4.1 Научная проблема, на решение которой направлен проект
В последние годы наметился значительный рост интереса к исследованию лекарственных свойств соединений в структуру которых входят циклы среднего размера (далее ЦСР) или макроциклы, что, в первую очередь, связано с обнаружением у данных систем улучшенной биодоступности, повышенной проницаемости через мембраны клеток и большей метаболической стабильности по сравнению с соответствующими линейными аналогами.
Несмотря на столь интересные, а порой и уникальные свойства, ЦСР и макроциклы остаются малоизученными в современной медицинской и биоорганической химии. В первую очередь, такой явный провал в области химического пространства, обусловлен существенными ограничениями и недостатками всех известных на сегодняшний день подходов к формированию данных молекулярных систем имеют. Так, протеканию реакций формирования ЦСР за счет простой циклизации линейных прекурсоров препятствует энтропийный фактор, а необходимость проведения данных превращений при высоком разбавлении делает их непригодными для масштабирования. В тоже время, основной недостаток реакций получения ЦСР и макроциклов основанных на фрагментации конденсированных систем, заключается в трудности и многостадийности синтетических схем получения исходных субстратов, а также в чрезвычайно малом количестве известных скаффолдов, способных к данному типу превращений.
В 2017 году в нашей научной группе предложен подход к формированию ЦСР и макроциклов в основе которого лежит реакция гидролитического раскрытия имидазолинового фрагмента в конденсированных гетероциклах, приводящая к получению лактамных систем. ОСНОВНОЙ ЦЕЛЬЮ предлагаемого проекта является развитие данной методологии путем изучения реакции негидролитического раскрытия имидазолинового фрагмента в конденсированных системах и разработка протоколов получения на основе данных превращений ЦСР и макроциклов, содержащих амидиновый, тиоамидный или диаминоноалкильный фрагменты. Успешная реализация проекта, с одной стороны, позволит существенно обогатить область синтетически доступных ЦСР и макроциклов. С другой - внесет вклад в фундаментальную область химических знаний благодаря накоплению данных о закономерностях протекания реакций фрагментации конденсированных гетероциклических систем и их зависимости от структуры исходных субстратов, а также условий проведения данных превращений.
4.2 Научная значимость и актуальность решения обозначенной проблемы
Пяти- и шестичленные алициклические и ароматические фрагменты являются “вездесущими" в фармацевтической химии, причем хотя бы одно из этих колец присутствует в большинстве продаваемых сегодня лекарственных препаратов [1]. Однако в последние годы наметился значительный рост интереса к исследованию лекарственных свойств более крупных циклических соединений [2].
Скаффолды на основе ЦСР и макроциклов способны принимать четко определенную конформацию, необходимую для связывания с целевыми рецепторами без значительных потерь в энтропии [3]. При этом, для них характерна большая гибкость, по сравнению с меньшими циклическими аналогами, что дает возможность ЦСР и макроциклам, при необходимости, изменять свою конформацию для облегчения связывания с рецептором. Также в ряде исследований показано, что крупные циклические системы демонстрируют улучшенную биодоступность, повышенную проницаемость через мембраны клеток и большую метаболическую стабильность по сравнению с соответствующими линейными аналогами [4]. Множество биологически активных природных соединений также включают в свой состав ЦСР и макроциклические системы [5,6]. К примеру, в основе (+)-гелианана (выделен из морских губок и Spirastrella hartmani), и (-)-оватолида (выделен из листьев Bridelia ouata) лежат 8-ми членные кислородсодержащие циклы, (-)-обтусенин (выделен из водорослей Laurencia obtusa) и разинилам (алкалоид, выделенный из растения Melodinus australis) в своей структуре имеют 9-ти членные ЦСР, цефалоспоролид G (выделен из морских грибов Cephalosporium aphidicola) – 10-тичленный лактон, каркас (-)-пиренофорина (выделен из грибов Pyrenophora avenae) состоит из 16-ти членной макроциклической системы (Рисунке 4.2.1).
Рисунок 4.2.1
Так же на сегодняшний день известен ряд синтетических и природных ЦСР и макроциклов с выявленной биологической активностью, некоторые из которых нашли применение в лечебной практике [2b,c]. В частности, сульфонамидное производное 1,4-диазоцина H-0106 является ингибитором Rho-киназы [7], декурсивин – природный алкалоид с антималярийной активностью [8], курзихалкон обладает противораковой активностью [9], азитромицин – полусинтетический антибиотик широкого спектра действия [10].
Рисунок 4.2.2
Несмотря на столь интересные свойства, ЦСР и макроциклы остаются малоизученными в современной медицинской и биоорганической химии [2]. Это привело к тому, что в большинстве скрининговых библиотек крупных фармацевтических компаний практически отсутствуют молекулы, содержащие ЦСР [3c], и, в связи с этим, очень незначительное количество фармацевтических препаратов на их основе вышли на рынок лекарственных средств [11]. В первую очередь, такой явный провал в области химического пространства, обусловлен синтетической малодоступностью ЦСР и макроциклов. Причина этого лежит в том, что все известные на сегодняшний день подходы к формированию данных молекулярных систем имеют существенные ограничения и недостатки. Если речь идет о методологиях, основанных на простой циклизации линейных прекурсоров, с одной стороны, их протеканию препятствует энтропийный фактор [12], с другой – необходимость проведения данных реакций при высоком разбавлении, что делает их непригодными для масштабирования [13]. В то же время, основной недостаток реакций получения ЦСР и макроциклов основанных на фрагментации конденсированных систем, не смотря на относительную легкость их протекания и зачастую более хорошие выходы целевых продуктов, заключается в трудности и многостадийности синтетических схем получения исходных субстратов, а также в чрезвычайно малом количестве известных скаффолдов, способных к данному типу превращений.
В предлагаемом проекте мы собираемся расширить круг известных скаффолдов, способных, за счет реакции фрагментации, приводить к формированию ЦСР или макроциклических систем, а также разработать новые протоколы раскрытия конденсированных гетероциклических систем, содержащих кватернизированный имидазолиновый фрагмент. Полученные нами в ходе реализации этого проекта результаты способны значительно увеличить синтетическую доступность ЦСР и макроциклов, а также внести вклад в фундаментальную область химических знаний благодаря накоплению данных о влиянии структуры конденсированных гетероциклических систем на возможность протекания реакций фрагментации и их направлении и закономерностях.
Литература:
1. Vitaku, E.; Smith, D.T.; Njardarson, J. T. J. Med. Chem. 2014, 57, 10257.
2. (a) Kohli, R.H.; Walsh, C.T.; Burkart, M.D. Nature. 2002, 418, 658; (b) Driggers, E.M.; Hale, S.P.; Lee, J.; Terrett, N.K. Nat. Rev. Drug Discov. 2008, 7, 608; (c) Marsault, E.; Peterson, M.L.; J. Med. Chem. 2011. 54. 1961; (d) Xie J., Bogliotti N. Chem. Rev. 2014. 114. 7678; (e) Giordanetto, F.; Kihlberg, J. J. Med. Chem. 2014, 57, 278; (f) Yudin, A.K. Chem. Sci. 2015, 6, 30.
3. Marsault, E. Macrocycles as templates for diversity generation in drug discovery, in Diversity Oriented Synthesis: Basics and Applications in Organic Synthesis, Drug Discovery and Chemical Biology. John Wiley & Sons. New Jersey, 2013.
4. (a) Rezai, T.; Yu, B.; Millhauser, G.L.; Jacobson, M.P.; Lokey, R.S. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 2510; (b) Kwon, Y.-U.; Kodadek, T. Chem. Biol. 2007, 14, 671.
