СИНТЕЗ, ПЕРЕТВОРЕННЯ ТА БІОЛОГІЧНА АКТИВНІСТЬ НОВИХ СПІРАНОВИХ ТА НЕКОНДЕНСОВАНИХ БІЦИКЛІЧНИХ ПОХІДНИХ НА ОСНОВІ 4-ТІАЗОЛІДОНІВ

Краткое описание

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ’Я УКРАЇНИ
ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені ДАНИЛА ГАЛИЦЬКОГО

На правах рукопису

Г А В Р И Л Ю К
Дмитро Ярославович

УДК: 615.012:547.789:547.642

Синтез, перетворення та біологічна активність нових спіранових та неконденсованих біциклічних похідних на основі 4-тіазолідонів

15.00.02 фармацевтична хімія та фармакогнозія

Дисертація
на здобуття наукового ступеня
кандидата фармацевтичних наук

Науковий керівник
ЛЕСИК РОМАН БОГДАНОВИЧ
доктор фармацевтичних наук,
професор

Львів - 2007

ЗМІСТ
стор.
ВСТУП...5
1. СИНТЕЗ СПІРАНОВИХ ТА НЕКОНДЕНСОВАНИХ
БІЦИКЛІЧНИХ СИСТЕМ НА ОСНОВІ 4-ТІАЗОЛІДОНІВ ТА
ЇХ БІОЛОГІЧНА АКТИВНІСТЬ (огляд літератури)..10
1.1. Методи синтезу спіранових систем на основі 4-тіазолідонів...11
1.2. Підходи до синтезу неконденсованих біциклічних похідних на основі
4-тіазолідонів.19
1.3. Фармакологічний потенціал спіранових та неконденсованих
біциклічних похідних на основі 4-тіазолідонів..27
Експериментальна частина...31
2. Синтез нових спіранових систем на основі
тіазолідонів31
2.1. Синтез 5-арил-6,6a-дигідро-2Н-піразоло[1,5-c]бензо[e]-1,3-оксазино-
2-спіро-4’-тіазолідин-2’-онів та їх ариліденпохідних..31
2.2. Синтез 5-арил-6,6a-дигідро-2Н-піразоло[1,5-c]бензо[e]-1,3-оксазино-
2-спіро-2’-тіазолідин-4’-онів та їх ариліденпохідних..33
2.3. Спектральні характеристики синтезованих сполук та
рентгеноструктурний аналіз38
2.4. Опис експериментів.....51
2.5. Висновки...54
3. Синтез нових неконденсованих біциклічних
4-тіазолідонів.....56
3.1. Синтез нових біциклічних похідних на основі 2,4-тіазолідиндіон-
4-тіосемікарбазонів..56
3.1.1. Синтез 4-оксо-2-[(2’-оксотіазолідин-4’-іліден)-гідразоно]-тіазолідиніл-
5-оцтової кислоти та її амідів...56
3.1.2. Синтез 5-ароїлметил-2-[(2’-оксотіазолідин-4’-іліден)-гідразоно]-
4-тіазолідонів..58
3.1.3. Синтез 5-заміщених-3-фурфурил-2-[(2’-оксотіазолідин-4’-
іліден)-гідразоно]-4-тіазолідонів.59
3.2. Синтез нових біциклічних похідних на основі 2,4-тіазолідиндіон-
2-тіосемікарбазонів.60
3.3. Вивчення реакцій спіроконденсації та рециклізації на основі
2,4-тіазолідиндіон-2(4)-тіосемікарбазонів62
3.4. Спектральні характеристики синтезованих сполук.65
3.5. Опис експериментів.71
3.6. Висновки.. 76
4. Синтез нових неконденсованих біциклічних систем
на основі ацилоксибензальдегідів 2,4-тіазолідиндіон-
5-карбонових кислот .78
4.1. Синтез нових біциклічних систем з бензокса(тіа)зольним та
4-тіазолідоновим фрагментами в молекулах 78
4.2. Синтез нових 2,4-тіазолідиндіонів з бензоксазинопіразоліновим
фрагментом в боковому ланцюзі81
4.3. Синтез нових несиметричних біс-4-тіазолідонів на основі
4-(2,4-тіазолідиндіон-5-ацетокси)-бензальдегідів.83
4.4. Спектральні характеристики синтезованих сполук..85
4.5. Опис експериментів.... 87
4.6. Висновки..94
5. біологічна активність нових спіранових
та неконденсованих біциклічних систем на основі
4-тіазолідонів..96
5.1. Вивчення антимікробної і протигрибкової активностей та
молекулярне моделювання похідних 4-тіазолідону з
піразолобензоксазиновим фрагментом в молекулі як потенційних
інгібіторів MurB ферменту.96
5.1.1. Вивчення антимікробної та протигрибкової активностей in vitro
для синтезованих речовин ..97
5.1.2. Докінгове дослідження синтезованих сполук до молекули
ензиму MurB100
5.1.3. Кореляція значень докінгових функцій з результатами
антимікробної активності..101
5.2. Протипухлинна активність синтезованих сполук..104
5.3. Протитуберкульозна активність синтезованих сполук..109
5.4. Гостра токсичність синтезованих сполук111
5.5. Висновки.112
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ..115
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.118
ДОДАТОК А. Протоколи результатів протипухлинного in vitro скринінгу
на 60 лініях ракових клітин.130
ДОДАТОК Б. Акти впровадження у науковий та навчальний процес160

