Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период 2019 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, температуры, способа и скорости их смешения на структуру реакционных растворов и закономерности ряда реакций гликозилирования. Предложен эффективный синтез полностью защищенных/незащищенных 4-(2-хлорэтоксифенил)-гликозидов (CEP-гликозиды) на основе дисахарида лактозы с отщепляемым Янус-агликоном и осуществлена их последующая функционализация с образованием 4-(2-азидоэтоксифенил)-гликозидов (AEP-гликозиды), пригодных для «клик»-реакций с терминальными алкинами. Разработаны эффективные процедуры превращения AEP-гликозидов в гликозиды с другими Янус-агликонами, содержащих в агликоне разнообразные функциональные группы – амино-, карбокси-группы (в виде активированного эфира) или терминальную тройную связь, – позволяющие дальнейшую функционализацию агликона. Осуществлена функционализация Янус-агликона в частично защищенных 4-(3-хлорпропоксифенил)-гликозидов (CPP-гликозиды) лактозидах с образованием набора гликозидов с другими Янус-агликонами, содержащих в агликоне азидную группу или аминогруппу, защищенную различными N-ацильными группами (ацетамидное, трифторацетамидное и N,N-диацетиламино-производные), которые были далее использованы в качестве гликозил-акцепторов в реакциях гликозилирования и для изучения структуры их растворов. Обнаружен феномен миграции O-бензоильных групп в стандартных условиях (NaN3, DMF или DMSO, 70 °C) замещения атома хлора на азидную группу в частично защищенных CPP-лактозидах с Янус-агликоном. Предложено несколько альтернативных процедур замещения атома хлора на азидную группу, минимизирующих или исключающих миграцию O-бензоильных групп, что позволяет получать целевые 4-(3-азидопропоксифенил)-гликозиды (APP-гликозиды) с азидной группой в Янус-агликоне и гидроксильной группой при C-3’ или C-4’ с выходами около 90%. Обнаружен феномен терминирования реакции азидирования при замещении атома хлора на азидную группу под действием азида натрия в присутствии избытка этилтрифторацетата (TFAOEt). Предложено рациональное объяснение, основанное на литературных аналогиях, которое предполагает вывод азида натрия из сферы реакции азидирования вследствие его реакции с TFAOEt с образованием тетраэдрического аддукта. Изучено гликозилирование гликозил-донором на основе галактозы с TIPS-группой при O-2 серии частично защищенных лактозидов с гидроксильной группой при C-4’ и с различными Янус-агликонами, содержащими в терминальном положении агликона атом хлора, азидную группу или аминогруппу, защищенную различными N-ацильными группами (ацетамидное, трифторацетамидное и N,N-диацетиламино-производные). Обнаружена исключительно низкая реакционная способность гликозил-акцептора с азидной группой на конце Янус-агликона и гидроксильной группой при C-4’. С помощью статического и динамического рассеяния света (СРС и ДРС соответственно), поляриметрии и ИК-спектроскопии в широком интервале температур и концентраций были изучены растворы в дихлорметане дисахаридных гликозил-акцепторов, содержащих гидроксильную группу при C-3’ или C-4’, а также атом хлора или азидную группу на конце Янус-агликона. Данные физико-химических методов указывают на то, что растворы этих гликозил-акцепторов в дихлорметане структурированы и что в разных областях концентраций и при разных температурах в растворах присутствуют различные супрамеры. Поэтому можно ожидать, что результаты гликозилирования будут существенно различаться в различных концентрационных и температурных интервалах. Изучено гликозилирование высокореакционноспособным тиогалактозидом с 4,6-O-ди-трет-бутилсилиленовой группой частично дисахаридных гликозил-акцепторов, содержащих гидроксильную группу при C-3’ или C-4’, а также атом хлора или азидную группу на конце Янус-агликона. Анализ результатов серии реакций гликозилирования при разных температурах и концентрациях реагентов позволил установить, что наблюдается корреляция между ростом доли супрамеров гликозил-акцептора, связанных слабыми водородными связями, и повышением реакционной способности