Ústav organické chemie a technologie. Zajímavosti z našich laboratoří

Transkript

1 Ústav organické chemie a technologie Fakulta chemicko-technologická Univerzita Pardubice 2013 Zajímavosti z našich laboratoří Miloš Sedlák

2 Příběh první: Biomimetická mineralizace

3 ěkteré přírodní biominerály CaCO 3 Coccolith (kalcit trigonální systém) Perleť Ušeně mořské (aragonit ortorombický systém) Perleťový korál (vaterit hexagonální systém) Sedlák M., Kašparová P.: Vesmír, 2003, 82,616.

4 Princip funkce molekulárního nástroje při mineralizačním experimentu rukojeť čelo Amfifilní chování při kontaktu s povrchem minerálu umožňuje - řídit velikost a tvar částic - stabilizovat koloidní systém = hydrofilní, vysoká afinita k minerálu = hydrofilní, zanedbatelná afinita k minerálu + minerální superstruktura kontrola modifikace krystalu = minerál bez šablony se šablonou

5 Syntéza série modifikovaných hydrofilních blokových kopolymerů Polymerní templáty pro biomimetický růst minerálních krystalů m - PEG O C 2 O m-peg O (5000 g mol 1 ) O Polyethyleneimine (700, 2000 g mol 1 ) O O m - PEG PEG-b-PEI x 2 y O BrC 2 COO PO SO =C=S m - PEG O PEG-b-PEI-R O R() x R() y R() R: C 2 COO, (C 2 ) 2 PO 3 2, (C 2 ) 3 SO 3, =C(S) Sedlák M., Cölfen., Antonietti M.: Macromol. Chem. Phys. 1998, 199, 247.

6 Provedení mineralizačního experimentu Sedlák M., Cölfen., Antonietti M.: Macromol. Chem. Phys. 1998, 199, 247.

7 Vliv přítomnosti polymerního templátu s různými funkčními skupinami na morfologii krystalů síranu barnatého 2 m PEG-b-PEI-SO m PEG-b-PMAA-Asp 0.5 m 2 m bez aditiva 2 m PEG-b-PEI-COO PEG-b-PEI-PO 3 2 Sedlák M., Cölfen.: Macromol. Chem. Phys. 2001, 202,

8 Vliv polymerního templátu modifikovaného chirálními ligandy na morfologii a resoluci krystalů tartrátů O R() R() O O O O O O O n x y PEG-b-PEI-R R() 2 CO PEG-b-PEI-L-Glukonát. PEG-b-PEI-L-istidin. CO Samotný CaT O O O O O PEG-b-PEI-L-Prolin. PEG-b-PEI-L-Askorbát. Mastai Y., Sedlák M., Cölfen., Antonietti M.: Chem. Eur. J. 2002, 8,

9 Další možnosti využití templátů Příprava a charakterizace nanorobotu určeného k vychytávání cholesterolu z vodného prostředí Chol 3 C 3 C O O 3 C ~112 O O mpeg-b-pll O TEA mpeg-b-pll-chol O 2 n Chol sledováno zvyšování velikosti micel - zachytávání molekul cholesterolu prostřednictvím nekovalentních interakcí Polymer Počet zachycených molekul cholesterolu na molekulu polymeru Velikost micel (nm) polymer Velikost micel (nm) polymer + zachycený chol. mpeg-b-pll 8.5 -Chol PLL 3 -b-peg-b-pll 4 -Chol mpeg--chol Drabinová E.; Cölfen.; Sedlák, M.: připraveno k publikování.

10 Příběh druhý: anosystémy pro transport léčiv

11 Prednisolon příprava konjugátů Steroidní léčivo s vysokým terapeutickým potenciálem: Protizánětlivé léčivo (revmatoidní artritida, roztroušená skleróza) Imunosupresivní léčivo po transplantaci of orgánů. Vedlejší efekty: soubor endokrinologických poruch (Cushigův syndrom) nárůst tělesné hmotnosti, ukládání tuku; Další rizika: diabetes, zvýšení krevního tlaku, osteoporóza Bílková E., Sedlák M., Dvořák B.,Ventura K., Knotek P., Beneš L.: Org. Biomol. Chem. 2010, Bílková E., Sedlák M., Imramovský A., Chárová P., Knotek P., Beneš L. Int. J. Pharm. 2011, 414, Bílková, E.; Imramovský, A.; Sedlák M.: Curr. Pharm. Design 2011, 17,

