Содержание к диссертации
Введение
1. Развитие системного подхода к решению проблемы установления количественных соотношений структура - свойство (QSPR), структура - удерживание (QSRR) и структура - akthbhoctb(QSAR) 16
1.1. Основные подходы, используемые при решении проблемы структура - свойство 17
1.1.1. Эвристический подход 19
1.1.2. Логико-комбинаторный подход 20
1.2.Методы описания структуры молекул 22
1.2.1 .Методы квантовой химии и молекулярной механики 23
1.2.2.Физико-химический подход 25
1.2.3.Топологический метод 26
1.3. Количественные соотношения «структура - активность». Проблема QSAR как частный случай QSPR 29
1.3.1. Подход Ханча 32
1.3.2. Теория комплементарности 33
1.3.3. Использование термодинамических и кинетических параметров 35
1.3.4. Теории, основанные на использовании сорбционных характеристик 37
1.4. Математические методы, используемые при решении проблем QSPR и QSAR 40
1.5. Разработка стратегии компьютерного прогнозирования физико-химических свойств (биологической активности) на базе системного подхода 47
1.5.1 .Развитие системного подхода к решению указанных проблем 48
1.5.2.Вычислительные нейронные сети как программные средства при решении проблемы QSPR 50
1.5.3. Биологическая активность производных адамантана 54
2. Объекты и методы исследования 62
2.1. Строение молекулы адамантана. Влияние заместителей на распределение электронной плотности в молекулах производных адамантана 62
2.2. Методика проведения анализа в условиях газо-жидкостной хроматографии 70
2.3. Методика газохроматографического определения термодинамических характеристик адсорбции 72
2.4.Квантовохимические расчеты производных адамантана с помощью комплекса программ HYPERCHEM 76
3. Газо-жидкостная хроматография производных адамантана 84
3.1. Исследование хроматографического поведения алкиладамантанов 84
3.2. Газо-жидкостная хроматография аминоадамантанов 100
3.3. Влияние строения молекул на хроматографическое удерживание кислородсодержащих производных адамантана 112
3.4. Газо-жидкостная хроматография галогенпроизводных адамантана 122
4. Определение термодинамических характеристик адсорбции производных адамантана методом газоадсорбционной хроматографии 133
4.1. Расчет атом-атомных потенциалов 133
4.2. Оценка влияния электронной структуры адамантана на адсорбцию на поверхности графитированной термической сажи 138
4.3. Определение термодинамических характеристик адсорбции кислородсодержащих производных адамантана 149
4.4. Исследование адсорбции алкиламиноадамантанов на поверхности ГТС 164
4.5. Определение термодинамических характеристик адсорбции галогенпроизводных адамантана 174
5. Топология полиэдрических молекул на примере производных адамантана 183
5.1. Топологические индексы, применяемые для описания структуры молекул 185
5.2. Методы расчета топологических индексов для оценки физико-химических свойств соединений 188
5.3. Применение индексов связанности для характеристики структуры молекул 193
5.3.1 .Методы расчета индексов связанности 194
5.3.2.Особенности определения индексов связанности для производных адамантана 197 5.3.3.Применение метода структурной аналогии для исследования топологических характеристик производных адамантана 199
5.3.4.Сорбционно-структурные корреляции с использованием индексов связанности 206
5.4. Оценка дискриминирующей и прогностической способности индекса Винера для характеристики производных адамантана 213
6. Применение компьютерно-хроматографической системы для установления структуры соединений и идентификации компонентов сложных смесей 228
6.1. Основные принципы выбора предпочтительных неподвижных фаз для КХС 228
6.1.1. Классификация неподвижных фаз на основании групповых признаков
6.1.2. Оптимизация ассортимента неподвижных фаз на основе пространственных представлений 231
6.1.3. Классификация неподвижных фаз с учетом сорбционной емкости 237
6.2. Развитие методов автоматизированной идентификации компонентов сложных смесей 240
6.2.1. Формирование хроматографических спектров 241
6.2.2. Разработка методов автоматизированной групповой идентификации на основании хроматографических спектров 244
6.2.3. Использование банка величин хроматографического удерживания для осуществления индивидуальной идентификации 246
6.3. Разработка методик качественного и количественного исследования промежуточных продуктов синтеза некоторых лекарственных препаратов на основе адамантана 248
6.3.1. Определение мольных коэффициентов чувствительности ДТП и ПИД к производным адамантана 248
6.3.2. Анализ промежуточных продуктов синтеза мидантана 251
6.3.3. Анализ промежуточных продуктов синтеза ремантадина 258
Заключение 261
Список использованной литературы 264
- Количественные соотношения «структура - активность». Проблема QSAR как частный случай QSPR
- Методика газохроматографического определения термодинамических характеристик адсорбции
- Влияние строения молекул на хроматографическое удерживание кислородсодержащих производных адамантана
- Определение термодинамических характеристик адсорбции кислородсодержащих производных адамантана
Введение к работе
Проблема установления взаимосвязи между структурой соединений и проявляемыми ими свойствами в течение многих лет является одной из наиболее актуальных и привлекает внимание исследователей в различных отраслях науки, так как ее решение позволит указать пути создания материалов с заданными свойствами. Особую актуальность эта проблема приобретает при изучении веществ с потенциальной биологической активностью в связи с возможностью оптимизации процесса создания новых лекарственных препаратов. До настоящего времени изучение взаимосвязи между структурой и физико-химическими свойствами, в частности, биологической активностью осуществлялось на основе использования параметров электронной структуры, гидрофобных свойств, квантовохимических, топологических и других физико-химических параметров. При этом попытки решить проблему структура - свойство и структура - активность предпринимались с позиций органической, квантовой, биологической химии или фармакологии. К сожалению, на практике каждый из рассмотренных подходов как к решению проблемы структура-свойство, так и к установлению структуры соединений используются обособленно. Поэтому одним из наиболее слабых мест в исследованиях, посвященных прогнозированию физико-химических характеристик (и, в частности, биологической активности) на основе данных о структуре соединений, является, на наш взгляд, отсутствие системного подхода, учитывающего всю совокупность факторов и параметров, влияющих на установление этой связи.
