chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2018-13-5-14-22chemicallytech-165Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF MEDICINAL COMPOUNDS AND BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCESХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙSELECTION OF PROTECTIVE GROUPS UPON OPTIMIZING THE SYNTHESIS OF γ-PNA BASED ON L-GLUВЫБОР ЗАЩИТНЫХ ГРУПП ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ СИНТЕЗА МОНОМЕРОВ γ-ПНК НА ОСНОВЕ L-ГЛУТАМИНОВОЙ КИСЛОТЫПрохоровИ. А.ProkhorovI. A.

ассистент кафедры биотехнологии и промышленной фармации

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86

Assistant of the Chair of Biotechnology and Industrial Pharmacy

86, Vernadskogo Pr., Moscow 119571, Russia

noemail@neicon.ruМелкумоваА. А.MelkumovaA. A.

студент 5 курса кафедры биотехнологии и промышленной фармации

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86

Master Student of the Chair of Biotechnology and Industrial Pharmacy

86, Vernadskogo Pr., Moscow 119571, Russia

noemail@neicon.ruАбдельбакиА. С.AbdelbakyA. S.

аспирант 3 года обучения кафедры биотехнологии и промышленной фармации

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86

Postgraduate Student of the Chair of Biotechnology and Industrial Pharmacy

86, Vernadskogo Pr., Moscow 119571, Russia

Assistant Lecturer, Department of Biochemistry

Fayoum 63514, Egypt

noemail@neicon.ruЕсиповаО. В.EsipovaO. V.

доцент, кандидат химических наук, доцент кафедры биотехнологии и промышленной фармации

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86

docent, Ph.D. (Chemistry), Associate Professor of the Chair of Biotechnology and Industrial Pharmacy

86, Vernadskogo Pr., Moscow 119571, Russia

noemail@neicon.ruКирилловаЮ. Г.KirillovaYu. G.

кандидат химических наук, доцент кафедры биотехнологии и промышленной фармации

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86

старший научный сотрудник отдела биофизики

119435, Россия, Москва, М. Пироговская ул., 1A

Ph.D. (Chemistry), Associate Professor of the Chair of Biotechnology and Industrial Pharmacy

86, Vernadskogo Pr., Moscow, 119571 Russia

Senior Researcher, Department of Biophysics

1A, Malaya Pirogovskaya St., Moscow 119435, Russia

pna-mitht@yandex.ruМИРЭА - Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)РоссияMIREA - Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian FederationМИРЭА - Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова); Университет Эль-ФайюмРоссияMIREA - Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies); Fayoum UniversityRussian FederationМИРЭА - Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова); Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины ФМБА РоссииРоссияMIREA - Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies); Federal Research and Clinical Center of Physical-Chemical Medicine, FMBA of RussiaRussian Federation2018281020181351422Copyright © Prokhorov I.A., Melkumova A.A., Abdelbaky A.S., Esipova O.V., Kirillova Y.G., 20182018Прохоров И.А., Мелкумова А.А., Абдельбаки А.С., Есипова О.В., Кириллова Ю.Г.Prokhorov I.A., Melkumova A.A., Abdelbaky A.S., Esipova O.V., Kirillova Y.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/165

This work is devoted to optimization of the synthesis of γ-S-carboxyethyl monomers of PNA based on L-Glu. PNA are promising compounds that hybridize with DNA or RNA, and due to their properties they are used in molecular biology, personalized medicine, and can also be used to create nanomaterials. To increase the yield of the desired monomers, it has been proposed to replace the benzyl protecting group with the carboxy function of the side radical by cyclohexyl one. Two synthetic schemes were proposed. In the first of them, γ-benzyl-N-Boc-glutamic acid, which was reduced to β-amino alcohol, was the starting compound. The hydroxyl group was protected by a dimethyl-tert-butylsilyl group. The benzyl ester in the side radical was cleaved by reduction on a palladium catalyst using ammonium formate. However, the subsequent acylation of cyclohexyl alcohol failed. In the second of the proposed schemes, a known sequence of reactions was used, which led to the formation of a cyclic derivative of Cbz-protected glutamic acid. Then, the resulting compound was acylated with cyclohexyl alcohol to give the desired ester. The subsequent transformation of the protective groups of the ester resulted in the diprotected L-glutamic acid in three stages. Subsequent reduction gave the desired protected β-amino alcohol containing a cyclohexyl protecting group in the side radical. This compound was further used in the Mitsunobu reaction to obtain a completely protected core of the PNA monomer. Subsequent thiolysis reaction resulted in the formation of the target secondary amine, the stability of which substantially exceeded the stability of its analog with benzyl protection, obtained and investigated before. The structure of the new compounds obtained is confirmed by 1H-NMR spectroscopy.

