Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии
УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н.Д. Зелинского На правах рукописи
Самет Александр Викторович
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К СИНТЕЗУ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С АНТИМИТОТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ ДОСТУПНОГО СЫРЬЯ
02.00.03 - органическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук
Москва - 2010
Работа выполнена в технологической лаборатории Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН.
Научный консультант: доктор химических наук Виктор Владимирович Семёнов
Официальные оппоненты: академик РАН Николай Серафимович Зефиров доктор химических наук, профессор Михаил Михайлович Краюшкин доктор химических наук, профессор Фарид Абдуллович Валеев
Ведущая организация: Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева
Защита диссертации состоится л 6 У апреля У 2010 года в 10 час. на заседании Диссертационного совета Д002.222.01 при Учреждении Российской академии наук Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский пр-т, 47, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ РАН
Автореферат разослан л У У 2010 года.
Ученый секретарь Диссертационного совета доктор химических наук Л. А. Родиновская
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Поиск новых соединений, обладающих противоопухолевой активностью и нарушающих деление клеток (антимитотиков), является одним из важнейших направлений исследований в области органического синтеза. В принципе, такие вещества могут действовать на разные клеточные мишени - ДНК, различные ферменты (в частности, киназы) и другие белки. В данной работе основное внимание уделено разработке методов синтеза соединений, нарушающих деление клеток за счёт воздействия на тубулин - белок, являющийся основным компонентом митотического веретена, которое обеспечивает правильное распределение хромосом в процессе клеточного деления. Особый интерес к антимитотикам такого типа обусловлен несколькими причинами.
С одной стороны, по данным FDA (США) более 30% всех выпускающихся противораковых препаратов влияют именно на эту клеточную мишень. С другой - представлялось вполне реальным (и в то же время - интересным с научной точки зрения) разработать новые подходы к синтезу дестабилизаторов тубулина - более эффективных, чем существующие - исходя из доступных исходных соединений, с которыми долгое время активно работали в ИОХ РАН и в технологической лаборатории (где выполнялась данная работа). К тому же, недавно при участии лаборатории был разработан быстрый и удобный метод определения соединений - дестабилизаторов тубулина - in vivo, а также - благодаря сотрудничеству с другими организациями - имелась возможность тестировать синтезируемые вещества на опухолевых клетках in vitro.
Особо следует отметить, что в качестве доступного сырья для синтеза целевых продуктов в данной работе использовались высокоэнергетические соединения (2,4,6тринитротолуол - ТНТ) и полупродукты в их производстве (такие как 2,4-динитротолуол и N-(ацилметил)азолы), а также целлюлоза, сама служащая сырьём для получения взрывчатых веществ.
В технологической лаборатории ИОХ РАН хорошо отработан процесс пиролиза целлюлозы на пилотных установках, приводящий к левоглюкозенону - (1S,5R)-6,8диоксабицикло[3.2.1]окт-2-ен-4-ону (в количествах более 1 кг/месяц). Особенно важно, что левоглюкозенон может быть с успехом получен путём пиролиза целлюлозосодержащих отходов (бумага, картон и т.п.), утилизация которых сама по себе является важной проблемой. Природа этого соединения как непредельного кетона определяет круг его возможных химических превращений, а конфигурации его асимметрических центров - стереоселективность этих превращений. В частности, в рамках данной работы изучалась возможность перехода от него к хиральным лактонам (бутанолидам), структурный фрагмент которых входит в состав молекул ряда природных антимитотиков.
N-(Ацилметил)азолы типа AzCH2COR в свое время синтезировались в полупромышленных количествах (путём алкилирования NH-азолов -галогенкетонами) для дальнейшего превращения в полинитрометильные производные - перспективные высокоэнергетические соединения. Сверх того их химия изучена довольно мало. Между тем, в данной работе показано, что они ведут себя (за редким исключением) как типичные СНкислоты, в частности, вступают в реакцию присоединения по активированным С=С связям ,-непредельных кетонов, нитрилов и амидов. Это позволяет получать разнообразные гетеро- и карбоциклы и в то же время вводить в структуру продуктов реакций азольный фрагмент, нередко встречающийся в молекулах биологически активных соединений. Особый интерес представлял синтез аминопиранов - в связи с ранее подтверждённой противоопухолевой активностью ряда их аналогов.
Использование полинитроароматических соединений в органическом синтезе привлекает как доступностью исходного сырья, так и их широкими синтетическими возможностями. Так, полинитросоединения являются промышленно производимыми продуктами и широко используются как взрывчатые вещества. Более того, их утилизация сама представляет собой важную проблему (причём в данном случае не только техническую, но и политическую) - в мирное время возникает необходимость искать пути использования накопленных запасов взрывчатых веществ, которые необходимо утилизировать после определенного срока хранения.
Благодаря сочетанию активной метильной группы и способных к селективному замещению и восстановлению нитрогрупп, ди- и тринитрозамещённые толуолы представляют большой интерес в качестве исходных соединений для органического синтеза.
Не менее важны и интересны также превращения ди- и тринитробензойных кислот, которые получают окислением соответствующих толуолов (так, при участии технологической лаборатории ИОХ была создана пилотная установка по окислению ТНТ азотной кислотой, на которой наработано около 20 кг тринитробензойной кислоты). Эти соединения могут служить исходными в синтезе динитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклов, с их последующей модификацией путём селективного нуклеофильного замещения нитрогрупп. Особое внимание в работе уделено синтезу функционально замещённых семичленных бензоконденсированных гетероциклов: в данной работе они рассматривались как аналоги комбретастатина - одного из наиболее известных и эффективных природных соединений с антитубулиновой активностью. С учетом доступности исходных ароматических полинитросоединений, разработанный подход представляет значительный интерес.
Селективное нуклеофильное замещение нитрогрупп может быть полезным не только для модификации динитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклов, но также и для получения соединений - перспективных ингибиторов клеточного деления других классов. В частности, особый интерес в этом плане представляют некоторые 2-(оаминоарил)-5-ариламино-1,3,4-оксадиазолы, синтезированные исходя из ди- и тринитробензойной кислот как раз путём селективного нуклеофильного замещения и восстановления нитрогрупп.
Цель работы - создание эффективных подходов к синтезу соединений, обладающих антимитотической активностью, на основе промышленно доступных исходных соединений, используемых в качестве взрывчатых веществ либо как сырьё (полупродукты) для их производства. В рамках поставленной цели решались следующие основные задачи:
- изучение химических и стереохимических аспектов присоединения к левоглюкозенону Снуклеофилов различного типа с последующей трансформацией полученных продуктов в хиральные лактоны, представляющие собой структурные фрагменты молекул природных антитубулиновых агентов (наподобие подофиллотоксина);
- исследование реакционной способности N-(ацилметил)азолов как СН-кислот и, в частности, получение на их основе замещённых пиранов - аналогов известных антимитотиков;
- получение бензоконденсированных 6- и 7-членных гетероциклов, исходя из ТНТ, и их модификация путём селективного нуклеофильного замещёния нитрогрупп с целью синтеза аналогов комбретастатина;
- направленный синтез молекул - дестабилизаторов тубулина нового класса (производных 2,5-дизамещённых-1,3,4-оксадиазолов) с использованием, в частности, селективного замещения и восстановления нитрогрупп в полинитробензойных кислотах.
Научная новизна работы. На основе левоглюкозенона разработан подход к синтезу оптически активных соединений различного строения. Показано, что в ходе присоединения прохиральных СН-кислот к левоглюкозенону высокая стереоселективность достигается лишь в том случае, когда присоединение сопровождается последующей циклизацией, что открывает путь к получению хиральных карбо- и гетероциклов. В частности, его взаимодействие со стабилизированными сульфониевыми илидами открывает путь к получению оптически активных циклопропанов и бициклических лактонов (3оксабицикло[3.1.0]гексан-2-онов), содержащих 4 асиммметрических центра.
Подтверждено, что реакционная способность N-(ацилметил)азолов определяется электроноакцепторными свойствами азольного фрагмента, который облегчает отрыв протона от соседнего с ним -углеродного атома и, тем самым, делает возможным протекание реакций образующегося карбаниона в мягких условиях. Их взаимодействием с ,непредельными кетонами, нитрилами и амидами синтезированы 6-членные карбо- и гетероциклы (циклогексеноны, аминопираны, пиридоны).
На основе 2,4-динитротолуола, 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ), а также продуктов их окисления - 2,4-ди- и 2,4,6-тринитробензойных кислот - разработаны способы получения разнообразных гетероциклических систем, являющихся ценными полупродуктами для синтеза биологически активных молекул.
Взаимодействием 2,4-динитротолуола и ТНТ с орто-гидроксибензальдегидами и ортонитрозонафтолами в одну стадию получены нитрозамещённые бензоконденсированные гетероциклы - дибензоксепины и бензонафтооксазепины, соответственно. Также показано, что из ТНТ в 3 стадии может быть получен ключевой синтетический интермедиат - 4,6динитро-1-тозилиндолин, а взаимодействием последнего с альдегидами - недоступные иными способами нитрозамещённые индолы и конденсированныe системы на их основе (бензоксепиноиндолы).
Показано, что 2,4,6-тринитробензойная кислота может служить исходным соединением для получения динитрозамещённых дибензоксазепинов, а получаемая её селективным восстановлением 2-амино-4,6-динитробензойная кислота - для получения динитрозамещённых хиназолинов. Селективность замещения нитрогрупп в синтезированных динитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклах определяется природой бензоконденсированного гетероцикла и нуклеофила. В частности, установлено, что большое значение имеет размер гетероцикла (шести- или семичленный), характер замещения в непосредственной близости от нитрогрупп (С=О или С-Н группировки), а также тип нуклеофила (RO-, RS-, N3- или амин).
Практическая ценность. Найдены пути превращения доступных исходных соединений, используемых в качестве взрывчатых веществ (либо в качестве сырья или полупродуктов для их производства), в целевые продукты, обладающие антимитотической активностью.
На основе получаемого из целлюлозы левоглюкозенона разработан подход к синтезу хиральных лактонов (бутанолидов), структурный фрагмент которых присутствует в молекулах ряда используемых в медицине соединений противоопухолевого действия (типа подофиллотоксина).
Взаимодействием доступных N-(ацилметил)азолов с (арилметилен)малононитрилами синтезированы азолил-замещённые 2-амино-4-арил-3-циано-4Н-пираны - аналоги ранее изученных соединений антимитотического действия.
Полученные из полинитроароматических соединений дибензоконденсированные 7членные гетероциклы могут рассматриваться как аналоги комбретастатина - эффективного ингибитора полимеризации тубулина природного происхождения.
С использованием селективного замещения и восстановления нитрогрупп в полинитробензойных кислотах, производимых путём окисления соответствующих нитротолуолов, синтезированы 2-(2-аминоарил)-5-ариламино-1,3,4-оксадиазолы - новый перспективный класс соединений антимитотического действия. Проведённые биологические испытания указанных веществ, а также ряда их аналогов, содержащих 2-аминогетарильный заместитель, демонстрировали высокую биологическую активность данных соединений, в ряде случаев превосходящую известные аналоги.
ичный вклад автора состоял в формулировке темы исследований; разработке экспериментов; руководстве работой студентов и аспирантов по отдельным разделам диссертации; непосредственном выполнении большей части экспериментов; обработке и анализе экспериментального материала; формулировании выводов работы.
