Молекулярное конструирование и целенаправленный синтез n-производных 1,3-диазинона-4 (стр. 1 )

На правах рукописи

КОДОНИДИ ИВАН ПАНАЙОТОВИЧ

МОЛЕКУЛЯРНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ И ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫЙ СИНТЕЗ N-ПРОИЗВОДНЫХ

1,3-ДИАЗИНОНА-4

14.04.02 – фармацевтическая химия, фармакогнозия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора фармацевтических наук

ПЯТИГОРСК 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Пятигорская государственная фармацевтическая академия

Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»

Научный консультант: доктор фармацевтических наук,

профессор

Официальные оппоненты:

доктор фармацевтических наук, профессор Лазарян Джон Седракович

доктор фармацевтических наук, профессор

доктор фармацевтических наук, доцент

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Пермская государственная фармацевтическая академия Росздрава»

Защита состоится «30» июня 2011 года в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 208.069.01. по защитам диссертаций при ГОУ ВПО «Пятигорская ГФА Росздрава» ( Ставропольский край, Пятигорск, пр. Калинина, 11).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пятигорская ГФА Росздрава» ( Ставропольский край, Пятигорск, пр. Калинина, 11).

Автореферат разослан «__» _______ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Создание новых высокоэффективных и безопасных лекарственных средств является приоритетной проблемой для фармацевтической науки, решение которой возможно за счет выделения биологически активных соединений (БАС) из природных источников или путем их синтеза. Несмотря на многочисленные критические высказывания по поводу синтетических соединений, эта группа веществ представляет собой наибольший интерес для фармацевтической химии. Прежде всего, возможное число синтетических органических соединений практически безгранично, в то время как число органических соединений природного происхождения ограничивается числом растительных объектов.

Многообразие синтетических органических соединений создает возможность для выбора соединений с определенной фармакологической активностью и минимальным побочным действием. Однако эмпирический подход к синтезу новых фармакологически активных соединений является малопродуктивным и характеризуется низкой эффективностью с точки зрения конечных результатов.

В то же время существуют возможности значительного повышения эффективности исследований по синтезу новых фармакологически активных соединений путем использования современных компьютерных технологий, позволяющих осуществлять прогноз целевых структур и их фармакологическое действие [Прогноз развития медицинской науки …, 2008]. Важность молекулярного моделирования для поиска лекарственных веществ неоспорима: структура многих новых лекарств, появившихся в последние годы, прошли через стадию молекулярного конструирования [, 2010].

Однако следует отметить, что компьютерные программы могут давать наиболее вероятный прогноз, если будут учитываться свойства структурных фрагментов планируемого вещества, а именно их фармакофорное влияние [, 2009].

Различные методы прогнозирования требуют [ Д., 2010] для подтверждения их достоверности осуществления целенаправленного синтеза наиболее перспективных соединений с последующей проверкой их биологической активности.

Для молекулярного конструирования лекарственных веществ наиболее

целесообразно использовать соединения, структурно близкие к эндогенным веществам, о которых имеются обширные сведения, касающиеся особенностей их строения и механизмов биологического действия [Langer R, 2006]. С этой точки зрения наиболее целесообразно осуществлять поиск биологически активных соединений среди производных оксопиримидинов и их бензаннелированных систем.

Множество современных исследований свидетельствует о том, что систематический поиск высокоэффективных и малотоксичных соединений в ряду производных 1,3-диазинона-4 является актуальным и целесообразным, поскольку они зарекомендовали себя как соединения с высокой фармакологической активностью [Yadav M. R., 2006].

