Синтез, свойства и биологическая активность 1-, 2- и 1,2-замещенных имидазол-4,5-дикарбоновых кислот Брусина Мария Александровна

Введение к работе

Актуальность темы. Исследования в области 1-моно-, 2-моно- и 1,2-дизамещенных производных имидазол-4,5-дикарбоновой кислоты, далее 4,5-ИДК, занимают важное место в органической и медицинской химии. Уникальное строение имидазол-4,5-дикарбоновой кислоты и её алкилпроизводных – наличие в молекуле шести гетероатомов при общей компактности молекулы в целом, её способность к отщеплению от 1 до 3 протонов с образованием анионов H3-nImdc^n-(n = 1, 2 или 3) – приводит к большому количеству способов координации её производных с ионами переходных металлов с образованием металлоорганических комплексов и определяет использование производных 4,5-ИДК в различных областях химии (катализ, разделение и адсорбция газов, функционализация полимеров, создание сенсоров) и в фармакологии. Так, 1-этил-4,5-ИДК являлась промежуточным продуктом при синтезе дыхательного аналептика Этимизол (Фармакол. и токсикол. 1962. Т. 25. С. 259), а 2-пропил-4,5-ИДК используется в производстве антигипертензивного препарата Кардосал (Synth. Commun. 2009. Vol. 39. P. 291). Показано, что амиды имидазол-4,5-дикарбоновой кислоты обладают стимулирующим эффектом на ЦНС и антипролиферативным действием, а 1- и 2-замещенные производные 4,5-ИДК являются лигандами узнающего сайта NMDA-рецепторов (Рос. физиол. журн. 1999. Т. 85, №4. С. 523).

Поиск новых лигандов NMDA-рецепторов весьма актуален, поскольку на
сегодняшний день проблема мягкого регулирования функционирования этих
рецепторов не решена. Известные лиганды обладают существенными побочными
эффектами, и в настоящее время в клинической практике применяются только два
неселективных каналоблокатора NMDA-рецепторов: мемантин – в терапии болезни
Альцгеймера, и кетамин – в качестве анальгезирующего средства. Об актуальности
поиска новых лигандов NMDA-рецепторов свидетельствует включение этих
рецепторов в «Перечень биомишеней для разработки схожих по

фармакотерапевтическому действию и улучшенных аналогов инновационных лекарственных препаратов», утвержденный приказом Минздрава России от 19.05.2016 № 1605/308н.

Таким образом, получение новых производных имидазол-4,5-дикарбоновой кислоты с целью последующей оценки возможности их практического применения, в том числе – изучения биологической активности, является актуальной задачей современной органической и медицинской химии.

Данная работа является продолжением и развитием многолетних исследований в области химии и фармакологии лигандов рецепторов возбуждающих аминокислот, проводимых под руководством д-ра биол. наук, канд. хим. наук Л.Б. Пиотровского в Институте экспериментальной медицины.

Степень разработанности темы. Несмотря на значительный интерес к 1- и 2-замещенным производным 4,5-ИДК, синтез этих соединений до сих пор вызывает затруднения. На сегодняшний день не существует общего препаративного метода получения 1-моно-, 2-моно- и 1,2-диалкил(арил)-4,5-ИДК с широким набором заместителей. Наибольшие затруднения вызывает введение заместителя в положение 2. Получение 2-замещенных 4,5-ИДК возможно двумя путями: сборкой имидазольного цикла или окислением более сложной бициклической структуры, уже содержащей гетерокольцо. Сборка имидазольного цикла может осуществляться на основе конденсаций диаминомалеонитрила (Synth. Commun. 2009. Vol. 39. P. 291), винной кислоты (ЖОХ. 2007. Т. 77. С. 855) или взаимодействием глиоксаля и аммиака с альдегидами (Пат. CN 102070533. 2011). Второй путь получения 2-замещенных 4,5-ИДК состоит в окислении 2-замещенных бензимидазолов бихроматом калия (ЖОХ. 1956. Т. 26. С. 455), пероксидом водорода (Z. Chem. 1975. Bd. 15. S. 481) или озоном (Пат. CN 1830966A. 2006).

Наиболее широко используется метод окисления бензимидазолов пероксидом водорода, что связано, по всей видимости, с его простотой, а также с доступностью и стабильностью исходных соединений. Однако и в этом случае приемлемых выходов можно достичь только для самой 4,5-ИДК (72 %) и ее низших 2-алкилзамещенных производных (R = Me, Et, Pr) (ЖПХ. 1979. Т. 52. С. 1655).

Сложность на сегодняшний день представляет и получение 1-фенил-4,5-ИДК, поскольку метод прямого введения заместителя в положение 1 применим только в том случае, если вводимый заместитель представляет собой алкильную группу. В литературе отсутствуют примеры N-фенилирования 4,5-ИДК. По всей видимости, для

успешного N-фенилирования необходимо наличие акцепторного заместителя в молекуле галогенарила (Пат. US 20110257137. 2011).

Таким образом, к началу данной работы общий метод получения 1-моно, 2-моно- и 1,2-диалкил(арил)имидазол-4,5-дикарбоновых кислот с широким набором заместителей известен не был, что существенно ограничивало ассортимент потенциально активных производных 4,5-ИДК.

