Получение биологически активных производных индолизинов, пирролоизохинолинов и конденсированных азепинов

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования, научная новизна, практическая значимость и основные научные положения, выносимые на защиту.
В главе 1 (литературный обзор) описаны актуальные методы синтеза индолизинов, пирроло[2,1-a]изохинолинов и пирроло[2,1-a][2]бензазепинов – азотсодержащих гетероциклов, содержащих пиррольный фрагмент, представлена краткая характеристика биологической активности ранее рассмотренных гетероциклических соединений. Анализ современных литературных данных, приведенных в обзоре, показывает, что производные индолизинов, пирроло[2,1-a]изохинолинов и пирроло[2,1-a][2]бензазепинов проявляют разнообразную биологическую активность. Разработка новых подходов к синтезу производных описанных гетероциклов важна как для препаративной, так и для медицинской и фармацевтической химии.
В главе 2 (обсуждение результатов) описан синтез биологически активных 2-арилиндолизинов и 1-арилпирроло[2,1-a]изохинолинов, 1-арил-5,6-дигидро- пирроло[2,1-a]изохинолинов и 6,7-дигидро-5H-пирроло[2,1-a][2]бензазепинов.
.
Синтез исходных соединений
В качестве исходных соединений для синтеза производных индолизинов и пирролоизохинолинов были выбраны 2-ароилпиридины 1a,b, 2-ароил-3,4- дигидроизохинолины 3a-d и 2-ароилизохинолины 4a-c.
2-Бензоилпиридин 1a является коммерчески доступным соединением, пиридин 1b получен по описанной методике из 2-бромпиридина (Схема 1).
Схема 1
3,4-Дигидроизохинолины 3a,c,d синтезированы по реакции Бишлера- Напиральского из соответствующих амидов ароилмуравьиных кислот. Изохинолин 3b получен из 2-(4-хлорфенил)-N-(3,4-диметоксифенил)ацетамида по реакции Бишлера-Напиральского с последующим окислением метиленовой группы (Схема 2).
Изохинолин 3e (дротаверальдин) выделен из коммерчески доступного гидрохлорида 1-(3,4-диэтоксибензил)-6,7-диэтоксиизохинолина окислением кислородом воздуха в щелочной среде (Схема 3).

Схема 2
Схема 3
Изохинолины 4a-c синтезированы в результате дегидрирования 3,4- дигидроизохинолинов 3a,c,e на Pd/C в толуоле при 200 oC и микроволновой активации (Схема 4).
Схема 4
2-Ароилпиридины и 1-ароилизохинолины, имеющие имино-кетонный фрагмент, послужили основой для синтеза индолизинов и пирроло[2,1- a]изохинолинов, содержащих в пиррольном фрагменте карбонильные и сложноэфирные группы. Трансформации осуществлены с помощью домино- реакций с участием электронодефицитных алкена (акролеина) и алкинов (ацетилацетилена, метилпропиолата, диметил- и диэтилацетилен- дикарбоксилатов).
Синтез биологически активных 2-арилиндолизинов и 1-арилпирроло[2,1-a]изохинолинов
Установлено, что при взаимодействии 2-бензоилпиридина 1a с акроле- ином в кипящем ацетонитриле в присутствии триметилсилилтрифлата образуется 2-формилиндолизин 5. Однако при проведении реакции в трифторэтаноле при 150 oC в условиях микроволновой активации из 2-ароил- пиридинов 1a,b были получены диальдегиды 6a,b (Схема 5).
Схема 5
Для синтеза 2-формилпирролоизохинолинов 7a,b из 1-ароилизохино- линов 4b,c применяют микроволновое облучение при 150 oC и трифлат скандия в качестве катализатора, но при проведении реакции в трифторэтаноле образуются диальдегиды 8a-с (Схема 6).
Схема 6
Согласно предполагаемому химизму процесса образования индолизинов 6а,b и пирролоизохинолинов 8а-с, на первом этапе происходит N-Михаэлевское присоединение акролеина. Затем следует вторичная С-реакция Михаэля, вовлекающая в трансформацию 2-й моль реагента и приводящая к синтезу диальдегидов 6а,b и 8а-с (Схема 7).
Схема 7

