Квантово-химическое изучение механизмов трансформации биологически-активных производных индолилмаленинимидов под действием протонных кислот тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.10 ВАК РФ

На правах рукописи

рь?

Быков Евгений Евгеньевич.

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ ТРАНСФОРМАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ-АКТИВНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ИИДОЛИЛМАЛЕ1ШПИМИДОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПРОТОННЫХ КИСЛОТ

Специальность 02.00.10 - "биоорганическая химия"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

1 4 2009

Москва - 2009

003470006

Работа выполнена в лаборатории химической трансформации антибиотиков Инст тута по изысканию новых антибиотиков имени Г.Ф.Гаузе РАМН

Научный руководитель:

Доктор химических наук, профессор Преображенская Мария Николаевна Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Чувылкин Николай Дмитриевич

доктор химических наук, профессор Юркевич Александр Морисович

Ведущая оранизация:

Научно-исследовательский институт физико-химической биологии име А.Н.Белозерского МГУ им. М.В.Ломоносова

Защита состоится « 1 » июня 2009 года в 15 часов на заседании Диссертационно совета Д 212.120.01 при Московской государственной академии тонкой химическ технологии им. М.В.Ломоносова по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадско д. 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им.М.В.Ломоносова С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте www.mitht.ru

Автореферат разослан <¿¿3« апреля 2009 года. Учёный секретарь Диссертационного совета

кандидат химических наук Лютик А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальностьтемы. Актуальной проблемой современной биоорганической химии является поиск ингибиторов протеинкиназ. Протеинкиназы (ПК) представляют собой крупнейшее семейство регуляторных ферментов эукариотических организмов. Активация ПК, происходящая в результате связывания рецептора с ли-гандом, приводит к модуляции активности белков-мишеней за счёт переноса фосфатной группы кофактора этого фермента - АТФ на гидроксильные группы сери-на, треонина или тирозина этих белков. Белки-мишени могут являться регуляторами таких функций клетки, как дифференциация, пролиферация, экспрессия генов и т.д., в том числе индукция множественной лекарственной устойчивости опухолевых клеток. ПК участвуют в регуляция таких процессов, как ангиогенез, инвазивность и программируемая смерть клеток. Нарушения в регуляторной сети протеинкиназ приводят к развитию значительного числа болезней (более 400), включая рак. Поэтому мишень-направленное ипгибирование протеинкиназ рассматривается как привлекательная терапевтическая стратегия при лечении онкологических заболеваний. Несмотря на значительные достижения в создании биомишень-специфических препаратов большой проблемой остается конструирование высоко активных ингибиторов с высокой степенью избирательности. Одним из перспективных направлений поиска ингибиторов ПК является синтез и изучение соединений, построенных на матрице бис(индол-3-ил)матеинимидов. Бис(индол-3-ил)малеинимид (А) и его производные являются активными ингибиторами протеинкиназ. На матрице этих соединений построены высоко активные противоопухолевые препараты, например антибиотики рсбеккамицин (В), стау-роспорин (С) и получены их аналоги.

Цель работы и задачи исследования. В то время как под действием протонных кислот бис(индол-3-ил)малеинимиды (А) образуют плоские структуры поли-аннелированных малеинимидоиндолокарбазолов (Б), кислотная внутримолекулярная конденсация бис(индол-1-ил)малеинимидов (Е) или 3-(индол-1-ил)-4-(ивдол-3-ил)малеинимидов (С) и их аналогов проходит с образованием неплоских гетероциклических систем (Е) и (Н), содержащих центральное семичленное кольцо. В связи с расхождениями в направлении реакций циклизации различно сочленённых бис-индолилмалеинимидов представляло интерес выяснить методами квантовохимиче-

н N

Н

ОСНз

ских расчётов совокупность факторов, определяющих направленность циклизации. Целью настоящей работы было квантово-химическое изучение бис(индол-З-ил)-, 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)- и бис(индол-1-ил)-малеинимидов, их производных и аналогов их геометрического и электронного строения: а) Для выяснения факторов, определяющих направление их циклизации под действием протонных кислот; б) Для прогнозирования направления внутримолекулярной циклизации З-индолил-4-гетероарилмалеинимидов под действием протонных кислот с образованием полиан-нелированных систем.

Более детальные представления о механизмах данных превращений, полученные в результате проведённого квантовохимического анализа важны для разработки методов синтеза новых соединений - аналогов малеинимидоиндолокарбазолов (Б) или малеинимидоиндоло[1,4]диазепинов (-азепинов) (Р,Н), рассматривающихся в качестве объектов для дальнейших биологических испытаний.

Научная новизна. Квантово-химические расчёты электронных и энергетических параметров бис(индол-3-ил)- и бис(индол-1-ил)- малеинимидов, их производных и аналогов, а также интермедиатов и активированных комплексов в реакциях циклизации под действием протонных кислот методом ОРТ (функционала плотности) были проведены впервые. Впервые изучены факторы, определяющие направление циклизации 4-замещенных 3-индолилмалеинимидов (I), и показано, что путём изменения характера введенного заместителя в положение 4 возможно найти условия, при которых образуются полианнелированные системы (К), содержащие центральный плоский шестичленный цикл - аналога высоко активных малеинимидоиндолокарбазолов, что затем было подтверждено экспериментально.

Н

н

н

Практическая ценность работы. Проведённые расчёты и последующее выяснение электронных, стерических и других факторов, определяющих направленность циклизации, стали основой для выработки представлений о деталях механизмов трансформации бис-индолилмалеинимидов под действием протонных кислот. Описанный подход дал возможности для рационального направленного синтеза полианнелированных систем на основе производных индолилмалеинимидов. Среди изученных соединений обнаружены высоко активные ингибиторы протеин киназ эукариотических организмов (протеин киназы С, циклин-зависимых киназ CDK, PIM и других), а также бактериальных серин-треониновых протеин киназ, определяющих устойчивость бактерий к аминогликозидным антибиотикам (например, канамицину).

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: III международная конференция «Химия и биологическая активность гетероцик-лов», посвященная памяти проф. А.Н. Коста (Московская область г. Черноголовка, 2006 год); Международном симпозиуме ASOC (Украина, Крым, Судак 2006 год); IV Евразийской Конференции по гетероциклическим соединениям (Греция, Фессалоники 2006 год); IX научной школе-конференции по органической химии (Московская область, г. Звенигород, 2006 год); XVIII Менделеевском съезде (Москва, 2007 год); V Евразийской Конференции по гетероциклическим соединениям (Кувейт, 20Q8 год).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и тезисы четырёх докладов на научных конференциях, три из которых - с международным участием.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 90 страницах печатного текста; содержит 24 рисунков, 14 схем, 3 таблицы; состоит из введения, обзора литературы, результатов и их обсуждения, материалов и методов исследований, выводов. Список цитируемой литературы содержит 73 публикации.

Работа является частью научных исследований, проводимых в Институте по изысканию новых антибиотиков имени Г.Ф.Гаузе РАМН , утверждена планом НИР Института в соответствии с государственной программой Приоритетные направления развития науки, технологии и техники «Живые системы» (утверждены Президентом РФ), федерачьной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» и планом исследований в рамках программы Евроконсорциума «PROTEIN KINASES - NO VEL DRUG TARGETS OF POST GENOMIC ERA».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Квантово-химическое изучение трансформации 3,4-бис-индолил-малеимидов с различным сочленением индольных и малеимидных циклов под действием протонных кислот

Изучение химических свойств и реакционной способности 3,4-бис(индолил)-малеинимидов представляет интерес в связи с обнаружением ценных биологических

свойств некоторых производных этого ряда, а также родственных им индо-ло[2,3]карбазолов. Ранее было показано, что внутримолекулярная циклизация 3,4-бис(индол-3-ил)малеинимидов 1, 3(индол-1-ил)~4-(индол-3-ил)малеинимидов 2 и 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимидов 3 под действием протонных кислот протекают различно и приводят к соединениям разного типа. 3,4-Бис(индол-3-ил)малеинимиды 1 в условиях кислотного катализа после дегидрирования образуют производные индо-ло[2,3]карбазола 4 ( Схемы 1, 2, 3). В отсутствие окислителя (ОБС?) интермедиат 5 изомеризуется в аминофенилкарбазол 6 (Схема 1). На Схеме 2 представлены предполагаемые механизмы циклизации и изомеризации системы 1.

В отличие от 3,4-бис(индол-3-ил)малеинимидов 1, 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)малеинимиды 2 и 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимиды 3 под действием протонных кислот претерпевают 2-4' или 2-7' циклизацию, соответственно, с образованием ди-гидроиндоло[Г,2':4,5]пирроло-[3',4':2,3][1,4]азепино[1,7-а]индол-1,3-дионов 7 или 9Ь, 10-дигидроиндол о[ 1 ',2':4,5]пирроло-[3',4':2,3] [ 1,4]диазепино[ 1,7-а]индол-1,3-дионов 8 соответственно (схема 3).

алкил или арил.

