CC BY
28
УДК 544.165:544.144.2:544.182
СТРОЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ГИДРАЗИДОВ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ, СОДЕРЖАЩИХ ДИ(2-ХЛОРЭТИЛ)АМИННУЮ ГРУППУ
ЖДАНОВА ЛИ., РЫБИН Д.С., КОНЫГИН Г.Н.
Физико-технический институт Уральского отделения РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132
АННОТАЦИЯ. В работе обсуждается влияние модификации гидразидных фрагментов молекул ди-(2-хлорэтил)аминопроизводных фосфорной кислоты на их молекулярное, электронное строение и биологическую активность. Комплексное изучение методами рентгеноструктурного анализа и функционала электронной плотности позволяет установить взаимосвязь структурных параметров и противоопухолевой активности этих соединений.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фосфорорганические соединения, молекулярное строение, электронная структура, биологическая активность.
ВВЕДЕНИЕ
Интерес в области синтеза и изучения механизмов действия противоопухолевых препаратов связан как с синтезом веществ, включающих различные по механизму биологического действия реакционные центры, так и с модификацией транспортных фрагментов, обеспечивающих избирательность действия препаратов и их меньшую токсичность. Среди различных групп синтетических химических веществ использование алкилирующих соединений, содержащих производные хлорэтиламинов и этиленимина [1, 2] и производных гидразина [2 - 4] в качестве эффективных противоопухолевых средств, обусловило синтез и изучение производных гидразидов кислот фосфора, содержащих хлорэтиламинный фрагмент. Фосфорилированные хлорэтиламинопроизводные гидразина представляют собой группу химических соединений с широкой вариабельностью, возможностью разнообразия подходов к структурному моделированию и конструированию веществ с определённой выраженностью фармакологических свойств, чем и представляют интерес для их исследования. Кроме того, особенность электронного строения атома фосфора и его взаимодействия в фосфорорганических соединениях делают их интересными в теоретическом плане.
В настоящей работе проведен сравнительный анализ молекулярных структур и изучение электронного строения производных гидразида фосфорной кислоты, содержащих хлорэтиламинную группу, обладающих различной противоопухолевой активностью: О-пара-хлорфенил-гидразидо-К,К,-ди(2-хлорэтил)амидофосфорной кислоты (I), [О-фенил-К,К-ди(2-хлорэтил)амидофосфонил] гидразона ацетофенона (II), [О-фенил-К,К-ди(2-хлорэтил)амидофосфонил] гидразона парахлорацетофенона (III) [5 - 7] (см. рисунок).
Синтез и изучение биологической активности (антибластическая активность на различных штаммах опухолей, токсичность) этих соединений были проведены и предоставлены Киевским институтом фармакологии и токсикологии [11].
Оказалось, что введение гидразидной группы в фосфорилированные хлорэтиламины ариловых эфиров приводит к уменьшению токсичности соединений примерно в пять раз при сохранении характера биологического действия [2, 10].
Соединения этого класса могут обладать двойным механизмом противоопухолевого действия. С одной стороны они содержат алкилирующие центры (ди-(2-хлорэтил)аминный фрагмент), с другой - нуклеофильный гидразидный фрагмент и его производные. Механизмы действия соединений этих групп окончательно не выяснены.
Полагается, что алкилирующие соединения реагируют по механизму электрофильных взаимодействий, включая образование в ходе метаболических реакций высокореакционных азиридиновых интермедиатов, которые активно взаимодействуют с нуклеофильными
центрами азотистых оснований ДНК и РНК и особенно с атомом азота N7 гуанинового остатка. Алкилирование атома азота N7 гуанинового остатка приводит или к образованию сшивок между цепями двухцепочечной ДНК, или вызывает «выпадение» остатков гуанина из цепей ДНК, что ведет к нарушениям функциональных свойств ДНК и гибели клеток [8].
Биохимическое действие гидразина и его производных предположительно относят к соединениям с нуклеофильной реакционной способностью [3, 4].