С целью расширения библиотеки новых производных на основе индолизина и пирроло[2,1-a]изохинолина в результате конденсации диальдегидов 6a и 8a,c с орто-фенилендиамином или 2,3-диаминонафталином в условиях микроволновой активации и в присутствии прокаленного сульфата магния был осуществлен синтез поликонденсированных
с умеренными выходами (Схема 8).
Схема 8
Мы полагаем, что реакция протекает через образование в качестве интермедиата диазаазецина A, внутримолекулярная перегруппировка которого и гидридный перенос в интермедиате В приводят к синтезу конденсированных соединений 9 и 10 (Схема 9).
бензимидазола 9a, нафтоимидазоазепиноиндолизина 9b, бензимидазоазепино- пирролоизохинолинов 10a,b и нафтоимидазоазепинопирролоизохинолинов
индолизиноазепино-
10c,d
N
Ar CHO
6a, 8a,c
NH2
CHONH2 NCH
-2H2O
N H ~H
ArCNN H
B
N
N
Ar NN
9, 10
ArHCN A
Схема 9
Для корректного подтверждения строения15-(3,4-диэтоксифенил)-12,13-ди- этокси-7,16-дигидро-6H-бензимидазо[1”,2”:1′,7′]азепино[3′,4′:4,5]-пирроло[2,1-a]- изохинолина 10b был сделан ряд корреляционных спектров– NOESY (Nuclear overhauser effect spectroscopy/Ядерная спектроскопия с эффектом Оверхаузера); HMBC (Heteronuclearmultiple-bond correlation spectroscopy/Гетероядерная многосвязная корреляционная спектроскопия). Анализ результатов представлен на Рисунке 1. Отнесение сигналов для остальных соединений этого ряда проведено согласно установленным данным.
Рисунок 1 – Анализ результатов корреляционных спектров соединения 10b
Для синтеза индолизинов и пирролоизохинолинов, имеющих более плоский каркас, чем у 5,6-дигидропирролоизохинолинов, была использована разработанная нами методика, основанная на домино-реакциях 2-ароил- пиридинов 1a,b и 1-ароилизохинолинов 4a-c с участием терминальных и симметричных алкинов, таких как метилпропиолат, ацетилацетилен, диметилацетилендикарбоксилат (АДКЭ) и диэтилацетилендикарбоксилат. Трансформации проводились в ацетонитриле, в условиях микроволновой активации и при 150 oС (Схема 10). В результате описанных превращений были получены индолизины 11a-h пирролоизохинолины 12a-l, имеющие узловой атом С и являющиеся результатом скелетной перегруппировки с переносом арильной группы в положение 8a (10b).
Схема 10
Мы полагаем, что реакция идет через образование цвиттер-иона A, в котором после замыкания пиррольного кольца происходит миграция арильного радикала с образованием кольца пирролинона (Схема 11).
Схема 11

