CC BY
66
УДК 543.544.547
О. Б. Григорьева (к.х.н., доц.)1, А. А. Голованов (к.х.н., ст. преп.)2, В. В. Бекин (инж.)2, М. Н. Земцова (к.х.н., доц.)3
Использование системного подхода при исследовании веществ
U U
с потенциальной биологической активностью
1 Самарский государственный университет 443011, ул. Акад. Павлова, д. 1, г. Самара 2Тольяттинский государственный университет, кафедра химии и химической технологии 445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14; тел. (8482) 546377, e-mail: [email protected] 3Самарский государственный технический университет, кафедра органической химии 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 224; тел. (846) 3322122, e-mail: [email protected]
O. B. Grigor'eva1, A. A. Golovanov2, V. V. Bekin2, M. N. Zemtsova3
Investigation of the compounds with potentional biologically activity by systemsapproach
1 Samara State University 1, Acad. Pavlova Str., 443011, Samara, Russia; 2Togliatty State University 14, Belorusskaya Str, 14445667, Togliatti, Russia; ph. (8482) 546377, e-mail: [email protected]
3Samara State Technical University 244, Molodogvardejskaya Str, 443100, Samara, Russia; ph. (846) 3322122, e-mail: [email protected]
В работе показаны преимущества использования системного подхода при исследовании взаимосвязи «структура — свойство» на примере производных хинолина: замещенных цинхони-новых кислот, а также класса винилацетилено-вых кетонов. Рефрактометрическое исследование и величины констант диссоциации производных цинхониновых кислот, дополняя ранее полученные хроматографические данные, позволяют оценить распределение электронной плотности при сопряжении хинолинового и тиенильного фрагментов. Для производных винилацетилено-вых кетонов впервые получены характеристики удерживания в условиях капиллярной газовой хроматографии и установлены вклады заместителей в удерживание.
Ключевые слова: биологическая активность; винилацетиленовые кетоны; взаимосвязь «структура—свойство»; замещенные цинхониновые кислоты; константы диссоциации; молекулярная рефракция; хроматография.
On example of cinchoninic acids and vinyl-acetylene ketones the advantage of the systems approach in QSPR investigation (quantity structure — property relationship) were demonstrated. Refraktometric research and the dissociation constant of cinchoninic acids adding the chromatographic data obtained before are allow to estimatethe distribution of electronic density in conjugation quinolone and thienyl fragments. For derivatives of vinylacetylene ketones the retention characteristics in capillary gas chromatography were obtained for the first time. The substituent contributions in retention were calculated.
Key words: biological activity; substituted cinchoninic acids; vinylacetylene ketones; quantity structure — property relationship; chro-matography; molecular refrection; dissociation constants;
Проблема установления взаимосвязи между структурой соединения и проявляемыми ими химическими и физико-химическими свойствами является актуальной в современной теоретической химии. В настоящее время широко
используются количественные соотношения между параметрами, описывающими строение молекулы и физико-химическими свойствами, в том числе биологической активностью веществ. Такие корреляции применяют и для
Дата поступления 22.11.12
прогнозирования свойств гипотетических молекул, целенаправленного синтеза новых веществ с заданными свойствами, что имеет практическую ценность для веществ с потенциальной биологической активностью.
Любое свойство молекулы закодировано в ее химической структуре и установление количественного соотношения «структура-свойство» часто предлагает наилучший способ ее
расшифровки. При этом соединения предлага-
1
ется рассматривать по уровням : элементарный (брутто-формула), двумерная структура, трехмерная структура, объемные свойства, стереодинамическая структура, стереоэлект-ронная структура, взаимодействие с окружением. Для этого используют различные параметры и, в общем, можно выделить три основных подхода: квантовохимический, топологический и физико-химический. Квантовохимически
рассчитывают и используют в корреляциях 2
заряды на атомах , они отражают электростатическую составляющую молекулярных взаимодействий , часто используют энергии высшей занятой (£взмо) и низшей свободной (£нсмо) молекулярных орбиталей 4'5. Считается, что их разность отражает меру стабильности молекул 6, а их связь с потенциалом ионизации и величиной сродства к электрону позволяет использовать их для оценки реакционной способности молекул. Топологический подход основан на расчете топологических индексов — структурных дескрипторов, рассчитанных с применением математической теории графов 7. Физико-химический подход основан на применении принципа линейного соотношения свободных энергий (ЛССЭ), например, количественно описать межмолекулярные взаимодействия при установлении взаимосвязи «структура—биологическая активность» можно с помощью разности свободных энергий ЭО. При выявлении типа межмолекулярных взаимодействий, в которые вступает данное соединение, также используют электронные, стери-ческие параметры и параметры, описывающие гидрофобность молекулы: результирующий дипольный момент, поляризуемость, молекулярная рефракция, индуктивные и стеричес-кие константы заместителей, ван-дер-ваальсов объем, угол и степень экранирования 8, логарифм распределения в системе и-октанол — вода, как параметр, характеризующий гидро-фобность (часто используют для анализа связи «структура—активность», так как данная величина характеризует транспортные свойства соединений).
