Получение и свойства продуктов аминометилирования мочевины, тиомочевины и гуанидина Хамуд Фарес

Содержание к диссертации

Введение

1 Аналитический обзор 10

1.1 Общие сведения о реакции манниха 10

1.2 Конденсации мочевины и тиомочевины с формальдегидом 13

1.3 Аминометилирование мочевины с использованием в качестве аминокомпонентов первичных моноаминов 17

1.4 Аминометилирование тиомочевины с использованием в качестве аминокомпонентов первичных моноаминов 23

1.5 Получение и алкилирование циклических оснований манниха – производных тиомочевины и простейших аминокислот 30

1.6 Синтез 5-алкил-1,3,5-триазинан-2(ти)онов путем Аминометилирования (тио)мочевины первичными аминами и N,n,n ,n -тетраметилметилендиамином 32

1.7 Получение бис-триазинан-2-(ти)онов конденсацией мочевины или тиомочевины с формальдегидом и первичными диаминами 33

1.8 Получение гетероциклических соединений путем конденсации формальдегида с диаминами 36

1.9 Аминометилирование гликольурила

1.9.1 Аминометилирование гликольурила с использованием в качестве аминокомпонентов первичных моноаминов 39

1.9.2 Аминометилирование гликольурила с использованием в качестве аминокомпонентов первичных диаминов

1.10 Аминометилирование гуанидина 42

1.11 Конденсация гуанидина с формальдегидом 43

1.12 Мочевинные макроциклы, содержащие фрагменты триазинан-2-она 44

2 Обсуждение результатов 48

2.1 Взаимодействие мочевины с формальдегидом и алифатическими диаминами с концевыми аминогруппами 48

2.2 Аминометилирование симметричных диалкилмочевин формальдегидом и аминокислотами 63

2.3 Взаимодействие тиомочевины с формальдегидом и алифатическими диаминами з

2.4 Аминометилирование гуанидинагидрохлорида

Формальдегидомиаминокислотами 73

2.5 Прогнозирование профилей биологической активности вновь синтезированных соединений с помощью программных комплексов, предоставляемых на специализированных веб ресурсах 83

2.5.1 Прогнозирование биологической активности с помощью веб-ресурса «pass online» 83

2.5.2 Прогнозирование биологической активности с помощью веб-ресурса «drar-cpi» 89

3 Экспериментальная часть 110

3.1 Взаимодействие мочевины с формальдегидом и алифатическими диаминами с концевыми аминогруппами 114

3.2 Аминометилирование симметричных диалкилмочевин формальдегидом и аминокислотами 121

3.3 Взаимодействие тиомочевины с формальдегидом и алифатическими диаминами 125

3.4 Аминометилирование гуанидинагидрохлорида формальдегидомиаминокислотами 131

3.5 Прогнозированиепрофилейбиологической активностивновь синтезированныхсоединенийспомощьюпрограммных комплексов,предоставляемыхнаспециализированныхвеб ресурсах 143

3.5.1 Ввод тестируемой молекулы на веб-ресурсе «pass online» 143

3.5.2 Ввод тестируемой молекулы на веб-ресурсе «drar-cpi» 144

Заключение 145

Список литературы

• Получение и алкилирование циклических оснований манниха – производных тиомочевины и простейших аминокислот
• Аминометилирование гликольурила с использованием в качестве аминокомпонентов первичных диаминов
• Аминометилирование симметричных диалкилмочевин формальдегидом и аминокислотами
• Аминометилирование симметричных диалкилмочевин формальдегидом и аминокислотами

Введение к работе

Актуальность работы. Исследования в области производных тиомочевины,
изотиомочевины и гуанидина, структурно родственных благодаря общему

карбоксамидиновому фрагменту^*, занимают важное место в органической и медицинской химии, поскольку известно много лекарственных веществ, содержащих скелетоны этих молекул. В частности, среди соединений с карбоксамидиновым фрагментом найдены эффективные ингибиторы NO-синтазы (Усп. химии. 2005. Т. 74, № 9. С. 939), а такое свойство позволяет ожидать от них противошокового действия. Соединения с гуанидиновым фрагментом за счет взаимодействия с имидазолиновыми рецепторами могут обладать рядом фармакологических эффектов, что позволяет рассматривать их в качестве потенциальных антидепрессантов, гипотензивных средств и средств для лечения диабета.

Ранее в СПбГТИ (ТУ) были получены серии циклических тиомочевин, изотиомочевин и гуанидинов, проявивших в эксперименте высокую противошоковую, актопротекторную и антигипоксическую активность. Представлялось весьма актуальным расширить многообразие известных циклических тиомочевин, изотиомочевин и гуанидинов, а также изостерных мочевин, с целью последующей оценки биологического действия, а также выявления иных, помимо биологической активности, полезных свойств вновь полученных соединений.

Степень разработанности темы. Хотя аминометилирование тиомочевины

формальдегидом и первичными аминами, в том числе простейшими аминокислотами, достаточно хорошо изучено (ЖОХ. 2012. Т. 82, № 2. С. 240 и цитированные там источники), о трехкомпонентной конденсации тиомочевины с формальдегидом и этилендиамином сообщается лишь в двух публикациях (Angew. Chem. A. 1948. Bd. A60, Nr. 10. S. 267; J. Org. Chem. 1949. Vol. 14, № 2. P. 189). По сравнению с тиомочевиной аминометилированию мочевины посвящено гораздо меньшее число публикаций, из них только в двух уже упомянутых (Angew. Chem. A. 1948. Bd. 60, Nr. 10. S. 267; J. Org. Chem. 1949. Vol. 14, № 2. P. 189) изучалась реакция с этилендидиамином и в двух (Пат. US 2389415A. 1945; Пат. US 2389416A. 1945) – с глицином. Еще меньше известно об аминометилировании незамещенного гуанидина, которому посвящено всего три работы (Chem. Pharm. Bull. 1962. Vol. 10, № 12. P. 1167; Пат. JP 78563. 1959; Пат. JP 38014587B. 1963), при этом реакция с аминокислотами вообще не изучалась. Убедительных доказательств строения продуктов аминометилирования гуанидина, продуктов аминометилирования тиомочевины и мочевины при использовании

Справедливо для тиольной формы тиомочевины.