Для полученных соединений был проведен первичный биоскрининг на наличие цитотоксической активности. Испытания были осуществлены в рамках сотрудничества с ФГБУ «Институт физиологически активных веществ Российской академии наук (ИФАВ РАН)». Мы выражаем благодарность за проведенные исследования кандидату биологических наук Аникиной Л.В. Первичная оценка цитотоксической активности соединений 5, 6a, 6b, 7b, 7c, 8a- c, 9a, 9b, 10b, 10d, 11a-c, 12c, 12g, 12i, 12k, 12l была реализована на культурах клеток человека А549 (карцинома легкого), HCT116 (карцинома кишечника), RD (рабдомиосаркома) и HeLa (аденокарцинома шейки матки).
Согласно полученным данным, цитотоксичность в отношении опухолевых линий клеток проявили индолизины с одной и двумя альдегидными группами (соединения 5 и 6a,b соответственно) и пирролоизохинолины с двумя альдегидными группами (8а-с). Наиболее активен в отношении всех четырех использованных опухолевых линий клеток пирролоизохинолин 8с, чей цитотоксический эффект сравним с эффектом известного ингибитора топоизомеразы I камптотецина. Группы пирролоизохинолинов 11 и 12 не являются цитотоксичными по отношению к изученным линиям раковых клеток.
Для понимания вероятного механизма действия наиболее перспективных соединений был выполнен докинг с помощью программы Epik для индолизинов 6а,b и пирролоизохинолинов 8а,с, имеющих две альдегидные группы для модели комплекса ДНК человека – топоизомеразы I. Соединение 8с, проявляющее максимальный эффект, демонстрирует также и максимальное сродство к комплексу ДНК-топоизомераза I.
При исследовании взаимосвязей структура–активность в рамках изученных групп соединений можно прийти к заключению, что для проявления цитотоксичности в ряду полученных индолизинов и пирролоизохинолинов ключевое значение имеет наличие и количество альдегидных групп и в меньшей степени наличие плоского каркаса.
Синтез биологически активных производных 1-арил-5,6-дигидропирроло[2,1-a]изохинолинов
Для синтеза карбоновых кислот и их производных ряда 5,6-дигидропир- роло[2,1-a]изохинолина были изучены домино-реакции 1-ароил-3,4-дигидро- изохинолинов с электронодефицитными алкенами. Модификация 2-формил- производных 5,6-дигидропирроло[2,1-a]изохинолинов позволила получить азометины, амины и амиды.
Установлено, что 5,6-дигидропирроло[2,1-a]изохинолин-2-карбоновые кислоты 13a-c образуются с высокими выходами при взаимодействии 1-ароил- 3,4-дигидроизохинолинов 3a,b,e с п-нитрофенилакрилатом в трифторэтаноле при 140 oC и микроволновой активации. Удаление сложноэфирной группы происходит за счет воды, выделившейся в процессе реакции. Превращение с менее активным этилакрилатом возможно только в присутствии оксида цинка с образованием соответствующего сложного эфира 14 с выходом 60% (Схема 12).
Схема 12
Проведение реакции соединения 3e с п-нитрофенилакрилатом без микроволновой активации в дихлорметане или в толуоле при комнатной температуре позволяет получить соответствующий эфир 15, который был модифицирован в амид 16 действием 2-аминоэтанола в присутствии триэтиламина.
Химизм превращения 1-ароил-3,4-дигидроизохинолинов 3a,b,e в карбоновые кислоты и сложные эфиры ряда 5,6-дигидропирроло[2,1- a]изохинолина 13a-c, 14, 15 представляет собой домино-реакцию, включающую в себя генерацию цвиттер-иона А, образующегося в результате реакции Михаэлевского присоединения с участием атома азота имино-кетонного фрагмента и электронодефицитных алкенов, замыкание пятичленного цикла (интермедиат В) и, далее, образование пирролоизохинолинов 13a-c, 14, 15 через илид С (Схема 13). Элиминирование п-нитрофенола при образовании карбоновых кислот 13a-c, скорее всего, происходит на заключительной стадии.
Схема 13

Ранее было установлено, что требуемые для биологического скрининга нитрилы пирроло[2,1-a]изохинолин-2-карбоновых кислот 19a-d не удается получить в результате домино-реакций из 1-ароил-3,4-дигидроизохинолинов с участием кротоно- и циннамоил-нитрилов, поэтому их синтез осуществляли через оксимирование и дегидратацию 2-формилпирролоизохинолинов 17a-i. Дегидратацию оксимов 18a-d проводили с помощью кипячения в уксусном ангидриде (Схема 14).
Схема 14
Оптимальным путем для получения азометинов, необходимых для проведения биологического скрининга, является модификация альдегидной группы с участием анилинов и аминов различного строения. Так, на основе 2- формилпроизводных 5,6-дигидропирроло[2,1-a]изохинолинов с участием тиомочевины (1 пример) и п-аминофенола получены тиосемикарбазон 20 и основания Шиффа 21a-e. Из соединения 21d синтезирован соответствующий аминофенол 22 (Схема 15).
Схема 15

