Направленный синтез физиологически активных веществ в ряду функционализированных четвертичных фосфониевых солей и их металлокомплексов
На правах рукописи
Галкина Ирина Васильевна НАПРАВЛЕННЫЙ СИНТЕЗ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В РЯДУ ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ФОСФОНИЕВЫХ СОЛЕЙ И ИХ МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСОВ 02.00.03 – органическая химия 14.04.02 - фармацевтическая химия, фармакогнозия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук
Казань – 2010
Работа выполнена в Химическом институте им. А.М.Бутлерова Казанского университета
Научный консультант: доктор химических наук, профессор Черкасов Рафаэль Асхатович
Официальные оппоненты: доктор фармацевтических наук, профессор Чекрышкина Людмила Александровна доктор химических наук, профессор Пудовик Михаил Аркадьевич доктор химических наук, профессор Кутырев Геннадий Андреевич
Ведущая организация: Южный федеральный университет
Защита диссертации состоится «17» декабря 2010 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.07 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015 г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета, А-330.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного технологического университета.
Автореферат разослан «15» ноября 2010 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.080.07, кандидат химических наук, доцент Нугуманова Г.Н.
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. Разработка новых отечественных лекарственных препаратов в настоящее время поставлена государством в ранг основных приоритетных направлений социально-экономического развития и национальной безопасности страны.
Фундаментальной задачей биомолекулярной, фармацевтической и медицинской химии является разработка новых методов синтеза, позволяющих целенаправленно конструировать новые эффективные лекарственные средства, обладающие высокой физиологической активностью и минимальной токсичностью. Для успешного осуществления данной задачи необходимо решать вопросы, находящиеся на стыке многих областей науки – органической, элементоорганической, физической, фармацевтической химии и медицины. Однако, отсутствие на сегодняшний день единой удовлетворительной теории, связывающей химическое строение с биологической активностью, существенно замедляют появление новых отечественных лекарственных препаратов.
Это, в свою очередь, ставит проблему выбора наиболее оптимальной стратегии поиска и направленного синтеза физиологически активных веществ (ФАВ) нового поколения. Доминировавшая до недавнего прошлого в мировой практике стратегия тотального скрининга всех вновь синтезированных соединений в силу ее чрезвычайной затратности и малой эффективности в настоящее время практически полностью уступила место методам комбинаторной химии, предусматривающим уже направленный синтез и биологические испытания широких рядов потенциально биоактивных соединений одного химического класса с последующим выбором наилучшего образца в данном конкретном классе. Такой подход, безусловно, является намного более эффективным и, возможно, наиболее совершенным на сегодняшний день. Но поскольку он также требует весьма существенных капиталовложений и чрезвычайно развитой инфраструктуры, в современных условиях он доступен лишь для ограниченного числа экономически развитых стран и наиболее успешных фармацевтических фирм.
С этой точки зрения все более актуальным становится совершенствование методов направленного органического синтеза в рамках биомиметического подхода, то есть путем подражания структуре или функции более сложных природных биологических молекул и, в конечном итоге, создания на этой основе искусственных биоподобных молекул-моделей. Поэтому понятен все возрастающий интерес химиков-органиков к синтезу органических молекул, имитирующих или блокирующих работу природных соединений. Необходимо отметить, что природа затратила миллионы лет на разработку химических процессов высокой сложности, в то время как технический прогресс в этой области, а главное понимание этих процессов на теоретическом, молекулярном, электронном уровнях пока находятся на несравнимо более низкой ступени. В этой связи разработка методов направленного синтеза структурных и функциональных моделей – аналогов биологических молекул – является весьма актуальным и крайне востребованным направлением современной химической науки.
Важнейшее положение в арсенале синтетических биологически активных веществ занимают фосфорорганические соединения (ФОС), которые нашли широкое применение в сельском хозяйстве в качестве пестицидов, гербицидов и рострегуляторов, а также в медицине – в качестве лекарственных препаратов.
В современной медицинской практике наибольшее распространение получили фосфорорганические лекарственные препараты, содержащие в молекуле четырехкоординированный атом фосфора, причем подавляющее большинство из них имеют фосфатное, либо фосфонатное строение. В последние годы в патентной литературе лавинообразно нарастает объем информации об их высокой и, зачастую, уникальной биологической активности. Поэтому разработка новых лекарственных препаратов на основе функционализированных фосфониевых солей является весьма актуальной.
Цель работы. Разработка в рамках биомиметического подхода новых методов направленного синтеза эффективных и малотоксичных физиологически активных ФОС:
четвертичных фосфониевых солей (ЧФС) с высшими алкильными радикалами – аналогов фрагментов биомембран;
металлокомплексов карбоксилатных фосфабетаинов – функциональных аналогов ферментативных металлобиоцентров;
фосфорилированных и аминированных азотистых гетероциклов – аналогов нуклеооснований ДНК и РНК.
Получение на этой основе широких рядов указанных классов соединений, изучение их строения, реакционной способности и биологической активности с целью создания и внедрения новых отечественных лекарственных препаратов для ветеринарии и медицины.
Задачи исследования.
1. Разработка эффективных методов синтеза четвертичных солей фосфония с высшими алкильными радикалами – аналогов компонентов клеточных мембран – на основе третичных фосфинов и карбоксилатных фосфабетаинов. Получение широко ряда указанных соединений и изучение их антибактериальной и антимикотической активности по отношению к патогенной микрофлоре.
2. Поиск новых классов физиологически активных соединений на основе исследования неизвестных ранее реакций фосфорилирования и аминирования азотистых гетероциклов – хлорнитрозамещенных бензофуроксанов и -фуразанов третичными фосфинами и различными аминами. Изучение строения, реакционной способности и биоактивности образующихся продуктов, разработка эффективных методов их направленного синтеза.
3. Синтез, изучение строения и биологической активности комплексов карбоксилатных фосфабетаинов (фосфорных аналогов бетаинов аминокислот) с широким рядом биогенных металлов с целью получения структурных моделей биоцентров природных металлоферментов.
4. Модификация молекул известных лекарственных средств (сульфаниламидов и антипаразитарного препарата «фенасал») фармакофорными группами с целью усиления и расширения их биодействия.
5. Изучение механизма биологического действия четвертичных солей фосфония с высшими алкильными радикалами путем количественного исследования как их взаимодействия с моделью биологической мембраны (1-пальмитоил-2-олеил-sn-глицеро 3-фосфатидилхолин, SIGMA) методом ленгмюровских монослоев, так и самоорганизации в разбавленных растворах.
6. На основе результатов проведенных систематических исследований разработка и лабораторные испытания совместно со специалистами Казанского государственного технологического университета, Казанского государственного медицинского университета, Казанской государственноой медицинской академии, Казанской государственной академии ветеринарной медицины и ОАО «Татхимфармпрепараты» новых лекарственных препаратов антипаразитарного, противонематодозного, антимикотического и антибактериального действия на основе синтезированных ФОС.
Научная новизна. Разработан и успешно реализован комплексный стратегический подход к направленному синтезу физиологически активных веществ (ФАВ), основными элементами которого являются: функционализация заведомо биоактивных соединений дополнительными фармакофорными группами;
направленный синтез структурных и функциональных аналогов фрагментов природных биомембран и биоцентров ферментов на принципах биомиметики;
изучение различных видов биологической активности синтезированных соединений с целью установления зависимостей «химическая структура – биологическое действие»;
изучение механизма биологического действия синтезированных соединений комплексом современных физических и физико химических методов с целью дальнейшего моделирования химической структуры конкретных ФАВ. На основе этого подхода синтезировано более 130 новых ФАВ как широкого, так и селективного действия, многие из которых по своему фармакологическому эффекту значительно превосходят известные лекарственные средства.
Разработаны новые эффективные методы алкилирования третичных фосфинов и карбоксилатных фосфабетаинов высшими галоидными алкилами, позволяющие с практически количественным выходом получать соответствующие четвертичные фосфониевые соли с широким спектром биологической активности. Впервые изучен механизм взаимодействия синтезированных солей фосфония с биологическими мембранами на модели ленгмюровских монослоев. Установлено, что полученные соли, являясь синтетическими аналогами фрагментов биомембран, взаимодействуют с лецитином и включаются в липидные слои биомембран, приводя к их разрушению. Это, вероятно, и является основной причиной их чрезвычайно высокого антибактериального и фунгицидного действия даже в сверхмалых концентрациях.
Впервые проведено систематическое исследование процессов фосфорилирования биоактивных хлорнитрозамещенных бензофуроксанов и -фуразанов третичными фосфинами. При этом обнаружены принципиально новые, неизвестные ранее в литературе реакции, приводящие к образованию фосфорилированных азотистых гетероциклов, которые в зависимости от природы исходных реагентов и условий проведения реакций могут иметь структуру ЧФС, кетоилидов фосфора, а также стабильных радикалов с OН и NH группами в бензофуроксановом (фуразановом) цикле.
Последние являются новым классом соединений, не имеющим аналогов в литературе.
Строение синтезированных соединений установлено комплексом физических и физико химических методов, включая метод РСА.
В сравнительном плане изучены также реакции 5,7-дихлор-4,6 динитробензофуроксана и –фуразана с ближайшими аналогами фосфинов – аминами.