этилендиамина и продукта аминометилирования мочевины при использовании глицина в указанных работах не приводится.

Цель и задачи работы. Цель работы состояла в систематическом изучении аминометилирования мочевины, тиомочевины и гуанидина формальдегидом и диаминами и/или аминокислотами и реализации синтетического потенциала этих реакций.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

S выделение и идентификация продуктов аминометилирования мочевины формальдегидом и алифатическими диаминами С₂-С₄ и разработка препаративных методов их получения;

S выделение и идентификация продуктов аминометилирования тиомочевины формальдегидом и алифатическим диаминами С₂-С₄ и разработка препаративных методов их получения;

S выделение и идентификация продуктов аминометилирования гуанидина гидрохлорида формальдегидом и аминокислотами С2-С4 и разработка препаративных методов их получения;

S выделение и идентификация продуктов аминометилирования мочевины формальдегидом и аминокислотами С₂-С₄;

S виртуальный компьютерный скрининг синтезированных веществ на биологическую активность и оценка их фармакологического потенциала.

Объекты исследования. В соответствии с поставленной целью в качестве объектов исследования выбраны мочевина, тиомочевина и гуанидин, которые вводились в реакции аминометилирования с использованием в качестве аминокомпонентов алифатических диаминов и/или аминокислот.

Научная новизна

1. Впервые проведено систематическое исследование трехкомпонентных конденсаций
мочевины и тиомочевины с формальдегидом и алифатическими диаминами, а также
двухкомпонентных конденсаций 1,3-бис(гидроксиметил)мочевины и 1,3-

бис(гидроксиметил)тиомочевины с алифатическими диаминами. Установлено, что:

- трехкомпонентные конденсации мочевина - формальдегид - пропан-1,3-диамин, 1:3:1, и тиомочевина - формальдегид - пропан-1,3-диамин, 1:3:1, приводят к 1,3,5,7,11,13,15,17-октаазатрицикло[15.3.1.1^7,11]докозан-4,14-диону или -4,14-дитиону, соответственно -макроциклическим основаниям Манниха, которым в качестве субстрата соответствует мочевина или тиомочевина, метиленового компонента - формальдегид, а аминного компонента - пропан-1,3-диамин, с той особенностью строения, что атомы азота каждого из двух

пропилендиаминовых фрагментов попарно «сшиты» метиленовыми мостиками, образуя трициклический каркас;

– в результате двухкомпонентных конденсаций 1,3-бис(гидроксиметил)мочевина – пропан-1,3-диамин, 2:1, и 1,3-бис(гидроксиметил)тиомочевина – пропан-1,3-диамин, 1:1, также получаются указанные макроциклические основания Манниха;

– трехкомпонентные конденсации мочевина – формальдегид – бутан-1,4-диамин, 1:2:1, и тиомочевина – формальдегид – бутан-1,4-диамин, 1:2:1, дают 5,5'-бутан-1,4-диилбис-(1,3,5-триазинан-2-он или -2-тион, соответственно;

– в результате двухкомпонентных конденсаций 1,3-бис(гидроксиметил)тиомочевина – этан-1,2-диамин, 2:1, и бис(гидроксиметил)тиомочевина – пропан-1,3-диамин, 2:1, получаются 5,5'-этан-1,3-диилбис(1,3,5-триазинан-2-тион) или 5,5'-пропан-1,2-диилбис(1,3,5-триазинан-2-тион), соответственно.

1. Впервые целенаправленно изучено аминометилирование гуанидина гидрохлорида водным формальдегидом и простейшими аминокислотами. Показано, что при соотношении реактантов 1:4:2 оно приводит к бициклическим 3,3'-(1,8-дигидро-2H-[1,3,5]триазино[1,2-a][1,3,5]триазин-3,7(4H,6H)-диил)дипропановой и -дибутановой кислот гидрохлоридам, а при соотношении 1:6:3 – к трициклическим 2,5,8-трис-(карбокси)алкил-2,3,5,6,8,9-гексагидро-1H,4H,7H-2,5,6a,8,9a-пентааза-3a-азониафеналена хлоридам, которые, в свою очередь, могут быть переведены в соответствующие им внутренние соли – цвиттер-ионы в первом случае или бетаины во втором.

2. Впервые осуществлено аминометилирование 1,3-диалкилмочевин формальдегидом и простейшими аминокислотами, приводящее к терминально замещенным (3,5-диалкил-4-оксо-1,3,5-триазинан-1-ил)карбоновым кислотам.

3. Обнаружено, что при действии на S-метилизотиомочевины гидробромид водного формальдегида и -аланина получается циклическая изотиурониевая соль – 3-[4-(метилсульфанил)-3,6-дигидро-1,3,5-триазин-1(2H)-ил]пропановой кислоты гидробромид. Эта реакция – первый пример аминометилирования гидрогалогенидов S-алкилизотиомочевин.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные результаты расширяют
представления об особенностях аминометилирования субстратов с мочевинным,

тиомочевинным, изотиомочевинным и гуанидиновым скелетонами. Выявленная способность мочевины и тиомочевины взаимодействовать с формальдегидом и пропан-1,3-диамином с образованием трициклических макроциклов открывает пути к получению структурно подобных макроциклических систем. Изучение аминометилирования гуанидина гидрохлорида показало, что реакция не ограничивается аминометилированием одного амидинового фрагмента и, в зависимости от соотношения реактантов, приводит к бис- или трициклическим продуктам. Этот

факт позволяет прогнозировать условия и маршруты подобных трехкомпонентных конденсаций в гуанидиновом ряду с целью получения би- и трициклических азотсодержащих систем с различными, в том числе функционализированными, заместителями.

