Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Биологическая активность производных трополона (Литературный обзор) 7
ГЛАВА 2. Синтез 2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонов на основе 4,6 ди(изо-пропил)-3-нитро-1,2-бензохинона (Обсуждение результатов) 20
2.1. Синтез 4,6-ди(изо-пропил)-3-нитро-1,2-бензохинона 20
2.2. Синтез и строение 2-гетарил-1,3-трополонов на основе 4,6-ди(изо-пропил)-3-нитро-1,2-бензохинона 21
ГЛАВА 3. Синтез и строение производных 3-(N-арил-N ацетиламино)тропонов (Обсуждение результатов) 24
3.1. Синтез и рентгеноструктурное исследование 3-(N-арил-N-ацетиламино)тропонов 24
3.2. Исследование структуры конформеров 3-(N-арил-N-ацетиламино)тропонов методами гетероядерной, двумерной и динамической спектроскопии ЯМР 29
ГЛАВА 4. Синтез, строение и свойства 2-(хиназолинон-2-ил)-1,3 трополона и 2-(бензоксазинон-2-ил)-1,3-трополона (Обсуждение результатов) 35
4.1 Синтез и сторение 2-(4 (3Н)-хиназолинон-2-ил)-1,3 трополона 35
4.2 Синтез, сторение и антибактериальная активность 2 (4H-1,3-бензоксазин-4-он-2-ил)-1,3-трополона 43
ГЛАВА 5. Синтез, структура и свойства тропонов с хинониминным заместителем (Обсуждение результатов) 47
ГЛАВА 6. Прогнозирование биологической активности синтезированных в работе соединений с привлечением передовых методов виртуального скрининга (Обсуждение результатов) 51 ГЛАВА 7. Экспериментальная часть 55
7.1. Синтез 3,5-ди(изо-пропил)пирокатехина и 4,6-ди(изо-пропил)-3-нитро-1,2-бензохинона 57
7.2. Синтез замещенных 2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонов и 2-(хинолин-2-ил)-4-нитро-1,3-трополонов 58
7.3. Синтез замещенных 2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонов 62
7.4 Синтез замещённых 3-хлортропонов и 3 ариламинотропонов 63
7.5 Синтез замещённых 3-(N-арил-N ацетиламино)тропонов 64
7.6 Синтез 2-(4 (3Н)-хиназолинон-2-ил)-1,3-трополона и 2 (4H-1,3-бензоксазин-4-он-2-ил)-4,5,6-трихлор-1,3 трополона 65
7.7 Синтез замещённых 3-хинонимин-2-(хинолин-2 ил)тропонов 66
Выводы 70
Список литературы
- Синтез и строение 2-гетарил-1,3-трополонов на основе 4,6-ди(изо-пропил)-3-нитро-1,2-бензохинона
- Исследование структуры конформеров 3-(N-арил-N-ацетиламино)тропонов методами гетероядерной, двумерной и динамической спектроскопии ЯМР
- Синтез, сторение и антибактериальная активность 2 (4H-1,3-бензоксазин-4-он-2-ил)-1,3-трополона
- Синтез замещенных 2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонов и 2-(хинолин-2-ил)-4-нитро-1,3-трополонов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Алкалоидам трополонового ряда приписывают
целый спектр разнообразных фармакологических свойств, включая
противовирусную, противовоспалительную и противоопухолевую активности,
антиоксидантные свойства, а также инсектицидное действие. Тем не менее,
после интенсивных исследований тропоноидов в 1960-70 гг. интерес к ним
значительно снизился ввиду целого ряда весомых в те годы факторов. Начиная с
90-х годов, химические и биохимический исследования в этой области получили
новое качественное развитие. На сегодняшний день удалось достигнуть
значительных результатов в первую очередь благодаря революционному
развитию сопряженных наукоемких технологий, был выделен целый ряд
уникальных тропоноидов, разработаны новые эффективные методики синтеза их
аналогов, детально исследована биологическая активность,
фармакокинетические и токсические свойства, а также возможные пути их биосинтеза и метаболизма. В настоящее время, основная часть научных работ посвящена исследованию соединений 1,2-трополонового ряда (а-трополонам). Существенно меньше изучены производные 1,3-трополоновой системы (р-трополоны), что связано с ограниченным числом эффективных подходов к синтезу данных соединений.
Совсем недавно, в лаборатории ЮФУ НИИ ФОХ был разработан оригинальный способ получения 2-гетарилзамещённых 1,3-трополонов, позволяющий одностадийно и с высокими выходами (60-80%) выделить целевые продукты. В основе этого метода лежит кислотно-катализируемая реакция конденсации 2-метилазотистых гетероциклов и охинонов, протекающая с расширением шестичленного цикла 1,2-бензохинонов и образованием семичленной 1,3-трополоновой структуры. Эта реакция по своему потенциалу превосходит возможности существующих в настоящее время подходов к синтезу подобных структур.
