Региоселективная С2-функционализация производных пиримидин-4(3Н)-она в основных средах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Герасимов Евгений Николаевич

Региоселективпая С'-функционализация производных ппрпмидин-4(ЗД)-она в основных средах

02.00.03 - Органическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

5 ДЕК 2013

Волгоград-2013

005542677

005542677

Работа выполнена на кафедре «Органическая химия» Волгоградского государственного технического университета.

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.01, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета

Автореферат разослан «25» ноября 2013 года.

Учёный секретарь диссертационного совета,

Научный руководитель доктор химических наук, доцент

Навроцкий Максим Борисович.

Научный консультант академик РАН, доктор химических наук

Новаков Иван Александрович. Официальные оппоненты: Аксенов Александр Викторович,

доктор химических наук, профессор, Северо-кавказский федеральный университет, кафедра химии, заведующий кафедрой; Брель Анатолий Кузьмич, доктор химических наук, профессор, Волгоградский государственный медицинский университет, кафедра химии, заведующий кафедрой.

Ведущая организация: Московский физико-технический институт

(государственный университет), г. Москва.

кандидат химических наук, доцент

Дрябина Светлана Сергеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ1

Актуальность темы. Структурный элемент пиримидин-4(3#)-она входит в состав ряда веществ, обладающих практически полезными свойствами, а также -природных продуктов, играющих важную роль в функционировании живых систем. Характерными примерами соединений природного происхождения, содержащими этот фрагмент, являются нуклеиновые основания пиримидинового и пуринового рядов: гуанин, урацил и тимин. В то же время, существует значительное многообразие химических соединений, имеющих важное прикладное значение, также являющихся производными пиримидин-4(3//)-она. Среди них лидирующее место занимают фунгициды {диметиримол [5-бутил-2-(диметиламино)-6-метилпиримидин-4(ЗЯ)-он] и ряд его структурных аналогов} и лекарственные препараты [например, бропиримин (2-амино-5-бром-б-фенилпиримидин-4(ЗЯ)-он)]. Не следует также забывать и о широком практическом применении аннелированных производных пиримидин-4(ЗД)-она. К последним относятся высокоэффективные противогерпетические препараты -ацикловир - [(2-гидроксиэтокси)метил]-замещенное производное имидазоаннелированного 2-аминопиримидин-4(3//)-она, и ряд его структурных аналогов; транквилизатор метаквалон - 2-метил-3-(2-метилфенил)хиназолин-4(ЗЯ)-он (бензаннелированный аналог) и ряд родственных соединений. Таким образом, можно заключить, что практическая ценность производных пиримидин-4(ЗЯ)-она - несомненна.

К настоящему времени синтезирован и изучен ряд функциональных производных пиримидин-4(ЗЯ)-она, однако, для выбора методологии синтеза, а также конечного предназначения целевого соединения, важна природа заместителя в положении 2 пиримидинового гетероцикла. Известно много подходов к функционализации положения С2 в ядре пиримидин-4(ЗЛ)-она, но нельзя не обратить внимание на то, что большинство таких превращений изучены чисто эмпирически. Иными словами, для значительного числа реакций, лежащих в основе введения или модификации функциональной группы в положении 2

1 Автор выражает глубокую признательность директору ЦКП «ФХМИ», д.х.н., профессору Орликсону Б.С. и доценту кафедры «Органическая химия», к.х.н. Брунилиной Л.Л. за участие в обсуждении результатов работы.

производных пиримидин-4(ЗД)-она, до сих пор отсутствуют однозначные представления об их механизме. В то же время, современное развитие инструментальных и расчетных методов, а также - подходов математической химии позволяет восполнить этот пробел. Отсюда следует цель настоящей диссертационной работы.

Цель: экспериментальное выявление и теоретическое обоснование особенностей региоселективной С^-функцинализации потенциально значимых производных пиримидин-4(3#)-она в основных средах. Задачи:

1. Направленный синтез новых ненуклеозидных ингибиторов обратной транскриптазы ВИЧ-1 и ключевых полупродуктов их получения с использованием реакций региоселективной С^-функцинализации производных пиримидин-4(3#)-она в основных средах.

2. Изучение влияния условий реакции 6-бензил-5-метил-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(ЗЛ)-°на и 2-фенилэтанамина в среде 2-(этоксиэтокси)этанола на региоселекгивность процесса и выход 6-бензил-5-метил-2-[(2-феншгэтил)амино]пиримидин-4(3//)-она и квантово-химическое исследование механизма аминолиза с использованием положений теории функционала плотности.

3. Исследование условий замены связи С2=Б на связь С?=0 в 5,6-дизамещенных производных 2-тиоурацила с использованием 2-метилоксирана и квантово-химическое изучение механизма этой реакции с использованием положений теории функционала плотности.

4. Энзиматические исследования полученных впервые производных 2-амино-6-бензшширимидин-4(3#)-она с использованием рекомбинантного гомодимера обратной транскриптазы ВИЧ-1.

Научная новизна работы. Впервые экспериментально показано и теоретически обосновано стабилизирующее влияние растворителя по отношению к переходным состояниям реакции аминолиза производных 2-(метилсульфанил)пиримидин-4(3#)-она алифатическими и жирно-ароматическими аминами. Методом ВБТ с использованием функционала ВЗЬУР и базиса 6-ЭШ-КЗ** было установлено, что проведение реакции в среде 24

(этоксиэтокси)этанола как растворителя, проходит по механизму «присоединение-отщепление» АлгЕ1сЬ через два хелатированных переходных комплекса с невысоким энергетическим барьером. В результате этого, параллельно возрастает также степень региоселективности всего процесса.

Впервые экспериментально исследовано превращение 5-алкил-6-бензил-2-тиоксо-1,2-дигидропиримидин-4(ЗЯ)-онов в 5-алкил-6-бензилпиримидин-2,4(ЩЗД)-онов с использованием 2-метилоксирана в водно-щелочном растворе. Методом БРТ с использованием функционала ВЗЬУР и базиса 6-3 11-ЖЗ** был спрогнозирован и теоретически обоснован вероятный механизм этого процесса. Практическая значимость работы. На основании исследования влияния многопараметровых условий реакции 6-бензил-5-метил-2-

(мстилсульфанил)пиримидкн-4(3//)-она 2-фенилэтанамина в среде 2-(этоксиэтокси)этанола, найдена возможность оптимизации этого процесса, для получения максимального выхода целевого б-бензил-5-метил-2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(ЗЯ)-она.

На основании данных биологических исследований полученных впервые производных 5-алкил-б-бензилизоцитозина, с исцользованием изолированного рекомбинантного гомодимера обратной транкриптазы ВИЧ-1, выявлено вещество-лидер - 6-(2,6-дифторбензил)-5-метил-2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(ЗЛ)-он, существенно превосходящий по активности применяемый в клинике ненуклеозидный ингибитор обратной транскриптазы ВИЧ-1 - Невирапин (Вирамун®). Это соединение и другие производных 2-[(со-арилалкил)амино]пиримидин-4(ЗД)-она, могут рассматриваться как прототипы нового ряда высокоактивных ингибиторов репликации ВИЧ-1 ненуклеозидной природы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XIII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 11-14 ноября 2008 г.), VI Международной конференции «Высокоспиновые молекулы и молекулярные магнетики» (г. Ростов-на-Дону, 8-13 сентября 2012 г.), IX Всероссийской конференции «Химия и медицина» с Молодёжной научной школой по органической химии (Уфа-Абзаково, 4-8 июня 2013 г.), I Российской конференции по медицинской химии МесЮИет Ш^а-гОП

(г. Москва, 8-12 сентября 2013 г.), XVI Молодёжной школе-конференции. по органической химии (г. Пятигорск, 14-16 сентября 2013 г.), III Международной научной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Пятигорск, 17-21 сентября 2013 г.).

