DE69534845T2

DE69534845T2 - Schlüssel-schloss-mizellen

Info

Publication number: DE69534845T2
Application number: DE69534845T
Authority: DE
Inventors: George R. Temple Terrace NEWKOME; Charles N. Temple Terrace MOOREFIELD; Gregory R. Tampa BAKER
Original assignee: University of South Florida
Current assignee: University of South Florida
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2015-07-20
Also published as: US5650101A; EP0771190B1; JPH10506879A; EP1749516A2; DE69534845D1; EP0771190A4; WO1996003114A1; AU2000197A; MX9700651A; ATE319425T1; AU3102895A; EP1749516A3; EP0771190A1; CA2195980A1; AU694254B2

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft hochverzweigte Moleküle, die eine vorbestimmte dreidimensionale Morphologie besitzen und die man als unimolekulare Mizellen bezeichnet. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung Mizellen, die auf Gebieten wie bildgebende Radiologie, Pharmakotherapie (drug delivery), Katalyse, Affinitätsfiltration zur Trennung von Enantiomeren und dergleichen und anderen Gebieten Anwendung finden.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Über reine und geordnete Anordnungen für Mizellensysteme wurde berichtet^1,2, die in ihrer Struktur auf die ursprünglichen Arbeiten von Vögtle et al.^3a zurückgehen, der die "Kaskaden"-Konstruktion beschrieb. US 4,435,548 (ausgegeben 06.03.1984), US 4,507,466 (26.03.1985), US 4,558,120 (10.12.1985), 4,568,737 (04.02.1986), US 4,587,329 (06.05.1986), US 4,631,337 (23.12.1986) US 4,694,064 (15.09.1987) und US 4,737,550 (12.04.1988), alle an Tomalia et al., betreffen verzweigte Polyamidoamine. Die Polyamidoamine umfassen eine Vielzahl von hängenden Aminoamidreste, welche Eigenschaften aufweisen, die mit denen von linearen Polyamidoaminen verwandt sind, von denen sich die verzweigten Polymere ableiten. Diese Verbindungen können als hochmolekulare, hochverzweigte multifunktionale Moleküle bezeichnet werden, die eine dreidimensionale Morphologie besitzen. Zur Realisierung solcher "Kaskadenpolymere"^3b eingesetzte Synthesestrategien erfordern die Berücksichtigung verschiedener Faktoren, darunter der Gehalt des Ursprungskerns, die Bausteine, der Raum für die Moleküle, die Verzweigungszahlen, Grenzen der Packungsdichte und gewünschte Porosität, sowie andere Faktoren⁴. Die Auswahl der Bausteine bestimmt die gewünschte Art der vom Kernmolekül ausgehenden Verzweigung, ebenso wie die zum Anheften einer jeden folgenden Schicht oder "Generation" (tier) des Kaskadenpolymers angewendete Technologie.
Die Anmelder haben ein neues Verfahren zur Herstellung von Kaskadenpolymeren entwickelt, insbesondere jener, die eine unimolekulare Mizelle ergeben, die im wesentlichen aus Alkylkohlenstoff besteht, der unterschiedliche terminale Funktionalität besitzt. Solche Verbindungen sind im Patent US 5,154,853 (1992) der Anmelder offenbart.
Weitere Entwicklungen der oben beschriebenen Chemie durch die Anmelder haben gezeigt, dass der unimolekulare Mizellcharakter durch die kovalent gebundenen Anordnungen der internen reaktiven Stellen die Vorabbeurteilung der Regelmäßigkeit und der Chemie in einer Reihe von spezifisch gestalteten sphärischen Makromolekülen ermöglicht^5,6. Ähnliche dendritische Spezies wurden mit inneren Amid-^4,7,8, Ether-^9,10, Phosphonium-¹¹, Silikon-¹², German^–13 und Arylbindungen^14–19 und -funktionalitäten aufgebaut.
Es wurde jedoch festgestellt, dass von allen diesen Systemen bisher nur drei der bisher geschaffenen das Potential haben, gezielte chemische Modifikationen in ihren inneren lipophilen Bereichen einzugehen. Wenn es echten Raum innerhalb dieser lipophilen Bereiche gibt, werden sie als "leere Bereiche" (void regions) bezeichnet. Die Summe der "leeren Berei che" bildet das gesamte "Leervolumen" (void volume) des Kaskadenpolymers. Die heute bekannten Verbindungen mit solchen inneren leeren Bereichen, die zu kovalenter Modifikation fähig sind, sind die aus Kohlenwasserstoffen aufgebaute Kaskadenzwischenprodukte, welche spezifisch angeordnete innere Substitutenten oder ungesättigte Zentren, z. B. Dialkylacetylenreste, besitzen, dargelegt im oben genannten Patent der Anmelder ( US 5,154,853 ); die von Moore und Xu¹⁹ offenbarten Verbindungen, die starre Polyalkynzwischenstücke oder -verbinder zwischen den Verzweigungszentren besitzen und daher wegen sterischer Wechselwirkungen zu unvollständiger chemischer Umwandlung und daher Asymmetrie neigen, und die in den oben angeführten Patenten von Tomalia dargelegten Verbindungen, die aminoverzweigte Verbindungen mit kurzen Bindungen zwischen den Verzweigungspunkten (wodurch das Leervolumen minimiert wird) und intern verknüpfenden trialkylsubstituierten Stickstoffatomen mit weniger als reiner sp³-Hybridisierung sind, was die interne nukleophile Substitution erschwert.
Die Anmelder haben gefunden⁶, dass die Dialkylacetylenreste der hier beschriebenen Kaskadenpolymere auch in zugänglichen leeren Bereichen spezifisch lokalisiert sind. Die Anmelder haben gezeigt, dass Gastmolekülsonden, darunter Diphenylhexatrien (DPH), Phenolblau (PB), Naphthalin, Chlortetracyclin (CTC) und Pinacyanolchlorid (PC) als Mizellsonden verwendet werden können, um unter Anwendung bekannter Chemie auf die Infrastruktur solcher Kaskadenpolymere zuzugreifen.
Die Nachweise der Zugänglichkeit von leeren Bereichen für chemische Modifikationen haben die Fähigkeit entwickelt, interne Reste im sphärischen symmetrischen dendritischen Makromolekül nach dem Aufbau zu bearbeiten, um eine leichte Inkorporierung von intern angeordneten empfindlichen und/oder reaktionsfähigen Gruppen zu ermöglichen, die ansonsten während des Kaskadenaufbaus nur schwer einzuführen oder zu schützen wären. Insbesondere wurde die Einführung von Metall- und Metalloidzentren in die Kaskadeninfrastrukturen erreicht. Solche abgeleiteten Verbindungen, die gattungsmäßig als Metallosphären, Supercluster, unimolekulare Metall- und Nichtmetallmizellen, Metalloidmizellane, derivatisierte Mizellane oder Mizellane bezeichnet werden, können zur Pharmakotherapie mit verschiedenen Metallen und Nichtmetallen genutzt werden, die heute in pharmakologisch wirksamen Substanzen schwer zu verabreichen sind. Die Verwendung von Trägermetallen als pharmakotherapeutische Mittel hatte das Problem, dass man nicht genug Metall/Nichtmetall bei hinreichend niedriger Dosis des Trägers selbst an eine Stelle bringen konnte.
Beispielsweise liefert die US Serial No. 226,665 eine Mittel zur Abgabe hoher Konzentrationen des/der Metall-/Nichtmetallreste(s) an eine Stelle bei relativ niedriger Dosis des Trägers (Mizellansystem).
Newkome et al. (Macromol. Symp., 77, 63–71, 1994) offenbaren einen Schloss-Schlüssel-Komplex, wobei Schloss und Schlüssel über Metallkomplexierungen miteinander verbunden sind. Die Abgabe eines Gastmoleküls an eine Zielbindungsstelle wird nicht offenbart.
Die Zugänglichkeit zu leeren Bereichen kann durch verschieden Mittel erreicht werden. Sie kann während der Synthese der Generationen des Makromoleküls oder nach der Synthese durch verschiedene Bearbeitung des Moleküls erreicht werden. Es wurde gefunden, dass diese Manipulationen des Moleküls durch Vergrößern und dann Verkleinern der Molekülgröße erreicht werden können.
Ein weiterer und sehr wesentlicher Schritt wurde bezüglich der Spezifität des Zugangs des Gastmoleküls zu den leeren Bereichen und der Bindung des Gastes darin unternommen. Insbesondere wurde ein unimolekulare Mizellen betreffendes "Schloss-Schlüssel-Konzept" entwickelt, das mehrere bewiesene und einzigartige Eigenschaften der Kaskadenmakromoleküle ausnutzt. Zu den vorteilhaften Eigenschaften gehören:

1. der/die innere(n) konstruierte(n) und vorbestimmte(n) oder vorgeplante(n) leere(n), in der Mizellensuperstruktur geschaffene(n) Bereich(e),
2. die Fähigkeit, leichten Zugang mit molekularen Gästen zu diesen inneren leeren Bereichen zu erhalten, um einen Mizellkomplex und möglicherweise Multimizellkomplexe, die aus einem oder mehreren Wirten mit einem oder mehreren Gästen bestehen, zu erzeugen,
3. die Fähigkeit, spezielle Akzeptorreste in die Struktur eines oder mehrerer Arme, Zweige oder Kaskadenbausteine zu inkorporieren oder die synthetische Aktivierung eines schlafenden oder maskierten Akzeptororts, wodurch die Akzeptorreste permanent oder für einen gesteuerten Zeitraum fixiert werden, und
4. die einzigartige homogene Struktur und Topologie der Bausteine, welche die Inkorporierung vorgeplanter Akzeptorreste auf einen oder mehrere Äste der unimolekularen Mizelle ermöglicht. Mit anderen Worten: Ein an einen komplementären Rest bindender Akzeptorbereich kann als solcher hergestellt und vorzugsweise dem komplementären Rest zur irreversiblen oder reversiblen Bindung präsentiert werden. Ferner kann die Mizellstruktur einen ansonsten löslichen Rezeptor (Akzeptorbereich) enthalten und den Rezeptor mittels löslicher Komponenten auf der Mizelloberfläche lösliche machen.

