CC BY
47
И. В. Галкина, Е. В. Тудрий, О. Н. Катаева, О. И. Гнездилов,
А. В. Ильясов, С. Б. Орлинский, Ю. К. Розенцвайг, М. С. Тагиров,
Л. М. Юсупова, В. И. Галкин
РЕАКЦИЯ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ 5,7-ДИХЛОР-4,6-ДИНИТРОБЕНЗОФУРОКСАНА ТРИФЕНИЛФОСФИНОМ - ИСТОЧНИКОМ N0
Впервые проведено фосфорилирование 5,7-дихлор-4,6-динитробензо-фуроксана трифенилфосфином. Физическими и физико-химическими методами доказано образование дифосфорилированного дикетобензофуроксана и неустойчивого хлористого нитрозила, который в ходе реакции распадается на молекулу хлора и N0. Изучена термическая стабильность и биологическая активность основного дифосфорилированного продукта реакции.
Введение
В последнее десятилетие в биохимии произошли события, повлекшие за собой фундаментальные изменения наших представлений о функционировании самых различных биологических систем. Было обнаружено, что такое низкомолекулярное соединение, как оксид азота N0, является одним из универсальных и необходимых регуляторов функций клеточного метаболизма. В 1998 г. три американских ученых - Р. Фурчгот, Л. Игнарро и Ф. Мурад - за вклад в изучении роли N0 в функционировании живого организма удостоены Нобелевской премии в области медицины. Количество обзорных и оригинальных публикаций, посвященных проблеме N0, ежегодно возрастает, причем лавинообразно.
Один из самых интересных классов гетероциклических соединений, производные которого являются донорами N0 и который в связи с этим вызывает большой интерес у химиков, фармакологов и биохимиков, - бензофуроксаны [1-3]. Фуроксановые соединения, являясь донорами оксида азота, проявляют очень интересный и широкий спектр биологической активности и рассматриваются как пролекарства, реализующие свою биологическую активность через группу посредников внутри клетки [4-5].
Целью настоящего исследования явилось изучение реакции фофорилирования бен-зофуроксана, в результате которой образуется окись азота.
Результаты и их обсуждение
5,7-Дихлор-4,6-динитробензофуроксан представляет собой достаточно уникальную и весьма реакционноспособную систему с электрофильным бензофуроксановым циклом, склонным к реакциям нуклеофильного замещения в силу одновременного присутствия мощных электроноакцепторных заместителей и легко уходящих групп. В частности, в литературе широко изучены реакции замещения подвижных атомов хлора бензофуроксаново-го цикла различными аминами. Это прежде всего работы Л.М. Юсуповой, И.Ф. Фаляхова, А.С. Салаховой, Л.В. Спатловой, Б.И. Бузыкина, где в качестве продуктов реакции были получены соли в случае реакции с ^^диэтиланилином [6], молекулярный комплекс с 2-аминопиримидином [7] и продукт замещения в случае реакции с 3,5-дихлоранилином [8].
При этом следует отметить, что продукты аминирования, как и сам исходный 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксан, обладают выраженной антибактериальной и фунгицидной активностью [6-8].
В то же время в литературе до сих пор отсутствуют сведения о фосфорилировании данного бензофуроксана фосфорными нуклеофилами, хотя введение в его молекулу био-геннных фосфорорганических заместителей, безусловно, является интересным как с теоретической точки зрения, так и в плане потенциальной биологической активности.
Важно отметить, что еще в 1961 году трифенилфосфин был впервые использован в качестве восстановителя бензофуроксанов до соответствующих фуразанов при кипячении в ксилоле [9,10]. Однако в этой реакции кроме трифенилфосфиноксида никаких других фосфорсодержащих продуктов зафиксировано не было.
