo uporabljali silikagel (Fluka Silica gel 60, mesh 220–240) ali sistem za kromatografijo Interschim Puriflash XS520Plus.
Za avtomatsko flash kromatografijo smo uporabljali sistem PuriFlash XS520Plus (Interchim, Francija). Kot stacionarno fazo smo uporabili pred-polnjene kolone za flash kromatografijo (SiO2, PF50-SIHC-F0040; Interchim, Francija) kot mobilno fazo pa mešanico etil acetata in petroletra (gradientna elucija). Produkt smo na kolono nanesli preko suhega nanosa na SiO2. Frakcije smo zbirali na podlagi UV kromatograma (254 nm, prag zbiranja: 20 mAU) v 25 mL epruvete.
16
6-Bromo-2-naftol je bil predhodno pripravljen na Katedri za organsko kemijo v laboratoriju prof. J. Košmrlja.
17
Sinteza 1-(6-hidroksinaftalen-2-il)etanona (1) iz 6-bromo-2- naftola
4.2.1 Prva sinteza produkta 1
Keton smo sintetizirali po literaturnem postopku.[19] Zmes 6-bromo-2-naftola (2.020 g, 9.05 mmol), Pd(OAc)2 (0.110 g, 0.49 mmol, 0.05 ekv.) in DPPP (0.375 g, 0.91 mmol, 0.10 ekv.) smo raztopili v 15 mL etilen glikola. Bučko smo trikrat evakuirali in prepihali z dušikom. Dodali smo 2-hidroksietil vinil eter (2.4 mL, 2.36 g, 26.78 mmol, 3.0 ekv.) in trietilamin (3.1 mL, 2.25 g, 22.20 mmol, 2.5 ekv.) ter reakcijsko zmes segreli na 145 °C.
Potek reakcije smo zasledovali s tankoplastno kromatografijo. Po štirih urah smo zmes ohladili na sobno temperaturo in dodali 30 mL 5% HCl ter 15 mL CH2Cl2. Reakcijsko zmes smo nato mešali še eno uro pri sobni temperaturi. Produkt smo ekstrahirali s CH2Cl2
(3 × 30 mL) in nato sprali združene organske frakcije z vodo. Združene organske frakcije smo posušili nad brezvodnim Na2SO4in hlapne komponente uparili pod znižanim tlakom.
Produkt smo očistili s kolonsko kromatografijo na silikagelu z uporabo mobilne faze PE:EA = 1:1. Keton 1 smo izolirali kot svetlorumeno kristalinično snov (1.262 g, 6.78 mmol, 75%).
4.2.2 Druga sinteza produkta 1
Zmes 6-bromo-2-naftola (2.030 g, 9.09 mmol), Pd(OAc)2 (0.110 g, 0.48 mmol, 0.05 ekv.) in DPPP (0.375 g, 0.91 mmol, 0.10 ekv.) smo raztopili v 15 mL etilen glikola. Bučko smo trikrat evakuirali in prepihali z dušikom. Dodali smo 2-hidroksietil vinil eter (2.4 mL, 2.36 g, 26.78 mmol, 2.9 ekv.) in trietilamin (3.1 mL, 2.25 g, 22.20 mmol, 2.4 ekv.) ter reakcijsko zmes segreli na 145°C. Potek reakcije smo zasledovali s tankoplastno kromatografijo. Po štirih urah smo zmes ohladili na sobno temperaturo in dodali 30 mL 5% HCl ter 15 mL CH2Cl2. Reakcijsko zmes smo nato mešali še eno uro pri sobni temperaturi. Produkt smo ekstrahirali s CH2Cl2 (3 × 30 mL) in nato sprali združene organske frakcije z vodo. Združene organske frakcije smo posušili nad brezvodnim Na2SO4 in hlapne komponente uparili pod znižanim tlakom. Produkt smo očistili z avtomatsko kromatografijo na sistemu PuriFlash XS520Plus (stacionarna faza SiO2; produkt eluiran z mešanico PE/EA). Keton 1 smo izolirali kot svetlorumeno kristalinično snov (1.120 g, 6.02 mmol, 66%).
Ttal: 169−171 °C (lit.[20] 172.5−174 °C)
18
1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 8.41 (s, 1H), 8.00 (dd, 1H), 7.88 (d, 1H), 7.72 (d, 1H), 7.26 (s, 1H), 7.20 (s, 1H), 2.71 (s, 3H). Spektroskopski podatki se ujemajo z literaturnimi.[19]
IR (cm-1): 3356, 1659, 1624, 1433, 1283, 1201, 1157, 874, 813, 673.
