DIPLOMSKO DELO

U

L

F

DIPLOMSKO DELO

Branka Hudej

Ljubljana, 2021

U

L

F

VISOKOŠOLSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM KEMIJSKA TEHNOLOGIJA

Sinteza metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata in možnosti njegove uporabe kot liganda v kompleksih z

antidiabetičnim delovanjem

DIPLOMSKO DELO

Branka Hudej

M

: izr. prof. dr. Franc Perdih

Ljubljana, 2021

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega dela

Spodaj podpisana Branka Hudej sem avtorica diplomskega dela z naslovom: Sinteza metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata in možnosti njegove uporabe kot liganda v kompleksih z antidiabetičnim delovanjem.

S svojim podpisom zagotavljam, da:

 je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom izr.

prof. dr. Franca Perdiha;

 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/magistrskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.

V Ljubljani, 1. 9. 2021 Podpis avtorja/-ice:

Zahvala

Iskreno se zahvaljujem mentorju izr. prof. dr. Francu Perdihu za njegov čas, usmeritve in nasvete pri izdelavi diplomskega dela.

Zahvalila bi se tudi vsem, ki so mi tekom študija stali ob strani in me podpirali.

Naslov diplomskega dela: Sinteza metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata in možnosti njegove uporabe kot liganda v kompleksih z antidiabetičnim delovanjem

Povzetek:

Sladkorna bolezen ali diabetes je presnovna bolezen, ki postaja vedno bolj razširjena.

Želja je razviti učinkovito zdravilo za lajšanje življenja diabetikov. Obetavni so kompleksi cinkovih in vanadijevih ionov z organskimi ligandi, saj bi lahko nadomestili zdravljenje z inzulinom in sintetičnimi peroralnimi antidiabetiki, ki imajo številne stranske učinke.

Diplomsko delo obsega dvostopenjsko sintezo metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata, ki je po hidrolizi primeren za sintezo kompleksov s potencialnimi antidiabetičnimi lastnostmi. Izhodno spojino, metil 6-(metoksikarbonil)pikolinsko kislino, sem najprej pretvorila v kislinski klorid. Po substituciji klorovega atom z morfolinom sem dobila produkt in ga karakterizirala z NMR analizo.

Ključne besede: vanadij, cink, sladkorna bolezen, koordinacijske spojine, antidiabetične lastnosti

English title: Synthesis of methyl 6-(morpholine-4-carbonyl)picolinate and possibilities of its use as a ligand in complexes with antidiabetic activity

Abstract:

Diabetes is a metabolic disease that is becoming more prevalent. We wish to develope an effective drug to make life easier for diabetics. Complexes of zinc and vanadium ions with organic ligands showed a lot of promise in replacing treatment with insulin and synthetic oral antidiabetics, that have many side effects.

Thesis includes two-stage synthesis of methyl 6-(morpholine-4-carbonyl)picolinate, which is, after hydrolysis, suitable for synthesis of complexes with potential antidiabetic properties. I first converted the starting product, methyl 6-(methoxycarbonyl)picolinic acid, to acid chloride. After substitution of the chlorine atom with morpholine, I obtained a product and characterized it with NMR analysis.

Keywords: vanadium, zinc, diabetes, coordination compounds, antidiabetic properties

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 Diabetes ... 1

1.2 Cink ... 2

1.3 Vanadij ... 3

2 Namen dela ... 5

3 Razprava ... 7

3.1 Zdravljenje diabetesa ... 7

3.1.1 Inzulin in njegovi analogi ... 7

3.1.2 Druga sintetična zdravila ... 10

3.1.3 Naravne učinkovine ... 11

3.2 Uporaba cinka in vanadija pri zdravljenju diabetesa ... 12

3.3 Koordinacijske spojine dipikolinske kisline ... 15

3.3.1 Sintezni postopek pretvorbe dipikolinske kisline v mono-amidne derivate 16 4 Rezultati ... 17

5 Eksperimentalni del ... 19

5.1 Reagenti in topila ... 19

5.2 Metode karakterizacije ... 19

5.3 Sinteze ... 20

5.3.1 Sinteza metil 6-(klorokarbonil)pikolinata ... 20

5.3.2 Sinteza metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata ... 21

6 Zaključek ... 23

7 Seznam uporabljenih virov ... 25

Kazalo slik

Slika 1: Heksamer inzulina [12] ... 8

Slika 2: Peroralni antidiabetiki ... 11

Slika 3: Bis(etilmaltolato)oksidovanadij(IV) ... 13

Slika 4: Vanadijeve spojine z antidiabetičnim delovanjem ... 14

Slika 5: Primer cinkovega kompleksa z dvema dipikolinskima kislinama ... 15

Slika 6: Pretvorba dipikolinske kisline do metilnega estra... 16

Slika 7: Pretvorba metilnega estra dipikolinske kisline do monoamidnih derivatov ... 16

Slika 8: ¹H NMR spekter metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata ... 18

Seznam uporabljenih kratic in simbolov

5ipa – 5-jodopikolinat 6mpa – 6-metilpikolinat CDCl3 – devterirani kloroform cysm – metilcistein

DMF – dimetilformamid mal – maltol

metf – metformin

NMR – nuklearna magnetna resonanca opt – pirition

ox – oksalat

Pcd – pirolidin ditiokarbamat pic – pikolinat

R – splošni substituent tar – tartrat

TMS – tetrametilsilan

1

1 Uvod

Diabetes ali sladkorna bolezen je najpogostejša presnovna bolezen na svetu. Leta 2019 so zabeležili 463 milijonov obolelih ljudi, kar predstavlja 9,3 % svetovne populacije.

