Введение
Формилирование относится к любым химическим процессам, в которых соединение функционализуется с формальной группой (CH=O). В органической химии термин чаще всего используется в отношении ароматических соединений (например, преобразование бензола в бензальдегид в реакции Гаттермана-Коха). В биохимии реакция каталитизируется ферментами, такими как формальтрансферазы. Формиляция обычно включает в себя использование формиляционных агентов, реагентов, которые приводят к образованию группы CHO. Среди многих реагентов формирования особенно важны муравьиная кислота и окись углерода. Формиляционная реакция в органической химии относится к органическим реакциям, в которых органическое соединение функционализуется с формальной группой (CH=O). Реакция является путем получения альдегидов (C CH=O), формамидов (N CH=O) и форматовых эфиров (O CH=O).
Ароматическая формализация
Формиляционные реакции являются формой электрофильной ароматической замещения и поэтому лучше всего работают с исходными материалами, богатыми электронами. Фенолы являются распространенным субстратом, поскольку они легко депротонируют до отличных нуклеофилов феноксида. Можно ожидать, что другие богатые электронами субстраты, такие как меситилен, пиррол или расплавленные ароматические кольца, также будут реагировать. Бензол реагирует в агрессивных условиях, но деактивированные кольца, такие как пиридин, трудно эффективно формировать. Во многих формализационных реакциях выбирается только ортопродукт (например, салициллальдегид), приписываемый атрактону между феноксидом и формалирующим реагентом. Ионные взаимодействия были вызваны между катионными азотными центрами в реакции Вильсмейера-Хакка и реакции Даффа; координация с металлами высокого окисления была вызвана в формализациях Казираги и Риехе (см. Реакция Колбе-Шмитта). Прямая реакция между фенолом и параформальдегидом возможна через формирование Казираги, но другие методы применяют маскированные формы формальдегида, отчасти для ограничения образования смол фенолоформальдегида. Алдегиды сильно деактивируются, и как такие фенолы обычно реагируют только один раз. Однако некоторые реакции, такие как реакция Даффа, могут привести к двойному сложению. Формилирование может применяться к другим ароматическим кольцам. Поскольку он обычно начинается с нуклеофильной атаки ароматической группой, электронная плотность кольца является важным фактором. Известно, что некоторые ароматические соединения, такие как пирол, формируют регионально-селективно. Формилирование бензольных колец может быть достигнуто через реакцию Гаттермана и реакцию Гаттермана Коха. Они включают сильный кислотный катализатор и проводятся аналогично реакции Фридель-Крафтса.
Алифатическая формализация
Гидроформилирование алкенов является наиболее важным методом получения алифатических формалей (т.е. альдегидов). Реакция в значительной степени ограничена промышленными условиями. Существует несколько специальных методов синтеза в лабораторном масштабе, включая реакцию Соммеле, синтез альдегида Бувеа или синтез альдегида Бодрукс-Чичибабин.
Формиляционные реакции в биологии
В биохимии добавление формалильной функциональной группы называется "формалированием". Формиловая функциональная группа состоит из карбонила, связанного с водородом. Когда формальная группа присоединяется к R-группе, она называется альдегидом. Формиляция была выявлена в нескольких критических биологических процессах. Впервые метионин был обнаружен в E. coli Маркером и Сэнгером в 1964 году, а позже было установлено, что он участвует в инициировании синтеза белка в бактериях и органелах. Формирование N-формилметионина катализируется ферментом метионил-ТРНК-трансформилазой. Кроме того, в биосинтезе пуринов de novo происходят две реакции формирования. Эти реакции каталитизируются ферментами глицинамид- рибонуклеотид (GAR) трансформализа и 5- аминоимидазола 4- карбоксиамид- риботид (AICAR) трансформализа. Совсем недавно было обнаружено, что формализация является модификацией гистонов, которая может модулировать экспрессию генов.
Метаногенез
Формирование метанофурана инициирует цикл метаногенеза. Формильная группа получается из углекислого газа и превращается в метан.
Формилирование в синтезе белков
В бактериях и органелах начало синтеза белка сигнализируется образованием формаль-метиониловой тРНК (tRNAfMet). Эта реакция зависит от формил- тетрагидрофолата 10 и фермента метионил- тРНК- формилтрансферазы.
Механизм
Предполагается, что формализационная реакция происходит через реакцию прямого переноса, в которой аминовая группа GAR нуклеофильно атакует N10 формаил THF, создавая тетраэдрический промежуточный продукт.
PurT GAR трансформилеза
Для трансформализа PurT GAR требуется формат в качестве формальдонора и АТФ для катализа. По оценкам, PurT GAR трансформилаза осуществляет 14 - 50% формализаций GAR в E. coli. Фермент является членом суперсемейства белков ATP-грапс.
Механизм
Для трансформализа PurT GAR был предложен последовательный механизм, в котором первой форме предлагается кратковременный формилфосфатный промежуточный продукт. Этот формилфосфатный промежуточный продукт затем подвергается нуклеофильной атаке амином GAR для переноса формил-группы. В экспериментах по мутагенезу был обнаружен формилфосфат, в котором мутантная PurT GAR трансформилаза имела слабое сродство к формату. Предлагается также создание фермента фосфатного промежуточного вещества, предшествующего формальфосфату, на основе исследований позиционного обмена изотопов. Формиляция чаще всего обнаруживается в 19 различных местах модификации на гистоне H1. Генетическая экспрессия клетки сильно нарушается формированием, что может вызвать такие заболевания, как рак. Эти изменения могут быть вызваны окислительным стрессом. Формилфосфат, полученный в результате, может быть использован для формирования лизина. Считается, что окислительный стресс играет роль в наличии остатков лизина на поверхности белков и возможности их формирования.
Формиляционные реакции как мишень лекарственного средства
Ингибирование ферментов, участвующих в биосинтезе пуринов, использовалось в качестве потенциальной мишени для химиотерапии. Ракные клетки требуют высокой концентрации пуринов для облегчения деления Некоторые ингибиторы на основе фолиевой кислоты были разработаны для ингибирования формиляционных реакций GAR- трансформилазой и AICAR- трансформилазой. Первый ингибитор трансформализа GAR лометрексол [(6R) 5,10 дидеазат-трегидрофолат] был разработан в 1980-х годах в сотрудничестве между Eli Lilly и академическими лабораториями. Хотя по структуре он похож на N10-формил-ТФФ, лометрексол не способен проводить одну реакцию переноса углерода. Секвенирование экзомы использовалось для выявления мутации в гене, кодирующем митохондриальную метионил-тРНК-формилтрансферазу (MTFMT) у пациентов с синдромом Ли. Считается, что мутация c.626C>T, выявленная в MTFMT, вызывающая симптомы синдрома Ли, изменяет сплайсинг экзонов, приводя к мутации сдвига кадра и преждевременному остановке кодона. У лиц с мутацией MTFMT c.626C> T были обнаружены сниженные уровни fMet tRNAMet и изменения уровня формирования митохондрически транслируемой COX1. Эта связь дает доказательства необходимости формированного метионина в инициировании экспрессии определенных митохондриальных генов.