Синтез и фунгицидная активность азааналогов β-метоксиакрилатных антибиотиков тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева

На правах рукописи УДК 547.484.34'467+547.773

ЗАХАРЫЧЕВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

СИНТЕЗ И ФУНГИЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ АЗААНАЛОГОВ р-МЕТОКСИАКРИЛАТНЫХ АНТИБИОТИКОВ

(02.00.03 — органическая химия)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Л.В.Коваленко

Москва 1998

Оглавление

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

1. Литературный обзор......................................................................................10

1.1. Природные метоксиакрилатные ингибиторы.....................................10

1.2. Биологическая активность природных соединений...........................15

1.3. Синтетические аналоги стробилурина и связь их активности со структурой................................................................................................................20

1.4. Синтез аналогов стробилурина.............................................................31

1.5. Заключение..............................................................................................40

2. Обсуждение результатов...............................................................................41

2.1. Конденсация а-этоксиметиленацилуксусных эфиров с л-бромбензоил- и бензилиденгидразином..........................................................41

2.2. Конденсация эфиров а-алкоксииминоацилуксусных кислот с аминами, гидразинами и гидроксиламинами.....................................................49

2.2.1. Получение эфиров а-гидроксиимино- и а-алкоксииминоацилуксусных кислот.............................................................49

2.2.2. Получение метиламида а-метоксииминоацетоуксусной кислоты50

2.2.3. Конденсация производных а-гидрокси- и а-алкоксииминоацил-уксусных кислот с ацилгидразинами...............................................................51

2.2.4. Конденсация эфиров а-метоксииминоацетоуксусной кислоты с гидразонами альдегидов и гидразином............................................................54

2.2.5. Синтез О-арилметилоксимов метилового эфира а-метоксииминоацетоуксусной кислоты.........................................................61

2.2.6. Конденсация эфиров а-алкоксииминоацетоуксусной кислоты с другими ТУ-нуклеофилами..................................................................................67

3. Биологические испытания...........................................................................69

4. Экспериментальная часть.............................................................................77

Выводы..............................................................................................................103

Литература........................................................................................................105

Введение

Население Земного шара быстро растет. По прогнозам к 2000 году оно достигнет 7 миллиардов человек, а к 2035 году — еще удвоится [1]. Поэтому производство достаточного количества продуктов питания является одной из насущных проблем современности. Не последняя роль в решении этой проблемы принадлежит применению пестицидов.

Однако резкое ухудшение экологической обстановки вызвало большую обеспокоенность общественности, которая в значительной мере связывает этот процесс со все возрастающими объемами химизации земледелия. Несмотря на то, что реальная роль пестицидов в общем загрязнении окружающей среды весьма незначительна, с этим нельзя не считаться. К тому же недооценивание экологического риска при использовании пестицидов неоднократно приводило к серьезным трагедиям и самым громким скандалам — хорошо известны последствия применения дефолианта Agent Orange, хлорорганических инсектицидов, регулятора роста растений алара. По роковой случайности крупнейшие химические катастрофы нынешнего столетия — аварии в Севезо и Бхопале — связаны с производством пестицидов.

С другой стороны, отсутствие средств защиты растений от вредителей и болезней приводило к не менее трагическим результатам. В результате вспышки фитофтороза картофеля в Западной Европе в 1845—1847 гг. только в Ирландии от голода и его последствий погибло около 1 млн. человек, 2,5 млн. были вынуждены эмигрировать в Америку. Подобная ситуация возникла через много лет в Чили, но к тому времени были разработаны защитные меры и эпифитотию удалось локализовать. Голод в 1943 г. в Бенгалии, вызванный гибелью посевов риса от гельминтоспориоза, унес 2 млн. жизней.

Потери сельскохозяйственной продукции от вредных организмов имеют и большое экономическое значение. Так, в конце XIX в. страны Латинской Америки выращивали 85% мирового объема бобов какао. Однако в 1964 г. их производство упало до 20% вследствие поражения этой культуры «ведьмиными метлами». Теперь в этом районе культура шоколадного дерева имеет второстепенное значение. Нашествие саранчи в африканских странах в 1988 г. причинило огромный ущерб сельскому хозяйству. Вообще, мировые потери от болезней и вредителей оцениваются в 35 % потенциальной урожайности, а в развивающихся странах они составляют примерно 48 % [2].