Verwendung dieser Moleküle ergibt molekulare Erkennung und Bindung in und zwischen zwei oder mehr Mizellen. Dies ist die spezifische Bindung einer Schlüsselmizelle mit einer Schlossmizelle, wobei die Bindung sowohl selektiv ist als auch ein- und ausgeschaltet werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Verwendung eines Mizellenkomplexes aus Schloss und Schlüssel bereitgestellt, die durch einen Gast mit einer vorbestimmten Affinität für einen Akzeptorbereich der Schlossmizelle, die geringer als die Affinität für eine Zielbindungsstelle mit einer vorbestimmten Affinität ist, verbunden sind, zur Herstellung eines Medikaments für die Abgabe des Gastmoleküls an die Zielbindungsstelle und die konkurrierende Freigabe der an den Gast gebundenen Schlüsselmizelle von der Schlossmizelle und Bindung des Gastanteils der Schlüsselmizelle an die Zielbindungsstelle.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind leicht erkennbar, da dieselbe mit Bezug auf die folgende eingehende Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den beigegebenen Zeichnungen betrachtet wird, besser zu verstehen ist.
1 zeigt einige repräsentative Schloss-Schlüssel-Gestaltungen (Spalte 1) und das Konzept eines spezifischen Schlüssels in Verbindung mit einem spezifischen Schloss (Spalte 2) (T.J. Murray und S.C. Zimmermann, J. Am. Chem. Soc. 114, 4010–4011, 1992). Die dritte Spalte beschreibt abstrakt die Anordnung von teilweise positiven und teilweise negativen Ladungen, die für die der Schloss-Schlüssel-Gestaltung eigene molekulare Erkennung zuständig sind. Man beachte, dass das Schloss-Schlüssel-Konzept nicht auf Systeme mit drei Wasserstoffbrückenbindungen beschränkt ist. Die Einbeziehung von Stellen mit mehr oder weniger Donator/Akzeptorstellen in Schlössern und Schlüsseln ist vorgesehen.
2 zeigt ein Kalottenmodell eines Kaskadenmakromoleküls auf Kohlenwasserstoffbasis in gedehnter und zusammengezogener form. In der expandierten Ansicht ist der innere Kern klar sichtbar, während er in der zusammengezogenen Konformation dem Blick verborgen ist und daher viel besser vor der Umgebung geschützt ist als wenn er gedehnt wäre.
3 veranschaulicht die Verwendung von Bausteinen auf Kohlenwasserstoffbasis, wie das Säurechlorid des tris-Benzylethers, zum Aufbau von vierarmigen dendritischen Makromolekülen. Die Anwendung der normalen Amin-Säurechloridchemie ermöglicht die Einführung der Diaminopyridin-Akzeptoreinheit (A) in das Kaskadengerüst.
4 beschreibt ein vielseitiges Verfahren zum Aufbau von vierarmigen Kaskadenschlössern mit vier zum Mittenkern äquidistanten Diaminopyridineinheiten (A) (II und III). Der zum Aufbau der Dendritenarme verwendete Aminopyridintriesterbaustein wird über ein Verfahren mit hoher Verdünnung hergestellt, das es ermöglicht, verschieden lange Alkylketten einzubauen, welche Triester- und Aminopyridinreste trennen. Dieses Merkmal gestattet die Gestaltung von Bausteinen, welche unterschiedliche Lipophilitätsgrade in die innere Superstruktur der Kaskade einführen. Die normale Umwandlung von t-Butylestern in saure Funktionalitäten mittels Ameisensäure ermöglicht die Bildung wasserlöslicher Schlösser und erzeugt auch die Polysäurevorstufe für das Hinzufügen einer weiteren Generation oder Schicht von Kaskadenbausteinen (im gezeigten Fall der Amino-tris-t-butylester) über normale Peptidkupplungszustände. Man beachte jedoch, dass andere Amino/Esterbausteine mit derselben Technik an die Polysäuren an gefügt werden können, so die vorstehend beschriebenen Aminopyridintriester.
5 veranschaulicht das kuppelnde Motiv des Schlosses (I-II) und den Bartanteil eines verallgemeinerten Schlüssels. In diesem Fall ist der Bart (IV) aus Barbitursäure oder einem ihrer Derivate aufgebaut. Da in die dendritische Struktur vier Diaminopyridineinheiten eingebaut sind, können bis zu vier Schlüsseläquivalente in das Kaskadengerüst gezwängt werden.
6 zeigt das Schloss-Schlüssel-Motiv (V), wobei der Schlüsselbart mit einem "Schaft" verbunden ist (in diesem Fall als Kohlenwasserstoffkette dargestellt), welcher ferner mit einem "Bügel" oder "Kopf" (Z) des Schlüssels verbunden ist. Z kann man sich als jede Gruppe oder Funktionalität vorstellen, die mit dem Bart über den Schaft logischerweise verbunden werden kann. Dies kann eine andere Kaskadenstruktur einschließen, die zur Steigerung (oder Verhinderung) der wäßrigen (oder organischen) Löslichkeit gestaltet werden kann.
7 zeigt etwas von der Vielseitigkeit und Breite bei der Gestaltung der Kaskadenschlösser und -schlüssel, indem die Donator/Akzeptorreste leicht umgedreht werden können. Die aus der Schloss-Schlüssel-Verbindungsfähigkeit resultierende Wasserstoffbrückenbindung ist jedoch dieselbe und beruht auf gleichartiger molekularer Erkennung.
8 veranschaulicht den Aufbau von Schlössern und Schlüsseln auf der Basis kovalenter Metall-Liganden-Bindung. Wie dargestellt, kann eine Schlossstelle an eine wachsende Kaskadenstruktur über die Verbindung eines Terpyridinrests an eine Carbonsäure angehängt werden, die dann der normalen Amidkupplung und Esterdeprotektion unterworfen werden kann, die vorstehend beschrieben wurden.
9 veranschaulicht die Möglichkeit, mehrere Donator/Akzeptorstellen auf einen Ast/auf Äste der Kaskadenstruktur zu inkorporieren.
10 zeigt eine Strichzeichnung des Komplexes (VI), der sich bildet, wenn ein Schloss der dritten Generation mit einem Schlüssel der zweiten Generation behandelt wird.
Eingehende Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine unimolekulare Schloss- und eine unimolekulare Schlüsselmizelle. Die unimolekulare Schlossmizelle umfasst mindestens einen konstruierten Akzeptor zur spezifischen Bindung eines Liganden, wie einer unimolekularen Schlüsselmizelle.
Der Ausdruck "Schlossmizelle" bedeutet eine unimolekulare Mizelle mit einem Akzeptorbereich zur spezifischen Bindung mit einer vorbestimmten Affinität an eine spezifisch komplementäre Stelle eines Liganden, wobei der Akzeptor in einem konstruierten leeren Bereich der Mizelle angeordnet ist, der ferner eine Tasche begrenzt, die den Eintritt desselben spezifischen Liganden auf der Basis von dessen Sekundär- und Tertiärstruktur erlaubt.
Der Ausdruck "Schlüsselmizelle" bezieht sich auf spezifische Liganden, die konstruierte Mizellen mit dem zum vorgenannten Rezeptor (Akzeptorbereich) komplementären Bindungsbereich und einer Sekundär- und Tertiärstruktur, welche deren Eintritt in den leeren Bereich der den Rezeptor enthaltenden Mizelle erlaubt, sind.
Daher erfordert das Schloss-Schlüssel-Konzept eine Kombination von Eintritt des Schlüsselmizellenbereichs mit dem Bindungsgebiet in den leeren Bereich der Schlossmizelle und dann eine Affinität des Akzeptorbereichs zum Bindungsbereich der Schlüsselmizelle. Dies sieht für einen Rezeptor eine konkurrierende Bindung zwischen Schlüsselmizellen vor und ebenso für den Akzeptor mit natürlich vorkommenden Liganden wie Medikamenten oder dergleichen vor. Es sieht auch eine konkurrierende Bindung zwischen der Schlossmizelle und den natürlichen Rezeptoren für spezifische Medikamente wie Barbiturate vor, und dass die an das Medikament gebundene Schlüsselmizelle an einem natürlich vorkommenden Rezeptor mit einer unter Gleichgewichtsbedingungen höheren Affinität dazu freigegeben wird.
Genauer auf die Mizellenstruktur bezogen betrifft die vorliegende Erfindung eine unimolekulare Mizelle mit inneren leeren Gebieten, welche reaktive Stellen einschließen, die an einen Gast/Gäste kovalent oder nicht kovalent binden können. Die unimolekularen Mizellen sind Kaskadenpolymere, die als Mizellen wirken. Solche unimolekularen Mizellen können allgemein die Form von jenen haben, die im oben zitierten US 5,154,853 der Anmelder offenbart sind, die reine Alkylmoleküle sind, oder von jenen, die in den oben besprochenen Tomalia-Patenten offenbart sind, mit einem Kern oder einer Verzweigungsstelle mit Stickstoff. Bei solchen Verbindungen ist das Verzweigen vorbestimmt, je nach der Anzahl der Generationen, die gemäß den oben genannten Zitatstellen angefügt wurden. Die Etymologie des Ausdrucks "Mizelle", wie er im klassischen oder üblichen Sinn gebraucht wird, betrifft eine nicht kovalent gebundene vereinigte Sammlung (Aggregat) vieler einfacher Moleküle, die als Einheit mit einzigartigen Eigenschaften (z. B. wäßrige Solubilisierung von wasserunlöslichen Materialien) wirkt, die bei den einzelnen, die Mizelle bildenden Molekülen nicht beobachtet werden. Dagegen bezieht sich unimolekulare Mizelle o der Mizelle, wie es hier gebraucht wird, auf ein einzelnes Makromolekül mit einer kovalent aufgebauten Superstruktur, das dieselbe(n) Funktion(en)⁶ wie eine klassische Mizelle ausführen kann. Zusätze zu diesem Ausdruck bezeichnen die Inkorporierung spezieller Metall- oder Nichtmetalltypen in das chemisch zugängliche lipophile Innere der unimolekularen Mizelle. Der Ausdruck Ligand soll jede Stelle beschreiben, die Elektronendichte, wie ein Elektronenpaar, an einen Metall- oder Nichtmetallrest abgeben kann, wodurch eine kovalente oder nicht kovalente Bindung gebildet wird. Der Ausdruck wird meist dann benutzt, wenn von Metallen die Rede ist, die an Atome wie N, P, O und/oder S gebunden oder komplexiert sind. Der Ausdruck Gast/Gäste soll jede Metall- oder Nichtmetallspezie(n) (oder jede vernünftige Kombination daraus) beschreiben, die in oder auf das Kaskadengerüst eingeführt werden kann. Die Einführung kann durch kovalente Bindung irreversibel oder durch Bildung von nicht kovalenten, leicht lösbaren Bindungen (z. B. Wasserstoffbrückenbindungen) sein, oder die Reversibilität kann durch lipophil-lipophile oder hydrophil-lipophile Anziehung begründet sein.
Mizellen können dadurch beschrieben werden, dass sie mindestens ein Kernatom, bevorzugt ein Kohlenstoffatom, und von diesem abzweigende Arme haben. Mindestens ein Akzeptor ist integraler Bestandteil von zumindest einem Zweig, um zumindest einen Anteil des Liganden im leeren Bereich zu binden. Mindestens einige der Zweige können sich über den Akzeptor erstrecken und eine vorbestimmte Tasche begrenzen, welche den leeren Bereich enthält. Demnach ist die Tasche ein lipophiler Behälter des leeren Bereichs und des Akzeptors und begrenzt eine Öffnung der Mizelle aus dem leeren Bereich nach außen. Das heißt, die Zweige bilden eine lipophile Höhle, in der der Akzeptor freiliegt. Solch eine Tasche kann so konstruiert werden, dass sie, wie unten beschrieben, einen oder mehrere Ak zeptorstellen einschließt. Ferner können die Akzeptorstellen in jegliche Verzweigungsschicht(en) konstruiert werden, wie es für die Konstruktion einer spezifischen Rezeptor- oder Andockstelle, die zur Tertiär- und Quartärstruktur des zu bindenden Liganden komplementär ist, benötigt wird. Wie später beschrieben wird, kann der Ligand die Form einer spezifisch konstruierten Schlüsselmizelle haben, so dass der Schlüssel in die Tasche paßt, und einen terminalen Rest aufweisen, der spezifisch an die Akzeptorstelle(n) bindet.
Die unimolekulare Mizelle oder "leere Domäne", ein dreidimensionales Gebilde, ist für dieses Schloss-Schlüssel-Konzept entscheidend, weil sie im wesentlichen als Tertiärstruktur des unimolekularen Mizellensystems betrachtet werden kann. Da alle Aspekte der Mizellenspezies vorbestimmt werden und frei gestaltet oder konstruiert werden können, ist die Summe der "leeren Bereiche" oder der Gesamtleerbereich des Makromoleküls ein gestalteter Parameter, der in den dendritischen Bausteinen oder in den für das molekulare Anheften des komplementären Liganden oder des unimolekularen Schlüsselmizellenmoleküls aktivierten gerüsteten Stelle(n) enthalten ist. Daher haben die Monomeren oder Bausteine, die schließlich in der resultierenden unimolekularen Mizelle enthalten sind, dennoch 1. eine Primärstruktur (der Bindungsfähigkeit der Kerne beigemessen), 2. eine Sekundärstruktur (grundlegenden Kernwechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindung, Dipolwechselwirkung, London-Kräften zugeordnet), 3. eine Tertiärstruktur, die Molekülgestalten wie Bänder, Reißverschlüsse, Fäden und Kugeln annehmen kann (von der Sekundärstruktur induzierte innere und äußere Konformationen) und 4. eine dynamische Struktur der strukturierten leeren Bereiche oder "quasi-tertiäre" Struktur der unimolekularen Mizelle, bestimmt durch die Kombination von Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur. Die quasitertiäre Domäne umfasst einen der Hauptbereiche der makromole kularen Struktur der Mizelle, der den unmittelbaren Bereich über der Mizellenoberfläche, die Mizelle selbst und das Mizellengerüst einschließt. Alle diese Domänen sind insofern aktiv, als sie angewendet werden können, um chemische oder physikalische Veränderungen der unimolekularen Mizelle, ihrer Umgebung, eines molekularen Gasts oder molekularer Gäste oder eine der angeführten Kombinationen herbeizuführen.
