Синтез биоактивных полифторалкилсодержащих пиразолов : диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук : 1.4.3

Несмотря на долгую историю развития химии пиразолов, к данному классу соединений сохраняется огромный интерес, о чем свидетельствует опубликование за последние 5 лет несколько десятков обзоров на тему синтеза, свойств и практических приложений пиразолов. Традиционной областью ожидаемого практического использования производных пиразола является создание на их основе биоактивных соединений. Ярким подтверждением этому является длительное применение целого класса анальгетиков-антипиретиков пиразолонового ряда. Первым из них был феназон (антипирин) (рисунок 1а), который до сих пор входит в состав некоторых комбинированных препаратов, например, в ушные капли отипакс, а его 4- аминопроизводное, анальгин, широко применяется для купирования болевого синдрома. В конце 20 века в ряду пиразолов найдены антагонисты каннабиноидных рецепторов, которые применялись для лечения ожирения. В 2010 г. было сообщено о создании на основе 4-аминопиразола препарата для лечения смертельно опасной африканской сонной болезни. В 2015 г. на фармацевтическом рынке появился ноотропный препарат эдаравон (рисунок 1b), имеющий структуру предшественника антипирина, 1-фенил-3-метил-5- пиразолона, который действует как акцептор свободных радикалов и применяется для лечения последствий ишемического инсульта и бокового амиотрофического склероза. Таким образом, функционализация пиразольного остова позволяет получать соединения, способные по-разному связываться с биологическими мишенями, что приводит к различной фармакологической активности.
4
. Рисунок 1 − Антипирин и его производные (a), эдаравон (b), коксибы (c)
В последнее время большое внимание уделяется фторсодержащим пиразолам, что обусловлено перспективностью их применения в фармацевтической и агрохимической отраслях. Так, многие медицинские препараты и агрохимикаты содержат в своей структуре трифторметил-пиразольный фрагмент. В этом ряду можно выделить
противовоспалительные препараты ряда селективных ингибиторов ЦОГ-2, целекоксиб и мавакоксиб (рисунок 1с), антикоагулянт разаксабан (ингибитор фактора Ха свертывания крови), а также препараты SC-560 (против рака легких) и AS-136A (против вируса кори), находящиеся на стадии клинических исследований. Это свидетельствует о том, что модификация фторсодержащих пиразолов является перспективным путем создания новых лекарственных препаратов, причем с разными фармакологическими эффектами.
В литературе мы не нашли данных об обезболивающем или противовоспалительном действии полифторалкилсодержащих аналогов антипирина. Это может быть обусловлено отсутствием удобного метода синтеза фторированных производных. Мы полагали, что замена метильного заместителя на полифторалкильный остаток приведет к изменению эффективности и токсичности анальгетиков пиразолонового ряда. Для получения аналогов аминофеназона и анальгина, а, следовательно, и потенциальных антиноцицептивных препаратов большой потенциал имеют полифторалкилсодержащие 4-аминопиразолы, а также их предшественники: 4- гидроксиимино-, 4-нитрозо- и 4-нитрозамещенные пиразолы. Кроме того, хемотип 4- аминопиразола присутствует в соединениях с различными видами биологического действия. Данные о синтезе и биологической активности трифторметилзамещенных 4- гидроксиимино-, 4-нитрозо-, 4-нитро- и 4-аминопиразолов были ограничены несколькими публикациями.
Целью работы является разработка методов синтеза и модификации полифторалкилсодержащих пиразолов для получения новых производных с различными типами биологического действия.
Для достижения заданной цели были поставлены следующие задачи:
1. Разработка методов региоселективного N- и О-алкилирования 3- полифторалкилпиразол-5-олов для синтеза аналогов антипирина и целекоксиба как потенциальных анальгезирующих агентов.
2. Разработка на основе полифторалкилсодержащих 4-гидроксиимино-, 4-нитрозо- и 4-нитропиразолов подходов к получению 4-аминопиразолов, обладающих различной биоактивностью.
3. Изучение биологического действия синтезированных соединений. Оценка их анальгетической, противовоспалительной, туберкулостатической, антибактериальной, антимикотической, противоопухолевой, антирадикальной активности, а также острой токсичности.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования. Установлено таутомерное строение 3-полифторалкилпиразол-5-олов и изучена их реакционная
5