12 Perorální konjugát s časově zpožděnou p senzitivní vazbou (polypseudorotaxan) + α-cyklodextrin

13 Charakterizace polypseudorotaxanu Řádková skenovaní tunelová mikroskopie (STM)

14 VOLÝ PREDISOLO

15 Studium kysele-katalyzované hydrolýzy konjugátu a polypseudorotaxanu Rychlost kysele-katalyzovaného uvolňování prednisolonu z nosiče je řízena: 1) p-hodnotou prostředí, 2) Molekulární ochranou -cyklodextrinem 3.5 zpomalené uvolňování prednisolonu Po 1h stání polypseudorotaxanu v modelovím prostředí žaludečního obsahu (, p = 2): 85% of prednisolonu zůstává navázáno na nosiči

16 Onemocnění tuberkulózou (TBC) TBC nejrozšířenější a nejnebezpečnější infekční onemocnění Podle WO ročně nově diagnostikováno 9 mil. lidí a 1,5 mil. zemře ejohroženější skupiny lidí IV infekční, maligně nemocní diabetici závislí na alkoholu a tabáku postižení silikózou geneticky predisponovaní Původce Mycobacterium tuberculosis popř. Mtb - komplex Formy TBC plicní (nejčastější : Mtb nejlépe roste ve tkáních bohatých na kyslík) mimoplicní WO report 2012; 2

17 Prevence a léčba TBC Vakcinace: aplikace oslabeného kmenu M. bovis (BCG vakcína) Léčba: užívání antituberkulotik (5 skupin) 1. Perorální antituberkulotika první volby WO report 2008; 17

18 Využití nanočástic magnetitu anočástice Fe 3 O 2 Biokompatibilní, medicinálně využívané Snadno připravitelné, jednoduché zavedení funkčních skupin Možnost cíleného transportu aplikací externího magnetického pole Marszall, M.P. :The Development of Magnetic Drug Delivery and Disposition, The Delivery of anoparticles, Abbass A. ashim (Ed.), ITEC, Shangai

19 Příprava nanočástic Fe 3 O ydrofilní nanočástice Fe 3 O 4 (FeSO 4 /ao, ao 3, citronan sodný, 100 C) Fe O Fe(O) 2 3Fe(O) 2 + ½ O 2 Fe(O) 2 + 2FeOO + 2 O Fe(O) 2 + 2FeOO Fe 3 O O 2. Core-shell nanočástice Fe 3 O SiO 2 (sol-gel metoda) 3. anočástice Fe 3 O SiO 2 2 McCarhy S.A.; Davies G-L., Gunko Y.K.: ature Protocols 2012, 7,

20 Příprava konjugátu Fe 3 O 2 -I 4. Aktivace isoniazidu 5. Příprava nanočástic konjugátu Fe 3 O SiO 2 I

21 Intensity (a.u.) (111) (222) (400) (422) (511) (220) (440) (311) RTG difrakce práškového vzorku Charakterizace konjugátu Fe 3 O 2 -I (b) (a) (degree) Difrakční píky Fe 3 O 2 I podobné samotným nanočásticím Fe 3 O 2 2 ; odpovídají klastrům kubických spinelových nanokrystalů Fe 3 O 4. Průměrná velikost krystalů Fe 3 O 4 v klastrech a činí 13 nm (Sherrer). 21

22 Charakterizace konjugátu Fe 3 O 2 -I istogram distribuce hydrodynamické velikosti částic (DLS) 115 ± 60 nm Morfologie částic Fe 3 O 2 I (SEM) anočástice mají sférický charakter, vysycháním roztoku nanočástic vznikají aglomeráty

23 Studium uvolňovaní isoniazidu z Fe 3 O 2 -I za podmínek in vitro Roztok mol l 1 ; t 1/2 = 65 s (k obs = s 1 ) Fosfátový pufr p = 5.3 ( mol l 1 ) t 1/2 = 116 s (k obs = s 1 ). Fosfátový pufr p = 7.4 ( mol l 1 ) konjugát stabilní

24 Studium toxicity Fe 3 O 2 -I na buněčných kulturách Testováno na buňkách lidského prsního adenokarcinomu SK-BR-3, sledována adheze a proliferace buněk pomocí xcelligence systému Časová závislost normalizovaných CI hodnot pro I A pro Fe 3 O 2 -I má podobný charakter Buněčná toxicita konjugátu je srovnatelná se samotným isoniazidem.

25 Aplikační možnosti Kromě případné intravenózní aplikace lze uvažovat i o použití nasálním (vhodné pro plicní formy TBC) Sedlák, M.; Bhosale D.S.; L.; Beneš, L.; Palarčík, J.; V.; Kalendová, A.; Královec, K.; Imramovský, A.: Bioorg. Med. Chem. Lett. 2013, 23, 4692.

