Синтез та дослідження 2-(5-аміно-4-феніл-1,2,4-триазол-3-ілсульфаніл)ацетогідразиду як аналога ізоніазиду

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 547.792.1 : 547.792.6 : 615.332

ДВНЗ «Ужгородський національний університет», 88000, м. Ужгород

СИНТЕЗ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ 2-(5-АМІНО-4-ФЕНІЛ-1,2,4-ТРИАЗОЛ-3-ІЛСУЛЬФАНІЛ)АЦЕТОГІДРАЗИДУ ЯК АНАЛОГА ІЗОНІАЗИДУ

Фізер М.М.

Девіняк О.Т.

На сьогоднішній день в Україні актуальним є питання лікування тубер-кульозу (ТБ), який за останнє десятиліття набув характеру епідемії. Швидкий розвиток резистентності мікобактерії туберкульозу до поширених антибіотиків є однією з основних перепон у лікуванні цього захворювання. Випадки цього захворювання збільшуються не тільки в Україні але і у всьому світі, частково це зумовлено ТБ/ВІЛ пандемією, що значно збільшує імовірність розвитку ТБ у відкриту форму. Окрім цього, розвиток резистентних штамів сприяє неефективності класичного лікування, тому розробка нових протимікробних агентів є надзвичайно актуальною задачею.

Серед великої кількості засобів хіміотерапії особливе місце займають похідні 1,2,4-триазолу, які вже знайшли застосування у якості медичних препаратів, це насамперед: анастрозол - інгібітор ароматази, застосовується для лікування раку грудей [1]; різатриптан використовується для лікування головних болів та мігреней, так як є агоністом 5-HT1 рецепторів [2]; деферазірокс проявляє високу хелатуючу здатність до іонів заліза [3]; флуконазол - протигрибковий агент [4]. В літературі описано, що похідні триазолів можуть проявляти проти-туберкульозні властивості [5]. Також було показано, що більшу активність проявляють сполуки, які містять аміногрупу, крім того, ще кращі результати було отримано при використанні сполук з гідразидним фрагмен-том [6]. Базуючись на цьому, було синтезо-вано 2-(5-аміно-4-феніл-1,2,4-триазол-3-ілсульфаніл) ацетогідразид, який містить вищенаведені фармакофори і було оцінено його подібність до відомого проти-туберкульозного засобу ізоніазид.

Результати та їх обговорення

Синтез сполуки І проводили виходячи з 5-аміно-1,2,4-триазол-3-тіону А, через стадію селективного алкілування по атому Сульфуру етиловим естером хлороцтової кислоти в лужному середовищі. Далі проводили гідразиноліз отриманого похідного В, без попереднього виділення, в тій же реакційній суміші (схема 1).

Отримана структура І містить фармакофорний меркаптоацетилгідразидний фрагмент, а також аміногрупу в положеннях 3 та 5 триазольного циклу, відповідно.

На перший погляд, подібність до ізоніазиду не дуже помітна, однак при детальному розгляді структури цих двох сполук, окрім наявності у обох гідразидного фрагменту, було додатково відмічено наявність схожих ланок, які містять саму гідразидну групу, спряжений карбоновий ланцюг (або не спряжену метиленмеркапто-групу) та атом Нітрогену у відповідному гетероциклі (на схемі 1 виділено жирним).

Атоми Нітрогену в положеннях 1 та 2 триазольного циклу є донорами електронів, так як і Нітроген піридинового циклу в молекулі ізоніазиду. Було проведено порівняння геометричних параметрів цих двох молекул. Структуру ізоніазиду було взято з рентгеноструктурного дослідження описаного в літературі [7]. Геометрія сполуки І була розрахована теоретично з використан-ням гібридного функціоналу B3LYP в базисі SV(P). На рис. 1 представлено порівняння двох структур з накладання саме схожих структурних фрагментів, для яких середньоквадратичне відхилення у випадку подібних ланок складає всього 0.222.

Схема 1.

Слід відмітити що окрім практично однакових довжин зв'язків в гідразидній групі, відстані від циклічного Нітрогену до аміногрупи гідразиду в сполуці І складає 6.48Е, в ізоніазиді - 6.45Е, що свідчить про тотожність розмірів цих фрагментів. А незначна різниця у відстані між циклічним Нітрогеном та Оксигеном карбонільної групи (в сполуці І dN-O = 5.24Е, в ізоніазиді 5.01Е) вказує на дуже незначну різницю у діедральному куті гідразидного фрагменту та подібними ланками.

