Введение к работе
Актуальность проблемы. Поиск новых соединений, обладающих противоопухолевой активностью и нарушающих деление клеток (антимитотиков), является одним из важнейших направлений исследований в области органического синтеза. В принципе, такие вещества могут действовать на разные клеточные мишени - ДНК, различные ферменты (в частности, киназы) и другие белки. В данной работе основное внимание уделено разработке методов синтеза соединений, нарушающих деление клеток за счёт воздействия на тубулин - белок, являющийся основным компонентом митотического веретена, которое обеспечивает правильное распределение хромосом в процессе клеточного деления. Особый интерес к антимитотикам такого типа обусловлен несколькими причинами.
С одной стороны, по данным FDA (США) более 30% всех выпускающихся противораковых препаратов влияют именно на эту клеточную мишень. С другой -представлялось вполне реальным (и в то же время - интересным с научной точки зрения) разработать новые подходы к синтезу дестабилизаторов тубулина - более эффективных, чем существующие - исходя из доступных исходных соединений, с которыми долгое время активно работали в ИОХ РАН и в технологической лаборатории (где выполнялась данная работа). К тому же, недавно при участии лаборатории был разработан быстрый и удобный метод определения соединений - дестабилизаторов тубулина - in vivo, а также - благодаря сотрудничеству с другими организациями - имелась возможность тестировать синтезируемые вещества на опухолевых клетках in vitro.
Особо следует отметить, что в качестве доступного сырья для синтеза целевых продуктов в данной работе использовались высокоэнергетические соединения (2,4,6-тринитротолуол - ТНТ) и полупродукты в их производстве (такие как 2,4-динитротолуол и ]М-(ацилметил)азолы), а также целлюлоза, сама служащая сырьём для получения взрывчатых веществ.
В технологической лаборатории ИОХ РАН хорошо отработан процесс пиролиза целлюлозы на пилотных установках, приводящий к левоглюкозенону - (/^,5/^)-6,8-диоксабицикло[3.2.1]окт-2-ен-4-ону (в количествах более 1 кг/месяц). Особенно важно, что левоглюкозенон может быть с успехом получен путём пиролиза целлюлозосодержащих отходов (бумага, картон и т.п.), утилизация которых сама по себе является важной проблемой. Природа этого соединения как непредельного кетона определяет круг его возможных химических превращений, а конфигурации его асимметрических центров -стереоселективность этих превращений. В частности, в рамках данной работы изучалась возможность перехода от него к хиральным лактонам (бутанолидам), структурный фрагмент которых входит в состав молекул ряда природных антимитотиков.
]М-(Ацилметил)азолы типа АгСНгССЖ в свое время синтезировались в полупромышленных количествах (путём алкилирования NH-азолов а-галогенкетонами) для дальнейшего превращения в полинитрометильные производные - перспективные высокоэнергетические соединения. Сверх того их химия изучена довольно мало. Между тем, в данной работе показано, что они ведут себя (за редким исключением) как типичные СН-кислоты, в частности, вступают в реакцию присоединения по активированным С=С связям а,Р-непредельных кетонов, нитрилов и амидов. Это позволяет получать разнообразные гетеро- и карбоциклы и в то же время вводить в структуру продуктов реакций азольный фрагмент, нередко встречающийся в молекулах биологически активных соединений. Особый интерес представлял синтез аминопиранов - в связи с ранее подтверждённой противоопухолевой активностью ряда их аналогов.
Использование полинитроароматических соединений в органическом синтезе привлекает как доступностью исходного сырья, так и их широкими синтетическими возможностями. Так, полинитросоединения являются промышленно производимыми продуктами и широко используются как взрывчатые вещества. Более того, их утилизация сама представляет собой важную проблему (причём в данном случае не только техническую, но и политическую) - в мирное время возникает необходимость искать пути использования накопленных запасов взрывчатых веществ, которые необходимо утилизировать после определенного срока хранения.