Публикации. По содержанию диссертации опубликовано 6 статей в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, 6 тезисов научных докладов, получен 1

патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, посвященного методам ^-функционал изации производных пиримидин-4(ЗЯ)-она, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 5 таблиц, 12 рисунков, 296 литературных ссылок.

Настоящая работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-0300144/13 и гранта 14.В37.21.0826 в решках реализации программы стратегического развития ФГБОУ ВПО ВолгГТУ на 2012-2014 годы и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Способы замещения С^-связп на или <?-0-связь

неаннелнрованных производных пиримшш-4(ЗЯ)-она (аналитический обзор литературы). Проанализированы литературные данные по химической модификации положения С2 в производных 2-(алкилсульфанил)- и 2-меркаптошфимидин-4(ЗД)-она, сопровождающейся заменой связи С-Б на С-К и С-О, С=8 на С-И и С=0. Рассмотрены взаимосвязи между реакционной способностью и химической природой исходных производных пиримидин-4(ЗЯ)-она, условиями проведения синтеза и химическим строением образующихся производных 2-аминопиримидин-4(3#)-°на и пиримидин-2,4(1Я,ЗЛ)-диона.

Глава 2. Обсуждение результатов.

2.1. Выбор структур целевых соединений. В разделе работы, посвященном выбору химической структуры целевых соединений, проводится и обосновывается направленная селекция исходных веществ, для их получения. При

6

этом в получении производных 2-аминопиримидин-4(ЗЯ)-она акцент ставится на азотистые биоизостерические' аналоги описанных ранее высокоэффективных ингибиторов обратной транскриптазы - производных 2-[(фенилалкил)сульфанил]-2 и [2-(феноксиалкил)сульфанил]-6-бензилпиримидин-4(ЗЯ)-она3. Кроме этого, рассматриваются как вероятные ингибиторы репликации ВИЧ-1 адамантансодержащие аналоги этих веществ (в связи с возможностью увеличения активности за счет гидрофобных взаимодействий каркасного фрагмента):

Где: И = С6Н5,2,б-Р2С6Н3,2-С1-6-РСбН3; Я2 = СН3> СН(СН3)2; ИЗ = С6Н5СН2СН2) 4-РС6Н4СН2СН2, 4-СН3ОС6Н4СН2СН2, С6Н5СН2СН2СН2; Аё'СНг, А(11СН2СН2, АС!1СН2СН(СНз).

Целевые производные 5-алкил-6-(2,6-дигалогенбензил)пиримидин-2,4(1Я,ЗЯ)-диона рассматривались как ключевые полупродукты синтеза неизвестных до настоящего времени аналогов высокоэффективного ингибитора репликации ВИЧ-1 МКС-4424, содержащих низший алкильный фрагмент (СН3, С2Н5> СН(СН3)2) при С5 пиримидинового гетероцикла и 2,6-дигалогенбензильный радикал в положении С6 (по аналогии с ранее полученными нашей группой 5-

алкил-6-(2,б-дигалогенбензил)-2-[(2-оксо-2-фенилэтил)сульфанил]пиримидин-4(ЗЯ)-она5). Основываясь на ретросинтетическом анализе структур целевых производных пиримидин-4(ЗЯ)-она, был обозначен круг исходных веществ.

1 Dihydro-alkylthio-benzyl-oxopyrimidines as inhibitors of reverse transcriptase : synthesis and rationalization of

the biological data on both wild-type enzyme and relevant clinical mutants / C. Mugnaini [et. al.] II Journal of Medicinal Chemistry. - 2007. - Vol. 50. - P. 6580-6595.

3 Синтез и анти-ВИЧ-1 активность 2-[[2-(3,5-диметилфенокси)этил]тио]пиримидин-4(ЗЯ)-онов / M. С. Новиков [и др.] // ХГС. - 2004. - Вып. 1. - С. 35-42.

4 Design of МКС-442 (Emivirine) analogues with improved activity against drug-resistant HIV mutants / A. L. Hopkins [et. al.] // J. Med. Chem. -1999. - Vol. 42, N 22 - P. 4500-4305.

5 5-Alkyl-6-benzyl-2-(2-oxo-2-phenylethylsulfanyl)pyrimidin-4(3/i)-ones, a series of anti-HIV-1 agents of the

dihydra-alkoxy-benzyl-oxopyrimidine family with peculiar structure-activity relationship profile Ш. B. Nawrozkij [et. al.] II Journal of Medicinal Chemistry. -2008. - Vol. 51. -P. 4641-4652.

2.2. Получение ключевых полупродуктов сиптеза и целевых производных нзоцатозина и урацила. Ключевыми интермедиатами синтеза явились производные 5-алкил-6-бензил-2-тиооксо-2,3-дигидропиримидин-4( 1Я)-она,

которые были получены с использованием фенилацетонитрила 1 и его галогенированных производных 2-4 в качестве исходных соединений. Эти вещества были превращены в соответствующие эфиры 2-алкил-3-оксо-4-фенилбутановых кислот 5-12 с использованием цинкорганического синтеза Блэйза (выход 62-81%). Последующая конденсация полученных 3-оксоэфиров с тиомочевиной в основной среде приводила к получению соответствующих производных 5-алкил-6-бензил-2-тиоксо-2,3-дипщропиримидин-4(1//)-она 13-20 с выходом 31-81%6:

Где:

Rl = R2 = Н (1, 5,13); Rl = R2 = F (2, 6,14); Rl = Cl, R2 = F (3, 7, 9,11,15,17,19); Rl = R2 = С1 (4, 8, 10, 12, 16, 18, 20); R3 = СН3 (5-8, 13-16), С2Н5 (9, 10, 17, 18), СН(СН3)2(11,12,19,20).

Таким образом были синтезированы исходные соединения для изучения реакции десульфуризации 2-метилоксираном (15-20) и ^-метилирования (13-15, 19).

Путем метилирования 6-бензил- (13), 6-(2,6-дифторбензил)- (14) и 6-(2-фтор-6-хлорбензил)-5-метил-2-тиооксо-2,3-дигидропиримидин-4(1Я)-онов (15) и 5-изопропил-6-(2-фтор-6-хлорбензил)-2-тиооксо-2,3-дигидропиримидин-4(1Я)-она (19) йодметаном в безводном ДМФА, с выходом 88-96%, были получены производные 2-(метилсульфанил)пиримидин-4(ЗЯ)-°на (21-24) - исходные соединения для изучения реакции аминолиза:

6 Синтез новых производных 5-алкил-6-(2,6-дигалоген6ензил)-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(ЗЯ)-она и особенности их окисления / И.А. Новаков, B.C. Орлинсон, М,Б. Навроцкий, A.C. Еремийчук, Л.Л. Брунилииа, Е.А. Гордеева, E.H. Герасимов // Журнал органической химии. - 2010. - Т. 46, вып. И. - С. 16841987.

13-15,19

21-24

Где:

R1 = R2 = Н (13,21); R1 = R2 = F (14, 22); R1 = Cl, R2 = F (15,19, 23, 24); R3 = CH3 (13-15,21-23), CH(CH3)2 (19,24).

