Введение к работе
Актуальность работы. В области органической и фармацевтической химии отмечается выраженная тенденция к интенсивному развитию направленного синтеза новых биологически активных соединений. Необходимость этого продиктована возрастающей потребностью современной медицины и ветеринарии в низкотоксичных лекарственных препаратах, обладающих такими свойствами, как высокая эффективность, направленный транспорт к очагу инфекции, отсутствие побочных действий, а также снижение вероятности развития устойчивости (резистентности) к ним патогенных микроорганизмов.
Перспективным направлением синтеза новых биологически активных соединений
является функционализация биологически активных молекул различными фармакофорными
группами. В качестве таких молекул особый интерес представляют замещенные
бензофуразаны и их N-оксиды (бензофуроксаны), многообразная и часто
труднопредсказуемая реакционная способность которых обуславливает возможность введения в их структуру различных групп, а отмечающееся структурное сходство с нуклеиновыми основаниями ДНК и РНК определяет биомиметическую составляющую синтеза новых соединений. Известно, что хлор- и нитрозамещенные бензофуроксаны и бензофуразаны наряду с низкой токсичностью проявляют выраженные антимикробные, антипротозойные и антигельминтные свойства, а благодаря уникальному строению могут рассматриваться как пролекарства – экзогенные доноры оксида азота (NO), реализующие свою активность через группу посредников внутри клетки и оказывающие сосудорасширяющее действие на организм. Высвобождение оксида азота в этих соединениях может происходить как за счет нитрогрупп бензольного кольца, так и за счет скрытых нитрозогрупп пятичленного фуроксанового кольца. Благодаря этому препараты на основе бензофуроксанов и -фуразанов способны длительно проявлять терапевтическое действие без развития нитратной толерантности.
К настоящему времени установлено, что функционализация исследуемых
гетероциклических соединений может осуществляться реакциями как электрофильного, так и нуклеофильного ароматического замещения. Возможность протекания таких реакций обусловлена двойственной природой фуроксанового/фуразанового ядра. Но несмотря на проведение широких исследований во всем мире, их реакционные свойства по отношению к различным нуклеофильным агентам, а также физиологическая активность образующихся в этих реакциях продуктов изучены явно недостаточно.
В связи с вышеизложенным, развитие направленного синтеза биологически активных соединений на основе замещенных бензофуроксанов и –фуразанов, а вместе с тем изучение их реакционной способности является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. В отечественной литературе
отмечается недостаток сведений о реакциях нуклеофильного замещения в ряду замещенных
бензофуроксанов и -фуразанов. Существуют данные об исследованиях поведения хлор- и
нитрозамещенных бензофуроксанов и –фуразанов в реакциях нуклеофильного замещения с
участием фосфорсодержащих агентов, проведенных на кафедре высокомолекулярных и
элементоорганических соединений Казанского университета. Для расширения и продолжения
исследований в настоящей работе представлены новые реакции аминирования
соответствующих бензофуразанов и их N-оксидов, представляющих интерес с точки зрения фармацевтической химии, микробиологии и медицины.
Цель настоящего исследования заключалась в синтезе новых биологически активных веществ на основе азотистых гетероциклических соединений – хлорнитрозамещенных бензофуроксанов и -фуразанов и разнообразных первичных и вторичных алифатических и ароматических аминов.
Для достижения указанной цели в задачи исследования входили:
1. Синтез новых моно- и диаминированных азотистых гетероциклических соединений на основе реакций хлорнитрозамещенных бензофуразанов и -фуроксанов с различными аминами;
-
Синтез новых устойчивых кристаллических -аддуктов – комплексов Мейзенгеймера – как подтверждение протекания изучаемых реакций аминирования по механизму нуклеофильного замещения в ароматическом кольце на примере 4,6-динитробензофуроксана (ДНБФО);
-
Установление структуры полученных аминированных азотистых гетероциклических соединений при помощи совокупности физических и физико-химических методов;
4. Исследование антимикробной активности полученных соединений.
