Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство охорони здоров'я України

Львівський національний медичний університет імені Данила Галицького

УДК 615.012.1:547.79

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фармацевтичних наук

Синтез та біологічна активність конденсованих і неконденсованих гетероциклічних систем на основі 4-азолідонів

15.00.02 - фармацевтична хімія та фармакогнозія

Лесик Роман Богданович

Львів - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фармацевтичної, органічної і біоорганічної хімії Львівського національного медичного університету імені Данила Галицького Міністерства охорони здоров'я України.

Науковий консультант: заслужений працівник вищої школи України, лауреат державної премії України, доктор фармацевтичних наук, професор, академік АН ВШУ Зіменковський Борис Семенович Львівський національний медичний університет ім. Данила Галицького, ректор, завідувач кафедри фармацевтичної, органічної і біоорганічної хімії.

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, профессор Новіков Володимир Павлович Національний університет "Львівська політехніка", завідувач кафедри технології біологічно активних сполук, фармації та біотехнології;

доктор хімічних наук, професор, академік НАН України Лозинський Мирон Онуфрійович Інститут органічної хімії НАН України, директор;

доктор фармацевтичних наук, профессор Мазур Іван Антонович Запорізький державний медичний університет, завідувач кафедри фармацевтичної хімії.

Провідна установа: Національний фармацевтичний університет МОЗ України, кафедра органічної хімії (м. Харків)

Захист відбудеться 21.01.2005 року о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.600.02 у Львівському національному медичному університеті імені Данила Галицького за адресою: 79010, м. Львів, вул. Пекарська, 69.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Львівського національного медичного університету імені Данила Галицького (79000, м. Львів, вул. Січових Стрільців, 6).

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Гасюк Г.Д.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Похідні 4-азолідонів - це традиційно відомий клас біологічно активних сполук. Проте останнім часом у зазначеному напрямку здійснено ряд принципово нових наукових рішень, які привели до впровадження у медичну практику цілої групи інноваційних лікарських засобів, серед яких гіпоглікемічні тіазолідиндіони (піоглітазон та його аналоги), інгібітори альдозоредуктази (епальрестат), подвійні інгібітори COX-2/5-LOX (дарбуфелон), діуретики нового покоління (етозолін) тощо. У теперішній час спостерігається бурхливий розвиток хімії та фармакології 4-азолідонів, що відображено в роботах Б.С. Зіменковського, О.В. Владзімірської, В.П. Музиченка, Й.Д. Комариці, Р.О. Кочканяна, Ohishi Yoshitaka, B.B. Lohray, K.A. Reddy, Mui Mui Sim, T. Sohda, D.L. Mohler та інших. Завдяки комлексному використанню інноваційних технолологій (віртуальний та високоефективний скринінг, комбінаторна хімія, молекулярне моделювання), встановлено, що 4-азолідони проявляють високий афінітет до сімейства PPAR-рецепторів і є високоселективними інгібіторами UDP-MurNAc/L-Ala лігази. Це привело до створення серії потенційних протиракових, протизапальних, гіпоглікемічних, серцевосудинних та антимікробних засобів, які знаходяться на різних стадіях клінічних досліджень. Крім того, ідентифіковано високу антиоксидантну, противірусну, протитуберкульозну, антитиреоїдну та антиконвульсантну активності зазначеного класу гетероциклів. З хімічної сторони 4-азолідони завдяки різноплановим хімічним властивостям є потужними “структурними блоками” для досліджень у хімії гетероциклів. Отже поглиблене вивчення названих гетероциклічних систем, їх синтез, вивчення біологічної активності та встановлення взаємозв'язку між структурою і дією представляє безперечний інтерес як з теоретичної точки зору, так і в плані спрямованого синтезу потенційних лікарських засобів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом проблеми “Фармація” МОЗ України і є фрагментом комплексної науково-дослідної роботи Львівського національного медичного університету імені Данила Галицького (№ державної реєстрації 0101U009227, шифр теми ІН 10.06.0001.01). Дослідження протиракової активності синтезованих сполук проводились у рамках програми Developmental Therapeutics Program (DTP) Національного інститутуту раку США (National Cancer Institute, Bethesda, Maryland, USA).