В ходе исследования реакции полученных производных 21-24 с алифатическими7 и жирно-ароматическими первичными аминами в присутствии 2-(2-этоксиэтокси)этанола, было установлено, что целевые производные 2-амиопиримидин-4(ЗЛ)-она (25-34) региоселективно образуются с выходом до 89% (выделенный продукт) при нагревании реакционной смеси в течение 24-48 часов при температуре 160-170°С8:

= Ъ2 = Н (21, 25-31), Я1 = К2 = Р (22, 32), Я1 = С1, И2 = Р (23, 24, 33, 34); ЯЗ = СН3 (21-23, 25-33), СН(СН3)2 (24, 34); 114 = С6Н3СН2СН2 (25, 32, 33), 4-РС6Н4СН2СН2 (26), 4-СН3ОС6Н4СН2СН2 (27, 34), С6Н5СН2СН2СН2 (28), Ас1'СН2 (29), А^СНгСНг (30), Аё'СН^ЩСНз) (31).

Обработка производных 19, 20 и 18 2-метилоксираном в водном растворе ЫаОН при комнатной температуре, позволила получить соответствующие

7 Автор выражает глубокую признательность ведущему инженеру ЦКП «ФХМИ» Савельеву E.H. за помощь в получении аминов ряда адамантана.

8 Синтез и биологическая активность новых производных 6-бензилизоцитозина: ненуклеозидных ингибиторов обратной транскриптазы ВИЧ-1 / B.T. Валуев-Эллистон, A.B. Иванов, Б.С. Орлинсон, E.H. Герасимов, JI.JI. Брунилина, С.Н. Кочетков, И.А. Новаков, М.Е. Навроцкий // Химико-фармацевтический журнал.-2012.-Т. 46, №7.-С. 11-14.

,R2

21-24

25-34

Где:

производные 5-алкил-6-(2,6-дигалогенбензил)пиримидин-2,4(1Я,ЗЛ)-диона (35-38) с выходом 78-86%:

1Г|

Т ¡Т „

к»уете*ееы й жпраидшгг

Где: = 2-С1-6-РС6Н3 (19, 37), 2,6-С12С6Н3 (18, 20, 36, 38); Я2 = Н (18), СН3 (19, 20).

Химическое строение и индивидуальность полученных веществ были подтверждены методами ПМР-спектроскопии и вэжх-МС-спектрометрического анализа, например ПМР-спектр 6-(2,6-дихлорбензил)-5-изопропилпиримидин-2,4(1Я,ЗЯ)-диона (36):

V

|......'11Л ' " ' 10.0

7Л " '¿о......ел .....«я э.о го чд РД

оававоаам

6Р. »I11357»* «СИ

.в* отек ТЕХ»

ло измкяадом

ВигСМБСиОЯН)

ДН1 |

В то же время, в случае соединений 15, 16, были выделены интермедиаты этого процесса - производные 2-[(2-гидроксипропил-1)сульфанил]-5-

метилпиримидин-4(ЗЯ)-она (39, 40), что подтверждает выдвинутый нами гипотетический механизм этой реакции (см. ниже):

11ГЧ»« Ч»ч

Где: Ш = Б (15,39), С1 (16, 40).

Характерный ПМР-спекгр 2-[(2-гидроксипропил-1)сульфанил]-5-метил-6-(2-фтор-б-хлорбензил)пиримидин-4(ЗЯ)-она (39) приводится ниже:

Ш

12Л 11Л 10.0 9.0 6.0 7.0 бЛ 5.0 4.0 3.0 2Л

{«•■мсЕгаим Среикс НБС16 РЖ 100 «е.!» 24588 «1в»4

МеСвО(*ЗПЭ £ШИС еУ£5Э7ВНг ТЕЭ0ЭК АОс^мсюгоояве

При проведении десульфуризации соединения 17 была получена смесь производного пиримидин-2,4(1//,ЗЯ)-диона 35 и 2-[(2-гидроксипропил-1)сульфанил]пиримидин-4(ЗД)-она 41, разделенная фракционной кристаллизацией из ксилола:

изопропил-замещенных аналогов определяется ст-л-сопряжением а-связей С-Н метальной группы при С5 пиримидиновго гетероцикла и системой сопряженных кратных связей С5=С6-Л^,=С2 в структуре кольца (эффект Натана-Бекера):

"-г-

.м

Данные квантово-химических расчетов позволяют предположить, что эта реакция осуществляется в соответствии со следующим механизмом:

В результате, было показано, что реакция протекает в несколько стадий. Таким образом, производное 2-тиоурацила депротонируется щелочью, а образующийся анион осуществляет нуклеофильную атаку на напряженный оксирановый цикл окиси пропилена. В результате раскрытия этого цикла по механизму Э.Д в соответствии с правилом Красуцкого образуется анионная форма 51-алкилированного производного 2-тиоурацила. В ней реализуется внутримолекулярная нуклеофильная атака отрицательно заряженного атома кислорода боковой цепи на электронодефицитный атом углерода С2 пиримидинового гетероцикла. В результате происходит процесс нуклеофильного 1.4-присоединения, с образованием спироциклического интермедиата. Последний стабилизируется явлением резонанса: два предпочтительных его таутомера, образующих резонансный гибрид, приведены на слайде. В ходе смещения электронной плотности от атома С2 пиримидинового гетероцикла к атому серы, реализуется процесс внутримолекулярного элиминирования по механизму Е1сЬ. В итоге, получается продукт перегруппировки, в котором реализуется нуклеофильная атака отрицательно заряженного атома серы на атом углерода метановой группы, связанного с атомом кислорода. Такой вариант реализации синартетического эффекта заместителя приводит к замыканию тииранового цикла по механизму с анионоидным отрывом фрагмента урацила, являющегося нуклеофугом в этой реакции. Из полученных данных следует, что указанная реакция имеет некоторые

черты сходства, с точки зрения механизма, с перегруппировкой Смайлса для ароматических соединений.

2.3. Исследования реакции аминолиза 6-бензил-5-метил-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(З.Н)-она 2-феннлэтапамином. Для оптимизации условий аминолиза, были выполнены серии экспериментов, по моделированию кинетики взаимодействия 6-бензил-5-метил-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(ЗЯ)-она (Ц) 2-фенилэтанамином (А) в присутствии 2-(2-этоксиэтокси)этанола с образованием 6-бензил-5-метал-2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(ЗЯ)-она (Р):

Основываясь на предварительных исследованиях, были выбраны три параметра (переменные, х), влияющие на выход целевого продукта (далее -«выход», у [%]). Таким образом, были зафиксированы исходное количество производного пиримидина {и0, моль), 2-фенилэтанамина (а<э, моль) и объем растворителя (V, литры). Было проведено шесть серий экспериментов, в которых одновременно варьировались указанные параметры. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1- Зависимость выхода 6-бензил-5-метил-2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(ЗД)-она от условий проведения реакции (к, /%7)9,8И)

Эксперимент «о [моль] (¡0 [моль] йиМ ЯР[%] У[л] си [моль л'1] У ■ у[%]

X] Х2 Хз х4 х5

Е1 0.1 0.134 27.11 60.34 0.1 1.0 1.34 69.0

Е2 0.05 0.067 21.92 73.54 0.05 1.0 1.34 77.0

ЕЗ 0.1 0.134 19.23 77.39 0.1 1.0 1.34 80.1

Е4 0.1 0.05 48.37 47.81 0.172 0.581 0.5 99.4

' Определены на основании площади пиков под хроматографической кривой (ВЭЖХ-анализ аликвот реакционной массы). Автор выражает глубокую признательность Попову А.Н. за помощь в выполнении хроматографического анализа.