Die Enden der Arme oder, bei längeren Armen vielleicht die Mittelteile der Arme, können gefaltet werden, um eine Außenfläche der Mizelle zu bilden. Die Oberfläche der Mizelle ist der unmittelbar benachbarten Umgebung, in der die Mizelle sich befindet, ausgesetzt. Diese Umgebung hat einen bestimmten hydrodynamischen Charakter, der von Eigenschaften wie pH, Lipophilitäts-Hydrophilitäts-Eigenschaften bestimmt wird. Solche Oberflächeneigenschaften führen auch zur allgemeinen Löslichkeit der Mizelle, selbst wenn sie in sich einen relativ unlöslichen Gast trägt.
Die Mizellenoberflächen können leicht mit Metallionen beschichtet werden. Ein-, zwei- und dreiwertige Metalle werden eventuell direkt oder indirekt durch terminale Carboxylgruppen oder dergleichen gebunden, ähnlich der Auflösung von Metallionen durch die meisten mizellaren oder sauren Systeme. Gleicherweise kann die Mizellenoberfläche polare, unpolare und/oder hydrodynamische, gegen pH, ionische oder andre hydrodynamische Änderungen empfindliche Gruppen umfassen. Das Herstellungsverfahren für solche Mizellen ist in "Macromolecules" 27, Nr. 13, 1994, Seiten 3964–3472, offenbart.
Die Mizellen können dadurch charakterisiert werden, dass sie Arme oder Zweige haben, die biegsam sein können, wobei jeder Arm in einer hydrodynamisch reaktiven Gruppe endet. Der Ausdruck "biegsam" bedeutet, dass die Arme sich vom Kern atom hinweg erstrecken und dann umgekehrt zum Kernatom hin falten können. Biegsamkeit beschreibt ferner die Fähigkeit (relativeability) dieser Arme, sich relativ zum Kernarm zu strecken oder zusammenzuziehen. Daher können, wie oben besprochen, die Arme oder Zweige chemisch verändert werden, so dass Arme oder Zweige sich weiter oder näher zum Kernatom erstrecken können, wodurch die Fähigkeit der Mizellen, sich in einer vorgegebenen Umgebung ohne hydrodynamische Eigenschaften auszudehnen, gesteuert werden kann. In Kombination mit der Biegsamkeit der Arme oder Zweige kann auch die Art der Endgruppen die Ausdehnung der Mizelle in unterschiedlicher Umgebung beeinflussen. Daher kann die Auswahl spezieller hydrodynamisch reaktiver Gruppen die relative Expansion und Kontraktion des hydrodynamischen Radius dieser Moleküle beeinflussen.
Der Ausdruck "hydrodynamisch reaktive Gruppe" bezieht sich auf chemische Gruppen, welche an die terminalen Enden der Arme oder Zweige gebunden werden können, die mit der äußeren Umgebung abhängig vom hydrodynamischen Charakter der Umgebung reaktiv sind. Beispielsweise können Gruppen wie Alkohole, Amine, Carboxyle, Thiole, Phosphite, Ammoniumionen, Sulfoniumionen, Phosphoniumionen, Nitrate, Sulfate, Phosphate und/oder Carboxylate je nach dem hydrodynamischen Charakter der umliegenden Umgebung modifiziert werden. Beispielsweise können hydrodynamische Änderungen wie des pH Carboxyle und Amine Protonieren und deprotonieren und so die Löslichkeitseigenschaften dieser reaktiven Gruppen in der Umgebung verändern. Erhöhte Löslichkeit in Verbindung mit Biegsamkeit der Arme oder Zweige der Mizelle führt zur Ausdehnung der Arme und begleitendem Anstieg des hydrodynamischen Wirkradius der Mizelle. Im wesentlichen wird die Mizelle größer. Gleichermaßen zieht eine Abnahme der Löslichkeit das Molekül zusammen.
Es wurde gefunden, dass bei wesentlicher Verlängerung der Arme oder Zweige diese in die Mizelle falten können, wodurch nicht das terminale Ende der Arme oder Zweige sondern statt dessen ein Mittenabschnitt freigelegt wird. Dementsprechend können auch auf diese Weise freigelegte hydrodynamische Gruppen Expansion und Kontraktion der Mizelle beeinflussen. Die obige Beschreibung der Expansion und Kontraktion infolge von Änderungen der Umgebung hinsichtlich der Löslichkeit der Verzweigung der Mizelle ist weiter beschrieben in der US-Anmeldung Ser. Nr. 226,655, übertragen auf den Erwerber der vorliegenden Erfindung.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Mizellen können so konstruiert werden, dass die Ausdehnung der Mizelle die Öffnung der Taschen freilegt, wodurch die Freilegung der Taschenöffnungen gegenüber in der Umgebung befindlichen Liganden und die Bindung des Akzeptors an einen komplementären Rest ermöglicht wird. Kontraktion der Mizelle kann die Zweige über die Taschenöffnung falten und dadurch das leere Gebiet und den Akzeptor abschirmen oder verbergen (2). Entsprechend kann die Umgebung der Mizellen beeinflußt werden, um den Zugang zur Bindung der Schlossmizellen mit Liganden wie die unten beschriebenen Schlüsselmizellenmoleküle an- und abzuschalten.
Beispielsweise können pH, Unmischbarkeit oder andere in der oben genannten Patentanmeldung Ser. Nr. 226,655 erwähnte Faktoren genutzt werden. Beispielsweise wäre eine wäßrige Lösung einer säureterminierten Schlossmizelle bei pH ≥ 7 in einer ausgedehnten (offenen oder porösen) Konfiguration. Substrat(Gast)moleküle werden leicht im lipophilen Inneren der Mizelle eingeschlossen (aufgelöst). pH-Erniedrigung (< 4) läßt die Schlossmizelle zusammenfallen (die Poren schließen) und fängt das Schlüssel(Gast)molekül ein. Dieser Schloss- Schlüssel-(Wirt-Gast)-Komplex kann durch Filtrierverfahren (wie Dialyse, Ultrafiltration oder Gelpermeation) aus der Lösung isoliert werden. Die Auflösung des isolierten Schloss-Schlüssel-Komplexes in einer Lösung mit pH ≥ 7 erleichtert die Freigabe der eingefangenen Schlüsselmoleküle. Die Schlossmizelle verleiht ihre Lösungseigenschaften dem eingefangenen Schlüsselmolekül und sollte als Schutz"hülle" dienen, die labile Funktionalitäten auf dem Schlüsselmolekül schützen kann.
Man bemerke, dass das US 5,154,853 der Anmelder, übertragen auf den Erwerber der vorliegenden Erfindung (1992) offenbart, dass wie hier beschrieben hergestellte unimolekulare Mizellen eine vorbestimmte Porosität haben, die durch die Beziehungen der Zweige, den oben definierten Kern und jedes der quaternären Gebiete oder ternären Zentren (Kohlenstoffkern bzw. Stickstoffverzweigungsstelle) und durch jede zusätzliche daraufgeschichtete Generation erzeugt wird. Die Porosität des inneren Kerns kann durch Erhöhung oder Erniedrigung der Abstände zwischen quaternären oder tertiären Zentren verändert werden, d. h. durch Änderung der Zweigarmlänge. Daher können nach dem von den Anmeldern entwickelten Stand der Technik die erfindungsgemäß verwendeten Mizellen spezifisch konstruierte Aspekte der Größe, Porosität, Außenfläche und internen Bindungsstellen haben.
Wie oben besprochen, kann der Oberflächencharakter der erfindungsgemäße verwendeten Mizellen verändert werden. Beispielsweise kann eine Carboxyloberfläche geschaffen werden, wodurch die Mizellen für Detergentien und Netzmittel brauchbar und auch pH-reaktiv werden²⁵. pH-Änderungen, welche die Löslichkeit der Oberflächenbestandteile erhöhen, können die dendritischen Arme expandieren, wodurch der Zugang zu den leeren Bereichen der unimolekularen Mizelle ermöglicht wird. Rückkehr zum ursprünglichen pH-Wert kann dann die dendritischen Arme zusammenziehen, wodurch die leeren Bereiche wieder umschlossen werden. Dieses Verfahren der Löslichkeitsveränderung durch Änderung der Umgebung, in der die unimolekularen Mizellen gehalten werden, kann angewendet werden, um Zugang zu den leeren Bereichen zur chemischen Modifikation zu verschaffen, wie im einzelnen unten beschrieben.
Außer Carboxyl-, Hydroxylgruppen und Aminen können andere saure, neutrale und/oder basische Funktionalitäten auf der Oberfläche oder auf inneren dendritischen Armen, die den leeren Bereichen der unimolekularen Mizellen benachbart sind, inkorporiert werden, wie in US 5,154,853 ausgeführt. Die leeren Bereiche dieser unimolekularen Mizellen wurden beschrieben. Die expandierte und kontrahierte Art der die Mizellen definierenden dendritischen Arme wurden ebenfalls beschrieben. US Ser. Nr. 226,655 offenbart verschiedenartige Strukturen, die zum Freilegen und Verbergen der leeren Bereiche zur Expansion-Kontraktion fähig sind, und die zum Verbergen und Abschirmen der Taschenöffnungen der erfindungsgemäß verwendeten Mizellen genutzt werden können.
Die Zweige der Schlossmizelle können Endreste wie oben beschrieben umfassen. Die die leeren Bereiche begrenzenden Taschen können an ihren Öffnungen sog. "Pförtner"moleküle umfassen, um nur den Eintritt speziell gebauter Moleküle in die Taschenöffnung zu erlauben. D. h. an der den leeren Bereich begrenzenden Taschenöffnung zur äußeren Umgebung können besondere Moleküle konstruiert werden, die für bestimmte Liganden (und insbesondere Schlüsselmizellenmoleküle wie unten beschrieben) chemisch selektiv für den Eintritt in die Taschenöffnung sind.
Das Pförtnermolekül kann beispielsweise aus der Gruppe, die ohne Beschränkung Aminosäuren (wie Tryptophan, Phenylala nin), Kohlenhydrate und Zucker, geladene oder ionisierbare Gruppen (einschließlich Carboxyl, Amine, Sulfosäuren), Metallkomplexbildner (einschließlich Pyridin, Phenanthrolin, Kronenether, Aza-Kronen) und Wirtsreste wie β-Cyclodextrin umfasst. Ein besonderes brauchbares Beispiel ist ein chirales Molekül als Pförtnerrest, um ein einzelnes Enantiomer eines Gastmoleküls zu begünstigen, das zur Bindung an den Akzeptor in die Taschenöffnung eintreten kann. Entsprechend kann eine solche Schlossmizelle als Filtervorrichtung zur Entfernung eines speziellen Enantiomers eines Moleküls aus einer Lösung benutzt werden.
Beispielsweise kann eine Schlossmizelle mit einer R- oder S-Konfiguration als entweder lösliche oder unlösliche, an eine Matrix gebundene Form verwendet werden. Tryptophan ist ein Beispiel eines chiralen Moleküls, das ein dendritisches Makromolekül abschließen kann, wie in der Veröffentlichung mit dem Titel "Polytryptophane Terminated Dendritic Molecules", Newkome et al., Tetrahedron Asymmetry 2, Nr. 10, 957–960, 1991, offenbart ist. Chirale Pförtnermoleküle ermöglichen die Bindung von nur einem der entgegengesetzt aktiven Bestandteile eines Racematgemisches. Folglich kann eine solche Schlossmizelle nach den Standards der Pharmaindustrie für die Enantiomerentrennung (aktiver Wirkstoffanteil von inaktivem) als Filtersystem benutzt werden. Beispielsweise wäre eine wäßrige Lösung einer säureterminierten Schlossmizelle bei pH ≥ 7 in der gedehnten (offenen) Konfiguration. Nach Zugabe eines Racematgemisches eines komplementären Schlüssels würde nur ein Enantiomer mit der Schlossmizelle wechselwirken. pH-Erniedrigung (< 4) läßt die Schlossmizelle zusammenfallen und fängt das bevorzugt komplexierte chirale Schlüsselmolekül ein. Dieser chirale Schloss-Schlüssel-Komplex kann über Filtrierverfahren (wie Dialyse oder Ultrafiltration) von der Lösung getrennt werden, wobei der Rest des Racematgemisches und Verunreinigun gen entfernt werden. Auflösen des isolierten chiralen Schloss-Schlüssel-Komplexes in einer Lösung mit pH ≥ 7 erleichtert die Freigabe des chiralen Schlüsselmoleküls.
Der Akzeptor ist ein Rest mit einem zu einem gewünschten Bindungsbereich eines Liganden komplementären Bindungsbereich. Die Kombination eines Akzeptors mit einer konstruierten Tasche mit einer Öffnung, die ein oben beschriebenes Pförtnermolekül umfasst, ergibt eine einzigartige Familie von Schlossmizellenmolekülen, wobei ein Ligand (Molekül) in die Höhle oder Bauform eines zweiten Liganden paßt, wie in einer Wirt-Gast-Beziehung oder nichtchemisch wie eine Hand in den Handschuh. Die strukturelle Beziehung braucht eine komplementäre Zuordnung zum Andocken des einen an den anderen oder zur molekularen Komplexierung.
Die strukturelle Inkorporierung eines komplementären molekularen Bindungsbereichs in die Arme eines Kaskadenmakromoleküls über Syntheseverfahren erzeugt ein molekulares Schloss, das mit einer spezifischen Familie komplementärer molekularer Schlüsselmaterialien andocken oder komplexieren kann. Die molekulare Erkennung dieser Schlüssel-Schloss-Kombination erlaubt die Inkorporierung von Gastmolekülen an speziellen Orten und so einen Lösungsweg für Einschluß und Verkapselung von Molekülen in einen Transportbereich, der überwiegend von der Umgebung außerhalb des (dendritischen) Kaskadenmoleküls isoliert ist. Daher können relativ unlösliche oder enzymabbaubare Moleküle ihre Bioaktivität aufrechterhalten, während sie im Schloss-Schlüssel-Bereich der Mizelle abgeschirmt sind. Nachdem sie eine Bindestelle erreicht haben, die eine größere Affinität für die den Gast einschließende Akzeptorregion haben, wird der Gast freigegeben und am Rezeptor kombiniert. Daher liefert die vorliegende Erfindung ein Gastabgabesystem.
1 liefert einige Beispiele des allgemeinen Konzepts einer komplementären Akzeptor-Ligand-Beziehung. Die Beziehung ist nicht auf komplementäre Einheiten mit 3 Wasserstoffbrückenbindungen beschränkt, sondern kann auch auf Donator/Akzeptoreinheiten mit einer oder mehreren Wasserstoffbrückenbindungen angewendet werden.