Для выяснения особенностей биологической активности 5,6-дигидро- пирроло[2,1-a]изохинолинов 20-22 был проведен биоскрининг этих соединений в университете Альдо Моро (Италия). Мы выражаем благодарность за проведенные исследования группе профессора Альтомаре К.Д. В результате экспериментов было обнаружено, что пирролоизохинолины 20-22 способны ингибировать действие эффлюксных насосов, снижая мультилекарственную резистентность злокачественных клеток. Основания Шиффа 21b, 21c, 21d, 21e и амин 22 проявили максимальную активность. Было показано, что наличие иминиевого фрагмента – важный критерий проявления биологической активности. Дополнительно исследована стабильность оснований Шиффа при различном pH методами ЯМР и спектрофотометрии. Установлено, что в кислых условиях гидролиз проходит практически незамедлительно, однако период полужизни при нейтральном pH составляет около 3 ч, что является очень хорошим результатом. рH-Зависимое гидролитическое разложение, приводящее к синтезу биоактивного исходного пирролоизохинолина – очень быстрое и эффективное при pH желудочного сока и очень медленное при нейтральном физиологическом pH – позволяет предполагать, что основания Шиффа ряда 5,6-дигидропирроло[2,1-a]изохинолина потенциально могут использоваться в качестве кандидатов при создании пролекарства для перорального введения или в качестве кандидатов для инъекций с медленным высвобождением in vivo.
Для дальнейшего изучения биологических свойств азометинов ряда 5,6- дигидропирроло[2,1-a]изохинолинов проведен синтез оснований Шиффа 23a-f на основе п-анизидина и азометинов 24a-c с участием N,N-диметилпро- пиламина. Для увеличения растворимости в водных средах соединение 24c впоследствии было превращено в гидрохлорид 24′ (Схема 16).
Схема 16

В реакциях 5,6-дигидропирроло[2,1-a]изохинолинов-2-карбальдегидов 17a,b,d,g-i с пара-фенилендиамином, гидразином и этилендиамином синтезированы азометины димерного типа 25a,b и 26a-f. Азометины 26b,e были превращены в гидрохлориды 26’a,b (Схема 17).
Схема 17
С целью дальнейшего расширения библиотеки биологически активных производных ряда пирроло[2,1-a]изохинолинов на основе альдегидов 17a,c,d синтезированы амины и диамины, используя простую и доступную схему восстановления промежуточных азометинов боргидридом натрия. В качестве реагентов были выбраны бензиламин, морфолин, N,N-диметилпропандиамин и N,N′-диметилэтилендиамин. В результате проведен синтез аминов 27a-c, 28a-c и диаминов 29a-c и 30 с умеренными выходами после двух стадий. Дополнительноиз соединений 28c и 30 получены соли 28′ и 30′ (Схемы 18,19).
Схема 18
Схема 19

Амины 27a-с и 29a-c далее были использованы для синтеза соответствующих амидов путем ацилирования с помощью уксусного ангидрида. Амиды 31a-c и 32a-c образуются в дихлорметане в присутствии триэтиламина с высокими выходами (Схема 20).
Схема 20
Производные пирроло[2,1-a]изохинолинов 23a,b,c,e, 24′,25b, 26a,e, 26′a, 30′ были исследованы на наличие биологической активности в лаборатории университета Альдо Море. То, что молекулы, способные ингибировать эффлюксные насосы P-gp, могут проникать через гемато-энцефалический барьер (ГЭБ), побудило провести исследование об их возможном влиянии на мишени для лекарственных препаратов, связанных с неврологическими расстройствами. В этой задаче был использован алгоритм поиска сходства по множественным отпечаткам пальцев (MuSSeL), разработанный с целью определения приоритетных мишеней для лекарственных препаратов. Интересно, что в соответствии с данными расчета MuSSeL, основания Шиффа димерного типа 26a,e, 26′a, полученные в реакции с пара-фенилендиамином, оказались новыми хитами для многоцелевых лигандов (MTDL), направленных на соединения, связанные с болезнью Альцгеймера такие, как ацетилхолинэстераза (AChE), моноаминоксидаза (MAO) и бета-амилоид (Aβ40) человека. Соединение 26a проявило себя как многообещающий ингибитор самоагрегации Aβ40(IC50 = 13 мкМ) и AChE (Ki = 4,69 мкМ). Кроме того, пирроло[2,1-a]изохинолин 26a при низкой цитотоксичности проявил умеренную ингибирующую активность в отношении МАО A, которая является