Potrebno je upoštevati tudi dejstvo, da ogromno ljudi živi s sladkorno boleznijo, ne da bi zanjo vedeli. Strokovnjaki ocenjujejo, da bo leta 2045 število obolelih doseglo 700 milijonov [1,2].

1.1 Diabetes

Bolezen je opredeljena kot kronično stanje, ki povzroči neobičajne količine glukoze v krvi. Normalna koncentracija glukoze je 3,5–5,6 mmol/L. Pri zdravem človeku koncentracijo glukoze v krvi uravnava inzulin. To je hormon, ki ga proizvajajo β-celice trebušne slinavke. Ko je koncentracija glukoze visoka, se izločanje inzulina poveča.

Inzulin se veže na receptorje celične membrane in omogoči glukozi, da vstopi v celico ter s tem zagotovi vir energije zanjo. Hormon pomembno vpliva tudi na regulacijo presnove ogljikovih hidratov, beljakovin in maščob. Vzroka za sladkorno bolezen sta nepravilno delovanje inzulinskih receptorjev in celic trebušne slinavke, ki ne proizvajajo dovolj inzulina [2,3].

Poznamo več vrst diabetesa.

Tip Ι je kronična avtoimunska bolezen, pri kateri β-celice zaradi okvare ne proizvajajo inzulina. Tipično se pojavi že v mladosti, bolniki pa so odvisni od uporabe injekcij inzulina [3]. Tip ΙΙ je najpogostejša oblika diabetesa, saj jo ima 90 % obolelih. Pri tej obliki telo ne zmore učinkovito porabljati inzulina. Vzrok so lahko neodzivni receptorji za inzulin ali napake v reakcijah v celici, ki onemogočijo prehod glukoze skozi membrano. V zgodnji fazi se lahko bolezen obvladuje s pravilno prehrano, telesno aktivnostjo ipd. Če se začnejo okvare na β-celicah, so potrebne inzulinske injekcije.

Med ta tip spada tudi prehodna hiperglikemija med nosečnostjo, ki nastane zaradi hormonskega stresa, po porodu pa večinoma izgine. Vse več mladih ljudi in tudi otrok zboleva za tipom ΙΙ sladkorne bolezni zaradi nezdravega življenjskega sloga [4].

2

Visoka koncentracija glukoze v krvi vodi do povečane možnosti za srčni napad in možgansko kap. V povezavi z drugimi dejavniki povečuje tveganje za srčno-žilne bolezni, okvaro ledvic, poškodbe živcev, zmanjšan vid ali slepoto. Nosečnice morajo spremljati in uravnavati koncentracijo glukoze, saj lahko drugače pride do zapletov, poveča pa se tudi možnost, da bo otrok sladkorni bolnik [2].

1.2 Cink

Cink je prehodni element s simbolom Zn in vrstnim številom 30. Nahaja se v 12.

skupini periodnega sistema in ima elektronsko konfiguracijo [Ar] 3d¹⁰ 4s². Najpogostejše oksidacijsko stanje je +2. V trdnem agregatnem stanju je cink srebrno- bele barve, spojine cinkovih(II) ionov so brezbarvne in diamagnetne zaradi polnih 3d orbital. V naravi najdemo 5 stabilnih izotopov: ⁶⁴Zn (48,6 %), ⁶⁶Zn (27,9 %), ⁶⁸Zn (18,8

%), ⁶⁷Zn (4,1 %) in ⁷⁰Zn (0,6 %) [5].

V zemeljski skorji je 0,0078 masnih % cinka, najpogosteje se nahaja kot sfalerit (ZnS).

Iz rude s praženjem in redukcijo pridobivajo cink, ki se najpogosteje uporablja pri pasivaciji železa. Površina cinka se prevleče z plastjo cinkovega oksida, ki je zelo obstojen na zraku in tako ščiti železo pred korozijo. Cink je na svetu četrta najbolj uporabljena kovina. Uporablja se za galvanizacijo železa, pri izdelavi baterij in proizvodnji medenine. Ta zlitina cinka in bakra se je začela uporabljati že v 10. stoletju.

Cink so uporabljali že alkimisti in predvideva se, da ga je v 16. stoletju Paracelsus poimenoval kot »cink«. Kot element ga je leta 1746 opisal nemški kemik Andreas Marggrab [5].

