Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 8
1.1 Малярия 8
1.2 Артемизинин 10
1.2.1 Химическое строение 10
1.2.2 Представление о механизме действия артемизинина 14
1.2.3 Физико-химические свойства артемизинина 28
2. Методы расчета энтальпий, энергии активаций и констант скорости реакций радикалов артемизинина 33
2.1 Главные уравнения метода пересекающихся парабол 33
2.2 Реакции внутримолекулярного переноса водорода в алкоксильных и пероксильных радикалах артемизинина 35
2.3 Энтальпия реаций дециклизации радикалов 41
2.4 Реакции алкильных, алкоксильных и пероксильных радикалов артемиинина с субстратами 47
2.5 Расчет DQ-U В гидропероксидах 50
3. Реакции алкоксильных радикалов артемизинина 52
3.1 Интрамолекулярный перенос атома водорода в алкоксильных радикалах 53
3.2 Дециклизация алкоксильных радикалов артемизинина 56
3.3 Реакции алкоксильных радикалов артемизинина с субстратами 60
3.4 Заключение 61
4. Реакции алкильных радикалов артемизинина 64
4.1 Интрамолекулярный перенос атома водорода в алкильных радикалах 65
4.2 Дециклизация алкильных радикалов артемизинина 66
4.3 Реакции алкильных радикалов артемизинина с субстратами 69
4.4 Заключение 72
5. Реакции.пероксильных радикалов артемизинина 76
5.1 Реакции пероксильных радикалов артемизинина с субстратами 76
5.2 Интрамолекулярный перенос атома водорода в пероксильных радикалах 79
5.3 Внутримолекулярная цепная реакция окисления артемизинина. 80
5.4 Заключение 87
6. Реакции алкоксильных и пероксильных радикалов артемизинина, образующихся из его гидропероксидных групп 92
6.1 Внутримолекулярная цепная реакция окисления гидропероксида (I) артемизинина 92
6.2 Внутримолекулярная цепная реакция окисления гидропероксида (II) артемизинина 99
6.3 Внутримолекулярная цепная реакция окисления гидропероксида (III) артемизинина 103
6.4 Внутримолекулярная цепная реакция окисления гидропероксида (IV) артемизинина 105
6.5 Заключение 109
Выводы 111
- Артемизинин
- Реакции внутримолекулярного переноса водорода в алкоксильных и пероксильных радикалах артемизинина
- Дециклизация алкоксильных радикалов артемизинина
- Интрамолекулярный перенос атома водорода в пероксильных радикалах
Введение к работе
Актуальность работы:
Малярия - опасное (часто со смертельным исходом) заболевание, вызываемое одноклеточными организмами рода Plasmodium falciparum. Сложность борьбы с малярийным плазмодием усугубляется тем, что возбудитель постепенно приобретает устойчивость к широко используемым медикаментам. В настоящее время около двух миллиардов человек находятся в зоне риска заражения малярией, распространение этой болезни продолжает расти. Артемизинин является в настоящее время одним из наиболее эффективных и перспективных лекарств против.малярии.
Артемизинин был выделен в 1971 году из растения Qinghao, разновидности полыни Artemisia annua. Его настои китайские знахари тысячелетиями использовали для лечения малярийной лихорадки. Химическая структура его была установлена в 1980-е годы. Артемизинин представляет собой трехциклический сесквитерпен с пероксидным мостиком (-С-0—О-С—) который является уникальным среди антималярийных лекарств. В настоящие дни этот препарат считается наиболее эффективным и-быстродействующим противомалярийным лекарством.
Механизм действия артемизинина во многом не ясен и в течение последних 15 лет является предметом интенсивного исследования и обсуждения. Экспериментально доказано, что его лечебное действие обусловлено образованием свободных радикалов по реакции восстановления пероксидной группы артемизинина хелатами двух- и трехвалентного железа. Образовавшиеся в результате такой реакции радикалы реагируют с ферментами паразита, приводя к их дезактивации и гибели паразита. Однако,
многое в механизме действия артемизинина до сих пор остается неясным. Предложенные в литературе механизмы являются гипотетическими и не имеют количественных оценок и подтверждений.
Представленная работа посвящена теоретическому исследованию радикального механизма действия артемизинина. В ее основу положен количественный кинетический подход с расчетом АН, Е и к элементарных реакций. Инструментом расчета послужила модель пересекающихся парабол, опирающаяся на большой экспериментальный материал по модельным радикальным реакциям. Цель работы:
Расчет энтальпий, энергий активации и констант скорости всех возможных мономолекулярных и бимолекулярных реакций радикалов, образующихся из артемизинина.