способность в процессах метилирования и аминометилидирования. Выявлены различия в структуре и реакционной способности трифторметил- и метилпиразол-5-олов. Разработаны методы региоспецифичного синтеза МеО- и МеN-производных 1-арил-3- полифторалкилпиразол-5-олов, что позволило синтезировать аналоги целекоксиба и антипирина. Показано, что в основных условиях под действием алкилирующего реагента происходит О-алкилирование, тогда как при проведении реакции в безосновных условиях в избытке диметилсульфата реализуется N-метилирование. Найдены условия селективного метилирования 3-трифторметил-1Н-пиразол-5-ола, в результате чего получены моно-Ме-замещенные N1-и О-изомеры, а также ди-Ме-замещенные N1,N2-, N1,O- и N2,O-изомеры. С помощью квантово-химических расчетов предложены механизмы метилирования в основных и безосновных условиях.
Предложены альтернативные подходы, включая однореакторные, к синтезу 4- гидроксиимино-5-полифторалкилпиразол-3-онов и 4-нитрозо-3-полифторалкилпиразолов, установлено их региоизомерное и таутомерное строение. Показаны пути C-нитрования полифторалкилсодержащих антипиринов в зависимости от строения N-арильного заместителя. Разработаны способы восстановления гидроксиимино-, нитрозо- и нитропиразолов с использованием различных восстановительных систем до 4-амино-3- полифторалкилпиразолов и/или их гидрохлоридов. Исследованы возможности модификации аминогруппы в синтезированных пиразолах, в т.ч. для получения аналогов аминофеназона.
Для синтезированных производных получены и проанализированы данные по оценке острой токсичности, анальгетической и противовоспалительной активности в экспериментах in vivo, антирадикального, антибактериального, антимикотического, туберкулостатического и цитотоксического действия в тестах in vitro.
Практическая значимость. Разработаны эффективные методики получения полифторалкилсодержащих О-алкилированных и N-метилированных производных пиразолов, а также 4-нитрозо-, 4-гидроксиимино-, 4-нитро- и 4-аминопиразолов, которые могут быть использованы для дальнейших модификаций с получением биоактивных соединений.
В ряду синтезированных пиразолов найдены соединения с высокой анальгетической, противовоспалительной, антирадикальной, противоопухолевой, противотуберкулезной, антибактериальной и антимикотической активностью. Для наиболее активных соединений – CF3-антипиринов проведены расширенные испытания, показавшие их перспективность для более глубоких биологических исследований.
6

Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных источников и направленном органическом синтезе. Строение полученных соединений доказано с использованием комплексных методов физико-химического анализа (элементный анализ, ИК и ЯМР 1H, 19F, 13C спектроскопия, ГХ-МС, РСА). Для анализа полученных соединений было использовано оборудование Центра коллективного пользования «Спектроскопия и анализ органических соединений». Для исследования механизма некоторых реакций и изучения таутомерного строения исходных соединений были привлечены квантово-химические расчеты.
Степень достоверности результатов обеспечена применением современного высокоточного оборудования и методик обработки результатов экспериментов, воспроизводимостью экспериментальных результатов.
Положения, выносимые на защиту:
• Результаты, полученные при алкилировании конкурентных N-, O- и C- центров 1-арил-3-полифторалкилпиразол-5-олов и метилировании N1-, N2-, O- и C- центров 3-трифторметилпиразол-5-ола.
• Подходы к получению полифторалкилсодержащих 4- гидроксииминопиразол-5-онов, 4-нитрозопиразолов, 4-гидроксииминопиразолинов, 4- нитропиразол-5-онов, 4-амино-3-полифторалкилпиразолов различного типа.
• Результаты биологических испытаний синтезированных производных.
Личный вклад в работу состоит в поиске и систематизации данных литературы по синтезу и алкилированию полифторалкилсодержащих пиразол-5-олов, 4- гидроксииминопиразол-5-онов, 4-нитрозопиразолов, 4-нитропиразол-5-онов и их восстановлению до 4-аминопроизводных. Проведены эксперименты по подбору оптимальных условий для региоспецифичного синтеза целевых соединений, реализована наработка соединений для биологических испытаний. Подготовлены публикации, на их основе написана диссертационная работа.
Апробация работы. Основные результаты научно-квалификационной работы доложены на XX Молодежной школе-конференции по органической химии (Казань, 2017), Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2018), V молодежной школе-конференции «Современные аспекты химии»: (Пермь, 2018), 2-ой конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (Екатеринбург, 2018), III международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (Екатеринбург, 2019), Всероссийской междисциплинарной молодежной
7