Результатом исследования стало получение ряда новых производных триазина (триазинана), а также мочевинного и тиомочевинного мостиковых макроциклов. Большинство полученных соединений можно рассматривать в качестве потенциальных биологически активных веществ, что подтверждено прогнозом их биологического действия. Предложенные методы синтеза новых соединений просты и удобны для лабораторного использования, а в случае необходимости могут быть легко масштабированы в промышленном масштабе.

Методология и методы исследования. Методология органического синтеза и
установления строения органических молекул. Методы синтетической органической химии.
ЯМР Ни С спектроскопия, включая двумерную спектроскопию; ИК спектроскопия, УФ
спектроскопия, масс-спектрометрия высокого разрешения (МСВР), рентгеноструктурный
анализ (РСА). Компьютерное (in silico) прогнозирование биологической активности.
Положения, выносимые на защиту:
/ доказательства строения макроциклических продуктов аминометилирования мочевины и
тиомочевины формальдегидом и пропан-1,3-диамином и их идентичности продуктам
взаимодействия 1,3-бис(гидроксиметил)мочевины и 1,3-

бис(гидроксиметил)тиомочевины с пропан-1,3-диамином, соответственно, основанные на данных РСА, ИК, ЯМР ¹Н, ¹³С {*H} спектроскопии с применением 2D-экспериментов и МСВР; препаративные методы получения указанных продуктов; ^ доказательства строения «линейных» бис(1,3,5-триазинановых) продуктов аминометилирования мочевины и тиомочевины формальдегидом и бутан-1,4-диамином, продуктов конденсации 1,3-бис(гидроксиметил)тиомочевины с этан-1,2-диамином и пропан-1,3-диамином, на основе данных РСА, ИК, ЯМР *Н, ¹³С {*H} спектроскопии; препаративные методы получения указанных продуктов; / доказательства строения продуктов аминометилирования гуанидина гидрохлорида формальдегидом и аминокислотами С₂-С₄ на основе данных РСА, ИК, ЯМР *Н, ¹³С {*H} спектроскопии и МСВР; маршруты реакции в зависимости от соотношения реактантов; препаративные методы получения продуктов аминометилирования; / доказательства строения продуктов аминометилирования 1,3-диметил- и 1,3-диэтилмочевины формальдегидом и аминокислотами С2-С4 на основе данных РСА, ИК, ЯМР Н, С { Н} спектроскопии; препаративные методы получения продуктов аминометилирования;

S результаты компьютерного прогнозирования биологического действия синтезированных

соединений.

Личный вклад автора. Основная часть работы выполнена автором самостоятельно. Она включает в себя: участие в постановке цели и задач исследования; химический синтез; обработку и интерпретацию спектральных данных (спектры ЯМР, ИК спектры, масс-спектрометрия высокого разрешения); сбор, анализ и систематизацию литературных данных; интерпретацию полученных результатов, их обобщение и формулирование выводов по работе; написание статей и представление докладов по теме диссертации. Рентгеноструктурные исследования выполнены к. г.-м. н. Гуржием В.В. (РЦ СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования») и Фундаменским В.С. (СПбГТИ (ТУ)). ЯМР спектры получены к. х. н. Захаровым ВИ. (ФГУП «НИИ ГЭПЧ» ФМБА России), ИК спектры - Артамоновой ТВ. (СПбГУПТД), масс-спектры высокого разрешения - Мишаревым А.Д. (РЦ СПбГУ «Методы анализа состава вещества»). Элементный анализ выполнен Артамоновой Т.В. Компьютерное прогнозирование биологического действия синтезированных соединений осуществлено в режиме on line с помощью веб-ресурсов «PASS Online» и «Drar-CPI».

Степень достоверности и апробация результатов работы Приведенные в работе экспериментальные данные получены современными химическими и инструментальными методами и согласуются между собой. Сформулированные в работе выводы вытекают из результатов экспериментов, научно обоснованы и находятся в соответствии с современными представлениями химической науки.

Основные результаты диссертационной работы представлены на 4 международных и российских конференциях: Научно-практической конференции, посвященной 186-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) «Технологический институт - традиции и инновации» (Санкт-Петербург, 2014 г.), Международном конгрессе по химии гетероциклических соединений «KOST-2015» (Москва, 2015 г.), 10-ом Всероссийском симпозиуме с международным участием «Термодинамика и материаловедение» (Санкт-Петербург, 2015 г.), Конференции «Успехи химии гетероциклических соединений» в рамках Кластера конференций по органической химии «ОргХим-2016» (Санкт-Петербург, 2016 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в реферируемых российских журналах, рекомендованных ВАК, и 4 тезиса докладов в материалах конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из «Введения», разделов «Литературный обзор», «Обсуждение результатов», «Экспериментальная часть», «Заключения», «Списка литературы» (141 источник). Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 54 схемы, 24 таблицы и 10 рисунков.

Получение и алкилирование циклических оснований манниха – производных тиомочевины и простейших аминокислот

Хотя за счет аминогруппы как +М-заместителя происходит определенное снижение электрофильных свойств, этот карбкатион достаточно реакционноспособен. Более того, некоторое снижение «жесткости» карбкатиона способствует избирательности аминометилирования и препаративному использованию этой реакции (направленному синтезу) [12].