Детальный теоретический анализ конкуренции этих реакций. Выбор магистральных каналов превращения-радикалов артемизинина.
Создание полной теоретически обоснованной кинетической схемы превращения радикалов артемизинина, учитывающей как конкуренцию моно- и бимолекулярных реакций, так и окисление образующихся из артемизинина радикалов и реакции радикалов, образующихся из гидропероксидных групп.
Научная новизна:
В диссертационной работе впервые предложен теоретический подход для количественного анализа радикальных превращений артемизинина с помощью метода пересекающихся парабол. Этим методом вычислены энергии активации и константы скорости всех возможных превращений возникающих из артемизинина алкоксильных, алкильных и пероксильных радикалов, а также радикалов, образующихся из гидропероксидов артемизинина.
Впервые показано, что внутримолекулярные превращения алкоксильных и пероксильных радикалов артемизинина преобладают над
бимолекулярными. Это приводит к тому, что в аэробных условиях артемизинин окисляется по быстрой цепной внутримолекулярной реакции.
В результате цепной реакции окисления артемизинин превращается в полифункциональный инициатор. Это означает, что гибель- малярийного паразита происходит не только за счет реакций алкоксильных радикалов, образующихся при восстановлении пероксидного мостика хелатами железа, как предполагалось ранее, а, главным образом, за счет генерирования большого количества активных свободных радикалов (RCV, НО* и НСЬ*), образующихся в результате окислительной деструкции его гидропероксидных групп.
В результате большой вычислительной работы, включающей расчет кинетических характеристик для 245 радикальных реакций, впервые создана полная количественная кинетическая схема радикальных превращений артемизинина. Практическая и теоретическая значимость:
Получены, новые оригинальные кинетические данные, которые существенно расширяют современные знания- о механизме действия артемизинина как эффективного лекарственного- препарата. Результаты диссертационной работы имеют фундаментальное значение и представляют интерес для исследователей, работающих в области применения и синтеза аналогов артемизинина и его модификации. Объем и структура работы:
Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 7 рисунков, 28 схем и 26 таблиц. Диссертация состоит из введения, 6 глав; выводов и списка литературы из 125 наименований.
В первой главе обсуждаются литературные данные по механизму действия артемизинина.
Во второй главе1 описана методика'расчета энтальпий (АЛ), энергий
активации (Д) и констант скорости (к) реакций радикалов, возникающих из
артемизинина и его гидропероксидных групп.
Третья глава посвящена изучению конкуренции моно- и бимолекулярных реакций алкоксильных радикалов, образующихся при распаде пероксидного мостика в артемизинине.
В четвертой главе представлены результаты изучения С-центрированных радикалов, возникающих в результате превращений первичных алкоксильных радикалов артемизинина.
В пятой главе приведены результаты расчета внутримолекулярных и межмолекулярных превращений пероксильных радикалов артемизинина.
Шестая глава посвящена реакциям радикалов, возникающих из полиатомных гидропероксидов артемизинина.
В выводах сформулировали основные результаты диссертационной работы. Апробация работы
Основные результаты диссертационной, работы доложены на 7 конференциях: Всероссийской конференции молодых ученых и II школе им. академика Н!М.' Эмануэля' (Москва, 2006), на- XVIII Всероссийском* Симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2006); на VII международной конференции имени В. В. Воеводского (Черноголовка, 2007), на XIX Всероссийском Симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2007), на II Всероссийской школе-конференции «Высокореакционные интермедиаты» (Юность, Московская область, 2007), на VI Межвузовской школе-семинаре «Актуальные проблемы химической физики» (Иваново, 2008), на научной конференции «Органическая химия для медицины» (Юность, Московская область, 2008).' Публикации:
По материалам диссертации опубликованы 6 статей в ведущих журналах РАН и тезисы 7 докладов, которые написаны в соавторстве с Денисовым Е. Т. и Денисовой Т. Г.