ВСТУП

Актуальність теми. Похідні тіазолідонів це традиційно відомий клас біологічно активних сполук, який до недавнього часу, в основному, вивчався на предмет антимікробної, фунгістатичної та противірусної дії. В останні десятиріччя завдяки комплексному використанню раціональних методів створення «лікоподібних» молекул принципово переглянуто фармакологічний потенціал зазначених гетероциклів. Так, ідентифіковано нові ланки впливу тіазолідонів афінітет до сімейства PPAR-рецепторів, антиапоптичного біокомплексу Bcl-XL/BH3, фактору ракового некрозу TNFα, інгібування UDP-NМurNAc/L-Ala лігази та пептиддеформілази PDF2, біосистеми COX-2/5-LOX тощо. Успішний розвиток тематики зумовив впровадження у медичну практику інноваційної групи протидіабетичних засобів (глітазони) та клінічних досліджень оригінального нестероїдного протизапального засобу (дарбуфелон), діуретика нового покоління (етозолін), інгібітора альдозоредуктази (епальрестат) тощо. Крім того, одержано серії тіазолідонів з протираковою, протизапальною, антимікробною, противірусною, протитуберкульозною, антиоксидантною та іншими видами активності, що відображено у роботах Б.С. Зіменковського, О.В. Владзімірської, В.П. Музиченка, Й.Д. Комариці, В.Д. Лук’янчука, Р.Б. Лесика, Ohishi Yoshitaka, B.B. Lohray, K.A. Reddy, Mui Mui Sim, C.J. Andres, T. Sohda, D.L. Mohler та інших. Серед похідних тіазолідону останнім часом зростає роль неконденсованих біциклічних та спіранових систем, для яких поряд з традиційними антимікробною (P. Vicini, A. Geronikaki, 2006; S. Papakonstantinou-Garoufalias, 2002) та антигрибковою (A. Dandia, 2006) активностями проводились дослідження на протираковий ефект (Milind Rajopadhye, F.D. Popp, 1987). Проте слід відзначити, що наведені дослідження мали спорадичний характер. Тому поглиблене вивчення нових спіранових та неконденсованх біциклічних похідних з тіазолідиновим фрагментом, як різноплановим біофором, представляє безперечний інтерес як з теоретичної точки зору, так і в плані спрямованого синтезу потенційних лікарських засобів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом проблеми Фармація” МОЗ України і є фрагментом комплексної науково-дослідної роботи Львівського національного медичного університету імені Данила Галицького (№ державної реєстрації 0101U009227, шифр теми ІН 10.06.0001.01). Дослідження протиракової та протитуберкульозної активностей синтезованих сполук проводились у рамках міжнародних програм Національного інституту здоров’я США: Developmental Therapeutics Program (DTP) та Tuberculosis Antimicrobial Acquisition & Coordinating Facility (TAACF).
Мета та завдання дослідження. Метою даної роботи був синтез нових спіранових та неконденсованх біциклічних похідних на основі 4-тіазолідонів та пошук серед них ефективних та малотоксичних речовин з протипухлинною, антимікробною, протигрибковою та протитуберкульозною активностями як потенційних лікарських засобів.
Для досягнення цієї мети були поставлені наступні завдання:
Ø синтезувати оригінальні спіранові системи на основі 5-(2-гідроксиарил)-3-арил-4,5-дигідро-1Н-піразолів і тіазолідонів та одержати їх іліденпохідні;
Ø синтезувати нові неконденсовані біциклічні системи на основі реакцій [2+3]-циклоприєднання 2,4-тіазолідиндіон-2(4)-тіосемікарбазонів і похідних малеїнової кислоти, ароїлакрилових кислот та бромацетофенону;
Ø одержати серію гетероциклічних ансамблів з тіазолідиновим, бензоксазинопіразоліновим, бензтіа(окса)зольними, тіопіранотіазольним молекулярними фрагментами на основі ацилоксибензальдегідів 2,4-тіазолідиндіон-5-карбонових кислот;
Ø вивчити спектральні характеристики синтезованих сполук;
Ø дослідити протипухлинну, антимікробну, протигрибкову та протитуберкульозну активності синтезованих сполук;
Ø провести докінгові дослідження та QSAR-аналіз протимікробної активності сполук, на основі чого висунути гіпотезу про механізм дії та сформулювати деякі рекомендації до раціонального дизайну структури антимікробних тіазолідонів.
Об’єктами дослідження були реакції спіроконденсації та [2+3]-циклоконденсації у синтезі 4-тіазолідонів, взаємодія тіазолідонів з оксосполуками, реакції рециклізації, ацилювання, тіонування, алкілювання та гетеродієнового синтезу.
Предметом дослідження стали спіранові та неконденсовані біциклічні системи з тіазолідоновими фрагментами у молекулах як базові «структурні каркаси» для пошуку біологічно активних сполук потенційних лікарських засобів.
Методи дослідження: органічний синтез, спектральні методи аналізу (ЯМР-, мас-спектроскопія), рентгеноструктурний аналіз, елементний аналіз, традиційний та високоефективний фармакологічний скринінг, QSAR-аналіз, докінгові дослідження.