Таким образом, вопрос о взаимосвязи и установлении количественных соотношений структура - свойство и структура - активность является до настоящего времени открытым и, несомненно, представляющим интерес для теории и практики прогнозирования веществ с заданными свойствами. Весьма актуальной остается также проблема анализа лекарственных препаратов и идентификации промежуточных продуктов синтеза биологически активных веществ.
7 Одним из наиболее оптимальных методов установления взаимосвязи
структуры и свойств исследуемых соединений является хроматография, поскольку хроматографические характеристики, достаточно легко определяемые экспериментально, хорошо коррелируют практически со всеми параметрами, рассматриваемыми в различных подходах и методах исследования взаимосвязи между структурой и физико-химическими свойствами соединений. Использование различных вариантов хроматографии, различных видов детекторов и колонок позволяет выявлять типы межмолекулярных взаимодействий, определяемые различиями в структуре соединений, моделировать биохроматографи-ческие процессы, происходящие при введении физиологически активных веществ в живой организм. По мнению отдельных авторов, применение хромато-графических характеристик особенно оправдано для описания биологического действия органических соединений в связи с тем, что в хроматографической колонке так же, как и в биологических системах, реализуется процесс распределения вещества между фазами с различными физико-химическими свойствами. Во многих случаях предполагается сорбционный механизм действия лекарственного препарата или любого биологически активного вещества, поэтому интересным представляется использование сорбционных характеристик таких веществ, получаемых хроматографическим методом. Весьма перспективными оказываются различные варианты хроматографии при разработке методов разделения и анализа сложных смесей органических веществ синтетического и природного происхождения, лекарственных препаратов и контроля степени их чистоты.
Интересными объектами исследования с этой точки зрения являются производные адамантана, многие из которых обладают ярко выраженной биологической активностью. Пространственное строение, гидрофобность (липо-фильность) адамантана создают благоприятные условия для его транспорта через биологические мембраны. Известно, что введение адамантильного радикала в органические соединения модифицирует их биологическую активность, из-
8 меняя и часто усиливая ее. В литературе показано влияние адамантильного радикала на гипогликемическую, противоопухолевую, иммунодепрессивную, антибактериальную и прочие виды биологической активности. Кроме того, перспективной областью применения производных адамантана является получение полимерных материалов, характеризующихся высокой термостойкостью, устойчивостью к агрессивным средам, большой твердостью и пр. Производные адамантана представляют также значительный интерес в качестве моделей при решении многих вопросов теоретической химии, таких, например, как влияние электронной структуры и топологии молекулы на физико-химические свойства, индукционных и стерических факторов на реакционную способность и устойчивость соединений и т.д. Однако, несмотря на большой интерес, проявляемый исследователями к производным адамантана, многие вопросы, связанные с реакционной способностью, биологической активностью, структурой и ее взаимосвязью с физико-химическими свойствами каркасных соединений и, в особенности, с их хроматографическим поведением, остаются до конца неизученными.
Целью работы является исследование взаимосвязи между структурой молекул каркасных соединений на примере производных адамантана и проявляемыми ими физико-химическими свойствами; изучение термодинамики сорбции этих соединений в условиях газоадсорбционной и газо-жидкостной хроматографии; разработка методов компьютерной идентификации компонентов сложных смесей биологически активных веществ и компьютерного прогнозирования физико-химических характеристик на основе моделей «структура-свойство» и, в частности, «структура - хроматографическое удерживание».
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:
Теоретическое обоснование взаимосвязи электронной структуры и топологии молекул органических соединений (в частности, каркасных углеводородов) с их физико-химическими свойствами, использование различных вари-
9 антов хроматографии для установления количественных соотношений структура - свойство.
Развитие системного подхода к решению проблемы структура - свойство на примере каркасных соединений ряда адамантана.
Исследование термодинамических характеристик сорбции функциональных производных адамантана однородными неспецифическими сорбентами (ГТС) и неподвижными фазами разной полярности.
Исследование топологических характеристик полиэдрических молекул на примере производных адамантана и их взаимосвязи с электронными и сорб-ционными параметрами.