26 Příběh třetí : výrobní omyl v tunovém měřítku Versalová červeň BR (C.I. Pigment Red 144) O O O O Synthesia a.s. Pardubice producent organických pigmentů

27 2-Chlor-5-methyl-1,4-fenylendiamin Ac O 3 / 2 SO 4 Ac 1) redukce C O 2 2) hydrolýza 2 středový amin klíčový meziprodukt syntézy versalové červeně BR Kenner J, Tod CW, Witham EJ. Chem. Soc. 1925, 127, 2343; Terč J. Chem Prům 1976, 26, 641, Chem Abstr 1977, 86,

28 Pro syntézu versalové červeně byla dodána 1 t neznámé dosud nepopsané sloučeniny Fyzikálně-chemické parametry neodpovídají požadovanému 2-chlor-5-methyl-1,4-fenylendiaminu! 1 MR: 2 (2,41; 2,65 )ppm, kyselé atomy vodíku v oblasti 5,6 6,4 ppm jeden signál aromatický Ar- 6,71 ppm. 13 C MR: 2 (13,0; 16,4)ppm. aromatická oblast (Cq: 97, 122, 125, 132, 141, 150) ppm; C: 114 ppm.

29 Elementární analýza a hmotnostní spektrum neznámé látky empirický vzorec (C O 4 S) n reakce s Ba(O) 2 poskytuje BaSO 4 empirický vzorec - 2 SO 4 : (C ) n GC-MS molekulový pík M = 195 sumární vzorec C (n = ½) 2-chlor-5-methyl-1,4-fenylendiamin: C diference s neznámou látkou: 1 atom dusíku v molekule

30 Předpoklad: zavedení jednoho atomu dusíku navíc pravděpodobně nitrace do druhého stupně, při následné redukci dochází k cyklizaci Ac O 3 / 2 SO 4 Ac redukce O 2 O 2 O 2 2 eznámá dosud nepopsaná látka: 5-amino-4-chlor-2,7-dimethyl-1-benzimidazol souhlasí s elementární analýzou, MR, MS.

31 Rtg-difrakce neznámého vzorku po krystalizaci z dimethylformamidu ORTEP potvrzena struktura 5-amino-4-chlor-2,7-dimethyl-1-benzimidazolu (2 C SO O). 2 Intermolekulární vodíkové vazby v krystalu

32 ezávislá syntéza 5-amino-4-chlor-2,7-dimethyl-1-benzimidazolu Ac Ac O 3 / 2 SO C O 2 89% O 3 / 2 SO 4 Klíčový proces nitrace do druhého stupně za běžných podmínek neprobíhá

33 ezávislá syntéza 5-amino-4-chlor-2,7-dimethyl-1-benzimidazolu Ac Ac O 3 / 2 SO C O 2 89% O 3 / 2 SO C bez katalýzy Fe 3+ neprobíhá! Ac redukce Ac 2 2 O 2 O 2 cyklizace 5-amino-4-chlor-2,7-dimethyl-1(3)-benzimidazol Klíčový proces nitrace do druhého stupně vyžaduje Fe 3+ katalýzu výrobce: znečištěné výchozí suroviny, nebo poškozený smalt reaktoru.

34 Studium vlivu železitých iontů na rychlost nitrace -(5-chlor-2-methyl-4-nitrofenyl)acetamidu Ac O 3 / 2 SO 4 Ac O C katalýza Fe 3+ O 2 O mol % Fe 3+ : 90 % konverze 2 3 za 5 h 50 mol % Fe 3+ : 90 % konverze 2 3 za 1 h

35 12 itrace katalyzována komplexem O 2 [Fe(O 3 ) 4 ] 2 O 3 + SO 3 2 SO O 5 2 O 5 + Fe(O 3 ) 3 O 2 + [Fe(O 3 ) 4 ] Komplex je znám a byl připraven v krystalické formě a ověřen rtg-difrakcí G. Tikhomirov, I. Morozov, K. Znamenkov, E. Kemnitz, S. Troyanov: Z. Anorg. Allg. Chem. 2002, 628,

36 Redukce -(5-chlor-2-methyl-4,6-dinitrofenyl)acetamidu Ac Ac Pd-C/ 2 /methanol SO 4 / 2 O O 2 O 2 Fe// 2 O 2 Byl připraven vzorek identický s dodaným 5-amino-4-chlor-2,7-dimethyl-1-benzimidazolem

37 Možné využití 5-amino-4-chlor-2,7-dimethyl-1-benzimidazolu O O O Benzimidazol lze diazotovat, bylo připraveno barvivo s charakterem organického pigmentu hnědé barvy. Sedlák M., Drabina P., Panov I., Kopřivová R., Růžička A., Ventura K., Dyes & Pigments 2009, 81,

38 Děkuji za pozornost