Схема 2. Предполагаемый механизм циклизации 3,4-бис(индол-3-ил)малеимидов (1) под действием кислот, Я=Н, алкил или арил .

В связи с указанными отличиями в направлениях реакций циклизации различно сочлененных бисиндолилмалсинимидов представляло интерес выяснить электронные, стерические и другие факторы, определяющие направления циклизации, приводящей к образованию аннелированных малеинимидоиндолокарбазолов или малеинимидоиндолодиазепинов (азепинов).

3'" Ч/ 8 ю

Схема 3. Предполагаемый механизм циклизации 3(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)малеимидов 2 и 3,4-бис(индол-1-ил)малеимидов 3 Я=Н, алкил или арил.

1.1. Направление протонирования 3,4-бис(индол-3-ил)малеинимидов, 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)малеинимидов и 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимидов

Результаты расчётов распределения электронной плотности методом ВЗЬУР/б-ЗШ(<1) на реакционных центрах 3,4-бис(индол-3-ил)малеинимида 1, 3-(индол-1-ил)-4-(индол-З-ил)малеинимида 2 и 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимида 3 соответствуют первичному протонированию по атому азота в положение 1 индольного ядра с последующим переносом протона в положение 3 индольного ядра для каждого из вышеназванных соединений. Об этом свидетельствуют величины формальных зарядов на соответствующих ]М-атомах и С-атомах ( Рис.1). Для молекулы 2 имеются две возможности для протонирования: С(3) одного индольного ядра с зарядом -0.232 и С(3)' другого с зарядом -0.026. Расчёт и эксперимент подтвердили предположение о про-тонировании молекулы 2 только по атому С(3) индольного цикла, сочленённого с ма-леинимидным через атом азота, где величина отрицательного заряда заметно больше (Рис.1)

Расчёты методом ВЗЬУР/6-ЗЮ(<!) протонированных форм бисиндолилималеи-нимидов 1', 2', 3' (Рис.1) показывают, что в результате протонирования по положению 3, на атоме С(2) протонированного индольного ядра индуцируется электрофиль-ный центр, а на С7'(С4') бензольного кольца непротонированного индольного ядра -нуклеофильный центр, которые участвуют в дальнейшей внутримолекулярной циклизации. С2'-Атомы непротонированного индольного ядра, как нуклеофильные центры по-видимому нереакционноспособны, вследствие низкой элекронной плотности. (Рис.1).

Таким образом, как показал эксперимент, циклизация индолениниевых катионов 2' и 3' происходит по направлению 2-4' и 2-7' в соответствии с рассчитанными

электронными плотностями, что нельзя сказать о циклизации индолениниевого катиона 1', которая происходит по 2-2'-направлению.

■0.193 020д -0.446

1' н р 3.

Рие.1. Заряды на реакционных центрах бисиндолилмалеинимидов и соответствующих катионах индолениния.

1.2 Анализ процесса циклизации протонированных бисиндолилмалеинимидов

Из Рис.2 мы видим, что индолениниевые катионы 2' и 3' являются «пропеллерными» (индольные ядра под небольшими углами выведены из плоскости центрального малеинимидного фрагмента), и можно предположить, что здесь поворот вокруг связей , сочленяющих индольный и малеинимидный циклы, приводит к ма-леинимидоиндолоазепинам и малеинимидоиндолодиазепинам без сильного углового напряжения.

Напротив, в структуре 1' (Рис. 2) протонированное индольное ядро фактически оказывается в плоскости, перпендикулярной малеинимидному фрагменту. Это позволяет предположить, что вращение вокруг С-С-связи в этой плоскости не может привести к пространственной конфигурации, выгодной для циклизации по 2-4'-направлению без углового напряжения и «вынуждает» структуру 1' циклизоваться по 2-2'-направлению, т.е. по реакционному центру с низкой электронной плотностью (Рис. 1).

2' 3'

Рис.2 ЗБ-модели структур протонированных форм бис-индолилмалеинимидов 1', 2', 3', рассчитанные методом ВЗЬУР/6-ЗЮ(<1)

Последующий анализ поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) изучаемых внутримолекулярных циклизаций (построение энергетического профиля), включающий расчёт полных энергий реагентов, продуктов, интермедиатов и поиск переход-

ного состояния показал, что циклизация катиона 3' по 2-7'- направлению происходит безбарьерно (табл.1, Рис.4), а катиона 2' но 2-4'-направлснию с небольшим актива-ционным барьером ( ДЕ*=9.33 ккал.моль"1). Напротив для катиона 1' энергия активации по 2-2'-направленик> достигает 29.47 ккал.моль'1, в то время как для гипотетической, не наблюдаемой в эксперименте циклизации катиона Г по 2-4'-направлению,-AES=10.52 ккал.моль'1 (табл. 1).

По-видимому такое высокое значение активационного барьера для 2-2'-циклизации можно объяснить тем, что в структуре активированного комплекса для 22' - циклизации (Рис. 3, точка 3 на координате реакции) атомы водорода в положении 2 индольного и в положении 3 индолениниевого циклов заслоняют друг друга. В то же время, экспсриментадьно наблюдаемый путь циклизации катиона 1' по направлению 2-2', возможно свидетельствует о том, что вышеописанное напряжение при формировании активированного комплекса (Рис. 3, точка 3 на координате реакции) компенсируется дальнейшим депротонированием циклической структуры 5' и последующим раскрытием пятичленного цикла в 5" с образованием 5"' протекающим безбарьерно и экзотермично, о чем свидетельствуют результаты расчёта. (Схема 2).

В ходе работы было выяснено, что для успешного протекания реакции внутримолекулярной циклизации по 2-7'-направлению, наряду с благоприятным распределением электронной плотности желательны оптимальные геометрические параметры: угол подхода внутреннего элекрофильного центра -115°, расстояние между реакционными центрами ~1.63Ä и Дс =2.3 эВ, что наблюдается в катионе 3' (Табл.1, Рис. 4).

Паргшетр Направление циклизации

Г Г 1 9-q' 'ЧГ® « м ' . а 3' о ■f..,-.* Л J- ViP^+h ' А а

2-4' 2-2' 2-4' 2 — 2' 2-7' 2- 2'

9. гряд 138.04 127.36 131.24 106.23 115.97 109.45

R«.A 4 99 2.11 4.05 4 31 1 63 2.07

Де, эВ 2.6 2.6 2.5 2.5 2 3 2.3

ДЕ", ккал_моль"' 10.52 29.47 9.33 7.72 0 2.74

Табл.1 Угол подхода электрофильного центра (ф), расстояние между реакционными центрами (11с-с), разность энергий граничных орбиталей (Дс) и активационные барьеры (ДЕ#/ккал.моль"') циклизации индолениниевых систем Г-3' по различным направлениям (2-2', 2-4' и 2-7') по данным расчёта методом ВЗЕУР/6-ЗЮ(с1)

4 5

Рис. 3. Зависимость полной энергии (Еш,) от координаты реакции (профиль ППЭ) для циклизации индолениниевого катиона Г по 2-2'- направлению со структурной корреляцией : исходной (точка 1) и конечной (точка 5) молекул, переходного состояния (точка 3) и промежуточных катионов (точки 2 и 4).

-1084.4 -1084.?.

Координата реакции

Г

а

»В.

& 4

Рис. 4. Зависимость полной энергии (Е,0[) от координаты реакции (профиль ППЭ) для циклизации индолениниевого катиона 3' по 2-7'-направлению со структурной корреляцией исходной молекулы 3 (1), индолениниевого катиона 3' (2), промежуточного локального минимума 3" (3), гептациклического катиона 3"' (4) и продукта 8 (5) нумерацию интермедиатов см. на Схемах 1,3 и Рис.1

2. Квантово-химическое изучение трансформации 3-(]У-алкиламино)-4-(индол-1-ил)- и 3-(Т\-алкиламино)-4-(индол-3-ил)-малеинимидов под действием протонных кислот: исследование механизма гидридного переноса с последующей циклизацией

Можно было предположить, что протонирование и дальнейшая циклизация М-метил-3-(Ы-этиланилино)-4-(индол-1-ил) малеинимида 11 , представляющего собой как бы «разомкнутую» структуру изученного нами ранее 3,4-бис(индол-1-ил) малеинимида, будут происходить аналогично, т.е. через образование промежуточного ин-

долениниевого катиона 12, который далее претерпевает внутримолекулярную элек-трофильную атаку по бензольному кольцу этиланилиновой группы. Однако при действии ТТА в СН2С12 или СН3803Н в РЬСН3 на 11, образуется продукт аннелирования 17 (схема 4). Реакция идёт по механизму, представленному на Схеме 4, включающему гидридный перенос с метиленовой группы к атому углерода в положении 2 про-тонированного индольного цикла (Схема 4).

СНЭ ОуСо

1©

НзС

оХ^

"-П

сн3

СН3

ол^о

«3?

16

■н©

Схема 4. Трансформация 1-метил-3-(Ы-этиланилино)-4-(индол-1-ил) малеинимида 11.