E5 0.2 0.17 25.20 71.50 0.2 1.0 0.85 87.0

E6 0.2 0.17 29.98 55.08 0.1 2.0 0.85 76.2

a> Sq (Q = U, P) обозначает относительные [в %] интегральные значения площади ¡2-компонентов на хроматограммах; Сц = и0/У;у = а/ид.

b) реакция прерывалась в тот момент, когда было достигнуто наиболее высокое значение выхода при соответствующих условиях: для серии экспериментов Е1-Е6 синтез прерывался спустя 14.5, 40, 47, 26, 35, и 30 часов, соответственно.

c) значения отношения у < 1 (эксперименты Е4-Е6) является непрактичным с экономических позиций.

d) переменные х,-х5 использовались при обозначении соответствующих площадей, относящихся к выходу целевого продукта реакции.

Состав реакционной смеси определялся на основании интегральных значений площади под хроматографичесими пиками, соответствующими субстрату реакции [U] и целевому продукту [Р]. Относительные концентрации целевого продукта Р и субстрата U были вычислены по формуле:

р/(и0 -р) = к Sp/Su,

где: р обозначает количество (в молях) продукта реакции Р и Sq обозначает интегральную площадь под хроматографическим пиком компонента Q (Q = P, U). В расчетах мы полагали к =1 в то время как, в принципе, коэффициент к может быть отличен от единицы (в случае если площадь под пиком отражает количество субстанции с её особенным фактором пропорциональности). Выход целевого соединения может быть вычислен по формуле:

j> = 100 p/min{uo,ao}

или

у = 100Sp/(Sp + Sv) * щ/тт{и0, а0} Значение min{u0, а0} обозначает меньший элемент из пары и0 и а0 . Математическая обработка полученных данных была выполнена с использованием программного обеспечения института SAS10.

10 SAS Institute Inc., Cary, U.S.A. (www.sas.com)

Контурные графики у (Рис. 1) недвусмысленно указывают на возможность достижения высокого выхода (у свыше 90 %), в случае если реакция проводится как при низких значениях сц и у так и при высоких значениях Сц и у.

у yield [%)

Рисунок 1 - Зависимость выхода продукта Р от переменных х4 (концентрация соединения II) и х5 (исходные соотношения компонентов А и II).

Для улучшения контроля процесса получения продукта Р в различных условиях реакции, выполнен хроматографический контроль изменения состава реакционной массы во времени. Данные по образцам из эксперимента Е2 представлены на Рис. 2 и обозначены квадратиками или ромбами.

Рисунок 2 - Зависимость конверсии исходного соединения ¿7 от продолжительности реакции в условиях эксперимента Е2

Содержание отдельных компонентов определено на основании площади под соответствующими пиками на хроматографической кривой и приведенными как отдельная «фракция» общей площади под всеми пиками на хроматограмме. С использованием техники ВЭЖХ-МС и вэжх-МС/МС-спеюрометрии было показано, что основной реакции сопутствуют также три побочные. Сольволиз исходного производного пиримидина под действием растворителя, при основном катализе амином, с образованием 6-бензил-5-метил-2-[(2-

этоксиэтокси)этокси]пиримидин-4(ЗД)-°на (продукт СЬ):

Кроме этого, наблюдается гидролиз исходного производного пиримидина следами влаги, присутствующими в системе с образованием 6-бензил-5-метилпиримидин-2,4( 1 #,ЗЯ)-диона (продукт СЪ):

Наконец, при увеличении времени реакции в присутствии избытка амина происходит аминолиз пиримидинового гетероцикла с образованием АЧ 2-

фенилэтил)-2-метил-4-фенил-3-({[(2-фенилэтИл)амино](имино)метил}амино)бут-2-

енамида (продукт Qз):

Основываясь на представленной модели, можно предположить, что реакция достигает своего локального максимума при выходе целевого продукта Р в районе 80%, спустя 48 часов от начала нагревания. Увеличение продолжительности процесса лишь незначительно способствует повышению выхода целевого продукта (на 3-4%) и влечет за собой также возможность последующего снижения выхода продукта Р вследствие его разложения.

На основании определения взаимосвязи выхода целевого продукта с концентрацией, соотношением реагентов и временем реакции, с использованием

расчетной модели, скорректированной по экспериментальным данным, были найдены условия получения максимального выхода целевого вещества. 2.4. Квантово-химическое DFT-исследовапие механизма реакции аминолиза 6-метил-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(З.Н)-она н-пропиламином".

Для подтверждения гипотезы о механизме каталитического действия растворителя, был использован квантово-химический расчет модельной реакции: взаимодействия пропан-1-амина с 6-метил-2-(метаисульфанил)пиримидин-4(ЗЯ)-оном в 2-(2-этоксиэтокси)этаноле, основанный на теории функционала плотности. Было установлено, что аминолиз это - каскадный процесс, включающий в себя стадии нуклеофильного присоединения амина (механизм An) и последующего элиминирования меркаптана по механизму Elci,:

о

rV •

ДА-»

¡г • i"""0""!

г v

и н

О Ms

ш

J и» ti

(

й-""4»

г А

гу<*

н У

Согласно данным расчета, растворитель, который может рассматриваться как укороченное призводное поданда (открытоцепной аналог корона-эфира), образует сольватный комплекс с молекулой амина, который, осуществляет нуклеофильную атаку на атом углерода С2 пиримидинового гетероцикла (образуя переходное состояние TS3), вследствие чего, реализуется механизм 1,4-присоединения и образуется переходный комплекс с переносом заряда (Intermediate А). В результате смещения электронной плотности в сторону метилсульфанильной группы с образованием переходного состояния TS4, происходит гетеролиз связи C2-S, сопровождающийся анионоидным отрывом метилсульфанильной группы (инвариант механизма элиминирования Е1сь, дополненного явлением винилогии) и её протонированием. В результате, образуется сольватный комплекс продукта реакции, а метилмеркаптан удаляется из реакционной массы в газообразной форме.

" Автор выражает глубокую признательность академику РАН В.И. Минкину и к.х.н. Д.В. Стегленко за помощь в выполнении квантово-химических расчетов.

2.5. Энзиматические исследования новых производных 2-амино-5-алкил-6-бензилпиримидин-4(ЗД)-она12. В продолжение начатых нами ранее работ по созданию новых высокоактивных ингибиторов репликации ВИЧ-1, действующих как ненуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы (ОТ) вируса, был получен и исследован ряд веществ - производных 2-амино-6-бензилпиримидин-4(ЗД)-она. Полученные соединения явились промежуточными структурами, между описанными ранее производными р2-М7-ДАБО (2-(алкиламино)-6-(2,6-дифторбензил)пиримидин-4(ЗД)-онами) и 2-[(арилалкил)сульфанил]-пиримидин-4(3#)-онами, в качестве внешнего стандарта при биологических исследованиях этих веществ был использован применяющийся в клинике ингибитор обратной транскриптазы ВИЧ-1 - Невирапин (Вирамун ®).