Цель и задачи работы. Цель работы состояла в разработке общего препаративного метода получения 1-моно-, 2-моно- и 1,2-диалкил(арил)имидазол-4,5-дикарбоновых кислот, с последующим переводом активных субстанций в форму, удобную для исследования биологической активности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Установление оптимальных условий получения 2-алкил-4,5-ИДК окислением
2-замещенных бензимидазолов пероксидом водорода.

1. Адаптация метода по п. 1 к синтезу 1-моно-, 2-моно- и 1,2-дизамещенных 4,5-ИДК с широким набором алкильных, в том числе разветвленных, ароматических и гетероциклических заместителей.

2. Получение водорастворимых форм 1-моно-, 2-моно- и 1,2-дизамещенных 4,5-ИДК и сравнение их физико-химических характеристик и биологической активности с соответствующими характеристиками и активностью исходных кислот.

3. Изучение строения производных 4,5-ИДК в растворах и кристаллическом состоянии.

В соответствии с поставленной целью в качестве объектов исследования выбраны 1-моно-, 2-моно- и 1,2-дизамещенные имидазол-4,5-дикарбоновые кислоты и их водорастворимые формы – соли с триэтаноламином (ТЭА).

Научная новизна

1. Показано, что процесс окисления 2-замещенных бензимидазолов

пероксидом водорода в серной кислоте протекает ступенчато: сначала окисляется бензольное кольцо и образуется 2-замещенная имидазол-4,5-дикарбоновая кислота, а затем, при наличии избытка окислителя, происходит деструкция 2-заместителя с образованием имидазол-4,5-дикарбоновой кислоты. Полученные данные расширяют представления о процессе окисления 2-замещенных бензимидазолов пероксидом

водорода в концентрированной серной кислоте и факторах, влияющих на выход и состав продуктов окисления.

4. Показано, что триэтаноламмониевые соли производных имидазол-4,5-дикарбоновой кислоты образуют ионные пары или более крупные ионные ассоциаты даже в таком полярном растворителе, как вода.

5. У триэтаноламмониевой соли 1-пропилимидазол-4,5-дикарбоновой кислоты обнаружено отличное от исходной кислоты фармакологическое действие.

6. Установлено, что в кристаллическом состоянии 1-пропилимидазол-4,5-дикарбоновая кислота существует в виде эквимолярной смеси двух молекулярных форм – нейтральной и цвиттер-ионной, что является редким фактом для органических соединений.

Теоретическая и практическая значимость

1. Разработан общий метод получения 1-моно-, 2-моно- и 1,2-дизамещенных имидазол-4,5-дикарбоновых кислот окислением соответствующих бензимидазолов пероксидом водорода в среде концентрированной серной кислоты, позволяющий получать в препаративных количествах широкий ряд производных 4,5-ИДК – потенциальных лигандов узнающего сайта NMDA-рецепторов. Синтезированы и охарактеризованы двенадцать новых 1,2-дизамещенных 4,5-ИДК.

2. Впервые проведено окисление конденсированных трициклических структур (2,3-дигидро-1Н-бензопирроло[1,2-a]имидазола и 1,2,3,4-тетрагидробензо[4,5]ими-дазо[1,2-a]пиридина), приводящее к производным имидазолдикарбоновой кислоты.

3. Найдены условия препаративного получения 2-замещенных 4,5-ИДК
окислением 2-замещенных бензимидазолов пероксидом водорода.

4. Для решения проблемы низкой растворимости производных 4,5-ИДК в воде,
затрудняющей изучение их биологической активности и ухудшающей
биодоступность, разработан способ получения моно-солей 1-моно-, 2-моно- и
1,2-дизамещенных 4,5-ИДК с триэтаноламином. Получены двадцать ТЭА-солей
1-моно-, 2-моно- и 1,2-дизамещенных имидазол-4,5-дикарбоновых кислот,
растворимость которых в воде в 18 и более раз превосходит растворимость исходных
кислот.

5. Показано, что триэтаноламмониевая соль может оказывать противоположное
исходной кислоте биологическое действие. Так, ТЭА-соль 1-пропил-4,5-ИДК
обладает выраженным противосудорожным действием и перспективна для
дальнейшего углубленного изучения.

6. Впервые определены две константы депротонирования и оценена одна
константа протонирования 1-пропил-4,5-ИДК.

Методология и методы исследования. Методология органического синтеза и установления строения органических молекул. Методы синтетической органической химии. ЯМР ¹H и ¹³C спектроскопия, ИК спектроскопия, УФ спектроскопия, масс-спектрометрия высокого разрешения (МСВР), рентгеноструктурный анализ (РСА), кондуктометрия, спектрофотометрия, элементный анализ. Методы исследования биологической активности: модель условной реакции предпочтения места у крыс и модель судорог, вызванных внутрибрюшинным введением N-метил-D-аспарагиновой кислоты.

