Ladderane - Ladderane
_Ladderane.png)
V chemii , je ladderane je organická molekula, která obsahuje dva nebo více kondenzovaných cyklobutanu kroužky. Název pochází z podobnosti řady kondenzovaných cyklobutanových prstenů s žebříkem . Pro syntézu ladderanových sloučenin různých délek byla vyvinuta řada syntetických přístupů . Tyto mechanismy často zahrnují [2 + 2] fotocyklické zátěže , což je užitečná reakce pro vytváření napjatých čtyřčlenných kruhů. Přirozeně se vyskytující ladderany byly identifikovány jako hlavní složky anammoxosomové membrány anammoxových bakterií Planctomycetes .
Nomenklatura
Délka řetězu
Syntetické přístupy poskytly žebříky různých délek. Byl vyvinut klasifikační systém pro popis žebříků na základě počtu po sobě jdoucích kroužků. Délka žebříku je popsána číslem v závorkách, které předchází slovu „ladderane“. To se rovná počtu vazeb sdílených dvěma cyklobutany ( n ) plus 1.
Ladderane o 3 nebo více jednotkách se může spojit v kruhu a vytvořit pás, který lze také považovat za dva propojené paralelní cykloalkanové prstence. Říká se jim vězení .
Stereochemie
Ladderane mají dva typy stereochemických vztahů. Jeden popisuje relativní uspořádání atomů vodíku při fúzi mezi dvěma cyklobutanovými kruhy. Tyto atomy vodíku mohou být buď v cis- nebo trans- konfiguraci. Trans-ladderany nebyly syntetizovány kvůli prstencovému kmenu v těchto sloučeninách.
Druhý stereochemický vztah popisuje orientaci tří po sobě jdoucích cyklobutanových kruhů, a proto je relevantní pouze pro žebříčky n ≥ 2. Dva vnější prstence mohou být na stejné ploše (syn-) nebo na protější straně (anti-) středový prstenec.
Syntéza
Pro laboratorní syntézu ladderanových sloučenin byly použity různé syntetické metody. Tři hlavní přístupy jsou (1) dimerizace z polyenových prekurzorů, (2) přídavek postupné, jeden nebo dva kruhy v době, (3) a oligomerizace. Níže je uvedeno několik příkladů syntézy ladderanu.
Dimerizace cyklobutadienu
Dimerizace dvou cyklobutadienů může generovat syn a anti ladderanové produkty v závislosti na reakčních podmínkách. První krok při tvorbě syn produktu zahrnuje generování 1,3-cyklobutadienu působením cis-3,4-dichlorcyklobutenu na amalgám sodný . Reaktant prochází metalizovaným meziproduktem před vytvořením 1,3-cyklobutadienu, který pak může dimerizovat za vzniku syn-dienu. Hydrogenace z dvojných vazeb bude tvořit nasycený syn- [3] -ladderane.
K vytvoření antiproduktu se na cis-3,4-dichlorcyklobuten působí amalgámem lithným . Derivát lithia prochází CC kopulační reakcí za vzniku otevřené dimerní struktury. Tento meziprodukt reaguje za vzniku anti-dienu, který může být hydrogenován za vzniku konečného anti- [3] -ladderanového produktu.
Syntéza [4] -ladderdienu
Odlišný syntetický přístup vyvinutý Martinem a spolupracovníky umožnil syntézu [4] -ladderanů. Počáteční krok zahrnuje vytvoření [2] -ladderanu přidáním dvou ekvivalentů anhydridu kyseliny maleinové s acetylenem . Zbývající dva prstence jsou vytvořeny kontrakcí prstence Ramberg – Bäcklund .
Syntéza žebříků s dlouhým řetězcem
Ladderany s délkou až 13 cyklobutanových kruhů byly syntetizovány Mehtou a spolupracovníky. Tento proces zahrnuje in situ generování dikarbomethoxycyklobutadienu z jeho komplexu Fe (CO) 3 při nízkých teplotách s přidáním dusičnanu amonného ceru (CAN) . Generací butadienu se rychle vytvoří směs [ n ] -ladderanů o délkách až n = 13 s celkovým výtěžkem 55%. Všechny ladderany syntetizované touto metodou mají jednu cis, syn, cis strukturu. To může být důsledkem počáteční dimerizace dvou cyklobutadienů, které s výhodou tvoří syn produkt, ukázané níže. Další dimerizace produkuje pouze antiprodukt kvůli sterickým faktorům.
Dimerizace prekurzorů polyenu
Při těchto reakcích vznikají ladderany z vícenásobných [2 + 2] fotocykloadic mezi dvojnými vazbami dvou polyenů. Komplikací, která z tohoto přístupu vyplývá, je reakce prekurzorů prostřednictvím alternativních, příznivějších fotoexcitačních cest. Těmto vedlejším reakcím je zabráněno přidáním chemické spacerové jednotky, která drží dva polyeny rovnoběžně vůči sobě, což umožňuje pouze [2 + 2] cykloadice.
Běžným mezerníkem používaným v těchto reakcích je [2.2] paracyklofanový systém. To je dostatečně tuhé a může držet polyenové ocasy v dostatečně těsné blízkosti, aby mohly nastat cykloadice.