Важную роль в изучении свойств биологически активных соединений играет установление возможных взаимосвязей между их структурными параметрами и параметрами биологической активности. Выявление таких связей может послужить основой как для интерпретации физико-химических и биологических свойств соединений этих классов, так и для синтеза соединений с ожидаемыми свойствами.
Для анализа зависимостей структура-активность весьма успешно используются наряду с результатами рентгеноструктурного анализа (параметры молекулярной структуры) квантово-химические параметры электронной структуры биологически активных соединений. Установление взаимосвязей между этими параметрами и антибластической активностью противоопухолевых соединений вносит вклад в понимание электронных механизмов их действия, позволяет предположить возможную активность химического соединения без проведения экспериментальных биологических испытаний.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ
В работе использованы результаты рентгеноструктурных исследований кристаллических структур соединений I - III, выполненных на автоматическом четырехкружном дифрактометре РЭД-4 на Мо^а-излучении [5 - 7].
Расчет электронного строения изолированных молекул I - III проведен без предварительной геометрической оптимизации (single point) с использованием программного пакета ADF2014.01d методом функционала электронной плотности (DFT) c обменно-корреляционным функционалом Беке-Лина-Янга-Пара (BLYP) в сбалансированном полноэлектронном базисном наборе слетеровских функций ET-pVQZ [9].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Анализ молекулярных структур в ряду соединений I - III показал, что переход от гидразида I к гидразону ацетофенона II сопровождается удлинением связи между атомом фосфора и атомом азота N1 ди(2-хлорэтил)аминного фрагмента P-N1 от 1,617 до 1,627 Ä. При этом связь между атомом фосфора и атомом азота гидразидного фрагмента P-N2, напротив, уменьшается от 1,665 до 1,653 Ä. Введение же в пара-положение фенильного кольца атома хлора (о-электронноакцепторного заместителя) в III приводит к еще большему увеличению длины связи P-N1 до 1,644 Ä и уменьшению длины связи P-N2 до 1,641 Ä. Практическое совпадение длин Р-N связей в III по сравнению с I и II может явиться также результатом конформационной перестройки в ди(2-хлорэтил)аминном фрагменте и поворота плоскости CN1C вокруг связи P-N1 и переориентации неподеленной электронной пары (НЭП) атома азота N1. Переориентация НЭП атома азота N1 может приводить к уменьшению ее перекрывания с d-орбиталью атома фосфора, по сравнению с таковым в II, вследствие чего длина связи P-N1 увеличивается.
Таким образом, в ряду соединений I, II, III укорочение связи между атомом фосфора и атомом азота гидразидного фрагмента, сопровождается увеличением длины связи между фосфором и атомом азота ди(2-хлорэтил)аминного фрагмента.
Изменение фосфорамидных связей P-N в ряду соединений I, II, III обусловлено, прежде всего, вовлечением атома азота N3 в кратную связь N3=C в молекулах II и III. Длина связи N2-N3 в молекуле I (1,331 Ä) заметно короче этих связей в II и III (1,387 и 1,399 Ä,
соответственно). При этом длины связей N3=C в этих структурах практически совпадают: 1,280 и 1,279 Ä.
Фосфорно-эфирная Р-О2 связь в производном гидразида I оказывается заметно короче 1,562 Ä, чем в производных гидразона ацетофенона II и III, равных 1,589 и 1,587 Ä. Валентный угол Р-О-С в I (121,9°) меньше соответствующего угла в структурах II и III (126,5 и 123,2°). Атомы бензольного кольца компланарны в пределах 0,016 Ä, плоскость кольца повёрнута относительно плоскости 0-P-N1 на 56,8°, в структурах II и III этот угол заметно меньше 8,8 и 40,6. Вероятно, эти конформационные изменения приводят к ослаблению взаимодействия между атомом кислорода и п-электронной системой кольца, и, следовательно, к удлинению связи 0-C(sp2) до 1,408 Ä по сравнению со II и III - 1,395 и 1,401 Ä. Это, по-видимому, способствует большему вовлечению атома кислорода в рп-, ёп-взаимодействие с атомом фосфора и приводит к сокращению связи Р-О до 1,562 Ä по сравнению с длиной этой связи в II и III - 1,589 и 1,585 Ä. Введение G-электронноакцепторного заместителя в пара-положение феноксильного фрагмента в I сопровождается заметным искажением его геометрии по сравнению с молекулами II и III. Связи С-С с участием атомов углерода, у которых замещены протоны, близки к двойным 1,321 - 1,362 Ä. Видимо длина связи Р-О зависит от природы заместителя в кольце, введение G-электронноакцепторного заместителя может приводить к ослаблению связи 0-C(sp2) и усилению связи Р-О.
