Новые амины, амиды, тио- и карбоксоамиды на основе (-)-цитизина. Синтез и свойства тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

КОВАЛЬСКАЯ АЛЕНА ВИТАЛЬЕВНА

НОВЫЕ АМИНЫ, АМИДЫ, ТИО- И КАРБОКСОАМИДЫ НА ОСНОВЕ Н-ЦИТИЗИНА. СИНТЕЗ И СВОЙСТВА

02.00.03 - Органическая химия

21 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Уфа-2013

005538462

005538462

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель: Цыпышева Инна Петровна

кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Официальные оппоненты: Кулаков Иван Вячеславович

доктор химических наук, профессор кафедры органической химии химического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского»

Селезнева Наталия Казимировна

кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории низкомолекулярных биорегуляторов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. H.H. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится 6 декабря 2013 г. в 14 — часов на заседании диссертационного совета Д 002.004.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук по адресу: 450054, Башкортостан, г. Уфа, просп. Октября, 71, зал заседаний. Тел./факс: +7(347) 2356066. E-mail: chemorg@anrb.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уфимского научного центра РАН.

Автореферат разослан 6 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук, профессор ^ -f Валеев Ф. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Хинолизидиновый алкалоид (—)-цитизин обладает высокой нейрофарма-кологической активностью, что, в первую очередь, обусловлено его высоким сродством к а4р2 и а 7 подтипам никотинового ацетилхолинового рецептора.

В последние два десятилетия (—)-цитизин стал популярной исходной матрицей для синтеза веществ с потенциальными нейротропными свойствами. Результаты in vitro и in vivo исследований показали, что наиболее перспективными являются производные, замещенные по 2-пиридоновому ядру -галоид-, алкил- и арилпроизводные. Более того, на основании анализа взаимосвязи «структура-активность» установлено, что свойства полученных соединений сильно зависят от положения заместителя в молекуле. Эти последние данные стимулировали рост числа синтетических работ, направленных на функционализацию 2-пиридонового ядра этого алкалоида: определенные успехи в разработке средств нейрофармакологического профиля на основе (—)-цитизина достигнуты отдельными исследовательскими группами и крупными фармацевтическими корпорациями такими, как Pfizer Поскольку сведения о производных (—)-цитизина с азотсодержащими заместителями в 2-пиридоновом ядре ограничены, и фармакологические свойства их детально не изучались, то синтез новых производных (-)-цитизина с амино-, амидо-, тио- и карбоксоамидными группами в 2-пиридоновом ядре и последующий этап биоскрининга с целью выявления перспективных нейрофармакологиче-ских агентов представляют собой актуальное направление исследований.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с планом работ фундаментальных исследований ИОХ УНЦ РАН по теме «Выделение, структурные исследования, трансформации, синтез и биологическая активность природных соединений» на 2011-2013 годы (№ государственной регистрации 01201152194), а также при финансовой поддержке президиума РАН (программа № 5 «Фундаментальные науки - медицине»), ОХНМ РАН (программа № 9 «Медицинская химия: молекулярный дизайн физиологически активных соединений и лекарственных препаратов»), РФФИ (грант № № 12-03-00724-а «Синтетические аспекты функционализации 2-пиридонового ядра (-)-цитизина»).

Целью работы является синтез сфокусированных библиотек новых производных хинолизидинового алкалоида (-)-цитизина с амино-, амидо-, карбоксоамидо- и тиокарбоксоамидными группами различной топологии, что предполагает решение следующих задач:

разработку региоселективных способов введения азотсодержащих заместителей в 3 и 5 положение молекулы (—)-цитизина, проведение химических трансформаций введенных функциональных групп;

осуществление скелетных трансформаций (-)-цитизина путем реакций [4+2]-

циклоприсоедиения к его 2-пиридоновому ядру;

изучение биологической активности полученных соединений.

Научная новизна и практическая значимость

Предложены эффективные подходы к синтезу 3-амино- и 5-амино-12-/У-метилцитизина, основанные на реакциях нитрования и окислительного галогенирования 2-пиридонового ядра 12-А'-метилцитизина, с последующими нуклеофильным замещением галоида, восстановительным дегалоидированием и каталитическим гидрированием; получены новые производные, содержащие амино-, амидо-, тио- и карбоксоамидные группы в 3, 5 и 12 положениях молекулы (—)-цитизина.

На основе исходного цитичин-12-Л/-карбоксоамида и а,Р-ненасыщенных карбонильных субстратов и Р-нитростирола в условиях интенсификации реакции аза-Михаэля действием сверхвысоких давлений (СВД) синтезированы новые несимметричные «цитизинзамещенные» мочевины с кето-, нитро- и сложноэфирными группами.

Впервые осуществлена реакция Дильса-Альдера 12-Л^-замещенных производных (-)-цитизина, а также алкалоидов (-)-леонтидина и (-)-" термопсина с Л'-фепилмалеинимидом, показано влияние условий реакции на стереохимический результат [4+2]-циклоприсоединения: в термических условиях преимущественно образуются продукты а-эндо присоединения, a условиях СВД - аддукты с р-эндо расположением íV-фемилсукцинимидного фрагмента.

Среди синтезированных производных выявлены образцы с высокой ноотропной, антигипоксической и противовирусной активностью

Апробация работы

Материалы диссертационной работы представлены на VIII Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2011), XV Молодежной школе-конференции по органической химии (Уфа, 2012), IV Съезде фармакологов России «Инновации в современной фармакологии» (Казань, 2012), III Международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2012), VII Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием по химии и наноматериалам «Менделеев - 2013» (С.-Петербург, 2013) и на Кластере конференций по органической химии «ОргХим-2013» (С.-Петербург, 2013).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 6 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК, и тезисы 14 докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора на тему «Функционализация 2-пиридонового ядра (-)-цитизина», обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 146 страницах, включает 20 рисунков, 23 схемы и 8 таблиц. Список цитируемой литературы включает 139 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 Введение аминогрупп в 2-пиридоновое ядро 12-7У-метшщитизина 1.1 Синтез 3-амино-12-Лг-метилцитизина

Реакция электрофильного нитрования является известным методом прямого введения азотсодержащих заместителей в ароматические системы. Несмотря на то, что в литературе представлены примеры нитрования производных (—)-цитизина 1 нитрующей смесью, этот подход не получил широкого распространения, возможно, из-за побочных процессов, обусловленных присутствием в реакционной среде концентрированной азотной кислоты.

Применение для нитрования 12-Л/-метилцитизина 2 другой известной нитрующей системы - нитрата натрия в концентрированной серной кислоте позволило получить соответствующие производные За и ЗЬ с общим выходом 70% в соотношении 6:1 (схема 1). Путем повторного нитрования За в тех же условиях удалось получить 3,5-динитро-12-УУ-метилцитизин 5 с выходом 67%. Синтетический переход от нитропроизводного За к амину 4 был осуществлен тремя способами - действием 8пС12 в метаноле с выходом 43%, системой А1-№С12'6Н20 в ТГФ с выходом 20% и гидрированием над палладие-вым катализатором (Рс1/С) в этилацетате с выходом 98%. Несмотря на то, что последний вариант гидрирования За является наиболее эффективным, восстановить динитропродукт 5 до соответствующего 3,5-диаминопроизводного этим методом не удалось; с выходом 10% получен 3-амино-5-нитро-12-7У-метилцитизин 6.

Реагенты и условия: а) Н2304 («,«„.), 2 экв. ИаІМОз, 20 °С; Ь) 8пСІ2, МеОН, Д; с) А1/№С12 6Н20, ТГФ, 20 °С; сі) Н2, РсіУС, АсОЕі или МеОН, 20 °С.

Схема 1

Таким образом, с помощью синтетической последовательности «нитрование - каталитическое гидрирование» решена задача введения аминогруппы в 3 положение 2-пиридоновой части молекулы 12-Л^-метилцитизина 2: выход 3-амина 4 составил 59% на две стадии.

1.2 Синтез 5-амино-12-Л'-метилцитнзина

Низкий выход 5-нитро-12-Л'-метилцитизина ЗЬ на стадии прямого нитрования не позволил получить достаточные количества соответствующего амина, что стимулировало нас на разработку альтернативных подходов к введению азотсодержащих заместителей в 5 положение молекулы 2.

Нуклеофильное замещение ароматического галогена на амино- или ази-догруппу с. восстановлением последней являются надежными способами получения ароматических аминов при условии доступности топологического предшественника (в нашем случае 5-галоид-12-//-метилцитизина).