Цель работы: Целью настоящей работы являлось систематическое исследование кислотно-катализируемых реакций охинонов с производными 2-метилхинолина, 2-метилхиназоли-4-она, 2-метилбензоксазин-4-она; синтез неизвестных ранее 2-гетарил-1,3-трополонов и разработка методов их функционализации.
Задачей исследования являлось получение производных 2-(хинозалинон-2-ил)-1,3-трополонов, 2-(бензоксазинон-2-ил)-1,3-трополонов, 2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонов, функционализированных вторичными, третичными аминами, изопропильными группами в семичленном цикле. Установление строения полученных соединений методами ЯМР !Н, ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии, квантовой химии и рентгеноструктурного анализа (для ключевых соединений). Оценка профиля мишень-специфичной активности 2-гетарилзамещенных 1,3-трополонов методом виртуального скрининга.
Научная новизна. Разработан новый подход к синтезу труднодоступного 4,6-ди(изо-пропил)-3-нитро-1,2-бензохинона и на его основе получена серия новых 2-(хинолин-2-ил)замещенных 1,3-трополонов. Осуществлён синтез
неизвестных ранее 2-(хинозалинон-2-ил)-1,3-трополона, 2-(бензоксазинон-2-ил)-
1,3-трополона и 2-(хинолин-2-ил)-3-хинониминтропонов. Обнаружена
антибактериальная активность in vitro 2-(4H-1,3-бензоксазин-4-он-2-ил)-4,5,6-
трихлор-1,3-трополона в отношении бактерий S. aureus, A. baumannii и P.
aeruginosa. Разработаны новые реакции функционализации производных -
трополона и получен ряд неизвестных ранее 3-ариламинотропонов, методами
РСА исследована эволюция структуры полученных соединений. В результате
прогнозирования мишень-специфичной активности установлено, что
серотониновые, дофаминовые рецепторы, а также тирозиновые киназы,
кальциевые каналы и липоксигеназы являются наиболее принципиальными
биологическими мишенями, которые следует рассматривать на стадии
планирования биологических испытаний 2-гетарилзамещённых 1,3-трополнов.
Практическая значимость работы заключается в разработке новых
методов функционализации производных 1,3-трополона, позволяющих
существенно расширить химию трополонов и получать гетероциклические
системы с различными функциональными группами. Важно отметить, что
синтезированный оригинальным методом 2-(4H-1,3-бензоксазин-4-он-2-ил)-
4,5,6-трихлор-1,3-трополон, может быть отправлен на дальнейшие
токсикологические и клинические испытания, с целью создания нового
высокоэффективного антибактериального препарата.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на IV Всероссийской конференции с международным участием "Современные проблемы химической науки и фармации" (Чебоксары, 2015 г); Международном семинаре по магнитному резонансу (Ростов-на-Дону, 2015 г); XІІІ Всеукраинской конференции молодых ученых и студентов по актуальным вопросам современной химии с международным участием (Украина, Днепропетровск, 2015 г); III Международной научной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Пятигорск, 2013 г); Международном молодежном конкурсе научно-исследовательских работ «Студент и научно-технический прогресс» (Таганрог, 2012 г); VIII, X, XII Международном молодежном научном форуме «Ломоносов». (Москва, 2011, 2013, 2015 гг); VI-X Научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (Ростов-на-Дону, 2010-2014 гг).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, из них 5 статей в научных журналах из списка ВАК и 24 тезиса докладов на международных и отечественных конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, приложения и списка литературы. Работа изложена на 99 страницах, содержит 40 рисунков, 11 схем, 15 таблиц, библиография насчитывает 141 ссылку.
