Синтез цитостатических соединений платины

ЮЖНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЫДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ЛИЦЕЙ № 000 ИМ. В. И. ВЕРНАДСКОГО

Синтез цитостатических соединений платины

Автор работы: Броннер Илья, 10 класс

Научный руководитель: к. х. н.

Москва, 2017

Введение

Важной задачей современной химии является синтез веществ, обладающих биологической активностью, в том числе противоопухолевой, что связано с растущим числом заболевших и высокой смертностью от раковых новообразований. Исследователи работают над созданием новых, более эффективных и высокоспецифичных противораковых агентов. Основной проблемой в данной сфере является высокая токсичность противоопухолевых препаратов и поражение ими не только раковых, но и здоровых клеток организма. Также серьезными проблемами химиотерапии являются появление устойчивости раковых клеток к некоторым препаратам после продолжительного лечения и малая растворимость многих противоопухолевых соединений.

Одним из классов противоопухолевых веществ являются комплексы, содержащие платину. После проникновения в клетку они прочно связываются с азотистыми основаниями в молекулах ДНК и предотвращают возможность дальнейшей репликации, и, таким образом, клетка теряет способность к делению, что приводит к апоптозу. В данном классе выделяют несколько поколений препаратов: первое поколение (к нему относят, например, цисплатин, первый клинически применяемый препарат на основе платины), второй поколение (где наиболее известным из препаратов является карбоплатин) и третье поколение (один из наиболее выдающихся примеров – оксалиплатин)[1].

Соединения платины (IV) гораздо более химически инертны и менее токсичны, чем соединения платины (II), однако они могут быть легко восстановлены в клетках организма такими окислителями, как аскорбаты и тиолы (например, цистеин).

Целью настоящей работы является синтез соединения Pt(IV), содержащего в своем составе цитопротекторную антиоксидантную структуру.

а

Литературный обзор

Платина была известна очень давно - ее упоминает еще Плиний Старший в «Естественной истории» (23-79 годы д. н. э.), однако до начала девятнадцатого века, в связи с чрезвычайной ее тугоплавкостью и химической стойкостью, платину почти не добывали. В XVI веке из Американских колоний, вместе с чистым золотом, привозят и «сплавы» золота с платиной. В связи с тем, что платину начали использовать для подделки монет (она тяжелее золота и сильно дешевле, на тот момент), в XVIII веке с ней начинают бороться: в Испании, например, издается указ, согласно которому, ввозить металл в страну было нельзя, а уже имеющийся должен был быть утоплен в присутствии свидетелей. В начале XIX века на территории России были найдены крупные месторождения платины. В России же, с 1826 по 1848 год, чеканили платиновые монеты[1].

Сегодня, металлическую платину получают из концентрата платиновых металлов, растворяя его в царской водке:

затем хлоридом аммония осаждают гексахлороплатинат калия:

который прокаливают при 800-1000:

Общая характеристика элемента платины

Платина – серебристо белый металл, обладающий низкой химической активностью. Он относится к переходным металлам периодической системы, и его электронная конфигурация может быть записана как [Xe]5d96s1. Как и остальные d-элементы платина характеризуется повышенной коррозийной стойкостью и жаропрочностью, она имеет гранецентрированную кубическую структуру типа меди. Платина относится к самым тяжелым металлам периодической системы, её плотность составляет при 20?C 21.45 г/см3, также её относят к тугоплавким металлам (Tпл=1769?C). В соединениях платина проявляет преимущественно степени окисления +2 и +4 [1].

Химия платины

Платина(0)

Платина устойчива к действию концентрированной азотной кислоты, однако растворяется при действии на нее царской водкой.

3Pt + 4HNO3 + 18HCl >3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O

Платина способна к взаимодействию с раствором соляной кислоты на воздухе, однако в реальности этот процесс протекает очень медленно. С другими кислотами, так же, как и с водными растворами щелочей, она не реагирует. Платина практически не взаимодействует с кислородом. Чистый оксид платины (II) образуется лишь при окислении платиновой черни кислородом при температуре 430 ?C и повышенном давлении.