гликозил-акцептора и, как следствие, увеличением выхода трисахарида. В реакцию гликозилирования вступают только слабо-связанные супрамеры гликозил-акцептора; сильно-связанные супрамеры не реагируют и возвращаются из реакции в неизменном виде. В рамках изучения реакций гликозилирования в потоке исследовано влияние концентрации реагентов и времени контакта реагентов на результат гликозилирования дибутилфосфата арабинофуранозилбромидом, проводимой в обычных условиях (в колбе) и проточном реакторе. Проведено сравнение результатов этой реакции гликозилирования для широкого набора концентраций при значительном варьировании времени контакта реагентов (в потоке), которое численно совпадает с временем проведения реакции (в колбе). Анализ полученных данных показал, что реакция гликозилирования протекает в колбе и в проточном реакторе по-разному. При этом различия как в конверсии, так и в стереоселективности носят как количественный, так и качественный характер. Это указывает на то, что в реакциях, проводимых в колбе и в проточном реакторе (при прочих равных условиях), принимают участие различные супрамеры гликозил-донора. При этом при различных скоростях потока структура супрамеров может изменяться. Впервые в мировой практике обнаружено, что стереоселективность реакции гликозилирования, проводимой в микрофлюидных условиях (в проточном реакторе), может зависеть от скорости потока. При концентрации 50 ммоль/л стереоселективность реакции гликозилирования дибутилфосфата арабинофуранозилбромидом в потоке значительно растет с уменьшением скорости потока реакции (т.е. с увеличением времени контакта реагентов = времени реакции): альфа/бета = 7.3±0.4 (за 1 мин), альфа/бета = 27.0±5.1 (за 30 мин). В то же время стереоселективность реакции в колбе не зависит от времени реакции (альфа/бета ~ 7). Это еще одно, ранее не известное, проявление микрофлюидного эффекта, т.е. изменения химических свойств при переходе от реакций в колбе к реакциям в потоке, которое, по-видимому, связано с перестройкой супрамеров реагентов под действием механических воздействий. Полученные в 2019 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 2020 году
За отчетный период 2020 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, температуры, способа их смешения на структуру реакционных растворов и закономерности ряда реакций гликозилирования. Изучено гликозилирование высокореакционноспособным тиогалактозидом с 4,6-O-ди-трет-бутилсилиленовой группой частично дисахаридных гликозил-акцепторов, содержащих гидроксильную группу при C-3’ или C-4’, а также атом хлора или азидную группу на конце Янус-агликона и установлены закономерности изменения их реакционной способности при разных температурах и концентрациях реагентов. Анализ результатов серии реакций гликозилирования дисахаридных гликозил-акцепторов с гидроксильной группой при C-3’ при разных концентрациях и температурах приводит к парадоксальному выводу о том, что однозначная связь между реакционной способностью гликозил-акцепторов c гидроксильной группой при C-3’и температурой, при которой проводилась реакция, отсутствует. Установлено, что неожиданное увеличение реакционной способности АРР-гликозил-акцептора c гидроксильной группой при C-3’ при концентрации 100 ммоль/л, контрастирующее с общей тенденцией на падение реакционной способности гликозил-акцепторов с гидроксильной группой при C-3’ с ростом концентрации при –30 °C, коррелирует с данными статического рассеивания света (СРС) для растворов гликозил-акцепторов с гидроксильной группой при C-3’ в дихлорметане, из которых следует, что вследствие изменения термодинамического качества растворителя при концентрации 100 ммоль/л реализуется другая структура раствора АРР-гликозил-акцептора c гидроксильной группой при C-3’. Установлено, что в большинстве случаев наличие слабосвязанных водородными связями ОН-групп (по данным ИК-спектроскопии), доля которых падает при увеличении концентрации растворов, а также при уменьшении температуры в растворах как СРР-гликозил-акцепторов, так и АРР-гликозил-акцепторов, в целом улучшает реакционную способность