Артемизинин
В 1967 году китайское правительство приступило к выполнению общенациональной программы открытия новых антималярийных лекарств, в ходе выполнения которой были изучены местные растения, использующиеся в традиционной медицине [6, 7]. Несколько эффективных образцов были идентифицированы (см. Рис. 2), это такие как yingzhaosu А (2 yingzhaosu) из yingzhao (Artabotrys hexapetalu (LF) Bhand) [8], agrimols (3) из xianhecao (Agrimonia pilosa L.) [9, 10], robustanol (4) из dayean (Eucalyptus robusta Sm) [11], protopine (5) из nantianzhu (Nandina domestica T.) [12], bruceine D и E (6, 7) из yadanzi (Brucea javanica (L) Merr) [13] и anluosu (8) из lingshuianluo (Polyalthia nemoralis A.(DC)) [14]. Общий синтез и модификация структуры некоторых образцов, таких как yingzhaosu, agrimols и febrifugine (9), которые были выделены [15] из changshan (Dichroa febrifuga Lour.), были идентифицированы позже (структуры 1-5). К сожалению, эти природные продукты и их синтетические производные были едва пригодны, недостаточно эффективны или слишком токсичны. Первым известным лекарством стало растение Кингао {Artemisia annua L), которое содержит артемизинин (1, Рис. 2) первое упоминание, о котором найдено в работе Ге Конга 340 г. до н. э. В 1972 году китайские исследователи выделили путем экстракции из этого растения кристаллическое соединение, которое назвали qinghaosii (артемизинин, регистрационный CAS номер 63968-64-9). Существенным фактом является то, что артемизинин — это устойчивое кристаллическое соединение, которое легко выделяется экстракцией и процессы его очистки недороги [16, 17]. Во Вьетнаме общее количество артемизинина, произведенное в 1999 году составило приблизительно 3 тонны. Трудно оценить производство в Китае, но цифра близка к 5 тоннам в год [18]. Артемизинин представляет собой сесквитерпеновый лактон с пероксидной группой. Хотя артемизинин (1, Рис. 2) используется в Китае для лечения малярии, устойчивой ко многим лекарственным препаратам, но его изучение ограничивается низкой степенью растворимости в масле и в воде. Для исследования большинства эффективных лекарств китайскими учеными был разработан целый ряд производных исходного лекарства (Рис. 3)[19], Восстановление артемизинина приводит к дигидроартемизинину (1а), который, в свою очередь, привел к. серии синтетических производных аналогов, включающих метильное производное (lb, R = Me) и этильное производное (1с, R = Et).
Оба состава являются более сильно действующими, чем артемизинин, но они имеют короткий период полураспада и поражают центральную нервную систему (при изучении на крысах и собаках) [20-22]. Для лечения прогрессирующих случаев малярии, вызванных Plasmodium falciparum, желательно иметь водорастворимое производное артемизинина, которое может быть введено внутривенно и воздействовать более эффективно. Натриевая соль artesunic acid (Id) является также водорастворимым производным, способным быстро ослаблять паразита и восстанавливать сознание коматозных церебральных больных малярией [23]. Из всех первых полученных производных вещество (Id) является в настоящее время лекарством выбора [24]. Sodium artelinate (le) при сравнении с (lb) и (1с) является не только более стабильным веществом в водном растворе, но и его период полураспада более долгий, чем в маслорастворимых аналогах. Артемизинин и его производные токсичны по отношению к малярийным паразитам в наномолярных концентрациях, но в клетках млекопитающих они становятся токсичными только в микромолярных концентрациях. Одной из причин такой избирательности является повышенная восприимчивость паразита к триоксановому лекарству. Эритроциты, зараженные Plasmodium falciparum, концентрируют [ Н]-дигидроартемизинин и [14С]-артемизинин в более высокой (примерно 100 кратной) концентрации, чем это делают неинфицированые эритроциты [25]. Производное артемизинина, в котором отсутствует эндопероксидный мостик (деоксиартемизинин), лишено антималярийного действия. Это означает, что эта пероксидная группа является ключевым фактором фармакологической активности триоксанов [6, 26]. Определение структуры [27, 28] артемизинина было выполнено исследовательской группой, которая объединяла ученых из Institute of Chinese Materia Medica и Шанхайского института органической химии в середине 1970-х. Было предположено, что это соединение представляет собой сесквитерпен из Н и 13С путем ядерного магнитного резонанса и элементного анализа. Отсюда молекулярный вес 282 и молекулярная формула С15Н22О5. Однако было нелегко установить его структуру. Большая трудность состояла в определении этих пяти атомов кислорода в 15-ти углеродном каркасе молекулы, который имел только один связанный протон на углероде, несущем кислород (5.68 в синглете), который показался в Н ЯМР спектре. В начале 1975 года пероксидная структура (2, Рис. 2) [29] навела исследователей на мысль, что артемизинин может быть также пероксидным соединением. Гипотеза была подтверждена с помощью простого качественного анализа (Nal - АсОН) и количественного анализа (РРІїз) вскоре после предположения. Также было обнаружено, что фрагмент 250 в масс-спектре появился при потере молекулярного кислорода из артемизинина взамен потери метанола. Ссылаясь на структуру arteannuim В (artemisinin В 10) [30, 31], выделенного из A. annua, три структуры (11-13) рассматривались как возможные, но структура 13 была предпочтительной из-за наличия перокси лактонов, известных в литературе на то время (Рис. 4). Реальная структура и относительная конфигурация артемизинина были доказаны, наконец, с помощью рентгеноструктурного анализа [32]. Следовательно, артемизинин имеет, действительно, беспрецедентно уникальную структуру с внутренним пероксидным кеталь-ацеталь-лактоном, содержащим редкий сегмент 00-С-0-С-0-С=0, и до сих пор не было найдено подобных структур в других природных продуктах.