С этой целью нами изучена возможность региоселективного синтеза 5-гапоидроизводных с помощью окислительного галогенирования,- которое до настоящего времени для функционализации 2-пиридонового ядра \2-N-метилцитизина 2 не применялось. В качестве донора аниона галогена использованы соответствующие соли калия (КС I, КВг и К1) или НС1, окисляющего агента - 30% перекись водорода, в качестве растворителей - 50% серная кислота или 98% уксусная кислота (схема 2). ,

7-9

На1 = С1 На1 = Вг На1 = I

Я'= С1,112 = Н (7а) Я1 = Вг,Я2 = Н (8а) я'= | И^н (9а) Н, Я2 = С1(7Ь) Я1 = Н. Я2=ВГ(8Ь) К1 = Н, И2 -I (9Ь)

С1, Я2 = С1(7с) Я' = Вг, Я2 = Вг(8с) я' - 1. (9с)

Реагенты и условия: а) На1, Н202, Н*, 20 °С.

Схема 2

Условия проведения, соотношение продуктов реакции и выходы полученных соединений представлены в таблице 1.

Как оказалось, лучшим растворителем для окислительного галогенирования 12-Лг-метилцитизина 2 при комнатной температуре является 50%-ная серная кислота: выход 5-хлорпроизводного 7Ь составил 43%, выход 3,5-дибромпроизводного 8с - 95%; применение избытка реагента увеличивало как общий выход продуктов реакции, так и долю продуктов дигалогенирова-ния. Замена серной кислоты на уксусную привела к изменению соотношения продуктов бромирования - бромиды 8а и 8Ь получены с выходами 22 и 47% соответственно, выход дибромпроизводного 8с составил 8%; хлорирование и йодирование в уксусной кислоте к успеху не привели.

Изменение температурного режима также влияло на эффективность процесса - понижение температуры реакции хлорирования до 0 °С позволило получить 5-хлорпроизводное 7Ь с выходом 49%, а повышение температуры

б

до 70 "С в случае йодирования привело к образованию 3-йодпроизводного 9а с выходом 10%.

Таблица 1 - Соотношение продуктов галогенирования 12-Л,-метилцитизина и условия проведения реакций"

№ опыта

Реагент, экв.

Растворитель Соотношение продуктов реакцииь, %

7а 7Ь 7с

1 2КС1/ЗН202 Н2Б04 (50%) - 43 6

2е 2КС1/ЗН262 Н25 04 (50%) - 49 12

3 4КС1/6Н202 Н2504 (50%) - 21 48

4 2КС1/ЗН202 АсОН (98%) - - .

5" 5Н202 НС1 (37%) - - 17

6 15Н202 НС1 (37%) - - 70

8а 8Ь 8с

7 2КВГ/ЗН202 Н2804 (50%) - - 95

8 2КВг/3 Н202 . АсОН (98%) 22 47 8

9а 9Ь 9с

9Л 2К1/ЗН202 Н2§04 (50%) 1 - 3

2К1/ЗН202 Н2Б04 (50%) 10 2 2

11 2К1/ЗН202 АсОН (98%) - - -

а)20оС, 12 часов.

ь> По данным ЯМР спектроскопии 'Н. с,0°С.

Неполная конверсия 2. с) 70 "С

Таким образом, установлено, что окислительное галогенирование 12-Л'-метилцитизина 2 не применимо для йодирования 2-пиридонового ядра, с умеренным успехом может быть использовано для синтеза 5-хлор-12-./У-метилцитйзина 7Ь и дихлорпроизводного 7с, а оптимальным этот метод является только для синтеза 3,5-дибром-12-ЛЛмстилцитизипа 8с.

Дополнительно с помощью кинетических исследований была оценена возможность региоселективного бромирования П-М-метилцитизина 2 в условиях его неполной конверсии.

Реакцию проводили в условиях опыта 7 (таблица 1) при 0 °С, соотношение продуктов реакции и исходного 12-Д,-метилцитизина 2 определяли методом ВЭЖХ.

Кинетика расходования 2 и накопления продуктов бромирования 8а-с представлена на рисунке 1.

I, с

Рисунок 1 - Кинетические кривые расходования 2 и накопления продуктов бромирования 8а-с (2 экв. КВг, 3 экв. Н202, 50 % серная кислота, 0 °С). • -12-А^-метилцитизин 2, 0 - 5-бром-12-Л^-метилцитизин 8Ь, ★ - З-бром-12-Л^-метилцитизин 8а, о - 3,5-дибром-12-//-метилцитизин 8с

Согласно полученным данным, максимальное содержание 5-бром-12-Л'-метилцитизина 8Ь в реакционной смеси наблюдается лишь в первые 10 минут, при этом конверсия исходного 12-ДГ-метилцитизина 2 уже составляет 70%, а содержание продуктов 8а и 8с - 15 и 16% соответственно, что подтверждает проблематичность региоселективного бромирования \2-N-метилцитизина 2 этим способом.

Поэтому в качестве исходного соединения для синтеза 5-амино-12-Л'-метилцитизина нами был выбран 3,5-дибром-12-ЛГ-метилцитизин 8с, в котором существует возможность дифференциации атомов брома по реакционной способности (схема 3).

Прямая замена брома на аминогруппу в дибромиде 8с действием амида калия в жидком аммиаке не привела к желаемым продуктам реакции.

В результате взаимодействия с азидом натрия в присутствии йодида меди (I) и ¿-пролина в качестве лиганда получен продукт 10 с выходом. 58%. Необходимо отметить, что в условиях реакции вводимая азидогруппа претерпела восстановление до аминной. Ее положение было доказано путем восстановительного дебромирования 10 действием 2п(0) в соляной кислоте, в результате которого с выходом 54% был получен амин, идентичный по своим физико-химическим характеристикам 3-аминопроизводному 4.

Другой вариант решения поставленной задачи базировался на селективном дебромировании на первой стадии. Так, обработка 8с цинковой пылью в соляной кислоте позволила получить 3-бромпроизводное 8а с выходом 85%.

Необходимо отметить, что это первый пример введения атома брома в 3 положение метилцитизина с выходом 73% на две стадии.

Далее нитрование 8а нитратом натрия в серной кислоте привело к 3-бром-5-нитро-12-Д^-метилцитизину 11с выходом 75% (схема 3). Выбор последующих трансформаций очевиден - это восстановление нитрогруппы и дебромирование, приводящие к желаемому 5-амино-12-Лг-метилцитизину.

Dr

Реагенты и условия: а) КВг, Н202, 50% H2S04> 20 °С; b) KNH2) NH3, -40 °С; с) NaN3> Cul, ¿-пролин, ЕЮН:Н20, 80 °С; d) Zn/HC!, EtOH, 20 °C; e) NaN03, H2S04(ko„«.)> 20 °C; f) H2, Pd/C, 20 °C.

Схема 3

Как оказалось, оба превращения протекают one pot в процессе каталитического восстановления нитрогруппы водородом над палладиевым катализатором, приводя с выходом 40% к целевому амину 12, что составило 25% на четыре стадии.

Таким образом, предложен вариант региоселективного синтеза 5-амино-12-Д^-метилцитизина 12 четырехстадийной последовательностью реакций бромирования, дебромирования, нитрования и каталитического восстановления.

1.3 Синтез аналогов 12-Л'-Р-Г11дроксиэтилцитизи11а

Предложенные способы функционализации 2-пиридонового ядра 12-N-метилцитизина 2 - нитрование и галогенирование в серной кислоте, позволяют провести эти реакции непосредственно с самим (—)-цитизином 1, без защиты его вторичной аминогруппы, тем самым, делая возможными дальнейшие химические трансформации по 12 положению молекулы.

Примером успешной реализации данного подхода может служить синтез аналогов 12-,У-Р-сидроксиэтилцитизина 13 (рис. 2), проявляющего антиаритмическую активность, сравнимую на аконитиновой модели аритмии с активностью препарата аллапинин *.

Рисунок 2 - 12-АГ-Р-гидроксиэтилцитизин, проявляющий антиаритмическую

активность

Так, нитрование 1 нитратом натрия в концентрированной серной кислоте привело к 3-нитропроизводному 14 с выходом 60%, а окислительное хлорирование и бромирование привели к производным 15-18 с выходами от 30 до 50% (схема 4).