В настоящей работе мы изучили взаимодействие замещенного бензофуроксана 1 с трифенилфосфином. Фосфорилирование 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана (1) трифенилфосфином при соотношении реагентов 1:2 протекает легко при комнатной температуре и приводит к продукту бис-фосфорилирования, однако взаимодействие происходит не по обычной схеме простого нуклеофильного замещения. Оно не останавливается на стадии образования 5,7-(бис-трифенилфосфонио)-4,6-динитробензофуроксанилдихлорида (2), а протекает дальше с элиминированием двух молекул оксида азота и молекулы хлора с образованием в конечном итоге стабильного дифосфорилированного продукта З предположительно по схеме 1:
O2N
2PlbP +
Cl
Pl^P
Cl
NO2
1
N
е O Clv^N,
OB^
N
Cl
O
o^©*o 2
pi^p
pi^p
+ 2Cl — N=O
Cl2
2 NO
O
O
N
O
N
N
O
O
N
O
O
O
c
b
a
з
При этом строение конечного продукта 3 может быть описано серией мезомерных форм - от дифенолятного дифосфабетаина 3а до дикетодиилида фосфора 3с. Состав и строение продукта 3 доказывали элементным анализом и комплексом современных физических и физико-химических методов.
Сама реакция протекает легко и красочно с характерным глубоким изменением цвета. Реакционная смесь окрашивается от желтого в темно-красный цвет за счет выделяющегося нитрозилхлорида С!^=0, после чего наблюдается выпадение кристаллов белого цвета
с Тразл. 235 С.
31
Следует отметить, что в спектре ЯМР Р реакционной смеси наряду с синглетным сигналом продукта 3 фиксируется также сигнал трифенилфосфиноксида, выход которого колеблется от 3 до 24 % по трифенилфосфину в зависимости от растворителя и температуры.
В соответствии со схемой 1 хлорид-ионы образующейся на первой стадии дифосфо-ниевой соли 3 ищут пути дальнейшей стабилизации системы, атакуя ее другие электро-фильные центры аналогично второй стадии реакции Арбузова. В результате относительно синхронных процессов нуклеофильной атаки хлорид-аниона на атом азота и атома кислорода нитрогруппы на углерод С-Ы02 -связи электронная плотность в системе перераспределяется таким образом, что образуется дифенолятный дифосфабетаин 3 и неустойчивые молекулы С!-Ы=0. Последние подвергаются окислительно-восстановительному диспро-порционированию с образованием молекулярного хлора С!2 и оксида азота N0.
Чтобы подтвердить предложенную схему, важно было зафиксировать образование в реакционной смеси оксида азота. Нам удалось этого добиться с помощью метода ЭПР-спектроскопии. Уже в первые минуты реакции в спектре ЭПР (рис. 1) появляется отчетливый характерный сигнал оксида азота, интенсивность которого во времени проходит через максимум, после чего падает. Эти данные не оставляют сомнений в образовании N0 в ходе реакции.
-----1-------;------------:---------і—і---------------------------------------і-:-г
ч
-1___________________________________________________________!_________________________________________________________1__________________________________________________________!_____________________________________________і___________I______________________________________________,____________________________
Рис. 1 - Спектр ЭПР в реакции трифенилфосфина с 5,7-дихлор-4,6-динитробензо-фуроксаном (реакционная смесь, красный цвет - 12 мин от начала реакции, синий -20 мин)
Однако, получив ЭПР спектр нитроксильного радикала (связанной молекулы N0), следовало доказать, что он действительно образуется из неустойчивого газообразного (Ткип - 5,8 0С, Тпл. - 59,6 0С) темно-красного нитрозилхлорида N0Cl (схема 1). Для этого нами были проведены ЯМР 31 Р-спектральные исследования течения реакции с химической ловушкой на N0^ в качестве которой был выбран диэтилфосфит.
Согласно исследованиям, проведенным в 1960 году под руководством Михальского [11], взаимодействие диалкилфосфитов с нитрозилхлоридом N0Cl приводит к соответствующему пирофосфату (схема 2), который крайне неустойчив в присутствии воды и кислых примесей и образует диэтилфосфорную кислоту (5р 0,152 м. д. поля), которая, в свою очередь, в избытке диэтилфосфита и воды катализирует образование моноэтилфосфористой кислоты (5р 5,289 м. д. поля, с ^н 665,75 Гц), что и было подтверждено в ЯМР-
эксперименте и представлено на схеме 2:
о^
2 РИэР + С!
\
о
©
С! 0 РИэР
' А
0 ------*. 00-
РИэР
N02 © С!