Таким образом, в молекулах I - III наиболее чувствительными к структурным изменениям в ближайшем окружении атома фосфора оказываются связи P-N1 и P-N2, в меньшей степени изменения затрагивают связь Р-О и особенно Р=О. Поскольку длина связи изменяется симбатно с энергией связи, то наблюдаемое изменение длин связей свидетельствует об ослаблении в ряду молекул I - III взаимодействия между атомом фосфора и атомом азота N1 ди(2-хлорэтил)аминного фрагмента и атомом О2 феноксильного фрагмента и усилении взаимодействия фосфора с атомом азота N2 гидразидного фрагмента, которое сопровождается ослаблением взаимодействия между атомами азота N2 и N3 гидразинного остатка в ряду соединений I, II, III. Указанные изменения сопровождаются, в частности, снижением противоопухолевой активности этих соединений на лимфосаркоме Плисса.
Согласно данным работы [11] антибластическая активность соединения I на лимфосаркоме Плисса является одной из наиболее высоких (процент торможения роста опухоли порядка 92 %). Изменения в гидразидном фрагменте сопровождаются снижением антибластической активности этих соединений на данном штамме опухоли до 40 - 25 %.
Таким образом, наблюдаемое уменьшение длин связей P-N2 в ряду соединений I, II, III (т.е. усиление взаимодействия фосфора с атомом азота N2 гидразинного остатка) и увеличение длин связей Р-Ш(т.е. ослаблением взаимодействия между атомом фосфора и атомом азота N1 ди(2-хлорэтил)аминного фрагмента) сопровождается снижением противоопухолевой активности этих соединений на лимфосаркоме Плисса.
Заметные изменения межатомных расстояний происходят и в хлорэтиламинных фрагментах соединений I, II, III. Ослабление взаимодействия между атомами фосфора и азота хлорэтиламинного фрагмента сопровождается усилением взаимодействия между атомами N и C в этих фрагментах. На что указывает уменьшение длин связей N-C от 1,495 и 1,491 Ä в I до 1,467 и 1,481 Ä во II, 1,470 и 1,478 Ä в III. Это в свою очередь сказывается на взаимодействии атомов углерода и приводит к сравнительному увеличению длин связей С-С от 1,486 и 1,472 Ä в I до 1,503 - 1,512 Ä в II и III. Межатомные расстояния C-Cl в молекулах однако принимают близкие значения: 1,785 - 1,805 Ä, причём в пределах каждой молекулы они существенно не различаются.
Таким образом, состав как гидразинного фрагмента, так и феноксильной группы, влияет не только на геометрические характеристики ближайшего к ним окружения атомов, но распространяется на все фрагменты молекулы, влияя на всю структуру в целом. Анализ молекулярной структуры соединений I - III позволяет предположить, что изменение вида
кетона гидразинного фрагмента способно влиять не только на гидразинную часть молекулы, но и на хлорэтиламинный фрагмент.
С целью объяснения наблюдаемых изменений в молекулярной структуре соединений I-III и различия их противоопухолевой активности нами были выполнены квантово-химические расчеты электронного строения соединений I, II, III.
Согласно результатам расчетов наибольший положительный заряд в этих соединениях сосредоточен на атоме фосфора, причём делокализация электронной плотности с этого атома в молекулах II и III (0,481 и 0,483 е) по сравнению с I (0,463 е) проявляется сильнее.