При нагревании до 700 ?C платиновая чернь реагирует с тяжелыми щелочными металлами с образованием платинидов. Платина взаимодействует со фтором с образованием смеси пента - и гексафторидов, а с хлором при температуре 250 ?C образует хлорид платины (IV):

Pt + 2Cl2 > PtCl4

Кроме PtF2, известны все дигалогениды платины, причем все они могут быть получены прямым синтезом. 

Платина(II)

В степени окисления +2 платина обычно образует комплексы такого строения: [PtX4]2-, [PtX2L2], [PtL4]2-, где  X=Cl-, Br-, I-, CN-, SCN-; а L=NH3, NR3, CNR, PR3, SR2.

Одной из важнейших солей платины является тетрахлорплатинат (II). Его получают восстановлением гексахлорплатината (IV) K2[PtCl6] гидразином или оксалатом калия:

K2[PtCl6] + K2C2O4 > K2[PtCl4] + 2KCl + 2CO2

При охлаждении раствора соль выделяется в виде красных кристаллов, малорастворимых в холодной воде.

По реакции взаимодействия ионов [PtCl4]2- с раствором аммиака получают бесцветные комплексы [Pt(NH3)4]2+. Соль [Pt(NH3)4](OH)2 исторически называют первым основанием Рейдзе, её получают действием на [Pt(NH3)4]Cl2 влажным оксидом серебра(I). Основание Рейдзе поглощает углекислый газ из воздуха, превращаясь в карбонат:

[Pt(NH3)4](OH)2 + CO2  >  [Pt(NH3)4]CO3 + H2O

Сливание растворов хлорида тетрааминоплатины (II) и тетрахлорплатината (II) приводит к выпадению тёмно-зелёных кристаллов соли Магнуса:

[Pt(NH3)4]Cl2 + K2[PtCl4] > [Pt(NH3)4][PtCl4] + 2KCl

При нагревании до 250?С соль Магнуса и хлорид тетрааминоплатины (II) разлагаются с образованием светло-жёлтых кристаллов транс-диаминдихлорплатины (II), называемые хлоридом второго основания Рейдзе:

[Pt(NH3)4]Cl2 > транс-[Pt(NH3)2Cl2] + 2NH3

Многие комплексные соли платины бесцветны в растворе, но при этом, образуют окрашенные кристаллы (их окраска вызвана взаимодействием ионов [PtX4]2-); например, K2[Pt(CN)4]•3H2O – желтые кристаллы. Интересно также свойство этой соли частично окисляться хлором или бромом, в результате чего образуются бронзовые комплексы состава K2[Pt(CN)4]X0.3•2.5H2O, содержащие изолированные ионы X­-.

Платина(IV)

Из соединений платины (IV) наиболее известны гексахлорплатинаты (IV). Их растворимость понижается с ростом размера катиона (для щелочных металлов), хорошо растворимы в воде лишь литиевая и натриевая соли. Эти соли образованы сильной платинохлористоводородной кислотой, таким образом гексахроплатинаты не склонны к гидролизу. Гексахлорплатинат аммония разлагается при температуре примерно 600 ?С:

3(NH4)2[PtCl6] > 3Pt + 18HCl + 2NH3 + 2N2

Гексагидроксоплатинаты получают действием на гидратированный оксид PtO2•4H2O избытка щёлочи:

PtO2•4H2O + 2NaOH > Na2[Pt(OH)6] + 2H2O

При действии на полученную соль соляной кислоты можно получить платинохлористоводородную кислоту:

Na2[Pt(OH)6] + 8HCl > H2[PtCl6] + 2NaCl + 6H2O

Гидратированный оксид PtO2•nH2O получают при гидролизе [PtCl6]2- в растворе Na2CO3 . При нагревании он превращается в черный безводный оксид, а потом разлагается на простые вещества при 920K. При растворении PtO2•nH2O в NaOH образуется Na2[Pt(OH)6], а в HCl H2[PtCl6].