Исследование корреляций между структурными и физико-химическими характеристиками производных адамантана.
Разработка методов идентификации компонентов сложных смесей и прогнозирования физико-химических характеристик каркасных соединений на базе компьютерно-хроматографической системы.
Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 295 страниц текста, 75 таблиц, 48 рисунков.
В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с решением проблемы структура - свойство и структура - активность. Приводится сравнительный анализ предложенных в литературе подходов и методов к решению этой проблемы. Впервые обосновывается необходимость системного подхода к установлению взаимосвязи между структурой и физико-химическими свойствами, базирующегося на создании единой модели описания качественного и количественного аспектов проявляемых соединениями физико-химических свойств (и, в частности, биологической активности), опирающихся на данные об их электронной структуре, геометрии, топологии, способности к образованию внутри- и межмолекулярных связей. Показана роль хроматографических
10 методов в решении указанных проблем. Обосновывается выбор объектов исследования.
Во второй главе на основании литературных и полученных автором расчетных данных показаны особенности строения молекулы адамантана и его различных функциональных производных. Исследовано и обосновано влияние положения заместителя у узлового или мостикового атома углерода на реакционную способность и физико-химические свойства изученных соединений. Показано, что в молекулах этих соединений реализуется особый тип внутримолекулярных взаимодействий, известный как эффект клетки. Приводятся литературные и полученные автором результаты исследований, проведенных с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса, комбинационного рассеяния, инфракрасной спектроскопии, а также данные рентгеноструктурного и электронографического анализов. Описаны методики проведения анализа в условиях ГЖХ и ГАХ, методики молекулярно-статистических и квантовохимиче-ских расчетов.
В третьей главе приводятся результаты исследования производных адамантана, проведенного автором методом газо-жидкостной хроматографии на неподвижных фазах разной полярности. Представлены характеристики удерживания 100 производных адамантана, относящихся к различным классам органических соединений (алкил-, амино-, галоген-, гетарил- и кислородсодержащие производные). Теоретически обосновываются различия в хроматогра-фическом удерживании производных адамантана с заместителями у узловых и мостиковых атомов углерода адамантанового каркаса, обусловленные электронными и стеричесими факторами. Приводятся корреляции между хромато-графическим удерживанием и физико-химическими свойствами исследованных соединений. Представлены полученные экспериментально значения термодинамических характеристик сорбции производных адамантана неподвижными фазами разной полярности.
В четвертой главе исследована термодинамика адсорбции производных адамантана на неспецифическом однородном сорбенте - графитированной термической саже. Предложен способ уточнения параметров атом-атомных потенциалов межмолекулярного взаимодействия этих соединений, основанный на количественной зависимости термодинамических характеристик адсорбции от валентного состояния атомов в молекулах сорбатов, позволяющий расширить возможности молекулярно-статистического расчета в предсказании удерживания на углеродных адсорбентах. Впервые определены атом-атомные потенциалы взаимодействия атомов кислорода, азота и галогенов, входящих в состав молекул производных адамантана, с атомами углерода поверхности ГТС. Показаны преимущества адсорбционной хроматографии и молекулярно-статистических расчетов при оценке внутри- и межмолекулярных взаимодействий.
Пятая глава посвящена исследованию топологического подхода к изучению структуры молекул. Показаны особенности топологии полиэдрических структур, охарактеризованы достоинства и недостатки используемых в литературе топологических индексов. Впервые представлены значения индексов Винера и индексов Рэндича разных порядков для 80 производных адамантана, оценена их дискриминирующая и прогнозирующая способность при определении физико-химических параметров. Представлены сорбционно-структурные корреляции, а также зависимости между топологическими индексами и физико-химическими параметрами исследованных производных адамантана.
В шестой главе представлена архитектура разработанной компьютерно-
хроматографической системы, базирующейся на использовании концепции
системного подхода. Показаны возможности компьютерно-
хроматографической системы при практической реализации разработанных принципов. Представлены методы идентификации компонентов сложных смесей биологически активных веществ, а также методики_анализа лекарственных препаратов на примере ремантадина и мидантана.
12 В заключении сформулированы основные результаты работы.
Научная новизна работы определяется совокупностью полученных в ней новых результатов.
Исследовано хроматографическое поведение производных адамантана на неподвижных фазах различной полярности в условиях газо-жидкостной хроматографии. Получены характеристики удерживания алкил-, амино-, галоген-, гетарил- и кислородсодержащих производных адамантана неподвижными фазами разной полярности, а также коэффициенты и индексы чувствительности разных типов детекторов к этим веществам.
Определены оптимальные условия хроматографического разделения и идентификации функциональных производных адамантана в сложных смесях. Показано влияние положения и природы заместителя в адамантановом каркасе на хроматографическое поведение исследованных соединений.
Впервые получены термодинамические характеристики адсорбции функциональных производных адамантана на графитированной термической саже. Разработана методика уточнения параметров атом-атомных потенциалов межмолекулярного взаимодействия атом(А)...углерод(ГТС) для этих соединений с учетом особенностей их электронного строения.
