Synthesis of reactive 1-oxa-1,3-butadienes based on barbituric acid derivatives with application in the bioorthogonal hetero-Diels-Alder cycloaddition.

Jednym z głównych celów chemii bioortogonalnej jest obrazowanie biomolekuł i leków w żywych komórkach poprzez reakcje biokoniugacji ze znacznikiem fluorescencyjnym. W tej pracy skupiono się na syntezie reaktywnych 1-oksa-1,3-butadienów, których struktura oparta jest na kwasie 1,3-dimetylobarbiturowym. Otrzymane heterodieny mają znaleźć zastosowanie w bioortogonalnej cykloaddycji hetero-Dielsa-Aldera z odwróconym zapotrzebowaniem elektronowym. Podjęto wiele prób wprowadzenia elektronoakceptorowej grupy acetylowej do układu heterodienu. Ostatecznie zsyntetyzowano dwie pochodne acetylowe kwasu 5-arylidenobarbiturowego, które poddano dalszym badaniom. Otrzymano pochodną cukrową 5-ylideno kwasu barbiturowego charakteryzującą się bardzo wysoką reaktywnością w reakcjach hetero-Dielsa-Aldera w wodzie. Badania obejmowały również syntezę różnych formylowych pochodnych heterodienu. Ostatecznie udało się otrzymać trzy takie pochodne. Dwie z nich były reaktywne ale produkty reakcji okazały się niestabilne w warunkach wodnych. Ostatnia część pracy poświęcona była konstruowaniu nowych fluoryzujących pochodnych 5-arylideno kwasów barbiturowych.Zbadano kinetykę reakcji hetero-Dielsa-Aldera trzech otrzymanych heterodienów z zastosowaniem metody bezpośredniej 1H NMR. Wyznaczone stałe szybkości k2 dla pochodnych acetylowych i tioeteru winylowego są zbliżone do wartości stałych szybkości reakcji tetrazyn czyli jednych z najszybszych jak do tej pory bioortogonalnych cykloaddycji. Ponadto wyznaczone k2 (dla cykloaddycji z użyciem heterodienu monoacetylowego i diacetylowego) są odpowiednio 287 i 933 razy większe od k2 dla reakcji pierwszej generacji TQ-ligacji i odpowiednio 14 lub 50 razy większe od k2 dla reakcji drugiej generacji TQ-ligacji.One of the main goals of bioorthogonal chemistry is to image biomolecules and drugs which are present in living cells through bioconjugation reactions with a fluorescent tag.This work focuses on the synthesis of reactive 1-oxa-1,3-butadienes, the structure of which is based on 1,3-dimethylbarbituric acid. The obtained heterodienes may find application in the bioorthogonal hetero-Diels-Alder cycloaddition with inverse-electron-demand. There have been many attempts to introduce an electron-withdrawing acetyl group into the heterodiene system. Finally, two acetyl derivatives of 5-arylidenebarbituric acid were synthesized and next investigated. The obtained 5-ylidene derivative with sugar moiety is characterized by very high reactivity in hetero-Diels-Alder reactions in water. The research also included the synthesis of various formyl heterodiene derivatives. Finally, three derivatives were obtained. Two of them were reactive but the resulting cycloadducts were unstable under water conditions. The last part of the work was devoted to the construction of new fluorescent 5-arylidene derivatives of barbituric acids.The kinetics of the hetero-Diels-Alder reaction of the three obtained heterodienes was investigated using the direct method 1H NMR. The determined k2 rate constants for acetyl derivatives and vinyl thioether are close to the those of the tetrazine reaction which is known to be one of the fastest bioorthogonal cycloadditions so far. Moreover, the determined k2 (for cycloaddition using a mono and diacetyl heterodiene) are respectively 287 and 933 times greater than k2 for the first generation TQ-ligation reaction and respectively 14 or 50 times greater than k2 for the second generation TQ-ligation reaction