Показано, что третичные амины в отличие от третичных фосфинов вообще не вступают в подобные реакции – вероятно, вследствие их существенно меньшей нуклеофильности. В то же время, с первичными и вторичными аминами, способными замещать атомы хлора с элиминированием хлороводорода, реакции аминирования протекают легко. При этом в случае дихлординитробензофуроксана независимо от соотношения реагентов образуются только продукты диаминирования с замещением обоих атомов хлора в ароматическом кольце бензофуроксана, тогда как в случае дихлординитробензофуразана при соотношении реагентов 1:2 возможно образование и продуктов монозамещения. В реакции 4,6-динитробензофуроксана с додециламином выделены продукты типа комплексов Мейзенгеймера с sp3-атомом углерода в бензофуроксановом цикле. Строение ключевых продуктов аминирования подтверждено методом рентгеноструктурного анализа. В рамках этого же подхода проведена модификация известных лекарственных препаратов (сульфаниламидов и антипаразитарного препарата «фенасал») фармакофорными группами (высшими алифатическими и гетероциклическими аминами) с целью усиления и расширения их биодействия. При этом получена серия новых ФАВ, строение которых установлено комплексом современных методов, включая рентгеноструктурный анализ.
В реакциях карбоксилатных фосфабетаинов (фосфорных аналогов бетаинов аминокислот) с солями различных металлов – Zn (II), Cu (II), Hg (II), Cd (II) и Gd (III) – впервые синтезирована серия биоактивных металлокомплексов - моделей биоцентров природных ферментов. При этом показано, что в зависимости от природы металла и фосфабетаинового лиганда могут образовываться моно-, би- и полиядерные гомо- и гетерометаллические комплексы, в которых дентатность фосфабетаинового лиганда может варьировать от 1 до 2. Строение всех соединений доказано методом РСА.
Большинство из синтезированных в работе соединений проявили выраженную антибактериальную, антимикотическую, антипротозойную и антипаразитарную активность, что свидетельствует о перспективности предложенного комплексного метода направленного синтеза ФАВ на основе функционализированных фосфониевых солей.
Некоторые из синтезированных соединений по своей активности многократно превышают известные коммерческие препараты, на их основе разработаны и успешно прошли расширенные лабораторные испытания антибактериальные, антипаразитарные и антипротозойные композиции «Астра-16», «Дегельм-16» и «Депрот-14», что защищено зарегистрированными заявками на патенты РФ, на все из которых получены положительные решения.
Практическая значимость работы состоит в разработке и реализации новых подходов к синтезу ФАВ. Большинство из более 130 синтезированных соединений проявили как общую широкую антибактериальную - антисептическую активность (четвертичные фосфониевые соли с высшими алкильными радикалами, алкилированные бетаины), так и, наоборот, высокоселективную активность (металлокомплексы карбоксилатных фосфабетаинов, фосфорилированные и аминированные замещенные бензофуроксаны и – фуразаны) в отношении наиболее распространенной патогенной микрофлоры человека и животных: Candida Albicans, Аspergillus niger, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Proteus mirabilis, Salmonella p. B., Klebsiella, Y. Enterocolitica, Helicobacter pylori. Кроме того, в ряду синтезированных соединений и их композиций были выявлены эффективные потенциальные антигельминтные – антинематодозные препараты.
На этой основе были разработаны, изготовлены в Центральном лабораторном отделе ОАО «Татхимфармпрепараты» и успешно прошли расширенные лабораторные и полевые испытания фармацевтические композиции «Астра» (антибактериальные капли и мази на вазелино-ланолиновой основе для лечения острого кератоконъюнктивита сельскохозяйственных животных – коров, свиней и овец). Разработаны и апробированы на животных антипаразитарные препараты «Дегельм» и «Депрот» – новые по механизму действия антигельминтная и антипротозойная композиции на основе четвертичных солей фосфония с высшими алкильными радикалами в качестве мембранного якоря и нитрозамещенного бензофуроксана в качестве генератора NO.
При фосфорилировании динитробензофуроксана и хлорнитробензофуразана трифенилфосфином были получены стабильные NH-радикалы со временем жизни более года, которые могут найти применение в качестве метки при распределении и метаболизме лекарственных веществ в жидкостях организма.
Материалы работы включены также в разработанные автором 3 учебных пособия ( из них с грифом УМО, одно из которых на английском языке).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Новый метод синтеза четвертичных фосфониевых солей с высшими алкильными радикалами и их комплексов с замещенными фуроксанами и –фуразанами.
2. Направленный синтез структурных и функциональных аналогов фрагментов природных биомембран – алкилированных карбоксилатных фосфабетаинов.
3. Синтез и строение металлокомплексов на основе карбоксилатных фосфабетаинов функциональных аналогов бетаинов аминокислот.
4. Реакции третичных фосфинов с замещенными бензофуроксанами и –фуразанами, приводящие к продуктам фосфорилирования необычного строения. Разработанные на этой основе методы синтеза фосфорилированных гетероциклов.
5. Синтез и строение новых продуктов аминирования замещенных бензофуроксанов и –фуразанов первичными и вторичными аминами, в том числе, сульфаниламидами.
6. Синтез и структура новых солеобразных аддуктов 5.7-дихлор-4.6 динитробензофуроксана с функционально замещенными пиридинами, имидазолами и N,N-диэтиланилином и молекулярных комплексов с пиримидинами.
7. Строение новых синтезированных соединений.
8. Биологическая активность синтезированных соединений и их композиций.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на V Всесоюзной конференции по металлоорганической химии (Рига, 1991);
XIII - XVII Международных конференциях по химии фосфора – ICPC (Jerusalem, Israel, 1995;
Cincinnati, USA, 1998;
Sendai, Japan, 2001;
Birmingem, UK, 2005);
XIII европейском симпозиуме по органической химии (Dubrovnik, Croatia, 2003);
XVII и XVIII Менделеевских съездах по общей и прикладной химии (Казань, 2003;
Москва, 2007);
Международной конференции «Reaction Mechanisms and Organic Intermediates – 140 Years of Organic Structural Theory» (Saint Petersburg, 2001);
IX Международном симпозиуме по химии фосфора (Санкт-Петербург, 1993);
XI – XV Международных конференциях по химии фосфорорганических соединений - ICCPC (Kazan, 1996;
Kiev, Ukraine, 1999;
Saint-Petersburg, 2002;
Kazan, 2005;
Saint-Petersburg, 2008);
Международной научной конференции «Органический синтез и комбинаторная химия» (Москва, 1999);
Международной конференции «Металло органические соединения – материалы будущего тысячелетия» (Н. Новгород, 2000);
.
Международном симпозиуме, посвященном памяти Марка Вольпина «Modern trends in organometallic and catalytic chemistry» (Moscow, 2003);
Международной конференции «Химия азотсодержащих гетероциклов» (Kharkov, 2006);
IX Научной школе-конференции по органической химии (Москва, 2006);
Международной конференции «Органической химия от Бутлерова до наших дней» (Санкт-Петербург, 2006);
XIX Симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2007);
Международной научно-технической и методической конференции «Современные проблемы специальной технической химии» (Казань, 2007);
Российской конференции “Фармакология и токсикология ФОС и др.
биоактивных веществ» (Казань, 2008);
II съезде ветеринарных фармакологов и токсикологов (Казань, 2009);
VI Всероссийской конференции по химии полиядерных соединений и кластеров (Казань, 2009). V Международном симпозиуме «Design and Synthesis of Supramolecular Architectures» (Kazan, 2009).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 24 статьях, опубликованных в зарубежных и центральных российских изданиях, а также в тезисах доклада на конференциях различного уровня (региональных, всероссийских, международных) и в 5 патентах РФ. Общее число публикаций 189, из них 65 статей в реферируемых научных журналах. Материалы работы включены также в 4 учебных пособия (2 из них с грифом УМО, одно из которых на английском языке).
Опубликованные по теме диссертации работы написаны в соавторстве с научным консультантом д.х.н. проф. Черкасовым Р.А. Д.х.н. проф. Галкин В.И. и д.х.н. проф.
Бердников Е.А. принимали участие в обсуждении результатов исследования. К.х.н. с.н.с.
Бахтиярова Ю.В. принимала участие в разработке методов синтеза и получении карбоксилатных фосфабетаинов. Д.ф.-м.н. проф. Тагиров М.С., к.ф.-м.н. с.н.с. Розенцвайг Ю.К. и к.ф.-м.н. с.н.с. Орлинский С.Б. принимали участие в записи и интерпретации ЭПР спектров. Д.ф.-м.н. проф Ильясов А.В. и к.ф.-м.н. с.н.с. Гнездилов О.И. принимали участие в записи и интерпретации ЯМР-спектров. К.х.н. Сахибуллина В.Г. записывала и интепретировала ИК-спектры. PhD, научный сотрудник университета Мюнстера (ФРГ) Г.
Люфтманн записывал и интепретировал масс-спектры. Сотрудники ИОФХ д.х.н. Катаева О.Н., д.х.н. Литвинов И.А. и к.х.н. Криволапов Д.Б. выполняли рентгеноструктурные исследования. Соавторы из КГТУ д.х.н. проф. Юсупова Л.М. и к.х.н. доц. Левинсон Ф.С.
предоставили для исследования замещенные бензофуроксаны и бензофуразаны, а также принимали участие в обсуждении полученных результатов. Д.фарм.наук проф. Егорова С.Н. (КГМУ) руководила разработкой лекарственных форм, доктора ветеринарных наук КГАВМ проф. Шакуров М.Ш. и проф. Лутфуллин М.Х. руководили лабораторными и полевыми испытаниями на животных глазных мазей и капель «Астра», антипаразитарных препаратов «Дегельм» и «Депрот». Заведующий кафедрой фармацевтической химии и фармакогнозии Нижегородской ГМА д.х.н. проф. Мельникова Н.Б. с сотрудниками изучали механизм взаимодействия синтезированных фосфониевых солей с моделями клеточных мембран. Совместно с д.х.н. проф. Захаровой Л.Я. (ИОФХ) изучалась самоорганизация солей фосфония. Бакеевой Р.Ф. (КГТУ) исследованы лиотропные жидкокристаллические фазы солей фосфония. Микробиологические исследования проведены доцентом кафедры микробиологии КГМА к.м.н. Шулаевой М.П. под руководством заведующего кафедрой д.м.н. проф. Поздеева О.К. Аспиранты Канчурина Э.Э., Тудрий Е.В., Стахеев В.В., Спиридонова М.П., Тахаутдинова Г.Л. и Сахабутдинова Н.А., у которых автор является научным руководителем, принимали участие в экспериментальной части исследования.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту профессору Р.А.Черкасову и всем принимавшим участие в настоящем исследовании за плодотворное сотрудничество.
Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных и элементоорганических соединений Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского университета в рамках основного научного направления «Синтез, строение, реакционная способность и практическое применение органических, элементоорганических и координационных соединений», а также при финансовой поддержке совместной российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (BRHE): грант CRDF № BP4M07 и грант Минобрнауки РФ № 2.2.2.2/5013.
Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоит в формировании направления, активном участии во всех этапах исследования, постановке конкретных задач и их экспериментальном решении, обсуждении и интерпретации экспериментальных данных, формулировании выводов, написании и оформлении статей, патентов и тезисов докладов. Большая часть экспериментальных результатов получена автором лично или при его непосредственном участии.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 383 страницах компьютерного текста, содержит 148 рисунков и 32 таблицы, и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (243 ссылки на публикации отечественных и зарубежных авторов) и Приложения на 15 страницах. Первая глава состоит из литературного обзора, посвященного анализу основных тенденций развития в области синтеза, свойств и реакционной способности четвертичных солей фосфония и фосфабетаиновых металлокомплексов, и обсуждению собственных результатов по этой теме. Во второй главе, которая также начинается с литературного обзора, посвященного химии и биологическим свойствам замещенных бензофуроксанов и –бензофуразанов, обсуждаются результаты проведенного исследования по фосфорилированию и аминированию азотистых гетероциклов. В третьей главе приведены результаты разработки антибактериальных, антимикотических, антипротозойных и антигельминтных фармацевтических композиций на основе синтезированных соединений и их апробация. В четвертой главе (экспериментальная часть) приведены физико-химические и спектральные характеристики синтезированных соединений и методики их синтеза. В приложении приведены акты испытаний синтезированных соединений на биологическую активность.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Синтез и биологическая активность четвертичных солей фосфония и перспективы их медицинского применения Вероятно, первый синтез фосфониевой соли – иодида фосфония, по мнению Ван Везера, был осуществлен в 1817 году из РН3 и НJ. И только через 135 лет появились первые сообщения о биологической активности солей фосфония с органическими радикалами со сравнительно высокой молекулярной массой, которые проявляли дезинфицирующие свойства.
Нами разработана эффективная методика получения большого ряда четвертичных фосфониевых солей на основе высших галоидных алкилов и третичных фосфинов, позволяющая получать целевые продукты с высоким выходом:
Разнообразие синтезированных солей фосфония представлено на рис. 1.
Рис. 1. Строение некоторых синтезированных ЧФС Важно отметить, что синтезированные и описанные в данном исследовании ЧФС (рис.1,3), являются структурными аналогами фрагментов фосфолипидов мембран биологической клетки (рис. 2):
Рис. 2. Липид биомембраны клетки Рис.3. Геометрия в кристалле соли Проведенное исследование биоактивности синтезированных соединений показало, что наиболее высокую биологическую активность проявляют те фосфониевые соли длина углеродной цепи которых составляет от С8 до С20 (табл.1). Один из наиболее вероятных механизмов антибактериального действия синтезированных солей, по-видимому, связан с повреждением цитоплазматической мембраны бактерий путем встраивания этих солей в ее структуру.
Для проверки данной гипотезы нами были проведены совместные исследования с группой проф. Мельниковой Н.Б. (Нижегородская государственная медицинская академия) по изучению механизма взаимодействия четвертичных солей фосфония с моделями биологических мембран на основе лецитина (1-пальмитоил-2-олеил-sn глицеро-3-фосфатидилхолин, SIGMA Chemical Co) методом ленгмюровских монослоев.
Полученные данные свидетельствуют о том, что бромиды фосфония взаимодействуют с лецитином и, следовательно, могут включаться в липидные слои биомембран (эффект «мембранного якоря»), кардинально изменяя их состояние.
Увеличение эффективной молекулярной площади лецитина в мембране приводит к образованию пор и, в предельном случае, к разрыву мембраны, что действительно может служить объяснением антибактериального и антимикотического эффекта синтезированных трифенил(алкил)фосфоний бромидов (табл.1).
Необходимо отметить, что данные соли фосфония, в отличие от аммониевых аналогов, которые при 100оС распадаются на исходные соединения, являются термически стабильными в широком диапазоне температур, о чем свидетельствуют данные термогравиметрии в сочетании с дифференциальной сканирующей калориметрией (ТГ ДСК) и отражено на рис. 4:
Рис. 4. Дериватограмма соли фосфония [(С4Н9)3Р+С14Н29]Cl– по данным ТГ-ДСК и геометрия соли [(С6Н5)3Р+С6Н13]Br– по данным РСА Таблица 1. Оценка биоактивности ЧФС (зона задержки роста микрофлоры в мм) E. Salmo- Klebsi- Staph. Helico- Y. Proteus Ps. Candida Соединение nella p. ella aureus bacter Entero- mirabilis Aeru- Albicans coli B. pylori colitica ginosa [(С4Н9)3Р+С14Н29]Cl- 24 15 13 17 18 20 13 18 [(С4Н9)3Р+С16Н33]Br- 13 14 - 21 - - 17 13 [(С6Н5)3Р+С8Н17]Br– 15 - - 18 - - 9 6 [(С6Н5)3Р+С10Н21]Cl– 9 15 - 24 - 15 13 13 [(С6Н5)3Р+С12Н25]Br– 14 12 - 18 - 17 11 9 [(C6Н5)3Р+С14Н29I]Br– 17 11 - 22 - 17 15 10 [(C6Н5)3Р+С14Н29I]Cl– 21 12 9 24 15 21 9 9 [(С6Н5)3Р+С16Н33]Br– 15 12 10 21 14 14 12 11 [(С6Н5)3Р+С16Н33]Cl– 17 14 - 24 - - 17 15 [(С6Н5)3Р+С18Н37]Br– 10 13 - 21 - - 8 10 [(п-F-С6Н4)3Р+С16Н33]Br– 9 9 - 15 - 14 - 6 [Ph2Р+MeС16Н33]Br– 11 12 - 20 - 12 - 9 [(Et2N)2P+PhC16H33]Br- 12 - - 26 - - - 10 Хлоргексидин биглюконат - 7 5 - - 6 - 6 (контроль) Совместно с профессором Бакеевой Р.Ф. (Казанский государственный технологический университет) изучены лиотропные жидкокристаллические фазы солей фосфония и, в частности, соли [(С6Н5)3Р+С16Н33]Br– в присутствии небольшого количества воды и установлена оптическая анизотропия. Методом пенетрации показано наличие в системе [(С6Н5)3Р+С16Н33]Br– + Н2О «веерной» текстуры (рис.5а) при скрещенных николях, то есть в поляризованном свете, тогда как в проходящем свете кристаллов не наблюдается (рис. 5б). Появление «веерной» текстуры свидетельствует о формировании при 25 0С гексагональной мезофазы - гексагональной упаковки цилиндрических мицелл Известно, что явления самоорганизации и самоассоциации играют важную роль в биологических процессах и обеспечивают нормальную жизнедеятельность клетки.
Жидкокристаллическое состояние в живой клетке ответственно, например, за такие функции, как рост, механическая реакция на внешний химический раздражитель, условный рефлекс.
(а) (б) Рис. 5 Оптическая текстура, полученная методом пенетрации из системы [(С6Н5)3Р+С16Н33]Br–+Н2О (николи скрещены (а) и параллельны (б)).
Жидкокристаллические структуры обнаружены также и в системе + – [(С6Н5)3Р С18Н37]Br + Н2О (рис.6).
Рис. 6. Оптические текстуры, при скрещенных николях для системы [(С6Н5)3Р+С18Н37]Br–+Н2О (текстуры термотропных смектических жидких кристаллов) Из полученных выше результатов следует, что четвертичные фосфониевые соли с высшими алкильными радикалами способны к самоорганизации в растворе. Этот факт был надежно подтвержден также при исследовании агрегации алкилтрифенилфосфоний бромидов с различной длиной алкильных радикалов, которое было выполнено нами совместно с группой профессора Л.Я.Захаровой (ИОФХ им. А.Е.Арбузова КазНЦ РАН) с использованием широкого комплекса методов, включая тензиометрию, кондуктометрию, потенциометрию, ЯМР-самодиффузию, динамическое рассеяние света. Установлено, что в водных растворах при концентрации выше ККМ (критическая концентрация мицеллообразования) образуются агрегаты с гидродинамическим радиусом Rh 1-2 нм.
Заслуживающим внимания является тот факт, что для гексадецильного производного трифенилфосфониевых солей получены на порядок более низкие ККМ, чем для типичного катионного ПАВ с аммонийной головной группой - цетилтриметиламмоний бромида. Установленная способность изученных четвертичных фосфониевых солей с высшими алкильными радикалами к самоорганизации даже в разбавленных растворах проливает дополнительный свет и на механизм их биологического действия. Отмеченная выше высокая биологическая активность этих соединений даже в предельно низких концентрациях обусловлена, видимо, и тем, что клеточные мембраны патогенной микрофлоры подвергаются атаке не отдельными молекулами ЧФС, а их наноразмерными ансамблями, образующимися при этих концентрациях.
2. Синтез и биоактивность комплексов ЧФС с бензофуроксанами и -фуразанами Как было показано нами и отмечено в литературе, ЧФС с высшими алкильными заместителями у атома фосфора, с одной стороны, и функционально-замещенные бензофуроксаны, с другой, обладают выраженной антибактериальной и фунгицидной активностью. Представлялось интересным симбиотически объединить эти качества в одной молекуле.