В последнее время имеется очень много публикаций, посвященных исследованию количественных соотношений «структура—свойство» (КССС, QSPR), но, на наш взгляд, основным их недостатком является узкоспециализированное решение в рамках одной дисциплины, одного раздела науки. Между тем, именно системное рассмотрение проблемы, объединение всех известных подходов, взаимные, не исключающие друг друга выводы позволят получать объективную, достоверную информацию, способствующую прогнозу свойств и биологической активности на основе структурной формулы соединений. Такой системный подход требует работы на стыке упомянутых дисциплин (квантовохимические и топологические расчеты, измерение и определение физико-химических дисциплин, термодинамических параметров) и предполагает наличие характеристик, коррелирующих со всеми параметрами в различных подходах. Такими характеристиками, легко определяемыми экспериментально, являются характеристики хро-матографического удерживания, в том числе термодинамические параметры сорбции, ведь именно сорбционный механизм действия отмечается у многих лекарственных препаратов. Использование различных вариантов хроматографии, неподвижных фаз различной полярности позволяет выявлять весь спектр межмолекулярных взаимодействий веществ и оценивать тонкоструктурные особенности соединений.
Экспериментальная часть
Экспериментальное определение констант диссоциации замещенных цинхониновых кислот проводили потенциометрическим методом на милливольтметре рН-121 (погрешность измерения 0.05 ед. рН). Исследуемые соединения растворяли в водно-этанольной смеси (1:1 по объему), свободной от С02, в качестве щелочного титранта использовали гидроксид натрия в том же растворителе, от свободных карбонатов избавлялись путем добавления оксида кальция. Титрование проводили со стеклянным электродом, выдержанном в водно-эта-нольном растворителе, хлорсеребряный электрод заполняли раствором хлорида калия в том же растворителе. Исследуемые соединения, а также полученные значения констант диссоциации и рКа приведены в табл. 1.
Рефракцию некоторых производных хи-нолина определяли из рефракции их растворов. Расчет вели по известным формулам.
Таблица 1
Величины рКа и Кдис некоторых замещенных цинхониновых кислот
№ Соединение Кдис рКа
1 4-Карбоксихинолин 1.5510-5 4.81 ± 0.05
2 4-Карбокси-2-(2'-тиенил)хинолин 7.0810-5 4.15 ± 0.03
3 6-Бром-4-карбокси-2-(2'-тиенил)хинолин 1.20-10-5 4.92 ± 0.26
4 6-Метил-4-карбокси-2-(2'-тиенил)хинолин 5.5010-5 4.26 ± 0.06
5 4-Карбокси-2-фенилхинолин 3.47-10-5 4.46 ± 0.05
6 6-Метил-4-карбокси-2-фенилхинолин 2.57-10-5 4.56 ± 0.10
7 4-Карбокси-2-метилхинолин 1.55-10-6 5.81 ± 0.06
8 6-Бром-4-карбокси-2-метилхинолин 2.88-10-5 4.54 ± 0.08
9 4-Карбокси-2-(п-хлорфенил)хинолин 3.89-10-5 4.41 ± 0.07
10 6-Бром-4-карбокси-2-(п-хлорфенил)хинолин 9.77-10-5 5.01 ± 0.20
11 4-Карбокси-2-(2'-дитиенил)хинолин 2.40-10-5 4.62 ± 0.10
Таблица 2
Значения экзальтации молекулярной рефракции производных хинолина
Соединение МРэксп., см3/ моль МРадд., см3/ мОЛЬ ЕМ, см3/ моль
Хинолин 41.800 42.227 -0.427
2-(2'-Тиенил)хинолин 62.530 64.127 -1.597
4-Карбокси-2-(2'-тиенил)хинолин 70.060 70.257 -0.197
4-Карбметокси-2-(2'-тиенил)хинолин 74.970 74.880 0.090
4-Карбэтокси-2-(2'-тиенил)хинолин 79.210 79.527 -0.317
6-Бром-4-карбокси-2-(2'-тиенил)хинолин 80.088 77.157 2.931
6-Бром-4-карбметокси-2-(2'-тиенил)хинолин 83.390 81.780 1.610
6-Бром-4-карбэтокси-2-(2'-тиенил)хинолин 88.890 86.427 2.463
2-Метилхинолин 47.066 46.780 0.286
4-Метилхинолин 46.342 46.780 -0.438
6-Метилхинолин 46.947 46.780 -0.167
Кроме экспериментальных величин были рассчитаны значения молекулярной рефракции и по аддитивным схемам. Рассмотренные соединения, значения экспериментальных и аддитивных величин молекулярной рефракции, а также разница между ними, так называемая экзальтация молекулярной рефракции, приведены в табл. 2.