Работа выполнена в рамках реализации проектной части госзадания Министерства образования и науки РФ в сфере научной деятельности (проект № 4.742.2014), а также при финансовой поддержке РФФИ проекта № 14-03-00672 и программы Президиума РАН № 8 «Разработка методов получения химических веществ и создания новых материалов»
Синтез и строение 2-гетарил-1,3-трополонов на основе 4,6-ди(изо-пропил)-3-нитро-1,2-бензохинона
Изучая свойства хиноктиола, учёными было обнаружено, что он обладает антибактериальной и противогрибковой активностью [12-15], ярко выраженными инсектицидными свойствами [16;17], оказывает цитотоксический эффект на опухолевые клетки лейкемии человека HL-60 и рака желудка человека KATO III [18], клетки меланомы B16-F10 у мышей [19], является эффективным ингибитором катехол-О-метилтрансферазы [20], матрикс металлопротеиназ, карбоксипептидазы А, коллагеназы и термолизина [21], ингибирует рост растений [22], является антагонистом гликопротеина VI, тем самым способен ингибировать процессы тромбообразования [23]. Недавно сообщалось, что хиноктиол эффективно блокирует рост Candida albicans [24]. В работе было сделано предположение о том, что механизм его действия связан с ингибированием CYR1- и RAS1-опосредованных сигнальных путей, в частности, cAMP и MAP киназных каскадов. В сообщении [25], говорится, что у9-туяплицин подавляет рост клеток рака толстой кишки человека НСТ-116 и SW-620, путём замедления S-фазы клеточного цикла и индуцирования апоптоза. Хинокитиол ингибирует фосфорилирование фосфолипазы С (PLC)2, протеинкиназы С (РКС), митоген-активируемой протеинкиназы (МАРК) и Akt в активированных коллагеном тромбоцитах человека. Значительно снижает внутриклеточную мобилизацию кальция и образование гидроксильных радикалов [26]. Всё это способствует дезактивации тромбоцитов и замедлению их агрегации, что позволяет рассматривать yS-туяплицин, как средство для профилактики и лечения тромбоэмболических заболеваний. Благодаря своей способности эффективно ингибировать полифенолоксидазу (РРО) и тирозиназу хиноктиол может использоваться в пищевой промышленности в качестве консерванта [27-30]. Недавно было обнаружено, что хиноктиол способствует активации внеклеточной сигнал-регулируемой киназы (ERK) и p38 митоген-активируемой протеинкиназы (p38МАРК), повышает уровень белка HIF-1 (индуцируемого гипоксией фактора 1) и увеличивает секрецию фактора роста сосудистого эндотелия (VEGF) в клетках зубной пульпы, тем самым повышает их ангиогенный потенциал [31;32]. В работе [33] авторами было установлено, что -туяплицин обладает значительным антимикробным и цитотоксическим действием против патогенов и клеточных линий плоскоклеточной карциномы полости рта, соответственно. Использование хиноктиол-содержащего геля для ухода за полостью рта способствует уменьшению неприятного запаха [34]. Таким образом, хиноктиол представляет интерес для лечения и профилактики стоматологических заболеваний. Результаты исследования [35] показывают, что -туяплицин обладает мощным нейропротекторным действием и может использоваться при лечении и профилактики ишемического инсульта.
Композиция линалол-хиноктиол обладает сильным антибактериальным эффектом в отношении таких патогенов, как Pseudomonas aeruginosa, Moraxella catarrhalis, Escherichia coli, Serratia marcescens, Staphylococcus aureus, метициллин-резистентного S. aureus (MRSA), Staphylococcus epidermidis, и Pityrosporum ovale [36]. Глазные капли на основе композиции линалол-хиноктиол могут использоваться при лечении инфекционных заболеваний глаз (блефарит, дакриоцистит, ячмень), в пред- и послеоперационные периоды. Сравнительно недавно было показано, что туяплицин оказывает противовирусный эффект на различных моделях in vitro. Так, было обнаружено, что хиноктиол способен эффективно ингибировать репликацию человеческого риновируса, вируса Коксаки, а также менговируса [37]. В частности, было установлено, что это соединение эффективно блокирует расщепление эукариотического фактора трансляции eIF4GI под действием патогенной протеазы 2А, а также индуцирует приток катионов Zn2+ в клетки, наибольшая концентрация которых была обнаружена в некоторых органеллах, в особенности в митохондриях. Также было продемонстрировано, что хиноктиол в качестве сильного антиоксиданта способен блокировать индуцированный ультрафиолетом апоптоз в кератиноцитах мышей, в частности, индуцировать продукцию металлотионеина в кожных покровах [38]. Исследование японских учёных [39] показало, что хинокитиол ингибирует тромбоцитарную 12-липоксигеназу (изофермент арахидонат 12-липоксигеназы). Концентрация полумаксимального ингибирования состовляет 0,1 М, при концентрации 1 М активность фермента полностью подавляется. В статье отмечается высокая степень селективности ингибирования, так хиноктиол проявляет низкую активность в отношении лейкоцитарной 12-липоксигеназы (IC50 = 50 М), соевой липоксигеназы и 5-липоксигеназы (IC50 = 17 М) и практически не влияет на активность 15-липоксигеназы-1, циклооксигеназы-1 и -2 вплоть до концентрации 100 М. Таким образом, было установлено, что хиноктиол является селективным ингибитором тромбоцитарной 12-липоксигиназы и может использоваться как средство для профилактики и лечения атеросклероза.
Сильный цитотоксический эффект в отношении некоторых опухолевых клеточных панелей был показан для у-туяплицина (19) из подсемейства шо-пропилтрополонов, и у9-долабрина (20) [40]. Не удивительно, что ближайший структурный аналог этих соединений, а-туяплицин (18), обладает весьма схожим профилем биологической активности, включая антибактериальные свойства по отношению к грамположительным и грамотрицательным бактериям, способность ингибировать рост растений и активность металлопротеиназ различных типов [41].