Благодаря сочетанию активной метильной группы и способных к селективному замещению и восстановлению нитрогрупп, ди- и тринитрозамещённые толуолы представляют большой интерес в качестве исходных соединений для органического синтеза. Не менее важны и интересны также превращения ди- и тринитробензойных кислот, которые получают окислением соответствующих толуолов (так, при участии технологической лаборатории ИОХ была создана пилотная установка по окислению ТНТ азотной кислотой, на которой наработано около 20 кг тринитробензойной кислоты). Эти соединения могут служить исходными в синтезе динитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклов, с их последующей модификацией путём селективного нуклеофильного замещения нитрогрупп. Особое внимание в работе уделено синтезу функционально замещённых семичленных бензоконденсированных гетероциклов: в данной работе они рассматривались как аналоги комбретастатина - одного из наиболее известных и эффективных природных соединений с антитубулиновой активностью. С учетом доступности исходных ароматических полинитросоединений, разработанный подход представляет значительный интерес.
Селективное нуклеофильное замещение нитрогрупп может быть полезным не только для модификации динитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклов, но также и для получения соединений - перспективных ингибиторов клеточного деления других классов. В частности, особый интерес в этом плане представляют некоторые 2-(о-аминоарил)-5-ариламино-1,3,4-оксадиазолы, синтезированные исходя из ди- и тринитробензойной кислот как раз путём селективного нуклеофильного замещения и восстановления нитрогрупп.
Цель работы - создание эффективных подходов к синтезу соединений, обладающих антимитотической активностью, на основе промышленно доступных исходных соединений, используемых в качестве взрывчатых веществ либо как сырьё (полупродукты) для их производства. В рамках поставленной цели решались следующие основные задачи:
- изучение химических и стереохимических аспектов присоединения к левоглюкозенону С-
нуклеофилов различного типа с последующей трансформацией полученных продуктов в
хиральные лактоны, представляющие собой структурные фрагменты молекул природных
антитубулиновых агентов (наподобие подофиллотоксина);
- исследование реакционной способности 1М-(ацилметил)азолов как СН-кислот и, в
частности, получение на их основе замещённых пиранов - аналогов известных
антимитотиков;
получение бензоконденсированных 6- и 7-членных гетероциклов, исходя из ТНТ, и их модификация путём селективного нуклеофильного замещения нитрогрупп с целью синтеза аналогов комбретастатина;
направленный синтез молекул - дестабилизаторов тубулина нового класса (производных 2,5-дизамещённых-1,3,4-оксадиазолов) с использованием, в частности, селективного замещения и восстановления нитрогрупп в полинитробензойных кислотах.
Научная новизна работы. На основе левоглюкозенона разработан подход к синтезу оптически активных соединений различного строения. Показано, что в ходе присоединения прохиральных СН-кислот к левоглюкозенону высокая стереоселективность достигается лишь в том случае, когда присоединение сопровождается последующей циклизацией, что открывает путь к получению хиральных карбо- и гетероциклов. В частности, его взаимодействие со стабилизированными сульфониевыми илидами открывает путь к получению оптически активных циклопропанов и бициклических лактонов (3-оксабицикло[3.1.0]гексан-2-онов), содержащих 4 асиммметрических центра.
Подтверждено, что реакционная способность 1М-(ацилметил)азолов определяется электроноакцепторными свойствами азольного фрагмента, который облегчает отрыв протона от соседнего с ним а-углеродного атома и, тем самым, делает возможным протекание
реакций образующегося карбаниона в мягких условиях. Их взаимодействием с а,Р-непредельными кетонами, нитрилами и амидами синтезированы 6-членные карбо- и гетероциклы (циклогексеноны, аминопираны, пиридоны).
На основе 2,4-динитротолуола, 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ), а также продуктов их окисления - 2,4-ди- и 2,4,6-тринитробензойных кислот - разработаны способы получения разнообразных гетероциклических систем, являющихся ценными полупродуктами для синтеза биологически активных молекул.
Взаимодействием 2,4-динитротолуола и ТНТ с орто-гидроксибензальдегидами и орто-нитрозонафтолами в одну стадию получены нитрозамещённые бензоконденсированные гетероциклы - дибензоксепины и бензонафтооксазепины, соответственно. Также показано, что из ТНТ в 3 стадии может быть получен ключевой синтетический интермедиат - 4,6-динитро-1-тозилиндолин, а взаимодействием последнего с альдегидами - недоступные иными способами нитрозамещённые индолы и конденсированные системы на их основе (бензоксепиноиндолы).
