CC BY
48
УДК 543.544
СВЯЗЬ "БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ— ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СВОЙСТВО" ИМИДАЗОЛИДОВ И ТРИАЗОЛИДОВ СУЛЬФОКИСЛОТ
© 2002
А.В.Буланова, К.В.Егорова, Ю.Л. Полякова^ П.П.Пурыгин, Ю.П.Зарубин2
Исследована связь "биологическая активность — физико-химическое свойство" сульфопроизводных имидазола и 1,2,4-триазола. Методом АМ1 рассчитаны физико-химические характеристики молекул. Проведена компьютерная оценка спектра биологической активности. Показано, что наибольшей прогностической способностью обладают корреляции между величинами, характеризующими биологическую активность, и энтальпией образования молекул, дипольным моментом. На основании квантово-химических расчетов предложен механизм кислотного и щелочного гидролиза, методом ВЭЖХ определены кинетические параметры реакций.
Введение
Азолы и их производные обладают широким спектром биологического действия, препараты на их основе применяются в практической медицине и фармакологии [1,2]. Так, производные пятичленных азотсодержащих гетероциклов, в частности имидазола и триазола, используются в качестве лекарственных препаратов при лечении патологий центральной нервной системы, в том числе болезни Альцгеймера, являются антагонистами опухолевого роста, стресс-протекторами, используются при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, обладают про-тивомикробной активностью и многими другими видами биологической активности (БА) [3,4]. В последнее время возникла необходимость создания новых лекарственных препаратов, в частности, на основе азолов и их производных, вследствие снижения эффективности уже имеющихся, вызванного "привыканием" к ним. Это обстоятельство делает задачу направленного синтеза новых биологически активных веществ с прогнозируемыми свойствами весьма актуальной.
Направленный синтез веществ, обладающих конкретным видом БА, — процесс трудоемкий и длительный, включающий в себя различные этапы: от апробации вещества на различных стадиях синтеза до клинических испытаний. Поэтому важно a priori иметь представление о комплексе биологических свойств, которыми будет
1 Буланова Анжела Владимировна, Егорова Клара Витальевна, Полякова Юлия Львовна, кафедра общей химии и хроматографии Самарского государственного университета, 443011, Самара, ул. Акад. Павлова, 1.
2 Пурыгин Петр Петрович, Зарубин Юрий Павлович (zarubinSssu.samara.ru), кафедра органической химии Самарского государственного университета.
обладать синтезируемое соединение. Решение этой проблемы возможно в рамках системного подхода, позволяющего устанавливать связь "структура вещества — его биологическая активность". В настоящее время в литературе имеется ряд подходов, основанных на применении компьютерных программ, позволяющих оценивать различные виды БА веществ на основе их структуры. Существующие компьютерные технологии позволяют моделировать структуры веществ с заданными свойствами и значительно сокращают путь создания новых биологически активных веществ, в том числе и лекарственных препаратов [5]. Системный подход включает также использование корреляций между параметрами, характеризующими БА, и физико-химическими свойствами веществ, а также величинами, характеризующими их реакционную способность. Использование системного подхода позволяет создать основу для направленного поиска базовых структур БА веществ с заданными свойствами.
Компьютерное прогнозирование БА и конструирование молекулярной структуры основано, как правило, на расчете различных типов дескрипторов молекулы [6] с последующим анализом полученных корреляционных зависимостей.
Задачей настоящего исследования явилось компьютерное прогнозирование БА, расчет разного типа дескрипторов соединений на основе пятичленных азотсодержащих гетероциклов имидазола (1тН) и 1,2,4-триазола (ТпН), а также изучение корреляций между БА и физико-химическими свойствами этих веществ. Исследуемые соединения содержали структурные фрагменты сульфо- и бензогрупп: И1Тг1 (1), И2Тп (2), И3Тп (3), И^Тп (4), И^Тп (5), И11т (6), И21т (7), И31т (8), (9), (10), И12^Тп (11), где И1 —СН3Я02, И2 — РЬЯ02, И3 —
р-СН3С6Н4802.
1. Экспеpиментальная часть
Физико-химические характеристики азолидов рассчитывали с помощью компьютерной программы HyperChem Professional 5.1 в рамках полуэмпирического метода АМ1 с полной оптимизацией геометрии индивидуальных молекул. Для оценки БА исследуемых веществ использовали программу PASS&CT (Prediction of Activity Spectra for Substances: Complex&Training) [7,8], которая позволяет на основании структуры соединения количественно оценить вероятность наличия у него активности (Pa) и неактивности (P) различных видов БА.
