Проекты

Синтез аденинового мономера пептидно-нуклеиновых кислот на основе L-глутаминовой кислоты с циклогексильной защитой и оценки его выхода

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «IT в медицине, биомедицинские технологии, медицинское приборостроение, бионика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Химия
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1329
Предметы: Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

По данным Всемирной организации здравоохранения, в настоящее время в России увеличилась смертность от новообразований (чаще всего злокачественных), инфекционных или паразитических заболеваний. Не всегда стандартные методы лечения эффективны, поэтому одним из решений этой проблемы могут стать пептидно-нуклеиновые кислоты (ПНК), которые способны на любой стадии биосинтеза белка присоединиться к ДНК или РНК, тем самым нарушив функцию готового белка, либо сам синтез.

Цель

Синтез аденинового мономера отрицательно-заряженной ПНК на основе L-глутаминовой кислоты с циклогексильной защитой и определение эффективности данного синтеза.

Задачи

  1. Синтез скелета мономера ПНК.
  2. Конденсация защищённого аденинового производного с остовом ПНК.
  3. Удаление C-концевой защитной группы и оценка выхода аденинового мономера.
  4. Проведение 1Н-ЯМР-спектрометрии.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Реактивы: циклогексиловый спирт, N-метилморфолин (99 %), изобутилхлорформиат (99 %), трифенилфосфин (99 %), тетрагидрофуран, изопропиловый спирт, L-глутаминовая кислота, аллиловый эфир глицина, диизопропил азодикарбоксилат, тиофенол, ацетонитрил, каталитический палладиевый комплекс, диметилформамид, морфолин, аденин-уксусная кислота, карбонат калия.
  • Вещества на пластинках определяли в УФ-свете (254 нм), опрыскивая 0.5 %-м раствором нингидрина в этаноле с последующим нагреванием и раствором фосфомолибденовой кислоты с сульфатом церия (IV) (25 г фосфомолибденовой кислоты * H2O, 10 г сульфата церия (IV) * 4 H2O, 940 мл воды дистиллированной, 60 мл кислоты серной концентрированной) с последующим нагреванием.
  • Колоночную хроматографию при атмосферном давлении проводили на сорбенте Silica gel 60 (0,040–0,063 мм).
  • Растворители удаляли на ротационном вакуумном испарителе Heidolph WB eco при 20 мм рт. ст. (вакуум водоструйного насоса).
  • Вещества сушили в высоком вакууме масляного насоса (0,5 мм рт. ст.) до постоянного веса.
  • Холодильник Либиха, хроматографические колонки, круглодонные колбы (на 100 и 250 мл), трёхгорлые колбы (на 100 и 250 мл), плоскодонные колбы (на 100 и 250 мл), делительные воронки (на 100 и 250 мл), камеры для ТСХ, мерные цилиндры, роторный испаритель, вакуумный насос, УФ-лампа, штативы, лапки, магнитные мешалки, фильтры, насадки на фильтры.

Описание

а) Синтез мономера ПНК.

1. Синтез скелета мономера ПНК. Для синтеза скелета были проведены 2 реакции: реакция Мицунобу и тиолиз. В реакции Мицунобу между собой реагировали основание мономера и аллиловый эфир глицина, но т. к. реакция не проходит без катализаторов, то по методике взяты DIAD и PPh3, при этом THF (тетрагидрофуран) выступал в роли нейтральной среды. Далее следовал тиолиз, где происходило замещение Ns-защитной группы на водород. Катализаторами данной реакции являлись тиофенол (C6H6S) и карбонат калия (K2CO3), а ACN (ацетонитрил) – растворитель соответственно (Рис. 1).

2. Синтез целевого мономера ПНК. Для полного синтеза мономера были нужны реакции: ацилирование, проводящееся по методу смешанных ангидридов, и удаление C-концевой защитной группы. Первой была реакция ацилирования, в ней реагировали между собой синтезированный скелет мономера и клатридин А, катализаторы изобутилхлорформиат (C5H9ClO2) и N-метилморфолин (C5H11NO), DMF (диметилформамид) – среда. Далее шло удаление C-концевой защитной группы, где происходила замена защитной группы на гидроксильную. Палладиевый комплекс ([Pd(PPh3)4]) и морфолин (C4H5NO) были катализаторами реакции, а тетрагидрофуран (THF) – средой (Рис. 2).

б) Проведение 1Н-ЯМР-спектрометрии.

Автор использовал метод 1Н-ЯМР-спектрометрии для подтверждения структуры полученного вещества (Рис. 3). При сравнении полученного спектра с идеальным (Рис. 4). была подтверждена структура мономера.

в) Сравнение общего выхода мономера с циклогексильной защитой и с бензильной защитой.

Автору была предоставлена готовая схема реакций синтеза мономера ПНК с бензильной защитой (Рис. 5), все выходы веществ (в процентах) в реакциях указаны на иллюстрациях (Рис. 5 и 6). По подсчётам общий выход мономера с бензильной защитой составил 22,6 %, а мономера с циклогексильной защитой – 36 %, что в полтора раза больше.

Результаты работы/выводы

Был синтезирован адениновый мономер с циклогексильной защитой. Его выход в полтора раза выше, чем у мономера с бензильной защитой, также этот мономер проще синтезировать.

Перспективы использования результатов работы

ПНК можно будет использовать для лечения и обнаружения генетических, вирусных, раковых или бактериальных заболеваний.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

РТУ МИРЭА

Мнение автора

«Это был поистине тяжёлый и кропотливый труд, но проект получился очень интересным. Я рада, что смогла доделать всю работу до конца. Ты не просто делаешь всем известные опыты, а проводишь своё научное исследование наравне с настоящими учёными. Подобный опыт работы для школьника может помочь при выборе профессии. Также это позволяет понять, что наука – очень интересная сфера деятельности»