Мета та завдання дослідження. Метою даної роботи був синтез нових конденсованих і неконденсованих гетероциклічних систем на основі 4-азолідонів, пошук серед них ефективних та малотоксичних речовин з протираковою, антиоксидантною, антирадикальною, протигіпоксичною, церебропротекторною, протизапальною, антиконвульсантною та антимікробною активностями як потенційних лікарських засобів.

Для досягнення цієї мети були поставлені наступні завдання:

розробити методи синтезу 2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів, 3-аліл-2-ариліміно-4-тіазолідонів та їх 5-заміщених; вивчити особливості аміно-імінної таутомерії 2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів на основі квантово-хімічних розрахунків, ІЧ- та ПМР-спектрів; дослідити в реакціях [2+3]-циклоконденсацій 4-незаміщені та 4-(арил)гетерилтіосемікабазони, як S,N-бінуклеофіли, і монохлороцтову кислоту, малеїновий ангідрид, малеїніміди та ароїлакрилові килоти в якості еквівалентів діелектрофільного синтону [C2]2+;

розробити ефективні методи синтезу 2,4-азолідиндіон-5-оцтових кислот, провести модифікацію зазначених сполук за карбоксильною групою для одержання комбінаторної бібліотеки амідів, серії ацилоксибензальдегідів та їх гідразонів складної структури;

вивчити можливості хімічних перетворень за положенням 3 похідних 2,4-тіазолідиндіон-5-карбонових кислот на основі реакцій Манніха та алкілювання; запропонувати метод синтезу 5,5'-біс-2,4-тіазолідиндіонів на основі 5-карбоксиметиліден-2,4-тіазолідиндіону; дослідити взаємодію метилового естру 4-тіоксо-2-тіазолідон-5-оцтової кислоти з розчином аміаку та ароматичними амінами;

розробити методи синтезу 5-ариліден-2,4-тіа(іміда)золідиндіон-3-карбонових кислот та їх функціональних похідних за карбоксильною групою; синтезувати циклічні іміди на основі ангідриду 5-фенілпропеніліденроданін-3-сукцинатної кислоти;

вивчити реакцію гетеродієнового синтезу 5-ариліденізороданінів з наступними дієнофілами: акролеїном, кротоновим альдегідом, малеїнімідами на основі амінокислот, естрами малеїнової, фумарової та ацетилендикарбонової кислот, 2-норборненом, ангідридом та імідами 5-норборнен-2,3-дикарбонової кислоти;

дослідити тандемні “доміно“ реакції 5-(2-оксифенілметиліден)-ізороданінів з малеїновим, цитраконовим та ітаконовим ангідридами, а також взаємодію 5-незаміщених 4-азолідиндіонів з альдегідами, які вміщують дієнофільний фрагмент;

розробити методи синтезу та перетворення ізотіокумарин-3-карбонових кислот;

вивчити спектральні характеристики синтезованих сполук;

провести віртуальний біологічний скринінг синтезованих сполук, на підставі якого вивчити їх протиракову, антиоксидантну, антирадикальну, протигіпоксичну, церебропротекторну, протизапальну, антиконвульсантну та антимікробну активності;

провести QSAR-2D аналіз результатів скринінгу протизапальної та антимікробної дії для оптимізації "структур-лідерів" та спрямованого синтезу біологічно активних сполук в ряду 4-азолідонів.

Об'єктами дослідження були реакції [2+3]-циклоконденсацій у синтезі 4-азолідонів, взаємодія 4-азолідонів з оксосполуками, реакції ацилювання, гетероциклізації, амінометилювання, лужного гідролізу, алкілювання, гетеродієнового синтезу, “доміно” реакція.

Предметом дослідження стали 2,4-тіа(іміда,селена)золідиндіони, 4-тіазолідинтіони, 2-іміно-4-тіазолідони як “структурні блоки” для пошуку біологічно активних сполук - потенційних лікарських засобів.