HRMS-ESI (m/z): [M + H]+ izračunana za C12H11O2+
, 187.0754; izmerjena, 187.0755.
Slika 13: 1H NMR spekter spojine 1
19
Slika 14: Povečan aromatski del 1H NMR spektra spojine 1
Slika 15: HRMS spekter spojine 1
20
Slika 16: IR spekter spojine 1
21
Sinteza 6-acetil-2-(dimetilamino)naftalena (2a) iz 1-(6- hidroksinaftalen-2-il)etanona (1)
Spojino 2a smo pripravili po literaturno opisanem postopku.[19] V debelostensko epruveto smo zatehtali 1-(6-hidroksinaftalen-2-il)etanon (0.774 g, 4.16 mmol), Na2S2O5 (1.605 g, 8.44 mmol, 2.0 ekv.), dodali 10 mL H2O in 5.6 mL 2-(metilamino)etanola (7.5 g, 166.09 mmol, 40.0 ekv.). Reakcijsko zmes smo prepihali z argonom, zaprli in postavili v grelni blok, ki je bil predhodno ogret na 145 °C (pod enakimi pogoji). Reakcijska zmes se je 48 ur mešala pri 145 °C. Po končani reakciji smo zmes ohladili na sobno temperaturo in jo razredčili z vodo. Dobljen produkt smo ekstrahirali s CH2Cl2 (3 × 30 mL). Združene organske frakcije smo posušili nad brezvodnim Na2SO4 in hlapne komponente uparili pod znižanim tlakom. Produkt smo očistili z avtomatsko kromatografijo na sistemu PuriFlash XS520Plus (stacionarna faza SiO2; produkt eluiran z mešanico PE/EA), pri čemer smo izoliral svetlo rumen kristaliničen produkt 2a (0.172 g, 0.81 mmol, 20%).
Ttal: 154−156 °C (lit.[21] 154–156 °C)
1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 8.32 (s, 1H), 7.92 (dd, 1H), 7.80 (d, 1H), 7.64 (d, 1H), 7.18 (dd, 1H), 6.89 (m, 1H), 3.11 (s, 6H), 2.67 (s, 3H). Spektroskopski podatki se ujemajo z literaturnimi.[22]
IR (cm-1): 2901, 1662, 1611, 1507, 1355, 1218, 1065, 853, 805, 671.
HRMS−ESI (m/z): [M + H]+ izračunana za C14H16NO+, 214.1226; izmerjena, 214.1223.
22
Slika 17: 1H NMR spekter spojine 2a
Slika 18: Povečan aromatski del 1H NMR spektra spojine 2a
23
Slika 19: HRMS spekter spojine 2a
Slika 20: IR spekter spojine 2a
24
Sinteza 1-{6-[(2-hidroksietil)(metil)amino]-2-naftil}etanona (2b) iz 1-(6-hidroksinaftalen-2-il)etanona (1)
Spojino 2b smo pripravili po literaturno opisanem postopku.[19] V debelostensko epruveto smo zatehtali 1-(6-hidroksinaftalen-2-il)etanon (1.120 g, 6.02 mmol), Na2S2O5 (2.248 g, 11.9 mol, 2.0 ekv.), dodali 12 mL H2O in 7.3 mL 2-(metilamino)etanola (6.8 g, 91.07 mmol, 15.1 ekv.). Reakcijsko zmes smo prepihali z argonom, zaprli in postavili v grelni blok, ki je bil predhodno ogret na 145 °C (pod enakimi pogoji). Reakcijska zmes se je 48 ur mešala pri 145 °C. Po končani reakciji smo zmes ohladili na sobno temperaturo in jo razredčili z vodo. Dobljen produkt smo ekstrahirali s CH2Cl2 (3 × 30 mL). Združene organske frakcije smo posušili nad brezvodnim Na2SO4 in hlapne komponente uparili pod znižanim tlakom. Produkt smo očistili z avtomatsko kromatografijo na sistemu PuriFlash (stacionarna faza SiO2; produkt eluiran z mešanico PE/EA). Izolirali smo svetlo zelen kristaliničen produkt 2b (0.352 g, 1.45 mmol, 24%).