нуклеофила. Однако этот вывод противоречит результатам, полученным для 3’-ОН-СРР-гликозил-акцептора при концентрации 25 ммоль/л, где наблюдается повышенная реакционная способность при низких температурах и пониженная при высоких температурах. Обнаружено неожиданное увеличение реакционной способности АРР-гликозил-акцептора с гидроксильной группой при C-4’ и резкое уменьшение реакционной способности CPP-гликозил-акцептора с гидроксильной группой при C-4’ при концентрации 125 ммоль/л, контрастирующее с примерно одинаковой реакционной способностью этих СРР- и АРР-гликозил-акцепторов при концентрациях 25–100 ммоль/л на фоне постепенного роста реакционной способности гликозил-акцепторов с гидроксильной группой при C-4’ с ростом концентрации при –30 °C. По данным ИК-спектроскопии и динамического рассеянния света в растворе АРР-гликозида с гидроксильной группой при C-4’ (с концентрацией 125 ммоль/л) присутствуют водородно-связанные супрамеры, отличающихся по строению от супрамеров CPP- и APP-гликозидов с гидроксильной группой при C-4’, образующихся при других концентрациях, что по-видимому объясняет необычную реакционную способность APP-гликозида с гидроксильной группой при C-4’. Исследована реакционная способность CPP- и APP-гликозил-акцепторов с гидроксильной группой при C-4’ с различными группами X в Янус-агликоне (X = Cl (CPP-гликозид), N3 (APP-гликозид)) при проведении гликозилирования смеси дисахаридных гликозил-акцепторов с CPP- и APP-агликонами в различных соотношениях. Установлено, что реакционная способность гликозил-акцепторов с CPP- и APP-агликонами сложно зависит как от мольной доли гликозил-акцептора с CPP-агликоном в исходной реакционной смеси, так и от концентрации каждого из компонентов в смеси. Установлено, что, добавление (2–20%) CPP-гликозида к APP-гликозиду, постепенно снижает реакционную способность гликозил-акцептора с APP-агликоном: уже добавка всего лишь 2% CPP-гликозида приводит к падению реакционной способности почти в два раза, а в присутствии 20% CPP-гликозида наблюдается падение реакционной способности в четыре раза по сравнению с реакционной способностью гликозил-акцептора с APP-агликоном без добавки CPP-гликозида. Установлено, что, даже небольшая добавка (2%) APP-гликозида к CPP-гликозиду обуславливает резкое увеличение реакционной способности гликозил-акцептора с CPP-агликоном в четыре раза по сравнению с реакционной способностью гликозил-акцептора с CPP-агликоном без добавки APP-гликозида. Дальнейшее добавление APP-гликозида поначалу (до 20%) не уменьшает реакционную способность гликозил-акцептора с CPP-агликоном, однако затем, по мере роста доли APP-гликозида в реакционной смеси реакционная способность гликозил-акцептора с CPP-агликоном заметно падает и становится даже меньше (в присутствии 80% APP-гликозида), чем реакционная способность чистого гликозил-акцептора с CPP-агликоном. Данные поляриметрии и динамического рассеяния света (ДРС) указывают на образование новых супрамеров в смесях CPP- и APP-гликозил-акцепторов. Для раствора смеси CPP-гликозида и APP-гликозида (98:2, мольн., суммарная концентрация 125 ммоль/л), гликозилирование которой протекало в четыре раза более эффективно, чем гликозилирование чистого гликозил-акцептора с CPP-агликоном, величина удельного вращения статистически значимо отличается от таковой) для раствора индивидуального CPP-гликозида с той же концентрацией. В растворе смеси CPP- и APP-производных (98:2, мольн.) исчезает медленная мода корреляционной функции флуктуаций интенсивности рассеянного света (ДРС), которая присутствует в растворах чистых CPP- и APP-производных. Это указывает на разрушение крупных (с гидродинамическим радиусом ~100 нм) супрамеров CPP-гликозида (которым соответствует медленная мода корреляционной функции) при добавлении всего лишь 2% примеси APP-гликозида. Анализ результатов серии реакций гликозилирования, проведенных как с индивидуальными 4’-OH-гликозил-акцептором с CPP-агликоном или 4’-OH-гликозил-акцептором с APP-агликоном (введенными в реакцию в чистом виде, т.