В химии , A ladderane является органической молекулой , содержащей два или более конденсированных циклобутанового кольца. Название происходит от сходства серии сплавленных циклобутановых колец с лестницей . Разработаны многочисленные синтетические подходы к синтезу ладдерановых соединений различной длины. [1] Эти механизмы часто включают в себя [2 + 2] photocycloadditions , полезная реакция для создания напряженными 4-членные кольца. Ладдераны природного происхождения были идентифицированы как основные компоненты анаммоксосомной мембраны анаммокс- бактерий Planctomycetes .[2]
Номенклатура
Длина цепочки
Синтетические подходы дали лестдераны различной длины. Система классификации была разработана для описания лестдеранов на основе количества последовательных колец. [3] Длина ладдерана описывается числом в скобках перед словом «ладдеран». Это равно количеству связей двух циклобутанов ( n ) плюс 1.
Ладдеран из 3 или более звеньев может соединяться по кругу, образуя полосу, которую также можно рассматривать как два соединенных между собой параллельных циклоалкановых кольца. Они называются присманами .
Стереохимия
Ладдераны имеют два типа стереохимических отношений. [3] Один описывает относительное расположение атомов водорода при слиянии двух циклобутановых колец. Эти атомы водорода могут быть в цис- или транс- конфигурации. Транс-ладдераны не были синтезированы из-за штамма кольца в этих соединениях.
Второе стереохимическое соотношение описывает ориентацию трех последовательных циклобутановых колец и, следовательно, актуально только для лестдеранов с n ≥ 2. Два внешних кольца могут быть на одной поверхности (син-) или на противоположной стороне (анти-) кольца. центральное кольцо.
Синтез
Для лабораторного синтеза ладдерановых соединений использовались различные синтетические методы. Три основных подхода : (1) димеризации из полиеновых предшественников, (2) ступенчатое Кроме того, один или два кольца , в то время, (3) и олигомеризации. [3] Несколько примеров синтеза ладдеранов приведены ниже.
Димеризация циклобутадиена
При димеризации двух циклобутадиенов могут образовываться как син-, так и антиладдерановые продукты, в зависимости от условий реакции. [4] Первая стадия образования син-продукта включает образование 1,3-циклобутадиена обработкой цис-3,4-дихлорциклобутена амальгамой натрия . Реагент проходит через металлизированный промежуточный продукт до образования 1,3-циклобутадиена, который затем может димеризоваться с образованием син-диена. Гидрирование из двойных связей будет формировать насыщенный син- [3] -ladderane.
Для получения антипродукта цис-3,4-дихлорциклобутен обрабатывают амальгамой лития . [5] Производное лития подвергается реакции сочетания CC с образованием открытой димерной структуры. Этот промежуточный продукт реагирует с образованием антидиена, который можно гидрогенизировать с образованием конечного анти- [3] -ладдеранового продукта.
Синтез [4] -почечного диена
Другой синтетический подход, разработанный Мартином и соавторами, позволил синтез [4] -ладдеранов. [4] Начальная стадия включает образование [2] -ладдерана в результате добавления двух эквивалентов малеинового ангидрида с ацетиленом . Остальные два кольца образуются в результате сжатия колец Рамберга – Беклунда .
Синтез длинноцепочечных ладдеранов
Ладдераны с длиной до 13 циклобутановых колец были синтезированы Мехтой и его сотрудниками. [6] Этот процесс включает образование in situ дикарбометоксициклобутадиена из его комплекса Fe (CO) 3 при низких температурах с добавлением нитрата церия (IV) аммония (CAN) . При образовании бутадиена 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 дает только анти-продукт из-за стерических факторов.
Димеризация предшественников полиенов
В этих реакциях ладдераны образуются в результате множественных [2 + 2] фотоциклоприсоединений между двойными связями двух полиенов. [7] Сложность, которая возникает из этого подхода, заключается в реакции предшественников через альтернативные, более благоприятные пути фотовозбуждения . Эти побочные реакции предотвращаются за счет добавления химического спейсера, который удерживает два полиена параллельно друг другу, позволяя происходить только [2 + 2] циклоприсоединениям.
Обычным спейсером, используемым в этих реакциях, является парациклофановая система [2.2] . Он достаточно жесткий и может удерживать полиеновые хвосты достаточно близко, чтобы могли происходить циклоприсоединения.