Со времени открытия артемизинина (1), модель механизма его действия на молекулярном уровне является очень интересным и важным вопросом, выяснение которого представляет сложную задачу [33, 34]. Первый ключ к объяснению механизма действия артемизинина был дан учеными, которые показали, что эндопероксидный мостик является совершенно необходимым для антималярийной активности [35, 36]. Роль свободных радикалов в биологическом механизме действия производных артемизинина была- показана в конце 1980-х гг. Крунгкрай и Ятавонг первыми показали, что поглотители свободных радикалов in vitro подавляли антималярийную активность лекарств, а инициаторы свободных радикалов ее усиливали-[33]. Дальнейшие исследования по оксидантам и антиоксидантам подтвердили эту взаимосвязь как in vitro, так и in vivo [37-39]. Ряд других исследователей позднее показали, что обработка мембран артемизинином (особенно в присутствии гема) может быть причиной пероксидного окисления липидов [40-42]. Окислительный стресс Окислительный стресс был предложен как механизм действия артемизинина на основе экспериментов in vitro с зараженными эритроцитами человека или с мембранами паразита [33]. В действительности, внутриэритроцитное действие пероксидной связи триоксана с помощью Fe(II)-reMa, образованного во время разрушения гемоглобина, может привести к образованию О-центрированных радикальных частиц. In vitro гем катализирует разложение артемизинина и дигидроартемизинина на радикалы [43]. Исследования Бермана и Адамса ясно показали, что артемизинин может в шесть раз увеличивать разрушение hem-mediated жировых мембран [42]. Фитч и его коллеги показали, что ненасыщенные жиры (липиды) осаждаются гематином, образуя твердое вещество в кислой пищевой вакуоли паразита, и таким образом способны растворяться под действием достаточного количества гематина. Возможный механизм окисления липида в перекисное соединение, вызванный артемизинином, представлен на схеме 1. Взаимодействие жирорастворимого гема железа с артемизинином приводит к образованию алкоксильных и алкильных радикалов. Перенос водорода и образование углеродных радикалов с последующим присоединением кислорода приводит, в конечном счете, к образованию липидных гидропероксидов.
Реакции внутримолекулярного переноса водорода в алкоксильных и пероксильных радикалах артемизинина
Для расчета энтальпии АН реакций внутримолекулярного переноса Н использовались энергии диссоциации С-Н-связей модельных соединений, взятые из [105], и О-Н-связей гидропероксидных групп, взятые из [106]. Энергии диссоциации атакуемых связей (Dc-н) алкосильных радикалов артемизинина приведены в табл. 1. Средняя погрешность оценки энергий диссоциации С-Н-связей составляет ±2.0 кДж/моль [105]. Расчеты справедливы для реакций в неполярных растворителях. Следует отметить, что мономолекулярные реакции радикального превращения («реакции-часы») не зависят от растворителя. Из возможных реакций интрамолекулярного переноса водорода учитывались только те, которые протекают через шестичленное и семичленное переходное состояние, энергия активации которых минимальна [102, 108]. Для расчета энергий активации и констант скорости реакций интрамолекулярного переноса атома водорода мы использовали уравнения и параметры модели пересекающихся парабол Расчет энергии активации рассматриваемых реакций был выполнен по следующему уравнению Предэкспоненциальный множитель внутримолекулярной реакции переноса атома водорода в алкоксильных и пероксильных радикалах артемизинина зависит от числа лС-н атакуемых С—Н связей (например, пС-ц — 2 для СН2-группы и т. д.). Поэтому константа скорости реакции вычислялась по уравнению: Множитель А зависит от числа групп СН2 или СН, которые теряют способность свободного вращения в циклическом переходном состоянии. Эмпирическая зависимость имеет следующий вид {т — число фрагментов, которые утрачивают способность к вращению в переходном состоянии) [102]: В переходном состоянии реакции внутримолекулярной атаки R02 на С—Н-связь исчезает вращение только одной группы, а именно О-О" в радикале R02 , и поэтому А0 = 5.5 1012 с-1. Кинетические параметры рассматриваемых типов радикалов представлены в табл. 2. При внутримолекулярном окислении артемизинина образуется группировка СН(ООН), где ос-С-Н-связь ослаблена соседней гидропероксиднои группой. Прочность этой связи неизвестна и была вычислена нами по методу, описанному в [114] на основании экспериментальных данных по-реакции циклогексилпероксирадикала с а-С-Н-связыо циклогексилгидроперосида [115] (табл. 11). Расчет проведен по формуле [114]: где bre = 13.62 (кДж/моль) , а = 0.814, 2iel = 75.6 кДж/моль для реакции вт-RXV с С-Н-связью циклогексана [116].