К тому же многие вредные организмы грибной, бактериальной и вирусной природы снижают качество сельскохозяйственной продукции, загрязняя ее своими метаболитами, и вызывают отравления человека и животных. Серьезную угрозу представляют микотоксины, вырабатываемые различными видами грибов: многие из микотоксинов характеризуются высокой острой и хронической токсичностью, могут провоцировать канцерогенез и аномалии у новорожденных. Токсигенные грибы являются незаметным, неожиданным компонентом пищи. Это касается и отравления спорыньей (эрготизма). Хотя ее склероции сами по себе хорошо различимы, после помола зерна в хлебе их уже не разглядеть невооруженным глазом.

Вредное действие организмов различного происхождения не ограничивается потерями сельскохозяйственной продукции. Грибы имеют также большое эпидемиологическое значение, вызывая микозы человека и животных. Наряду с нечастыми, но опасными кокцидиоидозом, бластомикозом и гисто-плазмозом, которые угрожают жизни пациентов, широко распространены другие грибковые заболевания. В частности, от микозов стоп страдает примерно пятая часть населения планеты. Насекомые являются основными переносчи-

ками малярии, чумы, тифа, а клещи — таежного энцефалита.

Многих неблагоприятных последствий влияния вредителей и болезней растений и животных в настоящее время удается избежать исключительно благодаря химическим препаратам. Одиозный ДДТ, применяющийся в ряде стран до сих пор, например для борьбы с малярией, имеет на счету десятки миллионов спасенных человеческих жизней.

В настоящее время большое внимание уделяется биологическому методу защиты растений как экологически безопасному. Известны и другие способы защиты растений, в частности, выведение сортов, устойчивых к болезням и вредителям. Однако все эти методы не лишены недостатков, по эффективности уступают химическому, и общий их вклад в систему защитных мероприятий пока невелик. Не умаляя достоинств альтернативных подходов к борьбе с вредителями и болезнями, следует признать, что химические средства в обозримом будущем сохранят свое лидирующее положение. Вместе с тем требования к новым агрохимическим препаратам в значительной степени ужесточились, что позволит избежать ошибок прошлого. В связи с сохранением важной роли химических средств защиты растений, актуальной проблемой остается создание новых пестицидов — высокоэффективных, малотоксичных, неперсистентных.

Одним из путей разработки новых пестицидов является использование соединений, выделенных из природных объектов, их аналогов и производных, что позволяет в значительной степени снизить экологическую нагрузку. Этот биорациональный подход представляет собой разумный компромисс между традиционной химией физиологически активных веществ и биохимией.

Одним из, по-видимому, важных открытий последнего времени является обнаружение способности некоторых продуцируемых различными микроорга-

низмами антибиотиков — стробилуринов, оудемансинов и миксотиазола — подавлять рост широкого спектра грибов [3].

Первым в этой группе соединений был открыт муцидин, или стробилурин А (I). Затем — еще несколько близких по строению соединений, отличавшихся от муцидина лишь числом олефиновых связей и наличием и положением заместителей. Они получили название стробилуринов и оудемансинов, в зависимости от строения алифатической цепи. Все они являются вторичными метаболитами разных грибов. Миксотиазол (II) имеет бактериальное происхождение и резко отличается по строению от стробилурина А, но в то же время между ними наблюдается и очевидное структурное сходство.

I ОСНз

СНз

Я Я S

II

ОСНз

ОСНз

ада

Отличительной чертой этой группы веществ является присутствие общего структурного элемента, а именно фрагмента метилового эфира или амида ß-метоксиакриловой кислоты, связанного а- или ß-углеродным атомом с остальной частью молекулы. Единым оказался и механизм их действия, основанный на ингибировании клеточного дыхания на участке комплекса элек-тронпереносящих цитохромов Ьсх (комплекса III). Такой механизм действия позволил широко использовать эти ингибиторы в качестве биохимического инструмента для изучения окислительного фосфорилирования. Эти же соеди-

нения послужили моделью для создания принципиально нового класса пестицидов, известных сейчас как «аналоги стробилурина».

Электронпереносящая цепь дыхательных ферментов играет исключительную роль в энергообеспечении клеток всех аэробных организмов от бактерий, грибов и растений до высших форм живого. Строение компонентов дыхательной цепи, играющих роль посредников при переносе электронов от МАБН на молекулу кислорода, весьма незначительно меняется от вида к виду. Тем не менее, наблюдаются большие различия в устойчивости ферментов цитохром-ной системы разных живых существ к ряду ингибиторов.