Cink je za naše telo zelo pomemben mikroelement. Priporočen dnevni vnos je od 7 do 10 mg. Glavni viri so govedina, svinjina, jajca, mleko, ostrige, stročnice in oreščki.

Njegovo pomanjkanje lahko vodi do izpadanja las, dermatitisa, driske, zaostajanje v rasti ter slabega imunskega sistema. Pomanjkanje povezujejo tudi s sladkorno boleznijo [6].

3

1.3 Vanadij

Vanadij je prehodni element s simbolom V in vrstnim številom 23. Nahaja se v 5.

skupini periodnega sistema in ima elektronsko konfiguracijo [Ar] 3d³ 4s². 99,76 % vanadija se nahaja kot izotop ⁵¹V. Možna oksidacijska stanja so –3, –1, 0, +1, +2, +3 in najbolj stabilna +4 ter +5. Čisti vanadij je srebrno-sive barve, spojine pa so zelo različno obarvane, odvisno od oksidacijskega stanja vanadija. Leta 1830 je vanadij, po skandinavski boginji lepote Vanadis, poimenoval kemik Nils Gabriel Sefström. Element je že prej proučeval Andrés Manuel del Río, vendar je predvideval, da je odkril novo obliko kroma [5].

Vanadij v naravi najdemo v obliki različnih rud, kot sta karnotit KUO2VO4·1.5H2O in vanadinit Pb5(VO4)3Cl. Veliko vanadija se proizvede iz stranskih produktov proizvodnje drugih kovin, saj se nahajajo skupaj [7].

Večina vanadija se porabi v metalurgiji pri proizvodnji ferovanadija. Ta zlitina ima zaradi vanadija večjo trdnost, žilavost in prožnost. Vanadijeve spojine se uporabljajo kot katalizatorji, na primer V2O5 pri proizvodnji žveplove kisline [5,7].

Vanadij najdemo v telesu v sledovih. Priporočena dnevna doza je od 6 do 18 µg.

Ocenjeno je, da ga povprečna prehrana vsebuje 10–60 µg, od tega se približno 10 % absorbira v telo. Vanadij lahko pride v telo tudi z vdihavanjem V2O5 delcev [8].

Študije so pokazale, da ima vanadij potencial za zdravljenje srčnih in nevronskih motenj, virusnih in bakterijskih okužb ter malignih tumorjev. Vse bolj zanimivi postajajo kompleksi vanadija za zdravljenje diabetesa [8,9].

4

5

2 Namen dela

Namen diplomskega dela je pregled stanja na področju sladkorne bolezni in njenega zdravljenja. Osredotočila se bom na raziskave s področja cinkovih in vanadijevih kompleksov z potencialnim hipoglikemičnim delovanjem. Predstavila bom sintezo metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata, ki sem jo izvedla v sklopu diplomske naloge.

7

3 Razprava

Pri bolnikih s sladkorno boleznijo lahko, kljub zdravljenju, pride do hiperglikemije ali hipoglikemije, torej zvišane ali znižane koncentracije glukoze v krvi. Prva nastane zaradi premajhnega odmerka inzulina, preveč zaužitih ogljikovih hidratov ali drugih obolenj. Druga je lahko posledica prevelikega odmerka inzulina, prevelike telesne aktivnosti, izpuščenega obroka ali pitja alkohola. Pri blagi hipoglikemiji pomaga obrok bogat z ogljikovimi hidrati ali nekaj sladkega. Pri zelo nizki koncentraciji glukoze v krvi pomaga injekcija glukagona. To je hormon, ki v jetrih pospeši razgradnjo glikogena ter izločanje glukoze v kri [3].

3.1 Zdravljenje diabetesa

3.1.1 Inzulin in njegovi analogi

Inzulin so za zdravljenje sladkorne bolezni prvič uporabili leta 1922 [10]. Najprej so uporabljali izoliran živalski inzulin, nato pa so ga začeli proizvajati s pomočjo gensko spremenjenih organizmov. Danes poznamo mnogo inzulinskih analogov, ki lajšajo življenje diabetikom. Aplicirajo se lahko v obliki podkožnih injekcij ali inzulinskih črpalk. Pri tej bolezni je zelo pomembno izobraževanje bolnikov, saj morajo znati dozirati inzulin. To je odvisno od vrste inzulina, števila ogljikovih hidratov in maščob pri obroku, vrednosti glukoze pred obrokom, fizične aktivnosti itd.

Inzulini se razlikujejo glede na:

 čas začetka delovanja (čas od aplikacije do začetka delovanja),

 čas največjega delovanje (čas, ko doseže največji učinek),

 čas trajanja (obdobje v katerem vpliva na zniževanje) [11].

8

Normalen inzulin ima enako strukturo kot hormon, ki ga izloča naša slinavka. Struktura je vidna na Slika 1. Okrog cinkovega iona je šest monomerov inzulina, ki so sestavljeni iz dveh verig, povezujejo pa jih disulfidni mostovi. Heksameri niso stabilni in razpadejo na monomere, ki se lahko vežejo na inzulinske receptorje. Čas začetka delovanja je približno 40 minut, vrh delovanja doseže po dveh urah [11].