Согласно кинетическим измерениям, проведенным в работе [115], отношение констант скорости реакций kxlk\ = 300 при Т= 348 К, где к\ и к\ относятся к реакции циклогексилпероксильных радикалов с С-Н-связью гидропероксида и циклогексана, соответственно. Отсюда находим АЕ = -2.893 1п300 = -16.5 кДж/моль и по формуле (19) AD = —33.0 кДж/моль. Эта величина AD была нами использована для вычисления Z)j(C-H) в разных группах С(Н)ООН артемизинина. Экспериментально доказано, что образование свободных алкоксильных радикалов происходит по реакции восстановления пероксидного мостика хелатами двух- и трехвалентного железа [117]. Также известно, что интрамолекулярные реакции таких радикалов весьма разнообразны, а некоторые из них протекают достаточно быстро [118]. Для построения детальной кинетической схемы реакций радикалов, возникающих из артемизинина, необходим, в первую очередь, полный кинетический анализ как интрамолекулярных, так и бимолекулярных реакций алкоксильных радикалов артемизинина в организме. Решению этого вопроса и посвящена настоящая глава. В качестве объекта исследования взят сам артемизинин и следующие три его производные (2-4), обладающие лечебным действием [119]. Из таблицы видно, что интрамолекулярный перенос водорода в алкоксильных радикалах артемизинина - экзотермическая реакция, которая протекает очень быстро ((310 К) 8.6 1010 - - 1.3 109 с-1). Еще быстрее она идет в алкоксильных радикалах R2O , образующихся из алкокси-производных артемизинина 3 и 4 (реакции 8 и 9Д(310 К) = 2.4 10й с-1). Результаты нашего расчета были сопоставлены с данными, полученными с помощью квантово-химических расчетов. Сравнение показывает, что энергии активации первой реакции (и ее аналога) близки (Е = 22 + 34 кДж/моль); энтальпия, вычисленная в работе [121], очень близка к нашему значению (-36.4 кДж/моль). В табл. 16 представлены АЯ, Е, к и удельные скорости &[LH] реакций трех алкоксильных радикалов (они обладают одинаковой реакционной способностью) с рядом субстратов. Можно заключить, что активные артемизинин-оксильные радикалы гораздо быстрее вступают во внутримолекулярные реакции с переносом водорода и реакции дециклизации {к 109 + 1010 с"-1). Среди них наиболее быстро протекают: для радикала RiO реакции 1 и 11 (схема 11, табл. 12, 14) и реакции 13, 14 и 15 для R O" (схема 10, табл. 14). Было установлено, что практически все алкоксильные радикалы артемизинина в живом организме в результате внутримолекулярных превращений образуют радикалы артемизинина со свободной валентностью на атоме углерода. Такие С-центрированные радикалы, в свою очередь, тоже являются активными и способны к различного рода превращениям. Необходимо поэтому рассмотреть кинетическую судьбу последних. В предыдущей главе были рассмотрены реакции алкоксильных радикалов, возникающих из артемизинина. В результате быстрого интрамолекулярного превращения артемизинин-оксильных радикалов образуются радикалы артемизинина со свободной валентностью на углероде.