5. (a) Faulkner, D.J. Nat. Prod. Rep. 1984, 1, 251; (b) Hussain, A.; Yousuf, S.K.; Mukherjee, D. RSC Adv. 2014, 4., 43241.
6. Gradillas, A.; Pérez-Castells, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 6086; (b) Yu, M.; Wang, C.; Kyle, A.F.; Jakubec, P.; Dixon, D.J.; Schrock, R.R.; Hoveyda, A.H. Nature. 2011, 479, 88; (c) Madsen, C.M.; Clausen, M.H. Eur. J. Org. Chem. 2011, 3107; (d) Unsworth, W.P.; Gallagher, K.A.; Jean, M.; Schmidt, J.P.; Diorazio, L.J.; Taylor, R.J.K. Org. Lett. 2013, 15, 262; (e) Yu, X.; Sun, D. Molecules. 2013, 18, 6230.
7. Sumi, K.; Inoue, Y.; Nishio, M.; Naito, Y.; Hosoya, T.; Suzuki, M.; Hidaka, H. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2014, 24(3), 831.
8. Zhang, H.; Qiu, S.; Tamez, P.; Tan, G.T.; Aydogmus, Z.; Van Hung, N.; Cuong, N.M.; Angerhofer, C.; Soejarto, D.D.; Pezzuto, J.M.; Fong, H.H.S. Pharm. Biol. 2002, 40, 221.
9. Fu, X.; Sévenet, T.; Remy, F.; Païs, M.; Hamid, A.; Hadi, A.; Zeng L.M. J. Nat. Prod. 1993, 56, 1153.
10. Peters, D.H.; Friedel, H.A.; McTavish, D. Drugs. 1992, 44, 750.
11. Mallinson J., Collins I. Future Med. Chem. 2012, 4, 1409.
12. Practical Medicinal Chemistry with Macrocycle (Eds.: E. Marsault, M. L, Peterson). Wiley. 2017.
13 (a) Fastrez, J. J. Phys. Chem. 1989, 93, 2635; (b) Collins, J.C.; James, K. Med. Chem. Commun. 2012, 3, 1489; (c) Shen, X.; Nguyen, T.T.; Koh, M.J.; Xu, D.; Speed, A.W.H.; Schrock, R.R.; Hoveyda, A.H. Nature. 2017, 541, 380.
4.3 Конкретная задача (задачи) в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб и комплексность
ОСНОВНОЙ ЦЕЛЬЮ предлагаемого проекта является развитие подхода к получению ЦСР и макроциклов за счет реакции раскрытия имидазолинового фрагмента в конденсированных гетероциклах, путем изучения возможности негидролитической фрагментации данных молекулярных систем, приводящей к формированию целевых соединений, содержащих амидиновый, тиоамидный либо диаминоалкильный фрагменты. При этом, за “отправную точку” в исследовании нами будут взяты тетрациклические молекулы 1, чье превращение в ЦСР 3 путем реакции раскрытия гидратированного имидазолинового фрагмента 2 впервые было исследовано в нашей научной группе (Схема 4.3.1).
Схема 4.3.1
Если рассматривать данное превращение как простую реакцию нуклеофильного присоединения гидроксид-аниона к амидиновому C-атому, с последующей стадией элиминирования, то можно предположить, что замена О-нуклеофила в первой стадии на N-, S- либо C-нуклеофил также должно приводить к получению ЦСР. В этой связи, в ходе реализации проекта для достижения поставленной цели мы планируем решить ряд КЛЮЧЕВЫХ ЗАДАЧ:
1. Изучение возможности раскрытия имидазолинового фрагмента под действием N-нуклеофилов.
Взаимодействие различных N-нуклеофилов (аминов, гидроксиламина и гидразина, а также их производных) с кватернизированным имидазолиновым циклом 1 должно приводить к получению ЦСР, содержащих в своей структуре амидиновый фрагмент 3 или его аналоги (Схема 4.3.2).
Схема 4.3.2
В ходе выполнения проекта нами будет исследована стереоселективность данного превращения, а также влияние на протекание реакции структуры N-нуклеофилов 4 и исходных субстратов 1, необходимость присутствия в реакционной массе дополнительных не нуклеофильных оснований (таких как DBU, t-BuOK, LiHMDS).
Кроме того, в нашей первой работе было показано, что некватернизированный имидазолин 7 не подвергается фрагментации под действием гидроксид-аниона даже в жестких условиях, что не позволяет получать ЦСР 3, не содержащие заместители при амидном N-атоме (Схема 4.3.3). Очевидно, это связано с пониженной электрофильностью амидинового С-атом. Мы предполагаем, что использование более сильного нуклеофила – амид-аниона (при введении в реакцию NaNH2 или KNH2), даст возможность преодолеть это ограничение и получить структуры 6.
Схема 4.3.3
2. Изучение возможности раскрытия имидазолинового фрагмента под действием S-нуклеофилов.
Еще одним направлением исследований станет изучение возможности раскрытия кватернизированного имидазолинового фрагмента под действием S-нуклеофилов, в качестве которых будут выступать сульфиды или гидросульфиды щелочных металлов 8. Разработка данного протокола формирования ЦСР позволит получить нам целевые соединения 10, содержащие в цикле тиоамидный фрагмент (Схема 4.3.4).
Схема 4.3.4
Мы изучим влияние на протекания данной реакции строения исходных субстратов, необходимость использования в реакция дополнительных более сильных оснований, а также условий проведения синтеза.
3. Изучение возможности раскрытия имидазолинового фрагмента под действием С-нуклеофилов.
Соединения, способные образовывать карбанионы 11, также, на наш взгляд, могут выступать нуклеофилами при фрагментации кватернизированного имидазолинового цикла. При этом, продуктами реакции будут ЦСР и макроциклы, содержащие в своем составе диаминоалкильный фрагмент 13 (Схема 4.3.5).
Схема 4.3.5
В качестве реагентов 11 в данное превращение мы планируем ввести нитроалканы, производные малоновой кислоты, енольные формы альдегидов и кетонов. Ме изучим стереоселективность реакции, особенно в случае проведения синтеза с не симметричными реагентами, а также влияние на её протекания строения исходных субстратов, условий проведения синтеза и прочее.
4. Расширение разработанных протоколов на другие субстраты.
Далее, разработанные протоколы негидролитического раскрытия имидазолинового фрагмента мы перенесем на другие субстраты, в которых имидазолиновыый цикл будет конденсирован с гетероциклическими системами разного размера. Примеры скаффолдов, которые будут исследованы при реализации данного этапа проекта, приведены на Схеме 4.3.6.
Схема 4.3.6
5. Оценка применимости разработанных подходов к получению ЦСР и макроциклов в медицинской химии.
Ключевым преимуществом разрабатываемого подхода к синтезу ЦСР и макроциклов являются мягкие условия его проведения – зачастую все реакции протекают при комнатной температуре и не требуют использования сильных кислот или оснований. Это позволяет получать целевые циклические системы с различными, даже относительно лабильными фармакофорными группами, за счет введения последних в структуру исходных субстратов.
В частности, в ходе выполнения проекта мы планируем получить серию ЦСР, содержащих первичную сульфонамидную группу, которая способна обеспечивать ингибирование цинксодержащих ферментов – карбоангидраз человека (КАЧ), многие из которых являются терапевтическими мишенями для лечения широкого спектра заболеваний. Ранее в нашей группе было показано, что 7-ми членные лактамы - производные диареноказепина, являются ценными скаффолдами для дизайна изоформноселективных ингибиторов КАЧ, поэтому полученные в рамках проекта ЦСР так же будут протестированы на данный тип биологической активности (в сотрудничестве с Prof. Claudiu Supuran из Университета Флоренции, Италия) (Рисунок 4.3.1).