Таким образом, использование компьютерных технологий, учитывающих вклад отдельных структурных фрагментов в биологическую активность, позволяет повысить достоверность прогноза конструируемых производных 1,3-диазинона-4, которую следует подтвердить их последующим синтезом и данными фармакологического эксперимента, что является актуальным для фармацевтической науки.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является целенаправленный поиск биологически активных соединений в ряду N-производных 1,3-диазинона-4 на основе методов молекулярного конструирования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- используя логико-структурный подход (ЛСП), обосновать строение целевых производных 1,3-диазинона-4, обладающих нейропротекторной и противовоспалительной активностью;

- на основе расчета энергии взаимодействия лиганд-рецептор и лиганд-фермент охарактеризовать фармакологические свойства прогнозируемых БАС;

- с целью увеличения выхода целевых производных 1,4-дигидро-4-оксопиримидинов модифицировать реакцию взаимодействия N-ацил-β-кетоамидов с нейтральными нуклеофилами;

- осуществить синтез N – замещенных производных 2-фенил - хиназолинонов-4 и 2-метил-6,7-диметоксихиназолинонов-4, а также выявить механизм взаимодействия 2-фенилбензоксазинона с аминами в условиях кислотного катализа;

- усовершенствовать методики синтеза производных N-ацетиламидов-2-фенилкротоновой кислоты и амидов о-бензоиламинобензойной кислоты, позволяющие в дальнейшем получать труднодоступные 4-оксопиримидины и хиназолиноны-4;

- установить корреляционную связь между квантово-химическими параметрами синтезированных соединений и результатами фармакологического скрининга;

- основываясь на результатах доклинических исследований синтезированных веществ, выявить «соединения-лидеры» для последующего углубленного фармакологического изучения с целью их практического применения в медицине.

Научная новизна. Разработан алгоритм комплексного подхода к молекулярному конструированию БАС основанный на использовании известных компьютерных программ с учетом структурных, электронных и энергетических характеристик отдельных фрагментов планируемого вещества. Определены основные стадии конструирования, которые включают целенаправленный отбор основного фармакофора, последующее формирование структур на его основе с заданными фармакологическими свойствами путем варьирования вторичными фармакофорами эндогенной природы. Целесообразность использования разработанного алгоритма доказана экспериментально путем синтеза производных 1,3-диазинона-4 и данными фармакологических исследований.

Впервые осуществлен синтез малоизученных 2-стирилпроизводных 1,4-дигидро-4-оксопиримидина, а также репрезентативных рядов производных 4-оксопиримидина на основе ариламинов, аминофенолов, сульфаниламидов, аминокислот, дипептидов и гетериламинов.

Получены новые амиды о-бензоиламинобензойной кислоты взаимодействием бензоксазинонов с ароматическими аминами, аминокислотами и гидразидами ароматических кислот.

Изучен механизм взаимодействия производных бензоксазинона с аминами в условиях кислотного катализа, который являлся обоснованием нового подхода к синтезу N-замещенных хиназолинонов-4, и их ациклических предшественников. На основании квантово-химических расчетов, подтверждающихся экспериментальными данными, дано обоснование селективного образования хиназиолинонов-4 при взаимодействии 2-фенил-1,3-бензоксазинона-4 с аминами.

С целью повышения выхода 1,4-дигидро-4-оксопиримидинов предложены условия синтеза их ациклических интермедиатов, основанные на взаимодействии N-ацил-β-кетоамидов с аминами в среде таких полярных апротонных растворителей, как диметиформамид и диметилсульфоксид.

С учетом механизма циклоконденсации N-ацил-β-кетоамидов со слабыми нуклеофилами модифицирована методика синтеза N-замещенных производных 1,4-дигидро-4-оксопиримидина, что позволяет повысить выходы целевых продуктов и расширить границы применения данного метода.

Обоснована роль полярных апротонных растворителей в реакциях циклоконденсации и стирилирования 1,4-дигидро-4-оксопиримидина, а также синтеза производных N-ацетиламидов-2-фенилкротоновой кислоты.

Выявлено, что на выход N – замещенных производных 1,4-дигидро-4-оксопиримидина оказывает влияние величина заряда на атоме азота аминогруппы, а также пространственное строение фрагмента несущего карбонильную группу.

Впервые для синтеза производных хиназолин-4(3Н)-она в качестве аминной компоненты использованы гидразиды, аминокислоты, ди - и трипептиды.

Изучены структурные особенности синтезированных соединений и установлено, что 2-стирилпроизводные 1,4-дигидро-4-оксопиримидина имеют трансоидную конфигурацию.

Фармакологический скрининг синтезированных соединений подтвердил прогнозируемые для них психотропную, гипотензивную, церебропротекторную, антигипоксическую и противовоспалительную активность, а также стимулирующее влияние на иммунную систему.