Для этого были изучены возможности химического взаимодействия ЧФС с указанными выше гетероциклическими соединениями. При этом из литературных данных известно, что, например, 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксан (один из объектов наших исследований) способен образовывать комплексы с катионами щелочных и щелочноземельных металлов, строение которых во многих случаях было установлено методом РСА. Мы изучили возможность образования подобных комплексов и с фосфониевыми катионами.
В этой связи в настоящей части исследования мы вовлекли в такое взаимодействие синтезированные нами и описанные выше ЧФС с высшими алкильными радикалами и обозначенный выше бензофуроксан, а также аналогично замещенный бензофуразан.
Реакции проводили в среде эфира, в котором замещенные фуроксан и фуразан растворяются хорошо, а ЧФС практически нерастворимы. В эфирные растворы фуроксана (фуразана) добавляли полуторократный избыток соли фосфония. Оказалось, что данные реакции протекают в гетерогенном варианте очень легко с ярко выраженным глубоким изменением окраски. Основная часть ЧФС при этом за короткое время переходила в эфирный раствор, а непрореагировавшая ее часть оставалась в осадке.
Раствор отделяли от осадка и удаляли эфир в вакууме. Выделенные таким образом комплексы 33-42 (табл.2) представляли собой легкоплавкие кристаллы, хорошо растворимые в воде и большинстве органических растворителей, с характерной яркой окраской от оранжевой до малиновой. В качестве примера ниже представлена реакция трифенилгексадецилфосфонийбромида 18 с 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксаном с образованием комплекса 42:
В результате этой реакции был получен аддукт в виде легкоплавкой оранжево желтой кристаллической массы с Тпл. около 25оС. В ЯМР 31Р спектре атом фосфора резонирует в виде единственного синглета с Р 26.10 м.д. Этот сигнал смещен по сравнению с исходной ЧФС (Р 23.58 м.д.) в слабые поля на 2.52 м.д., что однозначно свидетельствует о протекании реакции и, в то же время, сохранении фосфониевого характера атома фосфора, а не фосфоранового, как это также можно было предполагать теоретически. Аналогично протекают реакции и других ЧФС с изучаемыми фуроксаном и фуразаном. Помимо изменения химического сдвига ядра атома фосфора в образующихся комплексах, отчетливо меняются и все остальные параметры по сравнению с исходными соединениями: данные элементного анализа (соответствующие по составу комплексам 1:1), ИК-спектральные характеристики, температуры плавления (во всех случаях образуются окрашенные легкоплавкие кристаллы), растворимость (комплексы в отличие от исходных компонентов легко растворяются в воде и большинстве органических растворителей), биологическая активность (она существенно выше, чем у исходных компонентов и представлена в табл.2).
Из полученных данных следует вывод об образовании донорно-акцепторных комплексов между ЧФС и исследуемыми фуроксаном и фуразаном, в которых фосфониевый атом фосфора координируется с одним или несколькими отрицательно заряженными атомами кислорода указанных нитрозамещенных гетероциклов, как это известно в литературе для подобных их комплексов со щелочными и щелочноземельными металлами. В таблице 2 представлена антибактериальная и антимикотическая активность 10-ти полученных таким образом комплексов на штаммах патогенной микрофлоры человека и животных.
Таблица 2. Биоактивность комплексов ЧФС с 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксаном и 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуразаном Зона ингибирования роста бактерий и грибов (мм) Соединение Escheri- Salmo- Ps. Staphylococ- Candida chia coli nella p.B aeruginoza cus aureus Albicans 13 12 9 31 33.
16 10 12 27 Больше 34.
16 11 15 19 Больше 35.
18 17 16 25 36.
20 17 16 26 37.
21 11 18 40 38.
9 15 9 20 39.
9 6 9 25 Больше 40.
12 9 11 28 Больше 41.
10 13 11 19 42.
Важно, что синтезированные комплексы обладают одновременно высокой бактерицидной и высокой антимикотической активностью при низких концентрациях.
Кроме того, они термически стабильны (по данным метода ТГ-ДСК) до 200 оС, и не разрушаются под действием мыльного раствора, так как сами являются катионными ПАВ, что делает их перспективными лекарственными и дезинфицирующими средствами в медицине и ветеринарии.
3. Синтез и биологическая активность четвертичных фосфониевых солей на основе карбоксилатных фосфабетаинов До начала наших исследований в области карбоксилатных фосфабетаинов –аналогов бетаинов органических аминокислот – в литературе имелись лишь эпизодические и, зачастую, весьма противоречивые сведения. Поэтому в нашей группе были проведены систематические исследования в области синтеза, изучения строения и реакционной способности карбоксилатных фосфабетаинов на основе третичных фосфинов и непредельных карбоновых кислот:
Реакции третичных фосфинов с непредельными моно- и дикарбоновыми кислотами в большинстве случаев протекают в среде хлороформа или ацетонитрила достаточно легко при комнатной температуре с практически количественным образованием соответствующих фосфабетаинов, представляющих собой четвертичные фосфониевые соли, подобные описанным выше, однако содержащие в своем составе в качестве противоиона функциональную карбоксилатную группу, способную активно вступать в различные химические реакции – в частности, в реакции алкилирования и комплексообразования, наиболее интересные в плане данной работы.
Строение большинства синтезированных в нашей группе и представленных ниже карбоксилатных фосфабетаинов доказано методом РСА.
3.1. Реакции карбоксилатных фосфабетаинов с высшими галоидными алкилами Еще одна модель компонентов биомембран была получена нами как раз на основе фосфабетаинов – аналогов бетаинов аминокислот. Эти структуры еще на один шаг приближают нас к природной мембране, так как кроме гидрофобного «хвоста» они содержат и важный природный сложноэфирный фрагмент –СН2-О-С(О)-СН2-СН2-, соединяющий в живой мембране гидрофильную «голову» и гидрофобный «хвост».
Одним из вариантов создания таких структур может служить процесс алкилирования фосфабетаинов галоидными алкилами.
Карбоксилатные фосфабетаины легко при комнатной температуре вступают в реакции алкилирования низшими галоидными алкилами, тогда как реакции с высшими алкилгалогенидами требуют более жестких условий. Во всех случаях реакции протекают с образованием соответствующих фосфониевых солей:
При этом следует отметить, что в случае высших алкилгалогенидов значительное влияние на скорость и легкость протекания реакции оказывает и природа исходного фосфабетаина.
Мы изучили процессы алкилирования ацилатных фосфабетаинов I – III широким набором алкилгалогенидов, различающихся длиной углеводородной цепи.
Так, реакции -трифенилфосфонийэтилкарбоксилата I с высшими 1-бромалканами протекают в течение 6 часов при температуре 500 С в среде хлороформа:
Продукты реакций 43-47 (табл. 3) – -(карбоксиалкил)этилтрифенилфосфоний бромиды выделялись из реакционной смеси (выход от 80 до 95%) путем переосаждения диэтиловым эфиром и представляли собой маслообразные вещества, некоторые из них кристаллизуются со временем. Исключение составляют продукты 46 и 47, которые были получены в виде белых кристаллов;
их структура установлена методом РСА.
Структура длинноцепочечных солей фосфония была установлена методами ИК, ЯМР-спектроскопии, данными элементного и рентгеноструктурного анализа.
Термическая устойчивость этих соединений изучена методом ТГ/ДСК. В качестве примера на рис.7 приведена геометрия (по данным РСА) образующейся в результате взаимодействия трифенилфосфонийэтилкарбоксилата I с гексадецилбромидом длинноцепочечной фосфониевой соли 46 (табл.5):
Рис. 7. Геометрия в кристалле соли Ph3P+CH2CH2COOC16H33Br- Надмолекулярная структура этой соли, крайне напоминающая модель природной мембраны с упорядоченным расположением длинноцепочечных фрагментов, показана на рис. 8:
Рис. 8. Фрагмент кристаллической упаковки Ph3P+CH2CH2COOC16H33Br- Реакции -трифенилфосфоний--метилэтилкарбоксилата II с высшими 1 бромалканами протекают в более жестких условиях - по-видимому, это связано с наличием стерических препятствий, создаваемых метильным радикалом в -положении относительно карбоксилатной группы бетаина. Реакция проводилась в течение 10 часов при кипении хлороформа. Продукты реакций 48-52 осаждались из реакционной смеси диэтиловым эфиром и представляли собой маслообразные вещества:
Реакции -трифенилфосфоний--метилэтилкарбоксилата III с высшими 1 бромалканами протекают в еще более жестких условиях - по-видимому, что связано с наличием метильного радикала уже в -положении относительно карбоксилатной группы бетаина. Это еще раз подтверждает предположение о создаваемых метильной группой стерических препятствиях процессу алкилирования ацилатного фрагмента. Реакции проводились в течение 12 часов при кипении хлороформа. Продукты реакций 53-57, осаждались из реакционной смеси диэтиловым эфиром и также представляли собой белые маслообразные продукты:
3.2. Антимикробное и антимикотическое действие сложных эфиров карбоксилатных фосфабетаинов Исследование биологической активности фосфонийбромидов, полученных в результате алкилирования фосфабетаинов, на сегодняшний день удалось провести только для производных фосфабетаина I. При этом установлено, что в отличие от самих карбоксилатных фосфабетаинов и получающихся из них фосфонийзамещенных сложных эфиров с низшими алкильными группировками, которые не проявляют сколь-либо заметной биологической активности, их высшие аналоги обладают крайне высокой биоактивностью (табл.3).