MacGillivray a kolegové prokázali, že supramolekulární přístup kovalentní syntéze v organizovaném prostředí pevného stavu bez rozpouštědel může poskytnout řešení problému organizace dvou polyenů pro intramolekulární reakci za vzniku ladderanu. Konkrétně tím, že přistoupili ke kontrole reaktivity v pevných látkách pomocí molekul, které slouží jako lineární šablony, prokázali užitečnost kokrystalizace resorcinolu (1,3-benzendiolu) nebo derivátu s all- trans -bis (4 -pyridyl) poly- m -ene (4-pyr-poly- m- en) vytváří čtyřsložkovou molekulární sestavu 2 (resorcinol) · 2 (4-pyr-poly- m -ene), ve které každý resorcinol preorganizuje , a to prostřednictvím dvou o-H ··· N vodík-vazebné interakce, dva poly m -enes pro [2 + 2] photoaddition. Tyto dva polyeny jsou umístěny templáty tak, že vazby C = C olefinů leží rovnoběžně a jsou odděleny <4,2 Á, což je poloha vhodná pro fotoreakci. UV záření pevné látky produkuje cílený [ n ] ladderan, přičemž vazby C = C reagují a vytvářejí fúzní cyklobutanový rámec. Širokopásmové UV záření dvou takových vodíkem vázaných čtyřkomponentních supramolekulárních sestav poskytuje odpovídající ladderany stereospecificky a v kvantitativním výtěžku v gramových množstvích.
Biologické pozadí
Ladderany byly poprvé identifikovány ve vzácné skupině anaerobních bakterií oxidujících amonium ( anammox ) patřících do kmene Planctomycetes . Tyto bakterie zadržují katabolické anammoxové reakce na intracelulární oddíly zvané anammoxozomy. Proces anammox zahrnuje oxidaci a amonných iontů na plynný dusík s dusitanem jako finální akceptor elektronů . Meziprodukty v tomto procesu jsou dvě vysoce toxické sloučeniny, hydrazin (N 2 H 4 ) a hydroxylamin (NH 2 OH). Oxidační proces zahrnuje generování protonového gradientu na intracytoplazmatické ploše anammoxosomu. Rozptýlení protonového gradientu je spojeno s fosforylací ADP prostřednictvím membránově vázaných ATPáz .
Anammoxozomy jsou obohaceny o ladderanové lipidy zobrazené vpravo. Analýza membrán anammoxosomů z bakteriálních druhů Brocadia anammoxidans a Kuenenia stuttgartiensis odhalila, že ladderany tvoří více než 50% membránových lipidů. Vysoký výskyt ladderanových lipidů v anammoxosomu má za následek výjimečně hustou membránu se sníženou propustností. Snížená propustnost může snížit pasivní difúzi protonů přes membránu, která by rozptýlila elektrochemický gradient. To by bylo zvláště škodlivé pro bakterie anammox, vzhledem k relativně pomalému metabolismu anammoxu. O snížené propustnosti se také předpokládalo, že izoluje vysoce toxické a mutagenní meziprodukty, hydrazin a hydroxylamin, které mohou snadno difundovat biomembránami. Ztráta těchto klíčových meziproduktů by poškodila klíčové buněčné složky, jako je DNA , a také by snížila katabolickou účinnost buňky.
Syntéza ladderanových lipidů
Corey a spolupracovníci syntetizovali přirozeně se vyskytující [5] -ladderanový lipid, pojmenovaný jako kyselina pentacykloamamoxová . První krok této reakce zahrnuje bromaci následovanou cyklizací cyklooktatetraenu za vzniku cyklohexadienu. Tento cyklohexadien je zachycen dibenzylazodikarboxylátem. Modifikace funkční skupiny jsou prováděny za vzniku cyklobutanu, který je zpracován pomocí [2+2] fotocyklace s cyklopentenonem za vzniku druhého cyklobutanového kruhu. Ochrana karbonylové skupiny , následovaný N 2 vytlačování reakci poskytne dva více kondenzovaných kruhů cyklobutanu. Konečný cyklobutan je tvořen Wolffovým přesmykem a alkylový řetězec je instalován Wittigovou olefinací .
V roce 2016 Burns a spolupracovníci na Stanfordské univerzitě hlásili enantioselektivní syntézu jak [3]-, tak [5] -ladderanových lipidových konců a jejich začlenění do plného fosfatidylcholinového lipidu. Obě cesty využívají malý [2] -ladderenový stavební blok bicyklo [2.2.0] hexenu připraveného reakcí Ramberg-Bäcklund . Cesta k mastné kyselině obsahující [5] -ladderan zahrnuje dimerizaci tohoto meziproduktu za vzniku all- anti [5] -ladderanového uhlovodíku. Chlorace C – H katalyzátorem porfyrinu manganu a následná eliminace zavádí nenasycení za vzniku [5] -ladderenu. Hydroborace a Zweifelova reakce instalují lineární alkylovou skupinu.
Cesta k [3] -ladderanovému mastnému alkoholu začíná [2+2] fotocykloadicí mezi bromovaným benzochinonem a bicyklo [2.2.0] hexenem. Eliminace H -Br a přidání organozinkové sloučeniny nainstaluje alkylalkohol. Hydrazin zprostředkovanou deoxygenace reakce s následující hydrogenací se katalyzátor Crabtree je snížení účinků na cyklohexanového kruhu.