При взаимодействии вторичного амина и формальдегида при 30 C амин практически полностью существует как метиленбисамин (2). Образование при нормальных условиях реакции Манниха аминометилового эфира (3) маловероятно, поскольку скорость его образования слишком мала по сравнению с почти мгновенным образованием метиленбисамина (2) [16].

Сообщается о трех побочных реакциях, сопровождающих аминометилирование [19]. Это могут быть либо конденсация основания Манниха как аминокомпонента с одной или двумя молекулами альдегида и активного соединения (схема 6), либо конденсация основная Манниха как субстрата с одной или двумя молекулами альдегида и аммиака или амина (схема 7), либо конденсация основаниая Манниха с избытком формальдегида с образованием азометина (7) (схема 8):

Типичными свойствами оснований Манниха являются такие реакции, как реакции деаминометилирования (ретро-реакция Манниха) и деаминирования, причем С-основания Манниха более устойчивы к деаминометилированию, чем к деаминированию, а N-основания Манниха в зависимости от рН среды отщепляют либо аминометильный фрагмент, либо аминный. Более подробно механизмы реакции Манниха и свойства оснований Манниха освещены в монографии [10] и обзорах [11, 12].

При взаимодействии мочевины с формальдегидом протекают разнообразные процессы конденсации, при этом строение и состав образующихся продуктов зависят от многих факторов: соотношения реагентов, температуры и продолжительности реакции, растворителя и др. Основной чертой этого взаимодействия является образование олигомерных (полимерных) продуктов – смол, часто неопределенного состава [22, с. 328 и далее; 23, с. 140 и далее; 24, с. 187 и далее; 25; 26]. Ниже рассмотрены, в основном, те конденсации, которые приводят к низкомолекулярным продуктам.

В сильнощелочной среде (рН 11-13) из мочевины и формальдегиа, независимо от соотношения компонентов, образуется монометилолмочевина (8) (схема 9). О О При (20-50) C в нейтральной или слабощелочной среде (рН 7-8) при мольном отношении мочевина - формальдегид 1:1 образуется 1-(гидроксиметил)мочевина (8), которая при более высокой температуре превращается в смолу линейного строения. При (20-75) C в нейтральной или слабощелочной среде (рН 7-8) при мольном отношении мочевина - формальдегид 1:2 образуется 1,3-бис(гидроксиметил)мочевина, далее ДММ (9). Процесс протекает в две стадии: сначала из мочевины и формальдегида получается 1-(гидроксиметил)мочевина (8), а затем более медленно присоединяется вторая молекула формальдегида и образуется 1,3-бис(гидроксиметил)мочевина (9) (схема 9) [23, с. 140].

Метод получения 1,3-бис(гидроксиметил)мочевины (9) описан в статье [27]. В слабокислой среде (рН 5-6,5) при избытке мочевины образуется нерастворимый в воде и других растворителях многокомпонентный осадок, содержащий, метилендимочевину (10), триметилентетрамочевину (11а, п=3) и пентаметиленгексамочевину (Па, п=5) (схема 10). HN СО—NH2 Н2С HN СО—NH2 (n+1) CO(NH2)2 + пСН20 - H[-NHCONHCH2-]nNHCONH2 + пН20 Па

Схема 10 - Строение метилендимочевины (10), триметилентетрамочевины (n=3) и пентаметиленгексамочевины (n=5) в общем виде

В слабокислой среде (рН 5-6,5) при избытке формальдегида образуются низкомолекулярные смолы - олигомеры. Их молекулярная масса зависит от температуры и продолжительности реакции поликонденсации. Из 1-(гидроксиметил)мочевины (8) образуются только линейные олигомеры (lib) или (11с) (схема 11). Из 1,3-бис(гидроксиметил)мочевины (9) могут образовываться как линейные смолы, так и смолы с циклическими звеньями.

В работе [28] подробно изучено взаимодействие мочевины с формальдегидом при различном соотношении реагентов (1:1, 1:2, 1:3) в зависимости от кислотности и температуры среды. Установлено строение и рассмотрены свойства как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных продуктов конденсации, а также переходы между ними. При взаимодействии тиомочевины с формальдегидом в мольном соотношении 1:1 образуется монометилольное производное тиомочевины (13) [29, 30], а при соотношении 1 : 2 - диметилольное производное (14) (схема 14) [29-31].

Образование N-гидроксиметилтиомочевины (13a) происходит в результате нагревания смеси тиомочевины с водным раствором формальдегида (40 %) в водной среде [15] или при охлаждении этой смеси в присутствии Ва(ОН)2 при пропускании через раствор углекислоты [16]. В обеих методиках для выделения продукта используется вакуум-отгонка воды (t 50 С).

При нагревании N-гидроксиметилтиомочевины (13а) в 0.1 н. NaOH при 40 С происходит ее изомеризация с образованием S-гидроксиметилизотиомочевины (13Ь) [29].

Получение ад-бис(гидроксиметил)тиомочевины, далее ДМТМ (14а) осуществляют аналогично синтезу N-гидроксиметилтиомочевины (13а) [29, 30]. Отмечается [29], что при добавлении к реакционной смеси гексаметилентетрамина образуется ее изомер (14Ь).

В работе [31] описан способ получения 8-бис(гидроксиметил)изотиомочевины (14Ь) взаимодействием тиомочевины и формальдегида в водной среде в присутствии анионообменной смолы в течение 3.5 часов. Методика включает последовательное проведение операций 20 С фильтрования от анионообменной смолы и упаривания при t 45 С в вакууме 15-20 мм рт. ст.