Биологические исследования полученных амидов о-бензоиламинобензойной кислоты показали их выраженную анксиолитическую, антигипоксическую и гипотензивную активность.

Установлено, что сульфаниламидные производные 1,3-диазинона-4 стимулируют ЦНС, обладают высокой противовоспалительной активностью, а некоторые из них проявляют выраженное гипогликемическое и глюкозурическое действие.

На основании фармакологического изучения психотропной активности выявлена возможность использования квантово-химических дескрипторов для дальнейшего прогнозирования психотропного действия в других группах соединений.

Показано, что следующие молекулярные дескрипторы: энергии НСМО, характерны для производных 4-оксопиримидина, минимальное значение электротопологического состояния атома водорода и автокорреляции Морана на основе поляризуемостей атомов следует использовать для конструирования производных 4-оксопиримидина и хиназолинона-4, влияющих на ЦНС. Дескрипторы автокорреляции Морана и Гири на основе Ван-дер-ваальсовых объемов атомов в качестве межрядовых целесообразно использовать в прогнозе психотропной активности для производных 1,3-диазинона-4 и их ациклических предшественников.

Практическая значимость работы. Разработанный комплексный подход к молекулярному конструированию соединений – производных 1,3-диазинона-4 – позволил получить новую группу веществ, обладающих высоким нейротропным действием. Применение нового комплексного подхода к молекулярному конструированию производных 1,3-диазинона-4 позволило минимизировать число синтезированных соединений для получения БАС с заданными фармакологическими свойствами, являющимися практически нетоксичным веществам.

Разработанные принципы молекулярного конструирования, которые могут быть использованы для целенаправленного поиска гипотензивных и спазмолитических соединений. Результаты биологического эксперимента подтверждают целесообразность использования метода молекулярного конструирования для поиска производных изохинолонов-3 обладающих спазмолитической и гипотензивной активностью. Это подтверждает перспективность использования комплексного подхода к молекулярному конструированию высокоактивных соединений других химических классов и прогноза иных видов фармакологической активности, помимо рассмотренных в настоящем исследовании.

Синтезированы более 130 новых соединений, относящихся к N-замещенным производным 4-оксопиримидина, хиназолинона-4 и о-бензоиламинобензойной кислоты, большинство из них структурно близки к эндогенным соединениям и лекарственным веществам. Из общего числа синтезированных соединений 107 обладают прогнозируемыми биологическими свойствами: психотропными – 43, противовоспалительными – 27, актопротекторными – 7, антигипоксическими – 18, антигипертензивными – 15, гипогликемическими – 2, диуретическими – 9, иммуностимулирующими – 14. Все эти данные подтверждают достоверность предварительного прогноза.

Соединения лидеры, характеризующиеся нейропротекторной, иммунотропной, противовоспалительной, гипотензивной и диуретической активности и превосходящие препараты сравнения в доклинических испытаниях, предложены к дальнейшим углубленным фармакологическим исследованиям с целью их практического применения.

Полученные вещества могут использоваться как фармакологически активные соединения, так и в качестве исходных соединений для дальнейшего конструирования на их основе БАС.

Внедрение результатов в практику. Предложенный нами подход к молекулярному конструированию БАС успешно использован для целенаправленного поиска антигипертензивных соединений – производных изохинолона-3 в НИИФОХ при РГУ (г. Ростов-на-Дону) и Южном центре Российской Академии Наук.

Усовершенствованные нами методы синтеза биологически активных соединений, производных хиназолинона-4 и амидов о-бензоиламинобензойной кислоты, внедрены в практику научных исследований НИИФОХ, а также используются при выполнении целевых программ в Пятигорской государственной фармацевтической академии.

Модифицированные способы получения N-ацетиламидов-2-фенилкротоновой кислоты, 2-арил и 2-метил-6,7-диметоксихиназолинона-4 и амидов о-бензоиламинобензойной кислоты внедрены в практику НИР кафедр органической химии Пятигорской государственной фармацевтической академии.