Рентгеноструктурный анализ проводился д.х.н. К.А. Лысенко и Ю.В. Нелюбиной (ИНЭОС РАН). Съёмку спектров ЯМР и NOE-эксперименты осуществляли к.х.н. Ю.А. Стреленко и В.В. Качала (ИОХ РАН). Биологические исследования проводились к.б.н. М.Н. Семёновой (ИБР РАН), а также в Институте биологических наук университета Ростока (Германия) и в фармацевтических компаниях Imclone и deСode (США).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 218-м национальном собрании американского химического общества (Новый Орлеан, США, 1999), 8-й всероссийской научной школе-конференции по органической химии (Казань, 2005), 4-й и 5-й всероссийских научных конференциях УХимия и технология растительных веществФ (Сыктывкар, 2006; Уфа, 2008), международном симпозиуме УAdvanced Science in Organic ChemistryФ (Судак, Украина, 2006), 23-м международном симпозиуме по органической химии серы (Москва, 2008), международной конференции Биологически активные вещества. Фундаментальные и прикладные аспекты (Новый Свет, Украина, 2009), всероссийской конференции УХимия нитросоединений и родственных азот-кислородных системФ (Москва, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 работы, в том числе статьи в отечественных и международных научных журналах.
Объём и структура работы. Диссертация изложена на 357 страницах, состоит из введения, 3-х глав, экспериментальной части, приложений, выводов и списка литературы.
Работа содержит 165 схем, 36 таблиц и 28 рисунков, список цитируемой литературы насчитывает 315 наименований.
Основное содержание работы
Общую методологию работы можно представить следующим образом:
Исходное доступное сырьё __________________________________________________________________________ OH OH O2N R X O O H O H H H Y N H R H O OH OH H O H Z W H OH H OH O n NOцеллюлоза N-(ацилметил)азолы 2,4-ДНТ, THT H+ 300-400oC O O * * O левоглюкозенон X N Y N X Ar A X B Z * Y NHAr N CN O O W D * NHR R O NHO _______________________________________________________________________________ Целевые продукты - ингибиторы полимеризации тубулина Согласно этой схеме и построено изложение: химическим превращениям различных типов используемого сырья посвящены отдельные главы данной работы.
ГЛАВА 1. CИНТЕЗЫ НА ОСНОВЕ ЛЕВОГЛЮКОЗЕНОНА 1.1. Стереохимия присоединения прохиральных СН-кислот к левоглюкозенону В ходе катализируемого основанием присоединения СН-кислот типа 2 к левоглюкозенону 1 возникают, вообще говоря, два новых асимметрических центра - углеродные атомы С-4 и С-7 - и образуются аддукты 3:
Схема 1-H6exo O O H6endo O O O Et3N Н3O а + CHXYZ 4 + Н3е O O X X 2а-e O Y Z Y Z 3а-e a: X=H, Y=NO2, Z=COOEt b: X=CH3, Y=NO2, Z=COOEt c: X=(CH2)2COOEt, Y=NO2, Z=COOEt d: X=H, Y=COCH3, Z=COOEt N N N e: X=H, Y=COPh, Z= N O2N Присоединение карбанионов происходит стереоспецифично со стороны, противоположной 1,6-ангидромостику (лснизу), так что в молекуле 3 новый заместитель оказывается аксиальным в положении 4 (как и изображено на Схеме 1-1). Стереохимия формирования асимметрического центра С-7, в отличие от С-4, исследована очень мало. В данной работе этот вопрос специально изучен, для чего в реакцию с левоглюкозеноном введены этиловый эфир нитроуксусной кислоты 2а, этиловый эфир -нитропропионовой кислоты 2b, диэтиловый эфир -нитроглутаровой кислоты 2c, ацетоуксусный эфир 2d и 5нитро-2-фенацилтетразол 2e. Выходы продуктов 3а-e и соотношения эпимеров указаны в Табл. 1-1 (соотношение эпимеров определялось по 1Н ЯМР-спектрам):
Таблица 1-1. Общие выходы соединений 3а-е и соотношения эпимеров СН-кислота Продукт (общий выход; соотношение эпимеров) 2а 3а (75; 1 : 1) 2b 3b (86; 4 : 3) 2c 3c (83; 4 : 3) 2d 3d (62; 1 : 1) 2e 3e (64; 4 : 3) Обращает на себя внимание низкая степень асимметрической индукции, то есть, мало отличающееся от единицы соотношение эпимеров 3. Это наблюдается для всех исходных СН-кислот, причём стереохимический результат практически не зависит от того, контролируется ли соотношение эпимеров термодинамически (как в случаях 3а,d,e, где в продукте сохраняется кислый протон при С-7, и потому возможна эпимеризация под действием основания) или кинетически (как в случаях 3b,c, где эпимеризация невозможна из-за отсутствия протона при С-7). Из этого можно заключить, что в условиях свободного вращения по связи С-4 - С-7 разница в энергиях эпимеров незначительна (то же самое, очевидно, можно сказать и об энергиях переходных состояний, ведущих к 3b,c).
1.2. Стереоселективный синтез тетрагидропиридонов реакцией левоглюкозенона с амидами -метиленактивных кислот Ситуация со стереоселективностью меняется, когда присоединение СН-кислот сопровождается последующими превращениями.
При взаимодействии нитроацетамида 4а, N-гексилнитроацетамида 4b и амида нитропропионовой кислоты 4c с левоглюкозеноном получены соединения 5а-с:
Схема 1-O O O R O O O (4a-c) OH OH O2N CONHR+ Et3N R O2N N N O2N R1 R RO O O (7S)-5a-c (7R)-5c a: R = R1 = H (62%) b: R = H; R1 = (CH2)5Me (49%) c: R = Me; R1 = H (69%) (7S+7R) Обращает на себя внимание тот факт, что в условиях реакции не происходит отщепления молекулы воды от продуктов циклизации. Это, вероятно, связано с тем, что ОНгруппа в соединениях 5 находится в голове моста и потому отщепление воды, согласно правилу Бредта, неблагоприятно.
Цикл тетрагидропиридона замыкается со стороны, противоположной 1,6ангидромостику (лснизу), т.е., наблюдается та же стереохимия, что и для присоединения нуклеофилов по С=С связи.
В ходе реакции левоглюкозенона с амидами, содержащими -метиленовое звено 4а,b из реакционной смеси выделен только один эпимер по С-7 из двух возможных (см. Схему 12), что резко отличается от стереохимического результата реакций присоединения по С=С связи. В то же время, в ходе реакции левоглюкозенона с амидом -нитропропионовой кислоты 4с, образуется смесь эпимеров 5с в соотношении 4 : 3. При помощи NOEэксперимента установлено, что преобладающий эпимер 5c имеет (7S)-конфигурацию, а минорный - (7R).
Высокой стереоселективности образования 5а,b (в отличие от 5с и присоединения прохиральных СН-кислот) можно предложить следующее объяснение. В продуктах присоединения типа 3 (Схема 1-1) за счёт возможности свободного вращения вокруг связи С-4 - С-7 разница энергий эпимеров, очевидно, незначительна. В соединениях же типа 5 изза замыкания цикла свободное вращение становится невозможным, структура - жёсткой, и потому есть основания ожидать более значительной разницы энергий эпимеров. Видимо, важную роль в этом играет отталкивание между атомом Н-5 и пространственно сближенной с ним в (7R)-эпимере объёмной нитрогруппой.
Важно отметить, что эпимеризация под действием основания, приводящая к образованию термодинамически более стабильных изомеров 5а,b, возможно лишь благодаря наличию в молекулах этих соединений кислого протона Н-7. В молекуле 5с протон при С-отсутствует - следовательно, эпимеризация невозможна. Поэтому стереохимия при С-контролируется кинетически на стадии присоединения, как и в ходе присоединения этилового эфира -нитропропионовой кислоты. В связи с этим неудивительно, что и стереохимические результаты похожи - соотношения эпимеров для продуктов взаимодействия 1 с эфиром и амидом -нитропропионовой кислоты равны 4 : 3.
При взаимодействии амида, (2-цианоэтил)амида и анилида ацетоуксусной кислоты (4d-f, соответственно) с левоглюкозеноном во всех случаях получены смеси соединений, которым приписаны структуры 5d-f и 6d-f:
Схема 1-O O O O O O CH3COCH2CONHR (4d-f) OH OH + H N N R R O N O OH O O H 5d-f 6d-f d: R = H (57%) e: R = CH2CH2CN (61%) f: R = Ph (52%) По аналогии с 5а,b можно было ожидать большей термодинамической стабильности (7R)-эпимеров 5d-f и их преобладания в реакционной смеси из-за внутримолекулярного отталкивания группы MeCO и протона Н-5 в (7S)-эпимерах 5d-f, где они пространственно сближены. Именно это и наблюдается в эксперименте. (7S)-Эпимеры 5d-f в реакционной смеси не обнаружены.
Строение второго компонента смеси 6d-f установлено на основании того, что в ПМРспектрах реакционных смесей присутствует синглет в очень слабых полях ( 15 м.д.). Такие хим. сдвиги характерны для сигналов енольных протонов в соединениях с внутримолекулярной водородной связью.
1.3. Получение хиральных циклопропанов и бутанолидов Поскольку левоглюкозенон стереоселективно вступает в реакции присоединения по С=С связи, то предполагалось, что 1 может оказаться подходящей матрицей и для получения хиральных циклопропанов при действии соответствующих реагентов - в частности, илидов серы.
Выяснилось, что левоглюкозенон 1 действительно реагирует с сульфониевыми илидами (генерируемыми in situ из соответствующих солей 7 под действием Et3N) с образованием продуктов стереоселективного циклопропанирования С=С связи 8:
Схема 1-O O O O H Et3N + R2S+CH2COR' BrEtOH 7a-e R'OC O O H 8a-e В ходе реакции одновременно стереоспецифично образуются три новых асимметрических центра, из которых 2 первоначально входили в молекулу левоглюкозенона (С-3 и С-4), а один - в молекулу сульфониевого илида (С-7).
Taблица 1-2. Получение соединений 8a-e Сульфониевая соль R2S R' Продукт Выход 7a Me2S Ph 8a 7b (CH2)4S 4-ClC6H4 8b 7c Me2S 4-BrC6H4 8c 7d Me2S 8d S 7e Me2S OEt 8e Ни в одном случае не зафиксировано образования стереоизомеров, и кристаллические продукты 8a-e не нуждаются в какой-либо дальнейшей очистке - в отличие от ранее описанных реакций сульфониевых илидов с другими 6-членными циклическими непредельными кетонами. Вероятно, жёсткая бициклическая структура 1 приводит к значительной разнице энергий переходных состояний, ведущих к различным стереоизомерам и, как следствие, к полному преобладанию одного из них (интересно, что очень высокая стереоселективность наблюдалась ранее также в реакциях с участием некоторых хиральных бициклических циклопент-2-енонов).