Следующий этап работы - анализ конкуренции моно- и бимолекулярных реакций алкильных радикалов артемизинина, возникающих из его первичных алкоксильных радикалов. В качестве объектов исследования были выбраны семь углеродцентрированных радикалов артемизинина, образующихся в наиболее быстрых реакциях внутримолекулярного превращения артемизинин-оксильных радикалов (см. главу 3). Из приведенных в табл. 18 данных видно, что реакции типа цикло-R — цикло-Rf протекают достаточно быстро (при 310 К А; 1.3 109 -f- 3.3 104 с-1). Наоборот, реакция отрыва атома Н от гидроксильной группы (типа цикло-R - цикло-RjO ) из-за своей эндотермичности является медленной (при 310 К k2 2.5 -10 с ). Среди рассмотренных реакций наиболее быстрыми являются реакции (5) и (7). 4.2 Энтальпия реакций дециклизации радикалов В табл. 19 представлены величины АН, Е и А: для реакций дециклизации алкильных радикалов артемизинина. Все эти реакции эндотермичны и протекают на несколько порядков медленнее, чем реакции внутримолекулярного переноса атома водорода. Наиболее быстрыми среди рассмотренных бимолекулярных реакций являются реакции алкильных радикалов с S—Н-связями биологических субстратов (при 310 К &[RSH] « 5.2 105 н- 3.0 104 с"1). Взаимодействие алкильных радикалов с другими субстратами протекает с заметно меньшей удельной скоростью. Кроме бимолекулярных реакций с субстратами нами была проанализирована реакция с кислородом, который также присутствует в организме. Скорость присоединения кислорода для реакций типа R; + Ог — RjOO" лимитируется диффузией и в среде эфиров линолевой кислоты равна 1.5 10 л моль-1 с"1. Концентрация кислорода, растворенного в эфире линолевой кислоты в атмосфере воздуха, равна [Ог] = Уог " р02 2.35 10 3 моль л-1, где коэффициент Генри уог = 1.12 Ю-2 моль/л алм,р02 = 0.21 атм. Отсюда находим произведение ко2[02] = 3.5 10б с"1. Видно, что такая реакция протекает даже быстрее, чем многие реакции внутримолекулярного переноса водорода, кроме реакции (5) и (7) (см. табл. 18). Для алкильных радикалов R (5a) и R (12) сначала произойдет внутримолекулярное превращение и только после этого кислород присоединится к образовавшимся новым алкильным радикалам. Результаты проведенных в настоящей главе расчетов позволяют сделать следующие выводы. Внутримолекулярный перенос атома водорода в алкильных радикалах артемизинина протекает быстрее, чем бимолекулярные реакции этих радикалов с субстратами. Константы скорости реакций внутримолекулярного переноса атома водорода (их размерность - с") образуют следующий ряд (см. табл. 18): к5 = 1.3 10 к7 = 6.0 10 къ = 2.9 106 М = 1.0 Ю6 б=1.2- 106 /с9= 1-2 106 4 = 5.1 104 8=3.3- 104. Дециклизация алкильных радикалов артемизинина, наоборот, протекает гораздо медленнее, чем рассмотренные бимолекулярные реакции (см. табл. 19).
Дециклизация алкоксильных радикалов артемизинина
Как видно из приведенных выше кинетических схем, при окислении всех образующихся из артемизинина радикалов преобладает внутримолекулярная цепная реакция, в результате которой образуется молекула, содержащая одну или несколько (до 4) гидропероксидных групп. В такой цепной реакции свободная валентность покидает артемизинин либо в результате реакции с субстратом (быстрее всего по реакции с ос-токоферолом) (схемы 13, 16, 17), либо в результате распада неустойчивого ос-гидропероксиалкильного радикала, в результате которого свободная валентность покидает артемизинин в виде гидроксильного радикала (схемы 12,14,15). Полученные данные позволяют оценить "удельный вес" каждого из маршрутов превращения пероксильных радикалов артемизинина. Для этого следует оценить относительную скорость образования каждого из перечисленных выше пероксильных радикалов. Проведенный ранее расчет скорости параллельного превращения алкоксильных радикалов артемизинина позволяет это сделать. Относительная скорость превращения і-го пероксильного радикала Vj по маршруту: RO — — Ri# - R 00" - R OOH оценивалась по формуле: vl = fa/Yfcj, где суммирование учитывало все параллельные реакции превращения алкоксильных радикалов RO"(l) и RO (2). Учитывалось то обстоятельство, что радикал RO (l) превращается преимущественно по реакции RO (l) — R"(5), а радикал RO (2) - по пяти параллельным реакциям. Образование из артемизинина RO (l) и RO"(2) при расщеплении пероксидного мостика предполагалось равновероятным. Расчет по приведенной выше формуле дает следующие результаты. Мы видим, что выполняется следующая иерархия превращений пероксильных радикалов артемизинина: R02 (8a ) R02 (8a) R02"(5a) R02 (8a") a превращения радикалов R02"(4) и R02 (7) дают незначительный вклад. Длина цепи v у разных маршрутов разная. Она существенно изменяет вклад каждого из маршрутов в образование полиатомных гидропероксидов. Этот вклад можно учесть, перемножив V[ на число ООН-групп, образующихся в каждой цепочке превращений (см. последнюю строку, VROOH - число ООН-групп образующихся в данном каскаде реакций). Как видно из последней строки, вклад реакций радикалов R02"(8a ), R02 (8a), R02"(5a) и R02 (8a//) в накопление гидропероксидных групп соизмерим.