В микромолярных концентрациях у9-долабрин, у-туяплицин и 4-ацетил-1,2-трополон (21) в качестве одних из компонентов Thujopsis dolabrata SIEB. et ZUCC. var. hondai MAKINO показали противогрибковую активность по отношению к семи типам фитопатогенных инфекций, в то время как антибактериальную активность удалось выявить только для двух бактериальных штаммов Legionella sp. [42]. Следует особо отметить тот факт, что эти соединения в условиях in vitro также оказывают сильный цитотоксический эффект по отношению к клеткам P388 лимфоцитарной лейкемии. 4-Ацетил-1,2-трополон (21) показал антибактериальную активность против различных микроорганизмов, включая древоразрушающие грибы, способность эффективно ингибировать рост растений, в частности, за счет блокирования биосинтеза хлорофилла, значительный цитотоксический эффект по отношению к некоторым опухолевым клеткам, а также ингибирующую способность по отношению к металлопротеиназам [43]. Например, это соединений способно ингибировать рост Daedalea dickinsii ГРО-4979 и Coriolus versicolor ГРО-4940 со значениями минимальной ингибирующей концентрации 0.2 мг/мл и 0.39 мг/мл, соответственно. Значительный цитотоксический эффект у9-долабрина (в концентрации 0.32 мг/мл), у-туяплицина (в концентрации 0.32 мг/мл) и 4-ацетил-1,2-трополона (21) (в концентрации 20 мг/мл) был установлен на модельных клетках опухоли желудка человека KАТО-III и асцитной карциномы Эрлиха [40]. Для у9-долабрина и у-туяплицина значения процента ингибирования роста опухолевых клеток составили 85, 67% и 91, 75%, соответственно. Заметим, что антипролиферативный эффект 4-ацетил-1,2-трополона в условиях эксперимента оказался выше, чем для таких известных противоопухолевых агентов природного происхождения как Подофиллотоксин, Винкристин и Винбластин. Однако биологическая активность 4-ацетил-1,2-трополона оказалась несколько ниже по сравнению с хиноктиолом.
В исследовании [44] было обнаружено, что 3,7-дигидрокситрополоны, например (22), в микромолярных концентрациях способны эффективно координировать катионы Mg2+, которые в свою очередь необходимы для активности обратной транскриптазы вируса иммунодефицита человека типа 1 (HIV-1 RT), ДНК полимеразы, рибонуклеазы H (RNase H), а также интегразы, тем самым оказывая антипролиферативное действие. Однако в ходе эксперимента был выявлен высокий уровень цитотоксичности этого ряда соединений по отношению к нормальным клеткам человека.
Исследование структуры конформеров 3-(N-арил-N-ацетиламино)тропонов методами гетероядерной, двумерной и динамической спектроскопии ЯМР
В сводной таблице 4 приведены основные длины связей и валентные углы в структурах (73-76a) (для (76а) указаны величины для левой молекулы рисунка 7 без учета менее заселенной части).
На примере полученного ряда соединений была исследована эволюция структуры хелатного узла. Анализ расстояний и углов фрагмента молекул (73a) и (75a), образующих замкнутый цикл при образовании внутримолекулярной водородной связи и прилегающих к ним в сравнении с аналогичными в молекулах (74a) и (76a), в которых такая связь отсутствует, позволяет выделить (жирным шрифтом) те из них, которые увеличены для первой группы молекул и (курсивом) – уменьшенные (таблица 3). Можно сделать вывод, что отсутствие водорода и, как следствие, отсутствие внутримолекулярной водородной связи, вызывает коллективный эффект в виде заметного перераспределения электронной плотности в исследуемом фрагменте, что сказывается на его геометрических параметрах.
Молекула соединения (76a) существует в виде двух оптически активных атропоизомеров (76A) и (76A ) (рисунок 9), образование которых можно объяснить атакой электрофила (ацильной группы) NH-группы аминотропона (75a) по бимолекулярному механизму электрофильного замещения с последующей инверсией в (76А) или (76A ). Теоретически рацемизация может быть осуществима путем инверсии семичленного цикла с одновременным поворотом обоих ароматических заместителей на 180 вокруг связей С(2)-С(8) и С(3)-N(3), соединяющих их с тропоновым циклом (рисунок 9). Однако вращение стерически перегруженных хинолинового и N-ацилфенильного фрагментов вокруг связей С(2)-С(8) и С(3)-N(3) в (76А) или (76A ) затруднено, что обуславливает стабильность этих атропоизомерных конфигураций. Моделирование реакции поворота тропонового фрагмента вокруг связи С(2)-С(8) показало, что в ходе этого процесса расстояние между атомами водорода метильных групп при С(18) хинолинового цикла и при C(38) N-фенильного фрагмента становятся существенно меньше суммы их ван-дер-Ваальсовых радиусов, что делает маловероятным данный процесс.