В работе впервые определены характеристики удерживания 16 производных винилаце-тиленовых кетонов в условиях капиллярной газовой хроматографии.Газохроматографичес-кий эксперимент выполняли на хроматографе Кристалл 4000М с пламенно-ионизационным детектором и капиллярной колонкой 2В-1 (2еЬгоп, США). Неподвижная фаза — диме-тилполисилоксан, длина колонки 50 м, внутренний диаметр 0.22 мм, толщина пленки НФ 0.5 цш. Температура испарителя 315 оС, колонки 295 оС, детектора 300 оС. Газ-носитель — гелий. Винилацетиленовые кетоны вводились в виде 1%-х растворов в бензоле (доза 0.6 мкл). Времена удерживания определены в программе КеЮЬгош. Формулы исследованных соединений, а также полученные факторы удерживания приведены в табл. 3.
Обсуждение результатов
Развитие системного подхода применительно к производным адамантана отражено в работах С. В. Курбатовой 9. Под ее руководством данный системный подход был приме-неннами к исследованию класса замещенных цинхониновых кислот. Былорассмотрено 40 моно- и полизамещенных цинхониновых кислот (производных 4-карбоксихинолина), данный класс соединений, как и многие другие азотсодержащие гетероциклы, обладает широким спектром видов биологической активности. Для всех изученных соединений впервые рассчитаны топологические индексы (индексы связанности пяти порядков и индексы Винера), экспериментально определены величины молекулярной рефракции и поляризуемости, полуэмпирическими квантовохимическими методами рассчитаны основные физико-химические параметры. Хроматографическое поведение молекул производных цинхониновых кислот исследовали в условиях высокоэффективной жидкостной хроматографии в двух ее вариантах: нормально-фазовом и обращенно-фазовом 10>11. Удерживание в жидкостной хроматографии обусловлено совокупностью различных видов межмолекулярных взаимодей-
ствий в системе сорбат—сорбент—элюент, которые в свою очередь определяются характером распределения электронной плотности в молекуле. Было оценено влияние природы и положения заместителя в хинолиновом ядре на хроматографическое поведение, предложены модели удерживания замещенных цинхонино-вых кислот в условиях ВЭЖХ. Установлено, что определяющее влияние на характер сорбции оказывают заместители в положениях 2 и 4 хинолинового ядра, причем для 2-замещен-ных цинхониновых кислот сильно влияние стерического фактора, заместители в положении 6 не влияют на характер сорбции. Получены количественные соотношения «структура — удерживание», «структура—свойство», «структура — активность», показана их прогностическая способность, рассчитаны инкременты характеристик удерживания, позволяющие прогнозировать их хроматографическое поведение 12.
В условиях нормально-фазового варианта ВЭЖХ в качестве неподвижной фазы использовали силикагель с привитыми —СЫ-группами. Данная фаза способна вступать в специфические взаимодействия с атомом азота и п-электронной плотностью хинолинового кольца, сила этого взаимодействия оказывается прямо пропорциональной основности атома азота, на которую влияют заместители. Поэтому в рамках системного подхода нами потен-циометрическим методом определены константы диссоциации 4-карбоксихинолина и 10 замещенных цинхониновых кислот (табл. 1).