Средняя длина цепи v внутримолекулярного окисления артемизинина составляет 2.6 звеньев. Образовавшиеся в результате окисления артемизинина гидропероксидные группы, в свою очередь, распадаются на радикалы под действием хелата железа [56]. Таким образом, генерирование радикалов артемизинином в аэробных условиях является более сложным процессом, чем это предполагалось ранее [56, 119]. В присутствии кислорода радикалы артемизинина вступают в быструю внутримолекулярную цепную реакцию окисления, превращаясь в полиатомный гидропероксид. Каждая из образовавшихся гидропероксидных групп по реакции с хелатами Fe(II) генерирует свободные радикалы, что и приводит к гибели паразита. Следовательно, артемизинин как лекарство "работает" не просто как инициатор радикалов, а как саморазмножающийся инициатор. Его сложная структура в аэробных условиях является источником возникновения новых гидропероксидных групп-инициаторов. Полученный в настоящей работе результат существенно меняет сложившееся представление о химическом механизме действия артемизинина и причине его высокой эффективности: в аэробных условиях артемизинин является инициатором многократного действия. В предыдущей главе были установлены главные последовательности превращения перекисных радикалов артемизинина. Как видно из кинетических схем, в результате такой реакции образуется молекула, содержащая одну или несколько (до 4) гидропероксидных групп. Это приводит к тому, что в аэробных условиях артемизинин превращается из монофункционального в полифункциональный инициатор с несколькими гидропероксидными группами (см. главу 5). Каждая из образовавшихся гидропероксидных групп по реакции с хелатами Fe(II)/Fe(III) генерирует алкоксильные радикалы по реакциям: [116, 122-125] ROOH + Fe3+ - Fe02+ + РҐ + RO , которые, в свою очередь, способны подвергаться различным внутримолекулярным превращениям. В настоящей главе решается задача количественного кинетического анализа дальнейших превращений радикалов артемизинина, образующихся из его гидропероксидов, с составлением полной кинетической схемы радикального превращения артемизинина.
Быстрее всего из артемизинина образуются следующие четыре разных полиатомных гидропероксида (см. главу 5): Каждый гидропероксид, образующийся в результате цепной внутримолекулярной реакции окисления под действием хелатов железа, распадается, образуя новые алкоксильные радикалы. Они, в свою очередь, вступают в несколько параллельных реакций. Для каждой из таких реакций вычислялись ее энтальпия, энергия активации и константа скорости. Среди них выбиралась самая быстрая. Например, алкоксильный радикал RO"(12) вступает в следующие 5 параллельных реакций Видно, что реакция 1 протекает быстрее других четырех реакций. Следовательно, она является главной для превращения радикала RO (12) артемизинина. Аналогично вычислялись маршруты превращений других радикалов. Среди бимолекулярных реакций с участием пероксильных радикалов самой быстрой оказалась реакция с тиогруппами L-цистеина (см. главу 5). 6.1 Внутримолекулярная цепная реакция окисления гидропероксида (I) артемизинина Вычисленные энтальпии, энергии активации и константы скорости реакций внутримолекулярного переноса водорода, дециклизации, а также бимолекулярных реакций пероксильных радикалов гидропероксида(І) артемизинина представлены в табл. 23. Из схем 18-22 видно, что рассматриваемый полиатомный гидропероксид образует четыре алкоксильных радикала (RO (12), RO"(8a), RO (6), RO"(5a)). Далее каждый RO" радикал либо атакует наиболее слабую С-Н-связь, образуя С-центрированный радикал, который присоединяет кислород и вступает во внутримолекулярную цепную реакцию окисления, либо дециклизуется. В результате внутримолекулярной цепной реакции свободная валентность покидает артемизинин или в виде НО" за счет распада неустойчивого а-гидропероксиалкильного радикала, или в виде радикала Н02" как результат быстрого распада гидроксипероксильного радикала, или путем реакции R(V с S-H-группой L-цистеина, по которой образуется тиильный радикал RS . Аналогично протекает окислительная деструкция и других гидропероксидов. 6.2 Внутримолекулярная цепная реакция окисления гидропероксида (II) артемизинина Для данного гидропероксида также были вычисленны энтальпии, энергии активации и константы скорости реакций внутримолекулярного переноса водорода, дециклизации, а также бимолекулярных реакций. Результаты представлены в табл. 24.