Наибольший отрицательный заряд сосредоточен на фосфорильном атоме кислорода О1 -0,362 е, который возрастает до -0,382 ев II и -0,375 е в III. На атоме кислорода O2 феноксильной группы наблюдается напротив, некоторое понижение электронной плотности в структурах II и III до -0,129 и -0,136 е по сравнению с I - -0,155 е. Таким образом, переход от I к II и III сопровождается повышением электронной плотности на фосфорильном и её понижением на феноксильном атомах кислорода.
Наиболее заметное изменение электронной плотности наблюдается на атомах азота в гидразонном фрагменте соединений II и III по сравнению с I. Величины отрицательных зарядов на атоме N2, связанном с атомом фосфора, убывают от -0,158 е в I до -0,131 и -0,137 е в II и III, а на атоме N3, электронная плотность уменьшается почти в два раза от -0,169 в I до -0,087 и -0,084 е в II и III. Наблюдаемое перераспределение электронной плотности обусловливается в основном тем, что переход от гидразида I к гидразонам ацетофенона II и III характеризуется вовлечением N3 в кратную связь N3=C. Уменьшение величины отрицательного заряда наблюдается и на атоме азота N1 ди-(2-хлорэтил)аминной группировки от -0,121 е в I до -0,107 и -0,116 е в II и III. Причем, если в I наименьший отрицательный заряд наблюдается на атомах азота хлорэтиламинного фрагмента, то в II и III - это атом азота, вовлеченный в кратную связь.
Таким образом, структурные изменения при переходе от молекулы I к II и III сопровождаются заметной делокализацией электронной плотности с атомов азота.
Известно, что важными квантово-химическими параметрами, определяющими химические свойства соединений, являются энергии и локализации граничных молекулярных орбиталей - низшей свободной молекулярной орбитали (НСМО) и высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО), а также ближайшие к ним молекулярные орбитали (МО). Энергия и локализация граничных молекулярных орбиталей молекул I - III представлены в таблице.
Таблица
Энергия и локализация граничных молекулярных орбиталей
№ Ев ВЗМО, эВ Атом (% локализации) Ен НСМО, эВ Фрагмент (% локализации)
I -5,329 N2 (22), N3(31) -2,239 феноксильный-РИ(80)
II -5,694 N2(19), N3(8), C9(8), N1 (4) -2,248 гидразидный-ЫС(36), Ph(21)
III -5,545 N2(16), N3(7), C10(9), N1 (9) -2,258 гидразидный-ЫС(38), Ph(36)
Анализ ВЗМО, характеризующей электроннодонорные свойства молекулы показал, что при переходе от I к II и III её энергия заметно понижается, принимая значения -5,329 в I и -5,694 и -5,545 эВ в II и III, соответственно. Наблюдаемое понижение может сопровождаться уменьшением скоростей реакций молекул II и III с электрофильными реагентами по сравнению с I.
Рис. Молекулы О-пара-хлорфенил-гидразидо-],]Ч,-ди(2-хлорэтил)амидофосфорной кислоты (I), [О-фенил-]],]Ч-ди(2-хлорэтил)амидофосфонил] гидразона ацетофенона (II), [О-фенил-]],]Ч-ди(2-хлорэтил)амидофосфонил] гидразона парахлорацетофенона (III)
и локализация ВЗМО
В молекуле I ВЗМО сформирована, преимущественно, атомными орбиталями атомов N2 и N3 гидразинного фрагмента, поскольку процент локализации её на этих атомах максимален и достигает 22 и 31 %, соответственно. Наибольший вклад в формирование ВЗМО вносят НЭП обоих атомов. Причем больший процент локализации наблюдается для атома азота N3, не связанного с атомом фосфора. Атом азота хлорэтиламинного фрагмента практически не дает вклад в формирование ВЗМО, однако, ближайшая к ней занятая МО (ВЗМО-1) локализуется, главным образом, на атоме N1 хлорэтиламинного фрагмента. При переходе к молекулам II и III видно, что характер локализации ВЗМО меняется. В II и III она локализуется частично на атомах гидразонацетофенонового фрагмента, и появляется небольшой вклад от атома азота N1 хлорэтиламинного фрагмента. По сравнению с I в этих молекулах наблюдается уменьшение процента локализации ВЗМО на атомах N2 и N3. Причем в большей степени она локализуется на атоме азота N2 (связанном с атомом фосфора) и формируется за счет НЭП этого атома, а часть - на п связывающей орбитали связи N3=C9.