Со фтором при нормальных условиях платина реагирует с образованием фторида платины(IV), при повышенном давлении образует фторид платины(VI) – сильнейший окислитель, способный окислить, например, кислород и ксенон:

O2 + PtF6 > O2[PtCl6]

Также известны аминокомплексы платины: например, в жидком аммиаке при 230K (NH4)2[PtCl6] превращается в [Pt(NH3)6]Cl4.

Другие степени окисления

Как правило, соединения с формально степенью окисления платины +3 являются смешанно валентными, как например PtCl3 и PtBr3. Вещества с формулами [Pt(NH3)2]Br2 и [Pt(EtNH2)4]Cl3•H2O (красная соль Вольфрама) имеют интересное строение: они также смешанно-валентны и содержат мостиковый атом галогена.

Биологически активные соединения платины

Платина довольно широко применяется в медицине, в частности ее соли обладают противоопухолевыми свойствами. Одним из самых распространенных и широко применяемых неорганических препаратов является цисплатин – цис - дихлордиаминплатнина.

Цис-диаминдихлорплатина (II), называемая солью Пейроне или также иногда цисплатином, образуется при замещении атомов хлора в молекуле тетрахлорплатината (II) на молекулы аммиака.[3]

Цисплатин синтезируют из тетрахлорплатината калия. Он подвергается воздействию иодида калия, что приводит к образованию аналогичного комплекса тетраиодплатината калия. Затем проводят реакцию с аммиаком, в результате образуется цисдииоддиаминплатинат. В дальнейшем лиганды иода заменяют на водные путем реакции с нитратом серебра (выпадает в осадок иодид серебра). К оставшемуся раствору добавляют раствор хлорида калия и в итоге получают конечный продукт – цисплатин. Такая сложная схема синтеза обуславливается наличием так называемого транс-эффекта. Он заключается в различной способности лигандов направлять новоприсоединенные лиганды преимущественно в транс-положение. Из-за этого эффекта невозможно непосредственное замещение лигандов хлора на лиганды аммика, так как они будут направлены не в цис-, а в транс-положение.

Цисплатин впервые был описан еще в конце девятнадцатого века, однако его биологическая роль была обнаружена только в семидесятых годах прошлого столетия. Барнетт Розенберг - биофизик; интересовался тем, как будут размножаться клетки кишечной палочки, под действием электрического поля. Во время его эксперимента, клетки стали меньше делиться, однако, помимо этого, они еще и меняли форму с вытянутой на нитевидную. Из тех веществ, которые удалось выделить из среды, наиболее выраженными свойствами обладал цисплатин. Розенберг решил, что он появился в результате взаимодействия продуктов деградации электродов и жизнедеятельности бактерий.

Через несколько лет после открытия, цисплатин прошел все необходимые тесты и стал доступен в качестве противоопухолевого препарата. С этого момента, удалось сильно снизить, а для некоторых видов опухолей почти свести смертность к нулю.

Механизм действия цисплатина связывают с его взаимодействием с молекулой ДНК и индуцированием апоптоза (программируемой смерти клеток). При пересечении веществом мембраны клетки один или оба хлорида замещаются на воду, образуя положительно заряженный ион. Достигая ядра, он может соединиться с несколькими соседними основаниями ДНК (60-65% всех связей приходится на связи гуанин-гуанин, 20-25% на гуанин-аденин), с отстоящими друг от друга гуанинами (около 5% связей), гуанинами разных цепочек ДНК (менее 5%), и образовать связи гуанин-белок и гуанин-уходящий лиганд (по 5%).

Помимо цисплатина, было открыто еще несколько противоопухолевых комплексов платины. Следующим агентом, вошедшим в клиническую практику, стал карбоплатин. Соединение содержит [цис-Pt(NH3)2] как активный фрагмент, а оба атома хлора заменены бидентатным дикарбоксилатным лигандом. В 2004 г. введён новый платиновый препарат оксалиплатин. Преимущества оксалиплатина состоят в том, что он обладает иным спектром действия: в особенности он эффективен против рака прямой кишки, заболевания, неизлечимого цисплатином и карбоплатином.

Карбоплатин и оксалиплатин

Важным направлением развития противоопухолевых препаратов является увеличение их избирательности, так как существующие действуют не только на клетки опухоли, но и на здоровые клетки.