мишенью для антидепрессантов. Совокупность описанных свойств позволяет сделать вывод о том, что димер 26a может выступать в роли перспективного лиганда, нацеленного на несколько мишеней: замедление прогрессирования болезни Альцгеймера с одновременным смягчением его симптомов.
Синтез 6,7-дигидро-5H-пирроло[2,1-a][2]бензазепинов
Поиск новых методов синтеза пирроло[2,1-a][2]бензазепинов, которые относятся к перспективным и интересным в плане биологической активности соединениям – актуальная задача химии гетероциклических соединений. Домино-реакции 1-ароилзамещенных гетероциклических соединений, имеющих имино-кетонный фрагмент, являются удобным и эффективным методом аннелирования пиррольного цикла с одновременным введением полезных функциональных групп.
Необходимые для синтеза1-ароил-4,5-дигидро-3Н-бензо[c]азепины 34a,b были получены на ключевых стадиях по реакции Бишлера-Напиральского из арилпропиламидов ароилмуравьиных кислот 33a,b. 3,4-Диметоксифенил- пропиламин синтезировали на основе вератрового альдегида по известной методике (Схема 21).
Схема 21
Установлено, что домино-реакции 1-ароилбензазепинов 34a,b с участием электронодефицитных алкенов (акролеин, метилвинилкетон, п-нитрофенил- акрилат) и в качестве алкина – диметилацетилендикарбоксилат, успешно приводят к синтезу ожидаемых 6,7-дигидро-5H-пирроло[2,1-a][2]бензазепинов 35-38 с высокими выходами. Надо отметить, что реакции с алкенами протекают при 40 оС в трифторэтаноле для акролеина и метилвинилкетона, и в толуоле для

п-нитрофенилакрилата. Реакция с АДКЭ была проведена в условиях микроволнового облучения в ацетонитриле при 150 оС, и, аналогично реакции 1-ароилизохинолинов, сопровождается скелетной перегруппировкой и переносом арильной группы в положение 11b и образование пирролобензазепина 38 с высоким выходом. Строение полученных пирроло[2,1-a][2]бензазепинов 35-38 однозначно установлено с помощью комплекса спектральных данных, и для соединения 35a дополнительно подтверждено методом РСА (Рисунок 2).
Схема 22
Рисунок 2 – Молекулярная структура соединения 35a
Химизм превращений1-ароил-4,5-дигидро-3Н-бензо[c]азепинов 34a,b в синтезе пирролобензоазепинов 36-38 приведен на Схемах 23, 24 и включает несколько этапов.
Трансформация бензо[c]азепинов 34a,b под действием электронодефицитных алкенов относится к домино-реакциям, первым этапом которой является присоединение по Михаэлю алкена к атому азота с образованием цвиттер-иона А. Затем следует нуклеофильная атака анионного центра на карбонильную группу с образованием интермедиата B. Замыкание пятичленного цикла и превращение в илид C с последующей дегидратацией завершает процесс (Схема 23).