он

4 □

R'=N02.R2 = H (14,19) R'1 = Br, R2 = Н (15, 20) R1. = R2 = Br (16, 21) R' = H, R2 = CI (17, 22) R1 =R2 = C1 (IS, 23)

Реагенты и условия: а) ЫаЖ)3, Н2804 (конц,, 20 °С или КНаї, 50% Н2504, 30% Н202, 20 °С; Ь) С1СН2СН2ОН, К2С03, ацетон, 56 °С.

Схема 4

Соединения 14-18 далее были проалкилированы 2-хлорэтанолом в кипящем ацетоне в присутствии К2С03, что позволило получить целевые 12-М-Р-гидроксиэтилпроизводные 19-23 с количественными выходами.

2 Синтез аминов, амидов, тио- и карбоксоамидов на основе

(-)-цитизина, 3- и 5-амино-12-7У-метилцитизина 2.1 Синтез амидов и вторичных аминов

Синтез М-(метилцитизин-3-ил)амидов до настоящего времени не был описан. Возможность легкого ацилирования амина 4 действием бензоил- и ацетилхлорида по классическим методикам представлена на схеме 5.

Ярмухамедов Н. Н , Карачурипа Л. Т., Хисамутдинова Р. Ю, Зарудий Ф. С, Байбулатова Н. 3., Джахангиров Ф Н., Докичев В А , Томилов Ю В . Юнусов М. С., Нефедов О. М Патент РФ № 2228179

10

он

(32) (») (34) (35) (36) (37) (38)

Реагенты и условия: а) АсС1 или BzCl, Ру, О °С; b) RCHO, бензол, 80 °С, NaBH4, МеОН, 0 °С.

Схема 5

Строение соединения 24 дополнительно подтверждено методом РСА, выполненного в Институте элементоорганической химии РАН им. H.A. Несмеянова (г. Москва). Общий вид молекулы соединения 24 представлен на рис. 3.

Рисунок 3 - Общий вид соединения 24 в представлении атомов эллипсоидами атомных смещений с 50% вероятностью

Вторичные амины 26-38 получены восстановительным алкилированием амина 4 замещенными бензальдегидами, коричным альдегидом, а также ге-тероароматическими альдегидами - пиридин-3-бензальдегидом, фурфуролом, тиофен-, имидазол- и тиазолкарбальдегидом в условиях, представленных на схеме 5. Выход соединений 26-38 составил от 50 до 97%.

2.2 Синтез тио-и карбоксоамидов

Синтез библиотеки производных (-)-цитизина с тио- и карбоксоамид-ными фрагментами в 3, 5 и 12 положениях исходной молекулы представлен на схеме 6.

В случае (-)-цитизина 1 использовали два метода синтеза - переамиди-рование самой мочевины (тиомочевины) и изоцианатный (изотиоцианатный) методы. Так, кипячением (-)-цитизина 1с мочевиной в толуоле с выходом 92% получен 12-/У-карбоксоамид 44, а кипячением с тиомочевинбй в'амиловом спирте - тиоаналог 48 с выходом 98%.

! 1

Синтез производных с аллильным, фенильным и адамантильным фрагментами 45-47 и 49-51 осуществлен изотио- и изоцианатным методами с количественными выходами, аналогично получены и бимолекулярные продукты 54-56.

Производные мегилцитизина с карбоксоамидными фрагментами в 3 или 5 положении пиридонового ядра 39-43 получены изоцианатным методом с количественными выходами (схема 6).

На примере аллилмочевины 46 показана возможность трансформации аллильного фрагмента в p-гидроксиэтильный. Переход осуществлен путем озонолитического расщепления терминальной двойной связи с in situ восстановлением образующегося озонида действием боргидрида натрия. Соответствующий продукт 53 получен с выходом 60%.

о

©

X = О. R = All (39) X = О. Я = Ph (40) X = S, R = All (41)

а или Ь

X - О, R = Н (44) X = О. R = Ph (45) X = О. R = All (46) X = О. R = Ad (47) X = S, R = Н (48) X = S, R = Ph (49) X = S, R - All (50) X = S, R = Ad (51) X = S. R - (CO)Ph (52)

OH

Реагенты и условия: а) ЮМСО(8), 20 °С, бензол; Ь) (ЫН2)2СО, 110 °С, толуол для 44 и (>Ш2)2С8, 137 °С, пентанол для 48; с) ОЫСЯСМО, 20 °С, бензол (80 °С для 54); сі) 03, МеОН, -78 °С, затем ЫаВН4.

Схема 6

Таким образом, на основе (—)-цитизина 1 и аминов 4 и 12 с помощью простых и удобных с препаративной точки зрения методов получена библиотека производных с замещенными тио- и карбоксоамидными фрагментами в 3, 5 и 12 положениях молекулы.

Как известно, мочевины являются «слабыми» нуклеофилами и практически не вступают в реакцию аза-Михаэля. Тем не менее, интенсификация данного процесса возможна, примером может служить применение сверхвысоких давлений (СВД), позволяющих в некоторых случаях получить соединения недоступные обычными способами.

Для расширения круга 12-Л'-замещенных производных (—)-цитизина кар-боксоамид 44 был вовлечен в реакцию аза-Михаэля с с циклогексеноном, диметиловым эфиром ацетилендикарбоновой кислоты, метилвинилкетоном и Р-нитростиролом в ацетонитриле в условиях СВД (схема 7). Выходы продуктов [,4-присоединения 57-60 составили от 20 до 81%.

ССХМе

О о

Реагенты и условия: а) р-ТяОН, СН3СЫ, 60 °С, 0.6 вРа.

Схема 7

(57) (5Яа,Ь)

_ Р1, (59аА)

Необходимо отметить, что в указанных условиях в реакцию не вступили бензохинон, коричный альдегид и метилакрилат, а взаимодействие 44 с Дг-фенилмалеинимидом (ЫРМ) протекало по иному пути - основным продуктом реакции стал продукт [4+2]-циклоприсоединения 61 .

К сожалению, реакции карбоксоамида 44 с циклогексеноном и р-нитростиролом протекали неселективно, во всех случаях получены пары диастереомеров 58а,Ь и 59а,Ь в соотношении близком к 1:1. Хотя индивидуальные диастереомеры 58а, 58Ь, 59а и 59Ь были разделены методом ВЭЖХ, и для каждого из них были зарегистрированы спектры ЯМР 'н и С, установить абсолютную конфигурацию новых асимметрических центров у С-16 не удалось в силу близости их спектральных параметров.

Таким образом, представлен первый пример вовлечения цитизин-12-карбоксоамида 44 в реакцию аза-Михаэля в условиях СВД. Взаимодействием с а,Р-ненасыщенными кетонами, Р-нитростиролом и диметиловым эфиром ацетилендикарбоновой кислоты получены несимметричные «цитизинсодер-жащие» мочевины с кето-, нитро- и сложноэфирными группами.

Стереохимия соединения 61 будет обсуждена в разделе 3.

13

3 Реакция Дильса-Альдера П-УУ-замещенных производных (—)-цитизнна

Хинолизидиновые алкалоиды 12-А'-мстилцитизин 2, (-)-леонтидин 62 и (-)-термопсин 63 (рис. 4) несут в своей структуре 2-пиридоновый фрагмент и по аналогии с 2-пиридонами могут вступать в реакцию Дильса-Альдера.

о о

Рисунок 4 - 1 г-А^-Метилцитизин 2, (-)-леонтидин 62, (-)-термопсин 63

Действительно, в термических условиях реакции Дильса-Альдера алкалоиды 2, 62 и 63 гладко реагировали с А^-фенилмалеинимидом, соответствующие аддукты 64а,Ь-66а,Ь получены с выходами 87, 72 и 81% в соотношении близком к 2:1 (схема 8).

п = 1 (62,65а,Ь) п = 2 (63,66а,Ь)

65л,66а

Реагенты и условия: а) 5 экв. ЫРМ, толуол, 110 °С.

Схема 8

, Доказательство строения и абсолютной конфигурации новых асимметрических центров полученных аддуктов выполнено на примере диастерео-мерной пары 64а,Ь.

Как известно, в реакции [4+2]-циклоприсоединения теоретически возможно образование 4 диастереомеров: в результате атаки диенофила с а-и/или Р-стороны 2-пиридонового ядра с эндо-Ькзо- ориентацией Ы-фенилсукцинимидного фрагмента (рис. 5).