Запропоновано оригінальні методи синтезу та одержано групу неописаних в літературі 5-арил-6,6a-дигідро-2Н-піразоло[1,5-c]бензо[e]-1,3-оксазино-2-спіро-2’(4’)-тіазолідин-4’(2’)-онів та їх іліденпохідних. Опрацьовано синтетичні підходи до одержання амідів 4-оксо-2-[(2’(4’)-оксотіазолідин-4’(2’)-іліден)-гідразоно]-тіазолідиніл-5-оцтової кислоти та 5-ароїлметил-2-[(2’(4’)-оксотіазолідин-4’(2’)-іліден)-гідразоно]-тіазолідонів-4. Вперше синтезовано 4-(2,4-тіазолідиндіон-5-ацетокси)бензиліденгідразони бензазол-2-тіоацетатних кислот та 4-(2,4-тіазолідиндіон-5-ацетокси)бензиліден-2-бензтіазолілгідразони, ряд нових 2,4-тіазолідиндіонів з 5-арил-6,6a-дигідро-2Н-піразоло[1,5-c]бензо[e]-1,3-оксазиновим фрагментом у боковому ланцюзі. Вивчено умови одностадійного синтезу неконденсованих біциклічних систем з 4-тіазолідоновими фрагментами на основі ацилоксибензальдегідів 2,4-тіазолідиндіон-5-оцтової кислоти, ароматичних амінів та меркаптооцтової кислоти. Встановлено, що 2,4-тіазолідиндіон-4-тіосемікарбазон при взаємодії з ацетангідридом рециклізує з утворенням похідних 4,5-дигідро-1Н-1,2,4-тріазолу, а ізомерний 2,4-тіазолідиндіон-2-тіосемікарбазон утворює 4-тіазолідонзаміщену спіранову систему - 4,6-дитіа-1,2,9-тріаза-спіро[4.4]нонен-2.
На основі досвіду попередніх досліджень проведено спрямований синтез 118 сполук. В результаті фармакологічного скринінгу ідентифіковано 22 структури-лідери” з протираковою, протитуберкульозною, антимікробною та протигрибковою активностями та низькими токсикометричними параметрами in vivo. На основі QSAR-аналізу та докінгових досліджень запропоновано рекомендації до раціонального дизайну антимікробних агентів з групи бензоксазинопіразолінозаміщених тіазолідонів. Наукова новизна роботи підтверджена деклараційним патентом України на корисну модель №15951 (2006 р.).
Практичне значення одержаних результатів. Представлений у даній роботі експериментальний матеріал є новим у галузі спіранових та неконденсованих біциклічних систем на основі 4-тіазолідонів. Проведено систематичне дослідження фізичних та хімічних властивостей синтезованих сполук, що важливо для теорії та практики органічного синтезу. Виявлено ряд нових високоактивних та малотоксичних сполук для поглиблених досліджень, які проявляють протипухлинну, антимікробну, протигрибкову та протитуберкульозну активності. Сформульовано певні критерії для спрямованого синтезу «лікоподібних» молекул з групи тіазолідонів із зазначеними видами активності.
Фрагменти роботи впроваджено в науковий та навчально-методичний процеси Національного фармацевтичного університету та Національного університету Львівська політехніка” (акти впровадження від 15.11.2006, 25.11.2006 та 06.12.2006).
Особистий внесок здобувача. Автором синтезовано 118 нових сполук в ряду спіранових та неконденсованих біциклічних тіазолідонів, вивчена їх будова, склад, реакційна здатність, деякі фізико-хімічні та спектральні властивості, систематизовано результати фармакологічних досліджень, здійснено узагальнення та формулювання положень та висновків, які виносяться на захист. Співавтором наукових праць є науковий керівник, а також науковці, з якими проводились спільні фізико-хімічні та біологічні дослідження.
Апробація результатів дослідження. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на V Всеукраїнській конференції студентів та аспірантів Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2004), ІІІ та ІV Всеукраїнських Конференціях молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії (Харків, 2005; Дніпропетровськ, 2006), VІ Регіональній конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії (Дніпропетровськ, 2005), VI Національному з’їзді фармацевтів України „Досягнення та перспективи фармацевтичної галузі України” (Харків, 2005), Всеукраїнській науково-практичній конференції «Ліки-людині» (Харків, 2005), І Міжнародній науково-практичній конференції «Науково-технічний прогрес і оптимізація технологічних процесів створення лікарських препаратів», (Тернопіль, 2006), Міжнародній конференції "Хімія азотовмісних гетероциклів" ХАГ-2006 (Харків, 2006), IV Львівсько-Люблінській конференції з експериментальної та клінічної біохімії (Люблін, 2006), Міжнародній конференції «Organic chemistry since Butlerov and Belstein until present» (Санкт-Петербург, 2006), засіданні кафедри фармацевтичної, органічної і біоорганічної хімії ЛНМУ імені Данила Галицького (Львів, 2006).
Публікації. За результатами дисертації опубліковано 15 наукових робіт, з яких 5 статей у наукових фахових виданнях, 9 тез доповідей. Одержано 1 деклараційний патент на корисну модель.