Slika 1: Heksamer inzulina [12]

Hitro delujoči inzulinski analogi so nastali zaradi potrebe po hitrem delovanju.

Diabetiki ga uporabijo malo pred svojim obrokom, kar je bolj praktično od navadnega inzulina. Čas začetka delovanja je približno 15 minut, vrh delovanja pa doseže po 30 minutah. V to skupino spadajo inzulini lispro, aspart in glulisin. Njihova struktura se malce razlikuje od navadnega inzulina, kar povzroči manj stabilne heksamerne enote.

Pri inzulinu lispro je zamenjan vrstni red dveh aminokislin, pri aspartu in glulisinu pa so aminokisline zamenjane [11].

9

Dolgo delujoči inzulinski analogi lahko omogočajo stabilno 24-urno sproščanje inzulina v telesu. Zaradi bolj enakomernega delovanja kot hitro delujoči inzulini, je tveganje za nočno hipoglikemijo veliko manjše. Prva predstavnika te skupine sta glargin in detemir.

Glargin se od navadnega inzulina razlikuje v dodanih aminokislinah, ki spremenijo izoelektrično točko na nevtralen pH. To je pogoj za obarjanje v podkožnem tkivu, kjer se tvori agregat, kar omogoča dolgotrajno sproščanje.

Detemirju je bila v primerjavi z inzulinom odvzeta ena od aminokislin in dodana miristilna kislina (CH3(CH2)12COOH). Mehanizem počasnega sproščanja še ni popolnoma pojasnjen. Zaradi kisline se heksamerne enote reverzibilno povezuje z albuminom, nato pa se počasi sproščajo in razpadajo na monomere.

Še boljše in dolgotrajnejše sproščanje inzulina so dosegli z inzulinom glargin U300 (32h) in inzulinom degludek (42h) [11].

Dvofazni inzulini so mešanice različno dolgo delujočih inzulinov. So enostavnejši za uporabo, potrebno je manj dnevnih aplikacij, manjša je možnost za hipoglikemijo.

Zdravljenje z njimi ne omogoča tako dobre kontrole glukoze kot zdravljenje z ločenimi komponentami [3].

Razvoj analogov inzulina gre v različne smeri:

 razvoj inzulina z čim daljšim sproščanjem,

 ''pametni'' inzulin, ki bi se sproščal, ko bi se nivo glukoze v krvi povišal,

 inzulini z drugačnim načinom apliciranja (inhaliranje ali oralno dovajanje) [11].

10

3.1.2 Druga sintetična zdravila

Pri zdravljenju sladkorne bolezni, se v kombinaciji z inzulinom, lahko uporabljajo še druga sintetična zdravila, ki se zaužijejo peroralno. Nekaj primerov je na Slika 2.

Najpogosteje predpisano zdravilo je metformin, ki spada v skupino bigvanidov. Zavira tvorbo glukoze v jetrih, povečuje aktivnost receptorjev za inzulin in zavira apetit.

Raziskave so pokazale, da ima pozitivni učinek na srčno-žilni sistem in protirakavo delovanje. Najbolj nevaren nezaželeni učinek je laktacidoza, ki se pojavlja pri bolnikih s kronično ledvično okvaro [13].

Tiazolidindioni, povečujejo aktivnost receptorjev za inzulin. Imajo kar nekaj stranskih učinkov, zato niso prva izbira za zdravljenje. Povezujejo jih s povečano možnostjo za srčni infarkt, povzročijo lahko pridobivanje telesne teže [4,14].

Meglitinidi in derivati sulfonilsečnine spodbujajo β-celice pri izločanju inzulina.

Meglitinidi delujejo zelo hitro, medtem ko derivati sulfonilsečnine delujejo počasneje in dlje časa. Obe zdravili lahko povzročita pridobivanje telesne teže [4,14].

Uporabljajo se tudi razni agonisti in zaviralci, na primer zaviralci α-glukozidaze, ki upočasnjujejo absorpcijo glukoze iz prebavil [4,14].

11

Slika 2: Peroralni antidiabetiki

3.1.3 Naravne učinkovine

Poleg razvoja sintetičnih zdravil se znanstveniki ukvarjajo tudi z naravnimi učinkovinami, ki bi lahko lajšale bolezen. Tradicionalna kitajska medicina uporablja razne rastline iz katerih pridobijo polisaharide. Študije so pokazale, da lahko imajo te molekule antidiabetični učinek, poleg tega pa so skoraj brez stranskih učinkov.

Najpogosteje uporabljene rastline so: mongolski grahovec, kitajska kustovnica, angelika, ginseng itd. Problem teh učinkovin je nejasno delovanje v organizmu [15].

gliburid (derivat sulfonilsečnine)

12

3.2 Uporaba cinka in vanadija pri zdravljenju diabetesa

Že dolgo je znano, da lahko nekateri kovinski ioni vplivajo na metabolizem glukoze.