Работа посвящена оптимизации синтеза γ-(S)-карбоксиэтильных мономеров ПНК на основе L-Glu. ПНК - перспективные соединения, которые гибридизуются с ДНК или РНК, а благодаря своим свойствам находят применение в молекулярной биологии, персонализированной медицине, а также могут использоваться для создания наноматериалов. Для увеличения выхода целевых мономеров было предложено заменить бензильную защитную группу на карбокси-функции бокового радикала на циклогексильную. Были предложены две синтетические схемы. В первой из них исходным соединением выступала γ-бензил-N-Boc-глутаминовая кислота, которую восстанавливали до β-аминоспирта; гидроксильную функцию защищали диметил-трет-бутилсилильной группой; бензиловый эфир в боковом радикале расщепляли восстановлением на палладиевом катализаторе, используя формиат аммония. Однако осуществить последующее ацилирование циклогексилового спирта не удалось. Во второй из предложенных схем была использована известная последовательность реакций, которая привела к образованию циклического производного Cbz-защищенной глутаминовой кислоты. Затем данным соединением ацилировали циклогексиловый спирт с получением целевого сложного эфира. Последующая трансформация защитных групп эфира приводила в три стадии к дизащищенной L-глутаминовой кислоте. Затем реакцией восстановления был получен желаемый защищенный β-аминоспирт, содержащий циклогексильную защитную группу в боковом радикале. Далее это соединение использовали в реакции Мицунобу с получением полностью защищенного остова мономера ПНК. Последовательно проведенная реакция тиолиза Ns-защитной группы привела к образованию целевого вторичного амина, стабильность которого существенно превзошла стабильность его аналога с бензильной защитой, полученного и исследованного ранее. При этом выход реакции тиолиза повысился в 2 раза. Структура новых соединений подтверждена данными 1Н-ЯМР-спектроскопии.