Показано, что 2,4,6-тринитробензойная кислота может служить исходным соединением для получения динитрозамещённых дибензоксазепинов, а получаемая её селективным восстановлением 2-амино-4,6-динитробензойная кислота - для получения динитрозамещённых хиназолинов. Селективность замещения нитрогрупп в синтезированных динитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклах определяется природой бензоконденсированного гетероцикла и нуклеофила. В частности, установлено, что большое значение имеет размер гетероцикла (шести- или семичленный), характер замещения в непосредственной близости от нитрогрупп (С=0 или С-Н группировки), а также тип нуклеофила (RO", RS", N3" или амин).
Практическая ценность. Найдены пути превращения доступных исходных соединений, используемых в качестве взрывчатых веществ (либо в качестве сырья или полупродуктов для их производства), в целевые продукты, обладающие антимитотической активностью.
На основе получаемого из целлюлозы левоглюкозенона разработан подход к синтезу хиральных лактонов (бутанолидов), структурный фрагмент которых присутствует в молекулах ряда используемых в медицине соединений противоопухолевого действия (типа подофиллотоксина).
Взаимодействием доступных 1М-(ацилметил)азолов с (арилметилен)малононитрилами синтезированы азолил-замещённые 2-амино-4-арил-3-циано-4//-пираны - аналоги ранее изученных соединений антимитотического действия.
Полученные из полинитроароматических соединений дибензоконденсированные 7-членные гетероциклы могут рассматриваться как аналоги комбретастатина - эффективного ингибитора полимеризации тубулина природного происхождения.
С использованием селективного замещения и восстановления нитрогрупп в полинитробензойных кислотах, производимых путём окисления соответствующих нитротолуолов, синтезированы 2-(2-аминоарил)-5-ариламино-1,3,4-оксадиазолы - новый перспективный класс соединений антимитотического действия. Проведённые биологические испытания указанных веществ, а также ряда их аналогов, содержащих 2-аминогетарильный заместитель, демонстрировали высокую биологическую активность данных соединений, в ряде случаев превосходящую известные аналоги.
Личный вклад автора состоял в формулировке темы исследований; разработке экспериментов; руководстве работой студентов и аспирантов по отдельным разделам диссертации; непосредственном выполнении большей части экспериментов; обработке и анализе экспериментального материала; формулировании выводов работы. Рентгеноструктурный анализ проводился д.х.н. К.А. Лысенко и Ю.В. Нелюбиной (ИНЭОС РАН). Съёмку спектров ЯМР и NOE-эксперименты осуществляли к.х.н. Ю.А. Стреленко и В.В. Качала (ИОХ РАН). Биологические исследования проводились к.б.н. М.Н. Семёновой (ИБР РАН), а также в Институте биологических наук университета Ростока (Германия) и в фармацевтических компаниях Imclone и deCode (США).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 218-м национальном собрании американского химического общества (Новый Орлеан, США, 1999), 8-й всероссийской научной школе-конференции по органической химии (Казань, 2005), 4-й и 5-й всероссийских научных конференциях "Химия и технология растительных веществ" (Сыктывкар, 2006; Уфа, 2008), международном симпозиуме "Advanced Science in Organic Chemistry" (Судак, Украина, 2006), 23-м международном симпозиуме по органической химии серы (Москва, 2008), международной конференции «Биологически активные вещества. Фундаментальные и прикладные аспекты» (Новый Свет, Украина, 2009), всероссийской конференции "Химия нитросоединений и родственных азот-кислородных систем" (Москва, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 работы, в том числе 34 статьи в отечественных и международных научных журналах.
Объём и структура работы. Диссертация изложена на 357 страницах, состоит из введения, 3-х глав, экспериментальной части, приложений, выводов и списка литературы. Работа содержит 165 схем, 36 таблиц и 28 рисунков, список цитируемой литературы насчитывает 315 наименований.