Проекция энантиомеров 3-(N-ацетил-3,5-диметил-фениламино)-5,7-ди(трет-бутил)-2-(5,8-диметил-4-пиперидинохинолин-2-ил)тропона (76A) и (76A ) (без учета метильных и трет-бутильных заместителей). Изменение конформации части молекул энантиомеров нарушает идентичность их геометрической конфигурации, превращая рацемат в смесь диастереомеров. Так, в элементарной ячейке кристалла мы наблюдаем две пары энантиомеров, различающихся положением пиперидинового цикла.
Исследование структуры конформеров 3-(N-арил-N-ацетиламино)тропонов методами гетероядерной, двумерной и динамической спектроскопии ЯМР
В спектре ЯМР 1Н соединения (76a) в растворе CDCl3 при комнатной температуре наблюдается уширение сигналов, охлаждение раствора приводит к появлению сигналов протонов двух изомерных форм в соотношении 7:3 (рисунок 10), при повышении температуры в растворе ДМСО до 80С наблюдается коалесценция сигналов (рисунок 11).
Рисунок 10. Удвоение сигналов при понижении температуры в спектрах ЯМР 1H соединения (76a).
С целью выявления существующих в растворе конформеров соединения (76a) было проведено полное отнесение сигналов ЯМР 1Н на основании характеристических значений химических сдвигов и анализа кросспиков в двумерных спектрах 1H-1H корреляций COSY и NOESY, а также данных HSQC при понижении температуры до 10C. На рисунках 12 и 13 приведены значения химических сдвигов преобладающей и минорной конформаций, а также наблюдающиеся в обеих формах корреляции спектра COSY (рисунок 14)
В спектрах NOESY соединения (76а), помимо пространственных взаимодействий, наблюдаются обменные корреляции между сигналами эквивалентных атомов и групп атомов двух форм молекулы (76а) (рисунок 15). Это свидетельствует о достаточно высокой скорости изомеризационных взаимопревращений (102 кех 102с1).
Схема основных корреляций NOESY (10C) соединения (76a). При анализе двумерных низкотемпературных спектров особое внимание нами было уделено строению пиперидинового цикла, так как в кристаллической решетке разупорядочение его конформации обуславливает существование двух пар энантиомерных молекул в элементарной ячейке. Однако корреляции, подтверждающие достаточное долгое существование в растворе конформера, изображенного затемненным в левой части рисунка 7 и на рисунке 8, в рассматриваемых спектрах не присутствуют. Ключевые пространственные корреляции NOESY протонов пиперидинового цикла схематично показаны на рисунке 17. Следует отметить, что в превалирующей форме хинолиновый протон Н(3) взаимодействует с четырьмя а-протонами пиперидинового цикла, но не взаимодействует с протонами /?- и у-звеньев. Метильная группа н 2.84 м.д., находящаяся в иери-положении к пиперидиновому циклу, дает кросспик только с одним из а-протонов при н 3.19 м.д. В спектре NOESY также присутствуют кросспики данной метильной группы с протонами /?- и у-звеньев при н 1.74-1.83 м.д., но отсутствуют корреляции с /?-протонами при н 1.65 м.д.
Аналогичные корреляции присущи минорной форме молекулы (76a). Данные пространственные взаимодействия указывают на то, что в растворе молекула соединения (76a) находится в конформациях близких к левой незатемнённой молекуле на рисунке 7 или показанной пунктиром на рисунке 8.
Температурная зависимость спектров ЯМР и наличие обменных взаимодействий в спектрах NOESY указывает на существование достаточно быстрых динамических процессов, связанных с изомеризацией структуры молекулы. Возможные механизмы таких реакций могут определяться вращением заместителей в системе, а также инверсией трополонового и пиперидинового фрагментов.
Поскольку вращение хинолинового и N-ацильного заместителей в положениях 2 и 3 тропонового цикла стерически затруднено, а анализ низкотемпературных пространственных взаимодействий в молекуле не выявил интерконверсии пиперидинового цикла, наиболее вероятными причинами наблюдаемой динамики спектров ЯМР могут быть как инверсия трополонового фрагмента, так и вращение ацильной группы вокруг С-N связи. Температурная зависимость сигналов ЯМР соединения (76a) в области 6.1 – 6.2 м.д (рисунок 11) указывает на протекание динамического процесса в растворе ДМСО с активационным барьером, рассчитанным по уравнению Эйринга, 15,7 ккал/моль. Близкие по величине параметры характерны для вращения вокруг С-N связи в амидах. С другой стороны, инверсия трополонового цикла, вероятно, будет иметь более низкий барьер, поскольку аналогичный процесс в системе циклогептариена, близкого по структуре семичленного цикла, сопровождается преодолением энергетического барьера 6 ккал/моль. Данные процессы согласуются с наблюдаемыми различиями в NOESY корреляциях и изменением химсдвигов сигналов ЯМР при переходе от основного к минорному стереоизомеру. Наибольшему сдвигу в слабое поле (H 6.77 7.19 м.д.) подвержен сигнал протона Н(3`), выходящего при инверсии из области экранирования, обусловленной диамагнитной анизотропией группы C=O тропона. Сигнал ацильного метила смещается в сильное поле (H 2.22 1.72 м.д.), исчезают его пространственные взаимодействия с орто-фенильными протонами, а также взаимодействия орто-фенильных протонов с метильной группой в восьмом положении хинолинового цикла.
