Медьсодержащие производные тиогидантоинов и их конъюгаты с редокс-активными группировками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат наук Гук Дмитрий Александрович

• Гук Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Гук Дмитрий Александрович

Оглавление

1. Введение

2. Обзор литературы

Координационные соединения биогенных металлов как цитотоксические агенты для терапии злокачественных новообразований

Список использованных сокращений

2.1. Координационные соединения Zn(+2)

2.2. Координационные соединения Ее(+2) и Ее(+3)

2.3. Координационные соединения Со(+2) и Со(+3)

2.4. Координационные соединения Си(+1) и Си(+2)

2.5. Выводы по обзору литературы

3. Обсуждение результатов

3.1. 3-Арилзамещенные 2-тиоимидазол-4-оны и координационные соединения меди на их основе

3.1.1 Синтез 3-арил-2-тиогидантоинов

3.1.2 Алкилирование 3-арил-2-тиогидантоинов

3.1.3 Получение координационных соединений меди с производными 3-арил-2-тиоимидазол-4-она

3.1.3.1 Получение координационных соединений с лигандами типа

3.1.3.2 Получение координационных соединений с лигандами типа

3.1.4.4 Изучение механизма комплексообразования лигандов типа 2 с солями меди

3.1.3.3 Получение координационных соединений с лигандами типа

3.1.4 Изучение валентного состояния меди и редокс-активности в координационных соединениях типов

3.1.4.1 Электрохимическое исследование координационных соединений типов

3.1.4.2 Изучение валентного состояния меди в координационных соединениях типов 1 - 3 методом XANES

3.1.4.3 Изучение валентного состояния меди в координационных соединениях типа 3 методом ЭПР

3.2 Редокс-активные конъюгаты 2-тиогидантоинов и координационные соединений меди на их основе

3.2.1 Синтез функциональных производных 2-тиоимидазол-4-онов

3.2.2 Конъюгаты на основе менадиона

3.2.2.1 Синтез функциональных производных менадиона

3.2.2.2 Синтез конъюгатов менадион - 2-тиоимидазол-4-он с различными линкерами

3.2.2.3 Получение координационных соединений меди с конъюгатами менадион - 2-тиоимидазол-4-он

3.2.2.4 Изучение валентного состояния меди в конъюгатах менадион - 2-тиоимидазол-

4-он

3.2.3 Конъюгаты 2-тиогидантоина с нитроимидазолом и метранидозолом

3.2.3.1 Синтез функциональных производных нитроимидазола и метронидазола

3.2.3.2 Синтез конъюгатов 2-тиогидантоина с нитроимидазолом и метранидозолом

3.2.3.3 Получение координационных соединений меди с конъюгатами 2-тиогидантоина с нитроимидазолом и метранидазолом

3.2.4 Конъюгаты ферроцен - 2-тиогидантоин

3.2.4.1 Синтез функциональных производных ферроцена

3.2.4.2 Синтез конъюгатов ферроцен - 2-тиогидантоин с линкерами различной природы

3.2.4.3 Получение координационных соединений меди с конъюгатами ферроцен-2-тиогидантоин

3.2.4.4 Изучение механизма комплексообразования ионов меди с конъюгатами ферроцен-2-тиогидантоин

3.2.4.4.1 Электрохимические методы

3.2.4.4.2 Оптическая спектроскопия

3.2.4.4.3 Спектроскопия ЭПР

3.2.4.4.4 Масс-спектрометрия в реальном времени

3.2.4.5 Изучение валентного состояния меди биметаллических координационных соединений Cu/Fe методом XANES

3.3 Изучение биологической активности полученных в работе координационных соединений меди

3.3.1 Стабильность координационных соединений в физиологических условиях

3.3.2 Изучение цитотоксичности полученных в работе координационных соединений меди

3.3.3 Изучение внутриклеточного проникновения и распределения координационных соединений типов

3.3.4 Изучение взаимодействия координационных соединений с ДНК

3.3.4.1 Изучение нуклеазной активности координационных соединений типов

3.3.4.2 Изучение интеркаляции ДНК координационными соединениями типов

3.3.5 Изучение взаимодействия координационных соединений с БСА

3.3.6 Изучение способности координационных соединений типов 1 - 3 ингибировать теломеразу

3.3.7 Изучение механизма клеточной смерти (некроз/апоптоз) под действием координационных соединений типов

3.3.8 Изучение способности координационных соединений типов 1 - 3 генерировать активные формы кислорода

3.3.9 Изучение цитотоксичности координационных соединений лидеров в 3D модели опухоли

3.3.10 In Vivo исследования координационных соединений лидеров

3.3.10.1 Определение максимальной дозы с отсутствующими побочными эффектами (NOAEL исследование)

4. Экспериментальная часть

4.1. Общие сведения

4.2 Синтез органических и элементоорганических лигандов

4.2.1 Синтез 3-арилзамещенных 5-(^)-2-пиридилметилен)-2-тиоксотетрагидро-4Н-имидазол-4-онов

4.2.1.1 Синтез соединений 2-16, 18-25, 29,

4.2.1.2 Синтез соединений 17, 26, 27,

4.2.2 Алкилирование 3-арил-2-тиогидантоинов

4.2.2.1 Алкилирование йодистым метилом

4.2.2.2 Алкилирование 1,2-дибромэтаном

4.2.3 Синтез функциональных производных 2-тиоимидазол-4-онов

4.2.4 Синтез функциональных производных менадиона

4.2.5 Синтез конъюгатов менадион - 2-тиоимидазол-4-он с различными линкерами

4.2.6 Синтез функциональных производных нитроимидазола и метронидазола

4.2.7 Синтез конъюгатов 2-тиогидантоина с нитроимидазолом и метранидозолом

4.2.8 Синтез функциональных производных ферроцена

4.2.9 Синтез конъюгатов ферроцен-2-тиогидантоин с линкерами различной природы

4.2.10 Синтез модельного конъюгата, функционализированного по атому серы 1,2,3-триазолом

4.3 Синтез координационных соединений меди

4.3.1 Синтез координационных соединений типа

4.3.2 Синтез координационных соединений типа

4.3.3 Синтез координационных соединений типа

4.3.4 Синтез координационных соединений с редоксактивными лигандами

4.3.4.1 Синтез координационных соединений меди с конъюгатами менадион - 2-тиоимидазол-4-он

4.3.4.2 Синтез координационных соединений меди с конъюгатами нитроимидазол - 2-тиоимидазол-4-он

4.3.4.3 Синтез координационных соединений меди с конъюгатами ферроцен - 2-тиоимидазол-4-он

4.4 Синтез необходимых неорганических соединений

Заключение

Список литературы

4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Медьсодержащие производные тиогидантоинов и их конъюгаты с редокс-активными группировками»

1. Введение

Актуальность работы. Диагностика и лечение злокачественных опухолей остается одной из основных проблем современной медицины. Онкологические заболевания занимают второе место по смертности после сердечно-сосудистой патологии. Поиск новых противоопухолевых препаратов является актуальным направлением в современной медицинской химии. По данным на 2017 год [1], Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) зарегистрированы 150 противоопухолевых препаратов, причем около 2/3 из них были одобрены в течение последних двух десятилетий.