Таблица 2 - Данные биологических исследований соединений 25-34 in vitro

№ образца R1 R2 R3 R4 К/,цМ

25 Н Н СН3 с6н5сн2сн2 32,1

26 н н СН3 4-FC6H4CH2CH2 25,6

27 н н СН3 4-СНзОС6Н4СН2СН2 29,6

28 н н СН3 сбн5сн2сн2сн2 41,7

29 н н СН3 1-C10H15CHJ >200

30 н н СН3 l-CioHi5CH2CH2 >200

31 н н СНз 1-С10Н15СН2СН(СНз) >200

32 F F СН3 СбН5СН2СН2 0,46

33 F С1 СН3 СбН5СН2СН2 0,93

34 F С1 (СН3)2СН 4-СНзОСбН4СН2СН2 4,20

Невирапин 4,20

К/ - константа ингибирования гомодимера обратной транскриптазы ВИЧ-1 дикого типа.

Таким образом, было установлено, что введение каркасного заместителя в структуру радикала при экзоциклическом атоме азота полностью нивелирует

12 Автор выражает глубокую признательность чл.-корр. РАН, профессору Кочеткову С.Н. и сотрудникам «Лабораториимолекулярных основ действия физиологически активных соединений» ИМБ им. В.А. Энгельгардга РАН за помощь в выполнении энзиматических исследований.

ингибирующую активность полученных веществ. В то же время, переход к ароматическим аналогам этих соединений приводит к получению активных производных. Замещение ароматического ядра в арилалкильном радикале при атоме Ы2, не приводит к существенным изменениям биологической активности полученных веществ. На биологическую активность полученных веществ умеренное влияние оказывает длина углеводородного моста, разделяющего бензольное ядро: так, производное 2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(ЗЯ)-она несколько превосходит по активности соответствующий 3-фенилпропил-замещенный аналог.

Выраженное влияние на ингибирующие свойства синтезированных соединений, оказывает замещение ароматического ядра бензильного радикала в положении С6 пиримидин-4(3#)-онового фрагмента. Наименьшую активность проявляет 2-[(2-фенилэтил)амино]-б-бензилпиримидин-4(ЗЛ)-он, в то время как 6-(2-фтор-6-хлорбензил)- и 6-(2,6-дифторбензил)-замещенные аналоги обладают в -35 и в -70 раз более выраженной активностью. В целом, эти результаты соответствуют полученным ранее данным для производных ряда 5-ДАБО, когда 2,6-дигалогенбензил-замещенные производные превосходят по активности незамещенные бензильные аналоги.

Радикал в положении С5 пиримидинового фрагмента также оказывает влияние на биологическую активность целевых веществ: переход от 5-метил к 5-изопропил-замещенному производному, сопровождается снижением активности.

Таким образом, полученные производные 6-бензилизоцитозина обладают как чертами сходства, так и различия со структурно родственными анти-ВИЧ-1 агентами, что может указывать на специфический, отличный от описанных ранее соединений этого ряда, способ связывания с аллостерическим участком обратной транскршггазы ВИЧ-1. Целесообразным представляется исследование молекулярного докинга этих веществ, а также - дальнейший направленный поиск высокоактивных ингибиторов репликации ретровирусов на их основе.

Веществом-лидером, согласно проведенным исследованиям, оказался 6-бензил-5-метил-2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(3#)-он, превосходящий

применяемый в клинике ненуклеозидный ингибитор в обратной транскриптазы -Невирапин (Вирамун®) в -10 раз. Это позволяет рассматривать полученное нами

соединение, как родоначальник нового класса высокоактивных ингибиторов репликации ВИЧ-1 - производных 2-[(со-арилалкил)амино]пиримидин-4(3//)-она. Глава 3. Экспериментальная часть. Содержит подробное описание методов синтеза целевых соединений и изучения ингибирующей активности полученных впервые производных 5-алкил-2-амино-б-бензилпиримидин-4(ЗЯ)-она по отношению к гомодимеру обратной транскриптазы дикого штамма ВИЧ-1.

Выводы

1. Впервые, с использованием реакций региоселективной С1-функционализации производных пиримидин-4(ЗД)-она в основных средах, получен ряд высокоэффективных ингибиторов обратной транскриптазы ВИЧ-1 - производных 2-[(са-арилалкил)амино]пиримидин-4(ЗЯ)-она и полупродуктов в синтезе аналогов соединения МКС-442 - 5-алкил-6-(2,6-дигалогенбензил)пиримидин-2,4(1#,3#)-дионов.

2. С использованием ОРТ-расчетов объяснено, каталитическое влияние 2-(2-этоксиэтокси)этанола в реакции аминолиза производных 2-(метилсульфанил)пиримидин-4(ЗЛ)-она. Реакция протекает по механизму А/гЕ1сЬ с невысокими барьерами энергии активации, обусловленными участием в процессе хелатных комплексов растворителя с амином, а далее -хелатированных переходных состояний процесса, что обеспечивает высокую региоселективность аминолиза.

3. Впервые показано, что аминолиз производных 2-(метилсульфанил)пиримидин-4(З.Н)-она в присутствии избытка амина может не останавливаться на образовании производных 2-аминопиримидин-4(3//)-она, а продолжается далее с разрывом пиримидинового гетероцикла. На основании исследования этой реакции, найдены условия, позволяющие получить наиболее высокий выход целевого продукта.

4. С использованием ОРТ-расчетов установлено, что реакция протекает в соответствии со сложным многоступенчатым механизмом, родственным механизму перегруппировки Смайлса в ароматическом ряду. Предложенный механизм реакции был подтвержден с помощью выделения интермедиата

синтеза - производных 2-[(2-гидроксиропил-1)сульфанил] пиримидин-4(3//)-онов. Стабильность этих интермедиатов во многом определяется эффектом Натана-Бейкера, связанным с природой заместителя при С^пиримидинового гетероцикла.

5. На основе данных биологических исследований полученных впервые производных изоцитозина, установлена их способность эффективно ингибировать активность ревертазы ВИЧ-1 и выявлено соединение-лидер -

б-(2,6-дифторбензил)-5-метил-2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(ЗЯ)-он

(прототип нового ряда высокоактивных ингибиторов обратной транскриптазы ВИЧ-1 - производных 2-[(ш-арилалкил)амино]пиримидин-4(ЗН)-она), превосходящий по своей активности Неирапин (Вирамун®) в -10 раз.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в журналах, включенных в перечень ВАК

1. Эффективный твердофазный синтез производных изоцитозина / И.А. Новаков, Б.С. Орлинсон, Р.В. Брунилин, М.Б. Навроцкий, Е.А. Гордеева, E.H. Савельев, E.H. Герасимов // Химия гетероциклических соединений. - 2009. -№11.-С. 1697-1701.

2. Синтез новых производных 5-алкил-6-(2,6-дигалогенбензил)-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(3//)-она и особенности их окисления / И.А. Новаков, Б.С. Орлинсон, М.Б. Навроцкий, A.C. Еремийчук, Л.Л. Брунилина, Е.А. Гордеева, E.H. Герасимов // Журнал органической химии. - 2010. - Т. 46, вып. 11.-С. 1684-1987.

3. Взаимодействие 5-метил-6-(2-тиенилметил)-2-тиоксо-2,3-дигидропирими-

дин-4(1Я)-она с а- и р-(хлоралкил)сульфидами / И.А. Новаков, Б.С. Орлинсон, М.Б. Навроцкий, Л.Л. Брунилина, E.H. Герасимов // Журнал органической химии. -2011. - Т. 47, вып. 2. - С. 318-320.