Hinsichtlich des oben Ausgeführten ist der Akzeptor ein Rest, ausgewählt aus der Gruppe, die im wesentlichen aus teilweise geladenen Molekülen besteht, die komplementär zu einem Bindungsbereich eines Gastmoleküls konstruiert sind. Der Akzeptor kann sowohl teilweise negativ wie teilweise positiv geladen sein. Insbesondere kann der Akzeptor aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus im wesentlichen teilweise geladenen Molekülen besteht, die komplementär zu einem Bindungsbereich des Gastmoleküls konstruiert sind. Der Akzeptor kann mindestens eine teilweise negative Ladung, eine teilweise positive Ladung oder eine Kombination beider umfassen. Insbesondere kann der Akzeptor aus der Gruppe ausgewählt sein, die Bipyridine, Tripyridine und Poly-Lewisbasenreste umfasst, die aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Halogeniden oder Übergangsmetallenmit einem Donator-Elektronenpaar bestehen.
Die Taschenöffnung ist in vorbestimmter Entfernung vom Akzeptor, um eine bestimmte Tiefe zu definieren, um die die Schlüsselmizelle in die Tasche eingeführt werden kann, so dass nur bestimmte Schlüsselmizellen binden können. Dies addiert sich wiederum zur "Kombination" des Schlosses, um Schlüsselmoleküle einer vorbestimmten Sekundär- und Tertiärstruktur zu spezifizieren.
Ein Schlüsselmizellenmolekül umfasst ein Kernmolekül und eine Mehrzahl von Zweigen, die sich davon um einen vorbe stimmten Abstand erstrecken, und wobei wenigstens ein Zweig einen Schaftanteil hat, der sich von dort erstreckt und einen terminalen Rest zur Bindung an einen komplementären Akzeptor einer unimolekularen Schlossmizelle aufweist. Ein solcher Schaftanteil kann im wesentlichen aus einer Kohlenstoffkette bestehen, die 0 bis 22 Kohlenstoffatome umfasst. Natürlich kann ein solcher Schaftteil mit verschiedenen bekannten molekularen Mechanismen hergestellt werden. Er muß aber einen Abstand ergeben, der den Zutritt eines terminalen Bindungsbereichs zu einem Akzeptorbereich in einer Mizellentasche erlaubt. Beispiele solcher Schlüsselmizellen oder -moleküle sind in 2 gezeigt.
Der terminale Rest des Schlüsselmizellenmoleküls umfasst die Tertiärstruktur einschließlich mindestens eines teilweise geladenen Anteils, entweder positiv oder negativ oder eine Kombination beider. Solche terminalen Reste können ausgewählt werden aus der Gruppe, die Barbiturate, wie Allobarbital, Aminoglutethimid, Amobarbital, Barbitursäure, Barbital, Bemegrid, 6-Azauridin, Phenobarbitol, Primidon, Secobarbital, Pentobarbitol, Diazepam, Flurazepam, Methaqualon, Meprobamat und auch Kohlenhydrate wie Sucrose, Aldite, Mannite, Hexosen und Aminosäuren und Peptide wie Tryptophan, Phenylalanin, Glycin und Nukleotide und Nukleoside wie Purine und Pyrimidine, Guanin, Cytosin, Thiamin und Adenin umfasst. Wie oben besprochen kann der terminale Rest chiral sein.
Ein Vorteil der Nutzung der erfindungsgemäß verwendeten Mizellen besteht, wenn der terminale Rest wasserunlöslich ist. Die Zweige der Mizellen können daran gebundene wasserlösliche Reste umfassen, um die Mizelle wasserlöslich zu machen. Polarisierbare Gruppen sind wasserlöslich und wenn sie an einen Donator/Akzeptorrest komplexiert werden, können sie das Komplement wasserlöslich machen.
Der ursprüngliche Entwurf dieses Konzepts führt einen 2,6-Diacylaminopyridinrest (A) als "Akzeptoreinheit" in das Zylinderschloss ein. Diese Inkorporierung ist in 3 dargestellt.
Auf der Basis des Ganzkohlenstoffmodells der Anwender für die unimolekulare Mizelle wird der Acetylenrest durch die geeignete Polyfunktionalität ersetzt. Eine andere und einfachere Inkorporierung kann aus 4 ersehen werden, wobei man andere verwandte früher in der Patentanmeldung Ser. Nr. 226,655 der Anmelder beschriebene Dendrons oder Kaskadenbausteine (insbesondere den Amino-tris-t-butylester) als dendritischen Baustein benutzt. Ein solches Verfahren inkorporiert die Akzeptoreinheit(en) im Schloss. Die hier beschriebene Verfahren sind jedoch nicht nur auf die erste Generation des Aufbaus mit vier Bindungsorten (wie in 4 dargestellt) beschränkt, sondern können unter Anwendung bekannter Chemie bei höheren Generationen eingebaut werden.
Die ursprüngliche Gestaltung des Schlüssels benutzt die komplementäre Natur von A, daher paßt ein Imidrest (CONHCO) zum Modell. Der Fall der Barbitursäure (IV) wurde ursprünglich als Beispiel zur Bewertung dieser Komplementärbeziehung verwendet. Barbitursäure und verwandte Materialien sind in 5 dargestellt.
Um das Schlüssel/Schloss-Prinzip zu veranschaulichen, werden vier Äquivalente Schlüssel zu dem dendritischen Makromolekül mit den vier Schlossorten zugefügt. Jeder Schlüssel paßt genau ins Schloss, was zu molekularer Inkorporierung von vier bestimmten Gastmolekülen ins leere Gebiet des Makromoleküls führt (5). Dies wird durch normale Spektroskopieverfahren bewiesen. Die Einführung anderer Schlüssel mit dem selben komplementären Anteil, aber verschieden geformten Griffen im "Bart"bereich des Schlüssels, ergab analog in der Schlossstruktur eingeschlossene und angedockte Gäste. 6 zeigt andere verwandte Beispiele, um die leichte Möglichkeit zur molekularen Sicherung von Reagentien in den Höhlen dieser sphärischen Polymere festzustellen. Die Verwendung unterschiedlicher Anhänge (Z, 6) am einzigartigen "Bart"bereich der Barbiturate über einen geeigneten Verbindungsrest wie eine Alkylkette erlaubt das molekulare Einfangen verschiedener Materialien im lipophilen Kern dieser Vorstufen zu wasserlöslichen Kugeln oder wasserlöslichen unimolekularen Mizellen. Hydrolyse der lipophilen Makromoleküle, z. B. II, zu den hydrophilen Gegenstücken verändert den Andockbereich im Kern nicht. Behandlung von III (R=H), das einfach durch Hydrolyse von V (R=tBu) erhalten werden kann. Beide Routen schaffen ein wasserlösliches Material durch Verarbeitung der eingeschlossenen (verschlossenen) Gäste (Schlüssel).
Die Schlüssel/Schloss-Beziehung kann an fast jedem komplementären Satz organischer Bindungsstellen konstruiert werden. Daher können die komplementären Bereiche ausgewechselt werden, was in 7 dargestellt ist. Hier ist der innere Rest (CONHCO) im "Schließzylinder" inkorporiert. Der Schlüssel besitzt nun den Diacylaminopyridinanteil im einzigartigen "Bart"bereich. Die molekulare Erkennung durch Bildung dreier Wasserstoffbrückenbindungen ist ähnlich den in 5 und 6 beschriebenen Abläufen.
1 veranschaulicht die anderen möglichen Anordnungen von "Dreistiftschließzylindern" (d. h. die physikalische Nebeneinanderstellung von Wasserstoffdonator- und -akzeptorresten). Spalte 1 führt repräsentative Beispiele von Schlössern und Schlüsseln auf, Spalte 2 zeigt bildhaft die molekulare Erkennung von Schlössern und Schlüsseln als hochspezifisch wegen der den molekularen Rezeptoren und Donatoren innewohnenden genauen Positionierung der teilweise positiven und teilweise negativen Ladungen, Spalte 3 beschreibt die möglichen elektrostatischen Gruppierungen für Schloss und Schlüssel mit drei Wasserstoffbrückenbindungen. Das Schloss-Schlüssel-Konzept für unimolekulare Mizellen ist nicht auf Schloss und Schlüssel mit drei Wasserstoffbrückenbindungen beschränkt. Ähnliche über 1, 2 (oder mehr) H-Bindungen komplexierte komplementäre Bausteine sind vorstellbar und in die Kaskade oder dendritische Superstruktur inkorporierbar.
Alternative Schlüssel können andere molekulare Erkennungsmethoden als Wasserstoffbrückenbindung anwenden. Die Verwendung eines Zentrums/von Zentren mit einem oder mehreren Metallen, bei denen sich selektive Bindung zeigen läßt, kann eingesetzt werden. 8 zeigt den einfachsten Komplexmodus, bei dem sowohl Schloss als auch Schlüssel einen Terpyridinrest besitzen. Der Schlüssel wird in den Ru(III)-Komplex umgewandelt, der unter Erzeugung des Ru(II)-bis-Terpyridinkomplexes in sehr hoher Ausbeute in das Schloss eingeführt werden kann. Andere Metalle wie Co(II), Fe(III), Os(II) usw. funktionieren ebenso gut.
Der Terpyridinligand ist bei der Komplexierung mit Metallen nicht charakteristisch, jedoch bildet er starke Komplexe und die Metallzentren können unter Erzeugung eines möglichen katalytischen Zentrums elektrochemisch modifiziert werden. Die Verwendung von Bipyridin und verwandten Bisaminen kann eine erhöhte Selektivität des Erkennungsvorgangs erzeugen. Lehn und Potts haben gezeigt, dass Bis-, Tris- und Tetrakisbipyridine nur ihr Gegenstück erkennen, so dass Bis-Bis, Tris-Tris und Tetrakis-Tetrakis selektiv gebildet werden, selbst wenn eine Ligandenmischung vorliegt. 9 beschreibt die zur Erzeugung der Komplexstruktur notwendigen Schlüssel- Schloss-Kombinationen. Das Schloss wird anfangs mit Metallsalz behandelt und danach wird der Schlüssel eingeführt. Wenn alternativ Metall-Schlüssel gebildet wird, können Bolaamphiphile erzeugt werden, bei denen zwei Schlüssel mit einem (oder mehreren) Metallion(en) komplexiert sind.
Es wird erwartet, dass die meisten organischen Moleküle eine oder mehrere komplementäre Bindungsstruktur(en) haben. Daher wird ursprünglich ein Ort mit zwei oder drei Wasserstoffbrückenbindungen verwendet, die den komplementären Gast unter Bildung der gewünschten Wasserstoffbrücken binden können. In der Natur werden Nukleinbasen zum Kopieren oder Replizieren verwendet, z. B. DNA/RNA. Die Einführung derselben essentiellen Basen mit spezifischen Orten in das leere Gebiet dieser Kaskadenmakromoleküle würde die Basenpaarung synthetisch nachahmen, daher würden Guanin-Cytosin (ähnlich dem Diacylaminopyridinmodell mit der Schaffung von drei Wasserstoffbrücken zwischen den Basen), Adenin-Thymin (2 Wasserstoffbrücken) als komplementärer Schloss-Schlüssel-Ort wirken, der den Komplex zusammenhält.
Mehrfache benachbarte Stellen verstärken die Spezifität und/oder Festigkeit der Bindung zwischen Schlüssel/Schloss für spezifischere Schlüssel und Schlösser. Die Verwendung von Peptidketten kann die α-Helixanordnung einführen, so dass die Struktur(en) flexibel sind, jedoch mehrfache Wasserstoffbrücken zwischen Schloss und Schlüssel bilden können. Diese α-Helixstruktur findet man in zahlreichen Proteinen, z. B. den Faserproteinen Myosin und Keratin; sie wird leicht spezifisch in die leeren gebiete der Makromoleküle inkorporiert.
Die folgenden Beispiele zeigen die Synthese der unimolekularen Schloss-Schlüssel-Mizellenmoleküle zur erfindungsgemäßen Verwendung.
Experimenteller Abschnitt
Beschreibung der Synthese für die wasserstoffbrückenbindenden Schlösser und Schlüssel
Allgemeine Vorschrift für die Herstellung von Aminopyridintriesterbausteinen zur Inkorporierung von Bisamidopyridinresten in die Kaskadensuperstruktur [Diese Vorschrift kann mit jedem Bis-säurechlorid angewendet werden].
Aminotriesterbaustein (4): Eine Lösung von Amino-tris-t-butylester (10 g, 0,024 mol) und Diisopropylethylamin (3,11 g, 0,024 mol) in Tetrahydrofuran (THF, 50 ml) wurde zu einer kalten (5 °C) gerührten Lösung von Glutaryldichlorid (4,07 g, 0,024 mol) in THF (900 ml) während 3 h zugegeben. Das Gemisch wurde weitere 3 h bei 0–5 °C gerührt, danach wurde eine Mischung von THF (50 ml), 2,6-Diamminopyridin (7,9 g, 0,072 mol) und Diisopropylethylamin (3,11 g 0,024 mol) in einer Portion zugesetzt. Nach weiteren 12 h Rühren und Erwärmenlassen auf 25 °C wurde das Lösungsmittel entfernt und der Rückstand in CH₂Cl₂ (200 ml) gelöst. Nach Waschen mit H₂O und gesättigter Sole (je 2 × 200 ml) wurde die organische Phase getrocknet (Na₂SO₄), filtriert und das Lösungsmittel entfernt. Chromatographie des Rohprodukts mit Silikagel und EtOAc/CH₂Cl₂ als Eluens ergab 5,8 g (38 %) des reinen Aminopyridintriesters.
¹³C-NMRR (CDCl₃) δ 21,3 (CH₂CH₂CH₂), 27,9 (CH₃, CH₂CO₂), 29,7 (CH₂CH₂CO₂), 35,7, 36,1 (CH₂CONH), 57,3 [(C(CH₂)₃], 80,5 [C(CH₃)₃], 103,0, 104,1 [CH(2,4)_PYR], 139,7 [CH(3)_PYR], 149,7 (CNHCO_PYR), 157,2 (CNH_2PYR), 171,1, 171,8, 172,7 (C=O);
¹H-NMR (CDCl₃) δ 1,30 (CH₂CH₂CH₂), 1,43 (CH₃), 1,97 (CH₂CO₂), 1,30 (CH₂CH₂CH₂, m, 2H), 1,43 (CH₃, s, 27H), 1,97 (CH₂CO₂, m, 6H),
2,21 (CH₂CH₂CO₂, CH₂CONH_ALKYL, m, 8H), 2,40 (CH₂CONH_ARYL, t, 2H, 6,7 Hz),
4,56 (NH₂, br s, 2H), 6,09 (NH_ALKYL), 6,23 (H_3(PYR), d, 1H, 7,6 Hz),
7,44 (H₄ & H₅ (PYR), m, 2H), 8,46 (NH_ARYL, br s, 1H)
Allgemeine Vorschrift zur Herstellung der Polypyridinkaskade der ersten Generation (4, Formel II).
Polypyridindodecaester 1. Generation
Eine Lösung von Aminopyridintriester (3,0 g, 0,0048 mol) und Diisopropylethylamin (0, 624 g, 0, 0048 mol) in THF (10 ml) wurde in einer Portion zu einer Lösung von Tetrasäurechlorid (0,512 g, 0,0012 mol) in THF (5 ml) bei 0 °C zugesetzt. Nach 12 h Rühren wurde das Lösungsmittel entfernt und der Rückstand über Silikagel unter Verwendung von Kombinationen von EtOAc/CH₂Cl₂ mit steigender Polarität als Eluens chromatographiert und ergab 1,6 g (48 %) des reinen Dodecaesters (erste Generation Schloss).