Ttal: 101−103 °C (lit.[23] 102.8−103.6 °C)
1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 8.31 (s, 1H), 7.92 (d, 1H), 7.80 (d, 1H), 7.63 (d, 1H), 7.26 (s, 1H), 6.95 (s, 1H), 3.90 (t, 2H), 3.65 (t, 2H), 3.14, (s, 3H), 2.67 (s, 3H).
13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ 198.0, 149.8, 137.8, 131.2, 131.1, 130.5, 126.4, 125.5, 124.9, 116.7, 116.7, 106.0, 60.3, 55.1, 39.2, 26.6.
IR (cm-1): 3491, 2945, 2881, 1649, 1610, 1485, 1355, 1029, 856, 805.
HRMS−ESI (m/z): [M + H]+ izračunana za C15H18NO2+, 244.1331; izmerjena, 244.1330.
25
Slika 21: 1H NMR spekter spojine 2b
Slika 22: Povečan aromatski del 1H NMR spektra spojine 2b
26
Slika 23: 13C spekter spojine 2b
Slika 24: HRMS spekter spojine 2b
27
Slika 25: IR spekter spojine 2b
28
29
5 Zaključek
S Heckovo reakcijo smo pripravili spojino 1 z izkoristki med 65 in 75%. Kot izhodno spojino smo uporabili 6-bromo-2-naftol. Produkt smo očistili z različnima preparativnima kromatografskima tehnikama (čiščenje s sistemom za avtomatsko kromatografijo in čiščenje s kolonsko kromatografijo na silikagelu), ki sta se izkazali za uspešni.
Pripravljen produkt smo okarakterizirali z različnimi metodami in tako potrdili njegovo strukturo. Dobili smo ustrezen prekurzor za sintezo izbranih fluorescenčnih molekul.
Heckova reakcija se je izkazala za uspešno sintezno pot pri pripravi spojine 1. Izkoristek produkta se je skladal s pričakovanji.
V nadaljevanju smo uspešno sintetizirali, izolirali in okarakterizirali spojini 2a in 2b, ki sta derivata 2-naftola in se med seboj razlikujeta v aminski skupini na mestu 2. Dokazali smo, da je sinteza preko prekurzorja (spojina 1) in izbranega sekundarnega amina z Buchererjevo reakcijo uspešna, vendar v slabših izkoristkih kot pričakovano. Z ustrezno modifikacijo bi lahko postopka tudi izboljšali.
30
31
6 Literatura
[1] Y. W. Jun, S. W. Cho, J. Jung, Y. Huh, Y. S. Kim, D. Kim, K. H. Ahn: Frontiers in probing alzheimer’s disease biomarkers with fluorescent small molecules. ACS Cent.
Sci. 2019, 5, 209–217. https://doi.org/10.1021/acscentsci.8b00951.
[2] What is Alzheimer’s disease?. Alzheimer’s association.
https://www.alz.org/alzheimers-dementia/what-is-alzheimers (zadnji ogled: 15. 8.
2021).
[3] D. Šarlah, A. Juranovič, B. Kožar, L. Rejc, A. Golobič, A. Petrič: Synthesis of Naphtalene-Based Puch-Pull Molecules with a Heteroaromatic Electron Acceptor.
Molecules 2016, 21, 267. https://doi.org/10.3390/molecules21030267.
[4] J. R. Lakowicz: Principles of Fluorescence Spectroscopy. 3rd ed. Maryland, USA:
University of Maryland School of Medicine Baltimore 2006, str. 1–12.
[5] J. C. Croney, D. M. Jameson, R. P. Learmonth: Fluorescence spectroscopy in biochemistry: Teaching basic principles with visual demonstrations. Biochem. Mol.
Biol. Edu. 2001, 29, 60–65. https://doi.org/10.1111/j.1539-3429.2001.tb00071.x.
[6] J. M. An, S. H. Kim, D. Kim: Recent advances in two-photon absorbing probes based on a functionalized dipolar naphthalene platform. Org. Biomol. Chem. 2020, 18, 4288–4297. https://doi.org/10.1039/d0ob00515k.
[7] L. Rejc, L. Šmid, V. Kepe, Č. Podlipnik, A. Golobič, M. Bresjanac, J. R. Barrio, A.
Petrič, J. Košmrlj: Design, syntheses, and in Vitro evaluation of new Fluorine-18 radiolabeled Tau-labeling Molecular Probes. J. Med. Chem. 2017, 60, 8741–8757.
https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.7b00764.