С учётом лабильности углеводного фрагмента, соединения 8 представляют значительный интерес для синтеза. Так, под действием 30% водной H2O2 в AcOH они с высокими выходами превращаются в циклопропанкарбоновые кислоты 9, которые затем циклизуются в 3-оксабицикло[3.1.0]гексан-2-оны при кипячении в кислой среде (на примере получения 10 из 9а):
Схема 1-HO HCO OH O O O COOH MeOH, H+ H 30% H2O2 (1.2 экв.) H 8a-d H H AcOH H H R' = Ph H COR' H COPh 9a-d (79-83%) 10 (81%) Интересно, что перегруппировка селективно затрагивает лишь циклическую кетогруппу в молекулах 8a-d, тогда как ацильный заместитель (CORТ) в циклопропановом кольце остаётся неизменным. Причиной этого, вероятно, является необычно высокая реакционная способность кето-группы по соседству с ацетальным фрагментом (так, известно, что она легко присоединяет воду и MeOH с образованием, соответственно, гем-диолов и кеталей).
Таким образом, левоглюкозенон представляет собой подходящую хиральную матрицу для простого и удобного синтеза оптически активных производных циклопропанов. Они очень интересны и сами по себе, однако в контексте данной работы ещё более важно то, что описанные синтетические превращения открывают путь к получению аннелированных хиральных лактонов (бутанолидов) с несколькими асимметрическими центрами, структурный фрагмент которых входит в состав молекул целого ряда природных соединений, обладающих антимитотической активностью (в частности - подофиллотоксина А):
OH O O O O MeO OMe OMe А ГЛАВА 2. CИНТЕЗЫ НА ОСНОВЕ N-(АЦИЛМЕТИЛ)АЗОЛОВ В контексте данной работы, интерес к N-(ацилметил)азолам как исходным соединениям в синтезе связан с тем, что они (в первую очередь, N-ацетонилазолы 11, содержащие одну или более нитрогрупп в 5-членном кольце) успешно использовались в качестве полупродуктов в производстве перспективных высокоэнергетических соединений путём нитрования по метиленовому звену:
Схема 2-W W NO2+ X N X N высокоэнергетические соединения O2N Y Z O2N Y Z O HO Х W, X, Y, Z = C или N ? Cкорость взаимодействия с электрофильными реагентами в таких реакциях определяется скоростью енолизации соединений 11, которая, в свою очередь, зависит от природы азольного фрагмента. Таким образом, последний играет роль электроноакцепторного заместителя при метиленовой группе, способного стабилизировать енольную форму кетона и соответствующий карбанион. По этой причине представлялось интересным исследовать поведение N-(ацилметил)азолов в типичных для карбанионов реакциях. Особый интерес среди них представляет реакция Михаэля, так как она позволяет наращивать углеродный скелет молекулы, нередко сопровождается дальнейшими превращениями (в частности, циклизацией) первоначально образующихся аддуктов и в результате способна приводить к достаточно сложным структурам, содержащим азольный фрагмент в качестве заместителя. В связи с этим, в данной работе изучено взаимодействие N-(ацилметил)азолов с ,-непредельными нитрилами, кетонами и амидами.
2.1. Получение 5-(N-азолил)-2-амино-4Н-пиранов В данной работе впервые изучены реакции N-(ацилметил)азолов 11 с арилметиленмалононитрилами 12. Установлено, что эти реакции протекают c образованием азолил-замещенных пиранов 13:
Схема 2-2* Ar Az CN Et3N AzCH2COR + ArCH=C(CN)MeCN R O NH12a-j 11a-o 13aa-13og (32 примера) (29-76%) N N N N N O2N H2N O2N O2N N N N N N N N Az = ; ; ; ; ;
N N N N N N N R = Me, Ph, 2-тиенил, цикло-С3Н *Обозначения типа 13аb подразумевают, что соответствующие пираны получены из кетона 11а и нитрила 12b Получение подобных азолил-замещённых 2-амино-4-арил-3-циано-4Н-пиранов представляет значительный интерес для целей данной работы, так как они являются аналогами ранее изученных 2-амино-3-цианохроменов, проявляющих антимитотическую активность:
Ar CN R2N O NHОднако в некоторых случаях удаётся выделить промежуточные линейные продукты присоединения - -кетонитрилы 14, которые циклизуются в 2-аминопираны только при нагревании или не циклизуются вовсе:
Схема 2-N Ph N CN Et3N N N N R + PhCH=C(CN)CN N MeCN O R O 12a 11h,i 14a,b R = Ph (11h, 14a); 2-тиенил (11i, 14b) В то же время, аналоги этих N-(ацилметил)азолов, содержащие нитрогруппу в азольном цикле, в той же реакции сразу дают соответствующие 2-аминопираны типа 13.
Cчитается, что 2-аминопираны в ходе реакции карбонильных соединений с ,непредельными нитрилами образуются путём циклизации енольных форм промежуточных кетонитрилов:
Схема 2-R' R' R' X Y X Y X Y XCH2COR + R'CH=C(CN)Y CN CN R O R O R O NHH В связи с этим можно предположить, что введение нитрогруппы в кольцо 1,2,4-триазола повышает стабильность енольных форм соответствующих аддуктов и тем способствует циклизации.
2.2. Синтез 6-(N-азолил)циклогекс-2-енонов Реакции N-ацетонилазолов с ,-непредельными кетонами 15, как и их описанные выше реакции с аналогичными нитрилами типа RCH=C(CN)2, не останавливаются на стадии продуктов присоединения по Михаэлю, а приводят к продуктам циклизации. Но, в отличие от реакции с нитрилами, в данном случае циклизация происходит за счёт СН3группы N-ацетонилазола и приводит не к пиранам, а к циклогекс-2-енонам (внутримолекулярная кротоновая конденсация):
Схема 2-5* R R Az Az NaOEt AzCH2COCH3 + RCH=CHCOR' EtOH, to O O O R' R' 11a,d,j,n 15a-i 16aa-16ni (28 примеров) 48-89% N N N O2N O2N O2N N N N N N Az = (11a); (11d); (11j); (11n) N N N N *Обозначения типа 16аb подразумевают, что соответствующие циклогексеноны получены из Nацетонилазола 11а и ,-непредельного кетона 15b Как правило, при кипячении в спирте реакция доходит до конца за 30 мин. при использовании 10% NaOEt в качестве катализатора. Однако в случае 1-ацетонил-4нитроимидазола 11j требуется увеличение количества катализатора и времени реакции, повидимому, из-за меньшей кислотности СН3-группы; то же касается и реакций с кетонами 15b,i, в которых R' = Me или цикло-С3Н5. Возможно, в последнем случае часть основания расходуется на отрыв соседнего с карбонильной группой протона группы R'. Интересно, что в реакции 11а с бензальацетоном PhCH=CHCOMe 15b образуется исключительно циклогексенон 16ab, а не его изомер:
Схема 2-O2N N Ph N N N N O2N NaOEt N + PhCH=CHCOCHEtOH, to N N O O 15b 16ab 11a O2N N Ph N N N O Вероятно, к этому приводит сильный -I-эффект нитротетразольного заместителя и, как следствие, повышенная СН-кислотность ближайшей к нему СН3-группы.
2.3. Синтез 5-(N-азолил)пиридонов-N-(Ацилметил)азолы 11a,d в мягких условиях реагируют с арилиденцианоацетамидами 17a,b с образованием 3,4,5,6-тетрагидропиридонов-2 18a-c.
Реакция протекает стереоселективно, с образованием только одного изомера из 8-и возможных. Относительное транс- (экваториальное) расположение заместителей Az, Ar и CN определено исходя из значений КССВ J3,4 = 11.8-11.9 Гц и J4,5 = 12.3-12.4 Гц (что соответствует аксиальному расположению соответствующих протонов):
Схема 2-Ar Az CN Et3N AzCH2COR + ArCH=C(CN)CONHEtOH R N O 11a,d 17a,b HO H 18a (72%) 18b (66%) 18c (63%) N N O2N O2N N N Az = (11a, 18a); (11d, 18b,c); Ar = Ph (17a, 18a,b), 2-тиенил (17b, 18c ) N N N С учетом доступности исходных N-(ацилметил)азолов (путём алкилирования азолов -галогенкетонами), а также возможности варьирования фрагмента азола и других заместителей, обнаруженные превращения представляются перспективными для синтеза азолилзамещенных гетероциклов и, в частности - пиранов, аналоги которых проявляют противоопухолевую активность.
ГЛАВА 3. CИНТЕЗЫ НА ОСНОВЕ АРОМАТИЧЕСКИХ ПОЛИНИТРОСОЕДИНЕНИЙ 3.1. Бензоконденсированные гетероциклы как структурные аналоги комбретастатина Основными реакционными центрами в молекуле 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) являются активная метильная группа, обладающая заметными кислотными свойствами за счёт влияния 3-х нитрогрупп и потому восприимчивая к электрофильной атаке, а также сами нитрогруппы, способные к восстановлению и нуклеофильному замещению:
E+ Me O2N NONONu[H] Эти структурные особенности молекулы и обуславливают возможности использования ТНТ в органическом синтезе (в частности - для получения бензоконденсированных гетероциклических систем, которые в рамках данной работы рассматривались в качестве аналогов природного антимитотика комбретастатина):
MeO MeO OMe OH OMe Комбретастатин А-Разработанные синтетические подходы к различным классам таких гетероциклов описаны ниже.
3.1.1. Дибенз[b,f]оксепины При взаимодействии с 2-гидроксибензальдегидом ТНТ 19 даёт 1,3динитродибенз[b,f]оксепин 20. Под действием O- и S-нуклеофилов в последнем происходит замещение одной из нитрогрупп:
Схема 3-O2N NONOCHO основание OH NO2 XAr ArXH, K2CO ДМФА O2N O2N O O 21a-m (44-61%) X = O, S Процесс протекает региоселективно - замещается нитрогруппа в положении 1, то есть, ближайшая к месту сочленения колец, что подтверждено рентгеноструктурным анализом соединения 21а (ArX = PhO). В случае S-нуклеофилов, строение продуктов замещения подтверждается встречным синтезом соединения 21m из 2-((4метилфенил)сульфанил)-4,6-динитротолуола 22 и салицилового альдегида:
Схема 3-CHO S O2N S OH C6H6, пиперидин, 80оС O2N O NO21m 3.1.2. Бензо[f]нафто[b][1,4]оксазепины ТНТ 19 в присутствии основания в мягких условиях быстро реагирует с 1-нитрозо-2нафтолом, образуя динитрозамещённый бензонафтооксазепин 23. По всей видимости, реакция протекает через промежуточное образование иминов (типа A) с последующим внутримолекулярным нуклеофильным замещением нитрогруппы фенолят-анионом:
Схема 3-NO O OH NOO2N NON Et3N, 20oC, 5 мин.
O2N NONOA - NO2NON O2N O 23 (31%) Подобный подход к синтезу 1,4-оксазепинов вообще никогда ранее не применялся:
довольно часто их получают взаимодействием 1,4-N,O-динуклеофильного (N--C-C-O-) и 1,3С,С-диэлектрофильного (С+-С-С+) фрагментов, но в данном случае реализована иная синтетическая схема: (N+-C-C-O-) + (С--С-С+). Нетрудно видеть, насколько данная реакция похожа на описанное в предыдущем разделе получение дибенз[b,f]оксепинов из 2гидроксибензальдегидов (Х = СН или N):
Схема 3-O X O OH NONOX - NO2X ТНТ O2N O O2N NOНитрогруппы в соединении 23 способны подвергаться нуклеофильному замещению под действием S- и O-нуклеофилов в мягких условиях (20оС - для S- и 80оС - для Oнуклеофилов), при этом образуются оба возможных изомерных продукта 24 и 25.