Схема 5. Трансформация 1-мстил-3-(К-этилаяилино)-4-(индол-3-ил) малеинимида 18, включающая взаимодействие С2-атома протонированного индолыюго цикла с фе-нильной группой Ы-этиланилинового фрагмента

Аналогичный эксперимент с К-мсшл-3-(индол-3-ил)-2-(Х-этиланилино)-малеин-имидом 18 показал, что вышеописанного гидридного сдвига не происходит,

реакция идёт по пути внутримолекулярной электрофилыюй атаки Ы-фенильного фрагмента этиланилиновой группы катиона 19, приводя к индоломалеинимидоазспи-ну 22 через а-комплекс 21 и переходное состояние 20 (Схема 5).

В связи с различиями в химическом поведении изомеров 11 и 18 нашей задачей стало квантово-химическое исследование факторов, влияющих на механизм протекания вышеописанных превращений. Как и при исследовании циклизации 3,4-бисиндолилмалеинимидов были изучены: распределение электронной плотности, особенности геометрического строения индолилмалеинимидов 11 и 18 и их сопряжённых кислот 12 и 19, энергетические параметры. Выполнено сравнение энергий активации рассматриваемых реакций гидридного переноса с циклизаций и циклизации с атакой фенильной группы этиланилинового фрагмента.

2.1 Направление протонирования 1-метил-3-(1Ч-этиланилино-4-(индол-1-ил)- и 1-метил- 3-(1Ч-этиланилино-4-(индол-3-ил) малеинимидов

Как показали результаты расчётов формальных зарядов по методу ВЗЬУР/6-ЗШ(с1) на атомах, представляющих собой возможные объекты протонирования исследуемых 1Ч-этиланил1шо-(индол-1-ил)- и 1Ч-этиланилино-(индол-3-ил)-малеин-имидов, местом атаки являются N1 (СЗ) индольных фрагментов, как и в ранее изученных 3,4-бисиндолилмалеинимидах. Значения формальных зарядов на индольных атомах N(1) (-0.600 и -0.675 соответственно) и С(3) (-0.233 и -0.026 соответственно) для соединений 11 и 18 почти идентичны таковым для бисиндолилмалеинимидов. Это распределение зарядов способствует протонировапию соединений 11 и 18 по положению 3 индольного фрагмента после первичного протонирования по индоль-ному атому азота (Схемы 4, 5).

Как показал анализ распределения зарядов в соответствующих индолениние-вых катионах 12 и 19 (Схемы 4,5), наибольшие величины положительного заряда (+0.151 и +0.213), сосредоточены на атоме С(2) индольного ядра катионов 12 и 19, что совпадает с предполагаемым нами расположением электрофильного центра на этом атоме. Большая же плотность отрицательного заряда приходится на углеродные атомы фенильной группы этиланилинового фрагмента (Схемы 4, 5).

2.2 Анализ ППЭ гидридного переноса с последующей циклизацией промежуточной иминиевой структуры

Как показано в 2.1 рассчитанное распределение электронной плотности как в катионе 12, так и в катионе 19 должно благоприятствовать реакции по углеродному атому фенильной группы этиланилинового фрагмента, но по этому направлению циклизация осуществляется лишь для катиона 19. Поэтому, также, как и в 1.2 было сделано предположение о решающем значении геометрической конфигурации про-тонированной формы этиланилиноиндолилмалеинимидов.

Анализ геометрической конфигурации протонированных форм этиланилиноиндолилмалеинимидов (Рис.5) показал, что ситуация здесь аналогична таковой с бис-индолилмалеинимидами. Так в «пропеллерном» индолениниевом катионе 12 расстояние на котором находится один из атомов водорода мстиленовой группы этиланилинового фрагмента до С2-атома протонированного индольного ядра (2.75 А)

Рис. 5. ЗО-модели структур протонированных форм этиланилиноиндолилмалеиними-дов 12 и 19, рассчитанных методом B3LYP/6-31G(d)

значительно короче такового от атома углерода фенильной группы до С2-атома про-тонированного индольного ядра (6.34А) (Рис.5). Это благоприятствует подходу гидрид-иона к С2-атому протонированного индольного цикла под углом ~ 115°. Противоположную ситуацию мы наблюдаем для индолениниевого катиона 19 где ориентация протонированного индольного цикла в плоскости, перпендикулярной малеини-мидному по-видимому не позволяет гидрид-иону подойти к электрофильному центру под оптимальным углом.

Расчёт энергетических параметров и построение ППЭ показали, что для индолениниевого катиона 12 внутримолекулярная циклизация, включающая гидридный перенос (Схема 4), протекает безбарьерно аналогично рассмотренной в 1.2 (Рис.4), тогда как активационный барьер альтернативной циклизации по фенильной группе составляет 22.93 ккал.моль"1 . Напротив, для индолениниевого катиона 19 активационный барьер циклизации по фенильной группе ниже, чем для гипотетической циклизации, включающей гидридный перенос (Табл.2)

Исследуемая система Гидридный перенос с циклизацией Циклизация по фенильной группе

12 3.29 ккал.моль"1 22.93 ккал.моль"1

19 38.29 ккал.моль'1 13.09 ккал.моль'1

Таблица 2. Активационные барьеры внутримолекулярной циклизации протонированных форм этиланилиноиндолилмалеинимидов.

3. Кваптово-химическое изучение циклизации вицииально-замещённых аналогов биологически активных 3,4-бис-(индол-1-нл)малеинимидов под действием протонных кислот

Представлялось интересным изучить возможности и направление циклизации в подобных условиях других вицинально-замещённых бис-индолилпроизводных: 1,5-

дигидро-пиррол-2-она, фуран-2,5-диона, циклопент-4-еп-1,3-диона, циклобут-3-ен-1,2-диона, пирролидин-2,5-диона, геометрическое строение и электронная структура которых предположительно близка строению изученных ранее 3,4-бис-индолилмалеинимидов. Это давало основание прогнозировать и аналогичную индо-лилмалеинимидам реакционную способность. Однако при действии ТТЛ в СН2С12 или СНзЗОзН в РЬС113па 3,4-бис-(индол-1-ил)-пирролидин-2,5-дион (сукцинимид) не было отмечено образования продуктов циклизации ни по 2-7', ни по 2-2'-направлениям.

В связи с выявлением такого различия в химическом поведении 3,4-бис-(индол-1-ил)-малеинимида и 3,4-бис-(индол-1-ил)-сукцинимида задачей настоящего исследования стало теоретическое изучение факторов, влияющих на механизм циклизации этого ряда бис-индолил-производных с использованием квантово-химического подхода. Для представляющих собой сопряжённые кислоты протежированных бис-индолил-1,5-дигидро-пиррол-2-она 23, бис-индолил- фуран-2,5-диона 24, бис-индолил-циклопепт-4-ен-1,3-диона 25, бис-индолил- циклобут-3-ен-1,2-диона 26, бис-индолилсукцинимида 27 (Рис. 6 и Схема 6) были изучены особенности геометрического строения, энергетические параметры, распределение зарядов, энергии граничных орбиталей. Выполнено сравнение активационных барьеров циклизации систем 2У-2Т и сопоставление их с таковыми для ранее изученного 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимида 3' как по 2-7' (Схема 6), так и по 2-2'-направлению.

Рис. 6 Структуры вициналыю-замещённых бис-индол-1-ил-производных 23-27 и их протежированных форм 2У-2Т

3.1 Анализ циклизации сопряжённых кислот вицинально-замещённых бис-индолилгетероциклов.

Результаты квантово-химических расчётов методом ВЗЬУР/6-ЗШ(с1) индоле-ниниевых систем 2У-2Т, образующихся при действии протонных кислот на молекулы 23-27 ( Рис.6 и Схема 6), указывают на сходство их геометрического строения -все они имеют пропеллерные конформации, как и в изученном ранее бис-(индол-1-ил)малеинимиде 3 и соответствующем ему катионе 3'. В рассматриваемых системах 23'-26' индольные циклы выведены под небольшим углом из плоскостей центральных пятичленных фрагментов (системы 23'-25') и из плоскости центрального цикло-бутендионового кольца для системы 26'.

Поскольку для 3,4-бис-(индол-1-ил)-1,5-дигидро-пиррол-2-она 23 (Рис.6) возможно два варианта протонирования, нами изучались как протонирование со стороны СН2-группы, так и протонирование со стороны С=0-группы лактонного ядра. В ходе расчётов методом В31ЛГР/6-ЗЮ(<1) выяснилось, что протонирование 23 с образованием иминиевого катиона предпочтительно со стороны С=0-группы лактонного ядра, т.к. согласно расчётам иминиевый катион 23'а, стабильнее катиона 23'Ь на 6,75 ккал.моль"1 (Схема 7).