Экспериментальная часть

Дихлорид-транс-R, R-циклогексан-1,2-диамин платина(II)[4]

1.000 г (2.41 ммоль) K2[PtCl4] растворили в 45 мл дистиллированной воды. К этому раствору добавили 0.275г (2.41 ммоль) транс-R, R-циклогексана-1,2-диамина (2%-ый избыток) в 6 мл дистиллированной воды и оставили перемешиваться в колбе, закрытой от света, в течение 2ч. Затем реакционную смесь поместили в холодильник на 1 час. Полученный жёлтый осадок отфильтровали от жёлто-оранжевого раствора, несколько раз промыли дистиллированной водой (6 мл) и высушили над P2O5. Выход 0.484г (52.07%, Tразл >300?C).

Транс-R, R-циклогексан-1,2-диаминоксалат платина(II)[4]

1.000 г (2.63 ммоль) дихлорид-R, R-циклогексан-1,2-диамина платины суспендировали в 60 мл дистиллированной воды. К полученному раствору добавили 0.775г (2.50 ммоль) Ag2SO4 (5%-ый недостаток) и оставили перемешиваться при комнатной температуре в течение 4 ч. Затем взяли пробу на наличие Ag+ в получившемся растворе (для подтверждения полноты прохождения реакции), выпадения осадка не произошло. Раствор был оставлен на полчаса для лучшего формирования осадка, затем его отфильтровали на воронке со стеклянным фильтром под вакуумом. К фильтрату добавили 0.442 г (2.40 ммоль) K2C2O4·H2O. Реакционную смесь оставили перемешиваться при комнатной температуре на сутки. Выпавший белый осадок отделили фильтрованием под вакуумом и промыли холодной дистиллированной водой, а затем высушили над P2O5. Выход 0.764 г (80.18%).

Транс-R, R-циклогексан-1,2-диамингидроксоацетатоксалат платина(IV) [5]

0.210 г (0.53 ммоль) транс-R, R-циклогексан-1,2-диаминоксалат платины(II) суспендировали в 3.66 мл уксусной кислоты. К полученному раствору добавили 94.3 мкл 35% H2O2, оставили реакционную смесь перемешиваться на 30 минут. Затем добавили следующие 94.3 мкл 35% H2O2. Спустя 1 час последние следующая порция H2O2 (188.6 мкл, 35%) были добавлены к реакционной смеси. Раствор оставили перемешиваться на ночь. Затем растворители были удалены при пониженном давлении, затем образовавшийся продукт был суспиндирован в минимальном количестве этилацетата. К полученной смеси по каплям добавляли метанол до тех пор, пока раствор не стал практически прозрачным. Осадок был отделен центрифугированием, и чистый продукт реакции был получен при упаривании растворителей и высушиванием над Р2О5. Выход 0.132г (53.5%).

Транс-R, R-циклогексан-1,2-диамин(3,5 дитретбутил-4-гидроксобензоат)ацетатоксалат платина(IV)

К раствору транс-R, R-циклогексан-1,2-диамингидроксоацетатоксалат платина(IV) (0.4 г., 0.7 ммоль). в 20 мл ацетона добавили раствор 3,5 дитретбутил-4-гидроксобензоил хлорида (0.63г., 2 ммоль) 10 мл. Затем пиридин (0.27 мл) добавили одной порцией и реакционную смесь перемешивали в течение 12ч. Белый осадок выпал по прохождение реакции и был отделен фильтрованием, промыт ацетоном 2х5мл и водой 3х2мл и высушен над Р2О5. Выход 0.225мг (41%).

Обсуждение результатов

Цель настоящей работы заключалась в получении комплекс платины(IV) с цитопротекторной антиоксидантной группой:

Для получения данных комплексов платины была использована схема.

На первой стадии осуществляли реакцию тетрахлорплатината калия с 1,2-диамин-R, R-циклогексаном, в результате чего образуется координационное соединение со связями Pt-N. Важно отметить, что реакцию 1,2-диамин-R, R-циклогексана с тетрахлорплатинатом калия проводят при перемешивании в течение 2 ч в колбе, закрытой от света.