Рисунок 5 - Возможные направления атаки 2-пиридонового ядра \2-N-метилцитизина, стереохимия образующихся адцуктов

На первом этапе была установлена ориентация уУ-фенилсукцинимидного фрагмента в аддуктах 64а и 64Ь. Так, константа 3./4_3а одинакова для 64а и 64Ь и составляет ~ 3.2 Гц, что соответствует синперипланарному расположению протонов Н-4 и Н-За, указывает на э/оо-орнентацию Н-За и, следовательно, на энЭо-расположение //-фенилсукцинимидного фрагмента в аддуктах 64а и 64Ь.

Данные ЯМР-экспериментов в режиме ЫОЕБУ (рис. 6) и наличие ЫОЕ эффекта между протонами Н-12Ь и Нзндо-И"и Н-13 и Нсин-15 на примере ад-дукта 64Ь также подтвердили э«<)о-ориентацию /У-фенилсукцинимидного фрагмента.

Далее, для идентификации мажорного аддукта в диастереомерной паре 64а и 64Ь, были проведены (^С-расчеты* их термодинамических параметров в газовой фазе и в толуоле: образование продукта а-атаки 64а с эндо-Ы-фенилсукцинимидным фрагментом оказалось термодинамически более выгодным (на 3.2 ккал/моль).

' Са^іаті 03, ВЗЬУР/й-ЗІ 1+С(М, р)

Дополнительным подтверждением термодинамического контроля образования соединения 64а стали результаты эксперимента по вовлечению индивидуальных аддуктов 64а и 64Ь в ретро реакцию Дильса-Альдера. Динамика образования П-ТУ-метилцитизина из 64а и 64Ь (толуол-Эз, ПО °С) представлена на рис. 7 и 8.

т-—"1-1-' I ........1- I ' .......... | | |--т--1-- |

6.а 6.7 6.6 6.5 6.4 6.3 І1 6.1 6.0 5.1 5 В 5.7 5.6 5.5 ррш

Рисунок 7 - Ретро реакция Дильса-Альдера 64а (толуол-Б8> 110 °С). Спектр Н 64а (А); образование 12-Л^-метилцитизина через 2 ч (В) и через 4ч (С)

66 6 7 6.6 6.5 6.4 6.3 6.2 6 1 6.0 5.9 5.8 5.7 5.6 в.5 ррщ

Рисунок 8 - Ретро реакция Дильса-Альдера 64Ь (толуол-08, 110 °С). Спектр Н 64Ь (А); образование 12-Дг-метилцитизина через 2 ч (В) и через 4ч (С)

Рентгеноструктурный анализ мажорного аддукта 64а (рис. 9) окончательно подтвердил "а-эндо" стереохимию 64а с За£, 4/?, 12аЛ, 12Ь5 конфигурацией новых асимметрических центров.

Рисунок 9 - Общий вид соединения 64а в представлении атомов эллипсоидами атомных смещений с 50% вероятностью

Близкий характер спектров ЯМР 'н и 13С аддуктов 64а, 65а, 66а и 64Ь, 65Ь, 66Ь позволил использовать установленные спектроскопические критерии для определения конфигурации их новых асимметрических центров по аналогии с диастереомерной парой 64а,Ь.

Попытки вовлечения в данное взаимодействие таких диенофилов, как малеиновый ангидрид (МА) 1,4-бензохинон, тетрацианэтилен (ТСЕ) и мети-лакрилат не увенчались успехом. В отличие от реакции 12-Аг-метилцитизина 2 с ЫРМ, 1,4-бензохинон в данное взаимодействие не вступал, а в случае МА, ТСЕ н метилакрилата наблюдалось сильное осмоление реакционной массы.

Для объяснения такого необычного химического поведения указанных диенофилов были выполнены (^С-расчеты* термодинамических параметров для каждой из перечисленных реакций.

Согласно расчетным данным, взаимодействия перечисленных пар реагентов характеризуются достаточно высокими энергетическими барьерами прямой реакции Дильса-Альдера: от 95 до 157 кДж/моль.

Анализ значений энергий активаций ретро реакций Дильса-Альдера показал, что во всех случаях, кроме взаимодействия с ЫРМ (107 кДж/моль -прямая и 106 кДж/моль - обратная реакция) энергетический барьер обратных реакций существенно ниже и находится в интервале значений от 23 до 93 кДж/моль. Этим, по-видимому, и объясняются наблюдаемые в случае с 1,4-бензохиноном, МА, ТСЕ и метилакрилатом результаты, что согласуется с доказанным термодинамическим контролем реакции Дильса-Альдера \2-N-метилцитизина 2 с ЫРМ.

Так как реакции [4+2]-циклоприсоединения ЫРМ к П-УУ-метилцитизину 2, (—)-леонтидину 62 и (—)-термопсину 63 в термическом режиме протекали

'Са^ап 03, ВЛ.УР/6-ЗП+С(2<і, р)

достаточно легко, а также известно о благоприятном влиянии СВД на общий выход продуктов и диастереоселективность реакций циклоприсоединения, то в реакцию Дильса-Альдера с ОТМ в условиях, представленных на схеме 9, были вовлечены 12-/У-аллилцитизин 67, 12-А'-бензилцитизин 68, и карбок-соамиды 44-46.

Я = Мс (2) К = АН (67) К = Вп (68) И = (СО)Ш2 (4-І) К = (СО)№РЬ (45) И = іСОДОНАІІ (4в)

о 61,64Ь, 691)-721|

I! = Мс (64а,1>) К = ЛП (69а.1>) и - Вп (703» К = (СО)МН2(61) Я = (СО)МіРЬ аіа,Ь) И = (СО)М[Л11 (72ід>)

Реагенты и условия: а) ЫРМ, толуол, 110 °С; Ь) NPM, СН2С12 (СН3СК для 61а), 80 °С (60 °С для 64), 0.6 вРа.

Схема 9

В условиях СВД температура проведения реакции Дильса-Альдера 12-М-метилцитизина 2 с КРМ была снижена до 60 °С из-за наблюдаемого при 80 °С осмоления реакционной массы, а реакцию карбоксоамида 44 с ЫРМ проводили в ацетонитриле из-за плохой растворимости 44 в СН2С1г.

Как и в случае с 12-Л^-метилцитизином 2, продуктами реакции производных 67, 68, 45, 46 с ИРМ были пары диастереомеров с а-эндо- и Р-эндо-расположением Аг-фенилсукцинимидного фрагмента - 69а-72а и 69Ь-72Ь.

Взаимодействие ИРМ с карбоксоамидом 44 протекало иначе - аддукт Дильса-Альдера 61 образовался только в условиях сверхвысоких давлений, а в термических условиях с выходом 38 % получено соединение 73, образование которого объясняется присоединением исходного (-)-цитизина 1 к ЫРМ по Михаэлю.

При анализе спектров ЯМР синтезированных соединений установлено, что давление оказывает решающее влияние на стереохимический результат [4+2]-циклоприсоединения: соотношение диастреомеров а:Ь в термическом варианте составляло «1.5:1, условиях СВД — —1:4, а для 44, реакция шла диа-стереоспецифично.

Для каждого из новых аддуктов 61, 69а-72а выполнено полное отнесение данных спектроскопии ЯМР 'Н и ПС на основании критериев, установленных ранее для диастереомерной пары 64а,Ь: соединения 69а-72а отнесе-

ны к За5, 4R, 12аЛ, 12Ь5ряду, а 69Ь-72Ь и 61 к ЗаЛ, 45, 12а5, 1 2ЪЯ ряду, соответственно.

Выходы продуктов реакции и соотношение дистереомеров представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Общий выход и соотношение диастереомеров в реакции Дильса-Альдера 12-А'-замещенных производных (-)-цитизина с ИРМ

№ Соединение a:b Общий выход, % а:Ь Общий выход, %

1е 64а, b 2:1 87 1:5 80

2 69а, b 1.5:1 ' 85 1:3 89

3 70а,b 1.5:1 97 1:5.6 85

4" 61 69

5 71а,b 1.4:1 90 1:3 90

6 72а,b 1.4:1 98 1:5.5 90

NPM, толуол, ПО °С. Ь) NPM, СН2С1:, 80 °С, 0.6 GPa. C)NPM, СН2С12, 60 °С, 0.6 GPa. d) NPM, CHjCN, 80 °С, 0.6 GPa.

Таким образом, представлен первый пример вовлечения хинолизидино-вых алкалоидов 12-./У-метилцитизина 2, (—)-леонтидина 62, (—)-термопсина 64, а также некоторых 12-Л'-замещенных производных (—)-цитизина 44-46 в реакцию Дильса-Альдера с jV-фенилмалеинимидом, установлены строение и абсолютная конфигурация новых асимметрических центров полученных ад-дуктов. Найдены условия эффективной стереодифференциации: термические условия, приводящие к преимущественному образованию аддуктов с За5, 4R, 12аR, 12Ь5 конфигурацией новых асимметрических центров, и условия СВД -дающие аддукты с За R, 45, 12а5, 12b R конфигурацией.