Схема 3-Nu NO11 N N Nu + ДМФА O2N 4 Nu O O 6 24a-d 25a-d 24a, 25a: Nu = MeO (общий выход 86%, соотношение изомеров 24а/25a 3:1) 24b, 25b: Nu = 4-MeC6H4O (81%, 24b/25b 2:1) 24c, 25c: Nu = BuS (89%, 24c/25c 6:1) 24d, 25d: Nu = PhCH2S (85%, 24d/25d 4:1) Во всех случаях преобладают соединения 24 - продукты замещения нитрогруппы в положении 11. Следует отметить, что в ходе реакции в качестве примеси образуются продукты замещения обеих нитрогрупп - даже при использовании одного эквивалента нуклеофила. Вероятно, причина этого заключается в слабой растворимости исходного соединения 23, в результате чего в реакционной смеси образуется локальный избыток нуклеофила. Для минимизации дизамещения реакцию проводят, избегая избытка нуклеофила в реакционной смеси, для чего нуклеофильный реагент добавляют небольшими порциями при хорошем перемешивании.
При использовании избытка нуклеофила в тех же условиях продукты дизамещения образуются с высокими выходами и являются единственными продуктами реакции:
Схема 3-Nu N Nu (изб.) ДМФА, 80оС Nu O 26a-d 26a: Nu = MeO (81%) 26b: Nu = EtO (70%) 26c: Nu = PhO (73%) 26d: Nu = 4-MeC6H4O (78%) 3.1.3. Производные индола При действии смеси N2H4-FeCl3-AcOH на 2,4,6-тринитрофенилэтанол одна из ортонитрогрупп в этом соединении селективно подвергается восстановлению с образованием 2амино-4,6-динитрофенилэтанола 27. Под действием п-толуолсульфонилхлорида в пиридине последний циклизуется в 4,6-динитро-1-тозилиндолин 28 - ключевой интермедиат в синтезе индольных производных.
Схема 3-OH OH NOO2N NOO2N NH FeCl3, N2HTsCl AcOH C5H5N N O2N NOTs NO 28 (71%) 27 (80%) Полученный индолин может быть окислен в соответствующий N-тозилиндол 29 и далее превращён в 4,6-динитроиндол 30:
Схема 3-NONONOBrKOH пиридин EtOH N N O2N N O2N O2N Ts H Ts 29 (75%) 30 (59%) Легко видеть, что 4,6-динитро-1-тозилиндолин 28 сохраняет те же структурные элементы, что и 2,4,6-тринитротолуол - способные к нуклеофильному замещению и восстановлению нитрогруппы, а также кислые бензильные СН-протоны (в данном случае - в составе метиленовой группы). Эти особенности и делают индолин 28 ключевым интермедиатом в синтезе гетероциклических систем, содержащих индольный фрагмент. Так, при его взаимодействии с ароматическими альдегидами в присутствии основания (пиперидин) в кипящем бензоле образуются ярко окрашенные продукты конденсации Кневенагеля - (Z)-3-бензилиден-4,6-динитро-1-тозилиндолины 31. Под действием более сильного основания (ДБУ) в 3-бензальиндолинах происходит сдвиг экзоциклической С=С связи в пятичленое кольцо, приводящий к ароматизации и образованию бесцветных 3бензил-4,6-динитро-1-тозилиндолов 32.
Схема 3-NO2 NO2 Ar NO2 Ar NH ArCHO, ДБУ С6НС6НN N N O2N O2N O2N Ts Ts Ts 31a-f (42-68%) 32a-f (59-84%) Ещё более интересно протекает в подобных условиях (кипящий бензол, 1 экв.
пиперидина) взаимодействие индолина с орто-гидроксибензальдегидами. Реакция в этих случаях, как правило, не останавливается на образовании продуктов конденсации В, а сопровождается внутримолекулярным нуклеофильным замещением нитрогруппы фенолятанионом с замыканием оксепинового цикла и образованием пери-аннелированных индолов 33:
Схема 3-- R O R CHO NO2 NOO, NH -NO2OH R С6НN N O2N O2N N O2N Ts Ts Ts B 33a-h (45-81%) Образующиеся ярко окрашенные 1,2-дигидробенз[6,7]оксепино[4,3,2-cd]индолы под действием ДБУ перегруппировываются (со сдвигом С=С связи из оксепинового кольца в пиррольное) в бесцветные 2,11-дигидробенз[6,7]оксепино[4,3,2-cd]индолы 34. Движущей силой перегруппировки, несомненно, снова является энергетический выигрыш при образовании ароматической индольной системы. N-Тозилиндолы 34 гладко подвергаются детозилированию под действием KOH в МеОН с образованием NH-индолов 35:
Схема 3-8 R R R O O O ДБУ KOH С6Н6 MeOH N N 4 N O2N O2N O2N H Ts Ts 33a-h 35a-h (80-96%) (82-92%) 34a-h При взаимодействии индолина с 3,5-дихлорсалициловым и 5-нитросалициловым альдегидами в тех же условиях циклизации не происходит, и в ходе реакции образуются 3(2-гидроксибензилиден)индолины 36a,b - очевидно, из-за пониженой основности соответствующих фенолят-анионов, вызванной наличием акцепторных заместителей в бензольном кольце. Циклизация, однако, происходит при повышении температуры реакции (при замене бензола на более высококипящий хлорбензол). В этих условиях также происходит сдвиг двойной связи, и сразу образуются 2,11-дигидробенз[6,7]оксепино[4,3,2cd]индолы 34i,j (1,2-дигидропроизводные типа 33 в этих случаях не выделены).
Схема 3-X HO Y CHO NO OH, NH Y X C6H6, кипячение N O2N Ts Y CHO 36a (59%) X=Y=Cl, OH 36b (61%) X=H, Y=NONH X C6H5Cl, кипячение Y X C6H5Cl, кипячение O (71%) 36a 34i NH N O2N Ts 34i (68%) X=Y=Cl 34j (66%) X=H, Y=NO3-(2-Гидроксибензилиден)индолины 36a,b имеют (Z)-конфигурацию относительно С=С связи (как и описанные выше бензилидениндолины 31), что доказано NOEэкспериментами. В связи с этим очевидно, что циклизации 36 в 34 необходимо должна предшествовать (Z)-(E)-изомеризация.
Интересная возможность функционализации оксепиноиндолов 33 связана с нуклеофильным замещением в продуктах их бромирования. Так, бромирование соединения 33а даёт 11-бромпроизводное 37, которое превращено в эфиры 38a,b простым кипячением в соответствующих спиртах (МеОН, EtOH):
Схема 3-O Br O OR O BrROH кипячение СНClN N N O2N O2N O2N Ts Ts Ts 33a 38a: R = Me (83%) 38b: R = Et (81%) Вероятно, лёгкость алкоголиза бромидa 37 связана с протеканием реакции нуклеофильного замещения по механизму SN1 и высокой стабильностью соответствующего карбокатиона в положении 11.
3.1.4. Дибенз[b,f]oксазепин-11-оны Исходным сырьём для получения разнообразных дибенз[b,f][1,4]оксазепин-11(10H)онов с заместителями в положениях 1 и 3 служит уже не сам ТНТ, а получаемая из него 2,4,6-тринитробензойная кислота (технологический процесс окисления ТНТ азотной кислотой разработан в СКТБ Технолог (Санкт-Петербург) совместно с Технологической лабораторией ИОХ РАН). Кислота превращена в соответствующий ацилхлорид 39 и далее в орто-гидроксианилид 40, который под действием основания (NH3) в мягких условиях претерпевает внутримолекулярное нулеофильное замещение нитрогруппы с образованием 1,3-динитродибенз[b,f][1,4]оксазепин-11(10H)-она 41:
Схема 3-NHO COCl O2N OH O2N NONH O NH водн. NHOH O2N O O2N NONONOSOClCOOH O2N NONOНитрогруппы в соединении 41 (одна или обе) могут подвергаться нуклеофильному замещению с образованием продуктов 42 и 43 (Схема 3-15). В реакцию вступают различные O- и S-нуклеофилы - спирты, фенолы, тиолы, тиофенолы. Первая нитрогруппа подвергается замещению в сравнительно мягких условиях (65-100оС), тогда как для замещения второй требуются более высокие температуры (100-120оС для тиолов и тиофенолов, 140-150оС для фенолов) - к примеру, реакция 41 с 2-мя эквивалентами гваякола при 120оС приводит исключительно к продукту моно-замещения. В случае спиртов соответствующие продукты 43 вообще выделить не удалось.
В реакции могут участвовать различные первичные спирты ROH (R = Ме, Et, Pr, Bn, HO(CH2)2). Со вторичными спиртами (i-PrOH, циклогексанол) реакция не идет. В реакцию вступают фенолы различного строения, как с донорными, так и с акцепторными заместителями в кольце.
Схема 3-O O O2N R'Y NH NH RXH, K2CO3 R'YH, K2CODMF, 65-100oC DMF, 100-150oC RX RX O O 42a-r (60-100%) 43a-h (31-67%) X, Y = O, S Селективность нуклеофильного замещения в 1,3-динитродибенз[b,f][1,4]оксазепин11(10H)-оне 41 определена с помощью спектроскопии NOE (ключевые кросс-пики представлены на Схеме 3-16). Показано, что при атаке молекулы 41 как О-нуклеофилами (МеО-, получение 43е), так и при атаке S-нуклеофилами (BuS-, получение 43с) в первую очередь замещается нитрогруппа в положении 3, т.е. удаленная от места сочленения колец.
Схема 3-O S O O2N HNH NH PhCH2S O O MeO MeO O H42a 43e BuS O O O2N O - HNH NH PhO BuS S O O H42p 43c В реакцию замещения нитрогруппы также могут вступать N-нуклеофилы (первичные и вторичные амины, а также азид-анион).
Реакция замещения нитрогруппы в 41 на азид-ион протекает в ДМФА в достаточно мягких условиях (80С) и приводит к смеси изомерных азидов со значительным преобладанием 3-азидопроизводного 44а (соотношение изомеров 44а/44b 9:1).
Схема 3-O O2N O O2N N3 O NH NH NH NaN+ ДМФА O2N O N3 O2N O O 44a 44b Строение преобладающего изомера 44а установлено при помощи РСА.
Дибензоксазепинон 41 взаимодействует с аминами при нагревании в спиртах (как правило, использовался н-BuOH, а в случае метиламина - EtOH):
Схема 3-O NO2O R1R2N NH NH R1R2NH (изб.) н-BuOH/EtOH, O2N O2N O O кипячение 45a-d 45a: R1 = H, R2 = Me (77%) 45b: R1 = H, R2 = цикло-C3H5 (88%) 45c: R1, R2 = - (CH2)2O(CH2)2 - (74%) 45d: R1, R2 = - (CH2)5 - (67%) Селективность замещения нитрогруппы в соединении 41 аминами резко отличается от селективности замещения на O-, S-нуклеофилы и азид-ион и зависит от природы растворителя, в котором проходит реакция. В бутаноле (этаноле) вне зависимости от того, какой амин используется - вторичный или первичный - селективно образуется, по данным NOESY, продукт замещения нитрогруппы в положении 1 (пери-положении). В то же время, в ДМФА реакция с пиперидином протекает с невысокой селективностью (соотношение перии пара-изомеров 45d и 45e составляет приблизительно 2:1).
