CC BY
43
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Том 150, кн. 3 Естественные науки 2008
УДК 547.793.2
5,7-ДИХЛОР-4,6-ДИНИТРОБЕНЗОФУРОКСАН В РЕАКЦИЯХ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ С СУЛЬФАНИЛАМИДАМИ
И.В. Галкина, Е.В. Тудрий, Л.М. Юсупова, Р.З. Мусин, А.В. Герасимов,
В.Г. Сахибуллина, О.И. Гнездилов, А.В. Ильясов, В.И. Галкин
Аннотация
Разработан простой и эффективный способ функционализации 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана производными сульфаниламидного ряда. Получены продукты замещения состава 1 : 2. Методами квантовой химии оценены факторы, определяющие реакционную способность дихлординитробензофуроксана в этих реакциях. Замещенные бензофуроксаны обладают высокой антибактериальной и антимикотической активностью. Состав и строение продуктов подтверждено ИК-, ЯМР-, масс-спектральны-ми исследованиями и элементным анализом. Термическая стабильность продуктов оценена методами термогравиметрии (ТГ) и дифференциальной сканирующей калори-метриии (ДСК).
Ключевые слова: дихлординитробензофуроксан, сульфаниламиды, нуклеофильное замещение, перегруппировка Боултона-Катрицкого, биологическая активность, оксид азота.
Введение
Одним из современных эффективных подходов к синтезу новых биологически активных соединений является функционализация заведомо биоактивной каретки-носителя различными фармакофорными группами.
В настоящем исследовании в качестве такой исходной каретки выбран 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксан, обладающий выраженной биологической активностью и содержащий одновременно как нуклеофильные, так и электро-фильные реакционные центры, по которым можно проводить эффективную функционализацию потенциальными фармакофорами.
В качестве фармакофоров был выбран ряд сульфаниламидных препаратов с заведомо сильными антибактериальными свойствами. Сульфаниламиды обладают химиотерапевтической активностью при инфекциях, вызванных грам-положительными и грамотрицательными бактериями, нарушая в них синтез жизненно необходимой дигидрофолиевой кислоты за счет вытеснения природного субстрата - пара-аминобензойной кислоты с активного места ее специфического связывания на ферменте дигидрофолатсинтетазе [1, с. 226].
Фуроксановые соединения проявляют очень интересный и широкий спектр биологической активности, а также являются донорами оксида азота [2-6] и рассматриваются как пролекарства, реализующие свою биологическую активность через группу посредников внутри клетки [7].
Оксид азота (N0) - низкомолекулярное, неустойчивое и высокореакционное соединение, к тому же свободный радикал играет важную роль в регуляции тонуса кровеносного русла, ингибирует агрегацию тромбоцитов и их адгезию на стенках сосудов, функционирует в центральной и вегетативной нервной системе, регулируя деятельность органов дыхания, желудочно-кишечного тракта и мочеполовой системы [8]. Несмотря на неоспоримую практическую и теоретическую значимость предполагаемых лекарственных препаратов на основе бензофуроксанов и сульфаниламидов, химия этих соединений, а главное, их биологическая активность изучены ещё явно недостаточно и отнюдь не до конца использован потенциал этих перспективных классов соединений.
С целью поиска новых лекарственных форм с более широким спектром биологической активности, чем у исходных соединений, нами были проведены реакции 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана с рядом сульфаниламидов:
О
В качестве сульфаниламидов были выбраны соединения (1)-(5) общей
Результаты и обсуждения
802
формулы (I):
Н2N - С6Н4 - 802^И) - Я, (I)
где
Я = Н пара-аминобензолсульфамид (1),
ОСНз
(2)
ОСНз
4-(пара-аминобензолсульфамидо)-2,4-диметоксипиримидин (2),
ОСЫ,
Я
2-(пара-аминобензолсульфамидо)-3-метоксипиразин (3),
Л (4) Б
N
Я
2-(пара-аминобензолсульфамидо)-тиазол (4),
N---N
Я= // \\ (5)
С\ /С^
/ 8 ^С2Ы5
2-(пара-аминобензолсульфамидо)-5-этил-1,3,4-тиадиазол (5).
Реакции проводили в смеси тщательно очищенных растворителей: диэти-ловый спирт, диэтиловый эфир и вода в соотношении 5 : 3 : 2.
Независимо от соотношения реагентов были выделены только продукты состава 1 : 2 общей формулы (II):
О
Характеристика полученных соединений (6)—(10) общей формулы (II) представлена в табл. 1.
