Практическая работа: Дизайн новых типов фосфорсодержащих производных имидазолидин-2-она, обладающих высокой цитотоксической активностью в отношении клеточных раковых линий человека

Конкурс на получение стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (Конкурс на 2022-2024 гг.).

СОИСКАТЕЛЬ СТИПЕНДИИ:

Кузнецова Елизавета Александровна

ОРГАНИЗАЦИЯ: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

1. Направление модернизации Медицинские технологии, прежде всего диагностическое оборудование, а также лекарственные средства

2. Тема научного исследования Дизайн новых типов фосфорсодержащих производных имидазолидин-2-она, обладающих высокой цитотоксической активностью в отношении клеточных раковых линий человека

3. Характер научного исследования Фундаментальный

4. Ключевые слова и словосочетания, характеризующие тематику научного исследования (не более 15, строчными буквами, через запятые): имидазолин-2-он, 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевина, циклические мочевины, Р-нуклеофилы, фосфинистые кислоты, диарилхлорфосфины

5. Формулировка решаемой проблемы (описание проблемной ситуации, сложившейся в данном научном направлении)

Циклические мочевины - это перспективный класс органических соединений, хорошо известные своей биологической активностью. Особый интерес вызывают производные имидазолин-2-она поскольку входят в состав множества лекарственных препаратов. В качестве примера можно привести антибиотик «Азлоцилин», антигипертензивный препарат «Имидаприл», а также психотропный препарат «Эмисерфонт». В последнее время в литературе прослеживается тенденция к синтезу гетероциклов, содержащих фосфорный фрагмент, так как представители таких классов соединений находят применение в медицинской практике. Однако данные по синтезу фосфорилированных имидазолидин-2-онов представлены весьма скудно. Предлагаемый проект направлен на разработку новой стратегии синтеза имидазолидин-2-онов, содержащих фосфорный фрагмент в четвёртом положении цикла на основе реакции 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевин с фосфинистыми кислотами и диарилхлорфосфинами.

Цели научного исследования

Целью настоящей работы является разработка метода, который позволит синтезировать фосфорсодержащие имидазолидин-2-оны, содержащие у атома азота ароматические, алифатические заместители и изучение их цитотоксической активности в отношении клеточных раковых линий человека. Предлагаемый в данном проекте эффективный подход к получению фосфорилированных имидазолидин-2-онов базируется на реакции 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевин с различными фосфинистыми кислотами и диарилхлорфосфинами.

фосфорсодержащий имидазолидин азот атом

Задачи научного исследования

Для достижения указанной цели будут решены следующие задачи:

* синтез 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевин, содержащих ароматические и алифатические заместители у атома азота;

* изучение реакций синтезированных 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевин с различными Р - нуклеофилами;

* установление структуры продуктов этих реакций комплексом физических методов анализа;

* оптимизация условий реакции, направленная на увеличение выхода целевых соединений;

* изучение цитотоксической активности в отношении клеточных раковых линий человека.

Методы решения задач научного исследования

Для решения поставленных задач будут изучены реакции 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевин с фосфинистыми кислотами и диарилхлорфосфинами, определены оптимальные условия реакции, обеспечивающие наибольший выход целевых соединений. Путём варьирования фосфорного фрагмента и заместителей у атома азота будут определены факторы, влияющие на процесс нуклеофильного присоединения и установлены границы применимости этой реакции для синтеза функционализированных имидазолидин-2-онов. Для синтеза исходных соединений будут использованы коммерчески доступные ацетали 2,2-диметоксиэтил-1-амин и 2,2-диметокси-N-метилэтан-1-амин, органические изоцианаты, 1,1'-карбонилдиимидазол, алифатические и ароматические амины. Синтез исходных б-уреидоацеталей (1-(2,2-диметоксиэтил)мочевин) будет осуществляться по ранее разработанным методикам. Строение и состав полученных соединений будут устанавливаться комплексом современных физико-химических методов анализа: ЯМР ¹Н, ¹³С, двумерной ЯМР-спектроскопией, ИК-спектроскопией, масс-спектрометрией, рентгеноструктурным анализом.