Исследования нейро - и психотропного действия по изучению возможных нейрохимических механизмов синтезированных соединений включены в план НИР кафедры фармакологии и биофармации ФУВ и лаборатории психофармакологии НИИ фармакологии при ГОУ ВПО «Волгоградский государственный медицинский университет», изучение системной гемодинамики и нейропротекторной активности включены в НИР кафедры фармакологии ГОУ ВПО «Пятигорская государственная фармацевтическая академия» и кафедры анатомии, физиологии и гигиены человека медико-биологического и химического факультета ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет». По материалам диссертации составлено информационное письмо «Целенаправленный поиск ГАМК-ергических соединений», которое передано в лабораторию психофармакологии НИИ фармакологии при ГОУ ВПО «Волгоградский государственный медицинский университет» для дальнейших совместных исследований, а также на кафедры фармакологии и биофармации ФУВ ГОУ ВПО «Волгоградский государственный медицинский университет» и Пятигорской государственной фармацевтической академии для включения полученных результатов в учебный процесс.

Приоритет исследований защищен авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретение: № 1 № 1 № 1 № 1 № 2 № 2 № 2 №2 № 000.

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. Комплексный подход к молекулярному конструированию новой группы нейротропных и противовоспалительных соединений в ряду N-замещенных производных 1,3-диазинона-4.

2. Механизм реакций циклоконденсации N-ацетил-2-фенилацетоацетамидом с алифатическими аминокислотами и рециклизации 2-фенилбензоксазинона с ПАБК и глицилглицином.

3. Модификация методов синтеза N-ацетиламидов-2-фенилкротоновой кислоты, 2-арил и 2-метил-6,7-диметоксихиназолинона-4, а также амидов о-бензоиламинобензойной кислоты.

4. Результаты исследования церебропротекторной, психотропной и антигипоксической активности N-замещенных производные 1,3-диазинона-4 на основе ароматических аминов, гидразидов, аминогетероциклов, нейромедиаторных аминокислот и пептидов, и «соединения - лидера» 4-(2,6-диметил-5-фенил-4-оксо-1,4-дигидропи-римидил-1)-бутановой кис­лоты (PDMGAB).

5. Данные по изучению противовоспалительной и иммуномодулирующей активности производных 1,3-диазинона-4.

6. Результаты гипогликемического, глюкозурического и диуретического действия производных 4-оксопиримидина содержащих остатки сульфаниламидов и дапсона.

7. Результаты корреляционного анализа количественных соотношений «структура-активность», позволившие выявить значимые квантово-химические дескрипторы синтезированных соединений в отношении психотропной активности.

Связь задач исследования с проблемами фармацевтических наук.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Пятигорской государственной фармацевтической академии (номер государственной регистрации 0120.0805781).

Содержание совокупности исследований соответствуют специальности 14.04.02. фармацевтическая химия, фармакогнозия согласно п. 1. «Исследование и получение биологически активных веществ на основе направленного изменения структур синтетического и природного происхождения и выявление связей и закономерностей между строением и свойствами веществ».

Апробация работы и публикации.

Основные фрагменты диссертационной работы доложены на международной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Кисловодск, 3 – 8 мая 2009 г.), международной научно-практической конференции «Кластерные подходы в современной фармации и фармацевтическом образовании», (Белгород, 20 – 21 ноября 2008 г.), ежегодных региональных конференциях по фармации, фармакологии и подготовке кадров (Пятигорск, г.).

По материалам диссертации опубликовано 92 научные работы, получено 4 авторских свидетельства и 5 патентов Российской Федерации.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа изложена на 350 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы (1 глава), экспериментальной части (6 глав), общих выводов и списка литературы, включающего 253 источников, в том числе 124 иностранных; содержит 110 таблиц, 43 рисунка и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Известно, что для получения одного нового БАС методом проб и ошибок приходится синтезировать десятки или даже сотни веществ, которые не проявляют фармакологической активности или обладают высокой токсичностью. В этой связи представляется целесообразным обоснование структур на основе логико-структурного подхода (ЛСП) и компьютерного моделирования, что позволяет прогнозировать фармакологические свойства предполагаемых целевых структур и молекулярные механизмы их действия, а также выявить возможные участки связывания и энергий взаимодействия лиганд-рецептор и лиганд-фермент.