циклогексильная защитная группаконденсация по Мицунобуудаление орто-нитробензолсульфогруппы тиолизомγ-ПНКBoc-протоколγ-PNABoc protocolcyclohexyl protecting groupMitsunobu condensationremoval of ortho-nitrobenzenesulfonic group by thiolysisReferencesNielsen P.E., Egholm M., Berg R.H., Buchardt O. Sequence-selective recognition of DNA by strand displacement with a thymine-substituted polyamide // Science. 1991. № 254 (5037). P. 1497-1500.Nielsen P.E., Egholm M., Berg R.H., Buchardt O. Sequence-selective recognition of DNA by strand displacement with a thymine-substituted polyamide Science. 1991; 254(5037): 1497-1500.Varizhuk A.M., Dezhenkov A.V., Kirillova Yu.G. Chiral acyclic PNA modifications: Synthesis and properties // Studies in Natural Products Chemistry. 2016. V. 47. P. 261-305.Varizhuk A.M., Dezhenkov A.V., Kirillova Yu.G. Chiral acyclic PNA modifications: Synthesis and properties. Studies in Natural Products Chemistry. 2016; 47: 261-305.Egholm M., Buchardt O., Christensen L., Behrens C., Freier S.M., Driver D.A., Berg R.H., Kim S.K., Norden B., Nielsen P.E.PNA hybridizes to complementary oligonucleotides obeying the Watson-Crick hydrogen-bonding rules // Nature. 1993. № 365 (6446). P. 566-568.Egholm M., Buchardt O., Christensen L., Behrens C., Freier S.M., Driver D.A., Berg R.H., Kim S.K., Norden B., Nielsen P.E. PNA hybridizes to complementary oligonucleotides obeying the Watson-Crick hydrogenbonding rules. Nature. 1993; 365(6446): 566-568.Nielsen P.E. Peptide nucleic acid. A molecule with two identities. // Асс. Chem. Res. 1999. № 32. P. 624-630.Nielsen P.E. Peptide nucleic acid. A molecule with two identities. Асс. Chem. Res. 1999; 32: 624-630.Chin J.Y., Kuan J.Y., Lonkar P.S., Krause D.S., Seidman M.M., Peterson K.R., Nielsen P.E., Kole R., Glazer P.M. Correction of a splice-site mutation in the beta-globin gene stimulated by triplex-forming peptide nucleic acids // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008. № 105. P. 13514-13519.Chin J.Y., Kuan J.Y., Lonkar P.S., Krause D.S., Seidman M.M., Peterson K.R., Nielsen P.E., Kole R., Glazer P.M. Correction of a splice-site mutation in the beta-globin gene stimulated by triplex-forming peptide nucleic acids. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008; 105: 13514-13519.Janowski B.A., Kaihatsu K., Huffman K.E., Schwartz J.C., Ram R., Hardy D., Mendelson C.R., Corey D.R. Inhibiting transcription of chromosomal DNA with antigene peptide nucleic acids // Nat. Chem. Biol. 2005. № 1. P. 210-215.Janowski B.A., Kaihatsu K., Huffman K.E., Schwartz J.C., Ram R., Hardy D., Mendelson C.R., Corey D.R. Inhibiting transcription of chromosomal DNA with antigen peptide nucleic acids. Nat. Chem. Biol. 2005; (1): 210-215.Myers C.P., Williams M.E. Directed self-assembly of inorganic redox complexes with artificial peptide scaffolds // Coord. Chem. Rev. 2010. № 254. P. 2416-2428.Myers C.P., Williams M.E. Directed self-assembly of inorganic redox complexes with artificial peptide scaffolds. Coord. Chem. Rev. 2010; 254: 2416-2428.Tackett A.J., Corey D.R., Raney K.D. Non-Watson-Crick interactions between PNA and DNA inhibit the ATPase activity of bacteriophage T4 Dda helicase // Nucleic Acids Res. 2002. № 30. P. 950-957.Tackett A.J., Corey D.R., Raney K.D. NonWatson–Crick interactions between PNA and DNA inhibit the ATPase activity of bacteriophage T4 Dda helicase. Nucleic Acids Res. 2002; 30: 950-957.Corradini R., Sforza S., Tedeschi T., Totsingan F., Manicardi A., Marchelli R. Peptide nucleic acids with a structurally biased backbone. Updated review and emerging challenges // Curr. Top Med. Chem. 2011. № 11(12). P. 1535-1554.Corradini R., Sforza S., Tedeschi T., Totsingan F., Manicardi A., Marchelli R. Peptide nucleic acids with a structurally biased backbone. Updated review and emerging challenges. Curr. Top Med. Chem. 2011; 11(12): 1535-1554.Sugiyama T., Kittaka A. Chiral peptide nucleic acids with a substituent in the N-(2-aminoethy)glycine backbone // Molecules. 