4 Биологическая активность синтезированных соединений

Скрининг биологической активности синтезированных соединений проведен в трех направлениях: изучение их антиаритмических, нейрофармаколо-гических и противовирусных свойств.

In vivo эксперименты , позволяющие оценить нейрофармакологиче-скую и антиаритмическую активности полученных соединений, были выполнены сотрудниками группы фармакологии ИОХ УНЦ РАН. In vitro скрининг нейрофармакологической активности проведен в лаборатории молекулярной фармакологии Института биохимии и генетики УНЦ РАН (г. Уфа). Оценка

В соответствии с заключением локального этического комитета ИОХ УНЦ РАН от 1 1.06.201 3

противовирусных свойств проведена в НИИ гриппа МЗСР РФ (г. С.-ГІетербург).

4.1 Антиаритмнческая активность соединений 19-23

Водорастворимые формы соединений 19-23 готовили путем насыщения их 10% растворов в диэтиловом эфире газообразным HCl, после чего выпавший осадок отфильтровывали, высушивали и использовали в эксперименте. Скрининг антиаритмических свойств гидрохлоридов образцов 19-23 проводили in vivo на аконитиновой модели аритмии

В результате проведенного эксперимента установлено, что только соединение 21 (доза 0.1 мг/кг, препарат сравнения - аллапинин) (рис. 10) сокращает продолжительность приступа аритмии на 74 минуты в сравнении с контролем, то есть обладает частичным антиаритмическим действием.

ОН

Рисунок 10 - Гидрохлорид 3,5-дибром-12-Л^-р-гидроксиэтилцитизина 21, обладающий частичным антиаритмическим действием

4.2 Противовирусная активность синтезированных соединений

Скрининг противовирусной активности соединений За, ЗЬ, 5, 8с, 44, 45, 48, 64а, 64b, 67а, 69b, 70а, 70Ь был проведен в отношении штамма вируса гриппа A/California/07/09(H 1N1 )pdm09 (CDC, Atlanta, USA), препарат сравнения рибавирин. Среди протестированных соединений выявлены образцы, которые не уступают (70а) и превосходят (64а) по своему индексу селективности (SI) препарат сравнения (рис. 11).

№

N—V

рибавирин, SI = 147

Pli

64а SI = 278

70а S1 = 143

Рисунок 11 - Соединения 64а и 70а с высокой противовирусной активностью по отношению к вирусу гриппа А (Н1N1)

4.3 Нейрофармакологическая активность

Нейрофармакологическая активность производных 26, 27, 30-37, тио- и карбоксоамидов (-)-цитизина 39-52, 54-56 и индивидуальных диастереоме-ров 61а, 64а, 69а-72а и 64b, 69b-72b была изучена in vivo в скрининговом по-

20

веденческом тесте условного рефлекса пассивного избегания (УРПИ) (доза 50 мкмоль/кг, препарат сравнения - пирацетам), параллельно изучали и анти-гипоксические свойства.

Обнаружено, что высокой мнестической активностью обладают соединения 30 и 31 с 2-гидроксибензильным и с 4-гидроксибензильным фрагментами, соответственно, а также соединения 45 и 69Ь (рис. 12).

Рисунок 12 - Ноотропная активность соединений 30, 31, 45, 69Ь

Для соединений 45 и 69Ь были установлены медианные эффективные и летальные дозы (ЕО50 и 1Л}50), а также терапевтические индексы 1Л350/ЕО50, превосходящие таковые для пирацетама (таблица 3).

Таблица 3 — Терапевтические индексы соединений 45 и 69Ь

№ Соединение_LDso, мг/кг ЕР50, мг/кг LD50 / ЕР50

1 Пирацетам 10600 400 26.5

2 45 3500 11.7 299.1

3 69Ь__,3346_12Л_278.8

Антигипоксические свойства выявлены у образцов 52 и 48 (рис. 13).

so s

Рисунок 13 -Тиомочевины 52 и 48 с антигипоксической активностью

In vitro оценка способности синтезированных веществ к взаимодействию с транскрипционными факторами (ТФ), вовлеченными в патогенез нейроде-генеративных заболеваний - NFAT, NF-кВ и STAT1, показал, что модулирующими свойствами по отношению к указанным ТФ обладают соединения 26 и 40 (рис. 14).

Рисунок 14 - Соединения, проявляющие модулирующие свойства в отношении ТФ БТАП, ОТАТ, ОТкВ

Обобщение полученных результатов представлено в таблице 4, где вещества в столбцах, соответствующих проведенным экспериментам, расположены в порядке убывания их активности.

Таблица 4 - Выявление лидирующего нейрофармакологического агента

Гипоксияь вТАТ1 ОТкВ ОТАТ

Ас В* Ас Ас |

45 48 54 1 40 68 68 52

43 52 48 2 4 56 40 5

51 40 40 46 48 46 4 47

54 51 4 39 45 39 54 69Ь

40 2 45 5 54 64Ь 51 56

26 68 50 51 51 2 48 43

46 50 43 69Ь 69Ь 1 2 50

49 55 26 64Ь 26 43 .39 26

2 56 55 47 55 52 46 1

67 44 52 68 50 47 45 64Ь

4 39 56 56 47 50 55 55

52 4 68 52 52 55 64Ь 45

48 1 47 55 43 26 1 46

39 54 64Ь 26 1 69Ь ■ 26 39

42 43 69Ь 43 2 51 50 2

44 45 5 45 39 45 56 51

а)Мнестическая активность в тесте УРПИ

ь,Антигипоксические свойства в тесте «Нормобарическая гипоксия с гиперкапнией» с) Активация транскрипционого фактора '''Ингибирование транскрипционого фактора

Согласно полученным результатам лидирующим соединением (по частоте попадания в первые пять строк) является образец 40 - производное 3-амино-12-Л'-метшшитизина 4, что подтверждает целесообразность выбранной нами стратегии поиска нейрофармакологических агентов среди новых производных (— )-цитизина с азотсодержащими заместителями в 2-пиридоновм ядре.

выводы

1. Впервые на основе реакций [4+2]-циклоприсоединения осуществлены скелетные трансформации (—)-цитизина; получены аддукты Дильса-Альдера 12-/У-замёщенных производных (—)-цитизина, (—)-леонтидина и (-)-термопсина с Л^-фенилмалеинимидом; найдены стереодифференци-рующие условия реакции.

2. Показана возможность вовлечения П-УУ-карбоксоамида (—)-цитизина в реакцию аза-Михаэля в условиях СВД; получены несимметричные «цитизинзамещенные» мочевины с кето-, нитро- и сложноэфирными группами.

3. Предложены варианты региоселективного введения аминогруппы в 3 и/или 5 положение 2-пиридонового ядра (-)-цитизина.

4. Осуществлен синтез сфокусированных библиотек новых производных хинолизидинового алкалоида (-)-цитизина, содержащих амино-, амидо-, имидо-, карбоксоамидо- и тиокарбоксоамидные группы различной топологии, включая бимолекулярные продукты.

5. В ряду синтезированных производных выявлены образцы с ноотропной, антигипоксической и противовирусной активностью.

СПИСОК НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Kovalskaya А. V., Lobov A. N., Tsypysheva I. P., Vinogradova V. 1., Vakhitova J. V., Yunusov M. S. Oxidative halogenation of /V-methylcytisine by halogenides and hydrogen peroxide in acidic medium // Organic Chemistry: an Indian Journal.-2012.-B. 8.-№ 3.-P. 117-120.

2. Цыпышева И. П., Ковальская А. В., Макара Н. С., Лобов А. Н., Петренко й. А., Галкин Е: Г., Сапожникова Т. А., Зарудий Ф. С., Юнусов М. С. Синтез и специфическая ноотропная активность производных (—)-цитизина, имеющих в структуре фрагменты карбамидов и тиокарбамидов // Химия природных соединений. - 2012. — № 4 - С. 565570.

3. Цыпышева И. П., Ковальская А. В., Лобов А. Н., Зарубаев В. В., Карпинская Л. А., Николаева Е. А., Штро А. А., Юнусов М. С. Поиск веществ с противовирусной активностью среди производных (—)-цитизина // Химия природных соединений. - 2012. - № 6. - С. 920-923.