Противоопухолевые препараты, содержащие в своем составе ионы металлов, играют важную роль в химиотерапии при лечении опухолей. С момента открытия противоопухолевых свойств цисплатина [2] и до сих пор цисплатин является одним из наиболее эффективных препаратов для лечения некоторых типов онкологических заболеваний. К настоящему времени разработаны и введены в клиническую практику препараты платины второго и третьего поколений: карбоплатин, оксалиплатин, пикоплатин [3].

Однако терапевтическое применение препаратов Pt сопряжено с неизбежным развитием ряда тяжелых побочных эффектов, связанных с абиогенностью платины и ее накоплением в организме пациента, обусловленным отсутствием естественных механизмов выведения этого металла из организма. К числу наиболее распространенных побочных эффектов, проявление которых во многих случаях перекрывает положительный эффект от химиотерапии в целом, относятся нефротоксичность [4], нейротоксичность [5], а также ототоксичность и миелосупрессия [3]. Поэтому внимание исследователей все больше сосредотачивается не на модификации соединений платины, а на поиске новых цитотоксичных координационных соединений биогенных переходных металлов, которые должны обладать меньшей общей токсичностью и легче выводиться из организма [4].

Степень разработанности темы К настоящему времени опубликовано множество исследований, показывающих возможность использования координационных соединений переходных металлов и, в частности, меди в качестве перспективных цитотоксических агентов для терапии злокачественных новообразований, однако систематических исследований корреляций структура-механизм цитотоксического действия и структура-цитотоксичность на библиотеках координационных соединений близких лигандов, но различной геометрии координационной сферы и степени окисления меди не проводилось.

Сведения о функциональных производных 2-тиогидантоинов и редокс-активных конъюгатах на их основе до наших исследований отсутствовали в литературе.

Целью исследования является является создание общих универсальных методов синтеза производных 5-пиридилметилиден-2-тиоимидазол-4-онов с ароматическими и редокс-активными заместителями в 3-м положении тиоимидазолонового цикла и селективного получения на их основе моно- и биядерных координационных соединений меди (+1) и (+2), а также биметаллических координационных соединений Fe/Cu, с высокой цитотоксичностью по отношению к клеточным линиям злокачественных новообразований. Установление зависимости цитотоксической активности от строения и электронных свойств координационного соединения.

Задачами исследования были: 1) Разработка и оптимизация синтетических подходов к синтезу 3-замещенных 2-тиоимидазол-4-онов на основе анилинов с донорными и акцепторными заместителями и функциональных аминов. 2) Поиск и оптимизация синтетических методик получения функциональных производных редокс-активных молекул ряда менадиона, нитроимидазола и ферроцена для дальнейшей модификации производных 2-тиоимидазол-4-она. 3) Синтез конъюгатов 5-пиридилметилен-2-тиоимидазол-4-онов с производными менадиона, нитроимидазола и ферроцена, способных к окислительно-восстановительным превращениям при низких значениях электрохимических потенциалов. 4) Разработка направленных методов синтеза координационных соединений замещенных 2-тиоимидазол-4-онов, содержащих ионы меди в различных степенях окисления. 5) Изучение влияния структуры и электронных свойств лиганда на геометрию и степень окисления ионов меди в образующихся металлокомплексах, установление механизмов образования различных структурных типов координационных соединений. 6) Изучение цитотоксичности полученных комплексов меди, определение наиболее вероятных механизмов цитотоксического действия in vitro для комплексов различных структурных типов.

Объектами исследования являлись 3-замещенные 2-тиогидантоины и их производные, а также редокс-активные конъюгаты 2-тиогидантоинов с менадионом, нитроимидазолом и ферроценом и координационные соединения меди на их основе.

Предметом исследования являлись методы получения и свойства в реакциях комплексообразования с солями меди 3-замещенных 2-тиогидантоинов и их редокс-активных конъюгатов с менадионом, нитроимидазолом и ферроценом, а также методы селективного получения координационных соединений меди различных степеней окисления на основе лигандов 2-тиогидантоинового ряда.

Научная новизна состоит в том, что: 1) разработаны препаративные методики синтеза 3-замещенных-2-тиоимидазол-4-онов из анилинов и функциональных аминов; 2) оптимизированы методы синтеза ю-ферроценкарбоновых кислот и ю-ферроценалкинов с различной длинной полиметиленового линкера; 3) впервые разработаны подходы к синтезу новых классов моноядерных координационных соединений меди Cu(+1) и биядерных координационных соединений Cu(+2)Cu(+2) и Cu(+1)Cu(+1) на основе 3-арилзамещенных-2-алкилтиоимидазол-4-онов; 4) впервые получены редокс-активные биметаллические координационные соединения Cu/Fe на основе ферроцен-замещенных 2-алкилтиоимидазол-4-онов, обладающие доказанной цитотоксичностью; 5) подробно изучены окислительно-восстановительные процессы, сопровождающие

комплексообразование 2-тиоимидазол-4-онов с солями меди, установлено влияние структуры и электронных свойств лиганда, природы растворителя и соли меди на геометрию и степень окисления ионов меди в целевых координационных соединениях; 6) изучена цитотоксическая активность полученных комплексов и возможный механизм цитотоксического действия; для двух из полученных соединений проведены испытания in vivo как потенциальных противоопухолевых препаратов.

Практическая и теоретическая значимость работы: 1) показана возможность получения 3-арилзамещенных 2-тиоимидазол-4-онов с донорными и акцепторными заместителями в различных положениях ароматического фрагмента и конъюгатов 2-тиоимидазол-4-онов с различными редокс-активными группировками; 2) разработаны препаративные методы получения моноядерных и биядерных координационных соединений меди Cu(+1), Cu(+2), Cu(+2)Cu(+2), Cu(+2)Cu(+1), Cu(+2)Cu(+1), биметаллических координационных соединений Cu/Fe на основе 3-замещенных-2-тиоимидазол-4-онов; 3) изучены механизмы образования всех описанных классов координационных соединений в ходе редокс-процессов, протекающих при комплексообразовании между производными 2-тиоимидазол-4-онов и солями Cu+2; 4) изучена цитотоксичность полученных координационных соединений in vitro, для соединений лидеров установлены наиболее вероятные механизмы цитотоксического действия, два соединения лидера испытаны in vivo как потенциальные противоопухолевые препараты.