Таблица 3. Биоактивность -(карбоксиалкил)этилтрифенилфосфоний бромидов 43 - Зона ингибирования роста бактерий и грибов, (мм) Escher. Staph. Ps. Proteus Candida Соединение сoli aureus aeruginoza Mirabilis Albicans 43. [Ph3P+CH2CH2COOC10H21]Br- 20 15 21 18 44. [Ph3P+CH2CH2COOC12H25]Br- 22 20 13 23 45. [Ph3P+CH2CH2COOC14H29]Br- 17 25 14 10 46. [Ph3P+CH2CH2COOC16H33]Br- 18 25 11 17 47. [Ph3P+CH2CH2COOC18H37]Br- 14 23 13 8 Из приведенных выше данных следует, что синтезированные соединения 43 - 47 при достаточно низких концентрациях (от 1% до 0.01%) проявляют высокую антимикотическую и антимикробную активность в отношении патогенной микрофлоры человека и животных, что делает их весьма перспективными для дальнейшего использования в качестве дезинфицирующих и лекарственных средств. Есть все основания полагать, что аналогичную высокую биоактивность проявят и остальные синтезированные нами соли 48-57. Интересным является и тот факт, что синтезированные соединения одновременно проявляют как антимикробную, так и антимикотическую активность, что не характерно для известных и используемых в настоящее время в медицинской практике антибиотиков.
4. Синтез, структура и биоактивность металлокомплексов на основе карбоксилатных фосфабетаинов Известно, что многие белки и ферменты являются металлокомплексами: в их активных центрах содержатся ионы металлов, которые могут играть роль кислоты Льюиса или редокс-агента, либо выполнять функцию стабилизатора структуры белка.
Фактически металлофермент можно рассматривать как очень большое координационное соединение, в котором органическая часть молекулы представляет собой лиганд, связанный с соответствующим металлоцентром. В биомолекулярной химии к биометаллам относят: Fe, Zn, Cu, Mo, Co, Ni, Mn, V, Ca, Mg, K, Na, Li.
С целью моделирования активных центров ферментов нам представлялось весьма привлекательным синтезировать комплексы металлов на основе структурных аналогов бетаинов аминокислот – карбоксилатных фосфабетаинов.
4.1. Синтез и структура аналогов металлобиокомплексов на основе иона Zn (2+) и фосфабетаиновых аналогов аминокислот (I-III) Цинк – необходимый элемент всех растений и животных – важен и в биохимии человека. Он входит в состав активных центров более 100 ферментов, из которых наиболее распространены гидролазы (например, щелочная фосфатаза и карбоксипептидаза А), трансферазы (например, ДНК- и РНК-полимераза), оксидоредуктазы (например, алкогольдегидрогеназа и супероксиддисмутаза) и лизазы (карбоангидраза). Во многих таких системах ион Zn2+, не обладающий редокс-активностью, является кислотой Льюиса, вокруг которой субстраты координируются, поляризуются и, следовательно, активируются.
Исходя из структурной аналогии кабоксилатных фосфабетаинов с протеиногенными аминокислотами, мы предположили, что их металлопроизводные – комплексы или соли – могут обладать биоактивными свойствами по отношению к различным субстратам. Вместе с тем, способы получения и свойства металлических производных фосфабетаинов практически не изучены.
Из большого разнообразия синтезированных ацилатных фосфабетаинов были выбраны наиболее доступные из них - соединения I-III, полученные на основе трифенилфосфина и, соответственно, акриловой (I), метакриловой (II) и кротоновой (III) кислот. При этом мы полагали, что наличие или отсутствие донорной метильной группы, а также ее расположение относительно ацилатного донорного центра может сказаться как на легкости образования металлопроизводных, так и на их структуре.
В качестве доступного и, в то же время, биологически важного микроэлемента, в этой части работы был выбран ион цинка, использованный в реакциях с бетаинами в виде дихлорида. Вопреки ожиданию, реакция между ZnCl2 и -трифенилфосфоний этилкарбоксилатом I в соотношении 1:2 в водной среде не приводит к продуктам анионного обмена с образованием диацилата цинка и хлорид-анионов в качестве противоионов трифенилфосфониевого центра. Металл ведет себя в этом случае как Льюисова кислота и присоединяет две молекулы бетаина по их ацилатному фрагменту с образованием кристаллического металлокомплекса 58:
Его состав и строение подтверждены данными элементного анализа и физических методов. В ИК спектре комплекса наблюдается характеристическая полоса поглощения связанной карбоксилатной группы при 1610 см –1. В ЯМР 31Р-спектре фиксируется единственный сигнал атома фосфора в области 28.4 м.д., что является характерным для ядра атома фосфора фосфониевых структур. Следует отметить, что сам исходный трифенилфосфонийэтилкарбоксилат резонирует в области 23.1 м.д.
Молекулярная структура моноядерного комплекса доказана методом РСА (рис.9), атом цинка имеет тетраэдрическую конфигурацию и связан монодентатно с двумя молекулами лиганда и двумя атомами хлора. В каждом из лигандов атом кислорода, некоординирующий атом цинка, образует более короткую связь с атомом углерода. При этом в одном из лигандов С=О связь находится в заслоненной конформации со связью С С, а связь С-Р имеет транс-ориентацию относительно связи С-С, таким образом конформация цепи О=С-СН2-СН2-Р в этом лиганде цис, транс. Второй лиганд комплекса имеет гош, транс-конформацию. Также в кристаллическую решётку комплекса входят семь молекул воды, что приводит к наличию сильных водородных связей.
Надмолекулярная структура комплекса представляет собой слоистую структуру, состоящую из гидрофильных (образованных за счёт координационных центров и кристаллизационной воды) и гидрофобных слоев (образованных за счёт фенильных фрагментов).
Совмещенным методом ТГ-ДСК также показано наличие в кристаллах комплекса семи молекул воды (рис.9):
Рис.9. Геометрия комплекса 58 и его дериватограмма Таким образом, данные ТГ-ДСК находятся в хорошем соответствии с предполагаемой структурой. Эндоэффекты при 76.4 С, 120.0 С и 174.6 С сопровождаются потерей массы в 2.42%, 9.71% и 2.48%, что соответствует последовательному отрыву молекул кристаллизационной воды: одной, пяти и одной соответственно (рис.9).
Было интересно проследить влияние стерической загруженности карбоксилатной группы путем введения в реакции с хлоридом цинка -трифенилфосфоний- метилэтилкарбоксилата II и -трифенилфосфоний--метилэтилкарбоксилата III содержащих метильный радикал соответственно в - и -положении относительно карбоксильной группы. Это исследование позволило получить интересные результаты и провести некоторую аналогию с биоцентрами природных металлоферментов.
Так, незначительное увеличение стерических затруднений в лигандном окружении сравнительно небольшого по размеру атома цинка (радиус двухзарядного иона цинка составляет 0.69 А) путем введения в реакцию с хлоридом цинка бетаина II, содержащего метильный радикал в -положении относительно карбоксилатной группы, приводит к образованию комплексов с соотношением металл:лиганд как 1:2, так и 1: Однако, в отличие от незамещенного фосфабетаина I, его гомолог II проявляет склонность к комплексообразованию двумя различающимися способами. Реакцию, как и в предыдущем случае, проводили при соотношении реагентов 1:2 в водной среде при комнатной температуре и в качестве продукта получили белый порошок, который при перекристаллизации из смеси вода-этанол дал два вида прозрачных кристаллов, различающихся по форме 59 и 60:
По данным РСА, представленным на рисунке 10, кристаллы 59 представляют собой биядерный комплекс с соотношением металл - лиганд 1:1, в котором два бидентатных фосфабетаиновых лиганда образуют мостиковые связи с двумя атомами цинка.
Необходимо отметить, что наличие хирального атома углерода в лиганде приводит к возможности образования двух диастереомеров димерного комплекса: (R,S/S,R) мезо формы и (R,R/S,S) диастереомера. Кристалл 59 представляет собой рацемический (R,R/S,S) диастереомер. Кристаллы второго типа, выпавшие из того же раствора, представляют собой моноядерный комплекс 60 состава металл-бетаин 1:2, сходный по строению с комплексом 58. В кристалле 60 реализуется редкий случай совместной кристаллизации двух энантиочистых диастереомеров (R,S) и (S,S) в асимметрической части ячейки 60а и 60б, как показано на рисунке 10:
59 60а 60б Рис 10. Геометрия металлокомплексов 59, 60а и 60б Значительные изменения в структуре комплекса цинка происходят при использовании в качестве фосфонийацилатного лиганда метакрилового производного III.
Хотя и в этом случае реакция проводилась в водной среде при соотношении ZnCl2 – бетаин 1:2, в реакцию комплексообразования вступает лишь одна молекула трифенилфосфоний--метилэтилкарбоксилата III, а второе вакантное координационное место занимает молекула воды. Очевидно, близко расположенный к координационному центру метильный радикал в -положении относительно карбоксилатной группы обеспечивает существенное стерическое экранирование координационной сферы атома цинка, не давая возможности образовать донороно-акцепторную связь между атомом цинка и кислородом ацилатного аниона второй молекулы бетаина. В результате реакции были получены хорошо кристаллизующиеся прозрачные монокристаллы комплекса 61:
По данным РСА продукт 61 представляет собой монодентатный 1:1 комплекс цинка, при этом атом цинка имеет тетраэдрическую координацию, и связан, кроме лиганда, с двумя атомами хлора и одной молекулой воды. Конформация лиганда вдоль цепи О=С С(Ме)Н-СН2-Р цис, гош, при этом метильный заместитель находится в транс-ориентации относительно связи С-Р.
Интересно, что активный центр в различных формах природного фермента – карбоангидразы, изученный методом РСА, также содержит тетраэдрический атом Zn2+, координированный, в зависимости от рН, либо молекулой воды, либо гидроксид-ионом.
Важно отметить, что любая модель металлобиоцентра, в том числе и наша, имитирует лишь структуру активного центра фермента, но не обязательно его функцию или каталитическую активность, которые еще предстоит изучить.
