Аннотация результатов, полученных в 2016 году
За отчетный период 2016 г. получены новые фундаментальные научные знания о взаимосвязи структуры растворов углеводов с их реакционной способностью в условиях реакций гликозилирования. С помощью «супрамерного» подхода изучено влияние концентрации на структуру растворов и закономерности ряда реакций гликозилирования в растворах различных концентраций. С помощью набора физико-химических методов изучено влияние концентрации на структуру растворов углеводов, их производных и других модельных соединений в различных растворителях (в том числе в системах, моделирующих условия реакций) и выявлены закономерности образования «супрамеров» различного строения и особенностей реакций гликозилирования с их участием в растворах различных концентраций. С помощью статического и динамического светорассеяния водных растворов ДМСО удалось подтвердить существование «критической» концентрации 30% (мольн.) ДМСО в этих растворах, выявленной ранее с помощью ИК-спектроскопии, и связать ее с перестройкой мезоразмерных кластеров (доменов раствора с гидродинамическим радиусом 20–30 нм) по мере изменения концентрации ДМСО, а также привести новые экспериментальные свидетельства в пользу гипотезы о существовании мезоразмерных кластеров в воде. С помощью поляриметрии изучен набор растворов углеводов и их производных с целью поиска особых («критических») точек на концентрационных зависимостях величины удельного оптического вращения этих растворов и установлено, что растворы «защищенных» производных углеводов в органических растворителях могут вести себя по-разному при изменении концентрации растворенного вещества. Наряду с примерами незначительного изменения величины удельного оптического вращения с концентрацией для ряда растворов наблюдаются существенно немонотонные концентрационные зависимости, сопровождающиеся значительными изменениями величины удельного оптического вращения (до 25 единиц), что, по нашему мнению, связано с существенными изменениями структуры раствора, вызванными перестройками «супрамеров» растворенного вещества. С помощью поляриметрии впервые показано, что «супрамеры» могут образовываться без участия водородных связей. С помощью супрамерного подхода изучено влияние концентрации на результат реакций гликозилирования с участием гликозил-доноров на основе производных арабинофуранозы, не способных образовывать водородно-связанные гомо-«супрамеры», и производных нейраминовой (сиаловой) кислоты, способных образовывать водородно-связанные гомо-«супрамеры». Выявлены закономерности реагирования «супрамеров» реагентов, образующихся в различных концентрационных интервалах. На примере реакции гликозилирования тиогликозидным гликозил-донором на основе арабинофуранозы, растворы которого были изучены с помощью поляриметрии, был обнаружен ранее не известный феномен бимодальности поведения гликозил-донора в растворах разной концентрации. Показано, что существуют две области концентраций, разделенные «критической» концентрацией (10 ммоль/л), в которых молекулы этого гликозил-донора образуют принципиально различные «супрамеры» (типа I и типа II) с различными физическими и химическими свойствами. Анализ зависимости стероселективности гликозилирования тиогликозидным гликозил-донором на основе арабинофуранозы от температуры в координатах модифицированного уравнения Эйринга показал наличие двух линейных участков, пересекающихся в точке, которая соответствует температуре активации реакции при «критической» концентрации 10 ммоль/л, разделяющей области концентраций, в которых термодинамические параметры активации молекул гликозил-донора существенно различаются. Эти различия связаны с тем, что в указанных концентрационных областях молекулы гликозил-донора входят в состав «супрамеров» типа I и типа II. Сделан вывод о том, что одно и то же химическое соединение может реагировать по-разному в зависимости от того, в состав каких «супрамеров» входят его молекулы, т.е. химические свойства являются атрибутом «супрамера», а не отдельной молекулы. При изучении гликозилирования аниона дибутилфосфорной кислоты арабинофуранозилбромидом обнаружено беспрецедентное влияние концентрации реагентов на соотношение образующихся аномерных гликозилфосфатов. При концентрацииях гликозилбромида меньше 10 ммоль/л наблюдается резкий рост стереоселективности, и реакция протекает практически стереспецифично. Установлено, что результат гликозилирования первичной гидроксигруппы при C-6 галактозы двумя гликозил-донорами, отличающимися только заместителем (трифторацетильная или хлорацетильная защитная группа) при O-9 молекулы гликозил-донора на основе нейраминовой кислоты, может зависеть от использованных тестовых концентраций при условии их принадлежности к областям концентраций, в которых по данным поляриметрии существуют различные типы «супрамеров» каждого из