¹³C-NMR (CDCl₃) δ 21,5 (CH₂CH₂CH₂), 27,9 (CH₃, CH₂CO₂), 29,7 (CH₂CH₂CO₂),
35,8, 36,1 (CH₂CH₂CH₂), 37,8 (OCH₂CH₂), 57,3 [C(CH₂)₃], 66,9, 69,5 (CH₂OCH₂), 80,5 [C(CH₃)₃], 109,4, 109,6 (C_3,5
(ARYL)) 140,4 (C₄), 149,5, 149,7 (C_2,6),
170,5, 171,6 172,0 172,7 (C=O)
¹H-NMR (CDCl₃) δ 1,42 (CH₃, s, 108H), 1,98 [C(CH₂CH₂)₃, CH₂CH₂CH₂, m, 32H],
2,22 [C(CH₂)₃, CH₂CH₂CH_2EXT, m, 32H],
2,46, 2,59 (CH₂CONHPYRNHCOCH₂, 2x br t, 16H), 3,46 [C(CH₂)₄, br s, 8H],
3,70 [(OCH₂)₄, br t, 8H], 6,27 [NHC(CH₂)₃, br s, 4H],
7,62 (PYRH₄, t, J=8, 1Hz, 4H), 7,84 (PYRH₃ & H₅, m, 8H),
8,81, 8,89 (NH_PYR, 2 br s, 8H)
Allgemeine Vorschrift für die Umwandlung von Poly-t-butylestern in Polysäuren über Hydrolyse mit Ameisensäure.
Polypyridindodecasäure 1. Generation
Der Dodeca-t-butylester 1. Generation (1,0 g, 0,36 mmol) wurde bei 40 °C 15 h in 95 % Ameisensäure gerührt. Das Lösungsmittel wurde entfernt und der Rückstand in heißem Wasser (150 ml) unter Zusatz von Aktivkohle und Celite gelöst. Das Gemisch wurde durch ein Celiteballen filtriert und das klare farblose Filtrat zur Trockne eingedampft und ergab 0,70 g (95 %) der reinen Dodecasäure.
¹³C-NMR (CD₃OD) δ 22,7 (CH₂CH₂CH₂), 29,2 [C(CH₂CH₂)₃],
30,4 [C(CH₂)₃], 36,6, 37,1 (CH₂CH₂CH₂), 38,6 (OCH₂CH₂), 46,5 C₄o),
58,6 (CONHC₄o), 68,3 (C₄oCH₂), 70,6 (OCH₂), 110,6, 110,7 (C₃ & C₅)_PYR,
141,4 (C₄)_PYR, 151,2, 151,3 (C₂ & C₆)_PYR, 172,8, 174,0, 174,9, 177,2 (C=O).
¹H-NMR (CD₃OD) δ 1,95–2,52 (CH₂CONPYR_INT, CH₂CH₂CH₂, CH₂CH₂CO₂H, m, 80H),
3,35 [C(CH₂O)₄, s, 8H], 3,71 [C(CH₂OCH₂)₄, m, 8H],
7,70 (H_3,4,5(PYR), m, 12H), 8,1 (NH, s).
Allgemeine Vorschrift zur Herstellung von Poly-t-butylestern aus Polysäuren zur Bildung von (dendritischen) Kaskadenschlössern höherer Genrationen.
36-t-ButylesterSchloss 2. Generation
Ein Gemisch aus der Dodecasäure (1. Generation) (0,5 g, 0,24 mmol), dem Amino-tris-t-butylesterbaustein (1,2 g, 0,0028 mol, 12,1 Äq.), Dicyclohexylcarbodiimid (DCC, 0,59 g, 0,0029 mol, 12,1 Äq.) 1-Hydroxybenztriazol (HBT, 0,39 g, 0,0029 mol, 12,1 Äq.) wurde in trockenem N,N-Dimethylformamid (DMF, 10 ml) 12–15 h bei 25 °C gerührt. Nach Entfernen des Lösungsmittels wurde der Rückstand in Toluol/Diethylether (100 ml, 1:1 v/v) gelöst und mit gesättigter Sole (3 × 100 ml) gewaschen. Die organische Phase wurde abgetrennt, getrocknet (Na₂SO₄), filtriert und das Lösungsmittel wurde entfernt. Das Rohmaterial wurde über Silikagel mit EtOAc/CH₂Cl₂ steigender Polarität chromatographiert und ergab 0,77 g (48 %) des reinen 36-t-Butylester 2. Generation.
¹³C-NMR (CDCl₃) δ 21,6 (CH₂CH₂CH₂), 27,9 (CH₃, CH₂CO₂R),
29,7 [(CH₂CH₂CO₂)_G2, (CH₂CON)_G1], 31,5 (CH₂CH₂CON)_G1, 36,1, 37,7 (CH₂CH₂CH₂),
46,5 (C₄o), 57,4 (CONHC)_G2G1, 67,0 [C(CH₂OCH₂)₄)], 69,6 [C(CH₂OCH₂)₄],
80,5 [C(CH₃)₃], 109,8 [(C₃ & C₅)_PYR], 140,3 [(C₄)_PYR], 149,8 [(C₂ & C₆)_PYR], 170,8, 172,7 (C=O)
¹H-NMR (CDCl₃) δ 1,42 (CH₃, s, 324H), 1,82–2,70 (CH₂CH₂CO, CH₂CH₂CH₂, CH₂CONHPYR, m, 224H), 3,45, 3,63 (CH₂OCH₂, 2 br s, 16H), 6,40, 7,30 (NHC₄o),
7,68 (C_4(PYR), m, 4H), 7,88 (C₃ & C_5(PYR)), m, 8H)
8,95, 9,15 (NH_(PYR), 2 br s, 8H).
36-SäurepolypyridinkaskadenSchloss 2. Generation
Herstellung: Siehe bitte die allgemeine Vorschrift für die Umwandlung von t-Butylestern mit Ameisensäure.
¹³C-NMR (CD₃OD) δ 22,6 (CH₂CH₂CH₂), 29,2 (CH₂CO₂), 30,4 (CH₂CH₂CO₂, CH₂CON_G1), 31,7 (CH₂CH₂CON)_G1, 36,9 (CH₂CH₂CH₂), 38,6 (OCH₂ CH₂
46,4 (C₄o), 58,5 (CONHC)_G2,G1, 68,2 [C(CH₂OCH₂)₄], 70,4 [C(CH₂OCH₂)₄],
110,6 [(C₃ & C₅)_PYR], 141,5 [(C₄)_PYR], 151,0 [(C₂ & C₆)_PYR], 172,9, 174,2, 175,6, 177,3 (C=O),
¹H-NMR (CD₃OD) δ 1,63–2,65 (CH₂CH₂CO_G1,G2, CH₂CH₂CH₂, m, 200H)
3,35 (C(CH₂OCH₂), CH₂CON_core, CH₂CH₂CH₂, br s, 32H), 3,64 (C(CH₂OCH₂, br s, 8H), 7,73 [H_3,4,5pyr, br s, 12H), 7,35, 7,49, 8,15 (NH).
Synthese und Charakterisierung von Schlüsseln auf Basis Barbitursäure
11-Bromundecanamidtriester. Eine Lösung von 11-Bromundecansäure (10, 00 g, 37, 7 mmol) in CH₂Cl₂ (30 ml) wurde langsam zu einer Lösung von SOCl₂ (7,0 ml, 94,0 mmol) in CH₂Cl₂ (25 ml) gegeben. Das Gemisch wurde 5 h am Rückfluß gekocht, dann im Vakuum eingedampft und ergab 11-Bromundecanoylchlorid, das ohne weitere Reinigung verwendet wurde.
¹H-NMR (CDCl₃) δ 1,26 (bs, (CH₂)₅, 10H), 1,34 (m, CH₂CH₂CH₂Br, 2H), 1,67 (m, CH₂CH₂COCl, 2H), 1,81 (m, CH₂CH₂Br, 2H), 2,85 (t, CH₂COCl, J = 7,2 Hz, 2H), 3,36 (t, CH₂Br, J = 6,8 Hz, 2H); ¹³C-NMR (CDCl₃) δ 24,89 (CH₂CH₂COCl), 27,95 (CH₂CH₂CH₂Br), 28,21, 28,52, 28,84, 29,02 und 29,12 ((CH₂)₅), 32,64 (CH₂CH₂Br), 33,80 (CH₂Br), 46,92 (CH₂COCl), 173,47 (COCl).
Eine Lösung von 11-Bromundecanoylchlorid (10,68 g, 37,7 mmol) in CH₂Cl₂ (15 ml) wurde zu einer gerührten Lösung von Di-t-butyl-4-amino-4-(2-t-butoxycarbonylethyl)-1,7-heptandioat (15,7 g, 37,7 mmol), iPr₂EtN (7,32 g, 56,7 mmol) und CH₂Cl₂ (15 ml) bei 0 °C zugesetzt. Das Reaktionsgemisch wurde 2 h bei 25 °C gerührt, filtriert und die CH₂Cl₂-Lösung nacheinander mit Sole (50 ml), kalter 10 % HCl (50 ml), Wasser (50 ml) und gesättigtem NaHCO₃ (50 ml) gewaschen und dann über wasserfreiem MgSO₄ getrocknet und im Vakuum eingeengt, wobei sich 11-Bromundecanamidtriester (93 %) als weißer Festkörper ergab. 23,24 g; Schmp. 61,7–63,9 °C.
¹H-NMR (CDCl₃) δ 1,24 (bs, (CH₂)₅, 10H), 1,32 (m, CH₂CH₂CH₂Br, 2H), 1,39 (s, OC(CH₃)₃, 27H), 1,47 (m, CH₂CH₂CONH, 2H), 1,81 (m, CH₂CH₂Br 2H), 1,92 (t, CH₂CH₂CO₂, 6H), 2,06 (m, CH₂CONH 2H), 2,18 (t, CH₂CH₂CO₂, 6H) 3,36 (t, CH₂Br, 2H), 5,81 (s, CONH, 1H); ¹³C-NMR (CDCl₃) δ 25,67 (CH₂CH₂CONH), 27,98 (OC(CH₃)₃), 28,05 (CH₂CH₂CH₂Br), 28,63, 29,17, 29,19, 29,25 und 29,28 ((CH₂)₅), 29,75 (CH₂CH₂CO₂), 29,92 (CH₂CH₂CO₂), 32,74 (CH₂CH₂Br), 33,88 (CH₂Br), 37,48 (CH₂CONH), 57,18 (CONHC), 80,52 (OC(CH₃)₃), 172,48 (CONHC), 172,86 (CO₂C).
Dimethylmalonatamidtriester. Ein Gemisch aus 11-Bromundecanamid (10,00 g, 15,1 mmol), Dimethylmalonat (5,00 g, 37,8 mmol), NaI (0,565 g, 3,77 mmol) und wasserfreiem K₂CO₃ (6,25 g, 45,2 mmol) in trockenenm DMF (50 ml) wurde bei 90–100 °C 15–24 h gerührt. Nach Abkühlen wurde die Mischung durch Celite filtriert, im Vakuum eingeengt und ergab einen Rückstand, der in C₆H₆ (100 ml) gelöst, mit Wasser (3 × 100 ml) gewaschen, über wasserfreiem MgSO₄ getrocknet und eingedampft wurde. Das resultierende Rohmaterial wurde auf basischem Aluminiumoxid säulenchromatographiert (C₆H₁₂/EtAc 85/15) und ergab 6,03 g (56 %) des gewünschten Malonattriesters als dickes Öl.
¹H-NMR (CDCl₆) δ 1,27 (bs, (CH₂)₇, 14H), 1,44 (s, C(CH₃)₃, 27H), 1,59 (m, CH₂CH₂CONH, 2H), 1,87 (m, CH₂CH₂CHCO₂Me, 2H), 1,97 (t, CH₂CH₂CO₂, 6H), 2,11 (t, CH₂CONH, 2H), 2,22 (t, CH₂CH₂CO₂, 6H), 3,36 (t, (MeO₂C)₂CH, J = 7, 5 Hz, 1H), 3,73 (s, CO₂CH₃, 6H); ¹³C-NMR (CDCl₃) δ 25,50 (CH₂CH₂CONH), 26,61, 27,02, 27,77 (C(CH₃)₃), 28,55, 28,87, 28,96, 29,04, 29,11 (CH₂CH₂CO₂), 29,14, 29,51 (CH₂CH₂CO₂), 29,64 (CH₂CH), 37,17 (CH₂CONH), 51,39 (CH(CO₂Me)₂), 52,07 (CO₂CH₃), 56,97 (CONHC), 80,20 (C(CH₃)₃), 169,62 (CO₂Me), 172,36 (CONH), 172,58 (CO₂C(CH₃)₃)
Barbitursäureschlüssel, Ester 1. Generation. Eine gerührte Lösung von Malonattriester (1,00 g, 1,40 mmol), Harn stoff (84,1 mg, 1,40 mmol) und Kalium-t-butoxid (314 mg, 2,80 mmol) in t-Butanol (5,0 ml) wurde 2 h am Rückfluß gekocht, Wasser (10 ml) und gesättigtes wäßriges NH₄Cl (2 ml) wurden zugegeben und das Gemisch im Vakuum eingeengt. Das resultierende Material wurde mit CH₂Cl₂ (25 ml) extrahiert, über wasserfreiem Na₂SO₄ getrocknet, eingedampft und ergab 90 % des Barbitursäureschlüssels als dickes Öl.
¹H-NMR (CDCl₃) δ 1,18 (bs, (CH₂)₇, 14H), 1,36 (s, OC(CH₃)₃, 27H), 1,47 (m, CH₂CH₂CONH, 2H), 1,88 (m, CH₂CH₂CO₂ und CH₂CH₂CH, 8H), 2,14 (m, CH₂CH₂CO₂ und CH₂CONH, 8H) 3,18 (m, CH₂CH, 1H), 5,8–6,2 (br s, NH, 1H), 8,7 (br, NH, 2H); ¹³C-NMR (CDCl₃) δ 25,75 (CH₂CH₂CONH), 27,90 (C(CH₃)₃), 29,09 (CH₂CH₂CO₂), 29,64 (CH₂CH₂CO₂), 37,29 (CH₂CONH), 53,10 (CH), 57,29 (CONHC), 80,60 (C(CH₃)₃), 162,38 (NHCONH), 172,91 (CO₂C), 173,48 (CONHC), 174,71 (CHCONH).
Barbitursäureschlüssel, Säure 1. Generation. Triester (200 mg, 0,422 mmol) wurde mit HCO₂H (5,0 ml) 24 h bei 25 °C gerührt, im Vakuum eingeengt, die letzten Spuren Ameisensäure durch azeotrope Destillation mit Toluol (3 × 30 ml) entfernt und man erhielt die gewünschte Trisäure als dickes Öl: 150 mg.
¹H-NMR (CD₃OD) δ 1,35 (br s, (CH₂)₇, 14H), 1,63 (m, CH₂CH₂CONH, 2H), 1,89 (m, CH₂CH, 2H), 2,05 (t, CH₂CH₂CO₂H, J = 6,8 Hz, 6H), 2,21 (t, CH₂CONH, J = 7,3 Hz, 2H), 2,31 (t, CH₂CH₂CO₂H, J = 6,8 Hz, 6H), 3,21 (t, CH, J = 7,3 Hz, 1H), 5,75 (brs, NH, 1H), 7,41 (brs, NH, 2H).
Experimentelle Einzelheiten für wasserstoffbrückenbindende Schloss-Schlüssel-Komplexe
Herstellung der Komplexe: Vier-zu-eins-Komplexe wurden für die ¹H-NMR-Analyse durch Mischen von vier Äquivalenten Schlüssel mit einem Äquivalent Schloss im geeigneten NMR-Lösungsmittel hergestellt.
Barbitursäureschlüssel (Ester 1. Generation) + Dodecaesterschloss 1. Generation: ¹H-NMR (CDCl₃) δ 8,89, 9,10 [NH(pyridincarboxamide), 2 x br s, 8H (diese Signale wurden um mindestens 0,2 ppm feldabwärts verschoben beobachtet (J.P. Mathias, E.R. Simanek und G.M. Whitesides, J. Am. Chem. Soc. 116, 4326–4340, 1994)], 7, 63, 7, 84 (pyr-H_3,4,5 scharfe Multipletts, 12H, diese Absorptionen wurden relativ zum Mutterschloss schärfer beobachtet). Alle anderen einschlägigen Absorptionen wurden mit chemischen Verschiebungen beobachtet, die im experimentellen Abschnitt aufgeführt sind.
Barbitursäureschlüssel (Ester 1. Generation) + 36-SäureSchloss 2. Generation: 1H-NMR (DMSO-d6) δ 10,05 [NH(pyridincarboxamide), s, 8H (diese Signale wurden um mindestens 0,2 ppm feldabwärts verschoben beobachtet)], 7,76 (pyr-H_3,4,5, br s, 12H), diese Absorptionen wurden relativ zum Mutterschloss schärfer und koaleszierend beobachtet). Alle anderen einschlägigen Absorptionen wurden mit chemischen Verschiebungen beobachtet, die im experimentellen Abschnitt aufgeführt sind.
Syntheseverfahren und experimentelle Einzelheiten für die Herstellung von metallkoordinierten Schlössern und Schlüsseln.
Allgemeine Vorschrift für die Kupplung der Hydroxyalkylsäuren mit Chlorterpyridin.
Zu einer gerührten Suspension von pulverisiertem KOH (1,82 g, 32 mmol) und 4-Hydroxybuttersäure, Natriumsalz (0,63 g, 5 mmol), in 40 ml trockenem DMSO wurde 4'-Chlor-2,2':6',2''-terpyridin (1,33 g, 5 mmol) zugesetzt. Das Gemisch wurde 1 h bei 25 °C gerührt und dann 20 h auf 65 °C erwärmt. Nach Abkühlen wurden 40 ml Eiswasser zugegeben und die Mischung wurde mit 10 % HCl auf pH 6 angesäuert.
Der gebildete Niederschlag wurde abfiltriert, mit Wasser gewaschen, im Vakuum getrocknet und ergab die reine Schloss-O-Säure (1,1 g, 66 %).
Allgemeine Vorschrift für die Amidkupplung
Ein Gemisch aus Schloss-O-Säure (1,34 g, 4 mmol), Dicyclohexylcarbodiimid (DCC, 866 mg, 4,2 mmol) und 1-Hydroxybenztriazol (1-HBT, 567 mg, 4,2 mmol) in 20 ml ml DMF wurde bei 25 °C 1 h gerührt. Di-t-butyl-4-amino-4-(2-t-butoxycarbonylethyl)heptandioat (1,66 g, 4 mmol) wurde zum Gemisch zugegeben, das weitere 23 h bei 25 °C gerührt wurde. Nach Abfiltrieren des Dicyclohexylharnstoffs wurde das Lösungsmittel im Vakuum entfernt und ergab eine Rückstand, der in EtOAc gelöst und durch eine kurze Aluminiumoxidsäule filtriert wurde. Das Filtrat wurde im Vakuum eingeengt, auf einer SiO₂-Säule chromatographiert, mit CH₂Cl₂/EtOAc eluiert und ergab den reinen Schloss-3-ester als farblosen Festkörper, 1,26 g (43 %).
Allgemeine Vorschrift für die Esterhydrolyse
Eine Lösung des Schloss-3-esters (915 mg, 1,25 mmol) in 95 % Ameisensäure (10 ml) wurde bei 25 °C 20 h gerührt. Nach Einengen wurde Toluol zugegeben und die Lösung wieder eingedampft, um alle restliche Ameisensäure azeotrop zu entfernen. Um Schloss-3-säure in quantitativer Ausbeute zu erhalten, ist keine weitere Reinigung nötig.
Herstellung des Schlüssel-Ru-Komplexes
Eine Suspension von Schlüssel-9-ester (280 mg, 0,15 mmol) und RuCl₃·3H₂O (39 mg, 0,15 mmol) in absolutem EtOH (10 ml) wurde 20 h am Rückfluß gekocht. Das Lösungsmittel wurde im Vakuum verampft und das Rohprodukt wurde auf einer Aluminiumoxidsäule mit Methanol chromatographiert, wibei sich der Schloss-3-ester-RuCl₃ als brauner Rückstand ergab, 177 mg (57%).
Herstellung der Schlüssel-Schloss-Komplexe
Schloss-9-ester (65,5 mg, 0,037 mmol) und 4-Ethylmorpholin (4 Tropfen) wurden zu einer Suspension von Schlüssel-3-ester-RuCl₃ (77 mg, 0,037 mmol) in MeOH gegeben. Das Gemisch wurde am Rückfluß 1,5 h erhitzt und nach dem Abkühlen wurde ein Überschuß methanolischen Ammoniumhexafluorphosphats zugesetzt. Das Lösungsmittel wurde im Vakuum verdampft, der resultierende Rückstand auf SiO₂ chromatographiert und mit Acetonitril/wäßrigem KNO3 7:1 eluiert, wobei man den Schlüssel-9-ester-Ru-Schloss-9-ester-Komplex als tiefroten Festkörper erhielt, 90 mg (65 %).
Versuchsergebnisse
Die folgenden Verbindungen wurden erfindungsgemäß hergestellt und analysiert:
Schloss-O-säure C₁₉H₁₇N₃O₃ (335)