научной конференции «VII Информационная школа молодого ученого» (Екатеринбург 2019), конференции «Марковниковские чтения: Органическая химия от Марковникова до наших дней» (Пансионат МГУ Красновидово, 2020), Всероссийской междисциплинарной молодежной научной конференции «VIII Информационная школа молодого ученого» (Екатеринбург, 2020), IV международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (Екатеринбург, 2020), Международной научная конференции «Актуальные вопросы органической химии и биотехнологии (Екатеринбург, 2020), II Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Вершины науки – покорять молодым! Современные достижения химии в работах молодых ученых», (Уфа, 2021).
Работа выполнена в рамках соглашения No 075-15-2020-777 от 01.10.2020 г. Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Публикации. По материалам научно-квалификационной работы опубликовано 7 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ, и 10 тезисных докладов на всероссийских и международных конференциях.
Структура и объем диссертационной работы. Работа общим объемом 194 страниц состоит из трех основных глав: литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, а также оглавления, введения, заключения, списка литературы и условных сокращений. Работа содержит 214 ссылок на литературные источники, 15 таблиц, 165 схем и 25 рисунков.
Благодарность. Автор выражает глубокую признательность и благодарность руководству ИОС УрО РАН академикам РАН Чарушину В.Н. и Чупахину О.Н., а также научному руководителю в.н.с., д.х.н. Бургарт Я.В. за чуткое руководство и регулярную поддержку в выполнении и написании работы, а также за помощь в планировании исследований, зав. лаб., член-корр. Салоутину В.И. за неоценимую помощь в проведении исследований и консультации, коллегам по работе: к.х.н. Щеголькову Е.В., д.х.н. Горбуновой Т.И., д.х.н. Запевалову А.Я., к.х.н. Худиной О.Г., к.х.н. Бажину Д.Н., к.х.н. Кудяковой Ю.С., к.х.н. Щербакову К.В., к.х.н. Горяевой М.В., к.х.н. Ивановой А.Е., Елькиной Н.А., Кущ С.О. за ценные советы и дискуссии по работе; к.х.н. Кодессу М.И., Маточкиной Е.Г., Ежиковой М.А., к.х.н. Коряковой О.В., к.х.н. Жилиной Е.Ф., к.х.н. Валовой М.С., к.х.н. Первовой М.Г., Саморуковой М.А., Щур И.В., Сомовой Л.М. за проведение физико-химических исследований, к.х.н. П.А. Слепухину за проведение рентгеноструктурного анализа. Автор также благодарит к.х.н. Красных О.П. (Пермский Национальный Исследовательский Политехнический Университет) за проведение испытаний in vivo; к.б.н. Кравченко М.А. (Уральский НИИ фтизиопульмонологии), д.м.н.
8

Евстигнееву Н.П., к.б.н. Герасимову Н.А. (Уральский НИИ дерматовенерологии и иммунопатологии), к.б.н. Улитко М.В. (Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина), к.х.н. Махаеву Г.Ф. (Институт физиологически активных веществ РАН) за проведение биологических исследований in vitro; д.х.н. Хурсана С.Л., к.х.н. Борисевич С.С. (Уфимский институт химии РАН) за выполнение квантово- химических расчетов.