Синтез меченых тритием биологически важных диазинов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.14 ВАК РФ

Актуальность темы

Среди большого количества физиологически активных веществ диазины занимают особое место. К основным биологически активным диазинам относятся пурины, пиримидины и их производные. Пуриновые и пиримидиновые основания - аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил являются мономерными единицами, входящими в состав нуклеиновых кислот, составляющих основу генетического кода всего живого. Не менее важную роль играют производные диазийов. Это пуриновые и пиримидиновые нуклеозиды и нуклеотиды различной степени фосфорилирования, их природные и синтетические аналоги, а также представители гормонов растений - цитокинины (6-аминозамещенные пурина). Далее под термином диазины будут подразумеваться все перечисленные выше соединения. Диазины играют существенную роль в процессах, происходящих во всех живых организмах. Одним из главных инструментов для изучения роли диазинов на молекулярном уровне является наличие аналогов этих соединений, меченных радиоактивными изотопами. Особое место среди них занимают препараты, меченные тритием.

Интерес исследователей к меченным тритием соединениям практически не ослабевает уже более 30 лет. Это обусловлено ценными ядерно-физическими свойствами трития. Период полураспада трития (12,262 года) достаточно велик для проведения продолжительных экспериментов. Малая энергия (З-частиц трития (Етах= 18,6 кЭв) определяет низкую радиотоксичность тритиевых препаратов, что позволяет работать с десятками и сотнями милликюри меченых соединений без специальных мер защиты. Развитие метода и установок жидкостного сцинтилляционкого счета позволяет регистрировать тритий с эффективностью до 60%. Замена одного атома водорода тритием дает препарат с молярной радиоактивностью (Амол) 29,12 Ки/ммоль. Использование таких препаратов и современных сцинтилляционных счетчиков трития позволяет зарегистрировать менее 10'14 моля меченого соединения. Однако это определяет и специфические требования к подобным препаратам, так как требует практически полного замещения как минимум одного атома водорода ■ритием. Для современных исследований зачастую необходимы препараты со дчительно большей степенью замещения атомов водорода на тритий, т.е. содержащие в молекуле два и более атомов трития. Основной характеристикой любого метода получения соединений, меченных тритием, является степень изотопного замещения водорода тритием в молекуле или величиной Амол. Химический выход меченного тритием соединения не так существенен. Это объясняется тем, что стоимость меченого препарата значительно (на несколько порядков) выше стоимости исходного изотопного сырья и не меченого предшественника для введения тритиевой метки. Поэтому низкий с точки зрения классической химии выход (3 - 5%) вполне оправдан в синтезе меченных тритием соединений при условии достижения высоких значений Амол. Основными параметрами, характеризующими тот или иной метод синтеза меченного тритием соединения, являются величина Аыол, химическая и радиохимическая чистота получаемого соединения. Под радиохимической чистотой подразумевается доля изотопа, связанного с целевым соединением.

Для синтеза меченных тритием диазинов пригодны практически все современные методы получения меченных тритием соединений. Это реакции изотопного обмена в растворе и без растворителя, химические и энзиматические методы. Развитие различных методов синтеза меченных тритием диазинов обусловлено спецификой их дальнейшего использования для решения разнообразных задач. Очень часто, например, требуются препараты с определенным положением метки. Это достигается, как правило, направленным химическим синтезом. Требования, предъявляемые к меченым препаратам, диктуют свою специфику к выбору методов получения меченных тритием диазинов. Поэтому изучение различных реакций синтеза меченных тритием диазинов актуально как для решения конкретных задач по введению трития в то или иное соединение, так и для выявления общих закономерностей в синтезе меченных тритием соединений этого класса. Это необходимо, поскольку синтез каждого соединения представляет самостоятельную технологическую задачу.

В области синтеза меченных тритием диазинов имелось много неясного в понимании механизма реакций, влияния на степень изотопного замещения водорода тритием (Амол) природы исходных соединений, концентрации газообразного трития, активности применяемых катализаторов. Не было единого подхода к синтезу меченных тритием соединений этого класса, что подразумевает оценку различных методов введения трития с точки зрения предельно достижимой величины А„ол и создание единых схем синтеза, позволяющих из ограниченного количества предшественников синтезировать весь набор меченных тритием диазинов. Мы оцениваем, что номенклатура подобных соединений составляет более 100 наименований. Поиск групповых методов и подходов введения трития во многие соединения значительно облегчает технологию получения и снижает их себестоимость. Современные эксперименты по физико-химической биологии и фармакологии требуют препараты с химической и радиохимической чистотой более 97%. Это потребовало специальных методов очистки подобных препаратов.