Сравнение констант диссоциации замещенных цинхониновых кислот с константой диссоциации незамещенной цинхониновой кислоты позволяет оценить особенности распределения в молекулах электронной плотности. Самой сильной кислотой является соединение 2 (табл. 1), фенильный и п-хлорфениль-ный заместители оказывают одинаковое влияние на распределение электронной плотности, самой слабой кислотой является соединение 7 (табл. 1), ее константа диссоциации на порядок ниже значений для остальных соединений. Причина этого, по всей видимости, в электро-нодонорном характере метильной группы, находящейся в положении 4, задействованном в резонансе. Таким образом, данные по константам диссоциации дополняют комплекс информации об изученных соединениях и позволяют более аргументированно интерпретировать результаты, полученные с помощью других физико-химических методов, в частности, они согласуются с закономерностями удерживания в НФ ВЭЖХ.
Открытым оставался вопрос о влиянии тиенильного и фенильного радикалов в положении 2 хинолинового кольца. Данные заместители обладают схожим электронным строением, они способны выступать как донорами, так и акцепторами электронной плотности 13,14, Кольцевые системы хинолина и тиенила (фенила) находятся в сопряжении, однако, определить в какой степени электронодонорный эффект тиенильного заместителя преобладает над таким же эффектом хинолинового ядра сложно. При преимущественном влиянии п-электронной системы тиенильного ядра смещение электронной плотности наблюдается в соответствии со схемой:
8+8"
Б
Если в цепи сопряжения преобладает электроноакцепторное влияние атома азота, то сдвиг электронной плотности происходит в противоположном направлении:
8- 8+
Согласно схеме (I) основность азота уменьшается, согласно схеме (II) — увеличивается. Как следует из полученных экспериментальных данных 11, фактор удерживания 2-(2'-тиенил)хинолина меньше фактора удерживания хинолина, что свидетельствует в пользу реализации схемы (I) при передаче мезомерно-го эффекта. Однако это не согласуется с представлениями классической органической химии, согласно которым тт-дефицитное хиноли-новое кольцо не должно являться донором -электронной плотности, поэтому уменьшение фактора удерживания мы объясняли проявлением стерического эффекта объемного заместителя в положении 2. Тем не менее, понижение рК 4-карбокси-2-(2'-тиенил)хинолина по сравнению с рК 4-карбоксихинолина также свидетельствует об электроноакцепторном характере тиенильного заместителя. Данные по рефрактометрическому исследованию замещенных цинхониновых кислот и их производ-
ных (табл. 2) также свидетельствуют о реализации схемы (I). Введение в положение 2 тие-нильного заместителя заметно понижает величину депрессии, что, вероятно, свидетельствует о заметном внутримолекулярном взаимодействии тиенильного и хинолинового колец, а, как известно, депрессия молекулярной рефракции свидетельствует об уменьшении сопряжения в системе.
Данный факт требует дальнейшей проверки независимым методом установления электронной структуры. Однако даже на таком примере видно преимущество системного подхода, позволяющего всесторонне и более полно исследовать особенности структуры соединений.
Еще одним классом соединений, вызывающим интерес исследователей, являются винил-ацетиленовые кетоны (ВАК). ВАК обладают широким спектром видов биологической активности, на их основе ведется синтез многих гетероциклических соединений, широко используемых в промышленности и сельском хозяйстве. В рамках системного подхода для исследования взаимосвязи «структура—свойство» для 16 представителей данного класса соединений впервые определены факторы удерживания (табл. 3) в условиях капиллярной газовой хроматографии на фазе 2еЬгоп-1 (100% диметилполисилоксан). Это неполярная неподвижная фаза, способная вступать с сор-батами только в дисперсионные и/или индукционные межмолекулярные взаимодействия.