Методи дослідження: органічний синтез, спектральні методи (УФ-, ІЧ-, ЯМР-, мас-спектроскопія), рентгеноструктурний аналіз, елементний аналіз, тонковерствова хроматографія, віртуальний біологічний скринінг, традиційний та високоефективний фармакологічний скринінг, QSAR-2D аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. Опрацьовано нові підходи до одержання 2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів, 3-заміщених 2-ариліміно-4-тіазолідонів та 2-іліденгідразоно-4-тіазолідонів, в тому числі різноманітних 5-іліден- та 5-ароїлметиленпохідних, 2-заміщених 4-тіазолідон-5-оцтових кислот та їх амідів. Запропоновано ефективні методи синтезу 2,4-азолідиндіон-5-карбонових кислот, на основі яких одержано нові аміди, гідразиди, ацилоксибензальдегіди та їх гідразони, 5,5'-біс-2,4-тіазолідиндіони, 4-імінопохідні. Вивчено реакції алкілювання амідів 2,4-тіазолідиндіон-5-оцтових кислот арилметиленхлоридами та похідними галогенкарбонових кислот. Опрацьовано новий підхід до синтезу 5-ариліден-2,4-тіазолідиндіон-3-алканкарбонових кислот з різною довжиною вуглецевого ланцюга, на основі яких одержано ряд нових функціональних похідних. Вперше синтезовано аміди 5-незаміщеної та 5-ариліден-2,4-імідазолідиндіон-3-оцтової кислоти, циклічні іміди 5-фенілпропеніліденроданін-3-сукцинатної кислоти, ряди 2-оксо-7-арил-3,5,6,7-тетрагідро-2Н-тіопірано[2,3-d][1,3]-тіазол-6-карбальдегідів, 5,7-діоксо-8-R-2,3,4a,5,6,7,7a,8-октагідропіроло [3',4':5,6]тіопірано[2,3-d][1,3]тіазол-6-іл)алканкарбонових кислот, естрів 2-оксо-7-арил-3,5,6,7-тетрагідро- та 2-оксо-7-арил-3,7-дигідро-2Н-тіопірано[2,3-d]тіазол-5,6-дикарбонових кислот. Одержано нові полігетероциклічні системи тіазолотіопіранового ряду - 3,7-дитіа-5-азатетрацикло[9.2.1.02,10.04,8]тетрадецен-4(8) та 3,7-дитіа-5,14-діазапентацикло[9.5.1.02,10.04,8. 012,16]гептадецен-4(8). Вперше встановлено, що взаємодія 5-(2-оксифеніл)метиліден-ізороданінів з ангідридами ненасичених кислот проходить за ”доміно” механізмом, що дозволило одержати оригінальні 2,6-діоксо-3,5a,6,11b-тетрагідро-2Н,5Н-хромено[4',3':4,5] тіопірано[2,3-d]тіазоли. Вперше синтезовано 3,5a,6,11b-тетрагідро-2H,5H-хромено[4',3':4,5] тіопірано[2,3-d][1,3]азоли, 3,5a,6,13c-тетрагід-ро-2H,5H-бензо[5',6']хромено[4',3':4,5]тіопіра-но[2,3-d][1,3]азоли та 3,5,5a,6,7,8,9,9a-октагідро-2H-ізотіохромено[4a,4-d][1,3]азоли на основі тандемних реакцій Кньовенагеля і гетеродієнового синтезу. Запропоновано метод синтезу тіоізокумарин-3-карбонових кислот.

На основі досвіду попередніх досліджень, віртуального скринінгу та результатів QSAR-аналізу проведено спрямований синтез 694 сполук. В результаті високоефективного та традиційного фармакологічного скринінгу ідентифіковано 80 “структур-лідерів” з протираковою, протизапальною, антиоксидантною, протиішемічною, антирадикальною, церебропротекторною, антимікробною активностями. Ідентифіковано 3 потенційні протиракові агенти, які характерні селективним впливом на ракові клітини на фоні низької цитотоксичності та гострої токсичності in vivo. Для 4-азолідонів протиракова активність виявлена вперше, що свідчить про новизну та пріоритет дослідження.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено препаративні методи синтезу 2-ариламіно-2-тіазолін-4-нів, 2-іміно-4-тіазолідонів, 2,4-тіа(іміда)золідиндіон-3 та 5-карбонових кислот та їх функціональних похідних, азолотіопіранів, тіоізокумаринів. Виявлено ряд нових високоактивних та малотоксичних сполук для поглиблених досліджень як потенційних лікарських засобів. На основі QSAR-2D аналізу скринінгових результатів сформульовано ряд положень для спрямованого синтезу сполук з протизапальною та антимікробною діями з групи азолідинів.