2012. № 18(1). P. 287-310.Sugiyama T., Kittaka A. Chiral peptide nucleic acids with a substituent in the N-(2-aminoethy)glycine backbone. Molecules. 2012; 18(1): 287-310.Kirillova Y.G., Boyarskaya N.P., Dezhenkov A.V., Tankevich M.V., Prokhorov I.A., Varizhuk A.M., Eremin S.V., Esipov D.S., Smirnov I.P., Pozmogova G.E. Polyanionic carboxyethyl peptide nucleic acids (ce-PNAs): Synthesis and DNA binding // PLoS ONE. 2015. V. 10(10). e0140468.Kirillova Y.G., Boyarskaya N.P., Dezhenkov A.V., Tankevich M.V., Prokhorov I.A., Varizhuk A.M., Eremin S.V., Esipov D.S., Smirnov I.P., Pozmogova G.E. Polyanionic carboxyethyl peptide nucleic acids (cePNAs): Synthesis and DNA binding. PLoS ONE. 2015; 10(10). e0140468.Falkiewicz B., Kołodziejczyk A.S., Liberek B., Wiśniewski K. Synthesis of achiral and chiral peptide nucleic acid (PNA) monomers using Mitsunobu reaction // Tetrahedron. 2001. V. 57. № 37. P. 7909-7917.Falkiewicz B., Kołodziejczyk A.S., Liberek B., Wiśniewski K. Synthesis of achiral and chiral peptide nucleic acid (PNA) monomers using Mitsunobu reaction. Tetrahedron. 2001; 57(37): 7909-7917.Manna A., Rapireddy S., Sureshkumar G., Ly D.H. Synthesis of optically-pure γPNA monomers: A comparative study Tetrahedron // 2015. V. 71. P. 3507-3514.Manna A., Rapireddy S., Sureshkumar G., Ly D.H. Synthesis of optically-pure γPNA monomers: A comparative study. Tetrahedron. 2015; 71: 3507-3514.Boyarskaya N.P., Prokhorov D.I., Kirillova Yu.G., Zvonkova E.N., Shvets V.I. Synthesis of protected pseudopeptides from dicarboxylic amino acids by Mitsunobu condensation // Tetrahedron Lett. 2005. V. 46. № 43. P. 7359-7362.Boyarskaya N.P., Prokhorov D.I., Kirillova Yu.G., Zvonkova E.N., Shvets V.I. Synthesis of protected pseudopeptides from dicarboxylic amino acids by Mitsunobu condensation. Tetrahedron Lett. 2005; 46(43): 7359-7362.Tam J.P. Cyclohexyl ester as a new protecting group for aspartyl peptides to minimize aspartimide formation in acidic and basic treatments // Tetrahedron Lett. 1979. № 42. P. 4033-4035.Tam J.P. Cyclohexyl ester as a new protecting group for aspartyl peptides to minimize aspartimide formation in acidic and basic treatments. Tetrahedron Lett. 1979; (42): 4033-4035.Christensen L., Fitzpatrick R., Gildea B., Petersen K.H., Hansen H.F., Koch T. Egholm M., Buchardt O., Nielsen P.E., Coull J., Berg R.H. Solid-phase synthesis of peptide nucleic acids // J. Peptide Sci. 1995. № 1(3). P. 175-183.Christensen L., Fitzpatrick R., Gildea B., Petersen K.H., Hansen H.F., Koch T. Egholm M., Buchardt O., Nielsen P.E., Coull J., Berg R.H. Solidphase synthesis of peptide nucleic acids. J. Peptide Sci. 1995; (3): 175-183.Nielsen P.E., Haaima G., Lohse A., Buchardt O. Peptide nucleic acids (PNAs) containing thymine monomers derived from chiral amino acids: Hybridization and Solubility properties of D-lysine PNA // Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 1996. № 35(17). P. 1939-1942.Nielsen P.E., Haaima G., Lohse A., Buchardt O. Peptide nucleic acids (PNAs) containing thymine monomers derived from chiral amino acids: Hybridization and solubility properties of D-lysine PNA. Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 1996; 35: 1939-1942.Кириллова Ю.Г., Баранов А.В., Прохоров Д.И., Есипова О.В., В.И.Швец. Препаративное получение β-аминоспиртов из производных дикарбоновых аминокислот // Журн. орг. химии. 2009. № 9. С. 1330-1332.Kirillova Yu.G., Baranov A.V., Prokhorov D.I., Esipova O.V., Shvets V.I. Preparative synthesis of β-amino alcohols from α-amino dicarboxylic acid derivatives. Rus. J. Org. Chem. 2009; 45: 1315-1317.Itoh M. Selective protection of α- or side-chain carboxyl groups of aspartic and glutamic acid. A facile synthesis of β-aspartyl and γ-glutamyl peptides // Chem. Pharm. Bull. 1969. № 17(8). P. 1679-1686.Itoh M. Selective protection of α- or side-chain carboxyl groups of aspartic and glutamic acid. A facile synthesis of β-aspartyl and γ-glutamyl peptides. Chem. Pharm. Bull. 1969; 17(8): 1679-1686.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.