Схема 23
Реакция 1-ароил-4,5-дигидро-3Н-бензо[c]азепина 34a c АДКЭ протекает аналогично описанному ранее взаимодействию 2-ароилпиридинов и 1-ароил- изохинолинов с электронодефицитными алкинами. В результате домино- реакции проходит образование продукта перегруппировки с переносом арильной группы – пирролобензо[2,1-a][2]азепина 38 (Схема 24).
Схема 24
N
CO2Me CO2Me
MeO
MeO N
CO2Me
MeO N
MeO
MeO CO2Me MeO
N
O CO2Me
MeO MeO
MeO2C
Ph
CO2Me
Ph
O
Ph O CO2Me
34a A B
Ph O
Таким образом, были разработаны удобные методики синтеза производных индолизинов, пирроло[2,1-a]изохинолинов, 5,6-дигидропирроло- [2,1-a]изохинолинов и пирролобензо[2,1-a][2]азепинов и проведен первичный биоскрининг для значительной части полученной библиотеки соединений.
В главе 3 (экспериментальная часть) структура всех полученных соединений была подтверждена комплексом спектральных данных (1H и 13C ЯМР спектроскопия, ИК спектроскопия, масс-спектрометрия) и элементным анализом. Для ключевых соединений был проведен рентгеноструктурный анализ или сделаны корреляционные спектры. Для большинства полученных соединений проведен первичный биоскрининг, для наиболее перспективных в плане цитотоксичности выполнен докинг с помощью программы Epik для модели комплекса ДНК человека – топоизомеразы I.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Изучена реакционная способность 2-ароилпиридинов 1, их бензоаналогов – 1-ароилизохинолинов 3 и 1-ароил-4,5-дигидро-3Н-бензо[c]азепинов 34 в реакциях с электронодефицитными алкенами и алкинами. Установлено, что наличие имино-кетонного фрагмента во всех субстратах позволяет сформировать пятичленный азотсодержащий цикл и получить производные индолизинов, пирроло[2,1-a]изохинолинов и пирроло[2,1-a][2]бензазепинов.
2. Установлено, что для превращений 2-ароилпиридинов и 1-ароилизо- хинолинов с акролеином характерно образование продуктов присоединения 2 молей реагента-индолизинов 6a,b и пирроло[2,1-a]изохинолинов 8а-с, в отличие от описанных ранее превращений 1-ароил-3,4-дигидроизохино- линов. Индолизин 6a и пирроло[2,1-a]изохинолины 8а,с способны вступать в реакцию с фенилендиаминами, приводя к образованию поликонден- сированных азепиноимидазолов, ранее не описанных в литературе.
3. Показано, что трансформации 2-ароилпиридинов 1, 1-ароилизохинолинов 3 и 1-ароилбензоазепина 34a с участием алкинов проходят с образованием продуктов перегруппировки с переносом арильной группы – индолизинов 11a-h, пирроло[2,1-a]изохинолинов 12a-l и пирроло[2,1-a][2]бензазепина 38.
4. Предложены удобные методики синтеза производных 5,6-дигидро- пирроло[2,1-a]изохинолинов, обладающих различными фармакофорными группами: альдегидными, кетонными, карбоксильными, сложноэфирными, нитрильными, азометиновыми, амидными и аминогруппами.
5. Проведено тестирование серии полученных соединений на наличие цитотоксической активности на четырех линиях опухолевых клеток, выявлены наиболее активные соединения, относящиеся к диальдегидам индолизинов 5,6 и пирролоизохинолинов 7,8. Проведенный докинг с участием топоизомеразы I подтвердил выводы, сделанные на основе экспериментов.
6. Изучение биологических свойств производных 5,6-дигидропирроло[2,1- a]изохинолинов показало, что и амин 22 и основания Шиффа 21b, 21c, 21d и 21e, синтезированные на основании 4-аминофенола, являются эффектив- ными ингибиторами мультилекарственной резистентности опухолевых клеток.
7. Установлено, что азометины димерного характера 26a-f, 26′a,b обладают выраженными свойствами ингибиторов МАО и ацетилхолинэстеразы. Соединение 26a проявило себя как многообещающий ингибитор агрегации Aβ 40. Пирроло[2,1-a]изохинолин 26a при низкой цитотоксичности проявил умеренную ингибирующую активность в отношении МАО A, которая является мишенью для антидепрессантов. Димер может выступать в роли перспективного лиганда, нацеленного на замедление прогрессирования болезни Альцгеймера с одновременным смягчением ее симптомов.

Полнота изложения материалов диссертации в работах, опубликованных соискателем