Н

Н

Схема 6. Циклизация индолениниевых систем 23'и 27' по направлению 2-7'

Этот факт можно, по-видимому, объяснить тем, что при протонировании 3,4 бис-(индол-1-ил)- 1,5-дигидро-пиррол-2-она 23 имеет место сопряжение я-связей протонированного индольного цикла с С=0-группой центрального фрагмента, тогда как с СН2-группой это сопряжение отсутствует. Поэтому, при изучении дальнейшей

внутримолекулярной циклизации рассматривался более стабильный согласно расчётам катион 23'а (Схема 7).

Схема 7. Альтернативные пути протонирования 3,4 бис-(индол-1-ил)- 1,5-дигидро-пиррол-2-она 23

Анализ расчётных структур показал, что в отличие от «пропеллерных» систем 23' - 26' в сукцинимидной системе 27' протонированный и непротонированный ин-дольные циклы практически параллельны друг другу. Такое отличие в конформациях вызвано изменением гибридного состояния углеродных атомоь с ер2 на ер3 в положениях 3 и 4, что влечёт за собой существенное изменение углов сочленения индоль-ных циклов с сукцинимидным ядром по сравнению с таковыми для малеинимидпого (Рис.7).

Рис.7 ЗБ-модели структур протонированных форм 3,4 бис-(индол-1-ил)- 1,5-дигидро-пиррол-2-она 23' и 3,4-бис- (индол- 1-ил)сукцинимида 27'

Ранее, для индолениниевого катиона 3' квантово-химическими расчётами методом ВЗЬУР/6-ЗЮ((1) были получены оптимальные геометрические и электронные параметры, способствующие циклизации 2'-7' по механизму внутримолекулярного электрофильного замещения 8Е: расстояние между реакционными центрами в активированном комплексе -1.63 А (см. 1.2).

Для 2-7'-циклизации индолениниевых систем 23'-27' с образованием диазепи-новых катионных структур (Схема 6), результаты расчётов представлены в сравнении с ранее полученными для системы 3' (см. 1.2). Последующий анализ энергий активации внутримолекулярных циклизаций индолениниевых систем 23'-27' выявил корреляции расчётных активационных барьеров циклизации с расстояниями между реакционными центрами, углами подхода внутреннего электрофила и разностями энергий граничных орбиталей (энергетическая щель), которые обусловлены различными структурными особенностями центральных фрагментов систем 23'-27'.

Для индолениниевых систем 26' и 27' мы наблюдаем значительный рост величины ДЕ# (15.36 и 25.64 ккал.моль"1соответственно), по сравнению с ДЕ# остальных индолениниевых систем. Отметим, что для циклизации лактамной системы 23' не было зафиксировано переходное состояние, и также, как и для циклизации 3' был зафиксирован минимум, лежащий на ППЭ ниже минимумов, соответствующих «реагенту» и «продукту» (см. 1.2 Рис.4). Таким образом, по всем рассмотренным в работе параметрам наиболее близкой к «эталонной» системе 3' является система 23' , имеющая в качестве центрального ядра лактамную структуру, и, по-видимому, сходной может быть и её реакционная способность.

Наблюдаемый рост ДЕ# для систем 26' и 27' по сравнению с 3', 23', 24', 25' , можно, по-видимому, объяснить отличием гибридного состояния узловых С-атомов, сочленяющих центральный фрагмент с индольными циклами для 26' и 27' от такового для 3', 23', 24', 25', что, по-видимому может сказываться на свободе вращения ин-дольных циклов вокруг С-М-связей, связывающих индольные циклы с центральным фрагментом.

Согласно расчётам по методу ВЗЬУР/6-ЗШ(с1), проведённым для 3,4-бисиндолилмалеинимидов, наибольшее благоприятствование вращению индольных циклов достигается для малеинимидных систем с 8р2-гибридизовапными СЗ и С4. А в четырёхугольной бутендионовой системе 26' конфигурация этих С-атомов фактически не соответствует их формально зр2-гибридному состоянию; в сукципимидной же системе 27' имеет место ер3 гибридное состояние узловых С-атомов с тетраэдриче-ской конфигурацией соответствующих структурных фрагментов. На ЗИ- модели сукцинимидного активированного комплекса 27"', полученной путём расчёта (рис.7), заметен «излом» узла сочленения одного из индольных циклов с малеини-мидным ядром (соответствующий фрагмент заметно пирамидализован), тогда как структуры остальных активированных комплексов аналогичны таковым для бис-индолилмалеинимида 3. В связи с этим можно предположить, что при циклизации катиона 26' возрастание ДЕ# в вышеуказанном ряду определяется только затруднением вращения вокруг связи С->1, а для циклизации 27'- преимущественно структурными деформациями при сближении реакционных центров.

Рис.7 ЗБ-модели структуры активированного комплекса 27 "' при циклизации 3,4-бис- (индол-1-ил)сукцинимида 27' по 2-7'-направлению.

Для 2-2'- циклизации индолениниевых систем 23'-27' также наблюдается рост ДЕ* для систем 26' и 27' по сравнению с остальными. Таким образом, как показали расчёты методом ВЗЬУР/б-З Ю(с1) замена заместителей в малеинимидном цикле в

с«, а

положениях 1и 2 не приводит к значительным изменениям активационпого барьера 2-7' циклизации соответствующих индолениниевых катионов. Замена в положениях 3 и 4 двойной связи на ординарную, и также замещение малеинимидного цикла на бутендионовый, что наиболее заметно в случае 2-7'-циклизации, приводит к значительному росту ДЕ# по сравнению с циклизацией системы с неизменённым малеини-мидным циклом, что и подтверждается в ходе эксперимента.

4. Квантово-химическое изучение направления циклизации биологически активных 3,4-бис-индолилмалеинимидов под действием протонных кислот в зависимости от характера и положения заместителей в индольном ядре.

Поскольку циклизация 3-(индол-1-ил)малеинимидов с различными заместителями в положении 4 малеинимидного кольца приводит к полианнелированным соединении, содержащим центральное семичленное неплоское кольцо, проблема получения аналогов малеинимидоиндолкарбазолов на основе этих соединений продолжала оставаться актуальной. Было высказано предположение, что если использовать производное индола, содержащее в положении 6 или 7 заместители, исключающие циклизацию 2-7', может оказаться возможным циклизация таких соединений по типу

Были изучены возможности циклизации бис(индол-1-ил)малеинимидов, содержащих заместитель, блокирующий нуклеофильный реакционный центр в положении 7 индольного ядра (28 Ri = Ethyl, 1*2=11), или содержащие электроноакцептор-ную группу в положении 6 (29, Ri=H, R2 = N02) (Схема 8).

Схема 8. Трансформация производных 3,4-бис (индол-1-ил) малеинимидов имеющих заместители в индольном ядре под действием протонных кислот.

Расчёты проведённые как полуэмпирическим кванговохимическим методом AMI, так и методом функционала плотности B3LYP/6-31G(d) показали, что актива-ционный барьер ДЕ#=23,20 ккал.моль'1 (AMI) и ДЕ#=7,70 ккал.моль'1 (B3LYP) циклизации 2-2' для 28 выше, чем для незамещенного бис-3,4(индол-1-ил)малеинимида 3 - АЕ#=15,97 ккал.моль"1 (AMI) и ЛЕ*=2,74 ккал.моль"'(ВЗЬУР). Рост активационного барьера предположительно можно объяснить Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями этильных групп с О-атомами малеинимидного цикла в молекуле 28 и её сопряжённой кислоте, затрудняющими вращение индольных циклов вокруг оси C-N, которые необходимы для циклизации.

Расчёт внутримолекулярной циклизации индолениниевого катиона, соответствующего молекуле 29 методом AMI и B3LYP/6-31G(d) в случае протонирования незамещённого индольного ядра показал нестабильность решения, что, вероятно, сви-

2-2'.

29: R2-N02, R,=H

детельствует о невозможности циклизации по направлению 2-7' соединения 29. Однако, при расчёте теми же методами и в тех же базисах циклизаций соединения 29 по направлению 2-2' активационные барьеры Е#=11,83 ккал.моль"1 (AMI) и Е#=9,83 ккал.моль"1 (B3LYP) можно считать вполне адекватными для протекания этого процесса в относительно мягких условиях с образованием 32. При расчёте циклизации 29, протонированного в индольное ядро, замещённое NO2- группой, предпочтительным оказывается образование соединения 31 (Схема 8). Однако при экспериментальных исследованиях получить какие-либо продукты циклизации соединений 28 и 29 не удалось.

Из приведённых выше расчётов и последовавших затем экспериментов которые не зафиксировали циклизации 8'- нитро-замещённого бис-индолилмалеинимида можно сделать вывод об отрицательном влиянии ярко выраженных электроноакцеп-торных заместителей на циклизацию: заряд по Малликену С7'- атома атакуемого ин-дольного ядра (-0.15) в сопряжённой кислоте соединения 29 почти в 2 раза ниже величины заряда по Малликену С-7'- атома в 3' (-0.209) (см. 1.1 Рис.1).