Методы молекулярного конструирования

производных 1,3-диазинона-4

Нами осуществлен комплексный подход к молекулярному конструированию БАС с учетом специфичности различных методов прогнозирования и взаимосвязи между ними. Алгоритм такого подхода представлен на рисунке 1 и предполагает следующие этапы:

· конструирование БАС на основе логико-структурного подхода;

· прогнозирование фармакологических и токсических свойства моделируемых БАС с использованием компьютерных технологий;

· изучение возможных энергетических характеристик процесса взаимодействия лиганд-рецептор и лиганд-фермент;

· выявление соединений – «лидеров» на основе результатов первичного фармакологического скрининга;

· анализ количественных соотношений структура-активность с целью оценки достоверности молекулярного конструирования и планирования активного эксперимента.

Рисунок 1 - Алгоритм молекулярного конструирования

Сконцентрировав свое внимание на прогнозе двух видов биологической активности - психотропной и противовоспалительной, мы осуществляли молекулярное конструирование согласно предложенному алгоритму с учетом возможного взаимодействия лиганд-рецептор и лиганд-фермент. Широкий спектр действия производных оксопиримидинов позволяет прогнозировать и другие виды биологического действия, связанные опосредованно с психотропной и противовоспалительной активностью.

Формирование виртуальных структур осуществлялось на основе выбора основного фармакофора и его возможных модификаций, а также варьированием заместителями с учетом фармакологической целесообразности и синтетическими возможностями (рис. 2).

В качестве основного фармакофора для молекулярного конструирования нами выбран 4-оксопиримидин, который является структурной основой природных эндогенных пиримидиновых оснований.

Рисунок 2 - Формирование прогнозируемых структур

Как известно, производные пиримидина характеризуются многочисленными видами биологической активности. Именно это и явилось обоснованием для модификации основного фармакофора.

Основной фармакофор должен:

– обладать высоким структурным сходством с эндогенными пиримидинами, влияющими на важнейшие биохимические процессы;

– обеспечивать метаболизм структур по наиболее безопасному пути;

– являться носителем, обусловливающим проникновение через ГЭБ.

Заместители, вводимые в основной фармакофор, должны отвечать следующим требованиям:

– направленно изменять электронную плотность молекулы, обеспечивая комплементарность прогнозируемых соединений к биосубстрату;

– усиливать прогнозируемый фармакологический эффект.

Применяя методы молекулярного конструирования, мы осуществили прогноз виртуальных структур ряда 1,3-диазинона-4 с последующим целенаправленным синтезом трех массивов БАС, а именно: производных 4-оксопиримидина и его бензаннелированного аналога хиназолинона-4, а также ациклических интермедиатов хиназолинонов-4 производных о-бензоиламинобензойной кислоты.

Прогноз возможных метаболитов предполагаемых структур и их токсичность выявлены с использованием программы PALLAS. Для N-замещенных производных 1,3-диазинона-4 характерно в качестве первых метаболитов образование N-оксидов. Для всех целевых соединений прогнозируется низкая токсичность.

Молекулярное конструирование соединений, влияющих на ЦНС

С целью отбора заместителей для молекулярного конструирования на основе логико-структурного подхода нами осуществлен структурный анализ ГАМК-ергических веществ с учетом их влияния на процессы ЦНС. Исходя из этого, конструирование ГАМК-ергических веществ мы сочли целесообразным осуществлять формирование фармакофоров на основе аминогруппы ГАМК. Следует подчеркнуть, что азот аминогруппы в целевой структуре становится гетероатомом, а связанный с ним фрагмент существенно способствует прохождению вещества через биологически активные мембраны и тем самым усиливается стимуляция ГАМК-рецептора.

Анализ строения известных ингибиторов и механизма блокирования ГАМК-Т позволяет предположить целесообразность формирования в целевой структуре сложноэфирной группировки, введения остатков глицина и гидразидов ароматических кислот. Во вторичном же фармакофоре присутствие амино - или карбоксигрупп, а также центров с избытком π-электронной плотности будет усиливать основной тип действия.