Некоторые организмы используют природное разнообразие дыхательных ферментов в конкурентной борьбе, например, выделяя вещества, которые подавляют митохондриальную функцию других организмов. Так, тропические растения рода Вегт синтезируют ротенон, убивающий повреждающих их насекомых. Ротенон является мощным ингибитором КАБН-хинон редуктазы (комплекса I) в митохондриях клеток насекомых, и в то же время — лишь очень слабым ингибитором растительного комплекса I [4]. Аналогично бази-диомицеты 8ЬгоЫ1игш и Оис1ета№1е11а экскретируют высокотоксичные для других грибов, являющихся их пищевыми конкурентами, стробилурины и оуде-мансины [3]. ¿срКомплекс митохондрий самих продуцентов достаточно устойчив к выделяемым метоксиакрилатным антибиотикам [5].

Природные различия в строении дыхательных ферментов можно использовать и при разработке агрохимических препаратов, достигая более высокой селективности их действия по отношению к растениям и низкой токсичности для млекопитающих [4]. Благодаря широкой распространенности цитохромных систем ингибиторы дыхания могут применяться для подавления жизнедеятельности самых разнообразных организмов. Так, многие синтетические аналоги

стробилуринов обладают не только фунгицидной, но также инсектицидной, акарицидной и нематоцидной активностью.

Во всем мире было много сделано в синтезе и исследовании биологической активности различных аналогов стробилурина. В частности, было установлено, что соединения самых разных химических классов, изостерные стро-билурину, обладают аналогичной биологической активностью. Однако неизученными до сих пор оставались производные ацетоуксусной кислоты, которые также могут проявлять сходные со стробилуринами биологические эффекты.

В структуре стробилурина А (I) присутствует четырехуглеродная цепь, структурно аналогичная скелету ацетоуксусной кислоты (в формуле выделена жирными линиями). Место циннамилиденового остатка в ацетоуксусной кислоте занимает карбонильный атом кислорода, а положение 2 ее эфиров очень реакционноспособно, и не составляет труда замещать атомы водорода в этом положении ненасыщенными группами, такими как метоксиметиленовая или метоксииминная. Очевидно, что атом кислорода в кетогруппе можно заменить другими остатками, изостерными соответствующему заместителю в стробилу-ринах. Действительно, ацетоуксусный эфир обладает высокой и разнообразной реакционной способностью и является удобным синтоном для получения самых разных продуктов, в том числе и биологически активных веществ. Среди агрохимических препаратов известно немало производных ацетоуксусного эфира.

Настоящая работа посвящена синтезу и изучению свойств продуктов конденсации производных ацетоуксусной кислоты с замещенными гидразинами и гидроксиламинами, структурно аналогичных стробилуринам, с целью поиска новых биологически активных веществ в этом ряду соединений.

1. Литературный обзор

1.1. Природные метоксиакрилатные ингибиторы

Первыми высокую фунгицидную активность у нового антибиотика муци-дина (1а), полученного из культуральной жидкости и мицелия гриба Оийетат1е11а тис1ёа обнаружили Мусилек с соавт. [6-8] в середине 1960-х гг. В 1977 г. из мицелия базидиомицета ЗКоМЫть 1епасе11ж были выделены два фунгицидных антибиотика, названные стробилуринами А и В [9]. Изучение строения этих веществ показало, что стробилурин А и муцидин идентичны и представляют собой метиловый эфир (2Д5^5Д-2-метоксиметилен-3-метил-6-фенил-3,5-гексадиеновой кислоты [10,11]. Е^,Е-Конфигурация двойных связей была подтверждена химическими и спектроскопическими исследованиями [12] и стереоспецифическим синтезом [13]. Был также получен синтетический ДД^-изомер стробилурина А [13], спектральные свойства которого были иными, чем у природного соединения.

Позднее было выделено и охарактеризовано еще несколько вторичных метаболитов различных грибов, которые являются производными стробилурина А, содержащими заместители в бензольном кольце или в алифатической цепи (соединения 1Ь—g, IV—VIII).