5. Квантово-химическое изучение направления циклизации 3-(индол-1-ил)-4-(пиррол-1-ил)малеинимида, 3-(индол-1-ил)-4-(пиразол-1-ил)малеинимида, 3-(индол-1-ил)-4-(имидазол-1-ил)малеинимида.

При конденсации 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)малеинимидов и бис-3,4-(индол-1-ил)малеинимидов, а также производных 3-(индол-1-ил)мапеинимидов, содержащих в положении 4 остаток алкил или арилалкиламина, образуются полианне-илрованные производные, содержащие диазепин[1,4]- или азепиновый цикл. Однако представлялось интересным изучить возможности получения индолил-малеинимидных систем, содержащих аннелированный с ними шестичленный цикл -аналогов малеинимидоиндолокарбазолов, среди производных которых обнаружены вещества, обладающие ценной биологической активностью.

С этой целью мы теоретически исследовали возможность и направления циклизации аналогов бис-(индол-1-ил)малеинимидов, в которых одно из ипдольных ядер было замещено такими гетероциклами как пиррол (33), пиразол (34 ), или ими-дазол (35) (Рис.8). Одновременно в нашей лаборатории к.х.н. С.А. Лакатошем были получены эти дизамещенные малеинимиды, и было важно исследовать возможности и направления циклизации этих соединений под действием протонных кислот.

Рис. 8. Структуры 3-(индол-1-ил)-4-(пиррол-1-ил)малеинимида 32, 3-(индол-1-ил)-4-(пиразол-1-ил)малеинимида 33, 3-(индол-1-ил)-4-(имидазол-1-ил)малеинимида 34 и распределение граничной электронной плотности на их ВЗМО

U

и

Н

В ходе исследования были проведены кваитово-химические расчёты полуэмпирическим методом AMI и методом функционала плотности в базисе B3LYP/6-31G(d) геометрических параметров, индексов реакционной способности (формальные заряды, граничная электронная плотность), энергетических характеристик (полные энергии участников реакций, теплоты реакций, активационпые барьеры).

Результаты расчётов индексов Фукуи для ВЗМО исследованных молекул ин-долилмалеинимидов показывают, что их величины на скелетных атомах индольных фрагментов имеют более высокие значения, чем таковые для пиррольного, пиразоль-ного и имидазольного фрагментов. Следовательно можно предположить, что индоль-ный цикл в этих молекулах более нуклеофилен, чем пиррольный, пиразольный и имидазольный соответственно. Как и в индольных фрагментах молекул 1, 2, 3 (см. раздел 2.1) величины индексов реакционной способности (формальные заряды, индексы Фукуи) для молекул 33, 34, 35 также максимальны на N1 и СЗ индольного цикла. Несмотря на то, что значения индексов Фукуи и зарядов по Малликену больше на N1, чем на СЗ (Рис.8) более нуклеофильным следует считать СЗ что уже обсуждалось в предыдущих разделах настоящей работы.

Следовательно, на основании результатов расчётов вышеназванных параметров для нндолилматеинимидов 33, 34, 35 можно предположить, что протонирование их молекул будет также происходить в положение 3 индольного ядра.

5.1 Анализ распределения электронной плотности в сопряжённых кислотах 3-(индол-1-ил)-4-(пнррол-1-ил)малеинимида, 3-(индол-1-ил)-4-(пиразол-1-ил)малеииимида, 3-(индол-1-ил)-4-(имидазол-1-ил)малеинимида.

Анализируя fkcMo Для представленных индолениниевых катионов мы видим, что наибольшие их значения сосредоточены на С2 индольного цикла рассматриваемых катионов (Рис.9). Эти индексы реакционной способности коррелируют с результатами для протонированных бис-индолилмалеинимидов, рассмотренных в разделе 1.1. (Рис.1), и соответствуют локализации электрофилыюго центра на С2.

Что касается 1взмо , то для системы 33' эти индексы максимальны на а-углеродных атомах пиррольного цикла. То же самое наблюдается и для системы 35', а у системы 34' с пиразольным циклом наибольшие значения fe3MO оказываются сосредоточенными на углеродном атоме в положении 4 пиразольного цикла (Рис.10)

\_I 0.028

0.0»,/ 4+)

0.043N-N ;

,„ ,// \ o eJ YL //

H

0.000

33'

0.030/r— N 0.030 // \

0 001 N

0044 0005 0024

34 35'

o^o

г—N 0.291 N—(\ \

// ^0 04* II VL^

Рис.9 Распределение граничной электронной плотности fHcMo в индолениниевых катионах 33', 34', 35'

Такое распределение граничной электронной плотности, выраженное индексами Фукуи, позволяют сделать предположение о большей предпочтительности 2-2' -циклизации для систем 33' и 35' в противоположность системе 34', имеющей макси-

Н Н Н

Рис.10. Распределение граничной электронной плотности ГвзмоВ индолениниевых катионах 33', 34', 35'

мальные значения индексов Фукуи не в 2-2'-, а в 2-4'- положениях взаимодействующих гетероциклических фрагментов (Рис. 9 и 10).

Расчёт активационных барьеров внутримолекулярной циклизации индолениниевых катионов 33', 34', 35' показал, что активационный барьер превращения 33'—>-33" заметно ниже чем для превращений 34'—>34" и 35'—>35" (Схема 9)

м©

. чт

Дс =9.62 к кал. моль \—/

ДЕ*=16.02 ккал.моль'1 \==/

Ч-М р-

N 35'

ДЕ"-14.47 ккал.моль"' /=\

[:®Л_(

"Й зу.

Схема 9. Активационные барьеры ДЕ внутримолекулярной циклизации индолениниевых катионов 32', 33', 34'

Таким образом, мы видим, что рассчитанные для указанных на Схеме 9 превращений величины активационных барьеров коррелируют с рассчитанным распределением элекронной плотности. На основании осуществлённого квантовохимиче-ского прогноза в нашей лаборатории получено соединение 33"', являющееся анало-

гом малеимидоиндолокарбазола 4 (см. раздел 1) обладающего высокой биологической активностью

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведены квантово-химический анализ и изучение превращений под действием протонных кислот 3,4-бис(индол-3-ил)-, 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)-, 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимидов и структур, построенных на их основе, обладающих высокой биологической активностью - ингибиторов протеинкиназ, важных для регуляции опухолевого роста и преодоления лекарственной устойчивости. Для изучаемых соединений, интермедиатов их превращений и переходных состояний методом ВЗЬУР/б-ЗЮ(с1) рассчитаны геометрические (межатомные расстояния, валентные и диэдральные углы), электронные (энергии граничных орбиталей, заряды по Малли-кену и значения граничной электронной плотности на реакционных центрах), энергетические (полные энергии реагентов, продуктов, интермедиатов, переходных состояний).

2. Необходимыми условиями для протеканий реакций внутримолекулярной циклизации 3,4-бис(индол-3-ил)-, 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)-, 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимидов под действием протонных кислот является пропеллерная информация индольных циклов в положениях 3 и 4 малеинимидного цикла в их протониро-ванных формах и благоприятные значения электронной плотности на реакционных центрах (избыточный положительный заряд на С2 протонированного индола и избыточный отрицательный заряд на нуклеофильном центре второго заместителя малеинимидного цикла).

3. Путём квантово-химических расчетов выявлены причины различной направленности внутримолекулярной циклизации бис-3,4-(индол-3-ил)малеинимидов (с образованием малеинимидоиндолокарбазолов) и бис-3,4-(индол-1-ил)- и 3-(ипдол-1-ил)-4-индол-3-ил)малеинимидов (с образованием малеинимидоиндолоазепинов).

4. Проведённые расчеты позволяют прогнозировать направления внутримолекулярной циклизации З-индолил-4-гетероарилмалеинимидов под действием протонных кислот с образованием полианнелированных систем, содержащих центральный шестичленный или семичлснный цикл. В случае 3-(индол-1-ил)-4-(пиррол-1-ил)малеинимида образование аннелированного 6Н-индоло[2',1,Г:3,4]пирроло[3',4':5,6]пиразино[1,2-а]индол-6,8(7Н)диона подтверждено затем экспериментально.

5. Исследован методом ВЗЬУР/6-ЗЮ((1) механизм гидридного переноса с последующей циклизацией сопряжённой кислоты 1-метил-3-(ЪГ-этиланилино)-4-(индол-1-ил)малеинимида и механизм циклизации 1-метил-3-(ТМ-этиланилино)-4-(индол-3-ил) малеинимида, протекающий без гидридного переноса. Различия в направлении реакций определяются геометрической конфигурацией протонированных форм эти-ланилиноиндолилмалеинимидов.

6. Расчет методом ВЗЬУР/6-ЗЮ(с1) параметров реакций внутримолекулярной циклизации вицинально-замещённых аналогов 3,4-бис-(индол-1-ил)малеинимидов в которых малеинимидный цикл заменен на 1,5-дигидро-пиррол-2-он, циклобут-3-ен-1,2-дион, фуран-2,5-дион, циклопент-4-ен-1,3-дион, сукцинимид позволил прогнозировать направления циклизации таких производных под действием протонных кислот.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Быков Е.Е., Лакатош С.А., Преображенская М.Н. Квантово-хнмичсское изучение трансформации 3,4-бис-индолилмалеимидов с различным сочленением ин-дольных и малеимидных циклов под действием протонных кислот // Известия Академии наук. Серия химическая - 2006.-№ 5.- С. 754-760.