Интрамолекулярный перенос атома водорода в пероксильных радикалах
Результаты расчета кинетических параметров для третьего полиатомного гидропероксида представлены в табл. 25. Таблица 25. Энтальпии (АН), энергии активации (Е), константы скорости (к) реакций внутримолекулярного переноса атома водорода в алкоксильных и пероксильных радикалах артемизинина В схеме 25 представлены главные пути превращения полиатомного гидропероксида (III). Этот полиатомный гидропероксид образует три алкоксильных радикала, каждый из которых претерпевает внутримолекулярное превращение, образуя в итоге молекулярные продукты и радикалы. 6.4 Внутримолекулярная цепная реакция окисления гидропероксида (IV) артемизинина Вычисленные энтальпии, энергии активации и константы скорости внутримолекулярного переноса атома водорода, а также бимолекулярных реакций гидропероксида (IV) представлены в табл. 26. Анализ кинетических схем распада полиатомных гидропероксидов артемизинина (см. приведенные выше схемы) приводит к следующим выводам. Во-первых, общее число образующихся из него свободных радикалов близко, как показал расчет, к 3.5. Так как образование гидропероксида сопровождалось генерированием одного радикала в виде RS , то общее число радикалов, образующихся в расчете на одну молекулу артемизинина, составляет 4.5. Во-вторых, из артемизинина в результате его окислительных превращений образуются не только RO2", как это предполагалось в [56, 119], но и радикалы НО" и Н02 . Очень активный гидроксильный радикал образуется в результате распада алкоксильного радикала, у которого по соседству находится гидропероксидная группа: Эти две очень быстрые последовательные реакции и приводят к генерированию НО . Радикал HCV образуется тогда, когда кислород присоединяется к гидроксиалкильному радикалу, а последний быстро распадается на карбонильное соединение и НСЬ": В-третьих, в результате окислительной деструкции исходного гидропероксида образуется небольшое число (всего пять) стабильных молекулярных продуктов: углекислый газ, ацетальдегид, 3-оксомасляный альдегид, 2,3,4-триоксо-7-гидрокси-7-метилоксепан и 2,4-диоксо-3-(1 ,4 -диоксопентил)-7-гидрокси-7-метилоксепан.
Таким образом, проведенный в настоящей работе кинетический расчет констант скорости радикальных реакций артемизинина и анализ конкурентных радикальных реакций показал, что он являет собой уникальный пример саморазмножающегося инициатора. Распад исходного пероксидного мостика - всего лишь "спусковой крючок", за которым следует каскад окислительных радикальных реакций, превращающих молекулу артемизинина в самовоспроизводящийся инициатор. 1. Впервые проведен кинетический расчет энергий активации и констант скорости реакций радикалов, образующихся из артемизинина. Он показал, что артемизинин являет собой уникальный пример саморазмножающегося инициатора, с чем и связана его высокая лечебная активность. 2. Впервые с помощью метода пересекающихся парабол проанализирован теоретически вопрос о реакциях пероксильных радикалов артемизинина. Показано, что эти радикалы вступают преимущественно во внутримолекулярные реакции с переносом атома водорода. Это приводит к окислению артемизинина и превращает его в полиатомный гидропероксид. В результате артемизинин превращается из монофункционального в полифункциональный инициатор с несколькими гидропероксидными группами. 3. Показано, что распад гидропероксидных групп артемизинина инициирует каскад внутримолекулярных окислительных реакций, в которых генерируются радикалы R", RO", НО", Н02" и R02\ Установлены главные последовательности превращения этих радикалов. Показано, что в результате окислительной деструкции артемизинина из него, в конечном счете, образуются радикалы R02", НО" и Н02", в среднем 4.5 радикала из одной молекулы артемизинина. 4. Проанализирован вопрос о конкуренции бимолекулярных и внутримолекулярных реакций алкоксилъных радикалов, образующихся из артемизинина при восстановлении пероксидного мостика хелатами двухвалентного железа. Установлено, что в результате быстрых внутримолекулярных превращений О-центрированных радикалов (реакции переноса атома водорода и реакции дециклизации) образуются радикалы артемизинина со свободной валентностью на углероде. Последние вступают преимущественно в реакцию с кислородом, превращаясь в пероксильные радикалы. 5. Проанализированы внутримолекулярные и межмолекулярные реакции углеродцентрированных радикалов артемизинина. Показано, что эти радикалы быстрее всего реагируют с кислородом, превращаясь в пероксильные радикалы. 6. В результате проделанной работы, включающей расчет энтальпий, энергий активации и констант скорости 245 радикальных реакций, впервые создана полная кинетическая схема превращения радикалов, образующихся из артемизинина.