0Ж©*0
1 2
©
С!2
2 N0
3
2С! —N = 0+(С2Н50)2 Р(0)Н -5р 7,89 і .а.
иРН 684,9 Аэ
Н20
-► [(С2Н50)2Р- 0 ^|^-0Р(0С2Н5)2]
0 11
0 0
(С2Н50)2Р-0-Р(0С2Н5)2 +N20 0 0
2 (С2Н50)2Р00Н <*-5р 0,152 і .а.
Н20
-► С2Н50— р—
н00
5р 5,29 і .а. ирН 665,75 Аэ
Н
При этом весьма интересным оставался вопрос: почему конечный продукт дифосфо-рилирования имеет только один сигнал в области 27 м.д. поля, а не два, как можно было бы предположить исходя из его строения? На этот вопрос нам помогли ответить коллеги из института органической химии Мюнстерского университета, которые определили методом РСА надмолекулярную структуру - непосредственную упаковку молекул в кристалле (рис. 2). На рис. 2 хорошо видно, что структура соединения 3 имеет симметричное строение с эквивалентными атомами фосфора, что и объясняет наличие только одного сиг-
31
нала фосфора в ЯМР Р (8р = 27,138 м. д.), а также содержит одну молекулу воды.
На кривых совмещенного ТГ/ДСК анализа продукта 3 (рис. 3) фиксируется несколько ступеней разложения, сопровождаемых экзоэффектами. Первая ступень разложения (начало 139,5 °С) сопровождается потерей массы (2,39 %), что связано с отщеплением одной молекулы кристаллизационной воды. Второй экзотермический пик (235 °С) связан с началом полного разложения соединения 3. Отсутствие на ДСК кривой эндоэффекта плавления до начала разложения характерно для солевых бетаиновых структур.
Рис. 2 - Надмолекулярная структура продукта 3 в кристалле
Рис. 3 - Результаты совмещенного ТГ/ДСК анализа продукта 3
48
Наконец, методом рентгеноструктурного анализа нам удалось установить окончательную молекулярную структуру продукта 3 (рис. 4). Она полностью подтверждает предложенное выше строение продукта дифосфорилирования и, кроме того, показывает, что его структура ближе к дикетодиилидной мезомерной форме 3с.
Нами также была изучена биологическая активность продукта 3 в отношении различных штаммов патогенной микрофлоры и грибов. Результаты были полностью подтверждены и даже превзошли наши ожидания. Продукт, как оказалось, одновременно проявляет как высокую антибактериальную, так и антимикотическую активность.
Экспериментальная часть
ЯМР 31 Р-спектральные исследования проведены на ЯМР-спектрометре ALANS-400. ЭПР-спектры записаны на спектрофотометре Varian Е-12. Рентгеноструктурные исследования выполнены на дифрактометре Nonius Kappa CCD, оборудованном вращающимся анодным генератором Nonius FR591. Масс-спектральные исследования проведены на приборе Quatto LCZ (Water-Micromass, Manchester, UK). Дериватограмма ТГ/ДСК записана на приборе NETZSCH STA 449C в интервале температур от 20 до 400 оС со скоростью нагрева образца 10 оС в минуту в среде аргона.
Элементный анализ продукта 3 C42H30N2O4P2 • Н2О.
Вычислено, %: С 71,39; Н 4,53; N 3,97; Р 8,78.
Найдено, %: С 71,33; Н 4.27; N 4,11; Р 9,06.
Заключение
Впервые проведено фосфорилирование 5,7-дихлор-4,6-динитро-бензофуроксана трифенилфосфином. Предложен удобный и простой метод синтеза бисфосфорилированно-го 4,6-дикетобензофуроксана. Показано необычное течение реакции с участием в качестве реакционных центров не только атомов хлора бензофуроксанового цикла, но и нитрогрупп. Полученный дифосфорилированный продукт обладает достаточно высокой антибактериальной и антимикотической активностью. Состав и строение полученного продукта реак-
ции - дифенолятного дифосфабетаина - подтверждены элементным анализом и комплексом современных физических методов исследования: ИК, ЯМР и ЭПР спектроскопия, масс-спектрометрия, совмещенный ТГ/ДСК и рентгеноструктурный анализ.