В работе [32] сообщается об обратимом характере реакции конденсации тиомочевины с формальдегидом. Отмечается, что в результате их взаимодействия при в уксусной кислоте образуется монометилол-триметилен-тетракис-тиомочевина.

При взаимодействии тиомочевины и параформа в водной среде с добавлением небольшого количества 10 %-ного NaOH образуется твердый полимер, обладающий высокой устойчивостью к воде [33].

Сообщается [34], что продукты конденсации производных тиомочевины с формальдегидом общей формулы (15) и (16) (схема 15) применяются в качестве ускорителей вулканизации для адгезивов, содержащих метакрилатные или акрилатные мономеры.

Аминометилирование гликольурила с использованием в качестве аминокомпонентов первичных диаминов

Внешний каркас мостиковой молекулы докозана (3-7) представляет собой вытянутый 20-членный макроцикл, имеющий конформацию ванны (длина «ванны», т. е. большой оси молекулы, порядка 1 нм; рисунок 1). Мостиковые атомы углерода, связывающие узловые атомы азота, входят в состав двух «периферических» шестичленных циклов, находящихся в конформации кресла. Эти шестичленные циклы расположены симметрично относительно плоскости, проведенной через карбонильные группы. «Внутренний» 16-членный цикл образован чередующимися атомами углерода и азота. Оба карбонильных кислорода ориентированы в одну сторону от плоскости макроцикла. Симметрию молекулы (3-7) можно описать группой C2v.

Геометрия второй независимой молекулы докозана (3-2) практически неотличима от первой (таблица 15); группа симметрии, естественно, та же. Молекулы (3-7) и (3-2) почти параллельны, но длинные оси молекул расположены взаимоперпендикулярно, а карбонильные группы молекул ориентированы в противоположные стороны. Обе молекулы связаны восемью ВС N-HN, их длины лежат в диапазоне 2.94-3.04 (таблица 16). В качестве доноров ВС выступают NH группы мочевинных фрагментов макроциклов, а в качестве акцепторов - узловые атомы азота, входящие в состав шестичленных циклов. Направления ВС попарно чередуются: D- A, D- A, A -D, A -D и т. д. (рисунки 2, 3).

Две скрещенные водородносвязанные молекулы докозана (3-7) и (3-2) образуют группировку, которую можно рассматривать как основной структурный мотив кристалла, и этот «дидокозановый» фрагмент сохраняет симметрию одиночной молекулы докозана. Такой же мотив мы наблюдали и в кристалле, полученном непосредственно из этанольного реакционного раствора (данные еще не опубликованы). В описываемой структуре дидокозановые фрагменты связаны друг с другом ВС с участием четырех молекул воды, пара из которых (H2O(3) и H2O(4)) примыкает с помощью ВС к молекуле (3-7), а другая пара (H2O(1) и H20(2)) - к молекуле (3-2). Однако водородное связывание молекулы (3-7) с парой примыкающих к ней молекул воды отличается от водородного связывания молекулы (3-2) со «своей» парой молекул воды. В случае молекулы (3-7) карбонильные кислороды O(4 ) и O(14 ) связаны ВС с двумя различными молекулами воды - Н2O(4) и H2O(3) соответственно, которые, в свою очередь, связаны друг с другом, тогда как оба карбонильных кислорода молекулы (3-2), O (4 ) и O (14 ), связаны мостиковой молекулой воды H2O(2), а кислород O (4 ) связан еще и с молекулой воды H2O(1). Каждая молекула воды из одной пары связана одной ВС с молекулой воды из другой пары, а именно, H2O(1) – с H2O(4), а H2O(2) – с H2O(3). Таким образом за счет ВС образуется водородносвязанный, почти плоский, кислородсодержащий пятичленный цикл, который одной из своих сторон O(3w)–O4(w) замыкает карбонильные кислороды O(4 ) и O(14 ) молекулы (3-1) (рисунок 2). Расстояния между атомами кислорода, участвующими в ВС, лежат в пределах 2.70-3.02 (таблица 16).

Описанные связки из 4 молекул воды с помощью ВС объединяют дидокозановые фрагменты в бесконечные цепочки, ориентированные примерно по диагонали ac и практически перпендикулярные ребру b ячейки. Эти цепочки за счет межмолекулярных контактов образуют трехмерную структуру кристалла (рисунок 3).

В решетку инкорпорированы молекулы сольватного ацетонитрила, по одной молекуле на один дидокозановый фрагмент. Два водорода метильной группы ацетонитрила участвуют в двух контактах – один с молекулой воды H2O(2), а другой – с молекулой докозана (3-1).

Как уже было отмечено, независимые молекулы докозана (3-1) и (3-2) имеют сходные геометрические параметры. Сравнение полученных значений длин связей (таблица 15) с усредненными значениями длин соответствующих связей в кристаллах, определенными дифракционными методами [120], приводит к следующим заключениям. Длины связей Csp3–Csp3 в шестичленных кольцевых фрагментах, а именно, C(8)–C(9), C(9)–C(10) и C(18)–C(19), C(19)–C(20), чуть меньше или на пределе (молекула (3-1)) либо чуть больше или на пределе (молекула (3-2) ) нижнего квартиля ql выборки длин связей Csp3–Csp3. Связи Csp3–Nsp2 между мочевинными азотами и соседними Csp3-углеродами N(3)–C(2), N(5)–C(6) и N(13)–C(12), N(15)–C(16) короче нижнего квартиля ql выборки соответствующих связей в ациклических амидах. Связи Csp2–Nsp2 между мочевинными азотами и карбонильными углеродами N(3)–C(4), N(5)– C(4) и N(13)–C(14), N(15)–C(14) длиннее верхнего квартиля qu выборки соответствующих связей в мочевинах. Длины С=О связей примерно соответствуют среднему невзвешенному значению выборки длин С=О связей в дизамещенных