Potencial za zdravljenje sladkorne bolezni imajo tisti, ki za človeka, v majhnih odmerkih, niso toksični. Te kovine so: vanadij, cink, krom, magnezij, mangan, selen in molibden. V zadnjem času veliko raziskav poteka na razvoju cinkovih in vanadijevih spojin [16]. Zaradi slabe absorpcije iz prebavil anorganske soli niso primerne. Z večanjem odmerkov bi se povečevala tudi njihova toksičnost.

Bolj primerne so koordinacijske spojine, ki morajo biti čim manj toksične, imeti nevtralni naboj in čim nižjo molekulsko maso. Ker bi se zdravila aplicirala peroralno, je pomembno, da so spojine stabilne pri nižjih pH vrednostih. Topne morajo biti v vodi, hkrati pa dovolj lipofilne, da lahko prehajajo skozi lipidni dvosloj celičnih membran.

Vse te lastnosti se spreminjajo z izbiro ligandov [17].

Cinkovi in vanadijevi ioni pospešujejo ali posnemajo delovanje inzulina. Delujejo tako, da pospešijo transport glukoze v celice in povečujejo občutljivost celic na inzulin [16,18,19]. Poleg tega cinkovi ioni vplivajo na izločanje in stabilnost inzulina. Ioni pomagajo pri stabilnosti dimerov inzulina, ki se nato povežejo v stabilno heksamerno obliko, ki se skladišči v β-celicah [19]. Cinkove ione so dodajali inzulinu. Tako so podaljšali delovanje inzulina, prav tako pa nadomestili pomanjkanje cinka v krvi pri sladkornih bolnikih [20].

Že pred prvo uporabo inzulina so glukozo v krvi poskušali zniževati z nekaterimi vanadijevimi spojinami. Kot prvi je bil leta 1899 uporabljen natrijev metavanadat (NaVO3). Kasneje so ga zaradi toksičnosti zamenjali z vanadijevim sulfatom (VOSO4).

Kmalu je šel razvoj zdravil v smer sinteze kompleksov [18,21,22].

13

Bis(etilmaltolato)oksidovanadij(IV) − BEOV (Slika 3) je edina vanadijeva koordinacijska spojina, ki je bila preizkušena na ljudeh [18,21,22].

Slika 3: Bis(etilmaltolato)oksidovanadij(IV)

Proti-diabetično delovanje cinkovih in vanadijevih ionov so raziskovali in vitro, glede na zaviranje sproščanja prostih maščobnih kislin iz izoliranih adipocitov podgan. Testi in vivo so potekali na podganah ali miših, ki so imele poškodovane β-celice trebušne slinavke. Okvaro so dosegli z odmerki streptozotocina, ki je toksičen za te celice [19,21,23–26].

Zelo pogosto uporabljena liganda sta pikolinska kislina in maltol. Pikolinska kislina in njeni derivati dokazano povečujejo absorpcijo cinka v telo [19]. Maltol je naravna snov, ki se uporablja kot ojačevalec okusa [21]. Prav tako je zanimiv njegov analog aliksin, ki ga lahko najdemo v česnu. Obetaven je tudi kompleks cinka z askorbinsko kislino (C vitamin), ki bi imel antioksidativno in antidiabetično delovanje [19,23,24].

Testirane so bile tudi spojine cinka in vanadija z aminokislinami, derivati pikolinske in dipikolinske kisline, mlečne in kininske kisline, pirazoni itd [19–21,23–27]. Problem sintetičnih ligandov je pomanjkanje podatkov o njihovi toksičnosti in vplivu na človeka.

14

Komplekse lahko razdelimo na več tipov, glede na to kaj je vezano na centralni ion.

Nekaj primerov vanadijevih spojin je na Slika 4. Podobne so tudi spojine z cinkom, le da je pri njih, namesto VO(IV), Zn(II) [19,24].

Slika 4: Vanadijeve spojine z antidiabetičnim delovanjem

pcd: pirolidin ditiokarbamat; cysm: metilcistein; opt:pirition; pic: pikolinat;

6mpa: 6-metillpikolinat; 5ipa: 5-jodopikolinat; ox: oksalat; mal: maltol; tar: tartrat;

metf: metformin; [23,24]

15

3.3 Koordinacijske spojine dipikolinske kisline

Za koordinacijske spojine je značilno, da so na centralni kovinski ion ali atom vezani ligandi. To so lahko molekule ali ioni, ki se povežejo preko donorskega atoma, ki donira vsaj en elektronski par centralnemu ionu/atomu. Tako nastane koordinacijska vez.

Poznamo več vrst ligandov. Ločimo jih glede na način vezave na centralni ion/atom.