е. без примесей второго компонента), так и с их смесями приводит к выводу о том, что образующиеся в смесях CPP-гликозида и APP-гликозида смешанные супрамеры, содержащие как молекулы гликозил-акцептора с CPP-агликоном, так и молекулы гликозил-акцептора с APP-агликоном, могут обладать, как повышенной, так и пониженной реакционной способностью, которая модулируется их строением. При изучении гликозилирования 4-(3-хлорпропокси)фенола (CPP-OH) N-ацетилсиалилхлоридом в условиях межфазного катализа установлено, что проведение реакции в потоке позволяет поднять выход целевого сиалозида до 67%, что в 10 раз превышает выход сиалозида достижимый при проведении реакции в колбе. Была проведена серия экспериментов по гликозилированию 4-(3-хлорпропокси)фенола (CPP-OH) N-ацетилсиалилхлоридом в потоке, в которых концентрация гликозил-донора варьировалась в широком диапазоне концентраций (5–200 ммоль/л). Установлено, что полная конверсия сиалилхлорида достижима только начиная с концентрации 50 ммоль/л. В более разбавленных растворах целевой сиалозид не образуется, единственным продуктом реакции является гликаль, образующийся в результате элиминирования из сиалилхлорида. С помощью статического и динамического рассеяние света (СРС и ДРС) была изучена структуры макроскопически гомогенных смесей вода–этилацетат в интервале концентраций воды 0–9.7%(мольн.). Установлено, что начиная с концентрации 4.5% воды в системе происходит микрофазное расслоение: образуются микрометровые капли воды диспергированные в этилацетате, которые стабильны в течение всего времени протекания реакции гликозилирования 4-(3-хлорпропокси)фенола (CPP-OH) N-ацетилсиалилхлоридом в условиях межфазного катализа (6 ч – в потоке), однако разрушаются с течением времени (спустя 24 ч). Впервые в мировой практике синтезированы конъюгаты наночастиц золота с концевым разветвлённым гексасахаридным фрагментом липоарабиноманнана и арабиногалактана возбудителя туберкулеза Mycobacterium tuberculosis. Полученные гликонаночастицы были успешно использованы для иммунизации кроликов без использования (поли)пептидных адъювантов/активаторов с образованием антител, специфичных к микобактериям. Установлено, что тип линкера между гликаном и наночастицей золота критичен достижения стабильности конъюгатов с наночастицами золота одного и того же гексасахаридного фрагмента, входящего в состав гликозидов с коротким (С2) или удлиненным (С2ЕG7) агликонами-спейсерами, и как следствие, для эффективности иммунизации и специфичности генерируемых антител, что связано с различиями в структурах растворов родоначальных аминофункционализированных гликозидов, используемых для конъюгации с наночастицами золота. В ходе синтеза тетрасахаридного фрагмента повторяющегося звена полисахарида азотфиксирующей бактерии Azospirillum brasilense sp7 обнаружено, что гликозилирование смесью защищенного производного N-фенилтрифторацетимидата N-трифторацетил-глюкозамина и соответствующего 2-трифторметил-оксазолина приводит к образованию значительных количеств 1,2-цис-связанного гликозида наряду с ожидаемым 1,2-транс-связанным изомером. Для объяснения этого крайне необычного факта предложен новый механизм стереоконтроля при гликозилировании, предполагающий образование водородной связи между атомом водорода группы NHTFA при С-2 оксакарбениевого иона, образующегося из гликозил-донора, и атомом кислорода гидроксигруппы атакующего нуклеофила. По нашему мнению, понимание истинных причин, определяющих результат гликозилирования, может быть получено в результате рассмотрения структуры раствора (в том числе природы супрамеров, присутствующих в реакционном растворе), а не только путем анализа строения молекул реагентов и изучением «механизма реакции» на молекулярном уровне. Полученные в результате выполнения проекта результаты могут иметь значение для выяснения механизма стереоконтроля, оптимизации и воспроизводимости разнообразных химических реакций в растворах. Эти выводы являются существенным вкладом в область изучения структуры растворов низкомолекулярных веществ и химических реакций в растворах. Полученные в 2020 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