Продукты реакции получали при добавлении раствора дихлординитробен-зофуроксана к раствору соответствующего сульфаниламида в указанной смеси растворителей в мольном соотношении 1 : 4. В результате реакции образуются высокоплавкие (от 187 до 200 °С) ярко окрашенные кристаллы продуктов состава 1 : 2. Два моля сульфаниламида расходуется на связывание выделяющегося хлористого водорода. Продукты получены с высоким выходом 71-93%.
Что касается механизма данных реакций (а это реакции нуклеофильного замещения), то он исследован ещё недостаточно. Необходимо отметить, что в такой условно-ароматической системе, как 5,7-дихлор-4,6-динитробензофурок-сан, систематических исследований реакций нуклеофильного замещения вообще не проводилось.
8О21Ч —Я
Ы
(II)
Табл. 1
Характеристика соединений общей формулы (II)
Я ИК-спектр и (см -1) Выход, (%) Найдено Вычислено, (%) (%)
н 6. 200 Оранж. кр. (мн, :ын2) 3400 3350 3280 (С=М-О) 1616 74 С 35.23 С 35.85; Н 2.83 Н 3.01; N 18.14 N 18.59. СиНиОц^ • 2 Н2О
ОСНз —? N ОСН3 7. 187 Малин. кр. (МН) 3227 (С=М-О) 1600 93 С 41.38 С 41.00 Н 2.97 Н 3.44 N 19.34 N 19.13 Сзо^бО^ий • 2 Н2О
ОСН3 N=/ 8. 190 Крас. кр (МН) 3275 (С=М-О) 1612 87 С 40.68 С 40.98 Н 2.97 Н 3.41 N 19.87 N 20.49 С28Н24012^ 12^2 • 2 Н2О
хз Б 9. 195 Малин. кр. (МН) 3320 (С=М-О) 1611 83 С 37.17 С 37.50 Н 2.53 Н 2.60 N 18.67 N 18.23 С24Ніб0іоКіоБ4 • 2 Н2О
Ю I сч д ч. 197 Крас.- оранж. кр. (МН) 3309 (С=М-О) 1618 71 С 38.07 С 37.77 Н 3.03 Н 3.15 N 19.97 N 19.61 СкН^О^І^ • 2 Н2О
В случае изучаемых нами реакций с участием 5,7-дихлор-4,6-динитробен-зофуроксана, по-видимому, имеет место активация бензофуроксановой системы сразу несколькими акцепторами: двумя нитрогруппами в бензольном кольце и двумя скрытыми нитрозогруппами в фуроксановом. Таким образом, мы имеем дело с электронодефицитным гетероциклом или суперэлектрофильной системой.
В результате проведенных исследований было установлено, что в 5,7-ди-хлор-4,6-динитробензофуроксане замещаются оба атома хлора. Продукт монозамещения получить не удается. Это можно объяснить также на основе результатов проведенных нами квантовохимических расчетов.
В результате проведенного квантовохимического исследования выполнен расчет с полной оптимизацией геометрии самого дихлординитрофуроксана не-эмипирическим методом АЬіпійо (в базисе 6-3Ш) и современными полуэмпи-рическими методами (РМ3, АМ1). Показано, что результаты расчетов методом РМ3 практически полностью согласуются с данными неэмпирического расчета. Поэтому метод РМ3 был выбран в качестве основного в дальнейших расчетах геометрии молекул. Расчеты зарядов на атомах для уже установленной геомет-
рии молекул проводились методом СКБО, который дает в этом случае наиболее адекватные результаты.
Было показано, что распределение электронной плотности в бензофурок-сановой системе таково, что на атомах углерода, связанных с хлором в положении 5 и 7, имеются эффективные положительные заряды (с небольшим преимуществом на 0.012 ед. заряда электрона в положении 7), способствующие сравнительно быстрому замещению этих атомов хлора соответствующими нуклеофилами (аминогруппами сульфаниламидов):
С целью селективного замещения одного атома хлора в положении 7 (как более положительного) в 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксане был проведен поиск условий для протекания этих реакций и изучена зависимость направления реакции от температуры, растворителей, соотношения реагентов и порядка их смешения.
Однако ни в одном случае не удалось выделить продукт монозамещения. Во всех реакциях независимо от соотношения реагентов были выделены только продукты дизамещения, как было показано выше.