Рис. 1. Порівняння структури сполуки І (чорний) та ізоніазиду (білий). RMSD=0.222.

Аналіз фронтальних молекулярних орбіталей (а саме ВЗМО) дає змогу зробити висновок, що і у випадку ізоніазиду, і у випадку триазолу І, взаємодія з кислотними центрами (або електрофілами) у білку мішені проходитиме саме по циклічному атому Нітрогену, а не по аміногрупі гідразидного фрагменту (рис. 2.).

Рис. 2. Фронтальні молекулярні орбіталіізоніазиду (А) та триазолу І (Б).

Така селективність була описана на прикладі солей ізоніазиду з неорганічними кислотами, в яких в першу чергу протонується саме піридиновий Нітроген [8]. Така специфічність може бути пояснена більшою основністю піридинового фрагмен-ту (pKa1(Ncycle) = 1.75 для зв'язаної кислоти) порівняно з гідразидним (pKа2(NH2) = 3.57; pKа3(CONH) = 10.75) [9]. Аналіз електростатичного потенціалу (ЕСП) двох молекул також свідчить на користь однозначної схожості між ними. На рис. 3. представлено екстремуми ЕПС на поверхні Ван дер Ваальса. Слід відзначити, що мінімуми в областях аміногрупи (ESP(I) = 26.81ккал/моль; ESP(iso)= -19.86ккал/моль), карбонільної групи (ESP(I)= -47.41ккал/моль; ESP(iso)= -42.06 ккал/моль) та гетероцикліч-ного Нітрогену (ESP(I)= -54.98ккал/моль; ESP(iso) = -38.74 ккал/моль) дуже близькі за значенням, а отже для них буде характерна в певній мірі однакова електростатична взаємодія з білковими мішенями. Також в обох молекулах мінімум в області амідного Нітрогену має додатнє значення і у випадку дуже сильних основ амідна група може проявляти кислотні властивості, що є описаним в літературі [10].

Рис. 3. Електростатичний потенціал ізоніазиду та триазолу І (позначено критичні мінімуми).

Важливою характеристикою є не тільки ЕСП, який показує взаємодію молекули з оточенням, але і часткові атомні заряди, які є характеристикою перерозподілу електронної густини в самій молекулі. Тому було проаналізовано часткові заряди по Хіршфельду, для подібних ланок молекул (табл. 1), і як видно, для обох молекул значення часткових зарядів в межах фармакофорного фрагменту, мають майже однакові значення з високою кореляцією (R2=0.9787, рис. 4), а отже має місце практично однаковий перерозподіл електронної густини, що є додатковим доказом подібності цих структур.

Таблиця 1. Часткові заряди по Хіршфельду для подібних ланок молекул ізоніазиду та триазолу І

Рис. 4. Кореляція між частковими зарядами на відповідних атомах для молекул ізоніазиду та триазолу І.

Така подібність триазолу І до ізоніазиду дає передумови для дослідження даної речовини у якості протуберкульозного агенту - аналогу, ізоніазиду. Коп'ютерне моделювання біологічної активності для солуки І за допомогою програми PASS [11] також прогнозує високу імовірність прояву саме протитуберкульозної та муколітичної активності на рівні ізоніазиду (табл. 2).

Таблиця 2. Прогнозована протитуберкульоз-на активність

Окрім безпосереднього порівняння двох сполук важливим є безпосереднє дослідження самого триазолу І. В даній роботі ми використали наближення в теорії DFT, і в якості валідації даного методу можна провести порівняння експериментального та розрахованого ІЧ-спектрів триазолу І (рис. 5). Хороше співпадіння цих двох спектрів свідчить про адекватність результатів отриманих нами для даної сполуки в межах обраної нами теоретичної моделі.

Рис. 5. Порівняння експериментального і розрахованого ІЧ-спектрів триазолу І.

Також для теоретичного дослідження реакційної здатності синтезованого триазолу І розраховували значення конденсованої функції Фукуї [12]. Для цього проведено порівняння значення часткових зарядів для нейтральної молекули І, а також катіону та аніону (табл. 3).