¹H-NMR (CDCl₃/MeOD): δ = 2,21 (CH₂, m, J = 6,9 Hz, 2H), 2,59 (CH₂CO, t, J = 7,3 Hz, 2H), 4,33 (CH₂Otpy, t, J = 6,2 Hz, 2H), 7,46 (C⁵H, tm, J = 5,6 Hz, 2H), 7,93 (C^3'H, s, 2H), 7,98 (C⁴H, tm, J = 8 Hz, 2H), 8,60 (C³H, dm, J = 8 Hz, 2H), 8,67 (C⁶H, dm, J = 4,9 Hz, 2H). ¹³C-NMR (CDCl₃/MeOD): δ = 25,73 (CH₂), 31,63 (CH₂CO), 68,63 (CH₂Otpy), 108,68 (C^3'), 123,16 (C³), 125,48 (C⁵), 138,75 (C⁴), 150,01 (C⁶), 157,26 (C²), 158,38 (C^2'), 168,60 (C^4'), 177,00 (CO₂H).

Schloss-3-ester C₄₁H₅₆N₄O₈ (732)

¹H-NMR (CDCl₃): δ = 1,40 (C(CH₃)₃, s, 27H), 1,98 (CCH₂, t, 6H), 2,15 (CH₂, m, 2H), 2,21 (CCH₂CH₂, t, 6H), 2,35 (CH₂CON, t, 2H), 4,26 (CH₂Otpy, t, 2H), 5,99 (NH, s, 1H), 7,32 (C⁵H, tm, 2H), 7,82 (C⁴H, tm, 2H), 8,00 (C^3'H, s, 2H), 8,60 (C³H, dm, 2H), 8,67 (C⁶H, dm, 2H). ¹³C-NMR (CDCl₃): δ(CDCl₃): δ = 25,06 (CH₂), 28,02 (C(CH₃)₃), 29,83 (CH₂CO), 30,05 (CCH₂), 33,43 (CH₂CON), 57,46 (C-quat), 67,22 (CH₂Otpy), 80,63 (OCC(CH₃)₃), 107,37 (C^3'), 121,28 (C³), 123,74 (C⁵), 136,70 (C⁴), 148,99 (C⁶), 156,10 (C²), 157,12 (C^2'), 167,02 (C^4'), 171,48 (CON), 172,86 (CO₂C(CH₃)₃).