Рисунок 4.3.1
Также мы планируем получить несколько обширных серий ЦСР и макроциклов, в структуре которых будут присутствовать нитровинильный винильный фрагмент. Наличие последнего в молекуле способно обеспечить ей повышенную антимикробную активность. Возможные примеры скаффолдов данных серий приведены на Рисунке 4.3.2. Полученные серии будут протестированы на противомикробную активность на панели граммположительных, граммотрицательных бактерий и грибов (в сотрудничестве с к.х.н. А.А. Шетневым, Центр трансфера фармацевтических технологий им. М.В. Дорогова, г. Ярославль).
Рисунок 4.3.2
4.4 Научная новизна исследований, обоснование достижимости решения поставленной задачи (задач) и возможности получения предполагаемых результатов
До сегодняшнего дня в области синтетической органической химии почти не предпринималось систематических усилий, направленных на поиск новых методологий формирования ЦСР и макроциклических систем. В предлагаемом проекте мы задаемся целью развития подхода к получению ЦСР и макроциклов за счет реакции негидролитического раскрытия имидазолинового фрагмента в конденсированных гетероциклах. При этом, за “отправную точку” в исследовании нами будут взяты тетрациклические системы, чье превращение в ЦСР путем раскрытия гидратированного имидазолинового фрагмента впервые было исследовано в нашей научной группе (Схема 4.3.1). Это позволит нам отработать ключевые методики формирования ЦСР на уже точно “работающих” прекурсорах, определив, как различные факторы влияют на протекание и стереоселективность исследуемых превращений. Затем, основываясь на полученных данных, мы расширим круг субстратов, вовлекаемых в предлагаемую методологию получения ЦСР. Это позволит существенно упростить и ускорить поиск новых легко “раскрывающихся” скаффолдов, способных давать целевые молекулярные системы, сведя к минимуму число “нерабочих” исходных субстратов.
Полученные нами в ходе реализации предлагаемого проекта результаты способны значительно увеличить синтетическую доступность ЦСР и макроциклов. В итоге, мы существенно расширим круг известных скаффолдов, способных, за счет реакции фрагментации, приводить к формированию ЦСР или макроциклических систем. Это позволит нам обогатить пространство известных на сегодняшний день соединений совершенно новыми типами ЦСР и макроциклов, относящихся к различным классам гетероциклов. Также полученные результаты внесут вклад в фундаментальную область химических знаний благодаря накоплению данных о закономерностях протекания реакций фрагментации конденсированных гетероциклических систем и их зависимости от структуры исходных субстратов и реагентов. Кроме того, мы впервые получим данные о способности сульфонамидных производных ЦСР и макроциклов ингибировать ряд важных изоформ карбоангидразы человека, а также исследуем противомикробную активность ряд целевых систем, имеющих в своем составе нитрогетероциклический фрагмент.
Успешному выполнению поставленных задач и получению запланированных результатов будут способствовать обширный опыт членов коллектива в совместном проведении исследовательских работ по органическому синтезу (и, в частности, по изучению реакции раскрытия гидратированного имидазолинового фрагмента в конденсированных системах, что подтверждается публикациями руководителя), так же, как и наличие коллаборации с научной группой prof. Claudiu Supuran (являющегося мировым лидером в области создания ингибиторов карбоангидразы; у членов коллектива есть совместные публикации с prof. C. Supuran), а также наличие у коллектива всей необходимой инфраструктуры и ресурсов (помещений, оборудования, реактивов, доступа к Ресурсному парку СПбГУ).
4.5 Современное состояние исследований по данной проблеме, основные направления исследований в мировой науке и научные конкуренты
В основе наиболее распространенного подхода к получению циклических молекул лежат реакции циклизации линейных прекурсоров, содержащих две реакционноспособные функциональные группы, в результате взаимодействия которых и формируются целевые системы. Данный подход эффективно применяется на практике для синтеза малых циклов и обычных циклических систем. Однако, протекание реакций циклизации линейных реагентов для получения ЦСР, а также макроциклов, связано с рядом весьма серьезных затруднений. С одной стороны, основным барьером, стоящим на пути формирования ЦСР через реакцию циклизации, является энтропийный фактор [1]. С другой – важным условием успешного протекания макроциклизации (1→2) является превосходство скорости реакции циклизации над конкурирующим межмолекулярным связыванием (1→3) (Схема 4.5.1) [2].
Схема 4.5.1
Наиболее распространенным способом предотвращения этой проблемы при формировании ЦСР является проведение реакций циклизации при высоком разбавлении [3]. Такие условия значительно снижают скорость межмолекулярного связывания молекул прекурсора за счет уменьшения частоты межмолекулярных столкновений, и, как правило, не оказывают значительного влияния на желаемую внутримолекулярную реакцию. В тоже время, проведение реакций при высоких разбавлениях делает их трудномасштабируемыми, что крайне затрудняет получение целевых молекулярных систем по данной методологии в значимых количествах.
Среди научных групп, занимающихся проблематикой ЦСР, а также макроциклических систем и развивающих данный способ их сборки можно выделить группу проф. Andrei K. Yudin (University of Toronto, Канада [4]) и группу проф. Santiago V. Luis (Universitat Jaume I, Испания [5]).
Применительно к получению ЦСР, а также макроциклов, наиболее высокую эффективность показали синтетические методологии, основанные на реакциях расширения циклических систем. При этом, данные реакции могут идти непосредственно через разрыв общей связи между двумя конденсированными циклами (Схема 4.5.2 А), либо конденсированная система может образовываться и вступать в реакцию расширения цикла in situ (Схема 4.5.2 B). Прямые реакции фрагментации предварительно полученных конденсированных бициклических соединений (Схема 4.5.3 А) в большинстве случаев протекают необратимо и хорошо подходят для синтеза относительно нестабильных молекул (например ЦСР), даже несмотря на то, что получение прекурсоров не всегда является простой синтетической задачей, а расширение циклов иногда сопровождается нежелательными трансаннулярными побочными реакциями. В противоположность этому, методики, основанные на встраивании боковой цепи (Схема 4.5.2 А), в целом более выгодны по причине использования более простых исходных соединений, но эти реакции часто являются обратимыми и термодинамический контролируемыми, что может быть особенно проблематичным при получении более сложных циклических систем.
Схема 4.5.2
Одни из первых работ, посвященные использованию стратегии расширения бициклических систем в синтезе ЦСР и макроциклов, были выполнены под руководством проф. Manfred Hesse (Universität Zürich, Швейцария). В частности, исследователями была предложена и осуществлена многостадийная схема синтеза макроцикла 7, представленная на Схеме 4.5.3. Она включает в себя 2 стадии расширения циклической системы:
- первое расширение идет за счет атаки N-нуклеофильного реакционного центра боковой цепи на карбонильный атом углерода в циклическом фрагменте молекулы 4 и последующего разрыва связи С-С с высвобождением карбаниона, стабилизированного нитрогруппой. Стоит подчеркнуть, что данная стабилизация играет ключевую роль в реакции превращения 4→5.
- вторая реакция расширения протекает в результате внутримолекулярного трансамидирования: атом азота боковой цепи атакует карбонильный атом углерода в лактамном фрагменте молекулы 6, после чего идет разрыв связи С-N и образуется макроциклическая система 7. При этом, данное расширение обратимо и кинетически контролируемо - в результате реакции получается равновесная смесь 6 и 7 в соотношении 1:1 [6].