Список литературы

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблено ефективні методи синтезу і одержано 118 нових похідних спірозаміщених та біциклічних неконденсованих тіазолідонів, встановлена їх будова, вивчені фізико-хімічні параметри та біологічна активність. На основі експериментальної реалізації елементів стратегії пошуку біологічно активних сполук, яка включає поєднання традиційного та високоефективного фармакологічного скринінгу, QSAR-аналізу та молекулярного докінгу, ідентифіковано для поглиблених досліджень сполуки з суттєвою протимікробною (4 речовини), протигрибковою (8), протипухлинною (9) та протитуберкульозною (1) активностями.
2. Встановлено, що 5-(2-гідроксиарил)-3-арил-4,5-дигідро-1Н-піразоли при взаємодії з 4-тіоксо-2-тіазолідоном та 2-карбетоксиметилтіо-2-тіазолін-4-оном зазнають гетероциклізації з утворенням представників нових тіазолідонзаміщених гетероциклічних спіросистем з піразолобензоксазиновим фрагментом у молекулах (5-арил-6,6a-дигідро-2Н-піразоло[1,5-c]бензо[e]-1,3-оксазино-2-спіро-2’(4’)-тіазолідин-4’(2’)-онів), які є метиленактивними гетероциклами, що дозволило одержати серію ариліденпохідних в умовах реакції Кньовенагеля.
3. Показано, що 2,4-тіазолідиндіон-4-тіосемікарбазони та ізомерні 2,4-тіазолідиндіон-2-тіосемікарбазони є ефективними S,N-бінуклеофілами у реакціях [2+3]-циклоконденсації з бромацетофеноном, b-ароїлакриловими кислотами, малеїнангідридом та малеїнімідами, як еквівалентами діелектрофільного синтону [C2]2+, що дозволило запропонувати підхід до синтезу біциклічних неконденсованих похідних тіазолідину.
4. Встановлено, що 2,4-тіазолідиндіон-4-тіосемікарабазон при взаємодії з ацетангідридом рециклізує з утворенням похідних 4,5-дигідро-1Н-1,2,4-тріазолу, а ізомерний 2,4-тіазолідиндіон-2-тіосемікарабазон утворює 4-тіазолідонзаміщену спіранову систему - 4,6-дитіа-1,2,9-тріаза-спіро[4.4]нонен-2. Зазначені перетворення розширюють потенціал тіазолідонзаміщених тіосемікарбазонів як реагентів і дозволяють реалізувати нові синтетичні схеми у пошуку біологічно активних сполук.
5. Ацилоксибензальдегіди 2,4-тіазолідиндіон-5-карбонових кислот легко реагують з 5-(2-гідроксифеніл)-3-арил-1Н-піразолінами, гідразидами бензокса(тіа)зол-2-тіоацетатних кислот, роданіном, ізороданіном та меркаптооцтовою кислотою і ароматичними амінами в присутності DCC, що дозволило одержати нові 2,4-тіазолідиндіони з фармакологічно привабливим піразолобензоксазиновим фрагментом у боковому ланцюзі, 2,4-тіазолідиндіонзаміщені похідні, утворені ансамблем з аліфатичних, ароматичних та гетероциклічних фрагментів, як потенційні ліганди PPARγ-рецепторів та серію біциклічних неконденсованих тіазолідонів.