Личный вклад автора включает в себя: сбор и анализ литературных данных по
теме исследования; участие в постановке цели и задач работы; химический синтез;
обработку и интерпретацию экспериментальных данных (ЯМР, ИК, УФ-спектры,
МСВР, элементный анализ, кондуктометрия, исследование биологической

активности); обобщение результатов и формулирование выводов по работе; подготовку публикаций и участие в конференциях по теме диссертации.

РСА выполнен канд. геол.-минерал. наук Гуржием В.В. (РЦ СПбГУ
«Рентгенодифракционные методы исследования») и Фундаменским В.С.

(СПбГТИ(ТУ)). ЯМР спектры получены канд. хим. наук Захаровым В.И. (ФГУП «НИИ ГЭПЧ» ФМБА России), ИК спектры и элементный анализ – Артамоновой Т.В. (СПбГУПТД), МСВР – канд. хим. наук Мишаревым А.Д. (РЦ СПбГУ «Методы анализа состава вещества»). Кондуктометрические исследования выполнены канд. хим. наук Селитрениковым А.В. (ЗАО «Новбытхим»), математическая обработка данных спектрофотометрии – канд. хим. наук Лысовой С.С. (СПбГУПТД). Данные по биологической активности синтезированных соединений получены совместно с Потапкиным А.М. (ВМедА им. С.М. Кирова).

Положения, выносимые на защиту

3. Окисление 2-замещенных бензимидазолов пероксидом водорода в концентрированной серной кислоте – общий метод получения 1-моно-, 2-моно- и 1,2-дизамещенных имидазол-4,5-дикарбоновых кислот с широким набором заместителей.

4. Условия окисления 2-замещенных бензимидазолов пероксидом водорода, позволяющие получать 2-замещенные 4,5-ИДК в препаративных количествах: концентрация 2-замещенного бензимидазола в серной кислоте 1 моль/л, мольное соотношение окислитель – субстрат 11 : 1, температурный диапазон 100-105 С, реакционная среда – концентрированная серная кислота.

5. Окисление 2-замещенных бензимидазолов пероксидом водорода в серной кислоте протекает ступенчато: сначала окисляется бензольное кольцо и образуется 2-замещенная 4,5-ИДК, а затем, при наличии избытка окислителя, происходит деструкция 2-заместителя с образованием 4,5-ИДК. Степень протекания побочной реакции увеличивается по мере удлинения алкильной цепи, что и является основной причиной резкого снижения выхода целевой 2-алкил-4,5-ИДК при увеличении длины алкильного заместителя.

6. В водном растворе триэтаноламмониевая соль 1-пропил-4,5-ИДК частично существует в виде ионной пары.

7. Строение 1-пропилимидазол-4,5-дикарбоновой кислоты в водном растворе и в кристаллическом состоянии: в воде 1-пропил-4,5-ИДК существует в цвиттер-ионной таутомерной форме, в кристалле – в виде редко встречающегося эквимолярного сочетания нейтральной и цвиттер-ионной форм.

8. Отличие фармакологической активности 1-пропил-4,5-ИДК от её моно-триэтаноламмониевой соли: кислота обладает судорожным действием, тогда как ее соль – противосудорожным.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Приведенные в работе экспериментальные данные получены современными химическими и инструментальными методами и согласуются между собой. Сформулированные в работе выводы вытекают из результатов экспериментов, научно обоснованы и находятся в соответствии с существующими представлениями химической науки.

Основные результаты диссертационной работы представлены на 11 международных и российских конференциях: научно-практических конференциях, посвященных 185-й, 186-й и 187-й годовщинам образования СПбГТИ (ТУ) «Технологический институт – традиции и инновации» (СПб., 2013, 2014, 2015 гг.); V и VII Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (с международным участием) «Неделя науки» (СПб., 2015, 2017 гг.); XIX Молодёжной конференции-школе по органической химии в рамках Кластера конференций по органической химии «ОргХим-2016» (СПб., 2016 г.), ХХ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016 г.); 3-й Российской конференции по медицинской химии «МедХим-Россия» 2017 (Казань, 2017 г.); Российской научной конференции «Фармакология экстремальных состояний», посвященной 150-летию Н.П. Кравкова (СПб., 2015 г.); VI Балтийском конгрессе по детской неврологии (СПб., 2016 г.); Российской научной конференции «Фармакология регуляторных нейропептидов», посвященной 125-летию академика АМН СССР С.В. Аничкова (СПб., 2017 г.). Материалы конференций опубликованы в виде сборников тезисов докладов.

По теме диссертации опубликовано 6 статей в реферируемых российских журналах, рекомендованных ВАК, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для специальности 02.00.03 «Органическая химия», 11 тезисов докладов в материалах конференций; получен 1 патент на изобретение.

Источники финансирования. Работа выполнена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках государственного задания на выполнение фундаментальных научных исследований № 007-1354-17-00 от 24.01.2017, Министерства образования и науки РФ в рамках государственных заданий на выполнение работ в сфере научной деятельности № 10.735.2014/K (проект № 735) и № 10.7608.2017/8.9/БЧ, а также при частичной финансовой поддержке ЕС по 7-ой рамочной программе (Seventh framework programme, FP7), проект RN 269138.