Схема 3-O O2N NO2O O N NH NH NH NH + N O ДМФА, 80oC O2N O O2N O 45e 45d Как было показано выше, 2-гидроксианилид 2,4,6-тринитробензойной кислоты циклизуется в дибензоксазепинон 41. Оказалось, что подобной циклизации подвергаются также и производные о-нитробензойных кислот, содержащих менее трех нитрогрупп в бензольном кольце, что позволяет расширить круг доступных таким путем оксазепинонов.
Так, о-гидроксианилиды 2,4-динитробензойной кислоты 46a-d в горячем ДМФА под действием К2СО3 с высоким выходом циклизуются в 3-нитрозамещенные дибензоксазепиноны 47a-d:
Схема 3-R' O NO2 O R N K2CO3, ДМФА N 120оС R' R OH O2N O O2N 46a-d 47a-d (85-94%) R = H, PhCH2, 4-MeOC6H4CH2 ; R' = Н, Cl Несомненно, наличие в молекулах 46a-d двух нитрогрупп облегчает внутримолекулярное замещение одной из них. Тем не менее, 2-гидроксианилид онитробензойной кислоты 48, содержащий лишь одну нитрогруппу, также подвергается аналогичному превращению (хотя и в более жестких условиях), образуя с хорошим выходом незамещенный дибенз[b,f][1,4]оксазепин-11(10H)-он 49:
Схема 3-O NO2 O NH K2CO3, ДМФА NH 150оС OH O 49 (61%) Стоит отметить, что превращение 2-гидроксианилида о-хлорбензойной кислоты в соединение 49 требует более жестких условий, причем полная конверсия исходного анилида все равно не достигается.
Нитрогруппа в соединениях 47 может подвергаться нуклеофильному замещению с образованием продуктов 50a-o (Схема 3-22). Если S-нуклеофилы (тиолы, тиофенолы) вступают в реакцию сравнительно легко (при 80оС), то в случае О-нуклеофилов (фенолы) для замещения требуются гораздо более высокая температура (150оС). В реакцию вступают фенолы различного строения, но наличие заместителей в орто-положении, а также электроноакцепторных заместителей понижает выход.
Схема 3-O O R R N N R1XH, K2COR' ДМФА, 80-150оС R' O2N O R1X O 47a-e 50a-o (32-92%) Следует отметить, что N-замещенные соединения 47b (R = PhCH2, RТ = H) и 47е (R = Me, RТ = H) реагируют быстрее, чем незамещенный оксазепинон 47а (R = RТ = H). Это, очевидно, связано с конкурентной реакцией отрыва протона от амидного атома азота в молекуле 47а, что особенно характерно для О-нуклеофилов - более основных, чем их Sаналоги. Более того, высокоосновный метоксид-анион легко дает продукт замещения нитрогруппы с 47е, но не с 47а (в последнем случае конверсия исходного соединения не превышает 50%, и соответствующий продукт замещения выделить не удается, так как реакция еще и сопровождается образованием смеси неидентифицированных побочных продуктов).
3.1.5. Получение и реакции 5,7-динитрохиназолонов Получение динитрозамещённых бензоконденсированных 6-членных гетероциклов представлялось важным, поскольку было интересно провести сравнение селективности нуклеофильного замещения нитрогрупп в этих соединениях с таковой в случае бензоконденсированных 5-членных гетероциклов (изучена ранее) и в случае бензоконденсированных 7-членных гетероциклов (изучена в данной работе, см. Разделы 3.1.1., 3.1.2. и 3.1.4.). В данной работе селективность нуклеофильного замещения в бензоконденсированных 6-членных гетероциклах изучена на примере 5,7динитрохиназолинов, а среди нуклеофилов особый интерес представляли амины, поскольку некоторые аминозамещённые хиназолины являются перспективными противораковыми препаратами - ингибиторами тирозин-киназы рецепторов фактора роста эпидермиса (EGF).
В качестве исходного соединения для синтеза целевых соединений вновь использована 2,4,6-тринитробензойная кислота. Из неё по модифицированой методике, включающей восстановление гидразином в присутствии каталитического количества FeCl3, получена 4,6-динитроантраниловая кислота 51:
Схема 3-COOH COOH NO2 O NO2 O O2N NO2 N2H4 O2N NH2 Ac2O водн. NHO NH FeClto to O2N N O2N N NO2 NO52 (81%) 53 (90%) 51 (63%) При кипячении в уксусном ангидриде кислота 51 образует 2-метил-5,7-динитробензоксазин4-он 52, который при нагревании в водном NH3 претерпевает рециклизацию в соответствующий хиназолон 53.
Метилированием хиназолона 53 диметилсульфатом получено N-метилпроизводное 54, которое также можно получить реакцией рециклизации бензоксазинона 52 при его взаимодействии с раствором метиламина (50% избыток) в EtOH. Однако в присутствии большого избытка метиламина реакция не останавливается на стадии образования 54, но идёт дальше - с образованием продукта замещения нитрогруппы на метиламин (55а):
Схема 3-NO2 O NO2 O N O CH3NH2 (1.5 экв.) O2N N O2N N EtOH 54 (58% из 52, 85% из 53) CH3NH2 (10 экв.) (CH3)2SOEtOH CH3NH2 (10 экв.) EtOH NO2 O NH O NH N O2N N O2N N 55a (62% из 52, 85% из 54) В дальнейшем выяснилось, что реакция замещения нитрогруппы в Nметилхиназолоне 54 первичными и вторичными алифатическими аминами носит общий характер:
Схема 3-NO2 O R1R2N O R R R1R2NH (изб.) N N н-BuOH/EtOH O2N N O2N N 54 55a-l (31-85%) Mенее нуклеофильные ароматические амины реагируют с трудом, требуя жёстких условий и использования в качестве растворителя ДМФА (вместо спирта), как показано на примере реакции с п-анизидином, приводящей к 55l (R1R2N = 4-MeOC6H4NH). C NHхиназолоном 53 метиламин реагирует значительно медленнее, чем с N-метилпроизводным 54. Видимо, сильноосновный метиламин вначале отрывает кислый NH-протон от молекулы 53 с образованием соответствующего аниона, что затрудняет нуклеофильное замещение. По данным NOESY соединения 55а (R1R2N = MeNH), в ходе реакции селективно замещается нитрогруппа в положении 5 (т.е., в пери-положении - как и в случае оксазепинона 41).
Нитрогруппа в хиназолонах 53 и 54 способна подвергаться также замещению на азидион под действием NaN3 в ДМФА. В обоих случаях получены смеси изомеров, но селективность реакции достаточно высока - соотношение 56а/56b и 56с/56d составляет примерно 6:1 (и тут преобладают продукты замещения пери-нитрогруппы):
Схема 3-NO2 O N3 O NO2 O R R R N N N NaN+ ДМФА O2N N O2N N N3 N 56a,с 56b,d 53, R = H (53, 56c,d); Me (54, 56a,b) Нитрогруппа в соединениях 53, 54 способна вступать в реакцию нуклеофильного замещения на S- и O-нуклеофилы. Замещение на S-нуклеофилы проходит в ДМФА при комнатной температуре. В случае алкантиолов (BuSH, PhCH2SH) селективно замещается нитрогруппа в положении 7 (по данным NOE), однако в результате реакции хиназолонов и 54 с тиофенолом образуется смесь изомеров, причем в обоих случаях преобладающие изомеры 57d,f (продукты замещения нитрогруппы в положении 5) плохо растворимы в ДМФА и выпадают из реакционной смеси в виде осадка (соотношение изомеров составляет 3:1 для 57d/57e и 5:2 для 57f/57g; строение 57d установлено с помощью NOEспектроскопии).
Схема 3-NO2 O NO2 O R R N AlkSH, K2CO3 N ДМФА O2N N AlkS N 53, 57a: R = H, Alk = Bu (85%) PhSH, K2CO57b: R = Me, Alk = Bu (91%) R = H (53); Me (54) ДМФА 57c: R = Me, Alk = PhCH2 (89%) NO2 O SPh O R R N N + PhS N O2N N 57d,f 57e,g R = H (57d,e); Me (57f,g) Взаимодействие хиназолонов 53 и 54 с фенолами протекает в более жестких условиях по сравнению с S-нуклеофилами (при 80С); с алифатическими спиртами реакцию провести не удалось. Во всех случаях предпочтительно замещается нитрогруппа в положении (соотношение изомеров составляет 5:1 для 58a/58b, 6:1 для 58с/58d и 4:1 для 58е/58f):
Схема 3-NO2 O NO2 O ArO O R R R ArOH, K2CON N N + ДМФА O2N N ArO N O2N N 53, 54 58a: R = Me, Ar = Ph 58b: R = Me, Ar = Ph 58c: R = Me, Ar = 4-CH3C6H4 58d: R = Me, Ar = 4-CH3C6HR = H (53); Me (54) 58e: R = H, Ar = 4-CH3C6H4 58f: R = H, Ar = 4-CH3C6H3.1.6. Обсуждение региоселективности замещения нитрогрупп в бензоконденсированных гетероциклах Ранее было показано, что в динитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклических системах замещению в первую очередь подвергается пери-нитрогруппа (т.е., ближайшая к месту сочленения колец):
Схема 3-Nu Nu Nu NO2 R NO2 O NO2 O Y N R N R X S O2N O2N O2N O Но при этом важно отметить, что исследованные примеры нуклеофильного замещения нитрогрупп в бензоконденсированных гетероциклах до сих пор ограничивались только конденсированными 5-членными циклами. В связи с этим селективное замещение пара-нитрогруппы (удалённой от места сочленения колец) в 1,3динитродибенз[b,f][1,4]оксазепин-11(10Н)-оне 41 выглядит особенно необычно и заслуживает подробного обсуждения.
Вообще говоря, известно, что в ароматических ди- и тринитросоединениях, как правило, легче подвергается замещению та нитрогруппа, в орто-положении к которой находится заместитель (аннелированный с бензольным кольцом гетероцикл можно рассматривать как частный случай такого заместителя).
Nu Nu X X O2N NONONONOВместе с тем, достаточно объёмные заместители Х - причём как электронодонорные, так и акцепторные - (Х = t-Bu, СООМе, CONR2) могут серьёзно затруднить атаку нуклеофила в орто-положение и, тем самым, вызвать преобладание продукта замещения пара-нитрогруппы. В связи с этим можно предположить, что в случае, когда с бензольным кольцом сконденсирован 7-членный гетероцикл, для атаки нуклеофила в пери-положение бензольного кольца создаются (в силу иной геометрии) более значительные стерические препятствия, чем в ранее изученных гетероциклических системах с бензоконденсированным 5-членным гетероциклом. Во всяком случае, расчет полуэмпирическим методом АМ1 по программе MOPAC показывает, что расстояние между пери-атомом углерода и атомом кислорода карбонильной группы в 1,3-динитродибенз[b,f][1,4]оксазепин-11(10Н)-оне заметно меньше, чем в изученном ранее 3,5-динитрофталимиде (2.95 против 3.20 , соответственно).