Таким образом, в результате проведенного исследования впервые получены металлокомплексы хлорида цинка с карбоксилатными фосфабетаинами I – III, причём в этих комплексах последние выступают в зависимости от конкретной ситуации в виде либо моно-, либо бидентатного лиганда, а их число регулируется стерическим эффектом метильных групп в фосфорорганическом лиганде.
4.2. Синтез и структура металлокомплексов на основе Cd(2+), Cu(2+), Hg(2+) и фосфабетаинов (I-III) В продолжение изучения процессов комплексообразования карбоксилатных фосфабетаинов с ионами различных биогенных металлов мы провели также систематическое исследование реакций карбоксилатных фосфабетаинов с хлоридами и нитратами d-металлов, что позволило нам разработать методы синтеза новых металлокомплексов как с моно-, так и с бидентатными карбоксилатными фосфабетаиновыми лигандами. Строение синтезированных нами соединений установлено методом рентгеноструктурного анализа. Взаимодействие хлорида кадмия с фосфонийпропионатом I приводит к хелатному комплексу 62, в котором каждый из ацилатных лигандов бидентатен. В то же время, -метилированный аналог – бетаин II, очевидно, в силу стерических взаимодействий двух метильных групп не способен образовывать бис-хелатный узел: в этом случае один из лигандов монодентатен, а бис ацилат 63 координационно ненасыщен:
Нитрат меди образует с карбоксилатным фосфабетаином I в водно-спиртовой среде (1:1) при соотношении реагентов 1:2 биядерный комплекс типа «китайского фонарика»:
Согласно данным РСА в комплексе меди 64 все ацилатные лиганды бидентатны, а атомы металла связаны между собой и находятся на расстоянии Cu…Cu 2.704.
4.3. Синтез и структура биядерных и гетерометаллических полиядерных комплексов на основе карбоксилатных фосфабетаинов (I-III) Проведенные выше исследования показали, что в зависимости от природы металла и строения карбоксилатного фосфабетаина могут образовываться как моно-, так и полиядерные комплексы, в которых фосфабетаиновый лиганд может проявлять различную дентатность – 1 или 2.
В настоящем разделе работы в результате взаимодействия бетаинов I и II с хлоридами гадолиния (3+) и ртути (2+) получены соответствующие биядерные комплексы, структура которых установлена методом РСА и представлена ниже:
Интересно, что в комплексе 65 с гадолинием карбоксилатные группы обоих фосфабетаиновых лигандов выступают в качестве мостиковых групп между ионами металла, причем все четыре атома кислорода являются эквивалентными. В биядерном комплексе ртути 66 в образовании мостиковой связи участвует лишь по одному кислородному атому каждого из двух фосфабетаиновых лигандов. По-разному ведут себя и ионы хлора. Во внешнесферном гадолиниевом комплексе они находятся вне координационной сферы металла, тогда как во внутрисферном ртутном непосредственно связаны с ионами ртути.
С целью получения гетерометаллических полиядерных комплексов мы изучили процессы комплексообразования не в двух-, а в трехкомпонентных системах, включающих помимо карбоксилатного фосфабетаина также и соли двух различных металлов.
И действительно, в трехкомпонентных системах фосфабетаин-CuCl2-CdCl2 и фосфабетаин-ZnCl2-CdCl2 с практически количественным выходом получены внешне- и внутрисферные полиядерные комплексы 67 и 68, содержащие одновременно два разных металла.
Комплекс 67 имеет структуру «китайского фонарика». Координационное число ионов меди равно 6, одно из координационных мест занимает молекула воды, атомы меди связаны между собой. Четыре фосфабетаиновых лиганда эквивалентны и бидентатны.
Два иона кадмия располагаются за пределами координационной сферы атомов меди и образуют внешнесферные анионы [CdCl4]2-.
В то же время, биметаллический комплекс 68 формируется с участием обоих атомов металлов – цинка и кадмия, связанных между собой мостиковыми атомами хлора.
Координационное число ионов кадмия равно 6, ионов цинка – 4. Четыре фосфабетаиновых лиганда имеют дентатность 2:
Таким образом, наши исследования показали возможность создания широкого разнообразия структур металлокомплексов путем варьирования как природы металла, так и строения фосфонийацилатных лигандов.
4.4. Синтез и структура металлокомплексных макроциклов на основе дикарбоксилатного дифосфабетаина c хлоридами цинка и ртути Аналогичная описанным выше реакция комплексообразования между хлоридами цинка и ртути и дикарбоксилатным дифосфабетаином IV, полученным нами по аналогии с фосфабетаинами I-III реакцией акриловой кислоты с бис-(дифенилфосфино)этаном, дает мономерные 13-членные макроциклические комплексы 69 и 70, при этом вероятное образование полимерных комплексов не наблюдается:
Реакции в водной среде протекают легко с образованием с 70-75%-ным выходом (после перекристаллизации из этанола) бесцветных кристаллов мономерных макроциклических комплексов 69 и 70, стабилизированные двумя молекулами спирта.
Состав и строение полученных комплексов подтверждены методом РСА:
Рис. 11. Геометрия цинкового комплекса 69 (в разных ракурсах) и ртутного комплекса Характеристика полученных в настоящем разделе работы комплексов представлена в таблице 4.
Таблица 4. Характеристики полученных металлокомплексов 58– ЯМР Тпл., Выход, Элементный анализ Комплекс Р, С % Найдено, %: Вычислено, %:
м.д.
С 53.93 C 54. Н 5.34 H 5.59 28.4 297. Р 6.91 Р 6. C42H52Cl2O11P2Zn (7H2O) 58.
С 54.23 C 54. Н 5.94 H 4. 32.1 137.1 Р 6.17 Р 6. C44H42Cl4O4P2Zn 59.
С 63.73 C 63. Н 5.13 H 5. 28.2 106.2 Р 7.77 Р 7. C44H42Cl2O4P2Zn 60.
С 52.24 C 52. Н 4.81 H 4. 26.3 97 Р 6.42 Р 6. C22H23Cl2O3PZn 61.
С 51.03 C 51.57 189. Н 5.44 H 5.32 с 25.3 Р 6.33 Р 6.22 разл.
C42H52Cl2O11P2Cd(7H2O) 62.
С 52.07 C 52. Н 5.83 H 5. 29.48 127 Р 6.41 Р 6. C44H56Cl2O11P2Cd(7H2O) 63.
С 58.54 C 58. Н 4.40 H 4.44 227. 35.2 с Р 6.30 Р 6. разл.
C84H76N4O20P4Cu 64.
С 35.47 C 35. Н 3.26 H 2. 33.3 74.1 Р 4.49 Р 4. C42H62Cl6O16P2Gd 65.
С 42.31 C 42. Н 3.23 H 3. 30.15 137 Р 5.09 Р 5. C44H42Cl4O4P2Hg 66.
С 51.03 C 51. Н 4.12 H 4. 32.09 250.7 83. Р 6.33 Р 6. C84H78Cl8O10P4Cd2Cu 67.
С 51.20 C 51. Н 3.80 H 3. Р 6.33 Р 6. 27.1 270.1 C84H76Cl8O8P4Cd2Zn 68.
С 56.31 C 56. Н 5.43 H 5.71 29.2 96. Р 7.87 Р 8. C36H44Cl2O6P2Zn 69.
С 63.73 C 47. Н 5.17 H 4. 30.27 135.0 Р 7.23 Р 6. C36H44Cl2O6P2Hg 70.
Таким образом, в результате проведенного в данном разделе работы исследования показано, что фосфабетаиновые структуры являются чрезвычайно перспективными лигандами, способными образовывать стабильные комплексы с самыми разнообразными металлами. При этом в зависимости от строения конкретного лиганда и природы металла могут образовываться моно- и полиядерные гомо- и гетерометаллические комплексы (в том числе, макроциклические), в которых карбоксилатные фосфабетаины могут быть как моно-, так и бидентатными лигандами, а также выступать в виде мостиковых групп между двумя металлоцентрами.
5. Фосфорилирование замещенных бензофуроксанов и бензофуразанов третичными фосфинами В продолжение описанных выше исследований реакций третичных фосфинов и карбоксилатных фосфабетаинов с электрофильными реагентами – высшими галоидными алкилами и солями металлов – редставлялось интересным вовлечь третичные фосфины в реакции с электрофилами иной природы, а именно с хлорнитрозамещенными бензофуроксанами и фуразанами, которые, как хорошо известно, сами обладают широким спектром биологической активности. Несмотря на то, что в литературе отсутствовали сведения о фосфорилировании бензофуроксанов и -фуразанов фосфорными нуклеофилами, мы полагали, что в этих реакциях также удастся получить четвертичные фосфониевые соли, причем функционализированные биоактивным и реакционноспособным гетероциклическим фрагментом.
Поиск биологически активных соединений в рядах производных бензофуразанов и бензофуроксанов не случаен, поскольку важной особенностью этих гетероциклов является их структурное сходство с нуклеооснованиями ДНК и РНК – аденином, гуанином и их производными:
Вполне возможно, что высокая биологическая активность синтезированных нами фосфорилированных бензофуроксанов и -фуразанов 71-89 (см. ниже) может быть объяснена явлением интеркаляции, характерным для плоских ионизированных систем.
Принятая в настоящее время интерпретация этого явления основана на том, что плоские молекулы, какими и являются производные бензофуроксанов и -фуразанов по данным РСА, способны «вклиниться» между парами оснований ДНК, образуя комплекс, который стабилизируется силами Ван-дер-Ваальса и ионными связями между заряженными группами как ДНК, так и использованных нами гетероциклов. Отсюда затрудняется (или ингибируется) возможность расплетания двойной спирали, нарушается синтез бактериальных ДНК и РНК с участием полимераз.