Такое поведение бензофуроксановой системы в данных реакциях объясняется тем, что медленной стадией процесса является замещение первого атома хлора в положении 7 аминогруппой сульфаниламида, после чего происходит активация второго атома хлора за счет перегруппировки Боултона - Катрицкого [9], приводящей второй атом хлора, находившийся ранее в положении 5, опять в положение 7, что влечет за собой увеличение электрофильности связанного с ним углеродного атома:
-0 173
-0.030
-0.320 / \
О^= N 0.498 С1 -0.045
О -0.325
О
БО2
I
ютя
О
N
\
О
бо2
I
Табл. 2
Энергии реакций образования продуктов из исходных соединений (ккал/моль)
Исходный сульфаниламид Продукт дизаме- щения Продукт монозамещения в положении 7 Продукт монозамещения в положении 5
«ара-аминобензол-сульфамид (1) -17.88 -11.70 -9.62
4-(«ара-аминобензолсульф-амидо)-2,4-диметокси-пиримидин (2) -14.18 -11.10 -9.08
2-(«ара-аминобензолсульф-амидо)- 3-метоксипиразин (3) -15.70 -12.05 -10.54
2-(«ара-аминобензолсульф-амидо)-тиазол (4) -20.55 -14.34 -9.12
2-(«ара-аминобензолсульф-амидо)-5-этил-1,3,4-тиадиазол (5) -20.80 -14.28 -9.32
Это полностью подтверждается результатами квантовохимических расчетов, свидетельствующими как о резком увеличении активности второй С-С1-связи после замещения по первой, так и о существенной термодинамической предпочтительности (3-6 ккал/моль) дизамещенного продукта по сравнению с мо-нозамещенным (табл. 2).
Литературные данные также находятся в полном соответствии с высказанными суждениями. Так, в реакциях 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана с серией алифатических и ароматических аминов образуются только дизамещен-ные продукты [10].
Для более полного подтверждения строения полученных продуктов было проведено масс-спектрометрическое исследование продукта реакции 5,7-дихлор-
4,6-динитробензофуроксана с «ара-аминобензолсульфамидом. В полученных масс-спектрах МАЛДИ наблюдается интенсивный пик 491 (85%) иона [М+Н]+ частично фрагментированного продукта дизамещения, которому можно приписать строение (III):
Н—N802----^ ЫН^- >=0 ( III )
Эта структура была предложена на основании полученных ранее результатов [11], где также были зафиксированы как элиминирование фуроксанового кислорода, связанного с атомом азота семиполярной донорно-акцепторной связью, так и выделение N0, который был надежно зарегистрирован методом ЭПР-спектроскопии. Таким образом, было установлено, что замещенные нит-робензофуроксаны способны восстанавливаться до фуразанов и при этом быть донорами N0.
ЯМР 1Н спектральные исследования осложняются тем, что полностью замещенный бензофуроксан не содержит протонов. Поэтому спектральные наблюдения можно проводить только по протонам сульфаниламидных групп.
Положение и характер сигналов этих протонов в ЯМР 1Н спектрах исходных сульфаниламидов и продуктов замещения различаются и отвечают соответствующим структурам.
Проведенные на примере продукта (6) ЯМР 13С спектральные исследования полностью подтвердили его строение. В спектре ЯМР 13С (ДМС0-06) сигналы неэквивалентных углеродов бензофуроксанового скелета проявились в виде 6-ти синглетов в области 141.6-147.6 м.д., сигналы атомов углерода бензольного кольца сульфаниламидных фрагментов в виде 2-х синглетов при 122.0 и 123.2 м.д. (орто- и мета- углеродные атомы по отношению к сульфаниламидной группе) и 2-х синглетов при 127.0 и 127.5 м.д., соответствующих пара- и ипсо- по отношению к сульфаниламидной группе углеродным атомам.
Полученные дериватограммы на основе совмещенного метода ТГ (термогравиметрия) и ДСК (дифференциальная сканирующая калориметрия) позволили как уточнить строение продуктов, так и изучить их термическую устойчивость в пределах температур от 20 до 350 °С. Так, на дериватограмме дизамещенного продукта (6), полученного по реакции дихлординитрофуроксана с пара-амино-бензолсульфамидом (рис. 1), отчетливо виден плавный эндоэффект с максимумом при 96.9 °С, сопровождающийся потерей массы 5.66%, что в точности соответствует испарению двух молекул кристаллизационной воды. А при температуре 200 °С фиксируется резкий экзоэффект с практически высокой потерей массы (71.86%), однозначно свидетельствующий о разложении этого соединения. Ранее в обычных экспериментах по определению температуры плавления мы принимали эту температуру именно за температуру плавления.