Схема 3-O O2N O2N O NH NH O2N O2N O O С учётом всего вышесказанного можно предполагать, что в хиназолинах (как бензоконденсированных 6-членных гетероциклах) селективность замещения дожна быть промежуточной между тем, что наблюдается в случаях конденсированных 5- и 7-членных гетероциклов. В данном случае расчет полуэмпирическим методом АМ1 по программе MOPAC показывает, что расстояние между пери-атомом углерода и атомом кислорода карбонильной группы в 5,7-динитрохиназолин-4(3Н)-оне 53 оно составляет 2.98 (по сравнению с 2.95 в 1,3-динитродибенз[b,f][1,4]оксазепин-11(10Н)-оне и 3.20 в 3,5динитрофталимиде, см. выше) O2N O NH O2N N Действительно, как показано в данной работе, для нуклеофильного замещения нитрогруппы в динитрохиназолинонах 53, 54 обычно не наблюдается столь высокой региоселективности, как для упомянутых конденсированных 5- и 7-членных гетероциклов.
Как правило, образуются смеси изомеров, причём их соотношение критически зависит от природы нуклеофила. Таким образом, хиназолоны 53 и 54, как шестичленные бензоконденсированные гетероциклы, действительно занимают промежуточное положение между 5- и 7-членными гетероциклами, как в отношении стерических затруднений при нуклеофильном замещении нитрогруппы, так и в отношении селективности замещения.
С этой точки зрения учёта стерических факторов, различие в региоселективности между 1,3-динитродибенз[b,f][1,4]оксазепин-11(10Н)-оном 41, с одной стороны, и 1,3динитродибенз[b,f]оксепином 20 и 9,11-динитробензо[f]нафто[2,1-b][1,4]оксазепином 23 - с другой, логично объяснить тем, что С-Н группировка в двух последних создаёт гораздо меньшие затруднения для пери-атаки, чем карбонильная группа в первом.
Особняком стоит нуклеофильное замещение нитрогруппы в хиназолонах 53, 54 и 1,3динитродибенз[b,f][1,4]оксазепин-11(10Н)-оне 41 на амины - благодаря нехарактерной для других изученных нуклеофилов высокой пери-селективности реакции (особенно удивительно это в последнем случае, где практически все прочие изученные нуклеофилы демонстрируют высокую пара-селективность). Такое ланомальное направление замещения, вероятно, объясняется образованием водородной связи между протоном атакующего амина и карбонильным кислородом в промежуточных -комплексах С и D:
Схема 3-R R H R2 + N H R1 + O O2N N O O2N NH R _ N _ O2N O2N O N C D По-видимому, эффект стабилизации орто- (пери-) -комплекса внутримолекулярной водородной связью преобладает над стерическими эффектами, направляющими нуклеофильную атаку в пара-положение.
Суммируя, можно отметить следующие факторы, влияющие на региоселективность замещения нитрогрупп в полинитросоединениях (и, в частности, в динитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклах).
1) Природа нуклеофила. Исходя из (разумеется, неполных) данных, как имеющихся в литературе, так и полученных в настоящей работе, по наблюдаемой орто- (пери-) селективности (т.е., склонности к предпочтительному замещению орто- (пери-) нитрогруппы) нуклеофилы (кроме аминов, о которых речь будет идти дальше) можно расположить в следующий ряд: N3- > ArS- > ArO- > AlkS-. В то же время, имеющиеся данные дают основания считать природу нуклеофила довольно слабым фактором - бензоконденсированные 5-членные гетероциклы независимо от природы нуклеофилов дают продукты пери-замещения; дибензоксазепинон 41 (бензоконденсированный 7-членный гетероцикл) тоже почти независимо от природы нуклеофилов (опять же - речь тут не идёт об аминах) даёт продукты пара-замещения, и лишь в пограничных случаях вроде.
.
.
.
.
.
хиназолонов (бензоконденсированных 6-членных гетероциклов) разница в свойствах нуклеофилов различного типа проявляется достаточно ярко.
2) Строение субстрата (полинитросоединения). Как показано выше, оно является главным фактором, определяющим направление реакции нуклеофильного замещения. Имеющиеся данные позволяют достаточно подробно рассмотреть лишь один аспект этой проблемы - стерический эффект заместителей, занимающих соседнее с нитрогруппой положение в молекуле ароматических полинитросоединения (орто- или пери-). С одной стороны, несомненно, именно этот стерический эффект приводит к выведению соседней нитрогруппы из плоскости кольца, что облегчает её нуклеофильное замещение (как показано в более ранних работах); но, с другой стороны, слишком значительные стерические препятствия, создаваемые для атаки нуклеофила соседним заместителем, могут менять селективность реакции на противоположную и приводить к замещению удалённой от этого заместителя нитрогруппы. Изученные в данной работе динитрозамещённые бензоконденсированные гетероциклы демонстрируют именно этот последний эффект - увеличение стерических препятствий при переходе от конденсированных пятичленных гетероциклов к шести- и семичленным сопровождается переходом от селективного замещения пери-нитрогруппы (в 4,6-динитрозамещённых бензоконденсированных 5-членных гетероциклах) к нарушению селективности в 5,7-динитрохиназолонах 53 и 54 и далее - к селективному замещению паранитрогруппы в 1,3-динитродибензоксазепиноне 41. Кроме размера цикла, на стерические препятствия для нуклеофильного замещения, разумеется, должна влиять и природа заместителей в непосредственной близости от нитрогруппы - и действительно, замена С=О группы на менее объёмистую группировку С-Н (при переходе от дибензоксазепинона 41 к бензонафтооксазепину 23 и дибензоксепину 20) приводит к предпочтительному или исключительному пери-замещению, в полном соответствии с ожиданиями.
3) Специфическое взаимодействие субстрат-нуклеофил. Как следует уже из названия, этот фактор проявляется далеко не во всех случаях, но зато если проявляется - то оказывает решающее воздействие на направление реакции нуклеофильного замещения, перевешивая, в том числе, и влияние, оказываемое структурой субстрата. Самым ярким примером тут является взаимодействие с аминами дибензоксазепинона 41, приводящие к селективному замещению орто- (пери-) нитрогруппы в соединении, которое со всеми прочими изученными нуклеофилами даёт исключительно продукты замещения пара-нитрогруппы.
Несомненно, дело тут именно в специфическом взаимодействии аминного и карбонильного (присутствующего в субстрате) фрагментов (которое, по-видимому, представляет собой внутримолекулярную водородную связь N-HЕO=C в переходном состоянии реакции замещения). Вероятно, подобное же специфическое взаимодействие (с той разницей, что донором протона для водородной связи в этом случае является молекула субстрата, а акцептором - атакующий нуклеофил) приводит к тому, что в N-монозамещённых 2,4- и 2,4,6-тринитробензамидах под действием нуклеофилов селективно замещается ортонитрогруппа, в то время как в случае эфиров тех же кислот преобладают продукты замещения пара-нитрогруппы, а N,N-дизамещённые 2,4,6-тринитробензамиды продуктов орто-замещения не дают вообще.
Найденные закономерности представляют не только теоретический интерес, так как селективное введение заместителей в молекулы дибензоконденсированых гетероциклов имеет важное значение для синтеза cтруктурных аналогов комбретастатина.
3.1.7. В какой мере дибензоконденсированные 7-членные гетероциклы могут рассматриваться как аналоги комбретастатина? Из-за высокой активности комбретастатина как ингибитора полимеризации тубулина, а также в виду простоты его структуры, значительные усилия в последнее время были направлены на поиск его синтетических аналогов, обладающих подобной биологической активностью. Многочисленные исследования показали, что ключевым структурным фактором, ответственным за активность, является цис-расположение бензольных колец относительно связывающего их мостикового фрагмента (или, по крайней мере, способность молекулы принимать такую конформацию, где эти бензольные кольца пространственно сближены). Мостик может представлять собой не только С=С связь (как в самом комбретастатине), но и двухатомные фрагменты типа (СН2)2, СН2NH, CONH; карбо- или гетероцикл (обычно, 5-членный); одно- и трёхатомные фрагменты вроде С(=О) и С=СЦС(=О) и некоторые другие. Кроме того, важно наличие в бензольном кольце электронодонорных заместителей типа OR или NR2.
Собственно, именно этими соображениями и был вызван интерес к описанным выше конденсированным гетероциклическим системам: представлялось вполне вероятным, что дибензоконденсированные 7-членные гетероциклы (дибенз[b,f]оксепины, дибенз[b,f]оксазепиноны и бензо[f]нафто[b]оксазепины) также могут оказаться перспективными объектами для исследования их биологической активности в отношении тубулина. Действительно, необходимая цис-ориентация бензольных колец относительно связующего мостика (в роли последнего выступают фрагменты С=С для дибенз[b,f]оксепинов, СОNH для дибенз[b,f]оксазепинонов и С=N для бензо[f]нафто[b] оксазепинов) в данном случае обеспечена и жёстко зафиксирована самой структурой гетероциклов, а электронодонорные заместители (OR, SR или NR2) могут быть с успехом введены путём селективного нуклеофильного замещения или восстановления ароматических нитрогрупп, что подробно описано в предыдущих разделах.
Структуры исследованных соединений изображены ниже:
OMe N Cl H2N Br O H2N O O2N O Cl OPh OEt OMe N N N PhO EtO O MeO O O O NO2O SBu OPhO NH NH NH H2N BuS BuS O O O O O MeHN N NH MeO O2N O O К сожалению, синтезированные представители данных классов не продемонстрировали заметной активности по отношению к тубулину. Тем не менее, исследования по получению перспективных в этом отношении веществ путём синтетических превращений ароматических нитросоединений были продолжены и привели к интересным результатам, чему и посвящен следующий раздел.
3.2. 2-(2-Аминоарил)-5-ариламино-1,3,4-оксадиазолы как перспективные ингибиторы полимеризации тубулина Совсем недавно было показано, что пиридилзамещённые 1,3,4-оксадиазолы представляют собой новый перспективный класс биологически активных соединений - ингибиторов полимеризации тубулина, действующих (подобно комбретастатину) по колхициновому сайту белка, причём, как правило, наиболее активны производные, в молекулах которых Ar = 3,4-(метилендиокси)- или 3,4-(этилендиокси)фенил, а R = CH2ArТ, где, в свою очередь, ArТ = 3- или 4-пиридил.
N N O NHAr NHR N В связи с этим возникло предположение, что в целях получения новых биологически активных производных центральное пиридиновое ядро может быть заменено бензольным.
Соответствующие 2-(2-аминофенил)-5-ариламино-1,3,4-оксадиазолы могут быть получены из гидразидов орто-нитробензойных кислот, а исходными соединениями для синтеза последних, в свою очередь, могут послужить 2,4-ди- и 2,4,6-тринитробензойные кислоты, о которых шла речь в предыдущем разделе.