Схема 4.5.3
М. Hesse с коллегами для синтеза макроциклических систем разработали так называемые “Зип-реакции” в которых проблема нестабильности промежуточно образующихся ЦСР преодолевается за счет протекания нескольких последовательных реакций расширения цикла one-pot [7]. Так, при действии на производное барбитуровой кислоты 8 основанием – KF в присутствии краунэфира вначале происходит расширение пиримидинового цикла с образованием нестабильного ЦСР 9 (Схема 4.5.4). Однако, за счет того, что полупродукт 9 сразу же превращается в более стабильный макроцикл 10, в реакционной массе устанавливается равновесие, благодаря которому с умеренным выходом (34%) может быть выделен целевой продукт 10.
Схема 4.5.4
Так же в группе проф. М. Hesse был разработан ряд протоколов раскрытия циклических систем за счет атаки O- или С-нуклеофила боковой цепи. В частности, при действии на циклический α-нитрокетон 11 и его аналоги тетрабутиламоний фторида (ТБАФ) в растворе ТГФ идет реакция раскрытия циклического фрагмента с образованием макроцикла 12 (Схема 4.5.5). Ключевым фактором протекания данного превращения является наличие нитрогруппы в α-положении к кетогруппе [8].
Схема 4.5.5
Так же имеется ряд работ, описывающий подобные превращения с участием α-кетонитрилов [9] и α-кетосульфонамидов [10].
Пример реакций расширения циклов за счет атаки C-нуклеофила боковой цепи можно встретить в публикациях [11]. В частности, при обработке циклического нитрокетона 13 ТБАФ в растворе ТГФ образуется макроцикл 17. Данная реакция включает стадии образование карбаниона 14, расширения циклической системы (14→15), переноса протона (15→16) и формирования целевого продукта 17 с выходом 93% (Схема 4.5.6).
Схема 4.5.6
Весьма интересны исследования научной группы проф. William Unsworth (University of York, Великобритания, https://www.york.ac.uk/chemistry/staff/academic/t-z/wunsworth/), посвященные формированию ЦСР за счет реакции расширения циклических систем. В частности, W. Unsworth с коллегами разработали эффективный протокол получения ЦСР и макроциклов путем раскрытия циклических кетоэфиров 19, протекающее при обработке последних пипиридином в растворе CH2Cl2 при комнатной температуре (Схема 4.5.7). При этом в качестве нуклеофильного центра в боковой цепи может выступать O- либо N-атом, а выходы целевых циклических систем 20 составляют 12-84% [12].
Схема 4.5.7
Ещё одна публикация группы W. Unsworth посвящена раскрытию N-ацильных производных лактамов (Схема 4.5.8) ([13] для X = NH и [14] для X = NH и O). Данное превращение протекает в мягких условиях – при действии на исходные субстраты 21 основания - DBU или пипиридина, в растворе хлористого метилена при RT и характеризуется хорошими выходами циклических систем 22.
Схема 4.5.8
Одна из последних работ проф. W. Unsworth, вышедшая в 2019 году, описывает раскрытие интермедиатов 24, образующихся в результате внутримолекулярного N-ацилирования пиридинового фрагмента в кислотах 23 (Схема 4.5.9). Реакция раскрытия 24 протекает спонтанно, при этом c выходом 28-100% происходит формирование ЦСР 25 [15].
Схема 4.5.9
Так же стоит отметить серию обзорных статей проф. W. Unsworth, посвященных проблематике получения ЦСР и макроциклов через реакцию раскрытия циклических систем [16].
В научной группе проф. Jonathan Clayden (University of Bristol, Великобритания [17]) разработаны протоколы получения ЦСР и макроциклов, основанные на перегруппировке Смайлса. Так, при действии на мочевины 26 диизопропиламида лития (LDA) в присутствии N,N’-диметилпропилиденмочевины (DMPU) в растворе ТГФ при -78oC происходит образование бензильного карбаниона 27, из которого, благодаря перегруппировке Смайлса, формируются ЦСР 28 с выходом 49-90% (Схема 4.5.10) [18].
Схема 4.5.10
Антраниламиды 29 перегруппировываются в ЦСР и макроциклические системы 30 с хорошим выходом (53-100%) при действии на них гексаметилдисилазана натрия (NaHMDS) в среде ТГФ при 100оС и микроволновом излучении (Схема 4.5.11) [19].
Схема 4.5.11
В нашей стране систематическим исследованием реакций раскрытия циклических систем занимаются две научные группы.
В научной группе проф. Алексея Васильевича Варламова (Российский университет дружбы народов, Москва) развивается методология получения ЦСР, основанная на реакциях третичных циклических аминов с активированными алкинами. К примеру, в одной из последних работ, выполненных коллективом, описана реакция 1,2,3,4-тетрагидроизохинолинов 31 с производными ацетилендикарбоновой кислоты 32 в растворе трифторэтанола приводящая к протеканию домино-реакции, в результате которой формируются ЦСР 35 с выходом 87-97% (Схема 4.5.12) [20].
Схема 4.5.12
По аналогичному механизму протекает раскрытие изохинолинов 36 при их взаимодействии с производными ацетиленкарбоновой кислоты в растворе уксусной кислоты при микроволновом излучении (Схема 4.5.13). Выходы 10-тичленных ЦСР 39, полученных по данному протоколу, составили 30-70% [21].
Схема 4.5.13
Методология раскрытия циклических систем для получения ЦСР также развивается в научной группе проф. Михаила Юрьевича Красавина (Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург [22]), именно в этой группе и будет выполнятся предлагаемый проект. В разделе 4.7 изложены основные достижения нашего коллектива по тематике проекта.
Литература:
1. Practical Medicinal Chemistry with Macrocycle (Eds.: E. Marsault, M. L, Peterson), Wiley, 2017.
2. White, C.J.; Yudin, A.K. Nature Chem. 2011, 3 (7), 509.
3. (a) Fastrez, J. J. Phys. Chem. 1989, 93, 2635; (b) Collins, J.C.; James, K. Med. Chem. Commun. 2012, 3, 1489; (c) Shen, X.; Nguyen, T.T.; Koh, M.J.; Xu, D.; Speed, A.W.H.; Schrock, R.R.; Hoveyda, A.H. Nature. 2017, 541, 380.
4. https://sites.chem.utoronto.ca/yudinlab
5. https://academictree.org/chemistry/publications.php?pid=752514
6. (a) Wälchli, R.; Guggisberg, A.; Hesse, M. Tetrahedron Lett. 1984, 25 (21), 2205; (b) Bienz, S.; Guggisberg, A.; Wälchli, R.; Hesse, M. Helv. Chim. Acta. 1988, 71 (7), 1708
7. (a) Guggisberg, A.; Kramer, U.; Heidelberger, C.; Charubala, R.; Stephanou, E.; Hesse, M.; Schmid, H. Helv. Chim. Acta. 1978, 61 (3), 1050; (b) Kramer, U.; Guggisberg, A.; Hesse, M.; Schmid, H. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1978, 17 (3), 200; (c) Kramer, U.; Guggisberg, A.; Hesse, M.; Schmid, H. Angew. Chem. 1978, 90 (3), 210.
8. (a) Kostava, K.; Hesse, M. Helv. Chim. Acta. 1984, 67 (7), 1713; (b) Stach, H.; Hesse, M. Helv. Chim. Acta. 1986, 69 (7), 1614; (c) Stach, H.; Hesse, M. Helv. Chim. Acta. 1987, 70 (2), 315; (d) Stanchev, S.; Hesse, M. Helv. Chim. Acta. 1989, 72 (5), 1052.