Аналогичные по виду дериватограммы получены и для продуктов (7)-(10).
Согласно этим дериватограммам можно предположить, что полученные продукты содержат кристаллизационную воду (2 молекулы воды на 1 молекулу продукта), на что указывает 5.66%-ная потеря массы в районе 100 °С, и разлагаются при плавлении с 78.87%-ной потерей массы в очень узком интервале температур (в точке разложения). Таким образом, синтезированные соединения оказались достаточно термостабильными, вплоть до температуры плавления, совпадающей в большинстве случаев с температурой разложения.
Полученные соединения были проверены на наличие биологической активности на некоторых образцах патогенной микрофлоры человека и животных: Candida Albicans, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Proteus mirabilis.
Все соединения проявили высокую антимикотическую активность, некоторые из них в той или иной мере продемонстрировалии антимикробное действие в концентрациях 0.8 и 0.08 мг/мл.
Экспериментальная часть
При смешении реагентов (5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана и соответствующего сульфаниламида в соотношении 1 : 4) в смеси растворителей диэтиловый спирт, диэтиловый эфир и вода (5 : 3 : 2) при комнатной температуре и интенсивном перемешивании наблюдали быстрое окрашивание реакционной смеси в красный цвет. Для полного прохождения реакции исходную смесь выдерживали в течение 2 ч на водяной бане при 60 °С.
^1
K>
TG1%
DTG /(%/min) DSC /(uV/mg)
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
Temperature /°C
Phc. 1. /],cpHBaTorpa\i\ia 4.6-jHHHTp0-5.7-jH-(«-aMHH06cH !0.ic\ .ib(|)aMHj0)-6cH !0(|n p0KcaHa (6)
H.B. TAJIKHHA h ap.
Через 1 сут выпавшие из реакционной смеси кристаллы выделяли и многократно отмывали от исходных соединений водой, спиртом и эфиром. Кристаллы перекристаллизовывали из смеси растворителей гексан - хлороформ. Данные ИК-спектров (КБг) полученных соединений, элементный анализ, Тразл, выход приведены в табл. 1.
Индивидуальность и термическая устойчивость полученных соединений была оценена совмещенным методом TG и DSC на приборе NETZSCH STA 449C в интервале температур от 20 до 400 °С со скоростью нагрева образца 10 °С в минуту в среде аргона.
ЯМР 'Н и 13C спектры записаны на ЯМР-спектрометре AVANCE-400 фирмы Bruker.
Масс-спектры матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации (МАЛДИ) получены на времяпролетном масс-спектрометре DYNAMO MALDI TOF фирмы «Thermo Bioanalysis Finnigan», США. Для лазерной десорбции применялся импульсный УФ-лазер с длиной волны 337 нм. Матрицей (путем многократного подбора) служили инертные вещества. Образец приготавливался методом «высушенной капли»: смесь раствора матрицы в этаноле (1% мас.) и раствора анализируемого вещества в метаноле (0.1% мас.) наносилась на подложку и высушивалась при температуре 40 °С.
Заключение
Разработан простой и эффективный метод функционализации 5,7-дихлор-
4,6-динитробензофуроксана производными сульфаниламидного ряда. На его основе получены продукты замещения состава 1 : 2. Методами квантовой химии оценены факторы, определяющие реакционную способность дихлорди-нитробензофуроксана в данных реакциях. Установлено, что первоначальное замещение хлора у С7-углеродного атома является лимитирующей стадией реакции и приводит к существенной активации второй С-С1-связи за счет перегруппировки Боултона - Катрицкого. Поэтому реакция не завершается на стадии образования монозамещенного продукта, а сопровождается быстрым замещением второго атома хлора с исключительным образованием дизамещен-ных продуктов. Полученные соединения обладают антимикотической и антибактериальной активностью.
Работа выполнена при финансовой поддержке АН РТ (проекты № 077.1.1/2007 (ФП); № 07-7.1-20/2006 (Г), № 07-7.2-276 (ПЛ)/2006 (Г)).
Summary
I.V. Galkina, E.V. Tudriy, R.Z. Mysin, A.V. Gerasimov, L.M. Usupova, V.G. Sakhibul-lina, O.I. Gnezdilov, A.V. Ilyasov, V.I. Galkin. 5,7-Dich1oro-4,6-dinitrobenzofuroxan in Reactions of Nucleophilic Substitution with Sulfanilamides.