Получили осадок жёлтого цвета, который отделяли, промывали холодной дистиллированной водой и сушили над P2O5. Выход полученного продукта составил 42%. Строение и чистота соединения были подтверждены методами ЯМР.

ЯМР спектр дихлорид-R, R-циклогексан-1,2-диамина платины (II)

На следующей стадии была проведена реакция обмена дихлорида R, R-циклогексана-1,2-диаминациклогексана платины (II) с сульфатом серебра:

Реакционную смесь перемешивали в колбе, закрытой от света, в течение 3 ч. Затем, испытали отношение реакционной смеси к раствору хлорида натрия, проверив раствор на наличие ионов Ag+. Не было выявлено присутствие ионов серебра, что свидетельствовало о полноте протекания реакции. Смесь оставили перемешиваться еще на 1 час. Для лучшего формирования осадка смесь оставили на 30 минут, а затем осадок отфильтровали. К фильтрату прилили раствор оксалата калия и оставили реакционную смесь перемешиваться на ночь при комнатной температуре.

В ходе реакции образовался белый осадок, который отделили фильтрованием и промыли холодной дистиллированной водой, а затем высушили над P2O5. Выход реакции составил 47%. 

Затем полученный транс-R, R-циклогексан-1,2-диаминоксалат платины(II) окисляли перекисью водорода в присутствии уксусной кислоты.

Транс-R, R-циклогексан-1,2-диаминоксалат платины(II) суспендировали в уксусной кислоте. В течение 1.5ч добавили три порции 35% перекиси водорода. Целевой продукт был выделен из реакционной смеси удалением растворителей под пониженным давлением, суспендированием твердого остатка в этилацетате и растворением в минимальном количестве метанола. Не прореагировавшие соединения и побочные продукты реакции были отделены центрифугированием. Чистый продукт реакции был получен при упаривании растворителей и высушиванием над Р2О5. Выход реакции составил 53.5%. Строение и чистота соединения были подтверждены методам ЯМР спектроскопии.

ЯМР спектр транс-R, R-циклогексан-1,2-диамингидроксоацетатоксалата платины(IV)

На заключительной стадии транс-R, R-циклогексан-1,2-диамингидроксоацетатоксалат платина(IV) был введен в реакцию с 3,5 дитретбутил-4-гидроксобензоил хлоридом. В качестве акцептора выделяющегося хлороводорода был использован пиридин. Реакция проводилась в ацетоне и продукт реакции выпадал в осадок через 12 ч. Целевой продукт был выделен из реакционной смеси фильтрованием, избыток хлорангидрида удален промыванием ацетоном, а примеси хлоргидрата пиридина промывкой водой. Выход составил 41 %. Строение и чистота соединения были подтверждены методам ЯМР спектроскопии.

ЯМР спектр транс-R, R-циклогексан-1,2-диамин(3,5 дитретбутил-4-гидроксобензоат)ацетатоксалат платины(IV)

Выводы

Разработан метод синтеза нового аналога оксалиплатина - комплекса платины(IV), содержащего антиоксидантный фрагмент. Строение и чистота промежуточных соединений и конечного продукта были подтверждены методом ЯМР-спектроскопии на ядрах 1H.

Литература

Платиновые металлы и их роль в современном обществе // Соросовский образовательный журнал, №11, 1999 , , Платина, её сплавы и композиционные материалы // Металлургия, 1980 Реакционная способность координационных соединений // Xимия, 1987 Al-Allaf TAK, Rashan LJ, Ketler G, Fiebig H-H, Al-Dujaili AH. Palladium(II) and platinum(II) complexes of (1R,2R)-(?)-1,2-diaminocyclohexane (DACH) with various carboxylato ligands and their cytotoxicity evaluation. Appl Organomet Chem. 2009;23(5):173-8. Banfic J., Legin A. A., Jakupec M. A., Galanski M., Keppler B. K. // Eur. J. Inorg. Chem. 2014. V. 2014. P. 484.