Методология диссертационного исследования Методическая часть исследования состояла в разработке методов синтеза производных 2-тиогидантоина и координационных соединений меди на их основе. Для этого был использован широкий спектр синтетических и инструментальных методов. Целевые лиганды были синтезированы с помощью методов, основанных на реакциях нуклеофильного присоединения, конденсации Кнёвенагеля, азид-

алкинового циклоприсоединения и карбодиимидного синтеза. Очистка полученных соединений проводилась методами колоночной хроматографии, перекристаллизации. Разделение координационных соединений в ходе оптимизации условий селективного получения проводилось методом Пастера. Структура, состав и чистота полученных соединений определялись методами ЯМР, ЭПР, ИК, оптической и XANES спектроскопии, масс-спектрометрии высокого разрешения и LDI, а также ТСХ, ВЭЖХ, РСА, элементного анализа, циклической вольтамперометрии.

Положения, выносимые на защиту:

1) Новые классы органических и элементоорганических лигандов на основе 5-пиридилметилен-2-тиоимидазол-4-онов, эффективно координирующие ионы меди, могут быть получены на основе различных анилинов и функциональных первичных аминов с препаративными выходами;

2) Новые классы биметаллических координационных соединений Cu/Fe, проявляющие высокую редокс-активность в физиологических условиях, могут быть получены на основе конъюгатов ферроцен/2-тиоимидазол-4-он;

3) Новые классы моно- и биядерных координационных соединений меди Cu(+1), Cu(+2), Cu(+2)Cu(+2), Cu(+2)Cu(+1), Cu(+1)Cu(+1) могут быть направленно и селективно получены в ходе реакции 3-замещенных-2-тиоимидазол-4-онов с солями Cu(+2);

4) Изменение электронных характеристик ферроценсодержащих лигандов введением донорных и акцепторных заместителей позволяет изменять механизм окислительно-восстановительных реакций с ионами Cu(+2) с межмолекулярного на внутримолекулярный;

5) Основной механизм цитотоксического действия координационных соединений меди определяется структурным типом органического лиганда.

6) Ключевыми факторами, определяющими цитотоксичность полученных координационных соединений 2-тиоимидазол-4-онов в клетке, является степень окисления металла, геометрия координационного окружения и потенциал окисления/восстановления ионов меди в комплексе.

Личный вклад автора. Автором был осуществлен сбор, анализ и сопоставление литературных данных по тематике исследования. Автор принимал участие в составлении плана исследований, обсуждении полученных результатов и их подготовке к публикации. Автор проводил синтез описанных в работе органических и элементоорганических соединений и координационных соединений меди на их основе, регистрировал оптические спектры (поглощения и флуоресценции), проводил подготовку кинетических экспериментов и анализировал данные физико-химических исследований.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ: 8 статей в рецензируемых научных журналах, индексируемых международными базами данных (Web of Science, Scopus) и рекомендованных для защиты в диссертационном совете МГУ по специальности 02.00.03 - органическая химия, 02.00.08 - химия элементоорганических соединений, 2 статьи в журнале индексируемом РИНЦ, 9 тезисов докладов на российских и международных конференция.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на российских и международных конференциях: Всероссийская научная конференция «Марковниковские чтения» (WS0C-2020), Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2020», XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Mendeleev-2019), The Fifth International Scientific Conference «Advances In Synthesis And Complexing», Science, Technology and Life - 2019: VI International scientific conference.

Структура и объем работы. Работа состоит из шести разделов: введения, обзора литературы на тему «Координационные соединения биогенных металлов как цитотоксические агенты для терапии злокачественных новообразований», обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 245 листах машинописного текста, содержит 41 схему, 75 рисунков и 32 таблицы. Список цитируемой литературы включает 236 наименований.

2. Обзор литературы

Координационные соединения биогенных металлов как цитотоксические агенты для терапии злокачественных новообразований

Среди биогенных металлов, перспективных для разработки противоопухолевых препаратов и цитотоксических агентов, могут быть выделены цинк, железо, кобальт и медь - важные микроэлементы, присутствующие в норме в организме человека и потенциально способные заменить составляющие основу цитотоксической терапии препараты платины. По данным Web of Science (Рис. 1) в последние 5 лет наблюдается взрывной рост числа публикаций, посвященных координационным соединениям вышеуказанных металлов в качестве противораковых препаратов.

.... л11 ____alll

1 —lili - --■■II

Рисунок. 1. Число публикаций, посвященных координационным соединениям цинка, железа, кобальта и меди с противораковым действием (2011-2020 гг; поиск по ключевым словам «coordination compound», «anticancer» и символу соответствующего металла). По данным Web of Science на 04.2021.

Биологическая роль цинка подробно описана: цинк является шестым по распространенности металлом в организме человека (после кальция, натрия, калия, магния и железа). Цинк участвует в метаболизме клеток и содержится в активном центре более 200 металлоферментов [6], [7]. Комплексы цинка (+2) с различными органическими лигандами были успешно протестированы in vitro на противовоспалительные [8], антибактериальные [9], антиоксидантные [10] и антипролиферативные свойства (см. раздел 2.1).

Железо выполняет важные функции в клетках млекопитающих. Ионы железа обеспечивают функцию жизненно важных ферментов, содержащих как свободное железо, так и гем, включая митохондриальные ферменты, которые участвуют в клеточном дыхании, ферменты, задействованные в синтезе ДНК и клеточном цикле, ферменты антиоксидантной системы, такие как пероксидаза и каталаза, и многие другие [11]. Следовательно, железо необходимо для репликации, метаболизма и роста клеток. Однако способность приобретать и терять электроны - то самое свойство, ради которого ионы железа включаются в активные центры ферментов - также позволяет железу участвовать в потенциально опасных для организма реакциях образования свободных радикалов. Среди них реакция Фентона, в которой двухвалентное железо отдает электрон в реакции с перекисью водорода с образованием гидроксильного радикала и активных форм кислорода (ROS). Эти частицы не только повреждают липиды и белки, но также вызывают окислительное повреждение ДНК, включая модификацию оснований ДНК и сшивки цепей [12], [13], которые могут быть мутагенными [14]. Следовательно, железо в организме человека является незаменимым, но и потенциально цитоксичным.