Таким образом, структура конформеров N-ацетил-3-ариламинотропонов была исследована методами спектроскопии ЯМР и рентгеноструктурного анализа. На основе данных гетероядерной, двумерной и динамической спектроскопии было установлено существование достаточно быстрых динамических процессов, связанных с изомеризацией структуры молекул. Согласно предварительной оценке возможности реализации различных реакционных каналов изомеризации, наиболее вероятной причиной наблюдаемой динамики спектров ЯМР может быть вращение ацильной группы вокруг С-N связи. Кроме того, определенное влияние на изменение спектральной картины может оказывать инверсия тропонового фрагмента.
Синтез, сторение и антибактериальная активность 2 (4H-1,3-бензоксазин-4-он-2-ил)-1,3-трополона
ИК-спектры Инфракрасные спектры образцов были сняты на приборе Varian 3100FT-IR Excalibur Series с использованием метода нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).
Спектры ЯМР 1H, 13C, 15N регистрировали на спектрометрах «Bruker» AVANCE 600 и «Varian Unity-300». Химические сдвиги даны относительно сигнала ТМС (внутренний эталон). Отнесение сигналов 1Н и 13C проводилось относительно сигналов соответствующих дейтерорастворителей. Отнесение сигналов в спектрах ЯМР 15N проводилось относительно CH3NO2. При регистрации спектров NOESY время смешивания составляло 0.1 с.
Масс-спектры высокого разрешения были зарегистрированы на приборе Bruker micrOTOF II методом электрораспылительной ионизации (ESI). Измерения выполнены на положительных (напряжение на капилляре – 4500 V) или отрицательных (напряжение на капилляре 3200 V) ионах. Диапазон сканирования масс - m/z 50 - 3000 Д, калибровка - внешняя или внутренняя (Electrospray Calibrant Solution, Fluka). Использовался шприцевой ввод вещества для растворов в ацетонитриле, метаноле или воде, скорость потока — 3 мкл/мин. Газ-распылитель - азот (4 л/мин), температура интерфейса — 180oC. Масс-спектры зарегистрированы с использованием метода электронной ионизации на масс-спектрометрах «Finnigan MAT INCOS 50» и «Shimadzu GCMS-QP2010SE» с прямым вводом образца в ионный источник (70 эВ).
Рентгеноструктурное исследование. Набор экспериментальных данных для соединений (70g), (73-76a), (82,83а), (89a) получен в автоматическом дифрактометре XCalibur фирмы Agilent с координатным CCD детектором EOS. Сбор отражений, определение и уточнение параметров элементарной ячейки проведено с использованием специализированного программного пакета CrysAlis PRO [130]. Основные экспериментальные и кристаллографические данные приведены в сводной таблице 14 для соединений (73-76a) и таблице 15 для соединений (82,83а). Структуры расшифрованы прямыми методами и уточнены полноматричным методом наименьших квадратов (МНК) относительно F2 комплексом программ SHELXTL [131] в анизотропном приближении для неводородных атомов. Основная часть атомов Н локализована в синтезах Фурье разностной электронной плотности, позиции остальных атомов Н вычислены. Далее для атомов Н, принимающих участие в образовании внутримолекулярных водородных связей уточнялись координаты атомов, для остальных при уточнении позиций атомов водорода использовалась модель «наездника» с наложением ограничений на величину изотропных тепловых параметров [131]. Расчетные методы. Расчёты были выполнены методами теории функционала плотности (DFT) с использованием гибридного функционала PBE0 [132;133], в базисе 6-31G с помощью пакета программ GAUSSIAN 03 [134]. Природа стационарных точек была подтверждена расчетами частот нормальных колебаний. Учет влияния растворителя проводился с использованием континуальной модели CPCM [135;136] с параметрами растворителя для диметилсульфоксида (=46.826). Соответствие каждой из оптимизированных структур минимуму на поверхности потенциальной энергии системы подтверждалось расчетом матрицы силовых постоянных.