В обозначениях связей молекулы 3-2 должны присутствовать «штрихованные» атомы. мочевинах, за исключением длины связи O (4 )=C (4) в молекуле (3-2), которая несколько больше верхнего квартиля qu, а именно, составляет 1.249 против 1.245 . Возможной причиной некоторого удлинения связи O (4 )=C (4) по сравнению с тремя остальными связями С=О является отмеченная выше особенность водородного связывания кислорода O (4 ), а именно, его водородные связи с двумя молекулами воды Н2О(1) и Н2О(2), а не с одной молекулой, как у всех остальных карбонильных кислородов (рисунок 2, таблица 16). Длины связей Csp3–Nsp3 пирамидальных азотов, а именно: N(1)–C(2), N(7)–C(6), N(1)–C(20), N(7)–C(8), N(11)–C(12), N(17)–C(16), N(11)– C(10), N(17)–C(18), N(17)–C(21), N(11)–C(22) и N(7)–C(22) – примерно соответствуют среднему невзвешенному значению выборки длин пирамидальных связей (С)3–N, и лишь связь N(1)–C(21) в обеих молекулах, (3-1) и (3-2), чуть короче нижнего квартиля ql указанной выборки.

Довольно сложный спектр ЯМР 1Н докозана (3) (рисунок 4) интерпретирован с помощью 1Н-1Н COSY- (рисунок 5) и 1Н-13С{1H} HMQC-экспериментов (рисунок 6). В 2D-спектрах зафиксированы кросс-пики сигналов всех взаимодействующих протонов (COSY), а также непосредственно связанных углеродов и протонов (HMQC). Отнесение сигналов водородов метиленовых групп и КССВ 2J и 3J выполнено по аналогии с общими закономерностями, выявленными для циклогексанов [121, 122]. «Псевдоэкваториальные» водороды обозначены как НА, «псевдоаксиальные» – как НВ. Обращает на себя внимание сильное дезэкранирование НА протонов по сравнению с НВ протонами, на пределе и даже гораздо более обычно наблюдаемых для циклогексанов значений [120] – от 0.71 для 8-СН2, 10-СН2, 18-СН2 и 20-СН2 групп, 0.89 для 2-СН2, 6-СН2, 12-СН2 и 16-СН2 групп до 1.52 м. д. для 21-СН2 и 22-СН2 групп (в CDCl3).

Механизмы образования мостикового трицикла (3) из мочевины (1) или ДММ (2), в смысле последовательности элементарных стадий и простых реакций, очевидно сложны не только ввиду вариативности механизма самой реакции Манниха [11, 12], но и из-за необходимости реализации ряда последовательных взаимодействий на пути к трициклу (3), в состав которого входят два фрагмента мочевины, два фрагмента диаминового компонента и шесть фрагментов метиленового компонента.

Аминометилирование симметричных диалкилмочевин формальдегидом и аминокислотами

В спектрах ЯМР 1Н в ДМСО-d6 соединений (23a-f) присутствует синглетный сигнал циклических СH2-протонов в области 4.22-4.34 м. д. с интенсивностью 12Н, а в спектрах соединений (23a-d), полученных из аминокислот, кроме того, хорошо виден также и синглетный сигнал OH-протонов карбоксильных групп в области 11.35-12.61 м. д. с интенсивностью 3Н. В спектрах ЯМР 1Н в ДМСО-d6 соединений (22a, b), кроме близко расположенных синглетных сигналов циклических метиленовых протонов NСH2N+ и NHCH2N, 4.23 и 4.21 м. д. (22a), 4.21 и 4.19 м. д. (22b), каждый по 4H, и синглетного сигнала OH-протонов карбоксильных групп (2H, 12.06-12.22), присутствует также синглетный сигнал NH-протонов триазиновых циклов в области 8.09-8.13 м. д. с интенсивностью 2Н. Присутствие в спектрах соединений (22) сигнала NH-протонов и «двойного» сигнала СH2-протонов позволяет надежно дифференцировать соединения 5 и (23) по виду ЯМР 1H спектра.

Для цвиттер-ионов (24a, b) следовало ожидать появления в спектрах ЯМР 1Н четырех сигналов четырех неэквивалентных циклических CH2-групп, а в спектрах бетаинов (25a-с) – трех сигналов трех неэквивалентных пар циклических CH2-групп. Однако в зарегистрированных в D2O спектрах этих соединений (в ДМСО эти соединения не растворимы и дают бланковый спектр) присутствует только по одному сигналу циклических СH2-протонов – при 4.23-4.24 м. д. с интенсивностью 8H для бициклов (24a, b) (сигналы двух неэквивалентных пар циклических CH2-групп коалесцированы в один сигнал 4.23 м. д. уже в спектрах бициклических солей (22a, b) в D2O, очевидно, из-за близости химических сдвигов) и в области 4.25-4.29 м. д. с интенсивностью 12H для трициклов (25a-c), а также по одному набору сигналов аминокислотных фрагментов. Это означает, что ЯМР-спектры соединений (24a, b) и (25a-с) в D2O «не чувствуют» различия между ионизованной и не ионизованной карбоксильной группой, что, по видимому, объясняется быстрым протонным обменом между этими группами в растворе. Другими словами, скорость протонного обмена в D2O в масштабе времени ЯМР настолько велика, что для каждого из этих соединений регистрируется усредненный во времени спектр [122, с. 255].