A simple and efficient procedure for the synthesis of bissulfanilamidated 4,6-dinitrben-zofuroxans is elaborated for the first time. The structure of all obtained compounds has been calculated by semi-empirical quantum-chemical method PM3. Substituted benzofuroxans are of great interest in medical practice and have very broad spectrum of antibacterial and fungistatic activity and relatively low toxicity. The structure of the products obtained has been
determined by IR and 1H NMR spectroscopy, and mass-spectrometry. TG and DSC methods
have been used to study the stability of the compounds.
Key words: dichlorodinitrobenzofuroxan, sulfanilamides, nucleofilic substitution, Boulton - Katritzky rearrangement, bioactivity, nitrogen oxide.
Литература
1. Граник В.Г. Лекарства, фармакологический, биохимический и химический аспекты. - М.: Вузовская книга, 2001. - 407 с.
2. Граник В.Г., Рябова С.Ю., Григорьев Н.Б. Экзогенные доноры оксида азота и ингибиторы его образования (химический аспект) // Усп. химии. - 1977. - Т. 66, № 8. -С. 792-807.
3. Bussygina O.G,. Pyatakova N.V., Khropov U.V., Ovchinnokov I.V., Makhova N.N., Severina I.S. Benzodifuroxan as an NO-dependent activator of souluble Guanilate Cyclase and a novel highly effective inhibitor of platelet aggregation // Биохимия. - 2000. -Т. 65, № 4. - С. 540-546.
4. Bohn H., Brendel J., Martorana P.A., Schonafinger K. Cardiovascular actions of the furoxan CAS 1609, a novel nitric oxide donor // Brit. J. Pharmacol. - 1995. - V. 114. -P. 1605-1612.
5. Medana C., Ermondi G., Di Stilo A., Ferretti F., Gasco A. Furoxanes as Nitric Oxides Donors. 4-phenyl-3-furoxan carbonitrile: thiol-mediated Nithric Oxide release and biological evaluation // J. Med. Chem. - 1994. - V. 37, No 25. - P. 4412-4416.
6. Mu Li, Feng S-s,. Go M.L. Stady of synthesis and cardiovascular activity of some furoxan derivatives as potential NO-donors // Chem. Pharm. Bull. - 2000. - V. 48, No 6. - P. 808816.
7. Feelish M., Schonafinger K., Noak E. Thiol-mediated generation of nitric oxide accounts for the vasodilator action of furoxans // Biochem. Pharmacol. - 1992. - V. 44, No 6. -P. 1149-1157.
8. ГраникВ.Г., Григорьев Н.Б. Оксид азота (NO). Новый путь к поиску лекарств. - М.: Вузовская книга, 2004. - 360 с.
9. Boulton A.J., KatritzkyA.R. N-Oxides and related compounds. Part XXII. The rearrangement of 4-nitrobenzofuroxans to 7-nitrobenzofuroxans // Revue Roumaine de Chi-mie. - 1962. - V. 7. - P. 691.
10. Канчурина Э.Э., Юсупова Л.М., Сопин В.Ф., Галкина И.В, Галкин В.И. Реакции 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана с гетероциклическими аминами пиридинового ряда // Вестн. Казан. гос. технол. ун-та. - 2006. - № 4. - С. 31-36.
11. Галкина И.В., Тудрий Е.В., Катаева О.Н., Юсупова Л.М., Галкин В.И. Необычная
реакция фосфорилирования дихлординитробензофуроксана трифенилфосфином // Тез. докл. XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. - М., 2007. -Т. 1. - С. 168.
Поступила в редакцию 26.02.08
Галкина Ирина Васильевна - кандидат химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных и элементоорганических соединений Химического института им. А. М. Бутлерова Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Тудрий Елена Вадимовна - аспирант кафедры высокомолекулярных и элементоорганических соединений Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
Юсупова Луиза Магдануровна - доктор химических наук, профессор кафедры химии и технологии органических соединений азота Казанского государственного технологического университета.
Мусин Рашид Загитович - кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории физико-химического анализа Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.
Герасимов Александр Владимирович - аспирант кафедры физической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
Сахибуллина Виктория Григорьевна - кандидат химических наук, научный сотрудник отдела стереохимии Химического института им. А. М. Бутлерова Казанского государственного университета.
Гнездилов Олег Иванович - старший научный сотрудник лаборатории молекулярной фотохимии Казанского Физико-технического института КазНЦ РАН.
Ильясов Ахат Вахитович - доктор физико-математических наук, профессор, академик АН РТ, главный научный сотрудник, лаборатории радиоспектроскопии Института органической и физической химии им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН.
Галкин Владимир Иванович - доктор химических наук, профессор, директор Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