[8] H. Moon, Y. W. Jun, D., Kim, H. G., Ryu, T. Wang, K. H., Kim, Y. Huh, J. Jung, K.
H. Ahn: A dipolar anthracene dye: Synthesis, optical properties and two-photon tissue
imaging. Chem.: Asian J. 2016, 11, 2518–2523.
https://doi.org/10.1002/asia.201600986.
32
[9] S. Singha, D. Kim, B. Roy, S. Sambasivan, H. Moon, A. S. Rao, J. Y. Kim, T. Joo, J. W. Park, Y. M. Rhee, T. Wang, K. H. Kim, Y. H. Shin, J. Jung, K. H. Ahn,: A structural remedy toward bright dipolar fluorophores in aqueous media. Chem. Sci.
2015, 6, 4335–4342. https://doi.org/10.1039/c5sc01076d.
[10] L. J. Oxtoby, J. A. Gurak, S. R. Wisniewski, M. D. Eastgate, K. M. Engle:
Palladium-catalyzed reductive heck coupling of alkenes. Trends Chem. 2019, 1, 572–
587. https://doi.org/10.1016/j.trechm.2019.05.007.
[11] R. Kobetić, N. Biliškov: Heckova reakcija. Kem. Ind. 2007, 56, 391–402.
[12] J. Clayden, N. Greeves, S. Warren: Organic Chemistry 2nd ed. United States of America, New York: Oxford University Press. 2012, str. 1069−1101.
[13] A. V. Astakhov, O. V. Khazipov, A. Y. Chernenko, D. V. Pasyukov, A. S. Kashin, E. G. Gordeev, V. N Khrustalev, V. M. Chernyshev, V. P. A. Ananikov: New Mode of Operation of Pd–NHC Systems Studied in a Catalytic Mizoroki–Heck Reaction.
Organometallics, 2017, 3610, 1981–1992.
https://doi.org/10.1021/acs.organomet.7b00184.
[14] C. Amatore, A. Jutand, A. Thuilliez: Formation of palladium(0) complexes from Pd(OAc)2 and a bidentate phosphine ligand (DPPP) and their reactivity in oxidative
addition. Organometallics, 2001, 20, 3241–3249.
https://doi.org/10.1021/om0101137.
[15] Heck Reaction. Chemistry Libretetexts.
https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Supplemental_Modul es_and_Websites_(Inorganic_Chemistry)/Catalysis/Catalyst_Examples/Heck_React ion (zadnji ogled 15. 8. 2021).
[16] H. Seeboth: The bucherer reaction and the Preparative use of its intermediate products. Angew. Chem. Int. Ed. 1967, 6, 307–317.
https://doi.org/10.1002/anie.196703071.
[17] N. L. Drake: The bucherer reaction. Org. React. 2001, 105−122.
33
[18] M. Kalník, P. Gabko, M. Bella, M. Koóš: The Bucherer–Bergs Multicomponent synthesis of hydantoins—excellence in simplicity. Molecules 2021, 26, 4024.
https://doi.org/10.3390/molecules26134024.
[19] A. S. Rao, S. Singha, W. Choi, K. H. Ahn: Studies on acedan-based mononuclear zinc complexes toward selective fluorescent probes for pyrophosphate. Org. Biomol.
Chem. 2012, 10, 8410. https://doi.org/10.1039/c2ob26000j.
[20] L. Jia-Rong, Z. Guang, Z.: Synthesis and crystal structure of 2-acetylnaphthalen-6- yl 4-methylbenzosulfonate. J. Chem. Crystallogr. 2005, 35, 789–793.
https://doi.org/10.1007/s10870-005-4324-8.
[21] H. R. Chen, X. K. Guo, X. B. Zhong: Syntheses of Aladan and [Ald6]loloatin C and study on their Fluorescent Properties. Chin. J. Chem. 2006, 24, 1411–1417.
https://doi.org/10.1002/cjoc.200690264.
[22] H. Chen, X. Zhong, J. Wei: Stereoselective syntheses of fluorescent non-natural aromatic amino acids based on asymmetric michael additions. Molecules 2007, 12, 1170–1182. https://doi.org/10.3390/12051170.
[23] M. Cui, R. Tang, Z. Li, H. Ren, B. Liu, B.: 99mTc- and Re-labeled 6-dialkylamino- 2-naphthylethylidene derivatives as imaging probes FOR β-amyloid plaques. Bioorg.
Med. Chem. Lett. 2011, 21, 1064–1068. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2010.11.096.