Schloss-3-säure C₂₉H₃₂N₄O₈ (564)

¹H-NMR (MeOD): δ = 2,10 (CH₂, CCH₂, m 'br', 8H), 2,38 (CCH₂CH₂, t, 6H), 2,43 (CH₂CON, t, 2H), 4,12 (CH₂Otpy, t, 2H), 7,47 (C⁵H, t, 2H), 7,70 (C^3'H, s, 2H), 7,93 (C⁴H, t, 2H), 8,35 (C₃H, d, 2H), 8,60 (C⁶H, d, 2H). ¹³C-NMR (MeOD): δ = 26,21 (CH₂), 29,60 (CH₂CO), 30,81 (CCH₂), 33,75 (CH₂CON), 58,96 (C-quat), 69,47 (CH₂Otpy), 109,26 (C^3'), 123,53 (C³), 126,45 (C²), 139,94 (C⁴), 149,62 (C⁶), 154,42 (C²), 155,87 (C^2'), 169,47 (C^4'), 174,87 (CON), 177,42 (CO₂H).

Schloss-9-ester C₉₅H₁₄₉N₇O₂₃ (1755)

¹H-NMR (CDCl₃): δ = 1,40 (C(CH₃)₃, s, 81H), 1,95 (CCH₂, m, 24H), 2,17 (CH₂, CCH₂CH₂, m, 26H), 2,38 (CH₂CON, t, 2H), 4,26 (CH₂Otpy; t, 2H), 6,13 (NH, s 'br', 3H), 6,17 (NH, s 'br', 1H), 7,28 (C⁵H, tm, 2H), 7,80 (C⁴H, tm, 2H), 7,98 (C^3'H, s, 2H), 8,58 (C³H, dm, 2H), 8,65 (C⁶H, dm, 2H). ¹³C-NMR (CDCl₃): δ = 25,14 (CH₂), 27,99 (C(CH₃)₃), 29,76 (CH₂CH₂CO), 33,42 (CH₂CON), 57,41 (C-quat), 67,49 (CH₂Otpy), 80,46 (OCC(CH₃)₃), 107,44 (C^3'), 121,20 (C³), 123,64 (C⁵), 136,59 (C⁴), 148,94 (C⁶), 156,09 (C²), 157,00 (C^2'), 167,05 (C^4'), 172,38 (CON), 172,76 (CO₂C(CH₃)₃), 172,99 (3CON).

Schloss-9-säure C₅₉H₇₇N₇O₂₃ (1251)

¹H-NMR (MeOD): δ = 2,00 (CH₂; CCH₂, m, 26H), 2,30 (CCH₂CH₂, m, 24H), 2,48 (CH₂CON, t, 2H), 4,28 (CH₂Otpy, t, 2H), 7,50 (C⁵H, t, 2H), 7,85 (C^3'H, s, 2H), 7,98 (C⁴H, t, 2H), 8,52 (C³H, d, 2H), 8,68 (C⁶H, d, 2H). ¹³C-NMR (MeOD): δ = 26,53 (CH₂), 29,56 (CH₂CO), 30,76 (CCH₂), 34,18 (CH₂CON), 58,87 (C-quat), 69,33 (CH₂Otpy), 109,19 (C^3'), 123,54 (C³), 126,13 (C⁵), 139,55 (C⁴), 150,02 (C⁶), 156,07 (C²), 157,07 (C^2'), 169,20 (C^4'), 175,30 (CON), 175,80 (3CON), 177,45 (CO₂H).

Schlüssel-O-säure C₂₇H₃₃N₃O₃ (447)

¹H-NMR (CDCl₃): δ = 1,33 (CH₂, s 'br', 12H), 1,50 (CH₂, m, 2H), 1,65 (CH₂, m, 2H), 1,85 (CH₂, m, 2H), 2,32 (CH₂CO, t, 2H), 4,21 (CH₂Otpy, t, 2H), 6,9 (CO₂H, 'br', 1H) 7,34 (C⁵H, tm, J = 4,9 Hz, 2H), 7,85 (C⁴H, tm, J = 7,9 Hz, 2H), 7,97 (C^3'H, s, 2H), 8,60 (C³H, dm, J = 7,9 Hz, 2H), 8,72 (C⁶H, dm, J = 4,9 Hz, 2H). ¹³C-NMR (CDCl₃): δ = 24,79 (CH₂), 25,77 (CH₂), 28,87 (4CH₂), 28,97 (2CH₂), 29,15 (CH₂), 34,21 (CH₂CO), 68,23 (CH₂Otpy), 107,58 (C^3'), 121,56 (C³), 123,82 (C⁵), 136,95 (C⁴), 148,90 (C⁶), 156,17 (C²), 156,85 (C^2'), 167,42 (C^4'), 178,06 (CO₂H).