Таким образом, в ряду соединений I - III наблюдается снижение электроннодонорных свойств атомов азота N2 и N3 гидразидного фрагмента. Это способно повлиять как на реакционную способность соединений, так и на их биологическую активность.
Сравнение квантово-химических параметров соединений I - III с учетом наблюдаемой тенденции изменения антибластического действия соединений этой группы в работе [11], позволяет предположить, что понижение процентного вклада атомных орбиталей (АО) атомов N2 и N3 гидразидного фрагмента сопровождается уменьшением величины процента торможения опухолевого роста на лимфосаркоме Плисса в ряду соединений I - III. Причем в наиболее активном соединении I наибольший вклад в формирование ВЗМО дает АО атома N3, а в менее активных II и III - это АО атома N2, связанного с атомом фосфора.
В то же время в ряду молекул I - III вклад АО атома азота ди(2-хлорэти) аминного фрагмента в ВЗМО несколько возрастает, т.е. электроннодонорные свойства атома азота N1 имеют тенденцию к росту. Это может влиять на реакционную способность фрагмента, причем как на его стабильность в рамках молекулы, так и, в частности, на образование внутримолекулярного этиленимониевого иона. Наряду с ослаблением связи P-N1 в ряду молекул I - III незначительный рост электронодонорных свойств атома азота N1 может свидетельствовать о повышении возможности фрагментации молекул по этой связи.
Из таблицы видно, что в молекуле I НСМО локализована на атомах углерода феноксильного фрагмента. При переходе к II и III характер НСМО принципиально изменяется, она локализуется на фрагменте гидразонацетофенона. Причем, в II наибольший вклад в её формирование вносят АО атомов N3 и С, образующих кратную связь. В III существенно возрастает также вклад атомов в кольце ацетофенонового фрагмента. При этом в ряду молекул I, II и III наблюдается понижение энергии НСМО, что может способствовать увеличению реакционной способности при реакциях с нуклеофильными реагентами в данном ряду молекул. НСМО практически не локализуется на атомах ди(2-хлорэтил)аминного фрагмента.
Таким образом, структурные изменения в молекулах I, II и III сопровождаются существенными изменениями акцепторных свойств молекул. Однако зависимости между рассмотренными параметрами НСМО и противоопухолевым эффектом этих соединений на лимфосаркорме Плисса не выявлено.
В результате, анализ электронной структуры молекул I - III, позволяет предположить, что механизмы превращений при взаимодействии с нуклеофильными и электрофильными реагентами для молекулы I с одной стороны, и молекул II и III с другой, должны отличаться, поскольку в этих реакциях атакуются разные фрагменты молекул. Таким образом, изменения в гидразидном фрагменте существенным образом способны повлиять на химические свойства соединений в целом.
Наблюдаемые тенденции зависимости антибластического действия исследованных соединений от их структурных параметров свидетельствуют о том, что, по-видимому, наиболее вероятным механизмом действия на данном штамме опухоли является механизм нуклеофильных взаимодействий, и в качестве активного нуклеофильного агента выступает гидразидный фрагмент. Это согласуется с экспериментальными данными [3, 4], о высокой эффективности производных гидразина при лечении опухолевых штаммов (лимфосаркома Плисса, Саркома-180), слабо чувствительных к воздействию алкилирующих препаратов.
В то же время противоопухолевый эффект может являться результатом комбинированного действия как алкилирующей, так и гидразидной группировок, поскольку известно [10], что применение гидразинсульфата в сочетании с препаратами алкилирующего типа действия позволяет получить выраженный противоопухолевый эффект на штаммах опухолей, практически не чувствительных к препаратами алкилирующего типа, без увеличения токсичности.