2. Быков Е.Е., Лакатош С.А., Преображенская М.Н. Квантово-химическое изучение трансформации 3-(М-алкиламино)-4-(индол-1-ил)- и 3-(Н-алкиламино)-4-(индол-З-ил)-малеинимидов под действием протонных кислот: исследование механизма гидридного переноса с последующей циклизацией. // Известия Академии наук. Серия химическая - 2006.-№ 12,- С. 2069-2073.

3. Быков Е.Е., Преображенская М.Н. Квантово-химическое изучение циклизации вицинально-замегцённых гетероциклических аналогов биологически важных 3,4-бис-индолилмалеинимидов под действием протонных кислот // Известия Академии наук. Серия химическая.- 2008.-№ 7.- С. 1348-1352.

4. Быков Е.Е., Лакатош С.А., Преображенская М.Н. Квантово-химическое изучение трансформации дииндолилмалеимидов с различным сочленением индольного и малеимидного циклов под действием протонных кислот // Материалы конференции по химии и биологической активности синтетических и природных соединений, «АЗОТОСОДЕРЖАЩИЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ», ICSPF. Москва, 2006 - Т.2.-С.61

5. A.Y. Simonov, Е.Е. Bykow, С.A. Lakatosh, M.N. Preobrazhenskaya. Directions of cyclization of 3,4-bis(indol-l-yl)maleimides substituted in indole nuclei depending from the position and nature of the substituents. // 4th Eurasian Meeting on Heterocyclic Chemistry Thessaloniki, Greece, Book of Abstracts, 2006 - P.322.

6. A.Y. Simonov, E.E. Bykow, C.A. Lakatosh, M.N. Preobrazhenskaya. Directions of cyclization of 3,4-bis(indol-l-yl)maleimides substituted in indole nuclei depending from the position and nature of the substituents.// International Symposium on Advanced Science in Organic Chemistry, Sudak,Crimea, Abstracts, 2006.-P. 152.

7. Е.Е. Быков, C.A. Лакатош, М.Н.Преображенская. Квантово-химическое изучение механизмов трансформации 1-метил-3-(№-алкиламино)-4-(индол-1-ил)- и 1-метил-3-(№алкиламино)-4-(индол-3-ил)-малеинимида под действием протонных кислот. // К Научная школа-конференция по органической химии, ИОХ РАН, Москва-Тезисы, 2006 - С.42

8. Е.Е. Быков, С.А. Лакатош, М.Н. Преображенская. Квантовохимическое изучение трансформации 2,3-бис-индолилмалеинимидов и 2,3-бис-индолилсукцинимидов под действием протонных кислот. Il XVIII Менделеевский Съезд по Общей и Прикладной Химии, Москва, Тезисы, 2007.-C.147i

Подписано в печать: 27.04.2009

Заказ № 1958 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. Квантово-химические расчёты строения и реакционной способности индольных систем и их поведение в реакциях электрофильного замещения.

1.1. Краткий обзор современных квантовохимических методов компьютерного моделирования.

1.2. Обзор реакций электрофильного замещения в ароматических системах.

Глава 2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

2.1. Квантово-химическое изучение трансформации 3,4-бис-индолилмалеимидов с различным сочленением индольных и малеинимидных циклов под действием протонных кислот.

2.1.1. Направление протонирования молеул 3,4-бис(индол-3-ил)малеинимидов, 3 (индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)малеинимидов и 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимидов.

2.1.2. Анализ циклизации протонированных бисиндолилмал еинимидов.

2.2. Квантово-химическое изучение трансформации 1-метил-(1Ч-этиланилино)-4-(индол-1 -ил)- и 1 -метил-(1Ч-этиланилино)-4-(индол-3-ил)-малеинимидов под действием протонных кислот: исследование механизма гидридного переноса с последующей циклизацией.

2.2.1. Направление протонирования 1-метил-3-(М-этиланилино-4-(индол-1-ил)- и 1-метил- 3-(]ч[-этиланилино-4-(индол-3-ил) малеинимидов.

2.2.2. Анализ поверхности потенциальной энергии гидридного переноса с последующей циклизацией промежуточной иминиевой структуры.

2.3. Квантово-химическое изучение циклизации вицинально-замещённых аналогов биологически активных 3,4-бис-индолилмалеинимидов под действием протонных кислот.

2.3.1. Анализ циклизации вицинально-замещённых аналогов индолилималеинимидов.

2.4. Квантово-химическое изучение направления циклизации биологически активных 3,4-бис-индолилмалеинимидов под действием протонных кислот в зависимости от характера и положения заместителей в индольном ядре.

2.5. Квантово-химическое изучение направления циклизации 3-(индол-1-ил)-4-(пиррол-1 -ил)малеинимида, 3 -(индол-1 -ил)-4-(пиразол-1 -ил)малеинимида, 3-(индол-1-ил)-4-(имидазол-1-ил)малеинимида под действием протонных кислот.

Глава 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. Актуальной проблемой современной биоорганической химии является поиск ингибиторов протеинкиназ [1]. Протеинкиназы (в дальнейшем ПК) представляют собой крупнейшее семейство регуляторных ферментов эукариотических организмов [2-4] . Активация ПК, происходящая в результате связывания рецептора с лигандом, приводит к модуляции активности белков-мишеней за счёт переноса фосфатной группы кофактора .этого фермента - АТФ на гидроксильные группы серина, треонина или тирозина этих белков. Белки-мишени могут являться регуляторами таких функций клетки, как дифференциация; пролиферация, экспрессия генов и т.д., в том числе и индукция множественной лекарственной устойчивости опухолевых клеток [5]. Протеинкиназы участвуют в регуляции таких процессов, как ангиогенез, инвазивность и программируемая смерть клеток [6] . Нарушения' в регуляторной сети протеинкиназ приводят к развитию значительного числа болезней (более 400), включая рак. Поэтому мишень-направленное ингибирование протеинкиназ рассматривается как привлекательная терапевтическая стратегия при лечении онкологических заболеваний. Несмотря на значительные достижения в создании биомишень-специфических препаратов большой проблемой остается конструирование высоко активных ингибиторов с высокой степенью избирательности [7]. Одним из перспективных направлений поиска ингибиторов ПК является синтез и изучение соединений, построенных на матрице бис(индол-3-ил)малеинимидов. Бис(индол-3-ил)малеинимид (А) и его ^производные являются активными ингибиторами протеин киназы С. На матрице этих соединений построены высоко активные противоопухолевые препараты, например, антибиотики ребеккамицин (В) и стауроспорин (С) и их аналоги. н N Н

ОСН3

Цель работы и задачи исследования. В то время как под действием протонных кислот бис(индол-3-ил)малеинимиды (А) образуют плоские структуры полианнелированных малеинимидоиндолокарбазолов (Б), кислотная внутримолекулярная конденсация бис(индол-1-ил)малеинимидов (Е) или 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)малеинимидов (в) и их аналогов проходит с образованием неплоских гетероциклических систем (Р) и (Н), содержащих центральный семичленный цикл. В связи с расхождениями в направлении реакций циклизации различно сочленённых бис-индолилмалеинимидов представляло интерес выяснить методами квантовохимических расчётов совокупность факторов, определяющих направленность циклизации. Н Н Н Н

Целью настоящей работы было квантово-химическое изучение бис(индол-З-ил)-, 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)- и бис(индол-1-ил)-малеинимидов, их производных и аналогов их геометрического и электронного строения: а) Для выяснения факторов, определяющих направление их циклизации под действием протонных кислот; б) Для прогнозирования направления внутримолекулярной циклизации 3-индолил-4-гетероарилмалеинимидов под действием протонных кислот с образованием полианнелированных систем.

Более детальные представления о механизмах данных превращений, полученные в результате проведённого квантовохимического анализа важны для разработки методов синтеза* новых соединений-малеинимидоиндолкарбазолов (Б).или малеинимидоиндоло[1,4]диазепинов (- -азепинов) (Р) (Н),' и их аналогов,- отличающихся большим химическим разнообразием молекулярных фрагментов и рассматривающихся в качестве объектов для дальнейших биологических испытаний.

Научная новизна. Квантово-химические расчёты электронных и энергетических параметров бис(индол-З-ил)- и бис(индол-1-ил)малеинимидов, их производных и аналогов, а также интермедиатов и активированных комплексов в реакциях циклизации под действием • протонных кислот методом ББТ (функционала плотности) были проведены впервые. Впервые изучены факторы, определяющие направление циклизации 4-замещенных 3-индолштмалеинимидов (I) и показано, что путём изменения характера введенного заместителя в положение 4 возможно найти условия при которых образуются полианнелированные системы (К), содержащие центральный плоский шестичленный цикл - аналоги высоко активных малеинимидоиндолокарбазолов, что затем было подтверждено экспериментально.