Нуклеофільна атака імовірніше за все проходитиме за участю атомів Карбону 9, 10, 12 фенільного кільця в положення орто- та мета- по відношенню до триазольного циклу, що узгоджується з аналізом НВМО (рис. 2). Атака м'якими електрофілами найбільш імовірна по Сульфуру, а також по 1, 5 та 6, атомах Нітрогену, що також узгоджується з аналізом ВЗМО. Слід відзначити, що прогнозування найімовірнішої атаки електрофілом по Сульфуру, а протонування по триазольному Нітрогену не є суперечливим, так як протон є надзвичайно жорстким електрофілом, а функції Фукуї розроблена Парром [12] є адекватним реакційним дескриптором, в більшості випадків, лише для м'яких електрофілів чи нуклеофілів. У випадку ж радикальної атаки прогнозованим є перебіг процесів за участю Сульфуру, що в хорошому узгодженні з відомими реакціями окиснення R-меркаптопохідних гетеро-циклічних систем.

Таблиця 3. Значення конденсованої функції Фукуї для триазолу І

Примітка. f +- атака нуклеофільним реагентом; f -- електрофілом; f 0- радикальна атака.

Аналіз слабких нековалентних взаємодій в самій молекулі І було проведено методом зменшення градієнту густини (RDG - Reduced Density Gradient) [13], як це реалізовано в программі Multiwfn [14]. На рис. 6 представлено різні види взаємодій, які були знайдені у відповідному наближенні.

Рис. 6. RDG для полуки І.

У сульфаніл ацетогідразидному фрагменті чітко спостерігаються два види водневого зв'язку, це NH2···OC (позначений 1) та OCNH···S (позначений 3). Також, очевидно через сильний електроно-акцепторний вплив Сульфуру та карбонільної групи, С-Н зв'язок в метиленовій групі є достатньо поляризованим аби утворювався водневий зв'язок СН2···Nцикл, який позначений 2. Також спостерігаються дисперсійні взаємодії між фенільним кільцем та Сульфуром (4) і аміногрупою (5). Також даний метод абсолютно правильно знаходить циклічні системи з слабким типом взаємодій всередині кільця, що позначено цифрою 6 на рисунку.

Висновки

Отже, синтезований 2-(5-аміно-4-фе-ніл-1,2,4-триазол-3-ілсульфаніл)ацетогідра-зид (І) має структурну та електронну схожість з протитуберкульозним засобом ізоніазид, що було нами підтверджено за допомогою цілого ряду теоретичних методів. Програма PASS також прогнозує для триазолу І протитуберкульозну активність на рівні ізоніазиду, тому очевидно, що подальша робота в дослідженні активності сполуки І на біоматеріалі є необхідною і перспективною. Крім того, відомо що похідні ізоніазиду, а саме фтивазид, який легко синтезувати конденсацією активної гідразидної аміно-групи з альдегідом, також проявляє протитуберкульозну активність. Тому синтез основ Шиффа на основі триазолу І також є в перспективі наших подальших досліджень, особливо враховуючи можливість конденсації як по гідразидній групі, так і по аміногрупі в положенні 5 триазольного циклу. протитуберкульозний ізоніазид триазол молекулярний

Експериментальна частина

Розчиняють 0,05 моль триазолу А в 50 мл етанолу, який містить 0,055 моль гідроксиду натрію. Додають 0,055 моль 2-хлороетилацетату і одержану суміш нагрівають на водяній бані протягом 1 год. Охолоджують, і осад хлориду натрію, що утворився, відфільтровують. До маточного розчину додають 0,06 моль гідразин гідрату і суміш кип'ятять протягом 2 год. Розчинник упарюють, а твердий залишок перекриста-лізовують з водного етанолу. Вихід 58%. Тпл = 148-149°C. ІЧ-спектр (FT-IR, ZnSe, см-1): 3100-3250 (N-H), 1680 (C=O), 1350-1580(триазол). ЯМР 1H (ДМСО-d6), д, м.ч.: 3.58 (2H, с, CH2), 4.28 (2H, м, NH2-гідразид), 5.73 (2H, с, NH2-триазол); 7.36-7.58 (5H, м, C6H5), 9.22 (1H, с, NHCO).

Знайдено, %: C 45.51; H 4.71; N 31.67; S 11.98. C10H14N6O2S.

Розраховано, %: C 45.44; H 4.58; N 31.80; S 12.13.