МакГилливрей и его коллеги продемонстрировали, что супрамолекулярный подход к ковалентному синтезу в организованной среде твердого тела без растворителей может обеспечить решение проблемы организации двух полиенов для внутримолекулярной реакции с образованием ладдерана. В частности, применив подход к контролю реакционной способности в твердых телах с помощью молекул, которые служат в качестве линейных матриц, они продемонстрировали полезность сокристаллизации резорцина (1,3-бензолдиола) или его производного с полностью транс- бис (4 пиридил) поли м -ен (4-пиримидо-поли м -ы) производит четыре компоненты молекулярной сборки, 2 (резорцин) · 2 (4-пиримидо-поли м -ы), в котором каждый из резорцина preorganizes , через два взаимодействия водородных связей O — H ··· N, два полимера- м- ена для [2 + 2] фотоприсоединения. Два полиена расположены шаблонами таким образом, что связи C = C олефинов лежат параллельно и разделены на <4,2 Å, положение, подходящее для фотореакции. УФ-облучение твердого вещества дает целевой [ n ] ладдеран, при этом связи C = C реагируют с образованием конденсированного циклобутанового каркаса. Широкополосное УФ-облучение двух таких связанных водородными связями четырехкомпонентных супрамолекулярных ансамблей дает соответствующие лестдераны стереоспецифически и с количественным выходом в граммах. [8]
Биологический фон
Ладдераны были впервые идентифицированы в редкой группе анаэробных аммонийокисляющих бактерий ( анаммокс ), принадлежащих к типу Planctomycetes . Эти бактерии изолируют катаболические реакции анаммокс во внутриклеточных компартментах, называемых анаммоксосомами. [2] Способ анаммокс включает окисление из аммония в газообразный азот с нитритом в качестве конечного акцептора электронов . Промежуточными продуктами в этом процессе являются два высокотоксичных соединения, гидразин (N 2 H 4 ) и гидроксиламин (NH 2 OH). Процесс окисления включает генерацию протонного градиента на внутрицитоплазматической поверхности анаммоксосомы. Рассеяние протонного градиента связано с фосфорилированием АДФ через мембраносвязанные АТФазы . [9]
Анамоксосомы обогащены ладдерановыми липидами, показанными справа. [10] Анализ мембран анаммоксосом из видов бактерий Brocadia anammoxidans и Kuenenia stuttgartiensis показал, что ладдераны составляют более 50% мембранных липидов. Высокое содержание липидов ладдерана в анаммоксосоме приводит к исключительно плотной мембране с пониженной проницаемостью. [11] Пониженная проницаемость может уменьшить пассивную диффузию протонов через мембрану, которая рассеивает электрохимический градиент. Это будет особенно вредно для бактерий анаммокс из-за относительно медленного метаболизма анаммокса. Также предполагалось, что пониженная проницаемость связывает высокотоксичные и мутагенные промежуточные соединения, гидразин и гидроксиламин, которые могут легко диффундировать через биомембраны. Потеря этих ключевых промежуточных продуктов может повредить ключевые клеточные компоненты, такие как ДНК , а также снизить катаболическую эффективность клетки.
Синтез ладдерановых липидов
Встречающийся в природе [5] -ладдеран липид, названный пентациклоанаммоксической кислотой, был синтезирован Кори и соавторами. [12] Первая стадия этой реакции включает бромирование с последующей циклизацией циклооктатетраена с образованием циклогексадиена. Этот циклогексадиен улавливается дибензилазодикарбоксилатом. Модификации функциональных групп производятся для получения циклобутана, который образуется посредством [2 + 2] фотоциклоприсоединения 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 перегруппировкой Вольфа , а алкильная цепь устанавливается олефинированием по Виттигу .
В 2016 году Бернс и его сотрудники из Стэнфордского университета сообщили об энантиоселективном синтезе липидных хвостов [3] - и [5] -ладдеран и их включении в полноценный фосфатидилхолиновый липид. [13] Оба пути используют небольшой строительный блок [2] -ладдерен бицикло [2.2.0] гексен, полученный по реакции Рамберга-Беклунда . Путь к жирной кислоте, содержащей [5] -ладдеран, включает димеризацию этого промежуточного продукта с образованием полностью анти [5] -ладдеранового углеводорода. Хлорирование C – H катализатором на основе порфирина марганца и последующее удаление приводит к ненасыщенности с образованием [5] -ладдерена. Гидроборирование и реакция Цвайфеля устанавливают линейную алкильную группу.
Путь к [3] -ладдерану жирного спирта начинается с [2 + 2] фотоциклоприсоединения между бромированным бензохиноном и бицикло [2.2.0] гексеном. Удаление H – Br и добавление цинкорганического соединения приводит к образованию алкилового спирта. Гидразин -опосредованной реакция дезоксигенирования с последующим гидрированием с каталитической Crabtree по уменьшению эффектов к циклогексану кольцу.
Рекомендации
- ^ Хопф, Хеннинг; Джоэл Ф. Либман; Х. Марк Перкс (2009). «Кубаны, фенестраны, ладдераны, присманы, стаффаны и другие олигоциклобутаноиды». Химия функциональных групп PATAI . DOI : 10.1002 / 9780470682531.pat0337 . ISBN 9780470682531.