В табл.1 представлены общая полная энергия (Е), энтальпия образования (АfH0), энергия переходного комплекса реакций кислотного (ЕКК) и щелочного (Е^К) гидролиза и дипольные моменты (ц) исследуемых веществ. Эти величины выбраны из всего информационного массива, поскольку являются наиболее инте-гративными характеристиками природы вещества и, на наш взгляд, дают достаточно полный комплекс физико-химических свойств, в том числе и тех, которые наиболее ответственны за проявляемые биологические эффекты.
2. Результаты и их обсуждение
Сведения о некоторых видах предсказанной БА исследуемых соединений представлены в табл. 2, здесь же приведены значения Ра и Р,. Использование этих двух величин позволяет увеличить точность прогнозирования БА. Значения Ра ^ 0.7 (максимальное значение Ра = 1) свидетельствуют о высокой вероятности наличия
Таблица 1
Физико-химические характеристики веществ
Общая полная Энтальпия Энергия Энергия Дипольный
Вещество энергия -Е, образования -ЕКк (II), -ЕЩК (II), момент,
кДж-моль-1 АfH0, кДж-моль-1 кДж-моль-1 кДж-моль-1 И0-29 Кл-м
ImH 82180 212.24 — — 1.20
TriH 88383 321.68 — — 0.91
1 183917 70.31 255043 249514 1.01
2 248289 194.84 319411 313858 1.59
3 263296 194.43 334452 328901 1.67
4 300304 303.51 371421 366051 1.42
5 315345 269.31 386465 380931 1.62
6 177711 -26.27 248823 243298 1.11
7 242625 145.69 313192 307654 1.53
8 257067 112.12 328233 322698 1.72
9 229763 35.72 300884 295364 1.12
10 309174 128.17 380294 374656 1.73
у соединения этого вида БА, однако интерес могут представлять и соединения с Ра < 0.7, поскольку существует возможность варьирования их свойств путем введения в базовую структуру тех или иных заместителей.
Связь вероятностного фактора Ра (Рг) с физико-химическими свойствами исследуемых веществ аппроксимировалась, как правило, нелинейными полиномиальными функциями. Математическую обработку проводили с помощью прикладной компьютерной программы ТаЫеСигуе 2Б. Значимыми считали корреляции, для которых величина квадрата коэффициента корреляции г2 превышала значение 0.4.
Дополнительной интегральной характеристикой структуры молекул служат топологические индексы — индексы Рандича различных порядков и индексы Винера [9]. В работе рассчитывали индекс Рандича 1-го порядка и индекс Винера, их значения приведены в табл. 2.
Нами была проанализирована связь вероятности активности (Ра) и неактивности (Рг) для 19 видов БА некоторых имидазолидов и триазолидов алифатических и ароматических сульфокислот с энтальпией образования АН0, общей полной энергией Е, дипольным моментом индексом Рандича 1 х и индексом Винера №е. В табл. 3 и 4 приведены выборочные корреляции с максимальными значениями Ра и г2 из 310 изученных. Анализ полученных уравнений позволяет сделать заключение о возможности их применения для оценки потенциальной БА исследуемых соединений. Такие методы оценки БА перспективны, поскольку могут служить альтернативой рутинным и дорогостоящим биологическим испытаниям и обеспечить возможность синтеза веществ с заданными свойствами. Оценка вероятности наличия или отсутствия БА осуществляется с достаточно высокой точностью (около 84%) [7, 8], полученные уравнения можно признать надежными и пригодными для предсказания рассмотренных видов БА соединений с аналогичным качественным и количественным составом.