гликозил-доноров. В то время как при низкой концентрации (0.05 моль/л) различия между результатами реакций с участием этих гликозил-доноров несущественны, при высокой концентрации (0.15 моль/л) гликозил-донор с хлорацетильной группой при O-9 реагирует в 3 раза быстрее, и гликозилирование протекает с заметно более высокой стереоселективностью. Противоречивые данные, полученные при различных концентрациях позволяют поднять вопрос об уместности обсуждения реакционной способности молекулы или селективности реакции, в которой участвуют молекулы. Противоречия исчезают, если предположить, что в зависимости от концентрации молекулы реагентов образуют принципиально различные «супрамеры», которые могут отличаться своими химическими свойствами. Полученные в 2016 г. результаты существенно расширяют наши представления о структуре растворов низкомолекулярных веществ и химических реакциях в растворах. Ссылка на информационный ресурс в сети Интернет, посвященный проекту: https://www.researchgate.net/project/Modulation-of-the-structure-of-reaction-solution-as-a-way-to-influence-the-outcome-of-glycosylation-reaction

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
За отчетный период 2017 г. получены новые фундаментальные научные знания о взаимосвязи структуры растворов углеводов и их производных с их реакционной способностью в условиях реакций гликозилирования. С помощью «супрамерного» подхода изучено влияние концентрации и от способа смешения реагентов на структуру растворов и закономерности ряда реакций гликозилирования в растворах различных концентраций. Наиболее значимые результаты связаны с выяснением возможных причин т.н. «микрофлюидного эффекта», т.е. существования различий в профилях реакционной способности (reactivity patterns) одного и того же вещества в зависимости от способа смешения реагентов. В целом, можно уверенно утверждать, что на примере двух различных реакций гликозилирования (с использованием гликозил-доноров на основе сиаловой кислоты и арабинофуранозы) нам удалось подтвердить выдвинутую нами ранее гипотезу о том, что «микрофлюидный эффект» связан с различными изменениями структуры растворов реагентов в ходе смешения в различных условиях. Эти результаты удалось достичь прежде всего благодаря успешному «разделению» во времени операции смешения гликозил-донора и гликозил-акцептора и собственно химической реакции между ними, которая начинается только после прибавления третьего компонента – промотора. Установлено, что добавление промотора к двум сериям предварительно приготовленных смесей одной и той же пары гликозил-донор – гликозил-акцептор с одинаковым мольным соотношением компонентов, но с различными концентрациями, приготовленных смешением компонентов в колбе или с помощью проточного микромиксера Comet X-01 (Япония), идентичного тому, который был использован для обнаружения «микрофлюидного эффекта», инициирует реакции гликозилирования, которые различаются для двух серий смесей гликозил-донора и гликозил-акцептора практически по всем параметрам: температуре, при которой происходит запуск реакции гликозилирования, времени реакции, выходу дисахарида, стереоселективности. По-видимому, можно говорить об изменении доступности отдельных молекул гликозил-донора (в составе «супрамеров») для атаки вследствие смешения в микромиксере. Поскольку промотор был добавлен только после смешения гликозил-донора и гликозил-акцептора, он инициировал реакцию других «супрамеров», которые предварительно образовались при смешении гликозил-донора и гликозил-акцептора в микромиксере, что привело к иным результатам реакции гликозилирования. Один из наилучших на сегодняшний день гликозил-доноров на основе арабинофуранозы, содержащий дополнительный стереоконтролирующий силиленовый цикл, показал меньшую стереоселективность в реакции в колбе, чем любой из вариантов с применением использованного нами моноциклического гликозил-донора на основе арабинофуранозы и микромиксера. Это означает, что даже имея в руках не самый «оптимальный» (с точки зрения молекулярной структуры) гликозил-донор, путем варьирования концентрации и – самое важное, – меняя способ смешения гликозил-донора и гликозил-акцептора, можно заметно улучшить результат реакции гликозилирования. Поэтому для получения устойчиво высоких выходов и стереоселективностей гликозилирования мало изобретать новые гликозил-доноры и находить новые способы их активации. Необходимым этапом разработки методов гликозилирования должно стать исследование структуры растворов гликозил-доноров и реакционных смесей, а также определение оптимальных концентраций и способов смешения всех реагентов. Установлено, что «критическая» концентрация (20 ммоль/л), ниже которой наблюдается резкий рост стереоселективности и реакция гликозилирования аниона дибутилфосфорной кислоты арабинофуранозилбромидом протекает практически