Научная новизна работы. Синтезирована широкая серия (46 соединений, строение 18
из них доказано методом рентгеноструктурного анализа (РСА)) новых моно- и диаминированных хлорнитрозамещенных бензофуразанов и их N-оксидов, а также солей 7-амино-5-окси-4,6-динитробензофуроксана, 5-амино-7-окси-4,6-динитробензофуразана и 7-окси-4,6-динитробензофуразана.
Впервые проведены реакции 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуразана (ДХДНБФА) и его
N-оксида – 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана (ДХДНБФО) – с различными
алифатическими и ароматическими первичными и вторичными аминами, а также с дициклогексиламином и морфолином при соотношении исходных реагентов 1:4 в спиртово-эфирной среде. Во всех случаях реализуется механизм нуклеофильного ароматического замещения SNAr двух атомов хлора бензольного кольца азотистого гетероциклического соединения с образованием продуктов дизамещения. При соотношении исходных реагентов 1:2 в тех же условиях реакции приводят к образованию либо продуктов монозамещения, либо солей соответствующих аминов с гетероциклическими соединениями, однако в случае реакции диэтиламина с ДХДНБФО даже при изменении соотношения образуется только продукт дизамещения. В реакции 7-хлор-4,6-динитробензофуразана в аналогичных условиях при соотношении исходных реагентов 1:2 с диэтиламином образуется продукт солевого строения, а с дибензиламином – монозамещения.
Впервые синтезированы продукты замещения в реакциях 4-хлор-7-нитро-, 6-хлор-7-нитро- и 7-хлор-6-нитробензофуразана с первичными алифатическими и ароматическими аминами. В результате реакции 6-хлор-7-нитробензофуразана с уротропином происходит замещение атома хлора бензольного кольца гетероциклического соединения на аминогруппу.
В реакциях ДНБФО с морфолином, н-додецил- и н-гексадециламинами впервые получены стабильные комплексы Мейзенгеймера с sp3-атомом углерода в положении 7 бензольного кольца гетероциклического соединения. Строение всех -аддуктов доказано методом рентгеноструктурного анализа.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке метода синтеза комплексов Мейзенгеймера и неизвестных ранее физиологически активных аминированных азотистых гетероциклических соединений. Большинство из синтезированных соединений проявили антибактериальные и антимикотические свойства по отношению к вирулентных микроорганизмов: Staphylococcus aureus (АТСС 29213), Escherichia coli (АТСС 25922), Pseudomonas aeruginosa (АТСС 27853), Bacillus subtilis (АТСС 6633), Bacillus cereus (АТСС 10702), Candida albicans (АТСС 885-653), Proteus mirabilis (АТСС 12453). Получен патент РФ № 2452730 «Комплексы Мейзенгеймера, обладающие бактерицидной и фунгицидной активностью».
Методы исследования и степень достоверности результатов. Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается использованием совокупности химических, физических и физико-химических методов: ИК-, ЯМР 1Н и ЯМР 13С-спектроскопии, элементного анализа, совмещенного ТГ-ДСК анализа, РСА.
Положения, выносимые на защиту:
1. Синтез новых моно- и диаминозамещенных нитробензофуроксанов и –фуразанов в
реакциях нуклеофильного замещения хлорнитропроизводных бензофуроксана и –фуразана с
первичными, вторичными ароматическими и алифатическими аминами и диаминами;
2. Синтез стабильных кристаллических комплексов Мейзенгеймера в реакциях
динитробензофуроксана с додециламином, гексадециламином и морфолином;
3. Доказательство строения полученных аминированных гетероциклических
соединений;
4. Антибактериальная и антимикотическая активность синтезированных
гетероциклических соединений, установленная с помощью штаммов различных патогенных
бактерий и грибов.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Изложенный материал и полученные результаты исследования соответствуют п. 1 «Выделение и очистка новых соединений» и п. 8 «Моделирование структур и свойств биологически активных веществ» паспорта научной специальности 02.00.03 – органическая химия, и решает одну из основных задач органической химии – синтез, установление структуры и исследование реакционной способности органических соединений, в данном конкретном случае – изучение реакций нуклеофильного ароматического замещения в реакциях аминирования азотистых гетероциклических соединений.