Полученные данные дают информацию о возможных путях изменения реакционной способности в данной группе соединений, что немаловажно при исследовании устойчивости молекул в организме и могут быть полезны для дальнейшего исследования связи между строением и биологической активностью соединений такого класса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Химиотерапия злокачественных опухолей / под ред. Н.Н. Блохина. М. : Медицина, 1977. 320 с.
2. Проценко Л.Д., Булкина З.П. Химия и фармакология синтетических противоопухолевых препаратов : справочник. Киев : Наукова Думка, 1985. 268 с.
3. Сейц И.Ф., Гершанович М.Л., Филов В.А. Экспериментальные и клинические данные о противоопухолевом действии гидразинсульфата // Вопросы онкологии. 1975. № 1. С. 45-52.
4. Филов В.А., Данова Л.А., Гершанович М.Л., Третьяков А.В., Ивин Б.А. Гидразинсульфат: экспериментальные и клинические данные, механизмы действия // В кн.: «Лекарственная терапия опухолей в эксперименте и клинике» / ред. Н.П. Напалков, В.А. Филов, Б. А. Ивин. Л. : НИИ онкологии, 1983. 154 с. (С. 91139).
5. Жданова Л.И., Биюшкин В.Н., Овруцкий В.М., Проценко Л.Д., Малиновкий Т.И. Кристаллическая и молекулярная структура хлористоводородной соли О-пара-хлорфенил-гидразидо-^№ди(2-хлорэтил) амидофосфорной кислоты // Доклады Академии наук. 1986. Т. 291, № 4. С. 859-862.
6. Жданова Л.И., Биюшкин В.Н., Малиновкий Т.И., Овруцкий В.М., Проценко Л.Д. Кристаллическая и молекулярная структура [О-фенил-^№ди(2-хлорэтил) амидофосфонил] гидразона ацетофенона // Доклады Академии наук. 1986. Т. 291, № 6. С. 1366-1369.
7. Жданова Л.И., Биюшкин В.Н., Овруцкий В.М. Проценко Л.Д., Малиновкий Т.И. Кристаллическая и молекулярная структура [О-фенил-^№ди(2-хлорэтил) амидофосфонил] гидразона парахлорацетофенона // Доклады Академии наук. 1986. Т. 286, № 4. С. 887-890.
8. Noll D.M., Mason T.McG., Miller P.S. Formation and Repair of Interstrand Cross-Links in DNA // Chemical Reviews. 2006. V. 106, № 2. P. 277-301.
9. ADF version 2014. URL: http : //www. scm.com (дата обращения 12.01.2015).
10. Третьяков А.В., Филов В.А. О механизме усиления действия противоопухолевых веществ гидразинсульфатом // Вопросы онкологии. 1977. № 5. С. 94-98.
11. Ovrutskii V.M., Savranskii L.I., Sheptun V.L., Sharykina N.I. Antitumor activity and electron structure of substituted phosphorus acid hydrazides // Khimiko-Farmatsevticheskii Zhurnal. 1990. V. 24(4). P. 12-14.
STRUCTURE AND BIOLOGICAL ACTIVITY OF PHOSPHORIC ACID HYDRAZIDES WITH DICHLOROETHYLAMINE GROUP
Zhdanova L.I., Rybin D.S., Konygin G.N.
Physical-Technical Institute, Ural Branch of RAS, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The influence of the modification of hydrazide fragments of bis(2-chloroethyl)amine derivatives of phosphoric acid both on the molecular, electronic structure and biological activity is discussed. The overall study by the XRD and DFT techniques allows determine the connection of the structural parameters and antitumor activity of the compounds.
KEYWORDS: phosphororganic compounds, molecular structure, electronic structure, biological activity.
Жданова Людмила Ивановна, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФТИ УрО РАН, e-mail: lizlizhd@mail. ru
Рыбин Дмитрий Станиславович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФТИ УрО РАН, тел. (3412) 72-87-75, e-mail: dsrybin@mail.ru
Коныгин Григорий Николаевич, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ФТИ УрО РАН, e-mail: gnkon@mail.ru