Кобальт представляет собой важный редокс-микроэлемент, широко распространенный в клетках млекопитающих. В организме он присутствует в трех относительно устойчивых (часто переходящих друг в друга) степенях окисления: Co(+1), Co(+2) и Co(+3), и играет важную роль в химии витамина B12 (кобаламина), участвуя в ряде окислительно-восстановительных процессов, алкилировании и

10

генерации/разрушении свободных радикалов, проходящих в живой клетке [15]. Активное участие ионов кобальта в поддержании гомеостаза активных форм кислорода и радикалов также делает его соединения одновременно незаменимыми в клетке и потенциально токсичными.

Ионы меди играют важную роль в метаболизме организма человека за счет вовлеченности в различные физиологические процессы (развитие соединительной, костной и нервной тканей, ангиогенез) и участия в работе ряда окислительно-восстановительных металлоферментов [16], [17]. Некоторые координационные соединения меди в настоящее время проходят различные стадии клинических испытаний как противоопухолевые препараты (например, препараты «Casiopeinas» первого и второго поколения [18]), и ряд описанных медьсодержащих производных показал значительную цитотоксическую активность в исследованиях in vitro (см. раздел 2.4).

В настоящем обзоре представлены данные о структуре, механизмах действия, эффективности и перспективах дальнейшего исследования цитотоксических координационных соединений на основе биогенных металлов Zn, Fe, Co и Cu. Литературные данные сгруппированы в разделы, каждый из которых посвящен анализу научных публикаций последних 10 лет о координационных соединениях конкретного металла, обладающих доказанной противоопухолевой активностью. Основной задачей обзора было установление зависимости механизма цитотоксического действия от степени окисления металла в координационном соединении, а также геометрии и химической природы лигандного окружения. Учитывая это, среди представленных в литературе работ для анализа были выбраны главным образом те статьи, которые содержали результаты исследований механизмов цитотоксической активности. Исключения составляют работы, посвященные координационным соединениям редкой геометрии, которые позволяют лишь предполагать механизм их действия и молекулярные мишени ввиду недостаточного объема выборки. В заключительной части обзора представлен сравнительный анализ достоинств и недостатков координационных соединений рассмотренных металлов, механизмов их цитотоксического действия и перспективах их применения для дальнейшей разработки цитотоксических препаратов.

Отметим, что большая часть найденных в литературе современных обзорных статей по использованию металлокомплексов в качестве цитотоксических агентов посвящена анализу координационных соединений лишь одного переходного металла -чаще всего платины [19]-[21] или, в одном случае, металлов платиновой группы [22]. В данном обзоре впервые объединены данные о цитотоксических соединениях различных биогенных металлов и проведено их сравнение с точки зрения механизмов

противоопухолевого действия. Заметим также, что существуют лишь единичные

русскоязычные обзоры, посвященные рассматриваемой проблеме: обобщающие данные по отдельным классам координационных соединений платины [23], различным типам лекарственной формуляции препаратов платины [24] и единичные обзоры цитотоксичных координационных соединений на основе металла не платиновой группы, золота [25], небольшого числа координационных соединений одного лиганда [26]. Недавний обзор, посвященные анализу отдельных механизмов цитотоксического действия различных веществ, содержит небольшой раздел, посвященный координационным соединениях переходных металлов, в том числе биогеных [27], однако подробных обзорных статей о цитотоксических и противоопухолевых свойствах координационных соединений биогенных металлов на момент написания данного обзора не было. Список использованных сокращений

Клеточные линии:

518A2 Melanoma cell line

A2780 Human ovarian cancer cell line

A375 Malignant melanoma cell line

A431 Epidermoid carcinoma cell line

A431Pt Epidermoid carcinoma cell line Pt-resistant

A498 Human kidney carcinoma cell line

A549 Human lung adenocarcinoma cell line

CEM/ADR5000 Childhood T acute lymphoblastic leukemia cell line

AGS Human gastric adenocarcinoma cell line

BCC Basal cell carcinoma cell line

BEL-7402 Human papillomavirus-related endocervical adenocarcinoma

BGC823 Human papillomavirus-related endocervical adenocarcinoma

BL-2 Burkitt lymphoma

C13 Squamous cell carcinoma of the cervix uteri

Caco-2 Human colon adenocarcinoma

Caki-2 Human papillary renal cell carcinoma

CaSki Human squamous cell carcinoma of the cervix uteri

CO-115 Human colon adenocarcinoma

Colo-205 Human colon adenocarcinoma

DLD-1 Human colon adenocarcinoma

DU-145 Human prostate carcinoma

Eca-109 Human esophageal squamous cell carcinoma

G-361 Human melanoma

NCI-H460 Human lung large cell carcinoma

HaCaT Spontaneously immortalized healthy human cell line

HCT 116 Human colon adenocarcinoma

HCT-8 Human colon adenocarcinoma

Hek-293 Transformed human fetus cell line

HeLa Human papillomavirus-related endocervical adenocarcinoma

HEp-2 Human papillomavirus-related endocervical adenocarcinoma

Hep3B Childhood hepatocellular carcinoma

Hep-G2 Human hepatoblastoma

HL-60 Human adult acute myeloid leukemia

HL-7702 Human papillomavirus-related endocervical adenocarcinoma

HOS Human osteosarcoma

HT-29 Human colon adenocarcinoma

HUVEC Healthy human cell line

IGROV-1 Human ovarian endometrioid adenocarcinoma

IM-9 Transformed healthy human cell line

Jurkat

K562

KbV1/Vbl

L6

L929

LH32

LN-229

LoVo

LS-174

MCF-7

MCF-7-10A

MDA-MB-231

MDA-MB-453

MelHo

MG-63

MIA-PA-CA 2

MKN-45

Molt-4

MRC-5

MTSV1-7

Nalm-6

NCI-H322M

NCI-H460

NCTC

PBMC

PC-3

PC-12

Saos-2

SCC-4

SCC-9

SCC-25

SK-OV-3

SMMC-7721

T24

TE1

TFK-1

U87MG

U937

Лиганды:

2,5-pdc 2-pbmq Amphen

AP

Azil

Bdmpzp

Bipy

Bpdmpzp

Bzimpy

Caf

Clphen

Cur

Dmb

Dmdppz

dpamH

Dppe

Human childhood T acute lymphoblastic leukemia

Human chronic myelogenous leukemia

Human papillomavirus-related endocervical adenocarcinoma

Transformed healthy rat myoblast

Spontaneously immortalized healthy mouse cell line

Healthy human hepatocites

Human glioblastoma

Human colon adenocarcinoma

Human colon adenocarcinoma

Human invasive ductal breast carcinoma

Human spontaneously immortalized cell line

Human breast adenocarcinoma

Human breast adenocarcinoma

Human melanoma

Human osteosarcoma

Human pancreatic ductal adenocarcinoma

Human gastric adenocarcinoma

Adult T acute lymphoblastic leukemia

Human healthy biotechnology cell line

Healthy human luminal epithelial cells

Adult B acute lymphoblastic leukemia

Minimally invasive human lung adenocarcinoma

Human lung large cell carcinoma

Spontaneously immortalized mice cell line

Induced pluripotent human stem cell

Human prostate carcinoma

Human lung papillary adenocarcinoma

Human osteosarcoma

Human tongue squamous cell carcinoma

Human tongue squamous cell carcinoma

Human tongue squamous cell carcinoma

Ovarian serous cystadenocarcinoma

Human papillomavirus-related endocervical adenocarcinoma

Bladder carcinoma

Esophageal squamous cell carcinoma

Cholangiocarcinoma

Human glioblastoma

Adult acute monocytic leukemia

Пиридин-2,5 -дикарбоксилат

2-((2-(Пиразин-2-ил)-1Н-бензо ВДимидазол-1 -ил)меил)эхинолин

I,10-Фенантролин- 5-амин

Антипирин Азилсартан

[Бис((ди(3, 5 -диметил-1Н-пиразолил)метил) -(2-пиридилметил)] -амин 2,2' -Бипиридин

[Бис[((2-пиридилметил)-ди(3,5-диметил-1Н-пиразолил)метил)]-амин

2,6-Бис(2-бензимидазолил)пиридин)

Кофеин

5 -Хлор-1, 10-фенантролин Куркумин

4,4'-Диметил-2,2'-бипиридин

II, 12-Диметилпиридил[3,2 -a:2',3'-c] феназин 2,2'-Дипиридиламин 1,2-Бис(дифенилфосфино)этан 5,6-Дифенил-3-(2-пиридил)- 1,2,4-триазин

Dppz Дипиридил[3,2-а:2',3'-с]феназин

Dpq Дипиридил[3,2-f :2',3'-h] хиноксалин

epoxyphen 5,6-Эпокси-5,6-дигидро-1,10-фенантролин

FFA 2-((3-(Трифторметил)фенил)амино)бензойная кислота

Hnor Норхарман

Mefenamic acid 2-((2,3-Диметилфенил)амино)бензойная кислота

Mim Метилимидазол

Morph Морфолин

mpkqh Бис(метил-2-пиридилкето-2-хинолилгидразон)

Pamp N' -Фенил-N' -(пиридин-2-ил)пиколиногидразид)

Paqh Бис(пиридин-2-карбальдегид-2- хинолилгидразон)

Phdpa (Фенил)дипиколиламин

Phen 1,10-Фенантролин

Pic Пикрат

Pmdt N,N,N',N'',N'' -Пентаметилдиэтилентриамин

ppkqh Бис(фенил-2-пиридилкето-2-хинолилгидразон)

Py Пиридин

Pydc 2,6-Пиридиндикарбоновая кислота

Pydpa (Пиренил)дипиколиламин

Sac Сахаринат

Sal Салицилат

Salophene Салофен, 2,2'-(1,2-фениленбис(азанилиден))бис(метанилиден))дифенол

Tdmpza Трис[ди(3,5 -диметил-1Н-пиразолил) -метил)] амин

Tolfenamic acid Толфенамовая (2-[(3-хлор-2-метилфенил)амино]бензойная) кислота

Tpy 4-Фенилтерпиридин

Trien Триэтилентетрамин

Trop Трополон

Trp Триптофан

Tryp Триптофан

TTA 4,4,4-Трифтор-1-(2-фурил)-1,3-бутандион Прочие сокращения:

ds Double strand (DNA)

ROS Активные формы кислорода

TRK Тирозинкиназы

ЖМКО Жестких и мягких кислот и основания (теория)

2.1. Координационные соединения Zn(+2)

Среди характерных для цинка степеней окисления наиболее устойчивой в физиологических условиях является степень окисления Zn(+2). Поэтому в исследованиях, направленных на поиск цитотоксичных координационных соединений цинка, варьируется лигандное окружения именно ионов цинка (+2), широко распространенных в живых организмах. Имеющиеся к настоящему времени литературные данные о комплексах Zn(+2) с подтвержденной цитотоксичностью суммированы в Таблице 1.

Таблица 1. Цитотоксичные координационные соединения цинка1

№ Комплекс (№ в тексте) Координа ционная сфера Мода Геометрия координационного Механизм цитотоксического действия IC50 max Ссылк

связывания окружения металла (клеточная линия) а

Тридентатный

1 [Zn(OAc)(AcPipPheF)]2 (36-37) ZnN2O2S хелат c мостиковым ацетат-анионом Квадратная пирамида или октаэдр Остановка S-фазы клеточного цикла 25.5 ± 6 нМ (К562) [28]

2 [Zn(R-DT)2] (38-45) ZnS4 Бидентатно Тетраэдр Апоптоз (действуют также на Pt- 0.1 - 1 мкМ (A431, A431Pt) [29]

резистентные линии)

3.1 мкМ (MCF-7),

3 ZnPP (48) ZnN4 Хелат Плоский квадрат Ингибирование гем-оксигеназы-1 (HO-1) на ряде других клеточных линий токсичность ~ 10 мкМ [30]

4 ZnPP (48) ZnN4 Хелат Плоский квадрат Ингибирование сигнального пути Wnt/b ~10 мкМ [31]

1,3-Бис{диацетил-2-(4-№

5 пирролидинилтиосемикар базон)-3-(4-№ пирролидинилтиосемикар базоны)цинк(+2)}алканы (14-17) ZnN2S2 Хелат Тетраэдр Связывание с ДНК (электростатическое) <0.1 мкМ (MCF-7, HepG2) [32]

6 [Zn(L>2H2O](CH3COO)2 ZnN2S2(H2 O)2 Бидентатно Искаженный октаэдр Не изучен Ингибирование 97% при С = 100 мкМ (HT-29) [33]

7 (бис-пиразол^п(СЮ4)С1 (26-29) ZnN4O2 Тридентатный хелат Октаэдр Апоптоз через активацию каспазы 7 18±5 мкМ (MCF-7) [34]

8 [Zn(pysR)2, [Zn(pysR>)(CH3COO)]2 ZnN4S2 Тридентатный хелат Искаженный октаэдр Не изучено, заместители в лиганде не влияют на величину IC50 0.39 - 0.84 мкМ (HELA, HL-60) [35]