В дополнение к компьютерному исследованию свойств азолов и их корреляций с величинами БА проводили экспериментальное изучение [10] их поведения в растворах, близких по своим свойствам к биологическим системам. Начальным превращением, которому может быть подвергнуто БА вещество, как правило, является гидролиз. Кинетику гидролиза азолов изучали методом ВЭЖХ в водных
Таблица 2
Оценка БА веществ и индексы Рандича и Винера (Wq)
Вещество № Вид биологической активности Pa Pi h Wq
1 Vascular (periferal) disease treatment Antitrypanosomal Dermatologic Antiishemic AMP phosphodiesterase inhibitor- 1.000 0.900 0.875 0.656 0.444 0.005 0.008 0.166 0.035 0.091 4.29 7.00
6 Vascular (periferal) disease treatment Dermatologic Antihypertensive Antimigraine 1.000 1.000 0.878 0.635 0.001 0.071 0.000 0.003 2.59 4.50
8 AMP phosphodiesterase inhibitor-Diuretic Restenosis, Agent for Antihypertensive 0.361 0.246 0.792 0.639 0.024 0.077 0.013 0.010 4.79 8.00
10 Cardiovascular analeptic Restenosis, Agent for Antihypertensive AMP phosphodiesterase inhibitor Antiishemic 0.824 0.792 0.639 0.579 0.607 0.005 0.005 0.010 0.003 0.112 6.51 10.50
растворах с pH, равным 4.00, 7.00, 8.00, 9.00. Результаты расчетов по программе HyperChem Professional 5.1 позволили смоделировать следующие механизмы кислотного (схема (а)) и щелочного (схема (б)) гидролиза, которые рассмотрены на примере соединения (2):
(||)
он
(I) (б)
он
(II)
Реакция гидролиза идет через последовательное образование переходных состояний (I) и (II) с перераспределением электронной плотности, удлинением
и последующим разрывом связи Б—^ В табл. 1 представлены энергии переходных комплексов (II) для кислотного ЕКк и щелочного Ещк гидролиза.
Кинетику гидролиза изучали хроматографическим методом. Эксперимент проводили с использованием жидкостного хроматографа "Милихром-4" с УФ-детек-тором при длинах волн 190 и 220 нм. Использовали колонку с силикагелем марки Берагоп БСХ ИРБ с привитыми октадецильными группами. Элюентом служила
Таблица 3
Зависимость вероятностной оценки БА (Ра) от физико-химических и структурных параметров производных имидазола и 1, 2,4-триазола
Вид биологической активности Функциональная зависимость Ра = /(А/Н0, Е, ц, 1х, Щ) r2
Производные имидазола
AMP phosphodiesterase inhibitor Pa = G.32 + 1.85 ■ 1G-3AfH0 Pa = G.84 - 1.66 ■ 1G10/E2 Pa = G.43 - 19778 exp(-^) Pa = G.1G + G.G9 1x - G.GG1(1x)2 Pa = G.G7 + G.G6We - 8.5 ■ m^W2 0.9928 0.6443 0.9T0T 0.4108 0.3919
Pa = G.54 + 4.23 ■ 1G7(AfH0)2 7 0.6269
Restenosis, Agent for Pa = G.79 - 161G7 exp(-^) Pa = G.43 + G.111 x - G.G1(1x)2 Pa = G.37 + G.G8We - 4.4 ■ 1G-3 W2 0.5159 0.2841 0.34T2
Antihypertensive Pa = G.67 + 56.86/(AfH0)2 Pa = -G.15 + G.G9exp(E/976314) P-1 = 1.35 + 6.31 ■ 1G-9 exp(-^) Pa = G.84 - G.G3 1 x - 7.1 ■ 1G-4(1x)2 Pa = G.85 - G.23 We + 2.7 ■ 1G-4W2 0.4T89 0.6528 0.9321 0.5813 0.616T
Производные 1,2,4-триазола
Dermatologie lnPa = G.49 + 2.14 ■ 1G8 exp(AfH0) P-1 = 1.69 - 3.G5 ■ 1G10/E2 Pa = 1.68 - 1.66 ■ 1G-9 exp(^) Pa = G.18 + G.38 1 x - G.G5(1x)2 Pa = -G.24 + G.37We - G.G3 W2 1.0000 0.9555 0.T284 0.393T 0.8183
Cardiovascular analeptic P2a = G.71 - 2 ■ 1G-9(AfH0)3 P2a = G.75 + 1.65 ■ 1G-11/E3 P2a = G.69 - 1.35 ■ 1G-8 exp(^) Pa = G.92 - G.G3 1x Pa = G.93 - G.G2We 0.86T0 0.8T10 0.41T0 0.T225 0.T305
Antinephritie Pa = G.47 + 33.G6exp(-AfH03G) P-1 = G.5 - 6162 exp(E/12779) Pa = G.51 - 876 exp(-^) Pa = G.22 + G.13 1 x - G.G1(1x)2 Pa = G.18 + G.G1 We - G.GG6W2 0.9998 0.4324 0.42T0 0.8113 0.9961
вода, его расход составлял 100 мкл-мин-1. По полученным хроматограммам определяли текущие концентрации исходных веществ и продуктов реакции гидролиза. Предложенный выше механизм гидролиза был подтвержден с помощью хромато-графического качественного анализа.