Практическая ценность работы. Проведённые расчёты и последующее выяснение электронных, стерических и других факторов, определяющих направленность циклизации, стали основой для выработки представлений о деталях механизмов трансформации бис-индолилмалеинимидов под действием протонных кислот. Описанный подход дал возможности для рационального направленного синтеза полианнелированных систем на основе производных индолилмалеинимидов [10,11]. Среди, изученных соединений обнаружены высоко активные ингибиторы,эукариотических протеинкиназ (протеин киназы С, циклин-зависимых киназ CDK, PIM и других), а также бактериальных серин-треониновых протеин киназ, определяющих устойчивость бактерий к аминогликозидным антибиотикоам (например; канамицину) [8,9].

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: III международная конференция «Химия и биологическая активность гетероциклов», посвященная памяти проф. А.Н. Коста (Московская область г. Черноголовка, 2006 год); Международном симпозиуме ASOC (Украина, Крым, Судак 2006 год); IV Евразийской Конференции по гетероциклическим соединениям (Греция, Фессалоники 2006 год); IX научной школе-конференции по органической химии (Московская область, г.Звенигород, 2006 год); XVIII Менделеевском съезде (Москва, 2007 год); V Евразийской Конференции по гетероциклическим соединениям (Кувейт, 2008 год) .

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и тезисы четырёх докладов на научных конференциях, три из которых — с международным участием.

Структура и объём- работы. Диссертация изложена на 90 страницах печатного текста; содержит 24 рисунков, 14 схем, 3" таблиц*; состоит из введения, обзора литературы, результатов и их обсуждения, материалов и методов исследований, выводов и списка литературы, содержащего 70 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Проведены квантов'о-хймический анализ и изучение превращений под действием протонных кислот 3,4-бис(индол-3-ил)-, 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)-, 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимидов и структур, построенных на их основе, обладающих высокой биологической активностью - ингибиторов протеинкиназ, важных для регуляции опухолевого роста и преодоления лекарственной устойчивости. Для изучаемых соединений, интермедиатов их превращений и переходных состояний методом B3LYP/6-31G(d) рассчитаны геометрические (межатомные расстояния, валентные и диэдральные углы), электронные (энергии граничных орбиталей, заряды по Малликену и значения граничной электронной плотности на реакционных центрах), энергетические (полные энергии реагентов, продуктов, интермедиатов, переходных состояний).

2. Необходимыми условиями для протеканий реакций внутримолекулярной циклизации 3,4-бис(индол-3-ил)-, 3-(индол-1-ил)-4-(индол-3-ил)-, 3,4-бис(индол-1-ил)малеинимидов под действием протонных кислот является пропеллерная конформация индольных циклов в положениях 3 и 4 малеинимидного цикла в их протонированных формах и благоприятные значения электронной плотности на реакционных центрах (избыточный положительный заряд на - С2 протонированного индола и избыточный отрицательный заряд на нуклеофильном центре второго заместителя малеинимидного цикла).

3. Путём квантово-химических расчетов выявлены причины различной направленности внутримолекулярной циклизации бис-3,4-(индол-3-ил)малеинимидов (с образованием малеинимидоиндолокарбазолов) и бис-3,4I индол-1-ил)- и 3-(индол-1-ил)-4-индол-3-ил)малеинимидов (с образованием малеинимидоиндолоазепинов).

4. Проведённые расчеты позволяют прогнозировать направления внутримолекулярной циклизации З-индолил-4-гетероарилмалеинимидов под действием протонных кислот с образованием полианнелированных систем, содержащих центральный шестичленный или семичленный цикл. В случае 3-(индол-1-ил)-4-(пиррол-1-ил)малеинимида образование аннелированного 6Н-индоло[2',1,Г:3,4]пирроло[3',4':5,6]пиразино[1,2-а]индол-6,8(7Н)диона подтверждено затем экспериментально.

5. Исследован методом ВЗЬУР/6-ЗШ(с1) механизм гидридного переноса с последующей циклизацией сопряжённой кислоты 1-метил-3-(Ы-этиланилино)-4-(индол-1-ил)малеинимида и механизм циклизации 1-метил-3-(1Ч-этиланилино)-4-(индол-3-ил)- малеинимида, протекающий без гидридного переноса. Различия в направлении реакций определяются геометрической конфигурацией протонированных форм этиланилиноиндолилмалеинимидов.

6. Расчет методом B3LYP/6-31G(d) параметров реакций внутримолекулярной циклизации вицинально-замещённых аналогов 3,4-бис-(индол-1-ил)малеинимидов в которых- малеинимидный цикл заменен на 1,5-дигидро-пиррол-2-он, циклобут-3-ен-1,2-дион, фуран-2,5-дион, циклопент-4-ен-1,3-дион, сукцинимид позволил прогнозировать направления циклизации таких производных под действием протонных кислот.

Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе С.А.Лакатошу и А.Ю.Симонову (синтез производных, подготовку материалов для исследования и обсуждения); Ю.П.Зарубину (Самарский государственный университет) и Машкину М.Н. (Московский авиационный институт-технический университет) за предоставление программных продуктов и других полезных материалов; А.М.Королёву и А.Е.Щекотихину за помощь в подготовке текста диссертации, а также всем сотрудникам лаборатории химической трансформации антибиотиков НИИНА им.Гаузе.

1. Pindur U., Kim Y.-S., Meharbani Newton А.С. Proteni kinase С: structural and spacial regulation by phosphorilation co-factors and macromolecular interaction I I Chem.Rev. 2001.-Vol. 101-P.2353

2. Farago A.,Nishizuka Y. Protein kinase С in transmembrane signaling. И FEBS Lett. 1990.—Vol 268-P.350

3. Shtil A. A. Signal transduction pathways and transcriptional mechanisms as targets for prevention of emergence of multidrug resistance in human cancer cells (invited review) II Curr.Drug Targets. — 2001.— Vol.2—P.57

4. Goekjian P.G.,Jirousek M.R. Protein kinase С inhibitors as novel anticancer drugs. II Expert Opin.Investig.Drugs. — 2001,—Vol.10—P.2117

5. Goekjian P.G. and Jirousek M. R. Protein kinase С in the treatment of desease: signal transduction pathways, inhibitors, and agents in development II Curr. Med. Chem.-l999.-Vol.6 -P.877-903.

6. Bridges J.A. Chemical inhibitors of Protein Kinases II Chem Rev -2001 -Vol. 101 -P.2541

7. P. Cohen. Protein Kinases: the major drug targets of the twenty-first century И Perspective. Nat. Rev. Drug Discov.- 2002.- Vol.l-P.309-315.

8. S.A. Lakatosh, Y.N. Luzhikov, M.N. Preobrazhenskaya. Synthesis of 6H-pyrrolo3',4':2,3.[l,4]diazepino[6,7,l-hi]indole-8,10(7H,9H)-diones using 3- -bromo-4-(indol-l-yl)maleimide scaffold. //Org. Biomol. Chem—2003 — Vol.l~P.826-833

9. S.A.Lakatosh, Y.N.Luzikov, and M.N.Preobrazhenskaya. Diazepinesl,4. annelated with indoline and maleimide from 3-(di)alkylamino-4-(indol-l-yl)maleimides. mechanism of rearrangement and cyclization H Tetrahedron 2005 - Vol.61 .-№8-P.2017-2020

10. Кларк Т. Компьютерная химия. / Пер. с англ. — М.: Мир, 1990—383 с. См. также: См. также: Steven М. Bachrach. Computational Organic Chemistry. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. - 2007

11. Dewar M.J.S., Thiel W. Ground states of molecules. 38. The MNDO method. Applications and parameters II J. Am. Chem. Soc.-1977.—Vol. 99.- № 15— P. 4899-4907.

12. Dewar M.J.S., Thiel W. Ground states of molecules. 39. MNDO results ' for molecules containing hydrogen, carbon, nitrogen and oxigen II J. Am-. Chem. Soc-1977-Vol. 99-№ 15-P.4907-4917.

13. Dewar M.J.S., Zoebisch E.G., Healy E.F. et al. AMI: a new general purpose quantum mechanical molecular model // J. Am. Chem. Soc.-1985.—Vol'. 107-№ 15.— P.3902-3909.

14. Stewart J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods I. Method //J. Comput. Chem.-1989.-VoU0.-№ 2.-P.209-220.

15. Stewart J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods II. Applicatios II J. Comput. Chem:-1989.-Vol. 10.- № 2 -P.221-264.

16. Stewart J.J.P. Mopac: a semiempirical molecular orbital program 11 J. Comput-AidedMol. Des.-1990 -Vol.4.-№ l.-P. 1-105.

17. Stewart J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods III. Extensions ofPM3 to Be, Mg, Zn, Ga, Ge, As, Se, Cd, In, Sn, Sb, Те, Hg, Tl, Pb, and Bi 11 J. Comput. Chem.-1991.-Vol. 12 № 3.-P. 320-341.