Синтезированные соединения будут протестированы на цитотоксичность в отношении нормальных (Chang liver - нормальные клетки печени человека) и раковых клеточных линий человека (M-HeLa - эпителиоидная карцинома шейки матки; HuTu 80 - аденокарцинома двенадцатиперстной кишки человека). Будет определена селективность соединений в отношении раковых клеток, что является важным критерием оценки цитотоксического действия. Исследования будут проведены в лаборатории химико-биологических исследований Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова - обособленного структурного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук».

Основное содержание научного исследования

Создание новых типов лекарственных препаратов, обладающих цитотоксической активностью в отношении раковых клеток человека, является важнейшим направлением современной органической и медицинской химии.

Одним из перспективных классов органических соединений являются циклические мочевины, известные своей разнообразной биологической активностью. Особый интерес вызывают производные имидазолидин-2-она, структурный фрагмент которого входит в состав биологически активных соединений, кроме того, имидазолидиновое кольцо входит в состав лекарственных препаратов. В качестве примера можно привести противорвотное средство «Домперидон»¹, антибиотик «Азлоцилин»², антигипертензивный препарат «Имидаприл»³, а также психотропный препарат «Эмисерфонт»⁴ (Рис. 1). При этом наблюдается тенденция к усложнению структуры применяемых соединений - от простых моноциклических мочевин, до полифункциональных соединений, содержащих несколько циклов и несколько активных центров.

Рис. 1 Лекарственные препараты, содержащие фрагмент имидазолидин-2-она

Гетероциклические соединения, содержащие фосфорный фрагмент, также нашли практическое применение в качестве лекарственных препаратов. Например, «Фосфомицин»⁵ - антибиотик широкого спектра действия, «Золендронат»⁶ используется для лечения остеопороза, «Фосазепам»⁷ обладает седативным и анксиолитическим действием (Рис. 2). Однако, в литературе содержится мало информации о методах синтеза фосфорсодержащих циклических мочевин.

Рис. 2 Фосфорсодержащие гетероциклические лекарственные препараты

Синтез фосфорилированных производных имидазолидин-2-она описан всего лишь в нескольких публикациях. Так в работе⁸ предложен метод синтеза фосфорсодержащих имидазолидин-2-онов основанный на реакции мочевины 1 с альдегидами 2 (Схема 1). Однако этот метод имеет ряд недостатков, таких как низкие выходы продуктов 4, что объясняется склонностью фосфорных реагентов к полимеризации, а также отсутствует возможность варьировать заместители при атоме азота.

Схема 1

Группой авторов⁹ были получены имидазолоны 8 в две стадии. На первом этапе фосфонаты 5 реагируют с диэтилазодикарбоксилатом 6 с образованием функционализированных енаминов 7. На втором этапе в присутствии гидрида натрия происходит циклизация с образованием целевого соединения 8 (Схема 2). Следует отметить низкий выход продукта. Авторы это объясняют гидролизом соединений 8 до соответствующих фосфорных кислот.

Схема 2

Фосфорсодержащие имидазолидин-2-оны 10 были получены в результате реакции енамидов 9 с аминами (Схема 3).¹⁰ Авторы отмечают, что входе реакции образуются водорастворимые соединение, что затрудняет процесс выделения.

Схема 3

Ранее в лаборатории Элементоорганического синтеза им. А.Н. Пудовика Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН была изучена реакция производных резорцина 12 (С-нуклеофилов) с 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевиной 11.¹¹ Было установлено, что продуктами реакции являются производные имидазолидин-2-она 13 (Схема 4). Мы предположили, что использование в этой реакции Р-нуклеофилов позволит нам получать фосфорилированные имидазолидин-2-оны.