Вследствие избытка одного из участников процесса гидролиза — воды, наблюдали псевдопервый порядок реакции. Константы скорости реакции и время полуТаблица 4
Зависимость вероятностной оценки биологической неактивности (Рг) от физико-химических и структурных параметров производных имидазола и 1,2,4-триазола
Вид биологической неактивности Функциональная зависимость Р, = /(АгН0, Е, ц, 1х, Щ) r2
Производные имидазола
AMP phosphodiesterase inhibitor Pl = 6.42 + 2.42 ■ 1G-5(A/H0)3 Pl = -G.25 - 7.57 ■ 1G4/E ln Pl = -3.92 + 133447 exp(-^) Pl = G.41 - G.111x + G.GG7 (1 x)2 Pl = G.46 - G.86We + G.GG3 W2 0.9ВВ9 0.Т52Т 0.9В1З 0.Т250 0.Т4З9
Restenosis, Agent for Pl = G.14 - 7.43 ■ 1G-5(A/H0)2 P- = 58.77 - 2.87 ■ 1G12/E2 Pl = -G.G8 + 28.11/^2 Pl = -G.GG5 + G.G5 1x - G.GG8(1x)2 Pl = -G.G1 + G.G4We - 3.3 ■ 1G-3 W¡¡ 0.5ЗВВ 0.6399 0.55Т0 0.В951 0.4010
Antihypertensive Pl = 8.G5 ■ 1G-3 - 3.G1/(A/H0)2 Pl = -4.2G ■ 1G-3 - 4.43 ■ 1G8E P2 = 1.85 + 2.21 ■ 1G12 exp(^) Pl = -5.3^ 1G-4 + 1.75 ■ 1G-3(1x) - 4.G^1G-5(1x)2 Pl = -1.25^ 1G-3 + 1.161G-3We - 1.G■1G-5W2 0.4ВЗ9 0.6051 0.942В 0.5299 0.56Т6
Производные 1,2,4-триазола
Dermatologic Pl = G.1G - 1.97 ■ 1G8 exp(-A/H0) P2 = G.G4 - 2.61 ■ 1G9/E2 P0 5 = 1.71 - 3 ■ 1G-4^3 Pl = G.4G - G.G8 1 x + G.GG4(1x)2 Pl = G.47 - G.G7We + G.GG2W2 0.9930 0.9952 0.9999 0.6266 0.6382
Cardiovascular analeptic P0 5 = G.12 + 2.89 ■ 1G-9(A/H0)3 P0 5 = G.11 - 2.21 ■ 1G-18/E3 Pl = G.GG5 + G.GG4 1x Pl = G.GG3 + G.GG2We 0.5510 0.55ТВ 0.ЗТ40 0.ЗВ2Т
Antinephritic P2 = G.11 - 4G13/(A/H0)2 Pl = G.G6 + 7.G6 ■ 1G9/E2 Pl = G.14 + 3845 exp(-^) Pl = 1.17 - G.46 1x + G.G5(1x)2 Pl = 1.23 - G.31 We + G.G2W2 0.9540 0.4Т40 0.5201 0.8838 0.9989
Таблица 5
Значения констант гидролиза (к) и времени полупревращения (т^) исследуемых веществ при 293 X
Вещество № pH к, мин-1 (n = 5, P = 0.95) Т1/2, мин
6 7 4.54'10-3±5.12'10-4 151.0±20.2
8 4 7 9 4.94-10-3±2.17'10-4 4.66-10-3 ±4.21-10-4 3.59-10-3±6.08-10-4 123.0±8.4 150.2±12.7 218.7±15.2
10 4 7 8 5.38'10-3±8.93-10-4 4.59-10-3±3.04-10-4 3.15-10-3 ±6.55-10-4 128.8±15.5 151.0±10.1 220.1±35.7
11 7 9 4.78-10-3±1.28-10-4 4.01-10-3 ±1.78-10-4 144.9±4.5 172.9±10.9
превращения определяли по текущим концентрациям азолида (табл. 5). Гидролиз практически завершается в течение 5 часов.