Впервые определены топологические характеристики (индексы связанности шести порядков, простые и трехмерные индексы Винера) 80 производных адамантана. Исследована их прогнозирующая способность при расчете величин хроматографического удерживания и некоторых физико-химических характеристик функциональных производных адамантана.
С использованием полуэмпирических квантовохимических методов и методов молекулярной механики рассчитаны основные электронные и структурные параметры функциональных производных адамантана.
Впервые получены соотношения, связывающие сорбционные характеристики производных адамантана с электронными, топологическими и другими фи-
13 зико-химическими параметрами. Получены уравнения, описывающие эти зависимости.
На основании полученных расчетных и экспериментальных данных о физико-химических свойствах производных адамантана показаны преимущества системного подхода к решению проблемы установления количественных соотношений структура - свойство и структура -активность.
На базе системного подхода предложен алгоритм компьютерного прогнозирования физико-химических свойств органических соединений на примере адамантана и его производных.
Разработана хроматографическая методика идентификации промежуточных продуктов синтеза биологически активных веществ с использованием электронных, топологических и физико-химических характеристик.
10.Разработана компьютерно-хроматографическая система идентификации компонентов сложных смесей, одним из практических применений которой является прогнозирование свойств биологически активных веществ, идентификация компонентов сложных объектов природного и синтетического происхождения. Практическая ценность проведенных исследований заключается в том, что установленные в работе физико-химические закономерности хроматографического поведения адамантана и его производных могут быть использованы для разделения и идентификации этих соединений в сложных синтетических и природных смесях. Предложенный в работе способ уточнения параметров атом-атомных потенциалов, основанный на количественной зависимости термодинамических характеристик адсорбции на ГТС от валентного состояния атомов в молекулах сорбатов, позволил расширить возможности молекулярно-статистических расчетов в предсказании хроматографического удерживания на однородном неспецифическом адсорбенте. Разработанная компьютерно-хроматографическая система использована для идентификации компонентов
14 сложных смесей природного и синтетического происхождения и прогнозирования их физико-химических свойств.
На защиту выносятся следующие основные положения
Теоретическое обоснование физико-химических закономерностей хромато-графического удерживания адамантана и его производных неподвижными фазами разной полярности.
Термодинамические характеристики адсорбции функциональных производных адамантана на углеродных сорбентах. Методика уточнения параметров атом-атомных потенциалов межмолекулярного взаимодействия атом(А)...углерод(ГТС) этих соединений с учетом особенностей их электронного строения.
Корреляционные зависимости между сорбционными характеристиками производных адамантана и их электронными, топологическими и другими физико-химическими параметрами. Уравнения, описывающие эти зависимости. Системный подход к решению проблемы установления количественных соотношений между структурой и физико-химическими свойствами, разработанный на основе полученных автором экспериментальных и расчетных данных.
Алгоритм компьютерного прогнозирования физико-химических свойств органических веществ с потенциальной биологической активностью на основании сорбционно-структурных и других корреляций.
Компьютерно-хроматографическая система идентификации компонентов сложных смесей, базирующаяся на использовании полученных закономерностей.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 68 печатных работ, в том числе 34 статьи, 30 тезисов докладов, два авторских свидетельства и два патента.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались т обсуждались на 5-й Всесоюзной конференции по термодинамике органических соеди-
15 нений (Куйбышев, 1987), X Всесоюзной конференции по газовой хроматографии (Казань, 1991), 2 Всесоюзной конференции «Математические методы и ЭВМ в аналитической химии», 7 научно-практической конференции стран СНГ (Волгоград, 1995), международном семинаре «Дифференциальные уравнения и их применение» (Самара, 1996), международных семинарах «Нелинейное моделирование и управление» (Самара, 1997, 1998), Всероссийском симпозиуме по теории и практике хроматографии и электрофореза (Москва, 1998), XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 1998), 3 Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоа-налитика-98» (Краснодар, 1998), 22 Международном симпозиуме по хроматографии (Рим, 1998), Международной научной конференции «Органический синтез и комбинаторная химия» (Москва, 1999), Всероссийском симпозиуме по химии поверхности, адсорбции и хроматографии (Москва, 1999), Поволжской региональной конференции «Физико-химические методы в координационной и аналитической химии» (Казань, 1999), Всероссийской конференции «Химический анализ веществ и материалов» (Москва, 2000).
Авторский вклад. Все результаты, изложенные в диссертации получены автором лично, либо при его определяющем участии.
I. РАЗВИТИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К РЕШЕНИЮ
ПРОБЛЕМЫ УСТАНОВЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ
СООТНОШЕНИЙ СТРУКТУРА - СВОЙСТВО (QSPR), СТРУКТУРА -
УДЕРЖИВАНИЕ (QSRR) И СТРУКТУРА - АКТИВНОСТЬ (QSAR)
Создание материалов, обладающих заданными физическими, химическими или биологическими свойствами, является одной из наиболее важных проблем в химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях науки и промышленности [1-3]. Достигнутый к настоящему времени уровень знаний о веществе, его строении и композициях, практические потребности ставят перед химиками задачу поиска более эффективного проектирования и создания атомных и молекулярных конструкций, гарантирующих наличие определенных свойств у конечного продукта. Эта проблема включает ряд фундаментальных задач, связанных, прежде всего, с зависимостью свойств веществ от пространственного расположения атомов в их молекулах, а также с исследованием потенциальных (или энергетических) функций систем и пр. Базисом для решения данных проблем должно явиться использование представлений о химической связи для конструирования новых, еще не существующих соединений [4]. Пример различных свойств алмаза и графита свидетельствует о том, что не столько атомы, входящие в состав молекулы, определяют ее свойства, сколько способ связывания их между собой [2]. Именно поэтому возможные подходы к решению проблемы конструирования новых структур с заданными свойствами должны опираться в первую очередь на представления о химической связи и движении электронов внутри молекулы [5].