5.1. Реакции замещенных бензофуроксанов с третичными фосфинами На сегодняшний день в литературе отсутствуют сведения о реакциях нуклеофильного замещения в бензофуроксановом и бензофуразановом циклах фосфорными нуклеофилами, хотя введение в его молекулу биогеннных фосфорорганических заместителей, безусловно, является интересным как с теоретической точки зрения, так и в плане поиска потенциальной биоактивности.
Важно отметить, что еще в 1961 году американский ученый Маллори Ф.Б. впервые использовал трифенилфосфин в качестве восстановителя бензофуроксанов до соответствующих -фуразанов при кипячении в ксилоле. Однако, в этой реакции кроме трифенилфосфиноксида никаких других фосфорсодержащих продуктов зафиксировано не было. Таким образом, в литературе до сих пор нет ни одного надежного примера введения фосфорорганического заместителя в бензофуроксановые и бензофуразановые системы.
В настоящей работе мы изучили взаимодействие замещенных бензофуроксанов с рядом третичных фосфинов. Реакции протекают при комнатной температуре в атмосфере аргона и приводят к образованию необычных продуктов как бис-, так и монофосфорилирования. Все эксперименты проводили в так называемом «физическом стекле» - в спиртово-эфирной среде (1:3) для удобства регистрации радикальных процессов методом ЭПР.
Реакция фосфорилирования дихлординитробензофуроксана трифенилфосфином при комнатной температуре при соотношении реагентов 1:2 проходит необычным образом с участием как бензофуроксановых хлор-, так и нитрогрупп в качестве реакционных центров, при этом образуется устойчивый дифосфорилированный продукт 71 и хлористый нитрозил, который в процессе реакции распадается на NO и молекулярный хлор:
Методом ЭПР установлено образование в процессе реакции радикала NO, количество которого меняется во времени (рис. 12):
Рис. 12. ЭПР спектральные исследования реакционной смеси в течение 5 дней (1) и связанный NO радикал и его параметры (2) Промежуточное образование NOCl доказано опытом с химической ловушкой. Строение конечного продукта 71 подтверждено также методами ЯМР и РСА:
Рис. 13. Характеристические данные продукта Использование в реакции с бензофуроксаном изоструктурного, но более нуклеофильного, чем трифенилфосфин, трициклогексилфосфина меняет течение процесса: в этом случае образуется продукт монозамещения – илид 72. Реакция сопровождается окислением третичного фосфина:
Аналогичным образом с образованием такого же продукта монозамещения протекает и взаимодействие 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана с дифенилцикло гексилфосфином. В обоих случаях строение илидов фосфора 72 и 73 установлено методом рентгеноструктурного анализа:
Таким образом, замена даже одного фенильного радикала на алкильный приводит к образованию продукта монозамещения.
Разнообразие синтетических вариантов использования реакции фосфорилирования 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана с третичными фосфинами было нами продемонстрировано на примере его реакций с трис-(п-метоксифенил)- и трис-(п фторфенил)-фосфинами, также приводящими к продуктам монозамещения. Однако, в первом случае в реакции, предположительно, принимает участие растворитель – этиловый спирт. При этом атом хлора замещается на гидрокси-группу с образованием в конечном итоге свободного радикала 74, что отличает обсуждаемую реакцию от ранее описанных:
Фторзамещенный аналог снова обнаруживает специфику свойств в химическом поведении: продукт реакции с 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксаном по данным РСА имеет структуру фенолятного фосфабетаина 75:
Однако при этом происходит значительная трансформация заместителей в бензольном фрагменте: элиминируют обе нитро-группы с сохранением в то же время двух атомов хлора, хотя один из них при этом меняет свое положение в ароматическом кольце.
Особого внимания заслуживает реакция трифенилфосфина с 5,7 динитробензофуроксаном, у которого отсутствуют два атома хлора в бензольном кольце гетероцикла. По данным ЭПР продукт монофосфорилирования – 6-нитро-7-оксо-4 (трифенилфосфоранилиден)-4,7-дигидро-2,1,3-бензодиазол-1-иумил - 76 представляет собой стабильный NH-радикал и открывает новый класс ранее неописанных соединений:
Через две недели из реакционной массы выкристаллизовываются друзы игольчатых кристаллов темно-красного цвета, которые по данным РСА имеют структуру сложного фосфоилида 76, представляющего собой стабильный свободный радикал:
.
Реакция 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана со значительно более сильным нуклеофилом – бис-(диэтиламино)фенилфосфином сопровождается элиминированием двух атомов хлора, обе нитро-группы при этом сохраняются:
Таким образом, полученные нами результаты свидетельствуют о том, что дихлординитробензофуроксан является крайне лабильной системой, легко подстраивающейся даже под незначительные изменения строения фосфорного нуклеофила. Этим и объясняется большое разнообразие полученных продуктов и своеобразие реакций с каждым из третичных фосфинов. Вместе с тем, все из исследованных нами реакций могут быть интерпретированы в рамках соответствующими схем, не противоречащих уже известным реакциям нуклеофильного замещения в ароматических системах. Атака исходных и промежуточно образующихся в этих реакциях нуклеофильных частиц направляется либо на атом углерода, связанный с хлором (C-Cl), либо на атом углерода, связанный с нитрогруппой (C-NO2) бензофуроксанового цикла с образованием в конечном итоге наиболее термодинамически стабильного продукта.
5.2. Реакции замещенных бензофуразанов с третичными фосфинами С целью расширения арсенала синтетических методов, приводящих к потенциально биоактивным фосфорилированным азотистым гетероциклам, мы изучили также реакции фосфорилирования третичными фосфинами ближайших аналогов бензофуроксанов – бензофуразанов. Для удобства регистрации радикальных процессов методом ЭПР эти реакции также проводились при комнатной температуре в инертной атмосфере в спиртово-эфирной среде в соотношении 1:3. Реакция 5,7-дихлор-4,6 динитробензофуразана с трифенилфосфином в соотношени 1:2 протекает легко и красочно с образованием двух продуктов 79 и 80 (по данным ЯМР Р-спектров).
Структура продукта 79 подверждена методом РСА:
При четырехкратном избытке фосфина реакция приводит к двум монофосфорилированным бензофуразанам 81 и 82, совместно кристаллизующимся в одной кристаллической ячейке:
Таким образом, направление реакции зависит и от соотношения исходных реагентов.
Замена одного из атомов хлора в гетероциклическом реагенте на метокси-группу снова меняет ход процесса фосфорилирования: реакция 4-метокси-6-хлор-5,7 динитробензофуразана с трифенилфосфином сопровождается не только ароматическим нуклеофильным замещением хлора на атом фосфора, но и деметилированием метокси заместителя, так что конечный фосфониевый продукт имеет структуру бетаина 83, что однозначно следует из данных РСА:
Переход к дихлормононитропроизводному опять сопровождается изменением синтетического результата: реакция 4-нитро-5,7-дихлорбензофуразана с трифенилфосфином при соотношении реагентов 1:1 и 1:2 проводилась в предположении, что будет происходить замещение одного или двух атомов хлора. Однако полученные результаты свидетельствуют о том, что направление реакции не зависит от соотношения исходных веществ – в обоих случаях получены одинаковые илиды 84 и 85, отличающиеся лишь тем, что при соотношение исходных 1:1 в кристаллической ячейке присутствует одна молекула воды (илид 84). Структура продуктов фосфорилирования подтверждена методом РСА, а вид кристаллов представлен на фотографиях:
Трициклогексилфосфин реагирует с 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуразаном в соотношении 1:2 с образованием необычной фосфониевой соли 86, в которой фосфониевому катиону А соответствует фуразановый анион В, что установлено методом РСА:
Реакция гетероциклического электрофильного реагента - 5,7-дихлор-4,6 динитробензофуразана с трис-(пара-метоксифенил)фосфином (1:2) идет по гомолитическому пути, строение продукта, установленное методом РСА, характеризует его как стабильный свободный радикал 87:
Следует отметить, что аналогичный свободный радикал 74 был получен нами и в реакции трис-(п-метоксифенил)фосфина с аналогичным фуроксаном (см. раздел 5.1.).
Вероятно, способность стабилизировать свободные радикалы является отличительным свойством именно пара-метоксифенильных заместителей у атома фосфора.
Трис-(п-фторфенил)-фосфин в реакции с 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуразаном также дает продукт монозамещения, который по данным РСА имеет структуру фенолятного фосфабетаина 88:
Примечательно, что и в этом случае структура дихлорзамещенного фенолятного фосфабетаина 88 весьма напоминает структуру продукта 75, полученного в реакции фторированного фосфина с 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксаном (раздел 5.1.) за естественным исключением фуроксанового атома кислорода и лишь той разницей, что фосфониевый и фенолятный центры в продукте 88 находятся в орто-, а в продукте 75 в пара-положении. Наряду с результатами раздела 2 это свидетельствует о весьма важной, если не ключевой, роли тонких нюансов строения третичных фосфинов в формировании направлений фосфорилирования бензофуроксанов и бензофуразанов.
Одним из наиболее интересных продуктов в ряду замещенных бензофуразанов явился продукт фосфорилирования 4-хлор-5-нитробензофуразана трифенилфосфином – 5-нитро-4-оксо-7-(трифенилфофоранилиден)-4,7-дигидро-2,1,3-бензоксазол-1-иумил, который по данным ЭПР представляет собой стабильный NH-радикал 89 (рис.14):
Рис.14. Спектр ЭПР реакционной смеси (A) и конечного продукта 89 (В) в реакции трифенилфосфина с 4-хлор-5-нитробензофуразаном Таким образом, в результате фосфорилирования хлорнитрозамещенных бензофуразанов различными третичными фосфинами, как и в случае фосфорилирования аналогичных бензофуроксанов, направление реакции определяется как структурой третичного фосфина, так и конкретного гетероцикла, причем даже незначительные изменения в строении реагентов могут кардинальным образом сказываться на направлении реакций.