9 [Zn(dppt)2Cl2] (1) ZnN4C12 Бидентатный хелат Октаэдр Интеркаляция в ДНК 10.44±0.52 мкМ (MCF-7) [36]

10 [Zn(AP)2l2] (46) ZnO2l2 Монодентатны й Тетраэдр Ингибирование каспазы 3; не апоптоз 100 мкМ (NCTC L929) [37]

11 ZnPP (48) ZnN4 Хелат Плоский квадрат Не изучен ~10 мкМ (HeLa) [38]

12 Zn imidazopiridines (3034) ZnN2O2 Бидентатный хелат Тетраэдр Не изучен; аналогичные медные комплексы более цитотоксичны 13.2 мкМ (HT-29) [39]

Ингибирование

13 Zn(chtsc-N-Me)2 (50, 51) chtsc = тиосемикарбазон циклогексанона ZnN2S2 Бидентатный хелат Искаженнй квадрат топоизомеразы 1, связывание с малой бороздкой ДНК с последующим окислительным расщеплением. 2-3 мкМ (Caki-2, MCF-7, CaSki, NCI-H322M, Co-115) [40]

Связывается с малой

бороздкой ДНК, затем 25 мкМ (U-87 MG),

14 Zn(+2)-Cyc1en-(Trp)2 (49) ZnN4 Хелат Искаженнй квадрат повреждает ее, вызывая каспаза-3 зависимый апоптоз токсичностьназдор овыхнижев 6 раз [41]

Zn2L2

H2L = 2-[(2-Гидрокси-3- 50 мкМ

15 метокси-бензилиден)- амино]-3-меркаптопропионовая кислота ZnSNO2 Тридентатный хелат + Н2О Искаженный тетраэдр ROS - опосредованный апоптоз (CEM/ADR5000) на неопухолевых 500 мкМ [42]

Электростатическое

16 [Zn(TTA)(bipy)C1] (12), [Zn(TTA)(phen)C1] (13) ZnN2O2C1 Оба лиганда бидентатно Квадратная пирамида связывание с малой бороздкой ДНК и последующий апоптоз 1 - 1.5 мкМ (MKN-45, MCF-7) [43]

17 Zn(AcTsc)2 (25) AcTsc = 3-ацетилкумарин тиосемикарбазон ZnN2S2 Бидентатный хелат Искаженный тетраэдр Интеркаляция в ДНК 36 мкМ (HepG-2, IM-9) [44]

18 [Zn(AP)2¡2] (46), [Zn(Caf)(H2O)l2] (47) ZnN2¡2 Бидентатный хелат Тетраэдр Не изучен 50 - 70 мкМ (PC3, MCF-7) [45]

19 [Zn(LThioSN)2] (18) [Zn(LBrSN)2] (19) [Zn(LDiOMeSN)2] (20) ZnN2S2 Бидентатный хелат Тетраэдр Нековалентное связывание с бороздкой ДНК ~20 мкМ (HeLa, MCF-7) [46]

20 ZnL(C1O4>, (52-54) L = ^№-,бис-салицилиден-1,2-фенилендиамин ZnN2O2 Тетрадентатны й хелат Плоский квадрат Селективное связывание с 04-ДНК Не измерено [47]

21 [Zn3(fen)6(MeOH)2] (2) [Zn(fen)2(tmen)] (3) [Zn(bapen)(fen)]fen (4) [Zn(cyc1am)(fen)2] (5) ZnO4 ZnN2O2 ZnN4O2 ZnN4O2 Монодентатно с дополнительн ыми N-лигандами Тетраэдр Искаженный Октаэдр Октаэдр Интеркаляция только для октаэдра, остальные слабо связываются с бороздкой Не измерено [48]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гук Дмитрий Александрович, 2021 год

Источник

CSCl2 (1.4 экв.), CHCl3, NaOH, Кип.

CSCl2 (1 экв.), DIPEA(1.1 экв.), DCM, 0°C.

CSCl2, DIPEA, Толуол, пиридин (кат.),75°C. CSCl2(1 экв.) , NaHCO3, CHCl3/H2O, 20°С. CSCl2 (1 экв.) , CHCb/№O, NaHCO3, 0°C.

CSCl2 (1.3 экв.), Толуол, DMF, 20°C. CSCl2 (1.2 экв.), NEt3 (2.4 экв.), CHCb, 0°C.

Journal of Medicinal Chemistry, 1989, 32 (5),1043 - 1051 [184] Bioorganic&Medicinal Chemistry Letters, 27(23), 5131-5138 [185]

Chemical & Pharmaceutical Bulletin, 44(11), 2042-2050 [186] Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 11(7), 915-918 [187] ResearchGate ResearchGate ResearchGate

Так как ключевыми стадиями реакции образования тиомочевины из анилина и изотиоцианатоэтилацетата (Схема 7) являются нуклеофильная атака неподеленной пары аминогруппы по группе SCN и миграция протона, добиться больших выходов можно, повысив полярность растворителя и увеличив температуру реакции. Так, авторами [188] было показано, что в случае 3-нитроанилина удовлетворительных выходов удается добиться при проведении реакции в среде ионных жидкостей. Исходя из этого, нами в качестве растворителя была испробована ионная жидкость [BMIM]BF4 (1-бутил-3-метилимидазолиум-тетрафторборат).

Проведение реакций при 100оС позволило повысить выход продукта с 5% до 29% в случае 4-нитроанилина (17) и лишь незначительно в случае 2,6-дибром, 2,6-дихлор и 2,4,6-трихлоранилинов (от следовых количеств до 5-7%). Дальнейшее повышение температуры и увеличение времени реакции приводили только к деструкции изотиоцианатоэтилацетата и осмолению реакционной смеси.

При выделении целевых соединений в данном случае возникают дополнительные синтетические трудности, т.к. ионные жидкости не удается отогнать при пониженном давлении, из них практически невозможно высадить продукт, а при экстракции они распределяются между водой и любым органическим растворителем в равных пропорциях. Многократная колоночная хроматография или многократная экстракция приводят к дополнительным потерям вещества. Единственным удовлетворительным способом получить целевые 3-арилзамещенные 5-(^)-2-пиридилметилен)-2-тиоксотетрагидро-4Н-имидазол-4-оны оказалось разбавление реакционной смеси в ионной жидкости большим количеством этанола и проведение конденсации Кнёвенагеля с 2-пиридинкарбальдегидом без выделения и очистки образовавшейся тиомочевины.