9. Milenkov, B.; Hesse, M. Helv. Chim. Acta. 1987, 70 (2), 308.
10. Bhat, V.; Cookson, R.C.A J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1981, 21, 1123.
11. (a) Nakashita, Y.; Hesse, M. Angew. Chem. 1981, 93 (12), 1077; (b) Nakashita, Y.; Hesse, M. Helv. Chim. Acta. 1983, 66 (3), 845; (c) Bienz, S.; Hesse, M. Helv. Chim. Acta. 1988, 71 (7), 1704.
12. (a) Kitsiou, C.; Hindes, J.J.; I’Anson, P.; Jackson, P.; Wilson, T.C.; Daly, E.K.; Felstead, H.R.; Hearnshaw, P.; Unsworth, W.P. Angew. Chem. 2015, 127 (52), 16020; (b) Baud, L.G.; Manning, M.A.; Arkless, H.L.; Stephens, T.C.; Unsworth, W. P. Chem. Eur. J. 2017, 23 (9), 2225.
13. Stephens, T.C.; Lodi, M.; Steer, A.M.; Lin, Y.; Gill, M.T.; Unsworth, W.P. Chem. Eur. J. 2017, 23 (54), 13314.
14. Stephens, T.C.; Lawer, A.; French, T.; Unsworth, W.P. Chem. Eur. J. 2018, 24 (52), 13947.
15. Lawer, A.; Rossi‐Ashton, J.A.; Stephens, T.C.; Challis, B.J.; Epton, R.G.; Lynam, J.M.; Unsworth, W.P. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58 (39), 13942.
16. (a) Stephens, T.C.; Unsworth, W.P. Synlett. 2019, 31 (2), 133; (b) Clarke, A.K.; Unsworth, W.P. Chem. Sci. 2020, 11 (11), 2876.
17. https://claydenchemistry.net
18. (a) Hall, J.E.; Matlock, J.V.; Ward, J.W.; Gray, K.V.; Clayden, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55 (37), 11153; (b) Hill, J.E.; Matlock, J.V.; Lefebvre, Q.; Cooper, K.G.; Clayden, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57 (20), 5788.
19. Costil, R.; Lefebvre, Q.; Clayden, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56 (46), 14602.
20. Titov, A.; Samavati, R.; Alexandrova, E.; Borisova, T.; Dang Thi, T.; Nguyen, V.; Le, T.; Varlamov, A.; Van der Eycken, E.; Voskressensky, L. Molecules. 2018, 23 (11), 3010.
21. Titov, A.A.; Kobzev, M.S.; Borisova, T.N.; Listratova, A.V.; Evenko, T.V.; Varlamov, A.V.; Voskressensky, L.G. Eur. J. Org. Chem. 2020, 2020 (20), 3041.
22. https://www.krasavin-group.org
4.6 Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта и ожидаемые результаты
1 Методы и подходы, применяемые в синтетической части проекта
Ключевыми соединениями в нашем исследовании являются конденсированные системы, содержащие кватернизированный имидазолиновый цикл либо его аналоги. Для их синтеза мы планируем использовать как уже известные синтетические подходы, так и разработать ряд оригинальных методик, включающих непосредственное получение гетероциклических систем, содержащих лактамный фрагмент, и последующее формирование на его основе имидазолинового цикла (Рисунок 4.6.1).
Рисунок 4.6.1
1.1 Методы и подходы к синтезу конденсированных гетероциклических систем, содержащих лактамный фрагмент
Для получения диарен[b,f][1,5]ти-/окс-азоцин-11(12H)-онов 4 мы планируем отработать синтетическую схему, в которой исходными соединениями будут выступать замещенные салициловая и тиосалициловая кислоты 1 и о-нитробензилбромиды 2 (Схема 4.6.1). Их взаимодействие, в присутствии основания, приводит к получению производных 3, последующее восстановление которых действием Fe в уксусной кислоте будет давать целевые продукты реакции 4 (в литературе есть много примеров проведения подобной восстановительной циклизации для синтеза 7-ми членных гетероциклических систем [1]).
Схема 4.6.1
Для получения изомерных диарен[b,f][1,5]ти-/окс-/ди-азоцин-11(12H)-онов 8 мы опробуем двухстадийную синтетическую схему (Схема 4.6.2), включающую стадии алкилирования о-нитропроизводнах фенолов, тиофенолов или анилинов 6 метиловым эфиром о-бромметилбензойной кислоты 5 и последующую восстановительную циклизацию, в результате которой и будут формироваться целевые трициклические системы 8. В случае диарен[b,f][1,5]тиазоцин-11(12H)-онов 8 (X = S) мы также планируем осуществить окисление тиольного фрагмента до соответствующего сульфоксида 9 (к примеру, действием эквивалентного количества м-хлорнадбензойной кислоты в растворе CH2Cl2 [2]) и сульфона 10 (удобный и эффективный протокол подобного окисления описан в работе [3]), тем самым, не вводя дополнительных заместителей в арильный фрагмент, у нас получится сделать его более “хорошей” уходящей группой.
Схема 4.6.2
Получение бициклических систем, содержащих азепиновый фрагмент, будет проводится несколькими методами. В частности, ряд целевых серий будет синтезированы по описанной в литературе процедуре, включающей взаимодействие эфиров β-амино-/гидрокси-/меркапто-кислот 11 с о-нитогалоген(гетеро-)аренами 12 и последующую восстановительную циклизацию полупродуктов 13 в лактамы 14 (Схема 4.6.3) (для диазепинов [4], оксазепинов [5], тиазепинов [6]).
Схема 4.6.3
Кроме того, для получения ряда окс-/ти-азепинов 17 нами будет разработан подход, основанный на тандемной реакции ароматического нуклеофильного замещения (Схема 4.6.4). Исходными реагентами в нем будут выступать амиды кислот 15 и о-нитрогало- и о-дигало(гетеро-)арены 16. Эта методология нами ранее уже с успехом применялась для формирования производных диаренокс-/ти-азепинов [7], позволяя получать данные системы с хорошими выходами и в одну стадию. Разработка предлагаемого протокола позволит существенно расширить пространство соединений 17, в том числе и за счет введения в реакцию гетероциклических субстратов 16 - производных пиразина и пиримидина (получить соответствующие производные 17 иными способами представляется крайне тяжелой синтетической задачей).
Схема 4.6.4
Для синтеза бициклических систем, конденсированных с шестичленным лактамным фрагментом, будет использовано несколько синтетических подходов. В частности, одним из них станет реакция взаимодействия эфиров α-бромзамещенных карбоновых кислот 18 с различными о-аминофенолами и тиофенолами, а также производными о-фенилендиамина 19 и их гетероциклическими аналогами (Схема 4.6.5). На основе данного подхода нами будет получен ряд производных арил[b][1,4]окс-/ти-азин-3(4H)-она 20 (X = O или S) и 3,4-дигидрохиноксалин-2(1H)-она 20 (X = NH), в основном содержащих электронодонорные заместители в арильном фрагменте.
Схема 4.6.5
Для расширения разнообразия производных арилтиазинонов 223, содержащих электроноакцепторные группы в арильном фрагменте, нами также будет использована методология их формирования, основанная на тандемной реакции SNAr с участием амидов тиогликолевых кислот 21, а также о-нитрогало- и о-дигало(гетеро-)аренов 16 (Схема 4.6.6) [8]. Ряд полученных бициклов 22 будет окислен до производных арил[b][1,4]тиазин-3(4H)-он 1,1-диоксидов 23.