Особую актуальность эта проблема приобретает при исследовании веществ с потенциальной биологической активностью и лекарственных препаратов [6-8]. По данным, опубликованным в 1994 г. в Германии, общие затраты на исследование и разработку одного лекарственного препарата оцениваются в настоящее время за рубежом в 230-350 млн. американских долларов [8]. Понятно,
17 что разработка нового лекарства связана с высоким риском получения отрицательного результата в связи с возможным выявлением побочных эффектов, токсичности и т.д. Поэтому весьма важным оказывается вопрос, как подойти к решению задачи получения высокоэффективных препаратов в кратчайший срок и с минимальными затратами. В этом направлении существует достаточно много сложностей, связанных, прежде всего, с многообразием веществ, используемых в фармакологии, а также с разнообразием форм и организации живых организмов, на которых осуществляются испытания новых препаратов. Следует отметить, что интерес к этой проблеме неуклонно возрастает. В последнее время значительно увеличилось количество публикаций, посвященных синтезу и исследованию веществ с заранее заданными свойствами и в особенности веществ с потенциальной биологической активностью [9-13]. Решению проблемы исследования биологически активных веществ посвящена деятельность международного общества по анализу количественных соотношений структура-активность (International QSAR and Modelling Society), созданного в 1989 г. на Гордонской конференции в Тилтоне (Нью-Хемпшир, США), и начавшей функционировать в 1996 году Российской секции этого общества [8]. Все изложенное свидетельствует о том, что химическая наука в настоящее время стоит перед необходимостью выработки четких принципов конструирования веществ и, в частности, биологически активных, с заданными свойствами.
Количественные соотношения «структура - активность». Проблема QSAR как частный случай QSPR
Создание материалов, обладающих заданными физическими, химическими или биологическими свойствами, является одной из наиболее важных проблем в химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях науки и промышленности [1-3]. Достигнутый к настоящему времени уровень знаний о веществе, его строении и композициях, практические потребности ставят перед химиками задачу поиска более эффективного проектирования и создания атомных и молекулярных конструкций, гарантирующих наличие определенных свойств у конечного продукта. Эта проблема включает ряд фундаментальных задач, связанных, прежде всего, с зависимостью свойств веществ от пространственного расположения атомов в их молекулах, а также с исследованием потенциальных (или энергетических) функций систем и пр. Базисом для решения данных проблем должно явиться использование представлений о химической связи для конструирования новых, еще не существующих соединений [4]. Пример различных свойств алмаза и графита свидетельствует о том, что не столько атомы, входящие в состав молекулы, определяют ее свойства, сколько способ связывания их между собой [2]. Именно поэтому возможные подходы к решению проблемы конструирования новых структур с заданными свойствами должны опираться в первую очередь на представления о химической связи и движении электронов внутри молекулы [5].
Особую актуальность эта проблема приобретает при исследовании веществ с потенциальной биологической активностью и лекарственных препаратов [6-8]. По данным, опубликованным в 1994 г. в Германии, общие затраты на исследование и разработку одного лекарственного препарата оцениваются в настоящее время за рубежом в 230-350 млн. американских долларов [8]. Понятно, что разработка нового лекарства связана с высоким риском получения отрицательного результата в связи с возможным выявлением побочных эффектов, токсичности и т.д. Поэтому весьма важным оказывается вопрос, как подойти к решению задачи получения высокоэффективных препаратов в кратчайший срок и с минимальными затратами. В этом направлении существует достаточно много сложностей, связанных, прежде всего, с многообразием веществ, используемых в фармакологии, а также с разнообразием форм и организации живых организмов, на которых осуществляются испытания новых препаратов. Следует отметить, что интерес к этой проблеме неуклонно возрастает. В последнее время значительно увеличилось количество публикаций, посвященных синтезу и исследованию веществ с заранее заданными свойствами и в особенности веществ с потенциальной биологической активностью [9-13]. Решению проблемы исследования биологически активных веществ посвящена деятельность международного общества по анализу количественных соотношений структура-активность (International QSAR and Modelling Society), созданного в 1989 г. на Гордонской конференции в Тилтоне (Нью-Хемпшир, США), и начавшей функционировать в 1996 году Российской секции этого общества [8]. Все изложенное свидетельствует о том, что химическая наука в настоящее время стоит перед необходимостью выработки четких принципов конструирования веществ и, в частности, биологически активных, с заданными свойствами.