- ^ а б Фуэрст, Джон А. (23 мая 2005 г.). «Внутриклеточная компартментация у планктомицетов». Ежегодный обзор микробиологии . 59 : 299–328. DOI : 10.1146 / annurev.micro.59.030804.121258 . PMID 15910279 .
- ^ а б в Нури, Дастин Х .; Дин Дж. Тантилло (ноябрь 2006 г.). «Они пришли из глубин: синтез, применение и биология ладдеранов». Современная органическая химия . 10 (16): 2055–2074. DOI : 10.2174 / 138527206778742678 .
- ^ а б Хопф, Хеннинг (2003). «Шаг за шагом - от необычных к биологическим молекулярным лестницам» . Angewandte Chemie International Edition . 42 (25): 2822–2825. DOI : 10.1002 / anie.200301650 . PMID 12833336 .
- ^ Pettit, R .; Дж. Хенери (1970). «цис-3,4, -дихлорциклобутен» . Органический синтез . 50 : 36. DOI : 10,15227 / orgsyn.050.0036 .
- ^ Мехта, Говердхан; М. Баладжи Вишванатх; Аджит К. Кунвар (1994). «Характеристика [ n ] -ладдеранов беспрецедентной длины: новый рекорд для сплавленных карбоциклических массивов». Журнал органической химии . 59 (21): 6131–6132. DOI : 10.1021 / jo00100a002 .
- ^ Грейвинг, Гельмут; Хеннинг Хопф; Питер Дж. Джонс; Питер Бубеничек; Жан-Пьер Десвернь; Анри Буа-Лоран (1994). «Синтез, фотофизические и фотохимические свойства четырех [2.2] изомеров корицы; высокоэффективное стереоспецифическое [2 + 2] фотоциклоприсоединение». Журнал химического общества, химические коммуникации (9): 1075–1076. DOI : 10.1039 / C39940001075 .
- ^ Макгилливрей, Л. Р. (2004). «Супрамолекулярная конструкция молекулярных лестниц в твердом состоянии» . Энгью. Chem. Int. Эд . 43 (2): 232–236. DOI : 10.1002 / anie.200352713 . PMID 14695618 .
- ^ ван Нифтрик, Лаура А .; Джон А. Фуэрст; Яап С. Синнингхе Дамсте; Дж. Гийс Куэнен; Майк С. М. Джеттен; Марк Строус (2004). «Анамоксосома: внутрицитоплазматический компартмент в анаммокс-бактериях» . Письма о микробиологии FEMS . 233 (1): 7–13. DOI : 10.1016 / j.femsle.2004.01.044 . PMID 15098544 .
- ^ Дамсте, Яап С. Синниге; Марк Строус; В. Ирен К. Риджпстра; Эллен К. Хопманс; Ян А.Дж. Гееневасен; Адри К. Т. ван Дуин; Лаура А. ван Нифтрик; Майк С. М. Джеттен (17 октября 2002 г.). «Линейно связанные липиды циклобутана образуют плотную бактериальную мембрану». Природа . 419 (6908): 708–712. Bibcode : 2002Natur.419..708S . DOI : 10,1038 / природа01128 . PMID 12384695 .
- ^ Мосс, Фрэнк Р .; Шукен, Стивен Р .; Мерсер, Джарон А.М.; Коэн, Кэролайн М .; Weiss, Thomas M .; Боксер, Стивен Дж .; Бернс, Ноа З. (23.08.2018). «Ладдерановые фосфолипиды образуют плотно упакованную мембрану с нормальным гидразином и аномально низкой проницаемостью для протонов / гидроксидов» . Труды Национальной академии наук . 115 (37): 9098–9103. DOI : 10.1073 / pnas.1810706115 . ISSN 0027-8424 . PMC 6140541 . PMID 30150407 .
- ^ Маскитти, Винсент; Э. Дж. Кори (11 ноября 1994 г.). «Полный синтез (±) -пентациклоанаммоксической кислоты». Журнал Американского химического общества . 126 (48): 15664–15665. DOI : 10.1021 / ja044089a . PMID 15571387 .
- ^ Мерсер, Джарон А.М.; Коэн, Кэролайн М .; Шукен, Стивен Р .; Вагнер, Анна М .; Smith, Myles W .; Мосс, Фрэнк Р .; Смит, Мэтью Д .; Вахала, Рику; Гонсалес-Мартинес, Алехандро (14 декабря 2016 г.). «Химический синтез и самосборка ладдеранового фосфолипида» . Журнал Американского химического общества . 138 (49): 15845–15848. DOI : 10.1021 / jacs.6b10706 . ISSN 0002-7863 . PMC 5279923 . PMID 27960308 .