Введение
Малеимид – химическое соединение с формулой H2C2(CO)2NH (см. диаграмму). Этот ненасыщенный имид является важным строительным блоком в органическом синтезе. Название происходит от сокращения малеиновой кислоты и имида, функциональной группы C(O)NHC(O). Малеимиды также обозначают класс производных малеимида, в которых NH-группа замещена алкильными или арильными группами, такими как метил или фенил, соответственно. Заместителем может также быть небольшая молекула (например, биотин, флуоресцентный краситель, олигосахарид или нуклеиновая кислота), реакционноспособная группа или синтетический полимер, такой как полиэтиленгликоль. Гемоглобин человека, химически модифицированный малеимид-полиэтиленгликолем, является заменителем крови, называемым MP4.
Органическая химия
Малеимид и его производные получают из малеинового ангидрида путем обработки аминами с последующей дегидратацией. Особенностью реакционной способности малеимидов является их подверженность реакциям присоединения по двойной связи, как по механизму присоединения Майкла, так и через реакции Дильса-Альдера. Бисмалеимиды – это класс соединений, содержащих две малеимидные группы, соединенные атомами азота через линкер, и используются в качестве сшивающих агентов в химии термореактивных полимеров. Соединения, содержащие малеимидную группу, связанную с другой реакционноспособной группой, такой как активированный N-гидроксисукцинимидный эфир, называются гетеробифункциональными реагентами малеимида (например, реагент SMCC). и пенколид из Pe. multicolor.
Биотехнологии и фармацевтические приложения
Методологии, опосредованные малеимидом, одни из наиболее часто используемых в биоконъюгации. Благодаря исключительно высокой скорости реакций и значительной селективности к остаткам цистеина в белках, широкий спектр гетеробифункциональных реагентов на основе малеимида применяется для создания таргетных терапевтических средств, структур для изучения белков в их биологическом контексте, белковых микромассивов или иммобилизации белков. Например, перспективные таргетные лекарственные терапии, такие как конъюгаты антител с лекарственными средствами, состоят из трех основных компонентов: моноклонального антитела, цитотоксического препарата и линкерной молекулы, часто содержащей малеимидную группу, которая конъюгирует препарат через тиолы или диены к антителу. Малеимиды, связанные с цепями полиэтиленгликоля, часто используются в качестве гибких линкеров для присоединения белков к поверхностям. Двойная связь легко вступает в реакцию ретро-Майкла с тиольной группой цистеина, образуя стабильную связь углерод-сера. Цистеины часто используются для селективной модификации в терапевтических целях благодаря высокой скорости полной биоконъюгации с сульфгидрильными группами, что позволяет достичь более высоких уровней включения цитотоксических препаратов. Присоединение другого конца полиэтиленовой цепи к бусине или твердому носителю облегчает отделение белка от других молекул в растворе, при условии, что эти молекулы также не содержат тиольных групп. Полимеры и липосомы, функционализированные малеимидом, демонстрируют повышенную способность к адгезии к слизистым оболочкам (мукоадгезия) благодаря реакциям с содержащими тиол муцинами. Это может быть использовано при разработке лекарственных форм для трансмукозальной доставки лекарств. Реакции ретро-Майкла, приводящие к образованию аддуктов малеимида и тиола, требуют точного контроля. Таргетная способность препаратов, содержащих эти аддукты, может быть легко нарушена или утрачена из-за их нестабильности in vivo. Нестабильность в основном обусловлена образованием тиосукцинимида, который может участвовать в реакции обмена тиолом с глутатионом. За этим следует β-элиминирование, приводящее к нецелевой активности и снижению эффективности препаратов. В настоящее время не существует универсального метода стабилизации тиоэстеров, таких как тиосукцинимиды, для устранения их нецелевых эффектов в лекарственных препаратах. Однако смягчение проблем, связанных с обменом тиолом, возможно с помощью нескольких контролируемых методов. Гидролиз пятичленного кольца тиосукцинимида образует стабильный продукт гидролиза, предотвращающий расщепление связи малеимида и тиола. Процесс гидролиза с раскрытием кольца требует специальных катализаторов и оснований, которые могут быть не биосовместимы и создавать жесткие условия. Альтернативно, цистеины в положительно заряженной среде или в присутствии электроноакцепторной группы позволяют тиосукцинимидному кольцу подвергаться самогидролизу. Сложные молекулярные конструкции и синтезы делают эти процессы потенциально проблематичными. Другая проблема с гидролизом возникает при его применении к N-алкилзамещенным производным вместо N-арилзамещенных, поскольку они гидролизуются со скоростью, слишком низкой для получения стабильных аддуктов. Альтернативный метод стабилизации аддукта малеимида и тиола заключается в растяжении связи тиосукцинимида с помощью спектроскопии сил одиночных молекул.
Технологические приложения
Полимеры на основе моно- и бисмалеимида используются в высокотемпературных приложениях. Малеимиды, связанные с резиновыми цепями, часто используются в качестве гибких сшивающих агентов для усиления резины в шинах. Двойная связь легко вступает в реакцию со всеми гидроксильными, аминными или тиольными группами, присутствующими в матрице, образуя стабильные связи углерод-кислород, углерод-азот или углерод-сера соответственно. Эти полимеры применяются в аэрокосмической промышленности для высокотемпературных композиционных материалов. Истребитель Lockheed Martin F-22 в значительной степени использует термореактивные композиты, в которых бисмалеимид и модифицированный эпоксид составляют до 17,5% и 6,6% структуры по весу соответственно. Сообщается, что Lockheed Martin F-35B (версия STOVL этого американского истребителя) состоит из материалов на основе бисмалеимида, в дополнение к использованию передовых композитов на основе термореактивной полимерной матрицы из углеродного волокна.