Существенно, что спектры цвиттер-ионов (24a, b) и бетаинов (25a-с) в D2O отличаются от спектров соответствующих солей (22a, b) и (23a-с) по положению сигнала CH2-группы аминокислотного фрагмента, прилежащей к карбоксильной группе, т. е. -СH2-протоны чувствительны к ионизации карбоксильной группы (таблица 21). Таблица 21 - Химические сдвиги а-CH2-протонов аминокислотного фрагмента в спектрах ЯМР 1Н солей (22), (23), цвиттер-ионов (24) и бетаинов (25) в D2O

Выбор в качестве субстрата реакции Манниха гуанидина гидрохлорида (21), а не гуанидина нитрата, как в работах [7-9], обусловлен возможным биотестированием продуктов аминометилирования в будущем.

Таким образом, впервые осуществлено аминометилирование гуанидина гидрохлорида водным формальдегидом и аминокислотами, приводящее, в зависимости от соотношения реактантов, к би- или трициклическим продуктам. Моноциклические 5-карбоксиалкил-1,3,5-триазинан-2-имины в этой реакции не образуются [125].

Компьютерное прогнозирование биологического действия всех вновь синтезированных в данной работе соединений осуществлено в режиме on line с помощью программного комплекса «PASS Online» (Интернет-версия компьютерной программы PASS (Prediction of Activity Spectra for Substances) [126-129]) на сервисе «Way2Drug» (Поройков В.В., ФГБНУ «НИИ биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича», г. Москва).

Экспертная программа PASS позволяет в режиме on-line по структурной формуле органического соединения, молекулярная масса которого находится в интервале 501250 а. е. м., оценить вероятный профиль его биологической активности. Она предсказывает более 4000 видов биологической активности со средней точностью свыше 95 % на основе анализа обучающей выборки, содержащей более 300000 известных биологических активных веществ, принадлежащих к различным химическим классам [127]. Химическая структура представлена в PASS в виде оригинальных MNA дескрипторов (Mulilevel Neighbourhoods of Atoms), имеющих универсальный характер и описывающих с достаточно хорошей точностью разнообразные зависимости «структура-активность» [127, 129]. Используемый в PASS математический алгоритм обеспечивает получение устойчивых в статистическом смысле зависимостей «структура – активность» и, соответственно, результатов прогноза [130, 131]. Более детальное описание программы PASS приведено в цитированных работах и на вебсайте [128].

В программе PASS результат прогноза представлен величинами Ра и Рi, характеризующими вероятность наличия или отсутствия рассматриваемой активности. При этом один из важных аспектов интерпретации результатов прогноза связан с новизной анализируемого соединения. Если ограничиться только видами активности, прогнозируемыми с наиболее высокими значениями Pa, то отобранные на основе прогноза вещества могут оказаться аналогами известных фармакологически активных веществ. Например, при Pa 0.7 шансы обнаружить прогнозируемую активность в эксперименте довольно высоки, но найденные вещества могут оказаться близкими структурными аналогами известных лекарств. Если выбрать в качестве критерия оценки диапазон значений 0.5 Pa 0.7, то шансы обнаружения активности в эксперименте будут ниже, но соединения будут в меньшей степени похожи на известные фармакологически активные вещества. Для случая Pi Pa 0.5 шансы обнаружения активности в эксперименте еще ниже, но если прогноз подтвердится, то найденное соединение может оказаться родоначальником нового химического класса для рассматриваемого вида биологической активности [127].

Считают, что из доступных веб-ресурсов для прогнозирования биологической активности ресурс PASS Online [128] обеспечивает наилучшее качество прогноза [131].

Результат вычислительного (in silico) прогноза биологической активности для каждого из вновь синтезированных соединений, полученные с помощью веб-ресурса PASS Online [128], представляет собой таблицу вероятных видов активности в порядке убывания величины Ра. При анализе полученных результатов рассматривали по 5 наиболее вероятных видов активности (Топ-5) для каждого соединения при условии, что Ра 0.7.

В выборочной таблице 22 приведены по три наиболее вероятных вида биологической активности (Топ-3) для каждого из вновь синтезированных соединений в порядке убывания величины Ра.

Аминометилирование симметричных диалкилмочевин формальдегидом и аминокислотами

ЯМР-эксперименты выполнены на спектрометре Bruker AVANCE III-400 в НИИГЭПЧ. Спектры ЯМР 1Н записаны в ДМСО-d6, CDCl3 и CD3CN, рабочая частота 400.13 МГц. В качестве внутренних стандартов использовали сигналы остаточных протонов указанных растворителей (2.51, 7.28 и 1.97 м. д., соответственно). Спектр ЯМР 1С соединения (3) записан в CDCl3 (100.61 МГц). Эксперименты 1Н-13С{1H} HMQC и 1Н-1Н COSY для соединения (3) в CDCl3 выполнены на указанном спектрометре, рабочие частоты 400.13 МГц (1Н) и 100.61 МГц (13С).

ИК спектры записаны на спектрофотометре SHIMADZU FTIR-8400S в таблетках KBr. Элементный анализ проведен на анализаторе Leco CHNS(O) 942. Масс-спектрометрические измерения выполнены на оборудовании ресурсного центра СПбГУ «Методы анализа состава вещества». Масс-спектрометрическое детектирование соединения (3) проводили на масс-спектрометре Bruker micrOTOF 10223, оснащенном источником ионизации «электроспрей» (electrospray ionization, ESI) с ортогональным вводом ионов и времяпролетным масс-анализатором (TOF) (ESIOF). Запись спектра вели в режиме детектирования положительных ионов, растворитель ацетонитрил-вода, 50 В. Совпадение экспериментальной молекулярной массы [M+H]+, а также характеристичных изотопных распределений молекулярного иона, с расчетными значениями подтверждает элементный состав этого соединения.