Однако и такой подход имеет существенный недостаток: при подкислении реакционной смеси из нее выделяется лимонно-желтый осадок, однако он представляет собой смесь двух веществ близкой химической природы. Анализ спектров ЯМР и LC-MS показал, что одно из веществ является целевым 3-арилзамещенным 5-(^)-2-пиридилметилен)-2-тиоксотетрагидро-4Н-имидазол-4-оном 17, в то время как второе образуется при атаке этилового эфира глицина (образующегося в ходе деструкции изотиоцианатоэтилацетата) по непрореагировавшему изотиоцианатоэтилацетату в соответствии со схемой 8. Схема 8.

ЕЮ'

эсм

О1

о п п О Ру(2)СНО

эсм

У

к н н Д

После отделения указанного побочного продукта на хроматографической колонке удалось получить четыре 3-арил-5-пиридилметилиден-2-тиоимидазолона 17, 26-28, содержащие электроноакцепторные заместители: Схема 9.

„ эсм^0

^ , ^—МНг О 1

[ВМ1М]ВР4 100°С

н н Я

№

к =

Выход, %

17 4-Ш2 29%

26 2,6-С1 5%

27 2,4,6-а 6%

28 2,6-Бг 5%

Хотя соединения 17, 26-28 и были получены с крайне низкими выходами, их синтез представлялся важным как для изучения влияния заместителей на реакционную способность органического лиганда в реакциях комплексообразования с солями Си2+, так и для исследования биологической активности, поскольку нитро- и галогензамещенные бензольные циклы являются важными фармакофорными фрагментами, способными значительно увеличить цитотоксичность координационных соединений меди.

Структура всех полученных соединений была установлена методами 1Н и 13С ЯМР и масс-спектрометрии высокого разрешения. Таким образом на данном этапе работы были

получены 29 ранее не описанных 3-арилзамещенных 5-(^)-2-пиридилметилен)-2-тиоксотетрагидро-4Н-имидазол-4-онов 2 - 30. 3.1.2 Алкилирование 3-арил-2-тиогидантоинов

Ранее было показано, что в координации ионов меди лигандами ряда 5-пиридилметилен-2-тиоимидазолонов могут участвовать пиридиновый и тиогидантоиновый атомы азота, а также атом серы 5-(^)-2-пиридилметилен)-2-тиоксотетрагидро-4Н-имидазол-4-она [181].

Замещенные в 3-положении 2-тиогидантоины 2-30 вводились в реакции алкилирования метилиодидом в водно-спиртовой смеси в присутствии гидроксида калия в качестве основания с получением соединений 31-52 (Схема 10, таблица 7): Схема 10.

Ме1

кон, н2о/еюн

\=/ 2 - 30 \=/ 31 - 52

Таблица 7. Продукты алкилирования соединений 2-30 метилиодидом.

№ К = Выход, % № К = Выход, % № К = Выход, %

31 4-Е 38 39 3-С1 31 47 3-С1,4-Е 42

32 3-Е 42 40 2-С1 49 48 2-Ме,3-С1 60

33 2-Е 31 41 4-ОМе 61 49 2,4,6-Ме 50

34 4-Бг 40 42 4-ОЕ! 46 50 4-БМе 61

35 3-Бг 50 43 3,4-ОМе 76 51 2,5-Е 35

36 2-Бг 29 44 4-!Би 91 52 3,5-Е 39

37 2-Бг-4Е 45 45 2-!Би 40

38 4-С1 47 46 2-ОМе,4-С1,5-Ме 47

При алкилировании двух эквивалентов 3-арил-5-(^)-2-пиридилметилен)-2-тиоксотетрагидро-4Н-имидазол-4-она одним эквивалентом 1,2-дибромэтана в присутствии карбоната калия в ДМФА удалось получить имидазолоны 53-74 с двумя хелатирующими фрагментами, соединенными биметиленовым линкером (Схема 11, таблица 8). Схема 11.

Вг .г* " %

Таблица 8. Продукты алкилирования соединений 2-30 1,2-дибромэтаном.

№ R = Выход, % № R = Выход, % № R = Выход, %

53 4-OMe 68 61 2-F 72 69 2-Me,3-Cl 70

54 4-OEt 72 62 3-Br 65 70 4-SMe 63

55 3,4-OMe 73 63 2-Br 71 71 3-Cl 69

56 4-tBu 89 64 2-Cl 64 72 4-Br 70

57 2,4,6-Me 69 65 2-OMe,4-Cl,5-Me 75 73 4-Cl 73

58 2-tBu 46 66 2-Br-4F 75 74 3-Cl,4-F 73

59 4-F 77 67 2,5-F 44

60 3-F 42 68 3,5-F 62

Основными продуктами описанных реакций в обоих случаях являются соединения 31-74, однако независимо от структуры и заместителей в исходных соединениях продукты всегда оказываются загрязнены гидантоинами (продуктами гидролиза исходных тиопроизводных) и продуктами частичного алкилирования, очистка от которых проводилась методом колоночной хроматографии

Стоит отметить, что некоторые из соединений 2-30 (17, 18, 24, 25, 26, 27, 28) не удалось ввести в реакцию алкилирования MeI и 1,2-дибромэтаном. В случае соединений 18, 24, 25 наблюдалось сильное осмоление реакционной смеси при добавлении алкилирующего агента, в то время как для соединений 17, 26-28 алкилирование не протекает, и исходные вещества могут быть выделены в неизменном состоянии. Таким образом, на данном этапе работы были получены 44 новых 3-арилзамещенных 5-((2)-2-пиридилметилен)-2-алкилтиотетрагидро-4Н-имидазол-4-онов 31 - 74 двух структурных типов.

3.1.3 Получение координационных соединений меди с производными 3-арил-2-тиоимидазол-4-она

Полученные органические лиганды 2-74 содержат в своей структуре хелатирующие фрагменты, по данным предшествующих исследований лаборатории БАОС [132], [181] способные эффективно координировать ионы меди при помощи двух донорных атомов азота и серы (Тип 1), двух атомов азота (Тип 2) или четырех атомов азота (Тип 3) (Рис. 35).

Тип 1 Тип 2 Тип 3

Рисунок 35. Донорные атомы, участвующие в связывании ионов меди, в структуре хелатирующих фрагментов лигандов типов 1-3.

Координационные соединения лигандов 2-74 были получены методом диффузионного смешения растворов органического лиганда и соли меди в подходящих органических растворителях.