Схема 4

Анализ литературных данных показал, что реакции получения фосфорсодержащих циклических мочевин изучены плохо. Предлагаемые методы имеют ряд недостатков: отсутствие возможности варьировать заместители в гетероциклическом кольце, нестабильность фосфорных агентов и низкие выходы.

Нами был разработан эффективный метод синтеза имидазолидин-2-онов, содержащих фосфорный фрагмент в четвёртом положении на основе кислотно-катализируемой реакции 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевин с фосфинистыми кислотами и диарилхлорфосфинами. Основные преимущества метода заключаются в коммерческой доступности реагентов, высокой региоселективностью, способности варьировать как заместители у атомов азота, так и фосфорорганический фрагмент.

Критические технологии Российской Федерации, в которых возможно использование результатов научного исследования (если есть). Биомедицинские и ветеринарные технологии

Срок выполнения программы 3 года

Календарный план работ

1 этап.

На первом этапе исследований нами будут получены исходные мочевины несколькими способами. Первый способ основан на реакции коммерчески доступных арилизоцианатов 2 с 2,2-диметоксиэтил-1-амином и 2,2-диметокси-N-метилэтан-1-амином. Второй метод заключается во взаимодействие производных анилина 4 с 1,1'-карбонилдиимидазолом 5 с последующей обработкой 2,2-диметоксиэтан-1-аминами 1. Реакцией Кабачника-Филдса между ацеталем 1, фосфинистой кислотой 7 и параформом 8 будет получен ряд аминов 9, которые, реагируя с изоционатами, приведут к образованию целевых мочевин 10 (Схема 5). Структуры продуктов этих реакций будут подтверждены комплексом физических методов. Планируется участие в конференциях, в том числе международных.

Схема 5

Ожидаемые научные и (или) научно-технические результаты

Будет синтезирован широкий ряд 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевин, содержащих ароматические и фосфорсодержащие фрагменты.

2 этап.

Изучение кислотно-катализируемой циклизации 1-(2,2-диметоксиэтил)мочевин 3, 6, 10. Определение оптимальных условий реакции и выявление зависимости выхода целевого соединения от природы кислотного катализатора. Синтез имидазолидин-2-онов 11 (Схема 6).

Схема 6

Оптимизация условий будет проведена на реакции дифенилхлорфосфина 12, как с одним из коммерчески доступных Р - нуклеофилов, с 1-фенил-1,3-дигидро-2H-имидазол-2-оном 3 с получением соединения 13. Далее мы планируем варьировать ароматический фрагмент при атоме азота в гетероцикле и изучить влияние заместителя на выход целевого соединения 14 (Схема 7). Изучение структуры и стереохимических особенностей полученных соединений с привлечением современных физических методов анализа. Материалы работы будут представлены в виде одного тезиса и одной статьи.

Схема 7

Ожидаемые научные и (или) научно-технические результаты

Будут подобраны условия реакции 1-фенил-1,3-дигидро-2H-имидазол-2-она с дифенилхлорфосфином, что позволит выделить целевое соединение с хорошим выходом. За счет варьирования ароматического фрагмента у атома азота будет расширен ряд имизолидин-2-онов. Детально будут описаны структурные и стереохимические особенности полученных соединений.

3 этап.

Заключительный этап исследования будет посвящен варьированию фосфорного фрагмента и изучению его влияния на регеоселективность процесса (Схема 8). Для этого мы полученные ацетали 3, 6, 10, содержащие мочевинный фрагмент, в мягких условиях обрабатывали трифторуксусной кислотой, что позволило нам получить имидазол-2-оны 11. Далее целевые соединения можно синтезировать двумя путями. Первый метод основан на реакции имидазол-2-она с дифенилхлорфосфином, что позволит получить соединение 16. Второй способ заключается в реакции имидазол-2-она с фосфинистыми кислотами, который приводит к образованию продуктов 15. Синтезированные соединения будут протестированы на цитотоксичность в отношении нормальных и раковых клеточных линий человека.