18. Thiel W., Voityuk A.A. Extension of MNDO to d orbitals: parameters and results for the second-row elements and for zinc group II J. Phys. Chem.-1996.-Vol. 100.-№2.-P. 616-626.

19. Бучаченко A.JI., Вассерман A.M. Стабильные радикалы. Электронное строение, реакционная способность и применение— М.: Химия, 1973.-408 с.

20. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М Теория строения молекул. — М.: Высшая шк. 1979, 407 с.

21. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous Electron Gas II Physical Review. 1964. Vol.136.- № 3B.-P.864-871.

22. J.M.Seminario, P.Politzer -Theoretical and computational chemistry , volume 2, Modern Density Functional Theory: A Tool for Chemistry Department of Chemistry University of New Orleans, LA 70148,USA, ELSEVIER, 1995. John Wiley & Sons, Inc.-2001

23. Becke A.D. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior И Physical Review A.— 1988.— Vol. 38.— №6. — P.3098-3100

24. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density II Physical Review B. 1988.- Vol.37.- №2.- P.785-789

25. A.B Немухин Компьютерное моделирование в химии // Соросовский образовательный журнал.- 1998.-№6.-С.48-52

26. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Квантовая механика молекул и квантовая химии — М.: Изд-во МГУ, 1991. 384 С.

27. Б.Пюльман и А.Пюльман Квантовая биохимия/Пер с франц.— М.: Мир, 1965 С.614.

28. Н.М.Витковская Метод молекулярных орбиталей: основные идеи и важные следствия // Соросовский образовательный журнал.— 1996.— №6.—С.58-64.

29. Дж.Джоуль, Г.Смит Основы химии гетероциклических соединений / • пер. с англ. М.: Мир, 1975 - С.286-287.

30. Л.Г.Юдин, В.А.Будылин, А.И.Кост, В.И.Минкин Об ориентации при электрофильном замещении в бензольном кольце индолъного ядра // ДАН.— 1967- Т.176, №5.

31. Э. Стрейтвизер Теория молекулярных орбит для химиков-органикое/Пер. с англ.- М.: Мир, 1965.

32. Л.Г.Юдин, А.И.Павлюченко,1 В.А.Будылин, В.И.Минкин, А.Н.Кост Химия' индола, нитрование З-ацгшиндолов II Химия гетероциклических соединений 1971.-№11 - С. 1506-1511.

33. Л.И.Беленький, И.А.Абронин Соотношение активности и селективности в реакциях электрофилъного замещения пятичленных ароматических соединений IIЖОРХ.— 1981—T.XVII.—С.1129.

34. K.R.F.Somers, E.S.Kryachko, A.Ceulemans Theoretical study of indole: protonation. Indolyl-radical, tautomersof indole, and, its interection with water //Chemical Physics 2004.-Vol.3 01 -P.67-79.

35. Е.Е.Быков, С.Н.Лавренов, М.Н.Преображенская Квантово-химическое исследование зависимости рКа от рассчитанной энергии .отрыва протона для некоторых производных индола и фенола // Химия гетероциклических соединений.- 2006.— №6.-С.47-50.

36. T.Vehoff et al.: Atomistic force field and electronic properties of carbazole// Phys.stat.sol.(b).- 2008.-P.1-5.

37. Л.И.Беленький, . И.А.Суслов, Н.Д.Чувылкин Субстратная и позиционная селективность в реакциях электрофилъного замещения производных пиррола, фурана, тиофена и селенофена // Химия гетероциклических соединений.- 2003— №1.— С.38-51.

38. Stephen Bartlett et:al, Comparison of the ATP Binding Sites of Protein Kinases Using Conformationally Diverse Bisindolylmaleimides II J.A.C.S.-2005.-Vol. 127.-P.11699-11708.

39. The Official UCSF DOCK Web-site: http://dock.compbio.ucsf.edu/

40. В.И.Минкин, Б.Я. Симкин, Р.М.Миняев Квантовая химия органических соединений, механизмы реакций. — М.: Химия, 1986.— 133с.

41. Coombes R.G., Moodie R.B., Schofield -Electrophylic Aromatic Part I. The Nitration of Some Reactive Aromatic Compounds in Concentrated Sulfuric and Perchloric Acids. J.Chem.Soc.-1968.- Sec.B.-№7- P.800

42. Коптюг B.A. Современные проблемы химии карбониевых ионов. Под ред. В.А.Коптюга. Новосибирск: Наука, 1975.- С.5.

43. Farcasiu D. Protonation of Simple Aromatics in Superacids. A Reexamination. //Acc.Chem.Res.-1982.-Vol. 15 -№2.-P.46 *

44. Morrison D.J., Stanney K.,Tedder J.M.- The Reaction of CH4+, CH3+, and other Simple Carbocations with Benzene in the Gas Phase. // J.Chem. Soc. Perkin Trans. II 1981 - P.838- 967.

45. Леман Т., Бёрси M. Спектроскопия ион-циклотронного резонанса / Пер. с англ. Под ред. Ю.В.Филиппова. — М., Мир, 1980, 219 С.

46. Акулов Г.П. Ионно-молекулярные реакции, инициированные J3-распадом трития в тритированных соединениях. // Успехи химии.— 1976.— Т.45.-№11 -с.1970.

47. Hehre W.J.- In: Applications of Electronic Structure Theory. Ed. By H.Schaefer. New York, Plenum Press.-1977.-Vol.4 P.277.

48. Жидомиров Г.М., Богатурьянц A.A., Абронин И.А. Прикладная квантовая химия—М.: Химия, 1979.— 295С.

49. Кост А.Н., .Будылин < В.А. Электрофильные реакции гетероароматического ядра // ЖВХО.— 1977.-Т.22.—№3.—С.315-323.

50. Т.Джилкрист Химия гетероциклических соединений / Пер. с англ. Под ред. Д.х.н. Юровской М.А.- М.: Мир, 1996.-С.274.

51. Вацуро К.В., Мищенко Г.Л. Именные реакции в органической химии М.: Химия. -1976.-С.268-69.

52. В.А.Будылин, Л.Г.Юдин, А.Н.Кост Электрофилъное замещение в бензольном кольце индолъных' соединений. II Химия гетероциклических соединений 1980.- №9.- С. 1181 -1199.

53. D.E. Wood, L.F. Williams, R.F. Sprecher, W.A. Lathan. Electron paramagnetic resonance of free radicals in an adamantine matrix. IV/ The structure of the tert-butyl radical. // J. Am. Chem. Soc.-1972.-Vol.94-P.6241.

54. R.L. Hinman and C.P. Bauman. Preparation of 3,3-disubstituted oxindoles by addition of malonates to '3-halo-3-oxindoles // J. Org. Chem.— 1964.-Vol.29.-P.2437.

55. D.E. Wood, L.F. Williams, R.F. Sprecher, W.A. Lathan. "Electron paramagnetic resonance of free radicals in an adamantine matrix. IV/ The structure of the tert-butyl radical. // J. Am. Chem. Soc.-1972.-Vol. 94-P. 6241.

56. G.A.Olah. Mechanisms of Electrophilic Aromatic Substitution //Acc.Chem. Res 1971.-Vol.4-P.240.

57. Minkin V.I., Olekhnovich L.P., Zhdanov Yu.A. Molecular design of tautomeric compounds II Acc.Chem. Res.—1981.-Vol. 14.—№6.- P.210

58. K.Fukui, T.Yonezawa, C.Nagata e. a. Molecular Orbital Theory of • Orientation in Aromatic, Heteroaromatic, and Other Conjugated Molecules II J. Chem. Phys.-1954.-Vol. 22.-№8 -P. 1433-1442. '

59. Hyperchem release 7.01 Professional'for Windows,(C) // 1985-2007, Hypercube, Inc. All Rights Reserved http://www.hyper.com/.

60. J. A. Pople, M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel e.a. // Gaussian, Inc. Carnegie Office Park, Building 6, Pittsburgh, PA 15106 USA. Reference 80. http://www.gaussian.com/.

61. H. B. Schlegel, "Optimization of Equilibrium Geometries and Transition Structures, " II J. Сотр.- Chem.—1982—Vol. 3.—P.214.

62. B. A. Murtaugh and R. W. H. Sargent "Computational Experience with Quadratically Convergent .Minimization Methods," II Comput. J.—1970.— Vol.13.—P.185.

63. R. Fletcher and M. J. D. Powell, "A Rapidly Convergent Descent Method for Minimization, "II Comput. J.—1963 .-Vol 6.-P.163 .

64. C.Peng, P. Y. Ayala, H. B. Schlegel, and M.J. Frisch. Using redundant internal coordinates to optimize equilibrium geometries and transition states. II J. Comput. Chem.-1996.-Vol. 17.-№ 49.

65. Chemcraft Graphical program for visualization of quantum chemistry computations http://www.chemcraftprog.com/