Таблица 3
Факторы удерживания винилацетиленовых кетонов, полученные в условиях капиллярной газовой хроматографии
№ Соединение ХСОСН=СНС^СУ к
X У
1 СбН5 С6Н5 1.11
2 4-СНзСбН4 С6Н5 1.48
3 4-/-С3Н7С6Н4 С6Н5 2.12
4 4-СН3ОС6Н4 С6Н5 2.13
5 4-С2Н5ОС6Н4 С6Н5 2.46
6 4-С1С6Н4 С6Н5 1.63
7 З-ВГС6Н4 С6Н5 2.00
8 4-В1-С6Н4 С6Н5 2.09
9 З-Ж2С6Н4 С6Н5 2.43
10 С6Н5 4-СН3С6Н4 1.46
11 4-СН3С6Н4 4-СН3С6Н4 1.95
12 4-С1С6Н4 4-СН3С6Н4 2.15
13 С6Н5 4-ВГС6Н4 2.14
14 4-ВГС6Н4 4-ВГС6Н4 4.07
15 (2-С4Н3О) С6Н5 0.78
16 (2-С4Н3О) 4-ВГС6Н4 1.51
Таким образом, следует ожидать корреляций параметров удерживания с такими характеристиками сорбатов, как объем, поляризуемость, величины молекулярной рефракции и гидрофобности. Оценено влияние заместителей в зависимости от их природы и местоположения в цепи. Анализ полученных данных показывает, что введение любого заместителя в арильное кольцо в той или иной степени увеличивает время удерживания исследуемых сорбатов, и это увеличение, как было указано, напрямую зависит от размера заместителя, а, следовательно, отегополяризуемости. Так, изопропильный радикал(соед. 3)увеличива-ет удерживание более чем в два раза по сравнению с метильным (соед. 2), этоксипроиз-водное (соед. 5) удерживается дольше, чем метокси- (соед. 4), инкремент брома больше, чем хлора в соответствующем положении и т.д. Вклад брома в положении 3 (соед. 7) арильного кольца чуть ниже вклада брома в положении 4 (соед. 8), и это можно объяснить, по всей видимости, чуть большей «длиной площадки», способной к взаимодействию с неподвижной фазой в случае нахождения брома в положении 4. Некоторым исключением из рассматриваемых закономерностей является молекула 14 — дибромзамещенное производное ВАК: обращает на себя внимание аномально высокое время удерживание данного сорба-та, значительно превышающее ожидаемое. Для выяснения этого вопроса в рамках системного подхода нами предполагается вычисление квантовохимическим методом некоторых характеристик структуры и исследование корреляций «структура—удерживание», вычисление некоторых топологических индексов, а также определение с помощью программы РАББопНпе вероятностей проявления видов биологической активности исследованных ви-нилацетиленовых кетонов и построение корреляций «структура—активность» и «активность—удерживание». Уже полученные предварительные данные позволяют сделать заключение, что прослеживаются корреляции жаропонижающей, дерматологической, сосудорасширяющей активности винилацетилено-вых кетонов с объемом молекул, логарифмом распределения в системе и-октанол—вода (а значит, и с полученными хроматографически-ми параметрами); противогрибковой, анти-гельминтной, противовирусной активности ви-нилацетиленовых кетонов со значением их ди-польного момента.
Литература
1. Pаевский О. А. // Усп. хим.- 1999.- T.68, №6.- С.556.
2. Katritzky A., Maran U., Labanov V. // J. Chem. Inf. Comput.Sci.- 2000.- №40.- P.1.
3. Kikuchi O. Quantum. Struct.- 1987.- №6.-P.179.
4. Hatch F. T., Colvin M. E., Seidl E. T. // Environ. Mol. Mutagen, 1996.- №27.- P.314.
5. Cronin M. T., Schultz T. W. // Chemosphere. 1996.- №32.- P.1453.
6. Balasubramanian B.// SAR QSAR Environ. Res.- 1994.- №2.- P.59.
7. Применение теории графов в химии / под ред. H. С. Зефирова, С. И. Кучанова.- Hовоси-бирск: ^ука, 1988.- 306 с.
8. Именитов H. С. // ЖОрХ, 1987.- T.23, №5.-С.916.
9. Курбатова С. В. Газовая хроматография производных адамантана. Диссертация.....докт. хим.
наук.- Москва.- 2000.- 295 с.
10. Григорьева О. Б., Курбатова С. В., Земцова М. Н., Петрова Е. И.// ЖФХ, 2001.- Т.75, №11.-С. 2048.
11. Григорьева О. Б., Курбатова С. В., Земцова М. Н., Ларионов О. Г. // ЖФХ, 2002.- Т.76, №5.-С. 927.
12. Григорьева О. Б. Жидкостная хроматография замещенных цинхониновых кислот и их производных. Диссертация .....канд. хим. наук.- Саратов.- 2002.- 222 с.
13. Иванский В. И. Химия гетероциклических соединений.- М.: Высшая школа. 1978.- 559 с.
14. Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. Л. Органическая химия.- М.: Изд-во МГУ.- 1999.-Т.1.- 100 с.