Фрагменти роботи впроваджено в навчальний та науковий процес Національного фармацевтичного університету (акти впровадження від 27.05.04, 4.06.04 та 10.06.04), науковий процес Інституту молекулярної біології та генетики НАН України (обидва акти впровадження від 14.01.04), Луганського державного медичного університету (акт впровадження від 10.11.03), а також використані у навчальній програмі дисципліни “Комп'ютерні технології у фармації” (програма затверджена ЦМК ЛНМУ імені Данила Галицького від 12.12.12, протокол №4).

Особистий внесок здобувача. У ході роботи над дисертацією автором сформована стратегія і тактика дослідження, реалізовано виконання експериментальної частини, узагальнення результатів та формування положень і висновків, які виносяться на захист.

Співавторами наукових праць є науковий консультант, а також науковці, разом з якими, проводились спільні дослідження фізико-хімічних та біологічних властивостей синтезованих сполук.

Апробація результатів дослідження. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на XVIIІ та XIX Українських конференціях з органічної хімії (Дніпропетровськ, 1998; Львів, 2001), 135, 136, 139 Британських фармацевтичних конференціях (Великобританія, Істборн, 1998; Кардіф, 1999; Манчестер, 2002) V Національному з'їзді фармацевтів України (Харків, 1999), конференції “Органическая химия в XX веке” (Москва, 2000), Міжнародних конференціях "Хімія азотовмісних гетероциклів" ХАГ-2000 та ХАГ-2003 (Харків, 2000, 2003), конференції “Научные направления в создании лекарственных средств в фармацевтическом секторе Украины” (Харків, 2000), XVIII та XIX Наукових З'їздах Польського фармацевтичного товариства (Польща, Познань, 2001; Вроцлав, 2004), І Міжнародній конференції "Химия и биологическая активность азотистых гетероциклов и алкалоидов" (Москва, 2001), ІІ Національному з'їзді фармакологів України (Дніпропетровськ, 2001), Всеукраїнській науково-практичній конференції "Сучасні технології органічного синтезу та медичної хімії" (Харків, 2003), науковій конференції “Львівські хімічні читання” (Львів, 2003), XLVI З'їзді Польського хімічного товариства (Польща, Люблін, 2003), II Міжнародній конференції "Кислород- и серусодержащие гетероциклы" (Москва, 2003), IV Політематичній конференції з наук про ліки - MKNOL-IV (Польща, Гданськ-Собєшево, 2004), засіданні кафедри фармацевтичної, органічної і біоорганічної хімії ЛНМУ ім. Данила Галицького (Львів, 2004).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 65 наукових робіт, з яких 25 статей у наукових фахових виданнях, 10 статей в іноземних фахових журналах, 6 робіт в інших виданнях, 23 тези доповідей та 1 монографія. Одержано 5 деклараційних патентів на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, списку літератури та окремого тому додатків (256 с.). Загальний обсяг дисертації 337 сторінок. Робота ілюстрована 29 таблицями (23 с.) і 16 рисунками (8 с.) Перелік використаної літератури включає 358 джерел.

Основний зміст роботи

1. 2-Ариламіно-2-тіазолін-4-они та 2-іміно-4-тіазолідони: методи синтезу, особливості оптимізації структури потенційних біологічно активних сполук та їх фізико-хімічні властивості

Одним з напрямків нашої роботи був пошук сполук з протипухлинною та протизапальною активністю серед 2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів та структурно споріднених похідних 2-іміно-4-тіазолідонів (псевдотіогідантоїнів). Вибір об'єктів та напрямків їх фармакологічного скринінгу обгрунтовано більше ніж 50-річним досвідом наукової школи проф. М. Туркевича та результатами віртуального скринінгу (PASS C&T метод).

Для синтезу 2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів запропоновано підхід, що базується на амінолізі високореакційноздатного 2-карбетоксиметилтіо-2-тіазолін-4-ону (2.2, метод А) ароматичними амінами в етанолі. Попередні результати про вирішальний вплив характеру 5-іліденового субституенту на вид і силу фармакологічного ефекту стали обгунтуванням для синтезу серії 5-іліден-2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів. Паралельно проведено зустрічний синтез (метод Б) деяких сполук на основі відповідних арилтіосечовин.