Антибактериальная активность. Для тестирования антибактериальной активности образец изучаемого препарата трополона предварительно получали в виде насыщенного раствора растворением 0,01 г вещества в 1 мл ДМСО, удаляли нерастворившийся осадок с помощью центрифугирования при комнатной температуре при 2000 g в течение 5 мин, а затем супернатант использовали для определения антибактериальной активности. В качестве тест-культур использовали штаммы бактерий Acinetobacter baumannii ATCC 19606, Escherichia coli ATCC 51659, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Salmonella enteritidis ATCC 49215 и Staphylococcus aureus FDA 209P. Спот-тест на антибактериальную активность проводили по следующей схеме: 10 мкл насыщенного раствора тестируемого вещества наносили на поверхность питательной среды в чашке Петри, предварительно засеянной 0,1 мл суспензии свежей тест-культуры с концентрацией 109 КОЕ. Чашки Петри с посевами инкубировали в течение 15-18 ч при температуре 37 С. Наличие антибактериальной активности у тестируемого препарата учитывали, если на месте его нанесения наблюдалась прозрачная зона задержки роста бактерий, окруженная непрозрачным газоном выросших бактерий. В качестве показателя степени антимикробной активности исследуемого вещества использовали ширину зоны задержки роста.
Прогнозирование биологической активности. Построения компьютерной модели осуществлялось на базе программы ИПК-1 (SmartMining), с использованием 7 расчетных молекулярных дескрипторов (таблица 13). [128]. В качестве обучающей выборки использовались 17 тыс. лекарственных соединений с экспериментально определенной и подтвержденной мишень-специфичной активностью из базы данных Prous Integrity Database (Thomson Reuters Integrity) [129]. Исследуемое соединение классифицировалось как принадлежащее к уникальному классу физиологически активных лекарственных субстанций, если оно попадало в узел (нейрон) на карте, в котором преобладают агенты с определенной мишень-специфичной активностью.
Хроматографирование проводилось на Al2O3 II-III степени активности по Брокману, а также на силикагеле фирмы Merсk (0.063-0.200 мм). Температуры плавления измерялись на приборе Фишера-Джонса. Исходные 2-метилхинолины были получены по известной методике [137]. 3,5-Ди(трет бутил)-1,2-бензохинон получен по методике [138]. 2-Метил-3-фенил-6,7-дифторхиназолин-4-он (81b) синтезирован по методике [139]. Соединение (81a) получено из антраниловой кислоты, уксусного ангидрида и ацетата аммония [140]. 5,7-Ди(трет-бутил)-2-хинолин-2-ил-3 гидрокситропон синтезирован по методике [2]. 2,6-Ди(трет-бутил)-4-аминофенол синтезирован по методике [141]. 7.1. Синтез 3,5-ди(изо-пропил)пирокатехина (66) и 4,6-ди(изо-пропил)-3-нитро-1,2-бензохинона (68) Синтез 3,5-ди(изо-пропил)пирокатехина (66). Раствор 11 г (0.1 моль) пирокатехина, 5 мл конц. H2SO4 в 100 мл изо-пропилового спирта кипятили с нисходящим холодильником и отгоняли изо-пропиловый спирт. После отгона 55 мл растворителя смесь охлаждали и добавляли 200 мл холодной воды. Выпавший осадок отфильтровывали и перекристаллизовывали из петролейного эфира 40-70.
3,5-Ди(изо-пропил)пирокатехин (66). Бесцветные кристаллы. Выход 35%. Т.пл. 67-69 С. Спектр ЯМР 1H (CDCl3, , м.д., J/Гц): 1.20-1.27 (м, 12Н, СH3), 2.79 (сеп, 1Н, СН), 3.18 (сеп, 1Н, СН), 4.51 (уш. с, 2Н, OH), 6.60 (д, 1Н, Наром, J = 2.1), 6.64 (д, 1Н, Наром, J = 2.1). Найдено (%): C 74.00; Н 9.12. C12H18O2. Вычислено (%): C 74.19; Н 9.34; O 16.47.
Синтез 4,6-ди(изо-пропил)-3-нитро-1,2-бензохинона (68). В раствор 10 г (0,05 моль) алкилированного пирокатехина (66) в 100 мл петролейного эфира 40-70 добавляли 15-20 мл разбавленной азотной кислоты и выдерживали смесь 30-60 минут. Нитрохинон не растворяется в ПЭ 40-70 и образует на разделе фаз маслянистую фракцию, которая при последующем добавлении воды (100 мл) опускается на дно. Декантировали раствор с масла, промывали масло водой и декантировали воду (желательно до конца). Растворяли масло в изо-пропиловом спирте и максимально упаривали спирт. По мере охлаждения выпадают красные кристаллы (68).
Синтез замещенных 2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонов и 2-(хинолин-2-ил)-4-нитро-1,3-трополонов
Помимо разнообразной биологической активности трополоны находят применение и во многих других областях науки и техники. Так, например, на их основе получают комплексы с металлами [119], они могут использоваться в качестве материала для сборки молекулярных жидких кристаллов и гелей [120;121]. Недавно были обнаружены фотохромные свойства клатрата N-фенил-2-аминотропона с дезоксихолиевой кислотой, в основе которых лежит прототропная OHN таутомерия [122].