4. Синтез и биологическая активность новых производных 6-бензилизоцитозина: ненуклеозидных ингибиторов обратной транскриптазы ВИЧ-1 / В.Т. Валуев-Эллистон, A.B. Иванов, Б.С. Орлинсон, E.H. Герасимов, Л.Л. Брунилина, С.Н. Кочетков, И.А. Новаков, М.Б. Навроцкий // Химико-фармацевтический журнал. - 2012. - Т. 46, № 7. - С. 11-14.

5. Синтез и исследование новых 6-[галоген(дифенил)метил]- и 6-(тиофен-2-илметил)пиримидин-4(3#)-онов - вероятных ингибиторов обратной транскриптазы ВИЧ-1 / В.Т. Валуев-Эллистон, A.B. Иванов, Б.С. Орлинсон, E.H. Герасимов, Л.Л. Брунилина, Е.К. Захарова, С.Н. Кочетков, И.А. Новаков, М.Б. Навроцкий // Известия Академии наук. Серия химическая. - 2013. - № 3. - С. 796-800.

6. Синтез и исследование биологической активности новых производных 8-{[(адамант-1-ил)алкил]амино}теофиллина / В. Т. Валуев-Эллистон, Е. Н. Савельев, А. В. Иванов, Б. С. Орлинсон, Е. Н. Герасимов, Е. К. Захарова, Л. Л. Брунилина, С. Н. Кочетков, И. А. Новаков, М. Б. Навроцкий // Известия Академии наук. Серия химическая. - 2013. - № 11. - С. 2544-2546.

Тезисы докладов

7. Твёрдофазный синтез новых производных изоцитозина / Гордеева Е.А., Герасимов E.H., Новаков И.А., Орлинсон Б.С., Навроцкий М.Б. // XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 11-14 нояб. 2008 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 17-20.

8. Carbitol influence on the reaction mechanism of 6-methyl-2-(methylsulfanyl)pyrimidin-4(3//)-one aminolysis: a DFT study / Стегленко Д.В., Навроцкий М.Б., Орлинсон Б.С., Новаков И.А., Герасимов E.H. // High-spin Molecules and Molecular Magnets = Высокоспиновые молекулы и молекулярные магнетики : abstr. of VI Int. Conf., Sept. 8-13, 2012, Rostov on Don = тез. докл. VI междунар. конф., Ростов н/Д, 8-13 сенг. 2012 г. / Юж. науч. центр РАН [и др.]. -Ростов н/Д, 2012. - С. 142. - Англ.

9. Синтез и анти-ВИЧ-1 активность новых метоксилированных производных ряда ДАБО / Новаков И.А., Орлинсон Б.С., Захарова Е.К., Герасимов E.H., Мирошников С.А., Rotiii D., Este J.A., Навроцкий М.Б., Mai А. // Тезисы докладов IX всероссийской конференции «Химия и медицина» с Молодёжной научной школой по органической химии (Уфа-Абзаково, 4-8 июня 2013 г.) : посвящ. 50-летию Химического ф-та Башкирского гос. ун-та / Ин-т органической химии Уфимского науч. центра РАН, Башкирский гос. ун-т [и др.]. - Уфа, 2013. - С. 249.

10. Структурная оптимизация соединений - лидеров ряда ДАБО: развитие класса высокоактивных анти-ВИЧ агентов / Новаков И.А., Орлинсон Б.С., Mai А., Rotiii D., Artico M., Este J.A., Maga G., Захарова E.K., Мирошников С.А., Герасимов

E.H., Навроцкий М.Б. // Первая Российская конференция по медицинской химии (MedChem Russia-2013) с международным участием (Москва, 8-12 сент. 2013 г.) : сб. тез. / МГУ им. М.В. Ломоносова, РХО им. Д.И. Менделеева, Ин-т физиологически активных веществ РАН [и др.]. - М., 2013. - С. 105.

11. Направленный синтез гибридных анти-ВИЧ-1 агентов на основе производных 6-бензилпиримидин-4(ЗД)-она / Новаков И.А., Орлинсон Б.С., Брунилина Л.Л., Герасимов E.H., Захарова Е.К., Навроцкий М.Б. // XVI молодёжная школа-конференция по органической химии, г. Пятигорск, 14-16 сент. 2013 г. : сб. науч. ст. / Ин-т органического синтеза им. И.Я. Постовского УРО РАН, Сев.-Кавк. федеральный ун-т, Уральский федеральный ун-т [и др.]. - Ставрополь, 2013. - С. 18.

12. Синтез и анти-ВИЧ-1 активность новых производных 8-{[(1-адамантил)алкил]амино}теофиллина / Новаков И.А., Орлинсон Б.С., Брунилина Л.Л., Герасимов E.H., Захарова Е.К., Навроцкий М.Б. // Новые направления в химии гетероциклических соединений : [матер.] третьей междунар. науч. конф., Пятигорск, 17-21 сент. 2013 г. / РФФИ, Южный научный центр РАН, СевероКавказский федеральный ун-т. - Пятигорск, 2013. - С. 245.

Патент.

13. Пат, 2435758 РФ, МПК С 07 D 213/79. Способ получения этилового эфира 3-оксо-3-(2,6-дихлорпиридин-3-ил) пропановой кислоты / И.А. Новаков, Б.С. Орлинсон, М.Б. Навроцкий, E.H. Герасимов, A.C. Яблоков, Е.А. Шинкаренко; ВолгГТУ. - 2011.

Подписано в печать 22.11.2013 г. Заказ № 800. Тираж 100 экз. Печ.л. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201455120

Герасимов Евгений Николаевич

РЕГИОСЕЛЕКТИВНАЯ С2-ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ПИРИМИДИН-4(3//)-ОНА В ОСНОВНЫХ СРЕДАХ

02.00.03 - Органическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель доктор химических наук, доцент

Навроцкий Максим Борисович.

Научный консультант академик РАН, доктор химических наук

Новаков Иван Александрович.

Волгоград -2013

Оглавление

Введение.................................................................................. 4

Глава 1. Обзор литературы........................................................... 8

Раздел 1.1. Взаимодействие производных 2-(алкилмеркапто)

пиримидин-4(3//)-она с ароматическими аминами.................. 9

Раздел 1.2. Взаимодействие производных 2-

(алкилмеркапто)пиримидин-4(3#)-она с сульфонамидами........ 18

Раздел 1.3. Взаимодействие производных 2-

(алкилмеркапто)пиримидин-4(3/У)-она с алифатическими

аминами и их функциональными производными..................... 19

Раздел 1.4. Взаимодействие производных 2-

(алкилсульфанил)пиримидин-4(3//)-она с производными

гидразина и гуанидина..................................................... 23

Раздел 1.5. Взаимодействие производных 2-тиоксо-1,2-

дигидропиримидин-4(3//)-она с азотистыми нуклеофилами...... 25

2 2

Раздел 1.6. Обмен связи С -8 на С-О в производных пиримидин-

4(ЗЯ)-она...................................................................... 28

2 2

Раздел 1.7. Обмен связи С =8 на С -О в производных 2-тиоксо-1,2-дигидропиримидин-4(3//)-она под действием

монохлоруксусной кислоты (МХУК)................................... 29

2 2

Раздел 1.8. Обмен связи С =8 на СГ=0 в производных 2-тиоксо-1,2-дигидропиримидин-4(3//)-она под действием сильных окислителей.................................................................. 32

9 2

Раздел 1.9. Обмен связи С"-8 на СГ=0 в производных

(алкилсульфанил)пиримидин-4(3#)-она под действием кислот.. 38

Глава 2. Обсуждение результатов................................................... 43