Важкодоступні 2-ариламіно-2-тіазолін-4-он-5-ацетатні кислоти 2.60-2.64 та їх аміди 2.65-2.102 синтезовані [2+3]-циклоконденсацією арилтіосечовин, як S,N-бінуклеофілів, з малеїновим ангідридом та малеїнімідами, як еквівалентами діелектрофільного синтону [C2]2+. Інтерпретація хімічних перетворень здійснена за допомогою методів УФ-, ІЧ-, ПМР- та мас-спектроскопії. Індивідуальність та чистота синтезованих 2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів підтверджена методом тонковерствової хроматографії.

Схема 1

Для 2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів, одержаних на основі первинних ароматичних амінів, характерна прототропна аміно-імінна таутомерія, яка обгрунтована квантово-хімічними розрахунками (програма Hyperchem 5.0) і підтверджена ІЧ-спектрами для сполук в твердому стані і спектрами ПМР - в розчинах.

У спектрах ПМР (прилад Gemini-300) 2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів 2.3-2.42 спостерігається характерне подвоєння сигналів, яке зумовлене існуванням в розчині динамічної рівноваги аміно- та Z- і Е-іміноформ, проте картина чіткої присутності 3 таутомерних форм спостерігається лише для структури 2.27 (R1 = 4-OH, Ar = 4-NO2-C6H4), що можна пояснити магнітною еквівалентністю син- та анти-ізомерів. Співвідношення таутомерів на основі кривої інтегральної інтенсивності, в основному, становить ~1:1. При спостереженні чіткого подвоєння основних сигналів протонів молекул, на нашу думку, синглет групи NН іміноформи (~12.00 м.ч.) знаходиться в слабшому магнітному полі в порівнянні з відповідним синглетом аміноформи (~11.00 м.ч.). Для інших протонів молекул таутомерів спостерігається протилежна картина. Так, для прикладу група =CH характерна двома синглетами при ~7.50 м.ч. (іміноформа) та ~7.60 м.ч. (аміноформа), що, крім того, свідчить про транс-розташування ариліденового залишку відносно тіазолідинового циклу. В спектрах ПМР 2-арилімінотіазолідин-4-он-5-ацетатних кислот та їх амідів також спостерігається аналогічне накладання субспектрів двох таутомерних аміно- та іміноформ у співвідношенні 1:1.

Для дослідження структури у твердому стані вивчено ІЧ-спектри ключових 2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів у таблетках KBr (прилад OMNIC-510), на основі яких можна константувати, що в кристалічному стані 2-ариламіно-2-тіазолін-4-они існують у вигдяді двох таутомерних форм. Лише для сполук 2.17 (R1 = 4-OH, Ar = 4-MeO-C6H4: NH 3402, C=O 1664, C=N 1616) та 2.28 (R1 = 4-OH, Ar = 4-NMe2-C6H4: NH 3464, C=O 1564, C=N 1614) можна трактувати тіазолінову структуру в кристалічному стані. Хромато-мас-спектри ключових 5-іліден-2-ариламіно-2-тіазолін-4-онів (прилад Finnigan MAT INCOS-50) характеризуються наявністю піків молекулярних іонів, причому основними напрямками фрагментації сполук під впливом електронного удару є розрив зв'язків у положенях 1-2, 3-4 та 4-5 тіазолідинового циклу.

У спектрах ПМР 5-ариліден-2-метил(4-оксифеніл)аміно-2-тіазолін-4-онів поряд з класичним набором сигналів протонів спостерігається синглет групи =СН при 7.48-7.70 м.ч., що обгрунтовує стереоселективне проходження реакції Кньовенагеля з утворенням виключно похідних з транс-розташуванням ариліденового залишку (Z-ізомерів).

З метою поглибленого дослідження кореляції “структура - біологічна активність” синтезовано серію амідів 2-[3-аліл-2-(aриліміно)тіазолідин-4-он-5-іл]ацетатної кислоти 2.103-2.119 і 5-незаміщених (2.120-2.122) та 5-ариліден-3-аліл-2-ариліміно-4-тіазолідонів.

Схема 2