1а-д ОСНз

= 1*2 = Н (а); Ш = ОМе, К2 = Н (Ь), С1 (с); 1*1 = Н, № = ОМе ((¡)\ = ОН, К2 = И (е); 1*1 = Ме2С=СНСН20, Р*2 = Н ф; 1*1 = ОН, = Ме2С=СНСН20 (д).

СНз СН3

Ч^-ОСНз

СНз СНз

СНз

СНз СНз"'" -Q

ОСНз

ОСНз

ОСНз

ОСНз

ОСНз

ОСНз

1Ха-с 0СНз

1*1 = к2 = н (а); = ОМе, № = С1 (Ь); = Н, РЯ = ОМе (с).

Оудемансины (1Ха—с) имеют аналогичное строение. Формально их можно рассматривать как продукты присоединения молекулы метанола по двойной связи С(3)—С(4) стробилуринов. Известные стробилурины, оудемансины и их продуценты представлены в табл. 1.

Касаясь тривиальных названий метоксиакрилатных антибиотиков, нужно отметить, что буквенными символами А, В, С и т.д. в названиях стробилуринов и оудемансинов зашифрованы заместители в ароматическом кольце. Одни и те же буквы используются для обозначения одинакового типа замещения (ср. строение стробилурина В (1с) и оудемансина В (1ХЬ)). В биохимической литературе сохранилось раннее наименование стробилурина А — муци-дин. Название стробилурину X было дано по аналогии с оудемансином X [3], поскольку исследователи, впервые открывшие его, названия ему не дали. Два стробилурина Р были открыты и названы почти одновременно разными группами исследователей, поэтому для них предложены дополнительные цифровые индексы в порядке опубликования [3].

Таблица 1. Природные стробилурины и оудемансины.

Структура Название Продуцент Ссылки

1а Стробилурин А (муцидин) Oudemansiella mucida, Strobilurus tenacellus, Bolinea lútea и др. 6-9, 15-17

1с Стробилурин В S. tenacellus 9

If Стробилурин С Xerula longipes, X. melanotricha 16

Id Стробилурин X 0. mucida 18

IV Гидроксистробилурин D Mycena sanguinolenta 19

V Стробилурин Е Crepidotus fulvotomentosus 20

III Стробилурин D Cyphellopsis anómala 21

le Стробилурин F-1 Cyphellopsis anómala 21

Ig Стробилурин F-2 Bolinea lútea 15, 22

VI Стробилурин G B. lútea 15, 22

Ib Стробилурин Н B. lútea 15, 22

VII 9-Метоксистробилурин А а Favolaschia spp. 23

VIII 9-Метоксистробилурин К а Favolaschia spp. 23

IXa Оудемансин А O. mucida 24

IXb Оудемансин В Xerula longipes, X. melanotricha 16

IXc Оудемансин X 0. radicata 25

а Сохранена тривиальная номенклатура.

Производным (3-метоксиакриловой кислоты является также упомянутый ранее миксотиазол (или миксотиазол А (II)), продуцируемый миксобактериями Мухососсш /и1л>т [14,26,27]. В отличие от стробилуринов и оудемансинов в молекуле миксотиазола р-метоксиакрилатный фрагмент представлен не эфиром, а амидом и замещен не по а-, а по (3-углеродному атому. Тем не менее, этот антибиотик по механизму биологического действия близок к природным эфи-рам метоксиакриловой кислоты [28,29].

В группе (3-метоксиакрмлатов миксотиазол долгое время не имел аналогов. Однако не так давно было открыто значительное количество сходных соединений. К настоящему времени известны 33 миксотиазола и в обзоре [3] приведены структуры 24 из них. К сожалению, другие работы, в которых обсуждается строение миксотиазолов, отсутствуют. Известно лишь, что в миксо-тиазолах В-1, К-О (Ха) и X, У (ХЬ) Я2 = МеСО, МеСН(ОН), либо представляет собой окисленный (¿£,.Е)-нонадиенильный остаток, содержащий гид-роксильные, карбонильные, эпоксидные группы. Миксотиазола I не существует. Миксотиазол Р (XI) имеет только одно тиазольное кольцо. В миксотиазолах Я—XV (XII) р-метоксиакриловый фрагмент отсутствует, а группа Я является окисленной цепью из трех, пяти или шести атомов углерода [3].

ОСНз

^ = Н (а), Ме (Ь)

ОСНз