Исследование корреляционных зависимостей между структурой и свойствами соединений различной природы относится к одной из фундаментальных задач современной химии. Решение этой проблемы осуществляется в рамках исследований "Количественные соотношения структура - свойство" (QSPR -Quantitative Structure-Properties Relationships), «Количественные соотношения структура - удерживание» (QSRR - Quantitative Structure-Retention Relationships) или "Количественные соотношения структура - активность" (QSAR Quantitative Structure-Activity Relationships), которые базируются на установлении вида математической зависимости между параметрами, характеризующими структуру молекул исследуемых веществ, и их физико-химическими свойствами. При изучении корреляций "структура - свойство" (и, соответственно, структура - активность) в литературе доминируют 2 подхода, один из которых - логико-комбинаторный - базируется на выявлении общих элементов в структурах анализируемых соединений и последующей статобработке обнаруженных закономерностей (т.е. связан с отбором общих элементов структуры в различных соединениях с одним видом свойств (активности)). Второй - эвристический -подход ставит своей целью коррелирование разнообразных параметров, характеризующих строение органических соединений, с теми или иными свойствами рассматриваемых веществ (т.е. связан с оптимизацией величины какого-либо свойства (активности) в рядах структуроподобных соединений) [2]. (Таблица 1.1).
Методика газохроматографического определения термодинамических характеристик адсорбции
Для прогнозирования биологической активности предлагается модифицированный подход, также основанный на концепции молекулярного узнавания, выражаемого образованием специфического фермент-субстратного комплекса [87-91]. Сначала происходит сближение двух молекул-партнеров, ориентирование их в пространстве, подстройка их друг под друга до достижения комплементарности. Эта стадия - необходимое условие узнавания, обеспечиваемая электростатическим взаимодействием. Следовательно, для моделирования необходимо определенным образом описать пространственное распределение электронной плотности узнаваемой молекулы. Предлагают для этой цели использовать оригинальную молекулярную характеристику- функцию радиального распределения избыточной электронной плотности. Функция представляет собой спектр, положение линий которого соответствует имеющимся в молекуле межъядерным расстояниям. Интенсивность линий определяется величиной эффективного заряда на атомах, находящихся на данном расстоянии, а ширина -среднеквадратичной амплитудой колебания вдоль линии, связывющей атомы. Функция радиального распределения дает плоскостное описание пространственного распределения избыточной электронной плотности молекулы и является ее электростатическим портретом, по которому может осуществляться узнавание этой молекулы своим акцептором. Оценка способности молекулы быть узнанной, а следовательно, и биологически активной, возможна по сходству функций двух молекул, одна из которых испытуемая, а другая - выбранный эталон. В качестве эталона желательно использовать соединение, с точки зрения молекулярного узнавания настроенное на свой узнающий объект. Это должно быть наиболее активное из известных соединений или природный биопартнер. Фактически предлагаемая модель может быть использована для оценки возможности взаимодействия молекул любой химической природы и строения.
При оценке биологической активности соединений важным этапом является определение механизма проявляемой активности, который может быть описан с использованием термодинамических или кинетических характеристик [91]. Если рассматривать серию веществ с одним типом биологического действия, проявляемая активность которых обусловлена связыванием с определенными рецепторами, то разница в силе действия этих веществ может быть в первом приближении выражена через изменения свободной энергии образования комплекса «вещество-рецептор» A[A]--(l/RT)AG+const AG=AE+const, где АЕ- сумма независимых вкладов электронной(АЕе), сольватационной(АЕ 1), стерической(АЕ8) и конформационной(АЕр) составляющей изменения энергии.
Многие лекарственные вещества относительно трудно вступают в реакции гидролиза, окисления, дезаминирования и другие реакции их химической и ферментативной дегидратации. Поэтому при введении лекарств за время проявления биоответа во многих случаях потерями веществ за счет метаболических превращений и элиминации можно пренебречь. Это обстоятельство делает правомерным рассмотрение равновесных моделей. В одной из таких моделей, предложенной Хугужи и Дэвисом, показатель биологической активности веществ (logl/c) выражается функцией объемов фаз и констант равновесного распределения веществ между фазами [92]. Поскольку обычно допускают, что равные биоответы наблюдаются при равенстве концентраций веществ в рецептор-ной фазе, для количественной оценки взаимодействия биологически активных соединений (БАС) с рецептором можно использовать свободную энергию растворения этих соединений в воде (AGB).
Если наблюдаемая биологическая реакция (BR) организма или моделирующей его системы на некоторое вещество является следствием последовательных физико-химических процессов, то время t, разделяющее начало действия вещества и его конечный результат, можно связать с наличием некоторой контрольной скорости процесса [93 ]. Когда вещество с исходной концентрацией, вызывающей стандартную биологическую реакцию Со, вводится в биосистему, существует некоторая вероятность N того, что в количестве Co-N вещество достигнет места, реакция с которым через время At приведет к некоторому биологическому отклику. В этом случае скорость процесса можно представить в виде где kt - коэффициент пропорциональности, связывающий скорость биологической реакции со скоростью контрольной стадии, ki- константа скорости или равновесия этой стадии. При одинаковой скорости лимитирующей стадии все вещества в серии, независимо от их структуры и состава, должны вызывать одинаковую (BR) за фиксированный промежуток времени.