Результатом решения указанных проблем явилась организация серийного выпуска белее ста наименований меченных тритием диазинов и их производных и обеспечение ими различных работ по физико-химической биологии, медицине и сельскому хозяйству. Данная работа является частью плановой тематики лаборатории изотопно меченных физиологически активных веществ Института молекулярной генетики РАН (тема 1.4 «Физиологически активные вещества, включая изотопно-меченые, для исследований в области молекулярной биологии, молекулярной генетики и медицины» плана НИР института). Цепь исследования

Целью настоящей работы являлось:

- изучение реакционной способности водорода диазинов и их производных в реакциях замещения на тритий, разработка общих подходов введения тритиевой метки в диазины и синтез препаратов с требуемыми характеристиками

- разработка единых схем синтеза, позволяющих из ограниченного количества предшественников получать наибольшее количество меченых препаратов, не уступающих по своим характеристикам лучшим зарубежным аналогам

Научная новизна

Исследована реакционная способность водорода диазинов и их производных в реакциях замещения на тритий, влияние условий реакции с участием газообразного трития и влияние строения субстрата на выход и АМОл получаемых соединений. Выявлено влияние изотопных эффектов в системе водород - палладий - вода на величину Амол соединений, получаемых в реакциях с участием газообразного трития. Предложена модель каталитических реакций в растворе с участием газообразного трития, хорошо объясняющая экспериментальные данные, Исследована реакция твердофазной каталитической гидрогенизации диазинов и их производных с газообразным тритием и выявлены общие закономерности этой реакции. Эта исследования позволили разработать общий подход к синтезу меченных тритием физиологически активных соединений, содержащих в своем составе диазины и создать технологические схемы, позволяющие из ограниченного количества меченных тритием предшественников получать практически все представители этого класса соединений. Все получаемые соединения не уступают (а зачастую превосходят) по своим характеристикам аналогичные препараты ведущих зарубежных фирм.

Практическая значимость работы

Разработаны групповые методы получения меченных тритием диазинов и их аналогов. Эти методы основаны на сочетании радиохимических методов введения трития и последующем проведении энзиматических реакций для получения изотопно модифицированных соединений. Показано, что метод твердофазной каталитической гидрогенизации (ТКГ), позволяет синтезировать в одну стадию кратно меченные тритием препараты, которые были недоступны ранее или синтез которых был сопряжен со значительными экспериментальными трудностями. В работе получили дальнейшее развитие традиционные методы введения трития, такие как реакции каталитического дегалогенирования, восстановления и гидрирования с участием газообразного трития в растворе. Практическая реализация разработанного направления позволила организовать серийный выпуск меченных тритием диазинов на экспериментально-производственной базе ИМГ РАН и внедрить полученные разработки на 2-ом опытном заводе НПО ГИПХ. 69 наименований препаратов внесены в номенклатурный справочник изотопной продукции (В/О «Изотоп», Москва, 1997 г.). На эти препараты разработаны и утверждены отраслевые технические условия (ТУ 95 1622-98 - ЛУ), которые являются основным документом по стандартизации данного вида изотопной продукции. С 1981 г. по настоящее время по разработанной автором технологии около 20 кюри меченных тритием диазинов и их производных было поставлено в более чем 60 научных организаций страны. Проведенная автором работа позволила полностью обеспечить потребности страны в данном виде изотопной продукции. С 1994 г. эта продукция поставляется и на экспорт.

С использованием меченных тритием гормонов растений разработан способ их количественного определения в растительных экстрактах. Этот способ отличается от известных тем, что в едином аналитическом процессе можно определять все гормоны растений - ауксины, гиббереллины и цитокинины с высокой чувствительностью, что позволило определять фитогормоны не в целом растении, а в отдельных его частях, - в листьях, стеблях и корнях.

В результате осуществлено решение научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Автор защищает созданное научное направление в химии меченных тритием биологически активных веществ, основанное на использовании каталитических реакций с газообразным тритием и тритиевой водой:

1. Каталитические реакции в растворе (дегалогенирование, восстановление, гидрирование, изотопный обмен) и модель этой реакции с участием газообразного трития.

2. Реакции твердофазной каталитической гидрогенизации, позволяющие получать кратно меченные тритием соединения.

3. Общие схемы синтеза меченных тритием диазинов. В основу схем положено сочетание радиохимических методов введения трития и знзиматических реакций для получения изотопно модифицированных соединений.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 11 всесоюзных и международных совещаниях, конференциях и симпозиумах, в том числе на I (Прага, 1977 г.) и II (Ленинград, 1982 г.) Симпозиумах стран - членов СЭВ «Органические соединения, меченные радиоактивными изотопами», II совещание по ферментам и микроорганизмам (Минск 1978 г.), II Всесоюзном совещании по ферментам (Москва 1978), I, II и III Всесоюзном совещании по проблеме "Биологически активные соединения, меченные радиоактивными изотопами" (Звенигород, 1985,1988 и 1991 г.), II Радиохимической конференции (ЧССР, 1987 г.), 4, 5 и 6 Международных симпозиумах «Синтез и использование изотопно-меченых соединений» (Торонто, Канада, 1991 г.; Страсбург, Франция, 1994 г.; Филадельфия, США, 1997 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 37 работах и 10 Российских изобретениях и патентах.

II. Основное содержание работы

8. Выводы 47

Список работ, опубликованных по теме диссертации 49

Типография ООО «Телер» 125299, Москва, ул. Космонавта Волкова, 12

Подписано в печать 18.11.1999 г. Формат 60x90/16. Тираж 120 экз. Бумага ZOOM. 2,0 печатных листа. Заказ 575.