6. Функционализация замещенных бензофуроксанов и бензофуразанов различными аминами Хорошо известно, что среди разнообразных азоторганических функциональных групп имеется большое число биоактивных и, в частности – фармакофорных, поэтому мы сочли необходимым изучить также реакции аминирования замещенных бензофуроксанов и бензофуразанов различными аминами и сульфаниламидами. Это нам представлялось также важным и в плане сравнения с описанными выше реакциями фосфорилирования тех же гетероциклических субстратов. В результате этих исследований нами было показано, что третичные амины не вступают во взаимодействие с указанными субстратами – видимо, в силу их существенно меньшей нуклеофильности по сравнению с третичными фосфинами. Это взаимодействие, как будет показано ниже, возможно лишь в присутствии воды за счет гидролиза по С-7 атому хлора с образованием 5-хлор-7 гидрокси-4,6-динитробензофуроксана – достаточно сильной кислоты, протонирующей третичные амины с образованием соответствующих солей.
В этой связи мы совместно с кафедрой ХТОСА КГТУ/КХТИ (зав. каф. проф.
Фаляхов И.Ф.) изучили взаимодействие 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана и соответствующего 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуразана с широкой серией первичных и вторичных аминов и сульфаниламидов, и показали, что в подавляющем большинстве случаев образуются продукты дизамещения обоих атомов хлора с образованием соответствующих 5,7-диамино-4,6-динитробензофуроксанов и – фуразанов:
В результате реакций аминирования были получены соответствующие продукты нуклеофильного дизамещения дихлординитробензофуроксана (90-107). Состав и строение продуктов подтверждены комплексом химических, физических и физико химических методов: ТГ-ДСК, ИК-, ЯМР 1Н и 31Р - спектроскопии, данными масс спектрометрии, элементного анализа и РСА (рис.15):
100 101 Рис. 15. Геометрия некоторых диаминированных фуроксанов (РСА) Очевидно, что все описанные выше реакции нуклеофильного замещения (фосфорилирование и аминирование) в ароматическом кольце замещенных бензофуроксанов и бензофуразанов протекают по механизму нуклеофильного ароматического замещения SNAr, предполагающему образование в качестве интермедиатов соответствующих -аддуктов, называемых также комплексами или солями Мейзенгеймера. При этом следует отметить, что несмотря на общепризнанность образования -аддуктов (комплексов Мензенгеймера) в качестве интермедиатов во всех реакциях нуклеофильного ароматического замещения SNAr, из-за их крайней неустойчивости в литературе имеются лишь единичные примеры их выделения и надежного доказательства структуры методом РСА. Для наших объектов исследования (фосфорилирование и аминирование замещенных бензофуроксанов и бензофуразанов) таких примеров не имеется вовсе, хотя эта проблема чрезвычайно актуальна, о чем говорит большое число публикаций на эту тему – в основном, применительно к нуклеофильному ароматическому замещению в ряду динитрофуроксанов. Авторы этих публикаций в результате многолетних кинетических и спектральных исследований констатируют, что наиболее удобным объектом для регистрации -аддуктов (комплексов Мензенгеймера) в ряду фуроксанов и фуразанов является 4,6-динитробензофуроксан. В этой связи нам представлялось очень интересным вовлечь в реакции аминирования именно 4,6-динитробензофуроксан с целью получения на его основе стабильных комплексов Мензенгеймера.
И действительно, в реакции 4,6-динитробензофуроксана с додециламином при соотношении (1:2) – нами были получены два комплекса Мейзенгеймера (108 и 109) с sp3 атомом углерода в 7 положении бензофуроксанового цикла, которые отличаются заместителями в положении 5:
Рис. 16. Вандерваальсова модель и геометрия (108), геометрия (109) Полученные результаты не оставляют сомнения в том, что и все другие изученные нами реакции азотистых и фосфорных нуклеофилов с данными гетероциклами протекают через аналогичные интермедиаты – комплексы Мейзенгеймера.
В отличие от изученного 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана, который независимо от соотношения реагентов всегда образует продукты диаминирования, а 4,6 динитробензофуроксан образует колмплексы Мейзенгеймера, фуразаны вступают в реакции аминирования несколько иначе. Так, в результате реакции 5,7-дихлор-4,6 динитробензофуразана с диэтиламином при соотношении 1:2 выделен продукт моноаминирования 110:
В то же время, при соотношении тех же исходных реагентов 1:4 выделен продукт диаминирования 111:
Неординарно протекает и реакция 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуразана с дибензиламином. Если в результате реакции аналогичного фуроксана обе дибензиламиногруппы входят в бензольное кольцо в неизменном виде 103, то взаимодействие дихлординитробензофуразана сопровождается деалкилированием (дебензилированием) промежуточной аммониевой соли, приводя к образованию продукта 112 по следующей наиболее вероятной схеме:
Неожиданный результат был получен в реакции аминирования 4-хлор-5,7 динитробензофуразана, который образует в реакции с диэтиламином при соотношении исходных соединений 1:2 лишь диэтиламмониевую соль 4-гидрокси-5,7 динитробензофуразана:
Очевидно, что в этом случае имеет место предварительный гидролиз 4-хлор-5,7 динитробензофуразана до соответствующего гидрокси-производного – скорее всего, влагой воздуха в силу, видимо, его особой гигроскопичности. В то же время, сам полученный результат – образование аммониевой соли с сохранением физиологически активного центра (азотистого гетероцикла) – является весьма примечательным, поскольку соли всегда более растворимы и соответственно более биодоступны.
Такой необычный результат стимулировал нас к повторному и более глубокому изучению взаимодействия хлорзамещенных азотистых гетероциклов с различными аминами уже в благоприятных для предварительного гидролиза условиях в плане возможного получения солей, либо комплексов с гидрокси-производными указанных гетероциклов.
В этой связи для расширения круга биологически активных соединений на основе реакций 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана с азотистыми нуклеофилами нами были предприняты попытки синтеза соответствующих солей и молекулярных комплексов в среде водного ДМСО, так как до этого в реакциях в среде этилового спирта и эфира, как показано выше, были выделены только продукты нуклеофильного замещения атомов хлора.
И действительно, в реакциях 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана с замещенными анилинами, пиридинами и имидазолами (рКа от 10 до 5) в среде водного ДМСО получены продукты солевого строения (114-124):
В частности, данные РСА свидетельствуют о том, что при взаимодействии 7-хлор-5 гидрокси-4,6-динитробензофуроксана, например, с N,N-диэтиланилином происходит перенос протона от гидроксильной группы гидрокси-фуроксана к атому азота N,N– диэтиланилина с образованием соли 114. Состав и строение этого и остальных аналогичных продуктов (114-124), представленных в таблице 10, доказаны методами элементного анализа, ТГ-ДCК, ИК спектроскопии и РСА. В их ИК-спектрах регистрируются одиночные полосы поглощения в области, характерной для первичных аминов 3500-3300 см-1, и области 1680 см-1 (C=N-O), которая характерна для фуроксанового цикла.
Кроме того, в реакциях 4,6-динитро-5-гидрокси-7-хлорбензофуроксана с рядом низкоосновных аминов – производных пиримидинов (рКа пиримидина 1,3) нами были выделены и идентифицированы продукты реакции, имеющие структуру не солей, а молекулярных комплексов (125-129), в которых не происходит полного переноса протона от ОН-группы 4,6-динитро-5-гидрокси-7-хлорбензофуроксана на атом азота соответствующего амина, а образуется только мощная система водородных связей, причем с участием практически всех донорных и акцепторных центров партнеров:
Строение полученных продуктов доказывали элементным анализом, ИК-, УФ спектроскопией, ТГ-ДСК, РСА (для 129 рис.17. и 18). В ИК-спектрах соединений наблюдаются интенсивные полосы поглощения в области 3370 см -1, характерной для связи NH2, а также полосы валентных колебаний группы C=N-O в области 1612 см -1.
УФ-спектры снимались в различных растворителях, а именно в ДМСО, в этаноле, в хлороформе и бензоле с целью изучения влияния природы растворителя.
Рис.17. УФ-спектр стабильного полимолекулярного комплекса 129 и система водородных связей (РСА, водородные связи в тетрамере обозначены пунктиром) Рис.18. Упаковка молекул в кристалле 6.1. Биологическая активность аминопроизводных бензофуроксанов Полученные нами в настоящем разделе соединения прошли испытания на биологическую активность (табл. 5). Среди них наибольшая антимикотическая активность выявлена для солей фуроксана с производными пиридина, содержащими атом галогена, а также солей фуроксана с имидазолом. Эти соединения целесообразно рекомендовать для дальнейшего изучения в качестве лекарственных средств.
Таблица 5. Антимикотическая активность аминопроизводных бензофуроксанов Концентрация, Концентрация, МБК, % МБК, % Соединение Соединение Аsp. Candida Аsp. Candida niger albicans niger albicans 0,05 0,0001 0,1 114. 122.
0,025 0,1 0,1 123.
115.
0,1 - 0,025 0, 124.
116.
0,0125 0,001 0,1 125.
117.
0,025 - 0,1 118. 126.
0,025 - 0,1 127.
0,05 - 0,05 0, 128.
120.
0,1 - 0,05 0, 121. 129.
Синтезированные соединения (114-129) наряду с антимикотической активностью проявляют высокую антимикробную активность (табл. 6) Для изучения антимикробной активности солей и молекулярных комплексов фуроксана с гетероциклическими аминами применялись общепринятые методы – метод серийных разведений в жидкой питательной среде или питательном агаре.
Таблица 6. Бактериостатическая активность аминопроизводных бензофуроксанов Концентрация, МБК, % Концентрация, МБК, % E. Staph Ps. Proteus E. Staph. Ps. Proteus Соединение Соединение аur.
coli aur. аer. coli аer.