РСА проведен c использованием оборудования ресурсного центра СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования». Кристаллы выращены при комнатной температуре путем медленного самоиспарения растворителя из маточного раствора, полученного при перекристаллизации технического образца соединения (3) из ацетонитрила. Структура (32Н2О0.5СН3CN) с параметрами элементарной ячейки: а=18.1167(5), 6=12.3467(3), с=18.9588(5), (3=91.525(2), К=4239.25(19) 3, Z=8 -кристаллизуется в моноклинной сингонии, пр. гр. P 2i/n. Окончательные R=0.041, Rw=0.053, GOF=0.99. Измерения проводились при температуре 100 К с использованием микрофокусного монохроматического CuКа излучения (min=3.33, max=76.84). Трехмерный набор интенсивностей (8900 рефлексов, 8314 независимых неэквивалентных рефлексов с F 3 тР) собран от монокристалла размером 0.16x0.19x0.22 мм.

Для проведения рентгеноструктурного эксперимента исследуемый кристалл был закреплен в микродержателе и помещен в монокристальный дифрактометр Agilent Technologies SuperNova Atlas, оснащенный плоским детектором отраженных рентгеновских лучей типа CCD (charge-coupled device) с зеркальным монохроматором. Съемка проведена методом со/ср-сканирования. Уточнение параметров элементарной ячейки, съемка, первичная обработка и введение эмпирической поправки на поглощение выполнены с помощью программного комплекса CrysAlisPro [136]. Учет поглощения проведен с помощью метода сферических гармоник, реализованных в алгоритме шкалирования SCALE3 ABSPACK. Расшифровка структуры и ее уточнение выполнены программным комплексом SIR2011 [137]. Структура уточнена полноматричным МНК в анизотропном приближении для неводородных атомов. Атомы водорода в молекулах докозана (3) определены расчетным методом и уточнены в приближении жесткого тела. Координаты атомов водорода молекул воды определены разностным синтезом Фурье. Средняя остаточная электронная плотность равна 0.05 эл/3. При уточнении структуры использована весовая схема w=l/(16.4219-0.1754F+0.0021F2).

Рисунки кристаллических структур получены с помощью программы «Mercury 3.3» [138].

Кристаллографические данные структуры (С14Н28N8О22Н2О0.5СН3CN) задепонированы в Кембриджском банке структурных данных (CSD), регистрационный номер депонента CCDC 996106. Дополнительные данные, содержащиеся в депоненте, могут быть получены по запросу на сайте CCDC [139].

Для перекристаллизации соединения (3) использовали следующие растворители: ацетонитрил сорт 0, 99.90 %, для ВЭЖХ, ОСЧ, ТУ 6-09-14-2167-84, ООО «НеваРеактив»; ацетонитрил сорт 7, содержание воды не более 0.05 %, ЧДА, НПК

«Криохромтм»; дихлорметан (метилен хлористый), квалификация ХЧ, ТУ 2631-019-44493179-98, массовая доля основного вещества 99.95 %; трихлорметан (хлороформ), квалификация ХЧ, ТУ 2631-066-44493179-01, массовая доля основного вещества 99.5 %, содержание этанола 0.74 %; 2-пропанол (изопропиловый спирт), квалификация ХЧ, ТУ 2632-015-11291058-95, массовая доля основного вещества 99.9 %. Температуры плавления не корректированы. 1,3,5,7,11,13,15,17- октаазатрицикло[15.3.1.17,11]докозан-4,14-дион (3) А. В 15 мл охлажденного до 5 С 96 %-ного этилового спирта вносят 9.61 г (80.0 ммоль) ДММ (2) и при перемешивании прибавляют 2.97 г (3.36 мл, 40.1 ммоль) пропан-1,3-диамина; образуется белая суспензия. Убирают охлаждение и, продолжая перемешивание, реакционную массу доводят до кипения; при этом ДММ (2) полностью растворяется. После часового перемешивания при кипячении с обратным холодильником в реакционной массе образуется кристаллический осадок. Убирают нагрев и продолжают перемешивание еще 1 час, а затем содержимое колбы переносят в стакан и оставляют «дозревать» на сутки при комнатной температуре. Кристаллический осадок отфильтровывают, промывают охлажденным до 5 С 96 %-ным этиловым спиртом (20 мл) и высушивают на воздухе. Выход 3.53 г (51.7 %). Т. пл. (196-198) С. Судя по 1Н ЯМР спектру в ДMCO-d6, образец, помимо самого докозана (3), содержит незначительное количество примесей, воду и сольватный этанол. Интегральная интенсивность сигналов сольватного этанола в 1.37 раза выше той, которую имели бы сигналы сольватного этанола в моносольвате.

Через 4 суток из фильтрата выпадает дополнительное количество продукта в виде прозрачных крупных кристаллов. Их отфильтровывают, промывают охлажденным до 5 С 96 %-ным этиловым спиртом (20 мл) и высушивают на воздухе при комнатной температуре. Выход 0.61 г (8.9 %). Т. пл. (198-199) С. В спектре ЯМР 1Н в ДMCO-d6, кроме сигналов самого докозана (3) (смотреть. ниже), присутствуют также сигналы воды 3.16 м. д. и сольватного этанола: 1.08 (3Н, т, CН3СН2ОН, J=7.0); 3.45 (2Н, м, CН3СН2ОН); 4.16 м. д. (1Н, т, J=5.0, CН3СН2ОН). Интегральная интенсивность сигналов этанола примерно соответствует моносольвату (на одну пятую выше).