Схема 4.6.6
Ряд трициклических производных дигидрохиноксалинонов, конденсированных с пиррольным и имидазольным фрагментами 27, будет получен по двухстадийной синтетической схеме исходя из пиррол/имидазолкарбоновых кислот 24 и о-йод или бром-анилинов 25 (Схема 4.6.7). Первая стадия предлагаемого подхода заключается в N-ацилировании аминов 25 действием 24 (при активации карбонильной группы за счет использования N,N-карбонилдиимидазола или циклогексилкарбодиимида), последующая циклизация полупродуктов 26 протекает по протоколу Ульмана-Голдберга с каталитической системой CuI/(S)-Пролин и в присутствии основания – NaH [9].
Схема 4.6.7
Производные тетразоло[1,5-a]хиноксалин-4(5H)-она 28 будут получены по однореакторному протоколу, включающему стадии обработки индолинонов 28 йодом в присутствии NaN3 и последующего нагревания полупродуктов реакции в среде о-ксилола при 120оС и микроволновом излучении (Схема 4.6.8) [10].
Схема 4.6.8
При изучении возможности формирования ЦСР и макроциклов из производных индолинона мы предполагаем, что вероятная енолизация кватернизированных имидазолиновых систем, полученных на его основе, приведет к потере их способности к фрагментации. Для исключения протекания енолизации нами будут синтезированы 3-замещенные индолиноны 3 1и 42 за счет конденсации 30 с альдегидами и кетонами, либо путем С-алкилирования 30 различными алкилгалогенидами в присутствии NaH (Схема 4.6.9).
Схема 4.6.9
Получение гомо-аналогов сахарина мы планируем вести по двум направлениям. Так, синтез 2H-бензо[e][1,2]тиазин-3(4H)-он 1,1-диоксида будет осуществлен исходя из эфиров 3-галогензамещенных фенилуксусных кислот 33, путем их прямого сульфохлорирования, с последующей обработкой сульфохлоридов водным раствором аммиака, приводящей к получению сульфонамидов 34 [11]. Последующий щелочной гидролиз сложноэфирного фрагмента в молекулах 34 и внутримолекулярное ацилирование под действием SOCl2 будет формировать целевые молекулы 35 (Схема 4.6.10).
Схема 4.6.10
Синтез изомерного 1H-бензо[d][1,2]тиазин-4(3H)-он 2,2-диоксида 38 мы осуществим по уже отработанной нами ранее методике, заключающейся во взаимодействии эфира 2-хлорметилбензойной кислоты 36 с Na2SO3, с последующим превращением полученной таким образом сульфокислоты в сульфонамид 37 и формированием на его основе целевого продукта 38 (Схема 4.6.11).
Схема 4.6.11
1.2 Методы и подходы к формированию на основе лактамного фрагмента кватернизированного имидазолинового цикла или его аналогов
В одной из первых своих работ по изучению способности кватернизированного имидазолинового фрагмента к раскрытию, для синтеза ключевых молекул 42 мы использовали известный подход, основанный на превращении лактамов 39 в хлорпроизводные 40, путем обработки POCl3 c добавлением PCl5 или каталитических количеств N,N-диметиланилина, последующей реакции 40 с этаноламином и обработке образующихся полупродуктов SOCl2, благодаря чему и формировался имидазолиновый цикл 41. Кватернизация 41 проводилась так же по описанной процедуре, путем обработки 41 эквивалентным количеством алкилгалогенида (Схема 4.6.12) [12]. В другом исследовании мы разработали альтернативную методологию формирования 42, минуя стадию кватернизации имидазолинового цикла, благодаря введению в реакцию с хлориминами 40 N-замещенных аминоэтанолов 43 [7b]. Также мы показали возможность введения в эту реакцию и гомо-аналогов аминоэтанола – 3-аминопропанола и 4-аминобутанола.
Схема 4.6.12
Важным ограничением описанного подхода к формированию 42 является то, что далеко не все производные 40 стабильны (особенно в случае алифатических лакамных колец). Это значительно усложняет работу с ними, а также уменьшает выходы целевых систем. Поэтому, для ряда скаффолдов мы планируем разработать альтернативную схему формирования 42, идущую через превращение лактамов 39 в тиоамидные производные 44 (Схема 4.6.13). Из литературы известно, что атом серы в тиоамидах способен замещаться на аминогруппу в реакциях с аминами, причем при использовании солей ртути или серебра для связывания серы, данная реакция протекает в очень мягких условиях и с почти количественными выходами продуктов [13].
Схема 4.6.13
2 Методы и подходы, применяемые для установления структуры и чистоты получаемых соединений
При выполнении предлагаемого проекта для установления чистоты и структуры полученных соединений мы будем опираться на современные физико-химические методы анализа: одномерную спектроскопию ядерного магнитного резонанса 1H и 13C, а также методики двумерной корреляционной гомоядерной и гетероядерной спектроскопии ЯМР (COSY, TOCSY, NOESY, HMBC, HSQC и т.д.), масс-спектроскопию высокого разрешения, методы рентгеноструктурного анализа. Данные работы планируется проводить на базе Санкт-Петербургского государственного университета в Ресурсных центрах «Магнитно-резонансные методы исследования», «Методы анализа состава вещества», «Рентгенодиффракционные методы исследования» (http://researchpark.spbu.ru).
3 Методы и подходы, применяемые для оценка практической применимости разработанного подхода в медицинской химии
3.1 Изучение активности относительно КАЧ будет проводится в Университете Флоренции на оборудовании, предоставляемом в рамках многолетней продуктивной коллаборации с лабораторией prof. Claudiu Supuran.
Константы ингибирования полученных веществ будут определены в отношении панели терапевтически релевантных изоформ КАЧ кинетическим методом остановленной струи [14]. Значения IC50 для каждого соединения в отношении каждой изоформы КАЧ будут определены в результате трех независимых измерений и конвертированы в константы ингибирования с помощью уравнения Ченга-Прусова [15].
3.2 Изучение антимикробной активности будет проводится в Центре трансфера фармацевтических технологий им М.В. Дорогова на базе ЯГПУ им. К.Д. Ушинского.
Для выполнения задач данного проекта мы выбрали наиболее оптимальный на наш взгляд вариант проведения противомикробного скрининга, представляющий собой метод жидких цветных питательных сред, который является модификацией метода серийных разведений [16]. В основе идеи лежит экспресс-метод определения антибиотикочувствительности возбудителей гнойно-септических инфекций, предложенный М.И. Леви с соавторами [17], также описанный в англоязычной литературе [18]. Данный метод отбора с использованием жидких цветных питательных сред имеет ряд неоспоримых преимуществ (Объективность, быстрота, низкая цена, масштабируемость, простота аппаратурного оформления). Принцип отбора соединений с использованием данного подхода основан на свойстве микроорганизмов менять pH среды обитания вследствие накопления продуктов жизнедеятельности. Контролируя pH среды колориметрическим способом при совместном инкубировании бактерий в присутствии испытуемых веществ в известной концентрации за определенное время можно количественно оценивать бактериостатический, бактерицидный эффект и объективно определять минимально-ингибирующую концентрацию испытуемых соединений в отношении исследуемых штаммов. Cочетание данной методологии с использованием современного оборудования для биоскрининга (роботизированные рабочие станции, мультифункциональные планшетные ридеры, имиджеры) предоставляет прекрасные возможности для оперативной оценки антимикробной активности обширных серий лекарственных кандидатов.