Авторы [94] в качестве методологического ядра алгоритма установления соотношений между структурой и БА указывают представление о многостадийное процесса трансформации и биологического действия введенного вещества, каждая стадия которого должна описываться своей собственной моделью связи структура-активность. Каждая модель в свою очередь опирается на соответствующую модель описания структуры (МОС), учитывающую специфику рассматриваемой стадии действия вещества. Это достигается за счет включения в формируемую экспертом физико-химическую МОС, помимо выявленных в процессе моделирования наиболее информативных дескрипторов структуры, специфических дескрипторов молекулярных свойств соединений, отражающих имеющиеся данные о механизмах взаимодействия, характерных деталях строения (в том числе возможных конформаций молекул) исследуемых соединений на рассматриваемой стадии биологического действия [95]. Построение МОС должно быть неразрывно связано с формированием кластеров однородных химических соединений.
При молекулярном моделировании лекарственных препаратов необходимо учитывать все типы межмолекулярных взаимодействий, влияющих на взаимодействие молекул веществ и, в частности, на пострение протеиновой структуры. Количественной мерой такого взаимодействия может служить энтальпия комплексообразования, пропорциональная свободной энергии взаимодействия молекул, содержащих электронодонорные или электроноакцепторные центры [96].
Влияние строения молекул на хроматографическое удерживание кислородсодержащих производных адамантана
В литературе, к сожалению, практически отсутствуют данные о хро-матографическом удерживании производных адамантана неподвижными фазами разной полярности. Поскольку синтезируют лекарственные препараты на основе производных адамантана (одним из них является широко известный противовирусный препарат ремантадин) в несколько стадий, конечные продукты всегда могут быть загрязнены промежуточными веществами и изомерными соединениями. Определение величин хроматографического удерживания (в частности, индексов Ковача) будет, безусловно, полезным при осуществлении идентификации и оптимизации процессов разделения компонентов таких смесей.
Помимо чисто практических применений производные адамантана широко используются в качестве моделей для решения теоретических задач органической химии ввиду их особых свойств, связанных со структурой адаманта-нового каркаса. Эти соединения представляют интерес и с точки зрения применения системного подхода к исследованию взаимосвязи между структурой, физико-химическими и другими свойствами соединений. Для предсказания свойств молекул каркасных углеводородов особенно важно учитывать всю совокупность факторов, влияющих на проявляемые веществами свойства, - электронные, топологические, термодинамические и т.д. в связи с особенностями структуры полиэдров, к которым относятся производные адамантана. В то же время следует отметить, что основная доля публикаций по производным адамантана посвящена преимущественно методам синтеза новых соединений и исследованию их реакционной способности. Данные об исследовании их физико-химических и, в частности, хроматографических свойств весьма немногочисленны.
Адамантан является трициклическим мостиковым углеводородом состава С і оН 16, состоящим из трех циклогексановых колец в конформации кресла, он наиболее устойчив из трициклических углеводородов, что объясняется тетраэд-рической направленностью связей всех атомов углерода и их фиксированным положением [146].
Предполагается, что необычно высокая для такого сравнительно низкомолекулярного насыщенного углеводорода температура плавления адамантана (269 С в запаянном капилляре) обусловлена высокой симметрией жесткой ал-мазоподобной молекулы. Вместе с тем относительно слабое межмолекулярное взаимодействие в кристаллической решетке приводит к тому, что углеводород легко возгоняется, частично уже при комнатной температуре. Последние данные свидетельствуют о том, что молекула адамантана не лишена напряжений, являющихся результатом особого вида взаимодействия внутри адамантанового каркаса [146]. Авторами [147] впервые была предпринята попытка связать физико-химические свойства молекулы адамантана с его оригинальной алмазоподобной структурой. Предполагается, что при повышенных температурах наблюдается увеличение степеней свободы и усиление колебаний атомов в молекуле адамантана.
Наличие трициклического каркаса обеспечивает специфическое электронное строение этой молекулы по сравнению с другими алициклическими системами. Известно, что связь третичного атома углерода с водородом способна к заметной поляризации под действием сильных поляризующих агентов. Результатом подобной поляризации является возникновение эффективных электрических зарядов на атомах, образующих связь. При этом ядро молекулы адамантана способно как бы поглощать существенную долю электронной плотности атома углерода и тем самым снижать на нем эффективный электрический заряд. Снижение заряда на атоме углерода способствует дальнейшей поляризации связи с атомом водорода под действием поляризующих агентов (например, полярных фрагментов неподвижной фазы). Предполагается, что поглощение электронной плотности адамантильным ядром обусловлено перекрыванием «тыльных» сторон орбиталей узловых атомов углерода. Речь идет о так называемом «эффекте клетки», описанном в литературе [148-152]. Впервые о возможности подобного перекрывания указывается в работе [150]. При этом авторы отмечают, что аналогичная картина наблюдается для гексаметилентетрамина, в котором имеет место перекрывание атомных орбиталей узловых атомов азота внутри каркаса молекулы. Авторы [153] отмечают существенную делокализацию положительного заряда в адамантановом каркасе, которую они называют «каркасным эффектом». Указывается также, что реакции гетеролитического замещения атомов водорода в ядре адамантана идут исключительно в узловых положениях.