4. Цыпышева И. П., Ковальская А. В., Лобов А. Н., Салимгареева М. Ш., Петрова П. Р., Габдрахманова С. Ф., Макара Н. С., Супоницкий К. Ю., Вахитова Ю. В., Зарудий Ф. С., Юнусов М. С. Синтез 12-карб-, 12-тиокарбамидов /У-адамантилцитизина и нейрофармакологическая активность // Химия природных соединений. - 2013. - № 4. - С. 606-609.

5. Цыпышева И.П., Ковальская A.B., Лобов А.Н., Николаева Е.А., Юнусов М. С. Синтез 3- и 5-аминопроизводных метилцитизина // Химия природных соединений. - 2013. — № 5. - С. 775-778.

6. Inna P. Tsypysheva, Alexander N. Lobov, Aleña V. Kovalskaya, Valentina I. Vinogradova, Kyrill Yu. Suponitsky, Sergey L. Khursan, Marat S. Vunusov.

' Synthesis of Diels-Alder Adducts of Quinolizidine Alkaloids N-Methylcytisine, (-)-Leontidine and (-)-Thermopsine with N-Phenylmaleimide // Tetrahedron: Asymmetry. - 2013 - V 24 - P 13181323. '

7. Ковальская А. В., Цыпышева И. П., Лобов А. Н., Басченко Н. Ж., Сапожникова Т.А., Вахитова Ю.В., Юнусов М.С., Синтез новых 3, 5 и 12-замещенных производных (-)-цитизина // Тезисы докладов VIII Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ». - 2011. Сыктывкар. - С.70.

8. Петренко И. А., Ковальская А. В., Цыпышева И. П. Восстановительное алкилирование 3-аминометилцитизина // Тезисы докладов VII Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии в области химии и биотехнологии». - 2012. - Уфа. - С. 108.

9. Ковальская A.B., Цыпышева И.П., Лобов А.Н., Халилова И.У., Петрова П.Р., Юнусов М.С. Региоселективное введение азотсодержащих заместителей в 2-пиридоновое ядро П-^-метилцитизина // Тезисы докладов XV Молодежной школы-конференции по органической химии -2012.-Уфа.-С. 148.

10. Ковальская A.B., Цыпышева И.П., Лобов А.Н., Петренко И.А., Юнусов М.С. 12-АГ-Замещенные производные (-)-цитизина. в реакции Дильса-Альдера // Тезисы докладов XV Молодежной школы-конференции по органической химии. - 2012. - Уфа. - С. 150.

11. Салимгареева М.Х., Зайнуллин Л.Ф., Ковальская A.B., Цыпышева И.П., Вахитова Ю.В. Синтез и нейрофармакологическая активность тио- и карбоксамидов ряда (-)-цитизина // Тезисы докладов XV Молодежной школы-конференции по органической химии. - 2012. - Уфа. - С. 64.

12. Вахитова Ю.В., Салимгареева М.Х., Зайнуллина Л.Ф., Ковальская A.B., Цыпышева И.П., Юнусов М.С. Влияние новых производных (-)-цитизина на активность HIFI in vitro // Материалы IV съезда фармакологов России «Инновации в современной фармакологии» -2012.-Казань.-С. 35.

13. Николаева Е.А., Ковальская A.B., Лобов А.Н., Цыпышева И.П., Спирихян Л.В. Спектроскопия ЯМР 'Н и 13С для установления структуры аддуктов Дильса-Альдера производных (-)-цитизина // Тезисы докладов VII Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии в области химии и биотехнологии» -2012.-Уфа.-С. 102.

14. Ковальская A.B., Цыпышева И.П., Лобов А.Н., Макара Н.С., Юнусов М.С. Синтез и ноотропная активность тио- и карбоксамидов (-)-цитизина // Тезисы докладов III Международной конференции «Техническая химия. От теории к практике». - 2012. - Пермь. - С. 133.

15. Ковальская A.B., Лобов А.Н., Зайнуллина Л.Ф., Фарафонтова Е. И., Цыпышева И.П., Вахитова Ю.В. Синтез новых производных (-)-цитизина с нейрофармакологической активностью // Тезисы докладов VII Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием по химии и наноматериалам «Менделеев - 2013». - 2013. - Санкт-Петербург. - С. 31.

16. Цыпышева И. П., Ковальская А. В., Лобов А. Н., Салимгареева М. X., Вахитова Ю. В., Юнусов М. С. Функционализация 2-пиридонового ядра (-)-цитизина. Биологическая активность некоторых новых производных // Тезисы докладов кластера конференций по органической химии «ОргХим - 2013». - 2013. - Санкт-Петербург (пос. Репино) - С 432433.

17. Петрова П.Р., Ковальская A.B., Цыпышева И.П. З-Бром-12-N-метилцитизинв реакции Хека // Тезисы докладов VI Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых. «Фундаментальная математика и ее приложение в естествознании» -2013.-Уфа.-С. 209.

18. Салимгареева М.Х., Фаткуллина У.Ш., Зайнуллина Л.Ф., Ковальская A.B., Цыпышева И.П., Вахитова Ю.В., Юнусов М.С. Мишень-специфический скрининг сфокусированной библиотеки производных (-)-цитизина // Тезисы докладов IX Всероссийской конференции «Химия и медицина» с Молодежной научной школой по органической химии -2013. - Уфа. - С. 103.

19. Халилова И. У., Бахтина Ю.Ю, Ковальская A.B., Николаева Е.А., Лобов А.Н., Цыпышева И.П., Юнусов М.С. Синтез производных (-)-цитизина с N-ß-оксиэтильным фрагментом // Тезисы докладов IX Всероссийской конференции «Химия и медицина» с Молодежной научной школой по органической химии. - 2013. - Уфа. - С. 214.

20. Габдрахманова С.Ф., Макара Н.С., Сапожникова Т.А., Хисамутдинова Р.Ю., Ковальская A.B., Зарудий Ф.С., Юнусов М.С. Мнестическая активность тио- и карбоксамидов цитизина в тесте УРПИ у крыс // Тезисы докладов IX Всероссийской конференции «Химия и медицина» с Молодежной научной школой по органической химии. -2013. - Уфа. - С. 312.

ч Отпечатано с готовых диапозитивов в ООО «Принг+», заказ Х° 349, тираж 150. 450054, пр. Октября, 71.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук

04201453035

На правах рукописи КОВАЛЬСКАЯ АЛЕНА ВИТАЛЬЕВНА

НОВЫЕ АМИНЫ, АМИДЫ, ТИО- И КАРБОКСОАМИДЫ НА ОСНОВЕ (-)-ЦИТИЗИНА. СИНТЕЗ И СВОЙСТВА

02.00.03. - Органическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук И. П. Цыпышева

Уфа-2013

мЦ}

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ 2-ПИРИДОНОВОГО ЯДРА

Н-ЦИТИЗИНА 7

1.1 Функционализация 2-пиридонового ядра (-)-цитизина; 8 реакции электрофильного замещения

1.1.1 Введение азотсодержащих заместителей в 2-пиридоновое ядро 9 (-)-цитизина. Синтетическая последовательность «нитрование-восстановление»

1.1.2 Галоидирование 12-Аг-замещенных производных (-)-цитизина 11

1.2 Превращения 3- и 5-галоидпроизводных (-)-цитизина и его 12- 19 А^-замещенных аналогов

1.2.1 Кросс-сочетание по Стиле 19

1.2.2 Кросс-сочетание по Сузуки 20

1.2.3 Реакция Бухвальда-Хартвига 23

1.2.4 Некоторые другие превращения 3-галоид-12-Л^-замещенных 24 производных (-)-цитизина

1.3 Заключение 25

Глава 2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 28

2.1 Реакции электрофильного и нуклеофильного замещения в 2- 28 пиридоновом ядре 12-тУ-метилцитизина

2.1.1 Синтез 3-амино-12-А^-метилцитизина 29

2.1.2 Синтез З-амино-П-А'-метилцитизина 30

2.1.3 Синтез аналогов 12-А^-Р-гидроксиэтилцитизина с 38 потенциальной антиаритмической активностью

2.2 Синтез аминов, амидов, тио-, и карбоксоамидов на основе (-)- 39 цитизина, 3-амино- и 5-амино-12-А^-метилцитизина

2.2.1 Синтез амидов и вторичных аминов 39

2.2.2 Производные (-)-цитизина и метилцитизина с фрагментами 41 мочевин и тиомочевин в 3, 5 и 12 положениях молекулы