В результате исследования сформирован массив данных в виде набора различного вида дескрипторов—структурных, электростатических (заряды на атомах, поляризуемость и дипольные моменты молекул), квантово-химических, включающих термодинамические характеристики молекул в основном состоянии и переходных состояниях для реакций кислотного и щелочного гидролиза.
В работе получено и проанализировано более 310 различного вида корреляций. Показано, что высокой прогностической способностью обладают корреляции "БА — свойство" с величиной А/И0, а также с электрическими характеристиками молекулы. Можно предположить, что базовой структурой исследуемых соединений, т.е. структурой, отвечающей за фармакологическое действие, являются фрагменты гетероциклов 1тН и 1,2,4-ТпН и сульфогруппа, введение в молекулу ароматического фрагмента повышает ее биологическую активность.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы "Интеграция" (проект № КО 375).
Литература
[1] Машковский М.Д. Лекарственные средства: В 2 т. М.: Медицина, 1993. Т. 1. 731 с.; Т. 2. 685 с.
[2] Лекарственные препараты в России: Справ. ВИДАЛЬ. М.: Астрафармсервис, 1995. 1166 с.
[3] Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений. М.: Мир, 1996. 463 с.
[4] Белоусов Ю.Б., Моисеев В.С., Лепахин В.К. Клиническая фармакология и фармакотерапия. М.: Универсум, 1993. 397 с.
[5] Баскин И.И., Палюлин В.А., Зефиров Н.С. Применение искусственных нейронных сетей в химических и биохимических исследованиях // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 1999. Т. 40. № 5. С. 323-326.
[6] Трепалин С.В., Раздольский А.Н., Раевский О.А. Программный комплекс для компьютерного конструирования эффективных физиологически активных веществ, основанный на двух- и трехмерных физико-химических дескрипторах // Хим.-фарм. журн. 2000. Т. 34. № 12. С. 23-25.
[7] Filimonov D.A., Poroikov V.V. PASS: Computerised Prediction of Biological Activity Spectra for Chemical Substances. In: Bioactive Compound Design: Possibilities for Industrial Use, BOIS Scientific Publishers, Oxford (UK), 1996. P. 47-56.
[8] Поройков В.В. Компьютерное предсказание биологической активности веществ: пределы возможного // Химия в России. 1999. № 2. С. 8-12.
[9] Химические приложения топологии и теории графов / Пер. с англ. Под ред. Р. Кинга. М.: Мир, 1987. 560 с.
[10] Полякова Ю.Л., Буланова А.В., Егорова К.В. и др. Связь энергетических характеристик и индекса Рандича имидазола и некоторых азолидов сульфо-кислот с хроматографическим удерживанием // Изв. РАН. Сер. химическая. 2000. № 8. С. 1401-1404.
THE CONNECTION "BIOLOGICAL ACTIVITY — PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTY" OF IMIDAZOLIDES AND TRIAZOLIDES OF SULFONIC ACIDS
© 2002
A.V. Bulanova, K.V. Yegorova, Yu.L. Polyakovaf P.P. Purygin, Yu.P. Zarubin4
The connection "biological activity — physical and chemical property" of sulfonic derivatives of imidazole and 1,2,4-triazole is investigated. Physical and chemical characteristics of molecules are provided by means of AMI method. The computer estimation of a biological activity spectrum is lead. It is shown, that the greatest prognostic ability is possessed by correlations between the values describing biological activity, and enthalpy of molecules formation, electrical dipole moment. On the basis of quantum-chemical calculations the mechanism of acid and basic hydrolysis is described. Kinetic parameters of reactions are determined by the HLPC method.
Поступила в редакцию 11/XI/2002.
3 Bulanova Anzhela Vladimirovna, Yegorova Klara Vital'yevna, Polyakova Yuliya L'vovna, Dept. of General Chemistry and Chromatography, Samara State University, Samara, 443011, Russia.
4 Purygin Pyotr Petrovich, Zarubin Yury Pavlovich, Dept. of Organic Chemistry, Samara State University, Samara, 443011, Russia.