Poznamo enovezne, dvovezne, ambidentatne, večvezne in mostovne, ki povezujejo dva ali več centralnih ionov/atomov. Značilnost centralnih ionov/atomov je koordinacijsko število, ki nam pove koliko vezi tvori. Običajno so to števila od 2 do 9, od njih pa je odvisna razporeditev ligandov [28].

Dipikolinska kislina ali piridin-2,6-dikarboksilna kislina je trovezen anionski ligand. Na kovino se veže preko dušika in karboksilatnih kisikov (Slika 5). V naravi jo najdemo v bakterijskih sporah, sicer pa se uporablja kot prehranski aditiv. Dodajajo jo za stabilizacijo peroksicidnih kislin med skladiščenjem rdečega mesa, rib, zelenjave ter omak [29].

Slika 5: Primer cinkovega kompleksa z dvema dipikolinskima kislinama

Primerjava bis(pikolinato)-, bis(6-metilpikolinato) oksovanadija(IV) in bis(5- jodopikolinato)oksovanadija(IV) (Slika 4) je pokazala, da se inzulin-posnemajoče delovanje poveča, če so na obroč vezane dodatne elektrondonorske ali akceptorske skupine [24]. Zaradi tega je bilo pripravljenih mnogo derivatov pikolinske kisline:

etilpikolinati, halopikolinati, hidroksipikolinati, ter amidi in monoestri dipikolinske kisline [27].

16

3.3.1 Sintezni postopek pretvorbe dipikolinske kisline v mono-amidne derivate Amidne derivate dipikolinske kisline lahko pripravimo po sledečem postopku [20].

Najprej dipikolinsko kislino pretvorimo v dimetilni ester dipikolinske kisline, nato pa ga hidroliziramo do monoestra (Slika 6).

Slika 6: Pretvorba dipikolinske kisline do metilnega estra

Sledi pretvorba monoestra v kislinski klorid. Ta korak poteka z oksalil kloridom pod inertnimi pogoji. Ko reakcija poteče dodamo izbrani amin, zadnji korak pa je hidroliza, pri kateri odstranimo estersko skupino. Dobimo monoamidni derivat dipikolinske kisline, ki je primeren za vezavo na kovinske ione (Slika 7).

Slika 7: Pretvorba metilnega estra dipikolinske kisline do monoamidnih derivatov

17

4 Rezultati

Iz metilnega estra dipikolinske kisline sem pripravila metil 6-(morfolin-4- karbonil)pikolinat. Sintezo sem izvedla v dveh stopnjah, obe sta potekali v inertni atmosferi, da je bila zagotovljena selektivnost. Najprej sem monoester pretvorila v kislinski klorid. Za to sem uporabila oksalil klorid in katalizator DMF. Pri tem sem oksalil klorid dodajala zelo počasi, reakcijsko zmes pa vseskozi hladila. Reakcija je namreč eksotermna, oksalil klorid pa ima nizko vrelišče (61°C). Dobljenega kislinskega klorida nisem karakterizirala, saj je zelo reaktiven. Pod vakuumom sem ga posušila, da sem odstranila topilo in morebitne ostanke oksalil klorida. V naslednjem koraku sem kislinski klorid raztopila v suhem diklorometanu in dodala morfolin. Reakcijska zmes je morala biti ves čas pod inertno atmosfero, saj bi drugače kislinski klorid reagiral že z vodo. Produkt je bil po čiščenju oranžne barve, sprva je bil oljnat, po 3 dneh se je strdil.

Predvidevam, da je v produktu od postopka čiščenja ostala voda, ki je potem počasi hlapela.

18

V ¹H NMR spektru metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata (Slika 8) opazimo signale, ki pripadajo trem aromatskim protonom, trem protonom metilne skupine in osmim protonom štirih metilenskih skupin morfolinskega obroča.

1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 8,12 (dd, 1H, Ar-H dipic); 7,92 (t, 1H, Ar-H dipic); 7,84 (dd, 1H, Ar-H dipic); 3,94 (s, 3H, OCH3); 3,76 (m, 4H, CH2); 3,66 (m, 4H, CH2).

Slika 8: ¹H NMR spekter metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata

19

5 Eksperimentalni del

5.1 Reagenti in topila

5.2 Metode karakterizacije

Spojine sem karakterizirala z nuklearno magnetno resonanco – NMR.

1H NMR spektri so bili posneti na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo v Ljubljani. Uporabljen je bil instrument Bruker Avance III 500 MHz.

Za standard je bil uporabljen TMS, kot topilo pa CDCl3.

IME FORMULA

N,N-dimetilformamid C3H7NO

Oksalil klorid (COCl)2

Diklorometan CH2Cl2

Morfolin C4H9NO

Natrijev klorid NaCl

Magnezijev sulfat MgSO4

20

5.3 Sinteze

Sinteze sem izvedla po postopkih iz doktorskega dela Tanje Koleša Dobravc [20].

5.3.1 Sinteza metil 6-(klorokarbonil)pikolinata

Metil 6-(metoksikarbonil)pikolinsko kislino (1,114 g, 6,16 mmol) sem vakuumirala, da se je posušila. Raztopila sem jo v suhem diklorometanu (50 mL) in ohladila na 0 °C.