Обнаружение и изучение полезных прикладных свойств новой материи является важной частью научно-исследовательской работы. Структурным аспектом моделирования фотохромной системы на основе 2-(хинолин-2-ил)-3-хинониминтропона (89) (схема 11) являлось сходство его структурной организации с производными 1,8-диаминонафталинов и спиропиримидиновых соединений, наличие хинониминного фрагмента в 3-ем положении тропона, а также отсутствие заместителя в 8-ом положении хинолина для уменьшения стерических препятствий при формировании циклической формы (90).
Введение в тропоновый цикл хинониминного фрагмента осуществлялось на основе разработанного нами метода функционализации 1,3-трополонов [110] описанного в главе 3. В качестве первичного ариламина выступал пространственно-затрудненный п-аминофенол (схема 11). Учитывая чувствительность исходного п-аминофенола и продуктов реакции к присутствию кислорода, основным условием проведения реакции аминирования было использование полностью инертной атмосферы (в данном случае атмосферы аргона). Любое присутствие кислорода, как в растворителе, так и на стадии выделения методом колоночной хроматографии снижало выходы целевого продукта.
Было установлено, что при сплавлении замещённого 3-хлортропона (87) и замещённого п-аминофенола в атмосфере аргона наблюдались максимальные выходы 3-ариламинотропона (88) (50-60%), а нагревание о-ксилольного (толуольного) раствора под инертным газом приводило к образованию 3-ариламинотропонов (88) с низким выходом (10-15%). Оказалось, что аминотропон (88а) легко окисляется кислородом воздуха и превращается в 5,7-ди(трет-бутил)-3-(3,5-ди(трет-бутил)-хинонимин)-2-(хинолин-2-ил)тропон (89a). Наличие донорного заместителя в 4-ом положении хинолинового цикла аминотропона (88b) делает его более устойчивым к окислению кислородом воздуха. Схема R
Окисление (88b) о-хлоранилом (10) приводило к образованию 5,7-ди(трет-бутил)-3-(3,5-ди(трет-бутил)-хинонимин)-2-(4-пиперидинохинолин-2-ил)тропона (89b). Полученные соединения (86-89a,b) охарактеризованы данными ЯМР 1H, ИК-спектроскопии и масс-спектрометрии. Строение соединения (89а) установлено методом рентгеноструктурного анализа (рисунок 34). Основные длины связей и валентные углы в структуре (89а) приведены в таблице 12.
Молекулярная структура 5,7-ди(трет-бутил)-3-(3,5-ди(трет-бутил)-хинонимин)-2-(хинолин-2-ил)тропона (89а). Методом PBE0/6-31G были рассчитаны энергетические и структурные характеристики изомеров (89а) и (90а) в газовой фазе (рисунок 35). По данным расчетов, открытая форма (89а) на 7.1 ккал/моль более стабильна, чем циклическая (90а).
Сравнительный анализ структурных характеристик изомеров (89a) и (90а) выявил заметные искажения хинолинового фрагмента при циклизации. Причиной этих изменений является стерическое отталкивание атома водорода хинолина в 8-м положении и циклогексадиенонового цикла. По той же причине в (90а) значительно отличаются длины связей Сспиро-N. Пиримидиновый цикл циклического изомера имеет конформацию ванны с углами сгиба 164о и 154о по линиям С-С и N-N, соответственно.
Спектры поглощения изомеров (89a) и (90а) были определены по результатам TD PBE0/6-31G расчетов. Согласно полученным данным циклический изомер (90а) имеет интенсивный длинноволновой максимум поглощения в районе 480 нм, соответствующий переходу S0-S1 с основным вкладом ВЗМО-НСМО (рисунок 36) и имеющий характер.
Формы граничных орбиталей (90а) по данным PBE0/6-31G расчетов в газовой фазе (контуры показаны на уровне 0.03 а.е.). В открытой форме (89a) длинноволновой максимум смещен в область 526 нм и имеет довольно низкую интенсивность. Соответствующий электронный переход S0-S1 с основным вкладом ВЗМО-НСМО (рисунок 37) сопровождается переносом заряда на циклогексадиеноновый фрагмент с остальной части молекулы. ВЗМО НСМО Рисунок 37. Формы граничных орбиталей (89a) по данным PBE0/6-31G расчетов в газовой фазе (контуры показаны на уровне 0.03 а.е.).
Фотохимические исследования показали, что открытая хинониминная (88) форма фотостабильна и не образует спироциклический фотоиндуцированный изомер. Вероятной причиной этому является высокая степень свободы тропонового фрагмента (вращение вокруг С2хин-С2троп связи), в отличии от родственных спироперимидинов, а также сильное искажение геометрии пиридинового фрагмента при формировании циклического изомера (89). В соответствии с этим, фиксация тропонового цикла с гетареновым посредством связывания мостиковыми группами или функционализация 2-гетарил-1,3-трополонов с гетареновым фрагментом, обладающим более низкой ароматичностью цикла, например, индолиновым, возможно приведет к стабилизации и образованию фотоактивной циклической формы.