Личный вклад автора заключается в проведении направленного органического синтеза всех описанных в диссертации соединений путем функционализации хлор- и нитрозамещенных бензофуроксанов и –фуразанов аминами различного строения, идентификации состава и структуры полученных соединений, участии в осуществлении исследований по оценке физиологических свойств синтезированных веществ, анализе литературных данных, а также обобщении результатов работы, проведенного совместно с научным руководителем. Большинство выводов по результатам исследования сделаны автором лично.
Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для размещения материалов диссертаций, 7 тезисов докладов международных и региональных конференций: IX научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2009 г.), Х научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2010 г.); International Butlerov Congress on Organic Chemistry (Kazan, 2011), X Международная конференция молодых ученых по химии «МЕНДЕЛЕЕВ-2017». II школа-конференция «Направленный дизайн веществ и материалов с заданными свойствами» (Санкт-Петербург, 2017), 3-я Российская конференция по медицинской химии (Казань, 2017).
Публикации. По результатам настоящего исследования опубликованы 15 научных трудов, из них 7 статей в ведущих рецензируемых отечественных журналах, рекомендованных ВАК, тезисы 7 докладов на международных и российских конференциях и 1 патент РФ на изобретение (№ 2465279 от 27.10.12 «Комплексы Мейзенгеймера, обладающие бактерицидной и фунгицидной активностью»). Научные труды по теме диссертации написаны в соавторстве с научным руководителем д.х.н. профессором Галкиной И.В. Д.х.н. проф. Галкин В.И., д.х.н. проф. Черкасов Р.А., д.х.н. проф. Бердников Е.А. и к.х.н. доцент Тудрий Е.В. принимали участие в обсуждении результатов исследования. Запись и интерпретация ЯМР-спектров осуществлялась при участии к.ф.-м.н. с.н.с. Гнездилова О.И. и инженера Хаярова Х. Р. Регистрация ИК-спектров проводилась к.х.н. Давлетшиным Р.Р. К.х.н. ст. науч. сотр. Герасимов А.В. проводил исследования термостабильности синтезированных соединений методом совмещенного ТГ-ДСК анализа. Рентгеноструктурные исследования соединений осуществлялись д.х.н. Катаевой О.Н., д.х.н. проф. Литвиновым И.А., к.х.н. науч. сотр. Криволаповым Д.Б., мл. науч. сотр. Исламовым Д.Р. и мл. науч. сотр. Ившиным К.А. Д.х.н. проф. Юсупова Л.М. (КНИТУ) синтезировала и предоставила для проведения настоящей исследовательской работы хлор- и нитрозамещенные гетероциклические соединения. Исследования физиологических свойств соединений проведены на кафедре микробиологии КГМА к.м.н. доц. Шулаевой М.П. под руководством заведующего кафедрой, д.м.н. проф. Поздеева О.К.
Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность научному руководителю, проф. И.В. Галкиной, и всем принимавшим участие в настоящем исследовании за конструктивное и продуктивное сотрудничество.
Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных и элементоорганических
соединений Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского (Приволжского)
федерального университета в рамках основного научного направления «Синтез, строение,
реакционная способность и практически полезные свойства органических,
элементоорганических и координационных соединений» при финансовой поддержке
российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее
образование» (BRHE): грант CRDF № BP4M07 и грант Минобрнауки РФ № 2.2.2.2/5013.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах, содержит 1 таблицу, 77 рисунков, 63 схемы и 192 библиографические ссылки на публикации отечественных и зарубежных авторов. Основными разделами диссертации являются введение, три главы, заключение, список литературы и приложение.
Первая глава включает литературный обзор, в котором описываются основные методы
синтеза исследуемых гетероциклических соединений и их поведение в реакциях
нуклеофильного, электрофильного замещения и комплексообразования. Подробно описаны
проявляемые физиологически активные свойства, зафиксированные для замещенных
бензофуроксанов и –фуразанов. Обсуждение собственных результатов исследования реакций
аминирования выбранных для исследования гетероциклических соединений приведено во
второй главе диссертации. В третьей главе описаны методики синтеза аминированных
нитробензофуроксанов и –фуразанов с физическими, физико-химическими и спектральными
характеристиками полученных соединений. В Приложении приведены акты
микробиологических испытаний синтезированных соединений.