Sistem sem ves čas prepihovala z dušikom. Dodala sem DMF (9 kapljic) in nato po kapljicah še oksalil klorid (1,1 mL, 12,9 mmol). Zmes se je nato med prepihovanjem mešala 2,5 h pri sobni temperaturi. S pomočjo vakuuma sem odparila topilo in preostanek reagenta ter produkt posušila. Še isti dan sem ga, brez predhodnega čiščenja ali analiz, uporabila za nadaljnjo sintezo.

21

5.3.2 Sinteza metil 6-(morfolin-4-karbonil)pikolinata

Kislinski klorid iz predhodne sinteze (1,228 g, 6,16 mmol) sem raztopila v suhem diklorometanu (50 mL). Med prepihovanjem z dušikom sem dodala morfolin (1,2 mL, 13,5 mmol) in zmes pri sobni temperaturi pod dušikom mešala 19 ur. Bistro rumeno raztopino sem prenesla v lij ločnik in jo sprala z vodo (2 × 20 mL), nato pa z nasičeno raztopino natrijevega klorida (10 mL). Organsko fazo sem posušila z brezvodnim magnezijevim sulfatom in odparila topilo na rotavaporju. Produkt je bil oranžne barve, sprva je bil oljnat, po 3 dneh se je strdil.

Izkoristek reakcije:

m = 1,427 g, η = 92,7 %.

23

6 Zaključek

Diabetes ali sladkorna bolezen je najpogostejša presnovna bolezen na svetu. Statistika kaže, da je bil leta 2019 delež obolelih kar 9,3 % svetovne populacije, poleg tega veliko ljudi nima diagnosticirane bolezni. Zaradi nezdravega življenjskega sloga se povečuje število obolelih za sladkorna bolezen tipa ΙΙ. Zdravljenje poteka z dodajanjem inzulina oziroma njegovih analogov ali z jemanjem peroralnih antidiabetikov. Poleg tega, da povzročajo številne stranske učinke, ne odpravljajo vzroka za diabetes.

Nekateri kovinski ioni imajo zmožnost vpliva na metabolizem glukoze. Še posebej zanimiva sta cink in vanadij, ki pospešita transport glukoze v celice in povečujeta občutljivost celic na inzulin. Cink vpliva tudi na izločanje in stabilnost inzulina. Ker telo slabo absorbira anorganske soli, se je začel razvoj kompleksov z organskimi ligandi. Sintetiziranih je mnogo kompleksov, ki izkazujejo antidiabetične lastnosti, vendar je pod vprašajem njihova toksičnost. Največji potencial izkazujejo ligandi, ki jih najdemo tudi v naravi, oziroma se že uporabljajo kot prehranski aditivi.

Iz metilnega estra dipikolinske kisline sem pripravila metil 6-(morfolin-4- karbonil)pikolinat. Reakcije sem izvajala pod inertno atmosfero in s suhim topilom, saj drugače sinteze ne bi bile selektivne. Najprej sem monoester z oksalil kloridom in katalizatorjem DMF pretvorila v kislinski klorid. Reakcija je eksotermna, zato sem reakcijsko zmes hladila. Klor sem substituirala z morfolinom in dobila metil 6- (morfolin-4-karbonil)pikolinat, ki bi bil po hidrolizi pripravljen za vezavo v koordinacijske spojine.

25

7 Seznam uporabljenih virov

[1] P. Saeedi, I. Petersohn, P. Salpea, B. Malanda, S. Karuranga, N. Unwin, S.

Colagiuri, L. Guariguata, A. A. Motala, K. Ogurtsova, idr.: Global and regional diabetes prevalence estimates for 2019 and projections for 2030 and 2045:

Results from the International Diabetes Federation Diabetes Atlas, 9th edition.

Diabetes Res. Clin. Pract. 2019, 157.

[2] What is diabetes. International Diabetes Federation.

https://www.idf.org/aboutdiabetes/what-is-diabetes.html (pridobljeno 2. sep.

2020).

[3] Kaj je diabetes? Zveza društev Diabetikov Slovenije. https://www.diabetes- zveza.si/diabetes-in-jaz/kaj-je-diabetes/ (pridobljeno 20. apr. 2020).

[4] S. Chatterjee, K. Khunti, M. J. Davies: Type 2 diabetes. Lancet 2017, 389, 2239–

2251.

[5] F. Lazarini, J. Brenčič: Splošna in anorganska kemija. Ljubljana: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo 2017.

[6] A. K. Sauer, S. Hagmeyer, A. M. Grabrucker: Zinc deficiency. Br. Med. J. 2003, 326, 409–410.

[7] Vanadium. Britannica Online Encyclopedia.

https://www.britannica.com/print/article/622782 (pridobljeno 1. sep. 2020).

[8] A. Goc: Biological activity of vanadium compounds. Cent. Eur. J. Biol. 2006, 1, 314–316.