Раздел 2.1. Выбор структур целевых соединений.................................. 43

Раздел 2.2. Получение ключевых полупродуктов синтеза и целевых

производных изоцитозина и урацила........................................ 50

Раздел 2.3. Кинетические исследования реакции аминолиза 6-бензил-5-

метил-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(ЗЯ)-она фенетиламином..... 58

Раздел 2.4. Квантово-химическое ОРТ-исследование механизма реакции аминолиза 6-метил-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(ЗЯ)-она н-пропиламином..................................................................... 65

Раздел 2.5. Квантово-химическое ОРТ-исследование механизма реакции десульфуризации 6-бензил-2-тиоксо-1,2-дигидропиримидин-4(ЗЯ)-

она а-пропиленоксидом......................................................... 81

Раздел 2.6. Энзиматические исследования новых производных 5-алкил-6-

бензилизоцитозина................................................................ 88

Глава 3. Экспериментальная часть................................................. 93

Выводы.................................................................................... 113

Список литературы..................................................................... 115

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Структурный элемент пиримидин-4(3//)-она входит в состав ряда веществ, обладающих практически полезными свойствами, а также - природных продуктов, играющих важную роль в функционировании живых систем. Характерными примерами соединений природного происхождения, содержащими этот фрагмент, являются нуклеиновые основания пиримидинового и пуринового рядов: гуанин, урацил и тимин. В то же время, существует значительное многообразие химических соединений, имеющих важное прикладное значение, также являющихся производными пиримидин-4(3//)-она. Среди них лидирующее место занимают фунгициды {диметиримол [5-бутил-2-(диметиламино)-6-метилпиримидин-4(3//)-он] и ряд его структурных аналогов} и лекарственные препараты [например, бропиримин (2-амино-5-бром-6-фенилпиримидин-4(3#)-он)]. Не следует также забывать и о широком практическом применении аннелированных производных пиримидин-4(3//)-она. К последним относятся высокоэффективные противогерпетические препараты - ацикловир - [(2-гидроксиэтокси)метил]-замещенное производное имидазоаннелированного 2-аминопиримидин-4(3//)-она, и ряд его структурных аналогов; транквилизатор метаквалон - 2-метил-3-(2-метилфенил)хиназолин-4(3//)-он (бензаннелированный аналог) и ряд родственных соединений. Таким образом, можно заключить, что практическая ценность производных пиримидин-4(3/^)-она - несомненна.

К настоящему времени синтезирован и изучен ряд функциональных производных пиримидин-4(3#)-она, однако, для выбора методологии синтеза, а также конечного предназначения целевого соединения, важна природа заместителя в положении 2 пиримидинового гетероцикла. Известно много подходов к функционализации положения С в ядре пиримидин-4(3//)-она, но нельзя не обратить внимание на то, что большинство таких превращений изучены чисто эмпирически. Иными словами, для значительного числа реакций, лежащих в основе введения или модификации

функциональной группы в положении 2 производных пиримидин-4(3//)-она, до сих пор отсутствуют однозначные представления об их механизме. В то же время, современное развитие инструментальных и расчетных методов, а также - подходов математической химии позволяет восполнить этот пробел. Отсюда следует цель настоящей диссертационной работы.

Цель: экспериментальное выявление и теоретическое обоснование особенностей региоселективной С -функцинализации потенциально значимых производных пиримидин-4(3//)-она в основных средах.

Задачи:

1. Направленный синтез новых ненуклеозидных ингибиторов обратной

транскриптазы ВИЧ-1 и ключевых полупродуктов их получения с

2

использованием реакций региоселективной С -функцинализации производных пиримидин-4(3#)-она в основных средах.

2. Изучение влияния условий реакции 6-бензил-5-метил-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(3/7)-она и 2-фенилэтанамина в среде 2-(этоксиэтокси)этанола на региоселективность процесса и выход 6-бензил-5-метил-2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(3//)-она и квантово-химическое исследование механизма аминолиза с

использованием положений теории функционала плотности.

? 2

3. Исследование условий замены связи С~=8 на связь С =0 в 5,6-дизамещенных производных 2-тиоурацила с использованием 2-метилоксирана и квантово-химическое изучение механизма этой реакции с использованием положений теории функционала плотности.

4. Энзиматические исследования полученных впервые производных 2-амино-6-бензилпиримидин-4(3//)-она с использованием рекомбинантного гомодимера обратной транскриптазы ВИЧ-1.

Научная новизна работы. Впервые экспериментально показано и теоретически обосновано стабилизирующее влияние растворителя по отношению к переходным состояниям реакции аминолиза производных 2-(метилсульфанил)пиримидин-4(ЗЛ)-она алифатическими и жирно-ароматическими аминами. Методом ЭРТ с использованием функционала ВЗЬУР и базиса 6-311++0** было установлено, что проведение реакции в среде 2-(этоксиэтокси)этанола как растворителя, проходит по механизму «присоединение-отщепление» АдгЕ1сь через два хелатированных переходных комплекса с невысоким энергетическим барьером. В результате этого, параллельно возрастает также степень региоселективности всего процесса.

Впервые экспериментально исследовано превращение 5-алкил-6-бензил-2-тиоксо-1,2-дигидропиримидин-4(3//)-онов в 5-алкил-6-

бензилпиримидин-2,4( 1/7,3 Я)-онов с использованием 2-метилоксирана в водно-щелочном растворе. Методом БРТ с использованием функционала ВЗЬУР и базиса 6-311++С** был спрогнозирован и теоретически обоснован вероятный механизм этого процесса.

Практическая значимость работы. На основании исследования влияния многопараметровых условий реакции 6-бензил-5-метил-2-(метилсульфанил)пиримидин-4(3#)-она 2-фенилэтанамина в среде 2-(этоксиэтокси)этанола, найдена возможность оптимизации этого процесса, для получения максимального выхода целевого 6-бензил-5-метил-2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(3//)-она.

На основании данных биологических исследований полученных впервые производных 5-алкил-6-бензилизоцитозина, с использованием изолированного рекомбинантного гомодимера обратной транкриптазы ВИЧ-1, выявлено вещество-лидер - 6-(2,6-дифторбензил)-5-метил-2-[(2-фенилэтил)амино]пиримидин-4(3//)-он, существенно превосходящий по активности применяемый в клинике ненуклеозидный ингибитор обратной транскриптазы ВИЧ-1 - Невирапин (Вирамун®). Это соединение и другие

производных 2-[(со-арилалкил)амино]пиримидин-4(3//)-она, могут рассматриваться как прототипы нового ряда высокоактивных ингибиторов репликации ВИЧ-1 ненуклеозидной природы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XIII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 11-14 ноября 2008 г.), VI Международной конференции «Высокоспиновые молекулы и молекулярные магнетики» (г. Ростов-на-Дону, 8-13 сентября 2012 г.), IX Всероссийской конференции «Химия и медицина» с Молодёжной научной школой по органической химии (Уфа-Абзаково, 4-8 июня 2013 г.), I Российской конференции по медицинской химии МеёСЬеш Кш81а-2013 (г. Москва, 8-12 сентября 2013 г.), XVI Молодёжной школе-конференции по органической химии (г. Пятигорск, 14-16 сентября 2013 г.), III Международной научной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Пятигорск, 17-21 сентября 2013 г.).