2.3 Реакция Дильса-Альдера 12-А^-замещенных производных (-)- 46 цитизина

2.3.1 Взаимодействие 12-Л^-метилцицтизина, (-)-леонтидина и (-)- 47 термопсина с Л^-фенилмалеинимидом

2.3.2 Реакция Дильса-Альдера 12-А^-замещенных производных (-)- 52 цитизина с ЫРМ в термических условиях и условиях СВД

2.4 Биологическая активность синтезированных соединений 55

2.4.1 Антиаритмическая активность 55

2.4.2 Нейрофармакологическая активность 56

2.4.3 Противовирусная активность 62

2.4.4 Заключение 62

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 63

3.1 Функционализация 2-пиридонового ядра (-)-цитизина 64

3.2 Производные (-)-цитизина с амино-, амидо-, тио-и 80

карбоксоамидными группами в 3, 5 и 12 положениях молекулы 3.3 Реакция Дильса-Альдера 12-А^-замещенных производных (-)- ПО цитизина с Л^-фенилмалеинимидом

ВЫВОДЫ

125

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127

ПРИЛОЖЕНИЯ 142

ВВЕДЕНИЕ

В основе современной стратегии создания лекарственных препаратов, направленной на выявление и отбор перспективных веществ, лежат два основных этапа - это синтез библиотек химических соединений и последующий in vitro и/или in vivo скрининг их биологической активности. Залогом успеха этого подхода являются адекватный выбор исходного соединения (скаффолда) и эффективность методов его химических трансформаций - простых, надежных, если необходимо, стереоселективных, и, по возможности, технологичных.

Выбор в качестве скаффолдов природных соединений имеет ряд преимуществ: во-первых, само направление поиска становится более очевидным (если биологическая активность предшественника известна), во-вторых, природные соединения, являются великолепными источниками хиральности, часто с известной конфигурацией асимметрических центров, что особенно важно для создания селективных «мишень специфичных» лекарственных средств.

Хинолизидиновый алкалоид (-)-цитизин, выделяемый из растений семейства бобовых (Fabaceae), проявляет высокую

нейрофармакологическую активность, что, в первую очередь, обусловлено его высоким сродством к а4р2 и а7 подтипам никотинового ацетилхолинового рецептора.

В последние два десятилетия (-)-цитизин стал популярной исходной матрицей для синтеза веществ с потенциальными нейротропными свойствами. Результаты in vitro и in vivo исследований показали, что наиболее перспективными являются производные, замещенные по 2-пиридоновому ядру - галоид-, алкил- и арилпроизводные. Более того, на основании анализа взаимосвязи «структура-активность» установлено, что свойства полученных соединений сильно зависят от положения заместителя в молекуле. Эти последние данные стимулировали рост числа синтетических работ, направленных на функционализацию 2-пиридонового ядра этого

алкалоида: определенные успехи в разработке средств нейрофармакологического профиля на основе (-)-цитизина достигнуты отдельными исследовательскими группами и крупными фармацевтическими корпорациями такими, как Pfizer.

Поскольку сведения о производных (-)-цитизина с азотсодержащими заместителями в 2-пиридоновом ядре ограничены, и фармакологические свойства их детально не изучались, то синтез новых аминов, амидов, тио- и карбоксоамидов на основе (-)-цитизина и последующий этап биоскрининга с целью выявления перспективных нейрофармакологических агентов представляют собой актуальное направление исследований.

Таким образом, целью представленной работы является синтез сфокусированных библиотек производных (-)-цитизина с амино-, амидо-, тио- и карбоксоамидными группами в 2-пиридоновом ядре, что предполагает решение следующих исследовательских задач: разработку региоселективных способов введения азотсодержащих заместителей в 3 и 5 положение молекулы (-)-цитизина, проведение химических трансформаций введенных функциональных групп; осуществление скелетных трансформаций (-)-цитизина путем реакций [4+2]-циклоприсоедиения к его 2-пиридоновому ядру и изучение биологической активности полученных соединений.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ 2-ПИРИДОНОВОГО ЯДРА (-)-ЦИТИЗИНА

Согласно данным статистических исследований последних лет нейродегенеративные заболевания (НДЗ) по своей социальной значимости стали серьезной медицинской проблемой, особенно для населения развитых стран [1-3]. Развитие НДЗ протекает с участием комплекса биологических систем организма, каждая из которых может являться объектом фармакологического воздействия потенциального лекарственного препарата [4], поэтому поиск новых перспективных молекул ведется постоянно, среди представителей самых различных классов химических соединений, в том числе и природного происхождения [5-7].

Так, в группу холиномиметических препаратов, действие которых направлено на компенсацию холинергического дефицита, входят агонисты никотиновых ацетилхолиновых рецепторов (нАХр), ответственных за межнейрональные связи в мозге и играющих важную роль в когнитивных процессах [4] (установлена прямая зависимость между состоянием никотиновых ацетилхолиновых рецепторов и развитием нейродегенеративных заболеваний [8-13]).

С момента открытия нАХр [14] было найдено множество природных соединений, способных к взаимодействию с ним. Значительную часть этого структурного массива составляют алкалоиды - никотин, лупанин, эпибатидин, метилликаконитин, некоторые изохинолиновые алкалоиды, а также хинолизидиновый алкалоид (-)-цитизин [15-18], который выделяется в этом ряду широтой своего фармакологического профиля.

Действительно, до настоящего времени (-)-цитизин остается основным средством для лечения никотиновой зависимости [19], а препарат Цититон (гидрохлорид (-)-цитизина) применяется в медицинской практике в качестве дыхательного аналептика [20]. (-)-Цитизин in vivo модулирует

локомоторную активность [21], проявляет антидепрессантные, анальгетические и ноотропные свойства [22-24], предотвращает гибель допаминоэргических нейронов при воздействии нейротоксина МФТП [25], а также обладает высоким сродством к а4|32 подтипу никотинового ацетилхолинового рецептора (нАХр) [26-29].

Совокупность фармакологических свойств (-)-цитизина сделала его привлекательным исходным соединением для синтеза оптимизированных аналогов [30]. В последнее десятилетие получены многочисленные производные этого алкалоида и исследована их нейрофармакологическая активность in vitro и in vivo [31-37]. Установлено, что наиболее перспективными являются производные (-)-цитизина, замещенные по 2-пиридоновому ядру [38-43], что сразу же нашло отражение в патентной активности [43-46]. Более того, анализ взаимосвязи «структура-активность» в ряду самых простых производных (наиболее полно этот материал обсуждается в обзоре [30]) показал, что биологические свойства полученных соединений сильно зависят от положения заместителя в молекуле [40, 42, 43]. Эти последние данные стимулировали рост числа синтетических работ, направленных на функционализацию 2-пиридонового ядра (-)-цитизина, который не снижается до настоящего времени.

1.1 Функционализация 2-пиридонового ядра (—)-цитизина; реакции электрофильного замещения

В основе практически всех реализованных схем синтеза новых производных (-)-цитизина 1, замещенных по 2-пиридоновому ядру, лежат данные о реакционной способности 2-пиридонов, что, по сути, является формальным «переносом» известных синтетических приемов с простого объекта на более сложный (рис. 1.1).

II = Н, (-)-цитизин (1) N N — 11

Я = Ме, метилцитизии (2)

О

Рисунок 1.1 — Основные направления функционализации

2-пиридонового ядра

Так, из всех известных реакций 2-пиридонов [48-66] для модификаций первого порядка были выбраны электрофильное галогенирование и нитрование [48-53], а опыт реакций кросс-сочетания галоидпроизводных 2-пиридонов [58-64], позволил ввести алкильные, алкенильные, арильные и гетарильные заместители в 3 и 5 положения 2-пиридонового ядра (-)-цитизина 1, 12-7У-метилцитизина 2 и некоторых других их ТУ-замещенных аналогов, обеспечив этой стратегии успех и признание.

В то же время, реакции фотоциклизации или циклоприсоединения 2-пиридонов [65-66] с целью синтетических модификаций хинолизидиновых алкалоидов ряда (-)-цитизина до настоящего времени не применялись.

1.1.1 Введение азотсодержащих заместителей в 2-пиридоновое ядро (-)-цитизина. Синтетическая последовательность «нитрование-восстановление»

Первые данные о получении продуктов нитрования (-)-цитизина относятся к концу XIX века [67, 68]. В последнее десятилетие интерес к этой реакции возобновился в связи с поиском новых лигандов нАХр и с возможностью дальнейших химических превращений продуктов нитрования [69, 70].