Синтезированные вещества будут испытаны на антимикробную активность в отношении следующих штаммов граммположительных, граммотрицательных микроорганизмов и грибов:
1. Штамм Escherichia coli штамм C600;
2. Штамм Escherichia coli DH52 REF Amp100 (рекомбинантный, устойчивый к ампициллину);
3. Штамм Escherichia coli K802 RifR (рекомбинантный, устойчивый к рифампицину);
4. Штамм Lactobacillus acidophilus Ep 317/402;
5. Штамм Bifidobacterium animalis subsp lactis BB-12;
6. Штамм Staphylococcus aureus ATCC 6538-P;
7. Штамм Staphylococcus aureus ATCC 25923 (F-49);
8. Штамм грибов Candida albicans;
9. Клинический штамм № 27 Enterobacter sp. (множественная лекарственная устойчивость).
При возникновении необходимости биобанк может быть дополнен другими культурами микроорганизмов.
4 Общий план работы на весь срок выполнения проекта
На 2022 г запланированы следующие работы:
- Получение серий полициклических систем, в которых имидазолиновый фрагмент конденсирован с окс-/ти-/ди-азепиновым гетероциклом (Схемы 4.6.3, 4.6.4);
- Исследование возможности и направления фрагментации серий трициклических систем, в которых имидазолиновый фрагмент конденсирован с 7-ми членным гетероциклом, под действием N-нуклеофильных реагентов (аминов, гидроксиламина и гидразина, а также их производных);
- Изучение закономерностей протекания фрагментации имидазолин-конденсированных систем под действием N-нуклеофильных реагентов в зависимости от строения исходного субстрата, N-нуклеофильного реагента, а также условий проведения синтеза;
- Исследование возможности и направления фрагментации серий трициклических систем, в которых имидазолиновый фрагмент конденсирован с 7-ми членным гетероциклом, под действием S-нуклеофильных реагентов;
- Изучение закономерностей протекания фрагментации имидазолин-конденсированных систем под действием S-нуклеофильных реагентов в зависимости от строения исходного субстрата и условий проведения синтеза;
- Получение и исследование ингибирующей активности серии ЦСР и макроциклов, содержащих первичную сульфонамидную группу относительно терапевтически релевантных изоформ КАЧ (2-3 серии по 10 соединений в каждой);
- Публикация полученных результатов в виде 2 статей в изданиях, индексируемых базами данных WoS/Scopus, а также выступление с устным докладом на очной конференции по органической или медицинской химии.
На 2023 г запланированы следующие работы:
- Исследование возможности и направления фрагментации серий трициклических систем, в которых имидазолиновый фрагмент конденсирован с 7-ми членным гетероциклом, под действием С-нуклеофильных реагентов (нитроалканов, производных малоновой кислоты, енольных форм альдегидов и кетонов);
- Изучение закономерностей протекания фрагментации имидазолин-конденсированных систем под действием С-нуклеофильных реагентов в зависимости от строения исходного субстрата, С-нуклеофильного реагента, а также условий проведения синтеза;
- Получение серии соединений, содержащих нитровинильный фрагмент (2-3 серии по 10 соединений в каждой) и изучение их антмикробной активности;
- Получение серий полициклических соединений, в которых имидазолиновый фрагмент конденсирован с 5-ти, 6-ти и 8-ми членными гетероциклическими системами (Схемы 4.6.1 - 4.6.2 и 4.6.5-4.6.11);
- Изучение возможности и направления фрагментации серий трициклических систем, в которых имидазолиновый фрагмент конденсирован с 5-ти, 6-ти и 8-ми членным гетероциклом под действие различных N-, S- и С-нуклеофильных реагентов;
- Публикация полученных результатов в виде 2 статей в изданиях, индексируемых базами данных WoS/Scopus.
Литература:
1. (a) Fader, L. D.; Bethell, R.; Bonneau, P.; et al. Bioorganic Med. Chem. Lett. 2011, 21 (1), 398; (b) Bunce, R. A.; Schammerhorn, J. E. J. Heterocycl. Chem. 2006, 43 (4), 1031.
2. Yoneda, T.; Tabata, H.; Tasaka, T.; Oshitari, T.; Takahashi, H.; Natsugari, H. J. Med. Chem. 2015, 58 (7), 3268.
3. Reutskaya, E.; Osipyan, A.; Sapegin, A.; Novikov, A. S.; Krasavin, M. J. Org. Chem. 2018, 84 (4), 1693.
4. Taylor, A. M.; Côté, A.; Hewitt, M. C.; et al. ACS Med. Chem. Lett. 2016, 7 (5), 531.
5. Lévai, A.; Ott, J.; Snatzke, G. Monatsh Chem. 1992, 123 (10), 919.
6. Grandolini, G.; Ricci, A.; Martani, A.; Delle Monache, F. J. Heterocycl. Chem. 1966, 3 (3), 302.
7. (a) Sapegin, A. V.; Sakharov, V. N.; Kalandadze, L. S.; Smirnov, A. V.; Khristolyubova, T. A.; Plakhtinskii, V. V.; Ivashchenko, A. V. Mendeleev Commun. 2008, 18 (5), 281; (b) Grintsevich, S.; Sapegin, A.; Reutskaya, E.; Peintner, S.; Erdélyi, M.; Krasavin, M. Eur. J. Org. Chem. 2020, 35, 5664.
8. Zhao, Y.; Wu, Y.; Jia, J.; Zhang, D.; Ma, C. J. Org. Chem. 2012, 77 (19), 8501.
9. Liu, W.; Bang, J.; Zhang, Y.; Ackermann, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54 (47), 14137.
10. Holzschneider, K.; Tong, M. L.; Mohr, F.; Kirsch, S. F. Chem. Eur. J. 2019, 25 (50), 11725.
18. Ayitou, A. J.-L.; Vallavoju, N.; Ugrinov, A.; Sivaguru, J. Photochem. Photobiol. Sci. 2011, 10 (9), 1380.
11. Chen, Q.-H.; Rao, P. N. P.; Knaus, E. E. Bioorganic Med. Chem. 2005, 13 (15), 4694.
12. Grintsevich, S.; Sapegin, A.; Reutskaya, E.; Krasavin, M. Tetrahedron Lett. 2019, 60 (1), 20.
13. (a) Tomasi, S.; Renault, J.; Martin, B.; Duhieu, S.; Cerec, V.; Le Roch, M.; Uriac, P.; Delcros, J.-G. J. Med. Chem. 2010, 53 (21), 7647; (b) Hutton, C. A.; Bartlett, P. A. J. Org. Chem. 2007, 72 (18), 6865.
14. Khalifah, R.G. J. Biol. Chem. 1971, 246 (8), 2561.
15. Cheng, Y.; Prusoff, W.H. Biochem. Pharmacol. 1973, 22 (23), 3099.
16. CLSI. Methods for Dilution Antimicrobial Susceptibility Tests for Bacteria that Grow Aerobically. Approved Standard, 9th ed., CLSI document M07-A9. Clinical and Laboratory Standards Institute, 950 West Valley Road, Suite 2500, Wayne, Pennsylvania 19087, USA, 2012.
17. Levi, M.I.; Suchkov, Yu.G.; Prohorov, V.Ya.; Terushkin V.A. Дезинфекционное дело. 1999, 3, 21.
18. (a) Al-Bakri, A.G.; Afifi, F.U. J. Microbiol. Methods. 2007, 68, 19. (b) CLSI. Methods for Determining Bactericidal Activity of Antimicrobial Agents. Approved Guideline, CLSI document M26-A. Clinical and Laboratory Standards Institute, 950 West Valley Road, Suite 2500, Wayne, Pennsylvania 19087, USA, 1998.