Schlüssel-3-ester C₄₉H₇₂N₄O₈ (844)

¹H-NMR (CDCl₃): δ = 1,18 (CH₂, s 'br', 12H), 1,24 (C(CH₃)₃, s, 27H), 1,30 (CH₂, m, 2H), 1,45 (CH₂, m, 2H), 1,70 (CH₂, m, 2H), 1,82 (CCH₂, t, 6H), 2,00 (CH₂CON, t, 2H), 2,08 (CCH₂CH₂, t, 6H), 4,04 (CH₂Otpy, t, 2H), 5,99 (NH, s, 1H), 7,15 (C⁵H, t, 2H), 7,67 (C⁴H, t, 2H), 7,82 (C^3'H, s, 2H), 8,44 (C³H, d, 2H), 8,50 (C⁶H, d, 2H). ¹³C-NMR (CDCl₃): δ = 25,65 (CH₂), 25,79 (CH₂), 28,87 (CH₂), 29,13 (2CH₂), 29,19 (CH₂), 29,33 (CH₂), 29,37 (2CH₂), 29,67 (CCH₂), 29,85 (CCH₂CH₂), 37,39 (CH₂CON), 68,04 (CH₂Otpy), 80,40 (OC(CH₃)₃), 107,25 (C^3'), 121,16 (C³), 123,57 (C⁵), 136,56 (C⁴), 148,81 (C⁶), 156,03 (C²), 156,85 (C^2'), 166,90 (C^4'), 172,47 (CON), 172,74 (CO₂C(CH₃)₃).

Schlüssel-3-säure C₃₇H₄₈N₄O₈ (676)

¹H-NMR (CDCl₃): δ = 1,28 (CH₂, s 'br', 12H), 1,38 (CH₂, m, 2H), 1,58 (CH₂, m, 2H), 1,72 (CH₂, m, 2H), 2,08 (CCH₂, m, 6H), 2,20 (CH₂CO, t, 2H), 2,34 (CCH₂CH₂, m, 6H), 4,00 (CH₂Otpy, t, 2H), 7,41 (C⁵H, t, 2H), 7,68 (C^3'H, s, 2H), 7,90 (C⁴H, t, 2H), 8,40 (C³H, d, 2H), 8,60 (C⁶H, d, 2H). ¹³C-NMR (CCl₃): δ = 27,08 (CH₂), 27,31 (CH₂), 29,51 (2CH₂), 30,10 (CH₂), 30,47 (2CH₂), 30,57 (2 CH₂), 30,73 (6 CCH₂CH₂), 37,89 (CH₂CO), 58,68 (C-quat), 69, 99 (CH₂Otpy), 108,90 (C^3'), 123,26 (C³), 126,03 (C⁵), 139,39 (C⁴), 149,73 (C⁶), 155,36 (C²), 156,55 (C^2'), 169,17 (C^4'), 176,12 (CON), 177,29 (CO₂H).

Schlüssel-9-ester C₁₀₃H₁₆₅N₇O₂₃ (1867)

¹H-NMR (CDCl₃): δ = 1,20 (CH₂, s 'br', 12H), 1,30 (C(CH₃)₃, s, 81H), 1,38 (CH₂, m, 2H), 1,50 (CH₂, m, 2H), 1,76 (CH₂, m, 2H), 1,86 (CCH₂, m, 24H), 2,10 (CH₂CO, CCH₂CH₂, m, 26H), 4,12 (CH₂Otpy, t, 2H), 5,98 (NH, s, 1H), 6,07 (NH, s, 3H), 7,21 (C⁵H, t, 2H), 7,73 (C⁴H, t, 2H), 7,90 (C^3'H, s, 2H), 8,50 (C³H, d, 2H), 8,58 (C⁶H, d, 2H). ¹³C-NMR (CDCl₃): δ = 25,61 (CH₂), 25,74 (CH₂), 27,86 (C(CH₃)₃), 28,83 (CH₂), 29,22 (2CH₂), 29,36 (3CH₂), 29,58 (18CH₂), 29,75 (6CH₂), 31,56 (CH₂), 31,89 (CH₂CO), 57,16 (C-quat), 67,98 (CH₂Otpy), 80,26 (OC(CH₃)₃), 107 15 (C^3'), 121,07 (C³), 123,53 (C⁵), 136,51 (C⁴), 148,77 (C⁶), 155,95 (C²), 156,79 (C^2'), 167,11 (C^4'), 172,43 (CO₂C (CH₃)₃), 172,72 (3CON), 172,81 (CON).

Schloss-9-ester-Ru-Schlüssel-9-ester c₁₉₈H₃₁₄N₁₄O₄₆Ru (3723)

¹H-NMR (CDCl₃): δ = 1,30 (CH₂, s, 12H), 1,40 (C(CH₃)₃, s, 81H), 1,43 (C(CH₃)₃, s, 81H), 1,60 (CH₂, m 'br', 4H), 1,93 (CH₂, m 'br', 48H), 2,20 (CH₂, m, 'br', 52H), 2,55 (CH₂, m 'br', 4H), 4,10 (CH₂Otpy, t, 4H), 6,03 (NH, s 'br', 1H), 6,18 (NH, s 'br', 3H), 6,46 (NH, s 'br', 4H), 7,19 (C⁵H, m, 4H), 7,38 (C⁴H, m, 4H), 7,65–8,80 (C^3'H; C³H; C⁶H, m, 12H). ¹³C-NMR (CDCl₃): δ = 25,89 (CH₂), 28,07 (C(CH₃)₃), 29,79 (CH₂), 31,78 (CH₂), 32,20 (CH₂), 33,59 (CH₂), 57,21, 57,36 (C-quat), 80,36, 80,52 (OC(CH₃)₃), 111,13, 111,55 (C^3'), 124,52 (C³), 127,72 (C⁵), 137,82, 138,18 (C⁴), 151,98, (C⁶), 155,99, 156,12 (C²), 158,24 (C^2'), 166,23, 168,26 (C^4'), 172,70, 172,77 (CO₂C(CH₃)₃), 172,95 (CON).

Die obigen Beispiele demonstrieren das Herstellungsverfahren für Mizellen zur erfindungsgemäßen Verwendung. Andere Verwendungen können durch Vernetzung solcher Moleküle mit mehrfachen Schloss- und Schlüsselanteilen erreicht werden. Insbesondere das An- und Abschalten des Bindungsbereichs und die Spezifität zur Bindung unterschiedlicher Moleküle, wie Moleküle von Medikamenten, eröffnen die Anwendung der vorliegenden Erfindung als Abgabesysteme für Medikamente, wobei das Me dikament entweder irreversibel oder reversibel an der Akzeptorstelle gebunden ist.
Die Erfindung wurde auf veranschaulichende Art beschrieben und man sollte verstehen, dass die verwendete Terminologie als beschreibend und nicht als beschränkend beabsichtigt ist.
LITERATUR

1. (a) Mittal, K., et al. in Micellization. Solubilization, and Microemulsions, Mittal, K.L., Hrsg.; Plenum Press, New York, 1977; (b) Tanford, C. in The Hydrophobic Effect: The Formation of Micelles and Biological Membranes, 2. Aufl., Wiley-Interscience, New York, 1980; (c) Ringsdorf, H. et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1988, 27, 113–158.
2. Menger, F., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1991, 30, 1086–1099.
3. (a) Mekelburger, H., Jaworek, W., Vögtle, F., Angew. Chem, Int. Ed. Engl. 1992, 31, 1571–1576 (b) Buhleier, E., Wehner, W., Vögtle, F., Synthesis, 1978, 155.
4. Newkome, G.R., Moorefield, C.N., Baker, G.R., Adrichimca Acta 1992, 25, 31–38.
5. Newkome, G.R., Moorefield, C.N., Baker, G.R., Johnson, A.L., Behera, R.K. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1991, 30, 1176.
6. Newkome, G.R., Moorefield, C.N., Baker, G.R., Saunders, M.J., Grossman, S.H., Angew. Chem. Int. Ed. Enql. 1991, 30, 1178.
7. (a) Tomalia, D.A., et al., Macromolecules 1987, 20, 1167–1169; (b) Tomalia, D.A., et al., Macromolecules 1986, 19, 2466; Tomalia, D.A., et al., J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 1601–1603.
8. Pessi, A., Bianchi, E., Bonelli, F. Chiappinelli, L., J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990, 8–9.
9. Padias, A.B., Hall, H.K. Jr., Tomalia, D.A., McConnell, J.R., J. Org. Chem. 1987, 52, 5305–5312.
10. Bochkov, A.F., et al., Izv. Akad. Nauk SSSR. Ser. Khim. 1989, 2395.
11. Rengan, K., et al. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1990, 1084–1085.
12. Uchida, H., et al., J. Am Chem. Soc. 1990, 112, 7077–7079.
13. Bochkarev, M.N., et al., J. Organomet. Chem. (USSR) 1987, 195.
14. Wooley, K.L., et al., J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1 1991, 1059–1075; Hawker, C.J., Frechet, J.M.J., J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 7638–7647; Macromolecules 1990, 23, 4276–4729; J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990, 1010.
15. Rajca, A.J., Org. Chem. 1991, 56, 2557–2563; J. Am. Chem. Soc. 1990, 5889–5890.
16. Kim, Y.H., Webster, O.W., J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 4592.
17. Miller, T.M., Neenan, T.X., Chem. Mater. 1990, 2, 346.
18. Shahlai, R., Hart, H., J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 3687–3688; J. Org. Chem. 1990, 55, 3412.
19. Moore, J.S., Xu, Z., Macromolecules 1991, 24, 5893–5894.
20. Lakowicz, J.R., Cherek, H., Maliwal, B.P., Biochem. 1985, 24, 376–383.
21. Shinkai, S., et al., J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 2409; Brooker, L.G.S., Sprague, R.H., J. Am. Chem. Soc. 1941, 63, 3214.
22. Menger, F.M., Takeshita, M., Chow, J.F., J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 5938–5939.
23. Saunders, M.J., et al., Planta 1981, 152, 272–281.
24. Menger, F.M., Takeshita, M., Chow, J.F., J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 5938–5939.

Claims

Verwendung eines Schlüssel-Schloss-Mizellen-Komplexes, welcher zusammengebunden ist durch einen Gast mit einer vorbestimmten Affinität für eine Akzeptorregion der Schloss-Mizelle, welche geringer als die Affinität für eine Ziel-Bindungsstelle mit einer vorbestimmten Affinität ist, zur Herstellung eines Medikamentes zur Übergabe des Gastmoleküls an die Ziel-Bindungsstelle und kompetitive Freisetzung der an den Gast gebundenen Schlüssel-Mizelle von der Schloss-Mizelle und Bindung des Gast-Bereichs der Schlüssel-Mizelle an die Ziel-Bindungsstelle.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Gast von einer Umgebung innerhalb der Schloss-Mizelle während der Übergabe abgeschirmt ist (vorzugsweise Schützen des Gastes von enzymatischen Abbaumitteln) und vorzugsweise einen vergleichsweise unlöslichen Gast löslich macht, wenn dieser innerhalb eines vergleichsweise löslichen Schloss- und Schlüssel-Mizellen-Komplexes abgeschirmt ist.
Verwendung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Gast ein Arzneimittel ist.