[9] D. Rehder: Vanadium. Its role for humans. Met. Ions Life Sci. 2013, 13, 139–169.

[10] First use of insulin in treatment of diabetes on this day in 1922. Diabetes UK.

https://www.diabetes.org.uk/about_us/news_landing_page/first-use-of-insulin-in- treatment-of-diabetes-88-years-ago-today (pridobljeno 27. okt. 2020).

[11] C. Mathieu, P. Gillard, K. Benhalima: Insulin analogues in type 1 diabetes mellitus: Getting better all the time. Nat. Rev. Endocrinol. 2017, 13, 385–399.

[12] P. Docherty: Evaluation and Development of the Dynamic Insulin Sensitivity and Secretion Test for Numerous Clinical Applications. New Zealand, Christchurch:

University of Canterbury 2011, PhD Thesis.

[13] M. Lunder, M. Janić, Š. Volčanšek, A. Janež: Metformin od mehanizmov delovanja do klinične uporabe. Zdr. Vestn. 2017, 86, 138–157.

26

[14] Diabetes Treatment: Medication, Diet, Insulin & Alternative. Medicine Net.

https://www.medicinenet.com/diabetes_treatment/article.htm#what_is_liraglutide _what_are_the_uses_for_liraglutide (pridobljeno 26. okt. 2020).

[15] Y. Zheng, L. Bai, Y. Zhou, R. Tong, M. Zeng, X. Li, J. Shi: Polysaccharides from Chinese herbal medicine for anti-diabetes recent advances. Int. J. Biol.

Macromol. 2019, 121, 1240–1253.

[16] H. Sakurai: A new concept: The use of vanadium complexes in the treatment of diabetes mellitus. Chem. Rec. 2002, 2, 237–248.

[17] H. Sakurai, A. Katoh, Y. Yoshikawa: Chemistry and Biochemistry of Insulin- Mimetic Vanadium and Zinc Complexes. Trial for Treatment of Diabetes Mellitus. Chem. Soc. Japan 2006, 79, 1645–1664.

[18] D. C. Crans: Antidiabetic, Chemical, and Physical Properties of Organic Vanadates as Presumed Transition-State Inhibitors for Phosphatases. J. Org.

Chem. 2015, 80, 11899–11915.

[19] C. I. Chukwuma, S. S. Mashele, K. C. Eze, G. R. Matowane, S. M. Islam, S. L.

Bonnet, A. E. M. Noreljaleel, L. M. Ramorobi: A comprehensive review on zinc(II) complexes as anti-diabetic agents: The advances, scientific gaps and prospects. Pharmacol. Res. 2020, 155.

[20] T. Koleša-Dobravc: Koordinacijske spojine prve vrste prehodnih elementov s potencialnim hipoglikemičnim delovanjem. Ljubljana: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo UL 2015, doktorska disertacija.

[21] K. H. Thompson, C. Orvig: Vanadium in diabetes: 100 years from Phase 0 to Phase I. J. Inorg. Biochem. 2006, 100, 1925–1935.

[22] J. C. Pessoa, S. Etcheverry, D. Gambino: Vanadium compounds in medicine.

Coord. Chem. Rev. 2015, 301–302, 24–48.

[23] H. Sakurai, S. Funakoshi, Y. Adachi: New developments of insulinomimetic dinuclear vanadyl(IV)-tartrate complexes. Pure Appl. Chem. 2005, 77, 1629–

1640.

[24] H. Sakurai, Y. Kojima, Y. Yoshikawa, K. Kawabe, H. Yasui: Antidiabetic vanadium(IV) and zinc(II) complexes. Coord. Chem. Rev. 2002, 226, 187–198.

[25] M. Li, W. Ding, J. J. Smee, B. Baruah, G. R. Willsky, D. C. Crans: Anti-diabetic effects of vanadium(III, IV, V)-chlorodipicolinate complexes in streptozotocin- induced diabetic rats. BioMetals 2009, 22, 895–905.

[26] E. Ueda, Y. Yoshikawa, Y. Ishino, H. Sakurai, Y. Kojima: Potential insulinominetic agents of zinc(II) complexes with picolinamide derivatives:

Preparations of complexes, in vitro and in vivo studies. Chem. Pharm. Bull.

2002, 50, 337–340.

27

[27] T. Koleša-Dobravc, K. Maejima, Y. Yoshikawa, A. Meden, H. Yasui, F. Perdih:

Bis(picolinato) complexes of vanadium and zinc as potential antidiabetic agents:

Synthesis, structural elucidation and: In vitro insulin-mimetic activity study. New J. Chem. 2018, 42, 3619–3632.

[28] G. A. Lawrance: Introduction to Coordination Chemistry; West Sussex: Wiley &

Sons 2010, 1-15.

[29] 2,6-Pyridinedicarboxylic acid. PubChem.

https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/2_6-Pyridinedicarboxylic- acid#section=Metabolite-References (pridobljeno 4. nov. 2020).