Публикации. По содержанию диссертации опубликовано 6 статей в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, 6 тезисов научных докладов, получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, посвященного методам С -функционализации производных пиримидин-4(3//)-она, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста и содержит 7 таблиц, 9 рисунков, 295 литературных ссылок.

Настоящая работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-0300144/13 и гранта 14.В37.21.0826 в рамках реализаг^ии программы стратегического развития ФГБОУ ВПО ВолгГТУ на 2012-2014 годы и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы.

ГЛАВА 1. Способы замещения С2- л-связи на или -связь

неаннелированных производных пиримиин-4(3//)-она (аналитический обзор литературы)

Основа современных подходов трансформации производных 2-

меркаптопиримидин-4(ЗЯ)-она [2-тиоурацила (2-тиоксо-1,2-

дигидропиримидин-4(3//)-она) и их £-функционализированных

производных] в соответствующие производные изоцитозина (2-

аминопиримидин-4(3//)-она) и урацила (пиримидин-2,4(1//,3#)-диона) была

заложена еще в конце 1890-х-начале 1900-х годов.

При этом, наибольшая часть известных методов, имеющих

практическое значение, так или иначе, строится на сочетании реакций

1 2

нуклеофильного присоединения по кратной связи N =С по механизму Ам, с

последующим анионоидным отрывом заместителя, находившегося

первоначально в положении 2 гетероциклического остова и сопутствующим

1 2

замыканием кратной связи N =С (механизм Е1сЬ). Таков, в общем виде, каскадный механизм региоселективной С -функционализации производных пиримидин-4(3//)-она. Несмотря на некоторую общность данного механизма для различных примеров превращений указанного типа с позиций классической органической химии, существует ряд определенных (а зачастую - и определяющих направление реакции) нюансов, зависящих от химической природы конкретных соединений.

Производные изоцитозина в большинстве случаев сами являются целевыми веществами, имеющими широкое практическое применение, в то время как производные урацила, зачастую, имеют более ограниченное практическое значений и/или используются как полупродукты в синтезе более сложных органических молекул. В этой связи, видится более логичным

начать рассмотрение нижеследующего материала именно с реакций обмена

2 2 С -5"-связи неаннелированных производных пиримиин-4(3//)-она на С -И-

связь.

Начиная рассмотрение данного материала, хотелось бы особо отметить, что наибольший интерес в ключе настоящей работы представляют вещества с неизмененной пептидной группировкой С4(0)М3Н в составе пиримидин-4(3//)-онового фрагмента. Это связано с тем, что, с одной стороны, эта группировка придает исходным соединениям умеренную М/-кислотность, а с другой стороны - обусловливает возможность их прототропной таутомерии, протекающей по механизму 1,3-гидридного сдвига (иными словами, устанавливается динамическое равновесие 4(3Н)- и 4(1//)-форм этих веществ). Первое свойство особенно важно в контексте рассматриваемых реакций, так как открывает возможность к протонированию нуклеофильной частицы. Эта реакция, в свою очередь приводит к возрастанию резистентности исходного производного пиримидина, за счет перехода в анионную форму. В то же время, нуклеофильная частица теряет свою нуклеофильность, что является дополнительным барьером к протеканию целевой реакции. К несчастью, в большинстве случаев (например, в качестве противиовирусных средств) наибольшее значение представляют именно производные пиримидин-4(3//)-она с неизмененной пептидной группировкой С4(0)1М3Н в составе гетероциклического остова молекулы. Хотелось бы сразу оговориться, что в настоящем обзоре не рассматриваются аннелированные аналоги пиримидинов, в силу сложных и неоднозначных электронных влияний конденсированной циклической системы, зависящих от её химической природы. Это явление, в свою очередь, существенным образом влияет на специфику протекания целого ряда реакций с участием этих веществ, что вполне может явиться темой для отдельной обзорной работы.

Раздел 1.1. Взаимодействие производных 2-(алкилмеркапто)пиримидин-

4(3//)-она с ароматическими аминами

Невысокая основность ароматических аминов, связанная с отрицательным резонансным эффектом ароматического ядра, связанного с

атомом азота, не позволяет рассматривать эти вещества как эффективные тУ-нуклеофилы. Вместе с тем, прямая трансформация ¿>-этил-2-тиоурацила в Ы2-фенилизоцитозин [1], явилась первым примером реакции такого типа:

Этот исторический аспект обосновывает начало рассмотрения реакций обмена С^-связи неаннелированных производных пиримиин-4(3#)-она на С -TV-связь, именно со взаимодействий с ароматическими аминами. Пионерские работы T.B. Johnson и соавторов 1906-1936 гг. [1-4], все как одна, описывают прямое взаимодействие производного пиримидина и производного анилина в эквимолярных количествах, в отсутствии растворителя при температуре около 100°С. В то же время, в репрезентативности этих данных позволяют усомниться результаты более поздней работы F.H.S. Curd и F.L. Rose [5], где для проведения аналогичных реакций в отсутствие растворителя, рекомендуются значительно более жесткие условия (130-190°С). 6-Метил-2-[(4-

метоксифенил)амино]пиримидин-4(3//)-он был получен таким образом с входом 89%:

130-С 24 часа

-СН3 4-CH3OC6H4NH2

Примечателен тот факт, что с данными F.H.S. Curd и F.L. Rose согласуются данные целого ряда других работ. Например, взаимодействие 5",6-диметил-2-тиоурацила с анилином в отсутствие растворителя Т. Matsukawa и К. Sirakawa рекомендуют проводить при 190°С [6], A.B. Еркин и В.И. Крутиков - при 160°С [7] с выходом 33%, a A.-S.M. Abdel-Fattah и соавторы - при 140°С [8] с выходом 69%. Согласно данным A.B. Еркина и соавторов, та же реакция, при условии замены анилина на пара-толуидин проводится при 160°С и дает выход целевого продукта 54% [9]. Производные

5-метил-6-фенил-2-тиоурацила реагируют с анилином в течение 3-4 часов при температуре 170-190°С с образованием целевых продуктов с выходом 4380%, например:

43%

При этом, наличие дополнительной циано-группы в положении 5 пиримидинового ядра, судя по данным работ [10, 11], не оказывает заметного влияния на условия проведения реакции и выход целевого продукта, по сравнению с незамещенным аналогом [12]. Такое наблюдение, однако, не вполне согласуется с данными К. Огекл и соавторов, которым удается в более мягких условиях проводить реакцию различных анилинов с 5-(карбэтокси)-6'-метил-2-тиоурацилом [13]:

98%

Очевидной причиной этому является наличие ориентанта второго рода - карбэтокси-группы в идра-положение к метилсульфанилу. В данном случае облегчается замещение последней группы по мехнизму «присоединения-отщепления» за счет, вызванное обеднением атома С пиримидинового гетероцикла электронной плотностью. Существенно сократить время реакции производного 6-фенил-5-циано-2-тиоурацила с анилином, позволяет введение (карбэтокси)метильной группы при атоме серы, взамен метального радикала [14], хотя процесс также проводится при 170°С:

67%

Карбэтокси-группа обладает отрицательным индуктивным эффектом, в результате чего [(карбэтокси)метил]сульфанил является лучшим нуклеофугом, чем метилсульфанил, что объясняет наблюдаемое уменьшение времени реакции.

Взаимодействие производных 6-бензил-5-метил-2-тиоурацила с различными производными анилина в отсутствие растворителя описано А. Mai и соавторами [15, 16]. Реакция проводится в течение 8 часов при температуре 130-170°С в большом избытке амина. Целевые соединения образую