4.7 Имеющийся у научного коллектива научный задел по проекту, наличие опыта совместной реализации проектов
С 2017 года нашей научной группой ведутся активные исследования в области синтеза ЦСР. Так, нами впервые был предложен подход к получению ЦСР 4 основанный на реакции раскрытия гидратированного имидазолинового фрагмента (HIRE - Hydrated Imidazoline Ring Expansion) в конденсированных системах 1 (Схема 4.7.1) [1]. Исходными соединениями в данной стратегии выступают тетрациклические производные имидазолина, конденсированного с оксазепиновым фрагментом 1, удобный подход к синтезу которых был описан нами ранее [2]. В начале имидазолины 1 подвергались кватернизации (действием алкилгалогенидов или эфиров серной кислоты), после чего полупродукты 2, без выделения, обрабатывались водным раствором K2CO3, что приводило к образованию гидратированного имидазолинового фрагмента 3 и последующей его фрагментации, с формированием целевых продуктов синтеза 4.
Схема 4.7.1
Далее мы расширили методологию HIRE на производные имидазотиазепинов 1 (X = S), а также на их аналоги, в которых атом серы окислен до сульфоксида и сульфона 1 (X = SO и SO2, соответственно). Так же в этом исследовании нами была проведена сравнительная оценка скоростей реакции раскрытия кватернизированного имидазолинового фрагмента в зависимости от заместителя X в азепиновом кольце [3].
В 2019 году нами опубликовано исследование по использованию реакции HIRE в синтезе неописанных ранее ЦСР 7, содержащих 1,4,7-триазециновый фрагмент, при этом прекурсором в данном исследовании выступил противовирусный препарат Невирапин 5 (Схема 4.7.2) [4].
Схема 4.7.2
Так же в 2019 году мы показали, что аминоалкильные производные циклических лактамов 8 могут выступать прекурсорами в методологии HIRE, что позволило получить на их основе неописанные ранее производные окса- и тиадиазецинонов 10, а также их гомо-аналогов (Схема 4.7.3) [5,6]. На основе разработанной методологии нами был получен целый ряд неописанных ранее 10-, 11- и 12-членных лактамных производных, с широким разнообразием молекулярной периферии.
Схема 4.7.3
Данный подход выгодно отличается от разработанных нами ранее тем, что с его помощью можно, получить не только 10-, но и 11-, 12-членные лактамы путем введения в реакцию аминопропильных и аминобутильных производных окс-(ти-)азепинонов. Также с помощью данного метода стало возможным получать N-незамещенные лактамы среднего размера.
В 2020 году мы завершили исследование, в котором продемонстрировали возможность формирования ЦСР исходя из синтетически доступных производных диареноксазепинонов 11 путем превращения их в хлорпроизводные 12 и введение последних в реакцию с N-алкиламиноэтанолами 13 (Схема 4.7.4). При этом, благодаря последовательности превращений 14→15→16, на периферии оксазепинового цикла формировался кватернизированный имидазолиновый фрагмент 16, который на последней стадии реакции подвергался гидролитическому раскрытию. В зависимости от электронной структуры арильного фрагмента в системах 11 нами выделялись либо продукты расширения оксазепинового цикла 18 (при наличии сильных электроноакцепторных групп в арильном фрагменте), либо продукты выброса аминоалкильной цепи 17 (в случае незамещенного субстрата 11, или при наличии в арильном фрагменте электронодонорных групп), либо их смеси (при наличии слабых электроноакцепторных групп в арильном фрагменте) [7].
Схема 4.7.4
Так же на модельных системах мы провели кинетические исследования влияния структуры N-бензоил-N-(гетеро)арилэтилендиаминов на протекание перегруппировки 19→22 (Схема 4.7.5). В результате было показано, что ключевым фактором, определяющим возможность и скорость данного превращения, является стабилизация интермедиата 21, которая, в первую очередь, определяется наличием электроноакцепторных заместителей в (гетеро)арильном фрагменте 19 [8].
Схема 4.7.5
Кроме того, в 2020 году нами была подготовлена глава в сборнике Advances in Heterocyclic Chemistry в которой был собран и систематизирован весь материал, касающийся реакций раскрытия имидазолинового фрагмента и их применения в органическом синтезе [9].
Из неопубликованных на момент подачи заявки материалов, относящихся к проекту, стоит отметить исследование фрагментации производных имидазоазепинов 24, получаемых из соответствующих ди(гетеро)ареназепинов 23. Как мы и предполагали, соединения 24 оказались самыми реакционноспособными в ряду окса- тиа и диазепинов, и с успехом превращались в ЦСР, даже в отсутствии электроноакцепторных заместителей в арильном фрагменте (Схема 4.7.6).
Схема 4.7.6
Кроме того, нами разработан синтетический протокол, позволяющий перегруппировывать N-аминоалкильные производные ди(гетеро)ареназепинов, содержащие электронодонорные заместители в арильном фрагменте (Схема 4.7.7). Он заключается в обработке исходных субстратов 26 гексаметилдисилазаном лития (LiHMDS) в растворе толуола при комнатной температуре. Выходы целевых ЦСР 27 при этом умеренные (40-53%).
Схема 4.7.7
Руководитель проекта, Сапегин А.В., имеет большой опыт совместного выполнения исследований со всеми участниками предлагаемого проекта, в том числе полученный в ходе реализации грантов РНФ №17-73-20185 “Дизайн кристаллических форм фармацевтических субстанций за счет нековалентных взаимодействий”, РНФ 14-50-00069 “Трансляционная биомедицина в СПбГУ” и РФФИ 18-03-01081 “Гидролитическое раскрытие имидазолинового фрагмента в аннелированных системах – новый путь формирования полизамещенных циклов средних размеров”. Также у руководителя коллектива имеются совместные публикации с исполнителями проекта Шароновой Т.Е. (1 статья), Лавит К.С. (1 статья). Таким образом, коллектив уже имеет значительный опыт совместной работы, что, несомненно, способствует успешной реализации данного проекта.
Литература:
1. Sapegin, A.; Osipyan, A.; Krasavin, M. Org. Biomol. Chem. 2017, 15, 2906.
2. Karamysheva, K.; Reutskaya, E.; Sapegin, A.; Dorogov, M.; Krasavin, M. Tetrahedron Lett. 2015, 56, 5632.
3. Osipyan, A.; Sapegin, A.; Novikov, A.; Krasavin, M. J. Org. Chem. 2018, 83, 9707.
4. Grintsevich, S.; Sapegin, A.; Reutskaya, E.; Krasavin, M. Tetrahedron Lett. 2019, 60, 20.
5. Reutskaya, E.; Osipyan, A.; Sapegin, A.; Novikov, A.; Krasavin, M. J. Org. Chem. 2019, 84, 1693.
6. Reutskaya, E.; Sapegin, A.; Peintner, S.; Erdélyi, M.; Krasavin, M. J. Org. Chem. 2021, 86(8), 5778.
7. Grintsevich, S.; Sapegin, A.; Reutskaya, E.; Peintner, S.; Erdélyi, M.; Krasavin, M. Eur. J. Org. Chem. 2020, 35, 5664.
8. Lavit, K.; Reutskaya, E.; Grintsevich, S.; Sapegin, A.; Krasavin, M. Tetrahedron Lett. 2020. 61. 152423.
9. Sapegin, A.; Krasavin, M. Chapter Four - Ring-opening reactions of 2-imidazolines and their applications. Advances in Heterocyclic Chemistry. 2020. Vol. 130. 195.