Схема 3-COOH O2N NOX N N X NHNHNOO NHAr O COOH NHR NONONOПервоначально предполагалось, что проявлению активности и в этом случае будет способствовать наличие электронодонорных (в частности, метоксильных) заместителей в бензольном кольце (ср. структуры подофиллотоксина и комбретастатина). В соответствии c этим предположением, в качестве исходного соединения была использована ранее не известная 4,6-диметокси-2-нитробензойная кислота 59, полученная путём нуклеофильного замещения нитрогрупп при взаимодействии метилового эфира 2,4,6-тринитробензойной кислоты с избытком MeONa с последующим гидролизом:
Схема 3-COOМе COOH O2N NO2 1) MeONa (2.2 экв.), MeOH O2N OMe 2) NaОН, MeOH-H2O NO2 OMe 59 (76%) Полученную таким образом кислоту переводят в хлорангидрид и далее в гидразид 60, взаимодействие которого с 3,4-(метилендиоксифенил)изотиоцианатом приводит к N-ацилNТ-арилтиосемикарбазиду 61, а кипячение последнего в MeCN с избытком дициклогексилкарбодиимида (DCC) - к 2-(4,6-диметокси-2-нитрофенил)-5-(3,4метилендиокси)фениламино-1,3,4-оксадиазолу 62. Использование DCC как реагента для подобных превращений описано, но опубликованные методики предусматривают применение в этом случае бензола как растворителя и длительное кипячение (10 ч. или более). Замена бензола на более полярный MeCN приводит к значительному (в несколько раз) сокращению времени реакции.
Схема 3-O S O H O N O NCS COOH CONHNHN NH H O O2N O2N OMe OMe O2N OMe 1) SOCl2) N2HOMe OMe OMe 60 (61%) DCC, MeCN to, 2 ч.
O O NH2 N N NO2 N N Н2, Pd/C, EtOAc O O NH O O NH OMe OMe MeO MeO 63 (56%) 62 (70% из 60) Каталитическое гидрирование нитрогруппы в оксадиазоле 62 приводит к целевому 2(2-амино-4,6-диметоксифенил)-5-(3,4-метилендиокси)фениламино-1,3,4-оксадиазолу 63.
Подобным же образом, исходя из метилового эфира 4-метокси-2-нитробензойной кислоты 64 (основного продукта нуклеофильного замещения нитрогруппы в метиловом эфире 2,4-динитробензойной кислоты метоксид-анионом) получен 2-(2-амино-4метоксифенил)-5-(3,4-этилендиокси)фениламино-1,3,4-оксадиазол 66. В данном случае восстановление нитрогруппы предшествует гетероциклизации и происходит одновременно с гидразинолизом при кипячении эфира 64 в гидразине. Важно отметить, что возникающая при этом аминогруппа не конкурирует с гидразиновым фрагментом в ходе реакции 2-амино4-метоксибензгидразида 65 с арилизотиоцианатом и не мешает замыканию оксадиазольного цикла при последующем взаимодействии с DCC:
Схема 3-COOMe COOMe CONHNHNONO2 N2H4,кипячение NHMeONa NOOMe OMe 64 (42%) 65 (22%) O NCS 1) O 2) DCC, MeCN, toC O NH2 N N O O NH MeO 66 (65%) Оксадиазолы 63 и 66, содержащие одну или две метокси-группы в бензольном кольце, угнетали деление клеток зародышей морского ежа в субмикромолярных концентрациях, однако их активность по отношению к тубулину оказалась примерно на порядок ниже, чем активность комбретастатина. (см. Табл. 3-1). Наиболее удивительным, однако, стало то, что ещё более активны оказались аналогичные производные 67 и 68 (вообще не содержащие метокси-групп), полученные из гидразида антраниловой кислоты и соотвествующих арилизотиоцианатов:
Схема 3-NH2 N N CONHNHNH 1) ArNCS O NHAr 2) DCC, MeCN, toC O Ar = (67, 54%) O O Ar = (68, 58%) O Как упоминалось выше, в пиридиновом ряду наибольшую активность проявляли соединения с группировкой ЦNHCH2ArТ в боковой цепи (ArТ = 3- или 4-пиридил).
Действительно, аналогичные производные бензольного ряда 69-72 оказались ещё активнее, чем их аналоги 67, 68, содержащие просто NH2-группу. Соединения 69-72 получены взаимодействием 67, 68 с соответствующими альдегидами ArТCHO c последующим восстановлением образующихся оснований Шиффа при помощи NaBH4:
Схема 3-Ar' HN NH2 N N N N 1) Ar'CHO O NHAr O NHAr 2) NaBH 67, 68 69-72 (71-75%) O O Ar = (69, 71); (70, 72) O O Ar' = (69, 70); (71, 72) N N Меньшей активностью обладает соединение 73, содержащее хинолиновое ядро:
Схема 3-CONH2 N2H4, to CONHNH86% NH2 NHN N NCS O 1) O 2) DCC, MeCN, toC O N N O O NH NHN 73 (82%) Центральное ядро необязательно должно представлять собой 6-членный (пиридиновый или бензольный) цикл - так, синтезируемые аналогичным образом производные с изотиазольным ядром 74-77 обладали мощным антитубулиновым действием, сравнимым с действием производных бензола 69-72:
RHN N N NH O S N R74-74: R2 = 3,4-(OCH2O)-, R3 = 3-пиридил 75: R2 = 3,4-(OCH2CH2O)-, R3 = 3-пиридил 76: R2 = 3,4-(OCH2O)-, R3 = 4-пиридил 77: R2 = 3,4-(OCH2CH2O)-, R3 = 4-пиридил Данные по биологической активности синтезированных соединений суммированы в Табл. 3-1 (для сравнения, там же приведены данные для ряда уже известных высокоэффективных ингибиторов полимеризации тубулина):
Таблица 3-1. Результаты биологических исследований производных 1,3,4-оксадиазола (воздействие на развитие зародышей морского ежа) Структура Нарушение Остановка Вращение дробленияа дробленияа зародышаа,b O NH2 N N O O NH 0.05-0.1 0.2 1-2.O O O NH2 N N O O NH 0.025 0.1 0.O O NH2 N N O 0.001 0.01 O NH O NH2 N N O O NH 0.001 0.02 0.O NH N N N O NH O 0.001 0.005 0.0 O NH N N N NH O O 0.001 0.005 0.0O NH N N N O O NH 0.0005 0.002 0.0O NH N N N NH O O 0.0005 0.002 0.0O NH2 N N O N O NH 0.05 2 >O NH N N N O 0.005 0.05 0.O NH N S O NH N N N O NH O 0.005 0.01 0.N S O NH N N N O O NH 0.002 0.005 0.N S O NH N N N 0.002 0.005 0.O NH O N S MeO NHCOCHMeO MeO 50 100 O OMe Колхицин MeO MeO OMe 0.005 0.01 OPO3NaOMe Комбретастатин А-4 фосфат O O N NH N 0.01 0.02 0.Cl D-248O N NHCOOMe S 0.005 0.01 0.N H Нокодазол OH O O O O 0.02 0.05 0.MeO OMe OMe Подофиллотоксин a b Пороговые концентрации (M). Угнетение прямолинейного плавания, оседание на дно сосуда и быстрое вращение зародышей на месте свидетельствует о способности исследуемого вещества дестабилизировать тубулин.
Высокая антитубулиновая активность полученных соединений подтверждена также на культуре раковых клеток А549 (эпителиальная карцинома лёгких), данные приведены в Табл. 3-2:
Tаблица 3-2. Цитотоксичность избранных оксадиазолов и их воздействие на клеточный цикл ДМСОa Нокодазолa 77 72 67 Цитотоксич- Нет 36.6 5.8 53.3 11.5 15.0 0.0 3000 866 1566.6 15.ность IC50, nMb эффекта Остановка на Нет 106.5 9.2 63.0 4.24 44.5 0.7 8550 353 2825 318.стадии G2/M эффекта EC50, nMc a b ДМСО (0.4 %) использовали в качестве негативного контроля, а нокодазол - в качестве позитивного; среднее значение по трём опытам; cсреднее значение по двум опытам.
Выводы 1. Разработан подход к синтезу веществ, обладающих антимитотической активностью, на основе доступных исходных соединений, используемых в качестве взрывчатых веществ либо сырья (полупродуктов) для их производства.
2. Исходя из получаемого пиролизом целлюлозы левоглюкозенона, найден путь к получению аннелированных хиральных лактонов (бутанолидов), структурный фрагмент которых присутствует в молекулах ряда используемых в медицине соединений с противоопухолевой активностью.
3. Показано, что взаимодействием доступных N-(ацилметил)азолов с (арилметилен)малононитрилами могут быть синтезированы азолил-замещённые 2амино-4-арил-3-циано-4Н-пираны - аналоги ранее изученных соединений антимитотического действия.
4. На основе 2,4-динитротолуола, 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ), а также производимых из них продуктов их окисления - 2,4-ди- и 2,4,6-тринитробензойной кислот - разработаны способы получения разнообразных гетероциклических систем - структурных аналогов комбретастатина - эффективного природного ингибитора полимеризации тубулина.
5. Установлено, что с использованием селективного замещения и восстановления нитрогрупп в полинитробензойных кислотах могут быть получены 2-(2-аминоарил)-5ариламино-1,3,4-оксадиазолы - новый перспективный класс соединений антимитотического действия, проявивших высокую биологическую активность, в ряде случаев превосходящую известные аналоги.
6. С использованием левоглюкозенона как хиральной матрицы разработан подход к синтезу оптически активных карбо- и гетероциклов. Показано, что в ходе присоединения прохиральных СН-кислот к левоглюкозенону высокая стереоселективность достигается лишь в том случае, когда присоединение сопровождается последующей циклизацией, что позволило синтезировать оптически активные циклопропаны, а также бициклические лактоны (3-оксабицикло[3.1.0]гексан2-оны), содержащие 4 асиммметрических центра.
7. Установлено, что реакционная способность N-(ацилметил)азолов определяется электроноакцепторными свойствами азольного фрагмента, который облегчает отрыв протона от соседнего с ним -углеродного атома. Как следствие, под действием оснований N-(ацилметил)азолы легко вступают в реакции с ,-непредельными кетонами, нитрилами и амидами, приводящие к 6-членным карбо- и гетероциклам.
8. Разработаны методы синтеза нитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклов (дибензоксепинов, бензонафтооксазепинов, а также индолов и конденсированных систем на их основе) исходя из 2,4-динитротолуола и ТНТ. Показано, что 2,4,6тринитробензойная кислота может служить исходным соединением для получения динитрозамещённых дибензоксазепинов, а получаемая её селективным восстановлением 2-амино-4,6-динитробензойная кислота - для получения динитрозамещённых хиназолинов.
9. Путём селективного нуклеофильного замещения нитрогрупп осуществлена направленная функционализация синтезированных динитрозамещённых бензоконденсированных гетероциклов. Установлено, что селективность замещения определяется природой бензоконденсированного гетероцикла и нуклеофила. В частности, большое значение имеет размер гетероцикла, характер замещения в непосредственной близости от нитрогрупп (С=О или С-Н группировки), а также тип нуклеофила (RO-, RS-, N3- или амин).
Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:
1. A.L. Laikhter, M.E. Niyazymbetov, D.H. Evans, А.V. Sаmеt, V.V. Semenov. Cathodically promoted highly selective Michael addition of nitro compounds to levoglucosenone // Tetrahedron Lett., 1993, 34, 4465-4468.
2. А.В. Самет, A.Л. Лайхтер, Д.Н. Резников, А.Н. Ямсков, Б.И. Уграк, Н.Б. Чернышева, В.В. Ёлкин, В.В. Семенов. Синтез гетероциклических систем с углеводным фрагментом. 1.