Известно, что в подобного рода перекрывании могут участвовать только орбитали третичных атомов углерода в адамантильном остове (рис.2.1). Расчет величин зарядов на атомах адамантанового ядра по методу максимального перекрывания атомных орбиталей, проведенный в работе [150], показывает, что на мостиковых атомах углерода сосредоточены отрицательные (-0,09), а на узловых атомах углерода положительные заряды (+0,18). Этот факт, по-видимому, может быть результатом участия электронных облаков узловых атомов углерода в формировании эффекта клетки. Авторы [154-155] также указывают на раличия в распределении электронной плотности на узловых и мостиковых атомах углерода в молекуле адамантана.
Определение термодинамических характеристик адсорбции кислородсодержащих производных адамантана
Потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия Ф определяется как сумма парных атом-атомных взаимодействий каждого атома (А) молекулы адсорбата с каждым атомом углерода (С) адсорбента (ГТС):
Существуют разные формы выражения ААП, при расчете термодинамических характеристик адсорбции, как правило, его выражают в форме Бакингема-Корнера:
Как уже отмечалось в главе I, квантовохимические расчеты многоатомных молекул базируются на приближенных решениях уравнения Шредингера. При осуществлении таких расчетов наиболее строгими считают неэмпирические методы расчета полной энергии системы и составляющих ее вкладов, т.е. квантово-химические методы ab initio. Широкое применение для расчетов электронных оболочек молекул (и их ассоциатов) получил метод самосогласованного поля с аппроксимацией молекулярных орбиталей линейными комбинациями атомных орбиталей (метод ССП МО ЛКАО). В этом случае в качестве атомных орбиталей берутся слейтеровские либо гауссовские функции. Уравнение Хар-три - Фока для молекулярных орбиталей при этом сводится к системе нелинейных алгебраических уравнений для коэффициентов разложения молекулярных орбиталей по заданным атомам. Расчеты ab initio, проведенные методом ССП, довольно хорошо передают геометрию молекулы, однако, требуют больших затрат машинного времени из-за необходимости вычисления сложных многоцентровых интегралов [40]. Поэтому в настоящее время для решения задач теоретической химии прибегают к использованию полуэмпирических методов, в которых вычисление ряда интегралов в уравнениях заменяется подстановкой эмпирических параметров, а большей частью этих интегралов вообще пренебрегают. Почти все полуэмпирические методы, применяемые для расчета молекул, являются методами валентного приближения, т.е. в отличие от неэмпирических методов они учитывают только валентные электроны и атомные орбитали валентных оболочек. Вопрос о том, какой уровень приближения следует выбрать для решения той или иной задачи, решается в прямой зависимости от характера последней [46]. Большая часть задач теоретической химии носит качественный характер, и ответы на такие вопросы могут быть получены при помощи весьма простых расчетов. Некоторые современные полуэмпирические методы обладают достаточно большой гибкостью и параметризованы таким образом, что позволяют с достаточной степенью точности предсказывать целый ряд свойств молекул. В настоящее время существуют два подхода, направленных на уменьшение вычислительных трудностей. Один связан с пренебрежением части интегралов, входящих в уравнение Рутаана, и сохранении во всем остальном схемы неэмпирического расчета. Второй основан на замене большей части интегралов параметрами, определенными по экспериментальным данным - основанные на этом подходе методы называют полуэмпирическими. Наиболее известными и широко используемыми методами являются уже упоминавшиеся в первой главе методы CNDO (Complete Neglecting of Differential Overlap), или ППДП (Полное Пренебрежение Дифференциальным Перекрыванием) и его различные параметризации (CNDO/2, CNDO/S), INDO (Intermediate Neglecting of Differential Overlap), или ЧПДП (Частичное Пренебрежение Дифференциальным Перекры 78 ванием), MINDO (Modified INDO) и т.д. [40-46]. Достаточно широкое распространение получил метод АМ-1 (Austin Model 1), основанный на приближении NNDO. Этот метод дает хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных и позволяет учитывать водородную связь. Расширенный метод Хюкке-ля (РМХ), введенный в практику Роальдом Хоффманом, является важным инструментом при оценке относительной устойчивости конформеров молекул со слабо поляризованными связями и при анализе структурных эффектов. Большинство из описанных полуэмпирических методов расчета реализовано в комплексе компьютерных программ HyperChem.
В работе квантовохимические расчеты осуществляли с помощью комплекса программ HyperChem версии 4.5 полуэмпирическими методами РМХ, CNDO, AMI, РМЗ, методом молекулярной механики ММ+. Таким образом рассчитаны значения молекулярного объема, площади поверхности молекул, значения дипольных моментов, поляризуемости, энергии гидратации и образования, коэффициента распределения в системе н-октанол - вода и другие характеристики производных адамантана, представленные в таблицах 2.4-2.8.