Авторы благодарны доктору Роланду Фрёхлиху за предоставленную возможность проведения рентгеноструктурного эксперимента и Генриху Люфтманну за помощь при осуществлении масс-спектрального исследования в университете Мюнстера (ФРГ).
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов АН РТ № 07-7.1.1/2007 (ФП); № 07-7.1-20/2006 (Г), № 07-7.2-276 (ПЛ)/2006 (Г).
Литература
1. Граник, В.Г. Экзогенные доноры оксида азота и ингибиторы его образования (химический аспект) / В.Г. Граник, С.Ю. Рябова, Н.Б. Григорьев // Успехи химии. - 1997. - Т.66. - № 8. - С.792.
2. Граник, В.Г. Оксид азота (NO). Новый путь к поиску лекарств /В.Г. Граник, Н.Б Григорьев - М.: Вузовская книга, 2004.- 360 с.
3. Бусыгина, О.Г. Бензодифуроксан как NO зависимый активатор растворимой гуанилатциклазы и новый высокоэффективный ингибитор агрегации тромбоцитов / О.Г. Бусыгина. // Биохимия. -2000. - Т.65. - № 4. - С.540.
4. Medana, C. Furoxanes as Nitric Oxides Donors. 4-phenyl-3-furoxan carbonitrile: thiol-mediated Nithric Oxide release and biological evaluation / C. Medana [et al.]. // J.Med. Chem. - 1994. - V. 37. -P. 4412.
5. Feelish, M. Thiol-mediated generation of nitric oxide accounts for the vasodilator action of fUroxans / M. Feelish, K. Schonafinger, E. Noak // Biochem. Pharmacol. - 1992. - V. 44. - P. 1149.
6. Канчурина, Э.Э. Реакции нуклеофильного замещения 5,7 - дихлор -4,6 - динитробензофурокса-на с ^^диэтиланилином / Э.Э. Канчурина [и др.]. // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2006. -№ 4. - С. 41-45.
7. Канчурина, Э.Э. Реакции 5,7 - дихлор -4,6 - динитробензофуроксана с гетероциклическими аминами пиридинового ряда / Э.Э.Канчурина [и др.] // Вестник Казанского технол. ун-. - 2006. -№ 4. - С. 31-36.
8. Спатлова, Л.В. Синтез и свойства 5,7 - замещенных -4,6 - динитробензофуроксана: дис. ... канд. хим. наук / Л.В. Спатлова - Казань, 2003. - 161 с.
9. Boyer, J.H. Deoxygenetion of aromatic o-dinitrozoderivatives by phosphines / J.H. Boyer, S.E. Ellzey // J. Org. Chem. - 1961. - V.26. - №11. - P. 4684-4685.
10. Reed, R.V. Synthesis of 4,6-dinitrobenzofuroxan, a new electron-deficient aromatic / R.V. Reed, R.J. Spear, M R. Norris // Austr.J.Chem. - 1983. - V.36. - P. 1227-1237.
11. Кирби, А. Органическая химия фосфора / А.Кирби, С.Уоррен - М.: Мир, 1971. - С.102.
© И. В. Галкина - канд. хим. наук, доц. каф. высокомолекулярных и элементоорганических соединений химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета; Е. В. Тудрий - асп. той же кафедры; О. Н. Катаева - д-р хим. наук, вед. науч. сотр. ИОФХ КазНЦ РАН; О. И. Гнездилов - ст. науч. сотр. лаб. молекулярной фотохимии КФТИ КазНЦ РАН; А. В. Ильясов -д-р физ.-мат. наук, проф., академик АН РТ, гл. науч. сотр. лаб. радиоспектроскопии ИОФХ КазНЦ РАН; С. Б. Орлинский - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. лаб. магнитной радиоспектроскопии КГУ; Ю. К. Розенцвайг - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. той же лаборатории; М. С. Тагиров -д-р физ.-мат. наук, проф, зав. лаб. молекулярной радиоскопии КГУ; Л. М. Юсупова - д-р хим. наук, проф. каф. химии и технологии органических соединений азота КГТУ; В. И. Галкин - д-р хим. наук, член-кор. АН РТ, проф. каф. высокомолекулярных и элементоорганических соединений химического института им. А.М.Бутлерова КГУ.