стереоспецифично (α/β > 50:1), совпадает с «критической» концентрацией, при которой концентрационная зависимость удельного вращения растворов арабинофуранозилбромида в MeCN претерпевает излом, что указывает на то, что эта концентрация разделяет две «консервативные» области концентраций, в которых образуются «супрамеры» этого гликозил-донора, различающиеся своими физическими и химическими свойствами. Таким образом, существование «критических» концентраций в растворах и их связь с химическими свойствами растворенных веществ получили еще одно подтверждение. Обнаружен яркий пример сильного влияния удаленной защитной группы на структуру реакционного раствора и реакционную способность растворенного вещества. Установлено, что О-сиалилирование замещенного индолин-3-она в условиях межфазного катализа, которое не идет при использовании N-ацетилсиалилхлорида (Neu5AcCl), протекает с участием N,N-диацетилсиалилхлорида (Neu5Ac2Cl). Исследование с помощью динамического рассеяния света растворов обоих сиалилхлоридов в условиях, близких к условиям проведения гликозилирования, показало различие в радиусах корреляции светорассеивающих частиц в таких растворах. Судя по всему, молекулы гликозил-донора Neu5AcCl с одной N-ацетильной группой образуют более плотные «супрамеры», дополнительно стабилизированные водородными связями (это невозможно в случае Neu5Ac2Cl), что приводит к пониженной доступности отдельных молекул гликозил-донора для атаки нуклеофилом. Напротив, введение дополнительной N-ацетильной группы в сиалилхлорид существенно изменяет структуру «супрамеров» гликозил-донора, по-видимому, обладающих повышенной доступностью отдельных молекул для атаки нуклеофилом, что повышает наблюдаемую реакционную способность гликозил-донора Neu5Ac2Cl. Таким образом, модификация структуры гликозил-донора, влияющая на его способность образовывать водородно-связанные «супрамеры», может приводить к изменению его реакционной способности. Можно заключить, что именно структура реакционных растворов оказывает определяющее влияние на протекание реакций гликозилирования. Этот вывод очень важен и имеет принципиальное значение для понимания закономерностей химических реакций в растворах. Анализ хроматограмм образцов водных растворов левоглюкозана в условиях лигандо-обменной ВЭЖХ (детекция по отношению поглощений при двух разных длинах волн A195/A205) показал возможность наблюдения различных типов профилей элюции левоглюкозана для различных концентраций инжектируемых растворов. Сходные хроматографические профили наблюдаются для образцов с концентрациями, принадлежащих одной и той же «консервативной» области концентраций. Различающиеся хроматографические профили характерны для образцов с концентрациями, принадлежащих различным «консервативным» областям концентраций, которые находятся между «критическими» концентрациями (0.1, 0.5 и 1.0 моль/л). Важно отметить, что эти концентрации полностью соответствуют «критическим» концентрациям, обнаруженным нами ранее методами поляриметрии и светорассеяния, что позволяет предположить, что причины этих феноменов имеют единую природу, связанную с согласованными перестройками структуры раствора при изменении концентрации. Отсутствие на хроматограммах (детекция A195/A205) прямоугольных пиков означает, что УФ-спектры элюата различаются в зависимости от концентрации инжектируемого раствора и пик левоглюкозана не представляет собой пик «индивидуального соединения» и фактически является составным пиком, т.е. в одном хроматографическом пике, который соответствует одному и тому же растворенному веществу (левоглюкозану в нашем случае), в зависимости от концентрации инжектируемого образца с колонки элюируются несколько «соединений» с различными УФ-спектрами. По нашему мнению, такими «соединениями» могут быть только «супрамеры» растворенного вещества. В данном случае серьезным доводом в пользу такого варианта является описанное выше обнаружение «критических» концентраций (0.1, 0.5 и 1.0 моль/л), разделяющих как сходные хроматографические профили, так и соответствующие «консервативные» области концентраций, в которых в растворе присутствуют сходные «супрамеры» левоглюкозана. Таким образом, получено подтверждение того, что растворенное вещество может существовать в растворе в виде набора различных супрамолекулярных форм («супрамеров»), которые не только могут быть детектированы физико-химическими методами, но и разделены жидкостной хроматографией. Полученные в 2017 г. результаты существенно расширяют наши представления о структуре растворов низкомолекулярных веществ и химических реакциях в растворах. Ссылка на информационный ресурс в сети Интернет, посвященный проекту: https://www.researchgate.net/project/Modulation-of-the-structure-of-reaction-solution-as-a-way-to-influence-the-outcome-of-glycosylation-reaction