6. Вперше ідентифіковано значний протипухлинний потенціал 5-феніл-6,6a-дигідро-2Н-піразоло[1,5-c]бензо[e]-1,3-оксазино-2-спіро-5’-(ариліден)-4’-тіазолідин-2’-онів та 4-оксо-2-[(4’-оксотіазолідин-2’-іліден)-гідразоно]-тіазолідинів, які проявляють високий протимітотичний ефект на 60 лініях ракових клітин людини з відносною специфічністю дії на лінії лейкемії, меланоми, раку молочної залози, нервової системи та недрібноклітинного раку легень, що дозволило запропонувати 9 «структур-лідерів» для поглиблених фармакологічних досліджень. Пріоритет дослідження підтверджено одержанням деклараційного патенту України на винахід.
7. При вивченні протитуберкульозної активності ідентифіковано та відібрано для поглиблених досліджень високоактивну сполуку-лідер” 5-феніл-6,6a-дигідро-2Н-піразоло[1,5-c]бензо[e]-1,3-оксазино-2-спіро-5’-(4-трет-бутилфенілметиліден)-4’-тіазолідин-2’-он, проте наведений вид активності не є характерним для спіранових та біциклічних неконденсованих похідних тіазолідонів і, правдоподібно, тіазолідоновий цикл не сприяє появі чи підсиленню туберкулостатичної дії.
8. Серед синтезованих сполук суттєвий протимікробний ефект на метицилін-чутливі і метицилін-резистентні St. аureus та St. epidermidis проявили 5-арил-6,6a-дигідро-2Н-піразоло[1,5-c]бензо[e]-1,3-оксазино-2-спіро-5’-ариліден-4’-тіазолідин-2’-они, що підтверджує попередньо встановлений нами факт критичного впливу характеру ілідензамісників у положенні 5 тіазолідонів на фармакологічний ефект. Проведені докінгові дослідження до двох структур 2MBR та 1HSK ензиму MurB не заперечують гіпотезу про антимікробний механізм дії досліджуваних сполук через інгібування ензиму MurB, на основі чого при аналізі докованих позицій сполук запропоновано можливі шляхи раціонального дизайну структури похідних тіазолідону з метою покращення афінітету до MurB та протимікробної активності.
9. Встановлено високу протигрибкову активність по відношенню до грибів роду Candida тіазолідонів з бензоксазинопіразоліновими фрагментами у молекулах, причому перехід від спіроконденсованих тіазолідонів до похідних 2,4-тіазолідиндіону з піразолобензоксазиновим фрагментом у боковому ланцюзі сприяє зростанню ефекту, що дозволило ідентифікувати для поглиблених досліджень 4-(5-феніл-6,6a-дигідро-2Н-піразоло[1,5-c]бензо[e]-1,3-оксазино-2-іл)-феніловий естр 2’,4’-тіазолідиндіон-5’-оцтової кислоти, активність якого в експерименті переважає ефект бетадіну та хлоргексидину.