Теоретичні розрахунки. Початкову геометрію для сполуки І було згенеровано програмою Avogadro [15] в силовому полі MMFF94. За допомогою конформаційного аналізу, серед 5183 можливих конформерів було обрано найстабільніший, для якого було проведено оптимізацію геометричних пара-метрів з функціоналом B3LYP в базисі SV(P) з дисперсійними поправками D3BJ. Для прискорення розрахунків було використано RIJCOSX метод. Для моделювання впливу біологічного середовища було використано континуальну модель COSMO (діелектрична проникність рівна 4 для моделювання білку). Для оптимізованої геометрії проводили розрахунок гессіану для підтвердження знаходження локального мінімуму. Опти-мізацію молекули ізоніазиду не проводили: було використано результати рентгено-структурних досліджень описаних в літера-турі [7]. Розрахунок молекулярних орбіталей, часткових зарядів, ЕСП проводили з трьох-експоненційним базисним набором TZVP.

Розрахунки геометрії та хвильових функцій проводили в програмі ORCA [16], аналіз хвильових функцій та розрахунок проводили в програмі Multiwfn [14]. Візуалізуція здійснена в програмах VMD [17] та Jmol [18].

Публікація містить результати досліджень, проведених за грантом Президента України за конкурсним проектом Ф-63/94-2016 Державного фонду фундаментальних досліджень.

Список використаних джерел

1. Howell A., Cuzick J., Baum M., Buzdar A., Dowsett M., Forbes J.F., Hoctin-Boes G., Houghton J., Locker G. Y., Tobias J.S., Atac Trialists' G. Results of the ATAC (Arimidex, Tamoxifen, Alone or in Combination) trial after completion of 5 years' adjuvant treatment for breast cancer. The Lancet. 2005, 365(9453), 60-62.

2. Wellington K., Plosker G.L. Rizatriptan: An update of its use in the management of migraine. Drugs. 2002, 62(10), 1539-1574.

3. Yang L.P., Keam S.J., Keating G.M. Deferasirox : a review of its use in the management of transfusional chronic iron overload. Drugs. 2007, 67(15), 2211-2230.

4. Diflucan (Australian Approved Product Information). Pfizer Australia Pty Ltd. West Ryde (NSW): Pfizer Australia, 2004.

5. Kandemirli F., Shvets N., Unsalan S., Kuзukguzel I., Rollas S., Kovalishyn V., Dimoglo A. The structure - antituberculosis activity relationships study in a series of 5-(4-aminophenyl)-4-substituted-2,4-dihydro-3H-1,2,4-triazole-3-thione derivatives. A combined electronic-topological and neural networks approach. Med. Chem. 2006, 49, 415-422.

6. Shiradkar M.R., Murahari K.K., Gangadasu H.R., Suresh T., Kalyan C.A., Panchal D., Kaur R., Burange P., Ghogare J., Mokale V., Raut M. Synthesis of new S-derivatives of clubbed triazolyl thiazole as anti-Mycobacterium tuberculosis agents. Bioorg. Med. Chem. 2007, 15, 3997-4008.

7. Swapna B., Maddileti D., Nangia A. Cocrystals of the Tuberculosis Drug Isoniazid: Polymorphism, Isostructurality, and Stability. Crystal Growth & Design. 2014, 14(11), 5991-6005.

8. De Melo C.C., Carvalho P. de S. Jr., Diniz L.F., D'Vries R.F., Ayala A.P., Ellena J. Supramolecular synthesis and thermochemical investigations of pharmaceutical inorganic isoniazid salts. Cryst. Eng. Comm. 2016, 18, 6378-6388.

9. Serjeant E.P., Dempsey B. Ionisation Constants of Organic Acids in Aqueous Solution. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). IUPAC Chemical Data Series No. 23. New York, New York: Pergamon Press. Inc., 1979, P. 989.

10. Bagno A., Comuzzi C. Deprotonation of Amides and Polyfunctional Imides Probed by Heteronuclear NMR and Quantum Chemical Calculations. Eur. J. Org. Chem. 1999, 287-295.

11. rey W., Dalke A., Schulten K. VMD - visual molecular dynamics. J. Mol. Graphics. 1996, 14, 33-38.

12. Yang W., Parr R.G. Hardness, softness, and the Fukui function in the electronic theory of metals and catalysis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1985, 82(20), 6723-6726.

13. Johnson E.R., Keinan S., Mori-Sanchez P., Contreras-Garcia J., Cohen A.J., Yang W. Revealing Noncovalent Interactions. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6498-6506.

14. Lu T., Chen F., Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer. J. Comp. Chem. 2012, 33, 580-592.

15. Avogadro: an open-source molecular builder and visualization tool. Version 1.XX.

16. Neese F. The ORCA program system. WIREs Comput. Mol. Sci. 2012, 2(1), 73-78.

Размещено на Allbest.ru