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За отчетный период 2018 г. получены новые фундаментальные научные знания о взаимосвязи структуры растворов углеводов и их производных с их реакционной способностью в условиях реакций гликозилирования. С помощью «супрамерного» подхода изучено влияние структуры реагентов, концентрации и способа их смешения на структуру реакционных растворов и закономерности ряда реакций гликозилирования. Обнаружено необычное скачкообразное влияние изменения температуры (от 12 до 55 °С) на структуру 0.1 М водного раствора левоглюкозана. Для свежеприготовленных растворов левоглюкозана показано существование двух областей концентраций (от 12 до 25 °С и от 32 до 55 °С), разделенных между собой «критической» температурой 30 °С, в которых различия величин удельного оптического вращения между собой статистически значимы Выдвинута гипотеза о том, что молекулы углеводов выполняют функцию зондов, «чувствующих» малейшие изменения структуры водных растворов, что проявляется как изменение величины удельного вращения. Описанный феномен не имеет аналогов в литературе и важен для дальнейшего развития представлений о строении водных растворов, а также является ярким подтверждением того, что поляриметрия является уникальным физическим методом для изучения и характеризации структуры растворов (как водных, так и неводных). Показано, что для рационального поиска областей концентраций с различным супрамерным составом с помощью физических методов («супрамерного анализа» растворов) наряду с поляриметрией может быть использовано светорассеяние. «Супрамерный анализ» растворов гликозил-донора с помощью поляриметрии и статического рассеяния света в терминах термодинамического качества растворителя впервые позволил связать пониженную реакционную способность гликозил-донора на основе сиаловой кислоты, наблюдаемую в области концентраций, соответствующей плохому растворителю, с образованием в этой области концентраций плотных супрамеров гликозил-донора, в которых доступ реагентов к молекулам растворенного вещества, расположенным в ядре (коре) супрамера, затруднен. «Супрамерный анализ» растворов арабинофуранозилбромида разной концентрации в ацетонитриле с помощью поляриметрии в сочетании анализом зависимости конверсии и стереоселективности его реакции с анионом дибутилфосфорной кислоты от времени позволил прояснить механизм этого процесса. Установлено, что в разбавленных растворах (C ≤ 0.02 моль/л) в ацетонитриле присутствуют рыхлые супрамеры типа I, включающие большое число молекул ацетонитрила наряду с молекулами альфа-гликозилбромида, который быстро превращается в альфа-фосфат через высокоактивный нитрилиевый интермедиат с бета-конфигурацией; стереоселективность гликозилирования высока. В более концентрированных растворах (C > 0.02 моль/л) присутствуют более плотные и менее реакционноспособные супрамеры типа II; реакция идет медленнее. Альфа-фосфат образуется главным образом через ацилоксониевый интермедиат с меньшей реакционной способностью, которая соизмерима с активностью альфа-гликозилбромида. Это приводит к росту доли бета-фосфата, который образуется непосредственно из альфа-гликозилбромида, и снижению стереоселективности гликозилирования. Установлено, что длина метиленовой цепи в гликозил-акцепторе может влиять на результат гликозилирования двух гомологичных фенолов 1,2,5-ортоэфиром арабинофуранозы (1): 4-(2-хлорэтокси)фенол (2a) дает главным образом полимер (77%), а гомологичный ему 4-(3-хлорпропокси)фенол (2b) с одной дополнительной метиленовой группой с высоким выходом (85%) дает моносахаридный аддукт 3b. Это выглядит как увеличение реакционной способности (нуклеофильности) гидроксильной группы при добавлении всего лишь одной дополнительной метиленовой группы, расположенной вдали от реагирующей гидроксильной группы. В результате изучения растворов 4-(2-хлорэтокси)фенола (2a) и 4-(3-хлорпропокси)фенола (2b) в дихлорметане с помощью ЯМР, светорассеяния и ИК-спектроскопии широком интервале температур (от минус 25 до плюс 20 градусов Цельсия) и концентраций (0.02–0.73 моль/л) установлено, что в разбавленных растворах обоих фенолов (C = 0.02 моль/л) существуют только малореакционоспособные водородно-связанные супрамеры типа I, реакции которых с 1,2,5-ортоэфиром арабинофуранозы (1) протекают сходно и дают практически одинаковые и низкие выходы (37–39%) моносахаридных аддуктов 3a,b. Напротив, в области высоких концентраций (при C ≥ 0.14 моль/л) с ортоэфиром 1 реагируют существующие в этой области концентраций высокореакционоспособные водородно-связанные супрамеры фенола 2b типа II (фенол 2a в этих условиях не растворим), которые дают высокие выходы (70–77%) моносахаридного аддукта 3b независимо от концентрации. С помощью ИК-спектроскопии и светорассеяния впервые удалось непосредственно «наблюдать» различные супрамеры одного и того же вещества – 4-(3-хлорпропокси)фенола (2b), образующиеся в его растворах в дихлорметане в различных областях концентрации. Различия в области «отпечатков пальцев» ИК-спектра 2b при разных концентрациях указывают на то, что супрамеры – это изомерные «соединения», а именно супрамолекулярные изомеры, различающиеся способом упаковки молекул. Установлено, что присутствие азидной группы в молекуле гликозил-акцептора может заметно снижать реакционную способность (нуклеофильность) гидроксильной группы. Более низкий общий выход при гликозилировании гликозил-акцептора 1 (58%) по сравнению с 2 (71%) объясняется различиями в способности 2-азидоэтокси- и 2-хлорэтоксигрупп выступать в качестве акцепторов водородной связи, что приводит к образованию супрамеров соединения 1 с азидогруппой, обладающих пониженной реакционной способностью. Предложена новая «супрамерная» стратегия оптимизации результата гликозилирования, основанная на направленном введении в отщепляемый агликон (принадлежащий к классу Янус-агликонов) защитных/функциональных групп с дополнительными сайтами водородного связывания (донорными или акцепторными), либо лишенными таких сайтов. Такая рациональная модификация характера водородных связей гликозил-акцептора будет способствовать образованию его молекулами супрамеров с измененной структурой и, как следствие, будет влиять на реакционную способность (нуклеофильность) гидроксильной группы (и значит на выход продукта), и поэтому на стереоселективность гликозилирования (в соответствии с современными представлениями о причинах влияния гликозил-акцептора на результат гликозилирования). Использование Янус-агликонов позволит после оптимизации проблемной стадии гликозилирования отщепить уже ненужный агликон и превратить полученный олигосахарид в полуацеталь, который затем может быть использован в качестве предшественника гликозил-донора в блочном синтезе более сложных олигосахаридов. В рамках развития данного подхода предложен эффективный синтез 4-(3-хлорпропоксифенил)-гликозидов (CPP-гликозиды) с Янус-агликоном нового поколения и их последующая функционализация с образованием 4-(3-азидопропоксифенил)-гликозидов (APP-гликозиды), в агликон которых можно ввести разнообразные функциональные группы с дополнительными сайтами водородного связывания. В рамках изучения реакций гликозилирования в потоке исследовано влияние скорости потока на результат гликозилирования изопропилового спирта гликооксазолином (1) с использованием проточных миксеров M1 и M2 модели Comet X-01 (Япония) или Т-образных переходников, в которые растворы реагентов подавали с помощью шприцевых насосов. Установлено, что при проведении реакции в потоке изменение объемной скорости потока влияет как на конверсию исходного гликозил-донора 1, так и на соотношение продуктов присоединения и элиминирования. Обнаружена необычная инертность кислотолабильного оксазолина 1 по отношению к сильной кислоте (CSA), наблюдаемая исключительно при очень низких скоростях потока (0.03 мл/ч) и при смешении с помощью проточных миксеров Comet X-01 (M1 = M2), но не при использовании в качестве первого миксера (M1) Т-образного переходника. Обнаружено, что выбор кислоты при удалении бензилиденовой группы может иметь определяющее влияние на размер цикла (пираноза или фураноза) в образующемся продукте, что было рационально объяснено с помощью супрамерного подхода. Установлено, что нагревание тиогликозида галактопиранозы (1) с 4,6-O-бензилиденовой группой и двумя TIPS группами при O-2 и O-3 в слабой (pKa 4.76) уксусной кислоте в присутствии воды (метод A) дает ожидаемый диол 2 в пиранозной форме. Напротив, обработка 1 более сильной трифторуксусной кислотой (pKa 0.23) в водном дихлорметане приводит частично (метод B) или исключительно (метод C) к тиофуранозиду. Установлено, что полное сужение цикла достигается в условиях метода C, в которых доля воды минимальна, что способствует образованию в этих условиях более рыхлых супрамеров углеводного субстрата, в которых протонирование трифторуксусной кислотой более эффективно. Механизм сужения цикла предполагает промежуточное образование положительно заряженного интермедиата, который, однако, не реагирует с водой, присутствующей в реакционной смеси в избытке. Сделан вывод о недоступности атома углерода C-1 (изначально аномерного центра) для нуклеофильной атаки водой в плотных супрамерах крайне гидрофобного углеводного субстрата, образование которых возможно в плохих растворителях (в данном случае именно присутствие воды ухудшает качество растворителя). Полученные в 2018 г. результаты существенно расширяют наши представления о структуре растворов низкомолекулярных веществ и химических реакциях в растворах. Ссылка на информационный ресурс в сети Интернет, посвященный проекту: https://www.researchgate.net/project/Modulation-of-the-structure-of-reaction-solution-as-a-way-to-influence-the-outcome-of-glycosylation-reaction