Стереоселективный синтез азолоангидросахаров присоединением азолов к левоглюкозенону // Изв. АН, Сер. хим., 1994, 1135-1139.
3. А.V. Samet, A.L. Laikhter, V.P. Kislyi, B.I. Ugrak, V.V. Semenov. Asymmetric induction in addition reactions of carbanions to levoglucosenone // Mendeleev Commun., 1994, 134-135.
4. А.В. Самет, А.М. Шестопалов, В.В. Семенов. Синтез 2-амино-5-(N-aзолил)пиранов // ХГС, 1995, 1699.
5. А.V. Sаmеt, M.E. Niyazymbetov, V.V. Sеmеnоv, A.L. Laikhter, D.H. Evans. Comparative studies of cathodically promoted and base-catalyzed Michael addition reactions of levoglucosenone // J. Org.
Chem, 1996, 61, 8786-8791.
6. А.В. Самет, А.М. Шестопалов, M.И. Стручкова, В.Н. Нестеров, Ю.T. Стручков, В.В. Семенов.
Синтез и структура 2-амино-5-aзолил-3-циано-4H-пиранов // Изв. АН, Сер. хим., 1996, 2050-2055.
7. А.В. Самет, В.П. Кислый, Н.Б. Чернышева, Д.Н. Резников, Б.И. Уграк, В.В. Семенов. Синтез гетероциклических систем с углеводным фрагментом. 2. Стереоселективный синтез тетрагидропиридонов реакцией левоглюкозенона с амидами -метиленактивных кислот // Изв.
АН, Сер. хим., 1996, 409-414.
8. А.В. Самет, А.Н. Ямсков, Б.И. Уграк, Л.Г. Воронцова, M.Г. Курелла, В.В. Семенов. Синтез гетероциклических систем с углеводным фрагментом. 3. Синтез и строение конденсированных пиримидиновых систем на основе левоглюкозенона // Изв. АН, Сер. хим., 1996, 415-418.
9. А.В. Самет, В.В. Kачалa, В.В. Семенов. Новые реакции N-aцетонилазолов // ХГС, 1997, 16971698.
10. А.В. Самет, В.В. Семенов. Реакция левоглюкозенона со стабилизированным илидом серы // Изв.
АН, Сер. хим., 1997, 2078.
11. А.В. Самет, А.Н. Ямсков, Б.И. Уграк, В.В. Семенов. Синтез гетероциклических систем с углеводным фрагментом. 4. Необычная реакционная способность левоглюкозенона по отношению к -аминоазолам и -дикарбонильным соединениям // Изв. АН, Сер. хим., 1997, 553558.
12. А.В. Самет, А.Н. Ямсков, В.В.Семенов. Реакция -кетосульфидов с ненасыщенными нитрилами как метод получения пиранов // ХГС, 1998, 1423-1424.
13. В.Н. Mаршалкин, А.В. Самет, В.В. Семенов. Синтез 2-аминo-4-aрил-5-нитрo-4H-пиран-3карбонитрилов // ХГС, 1998, 1661-1663.
14. А.В. Самет, А.Н. Ямсков, В.В. Kaчaлa, В.В. Семенов. Синтез 6-(N-aзолил)циклогекс-2-енонов из N-ацетонилазолов // Изв. АН, Сер. хим., 1999, 557-561.
15. А.В. Самет, Н.Б. Чернышевa, А.М. Шестопалов, В.В. Семенов. Взаимодействие левоглюкозенона с малононитрилом // Изв. АН, Сер. хим., 1999, 211-213.
16. S.G. Zlotin, P.G. Kislitsin, A.V. Samet, E.A. Serebryakov, L.D. Konyushkin, V.V. Semenov, A.C.
Buchanan III, A.A. Gakh. Synthetic utilization of polynitroaromatic compounds. 1. S-Derivatization of 1-substituted 2,4,6-trinitrobenzenes with thiols // J. Org. Chem., 2000, 65, 8430-8438.
17. S.G. Zlotin, P.G. Kislitsin, A.I. Podgursky, A.V. Samet, V.V. Semenov, A.C. Buchanan III, A.A. Gakh.
Synthetic utilization of polynitroaromatic compounds. 2. Synthesis of 4,6-dinitro-1,2-benzisothiazol-3ones and 4,6-dinitro-1,2-benzisothiazoles from 2-benzylthio-4,6-dinitrobenzamides // J. Org. Chem., 2000, 65, 8439-8443.
18. В.Н. Маршалкин, Д.А. Бровко. А.В. Самет. В.В. Семенов. О взаимодействии полинитротолуолов 2001, 37, 1312-1316.
со фталевым ангидридом // ЖОрХ, 19. N.B. Chernysheva, A.V. Samet, V.N. Marshalkin, V.A. Polukeev, V.V. Semenov. Synthesis of nitrosubstituted benzoannelated seven-membered heterocycles from trinitrоtoluene // Mendeleev Commun., 2001, 109-110.
20. A.V. Samet, E.P. Zakharov, V.V. Semenov, A.A. Gakh, A.C. Buchanan III. Synthesis of 4,6dinitroindole from 2,4,6-trinitrotoluene // Synth. Commun., 2001, 31, 1441-1445.
21. А.Н. Ямсков, А.В. Самет, В.В. Семенов. Получение конденсированных индолов на основе 2,4,62003, 725-726.
тринитротолуола // Изв. АН, Сер. хим., 22. A.V. Samet, V.N. Marshalkin, K.A. Kislyi, N.B. Chernysheva, Y.A. Strelenko, V.V. Semenov. Synthetic utilization of polynitroaromatic compounds. 3. Preparation of substituted dibenz[b,f][1,4]oxazepine11(10Н)-ones from 2,4,6-trinitrobenzoic acid via nucleophilic displacement of nitro groups // J. Org.
Chem., 2005, 70, 9371-9376.
23. А.Н. Ямсков, А.В. Самет, В.В. Семенов. Новая гетероциклическая система - бензо[b]фуро[4,3,22005, 917-918.
ef][1]бензоксепин // ХГС, 24. А.В. Самет, К.А. Кислый, В.Н. Маршалкин, В.В. Семенов. Получение дибенз[b,f][1,4]оксазепин2006, 529-533.
11(10Н)-онов на основе о-нитробензойных кислот // Изв. АН, Сер. хим., 25. К.А. Кислый, А.В. Самет, В.В. Семенов. 4,6-Динитроантраниловая кислота и 2006, 42, 307-308.
бензоконденсированные 6-членные гетероциклы нa ее основе // ЖОрХ, 26. A.V.Samet, A.M. Shestopalov, D.N. Lutov, L.A. Rodinovskaya, A.A. Shestopalov, V.V. Semenov.
Preparation of chiral cyclopropanes with carbohydrate fragment from levoglucosenone // Tetrahedron:
Asymmetry, 2007, 18, 1986-1989.
27. А.В. Самет, К.А. Кислый, В.Н. Маршалкин, Ю.А. Стреленко, Ю.В. Нелюбина, К.А. Лысенко, В.В. Семёнов. Синтез и строение азидо- и аминозамещённых дибензоксазепинонов // Изв. АН, Сер.
2007, 2018-2022.
хим., 28. A.S. Kiselyov, E.L. Piatnitski, A.V. Samet, V.P. Kisliy, V.V. Semenov. ortho-Substituted azoles as selective and dual inhibitors of VEGF receptors 1 and 2 // Bioorg. Med. Chem. Lett., 2007, 17, 13691375.
29. K.A. Kislyi, A.V. Samet, Y.A. Strelenko, V.V. Semenov. Synthetic utilization of polynitroaromatic compounds. 6. Remarkable regioselectivity in nucleophilic displacement of aromatic nitro groups with // J. Org. Chem., 2008, 73, 2285-2291.
amines 30. A.V.Samet, D.N. Lutov, L.D. Konyushkin, Y.A. Strelenko, V.V. Semenov. Preparation of chiral cyclopropanecarboxylic acids and 3-oxabicyclo[3.1.0]hexane-2-ones from levoglucosenone // Tetrahedron: Asymmetry, 2008, 19, 691-694.
31. A.V. Samet, K.A. Kislyi, V.N. Marshalkin, Y.A. Strelenko, M.M. Raihstat, Y.V. Nelyubina, V.V.
Semenov. A straightforward preparation of benzo[f]naphtho[b][1,4]oxazepines from TNT // Tetrahedron, 2008, 64, 11763Ц11767.
32. A.N. Yamskov, A.V. Samet, V.V. Semenov. Preparation of benzoannulated 7- and 8-membered heterocycles from 2,4,6-trinitrobenzoyl chloride // Mendeleev Commun., 2008, 18, 320-321.
33. A.V. Samet, A.N. Yamskov, Y.A. Strelenko, V.V. Semenov. Preparation of peri-annulated indoles from polynitro compounds // Tetrahedron, 2009, 65, 6868-6872.
34. А.В. Самет, В.Н. Маршалкин, К.А. Лысенко, В.В. Семёнов. Получение замещённых 2009, 344-346.
дибенз[b,f]оксепинов из 2,4,6-тринитротолуола // Изв. АН, Сер. хим., 35. A.V. Samet, V.N. Marshalkin, V.V. Semenov, A.C. Buchanan III, A.A. Gakh. Synthesis and chemical transformations of some nitrobenzoazoles // 218th ACS National Meeting, Abstract ORGN 47, New Orleans, 1999.
36. К.А. Кислый, А.В. Самет, В.В. Семенов. Получение и свойства нитрозамещенных дибенз[b,f][1,4]оксазепинонов // Тезисы доклада на VIII-й научной школе-конференции по 2005, 304.
органической химии, Казань, 37. А.В. Самет, К.А. Кислый, В.В. Семёнов. От утилизации ТНТ - к изучению новых закономерностей ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы // International Simposium УAdvanced Science in Organic ChemistryФ, Sudak, 2006, У-16.
38. А.В. Самет, Н.Б. Чернышева, В.В. Ёлкин, С.И. Фирганг, И.Ю. Титов, В.В. Семенов. Природные полисахариды - сырьё для синтеза гетероциклов с углеводным фрагментом // IV-я Всероссийская 2006.
научная конференция УХимия и технология растительных веществФ, Сыктывкар, 39. A.V. Samet, A.M. Shestopalov, V.V. Semenov. New aspects of reactivity of some carbonyl-stabilized sulfur carbanions in Michael reaction // 23rd International Symposium on the Organic Chemistry of Sulfur, Moscow, 2008.
40. А.В. Самет, Д.Н. Лутов, В.В. Семёнов. Получение оптически активных производных циклопропана на основе левоглюкозенона // V-я Всероссийская научная конференция УХимия и 2008.
технология растительных веществФ, Уфа, 41. А.V. Samet, М.N. Semenova, А.S. Кiselyov, V.V. Semenov. 2-(2-Аminoaryl)-5-arylamino-1,3,4oxadiazoles as promising tubulin inhibitors // Scientific Conference УBiologically active substances:
fundamental and applied problemsФ, Novy Svet, AR Crimea, Ukraine, 2009.
42. А.В. Самет, В.В. Семёнов. Ароматические полинитросоединения в синтезе биологически активных веществ // Всероссийская научная конференция УХимия нитросоединений и родственных азот-кислородных системФ, Москва, 2009.