Так, путем обработки исходного алкалоида 1 смесью 100% «дымящей» азотной кислоты и 65% водного раствора азотной кислоты в соотношении 6:1 с выходом 33% получено 3,5-динитропроизводное 4 [70] (схема 1.1).

О 1,3

11= н (1),

Я = СОМе (3)

а или Ь

или (i

Я1 = Ш2> Я2 = N02, К3 = N0 (4) Я1 = N0^ Я2 = Н, Я3= СОМе (5а) Я1 = Н, Я2= N0^ Я3= СОМе (5Ь) с Я1 - N02, Я2 = N02, К3= СОМе (6) — Я1 = N02' Я2 = Н, Я"*= 11 (7)

О

Реагенты и условия: а) 100% 1-Ш03 и 65% Ш03 (6:1), 110 °С (33% 4); Ь) Ш03, Н2804, 20 °С (77% 5а, 11% 5Ь); с) №14Н03, ТРА, СНС13,20 °С (70% 6); (!) [71].

Применение классической «нитрующей смеси» при комнатной температуре описано в [69], где нитрование 12-А^-ацетилцитизина 3 является ключевой стадией в синтезе соответствующего амина. Соотношение продуктов 3- и 5-замещения 5а и 5Ь в этом случае составило 6:1 (схема 1.1). В этой же работе описано последовательное нитрование 3-нитропроизводного 5а действием М^МОз в смеси трифторуксусной кислоты с хлороформом, приводящее к 3,5-динитропродукту 6 с выходом 70%. Авторами [71] приведен пример нитрования (-)-цитизина нитрующей смесью при О °С, где без указания выходов отмечается преимущественное образование 3-нитропроизводного 7.

Последующие трансформации нитрогрупп соединений 7 и 5а осуществлены путем каталитического гидрирования, протекающего с количественными выходами, приводя к соответствующим аминопроизводным 8 и 9 (схема 1.2) [69, 71].

Дальнейшие превращения аминов 8 и 9 описаны двумя группами исследователей [69, 71]: возможность превращения 9 в тетрафторборат 10 с выходом 71% показана в работе [69], вовлечение последнего в реакцию Шимана для получения фторсодержащих лигандов нАХр на основе (-)-цитизина не привело к успеху. О возможности синтеза библиотеки ингибиторов протеин-фосфатазы общей структурной формулы 11 на основе амина 8 кратко сообщается в [71].

Схема 1.1

Реагенты и условия: а) Н2, Рё/С (98% 8); Ь) КаШ2, НВР4 (71% 9); с) [71].

Схема 1.2

Этими примерами исчерпываются данные о введении азотсодержащих заместителей в 2-пиридоновое ядро (-)-цитизина.

1.1.2 Галогенирование 12-М-замещенных производных (-)-цитизина

Как отмечено в разделе 1.1, большая часть производных (-)-цитизина, модифицированных по 2-пиридоновому ядру, получена синтетической последовательностью «электрофильное галогенирование - кросс-сочетание». Известно, что электрофильное галогенирование 2-пиридонов протекает с образованием смеси 3-моно-, 5-моно- и 3,5-дигалоидпроизводных, что приводит к необходимости разделения полученных продуктов хроматографическими методами, снижая препаративную ценность данного подхода.

С целью поиска более эффективных способов галогенирования (-)-цитизина и его производных протестировано множество известных методик, изучено влияние природы электрофильной частицы и условий реакции на общий выход продуктов и региоселективность процесса.

Фторирование. Поскольку введение атома фтора в 2-пиридоновое ядро (-)-цитизина нуклеофильным замещением нитрогруппы или по реакции Шимана из соответствующего тетрафторбората 10 (см. раздел 1.1.1) не привело к успеху [69], той же группой исследователей было проведено прямое фторирование 12-А^-Вос-цитизина 12 действием специального

реагента 8е1ес1Аиог® (1-хлорметил-4-фтор-1,4-диазобицикло[2.2.2]октана бис-(тетрафторбората)) [72], которое, по-видимому, пока остается единственным положительным примером протекания данной реакции (схема 1.3).

Бе^йПиог®

„Вое

а или Ь

Вое

Я1 = Р,Я2=Н, (13а) Я1 = Н, Я2 = И, (13Ь) Я1 = Я2 = Р, (13с)

Реагенты и условия: а) 0.8 экв. 8е1ес1Аиог®, ДМФА (9% 13а, 31% 13Ь).

Схема 1.3

Фторирование недостатком реагента (0.8 экв.) протекает неселективно, с низким выходом и низкой конверсией: 3-фторпроизводное 13а выделено с выходом 9%, 5-фторпродукт 13Ь с выходом 31%. Для данного превращения не установлена зависимость региоселективности и общего выхода продуктов реакции от природы растворителя и температуры реакции. Во всех случаях — в диоксане, ДМФА, этаноле, воде, ацетонитриле (температура 20 -г 80 °С) конверсия исходного соединения 12 не превышала 54%, выход 3-фторпроизводного 13а находился в интервале от 1 до 9%, а 5-фторпроизводного 13Ъ от 25 до 31%. Необходимо отметить, что мажорным компонентом смеси продуктов фторирования 12 всегда оставался 5-фтор-12-АЧЗос-цитизин 13Ь. Обобщение результатов фторирования 12-]У-Вос-замещенного (-)-цитизина представлено в таблице 1.1.

Хлорирование. Все известные хлорпроизводные (-)-цитизина синтезированы с целью изучения их нейрофармакологической активности и не были использованы в дальнейших химических превращениях. Возможно, именно поэтому примеров хлорирования 2-пиридонового ядра (-)-цитизина в

литературе не много: оно проведено действием двух реагентов - Лг-хлорсукцинимидом (N08) и газообразным хлором.

Так, хлорирование, приводящее к преимущественному образованию 5-хлорпроизводного 14Ь с выходом 40%, было осуществлено действием N08 на (-)-цитизин 1 в кипящей 60% уксусной кислоте [73] и взаимодействием N08 с 12-А^-Вос-цитизином 12 в хлористом метилене [74]. Обращают на себя внимание следующие факты: как и в случае фторирования, мажорными компонентами реакционных смесей являются продукты 5-замещения 14Ь и 15Ь, а также снижение региоселективности хлорирования в уксусной кислоте - в смеси продуктов реакции присутствуют все три возможных продукта реакции. Синтез дихлорпроизводного (-)-цитизина 14с и его 12-АЧЗос-замещенного аналога 15с осуществлен двумя методами - действием избытка N08 в 60%-ной уксусной кислоте и газообразным хлором в воде [73, 74].

Реагенты и условия: а) 1 экв, N08, 60 % АсОН, кипячение, (26 % 14а, 40 % 14Ь, 5% 14с); Ь) 1 экв. N08, СН2С12, 40 °С, (4% 15а, 69% 15Ь); с) 2 экв. N08, 60 % АсОН, кипячение, (83% 14с); й) изб. С12(газ.), Н20, 20 °С, (85% 15с).

Обобщение данных о региоселективности хлорирования производных 1 и 12 и выходы продуктов реакции представлены в таблице 1.2.

Я1 = С1,Я2 = С1, Я3 = Вое (15с)

Схема 1.4

Таблица 1.1 Фторирование 12-_/У-Вос-производного (-)-цитизина

Я Реагент Субстрат/реагент Растворитель Температура, °С а, % Ь,% с, %

I1 Вое Бекайиог® 1:0.8 ДМФА 20 9 31 -

21 Вое 8е1ес1Аиог® 1:0.5 МеСИ 20 9 25 -

З1 Вое 8е1ес1Йиог® 1:1 МеСИ 80 6 30

'[72]

Таблица 1.2 Хлорирование (-)-цитизина и его П-ТУ-Вос-производного

Я Реагент Субстрат/реагент Растворитель Температура, °С а, % ь,% с, %

I1 Вое N08 1:1 СН2С12 40 4 69 -

22 Н ЖЕ 1:1 АсОН (60%) кипячение 26 40 5

З2 Н N08 1:2 АсОН (60%) кипячение - - 83

4' Вое С12 1:4 Н20 20 - - 85

'[74],2[73]

Бромирование. Бромирование (-)-цитизина изучено наиболее подробно, так как его бромпроизводные, с одной стороны, представляли интерес для изучения их собственной биологической активности, а с другой стороны -именно бромпроизводные (-)-цитизина и его 12-./У-замещенных аналогов стали исходными соединениями в последующих реакциях кросс-сочетания [69, 72-75].

Так, взаимодействие одного эквивалента