3.1.3.1 Получение координационных соединений с лигандами типа 1

При смешении растворов органических лигандов типа 1 (2 - 30) в хлористом метилене с раствором хлорида меди (+2) в н-бутаноле были получены биядерные координационные соединения 2к-30к, содержащие два лигандных фрагмента в депротонированной форме и два эквивалентных иона меди, связанных мостиковым хлорид-анионом (Схема 12, таблица 9). Схема 12.

г3

СиС12*2Н20 СНС13/п-ВиОН

Ч=/ 2-30

и

К 2к - ЗОк

Таблица 9. Координационные соединения 2к-30к, полученные на основе лигандов 2-30.

№ К = Выход, % № К = Выход, % № К = Выход, %

2к 4-Е 32 12к 4-ОМе 29 22к 2,4,6-Ме 59

3к 3-Е 31 13к 4-ОЕ1 35 23к 4-БМе 45

4к 2-Е 33 14к 3,4-ОМе 39 24к 4-1 32

5к 4-Бг 33 15к 44Би 59 25к 2-Ме,4-ЫМе2 35

6к 3-Бг 32 16к 24Би 50 26к 2,6-С1 27

7к 2-Бг 32 17к 4-NO2 35 27к 2,4,6-С1 33

8к 2-Бг-4Е 42 18к 2-Ме,4-ЫЕ12 35 28к 2,6-Бг 51

9к 4-С1 32 19к 2-ОМе,4-С1,5-Ме 30 29к 2,5-Е 24

10к 3-С1 50 20к 3-С1,4-Е 45 30к 3,5-Е 47

11к 2-С1 30 21к 2-Ме,3-С1 61

Строение двух представителей данного класса координационных соединений (4к, 13к) было установлено по данным рентгеноструктурного анализа (Рис. 36). Идентичные длины связей между атомами меди и соответствующими атомами двух лигандных фрагментов 4 и мостиковым хлорид-анионом не позволяют приписать одному из ионов меди степень окисления Си+2, а другому Си+1. На основании этого электронную

конфигурацию меди в координационных соединениях типа 1 можно описать как «Cu+15Cu+15», аналогично предложенному ранее для соединений подобного структурного типа [189], [190].

Общность строения всех координационных соединений на основе лигандов типа 1, позволяющая предположить для них строение аналогичное 4k и 13k была подтверждена при помощи анализа спектров оптического поглощения в УФ-видимой области, спектров XANES, циклических вольтамперограмм со стационарным и вращающимся дисковым электродом и масспектров LDI и HRMS.

Рисунок 36. Молекулярная структура координационных соединений 4к (слева), 13к (справа) на основе органических лигандов 4 и 13 соответственно по данным РСА.

Таким образом, в рамках данной работы было получено 29 биядерных координационных соединений меди Си+15Си+15 с лигандами 2-тиогидантоинового ряда. 3.1.3.2 Получение координационных соединений с лигандами типа 2

Для получения координационных соединений с лигандами типа 2 нами была использована та же методика диффузионного смешения растворов лиганда и хлорида меди (+2) в СН2С12 и н-бутаноле соответственно. Первоначально проведенные реакции с модельными лигандами 31-33 неожиданно показали, что основными продуктами в каждом случае являются три различных типа соединений стехиометрического состава Ь:Си 1:1, отличающиеся валентным состоянием меди и ее координационным окружением (Схема 13). Для лиганда 31 основным продуктом оказалось координационное соединение 3^^, для лиганда 32 - соль 32^^ а для лиганда 33 - координационное соединение 33^^ После тщательного анализа реакционных смесей было обнаружено, что в каждом случае образуются все три типа соединений меди в различных соотношениях. При этом соединения типов a-c различаются по окраске (темно-оливковая для a, ярко-красная для Ь

и светло-лимонная для с) и не сокристаллизуются друг с другом, что позволяет разделить продукты реакции методом Пастера. Схема 13.

31 (4-Р) 31 к-а (4-Р) 31 к-Ь (4-Р) 31 к-с (4-Р)

32 (З-Р) 32к-а (З-Р) 32к-Ь (З-Р) 32к-с (З-Р)

33 (2-Р) 33к-а (2-Р) ЗЗк-Ь (2-Р) ЗЗк-с (2-Р)

Структура всех полученных типов соединений была установлена методом РСА. Соединение 31к-а имеет состав ЬСиСЬ и тетраэдрическое окружение иона Си(+2). Соединение 33к-Ь отвечает составу ЬСиС1 и содержит ион Си(+1) в тригональном окружении, а соединение 32к-с представляет собой протонированный лиганд 33, с линейным противоином [СиСЬ]". Валентное состояние меди в соединениях было повреждено методами циклической вольтамперометрии и ЭПР-спектроскопии (см. раздел 3.1.4.4).

-р

Рисунок 37. Молекулярная структура координационных соединений 31к-а (слева), 33к-Ь (в центре) и 32к-с (справа) на основе органических лигандов 31-33 соответственно по данныгм РСА.

Замена н-бутанола при получении комплексов 31к-33к на другие органические растворители позволила изменять соотношения продуктов типов а:Ь:с в реакционных смесях от 1:0:1 для изо-пропанола до 1:20:0 для трет-бутанола (См. Таблицу 10).

Таблица 10. Суммарный выход и соотношение медьсодержащих продуктов реакции комплексообразования лиганда 33 с СиСЬ2ШО в зависимости от использованной системы растворителей.

Система растворителей Соотношение 2a:2b:2c Суммарный выход Структура продукта

CHCl3:MeOH 3:0:1 20% Аморфный

CHCb:EtOH 3:0:1 23% Аморфный

CHCb:i-PrOH 1:0:1 30% Порошок

CHCl3:n-BuOH 2:1:2 34% Мелкокристаллический

CHCl3:i-BuOH 3:1:2 30% Мелкокристаллический

CHCl3:t-BuOH 1:0:10 32% Порошок

CHCI3 :Циклогексанол 1:20:0 40% Крупнокристаллический

CHCI3: Ацетон 1:0:0 60% Крупнокристаллический

Стоит отметить, что координационное соединение 32k-c и его аналоги, полученные из других лигандов 31-52, стабильно в твердом состоянии, но быстро разлагается на исходный лиганд и растворимую соль меди неустановленного состава при промывании водой, а потому координационные соединения типа 2-с были исключены из биологических испытаний.

Чтобы установить, является ли восстановителем Cu(+2) до Cu(+1) растворитель или органический лиганд, мы провели масс-спектрометрическое исследование маточных растворов после отделения кристаллических продуктов реакции методом LC-MS. В смесях были обнаружены только исходные лиганды 31-33 с незначительными примесями соответствующих гидантоинов (m/z = 284), во-видимому образующихся при гидролизе лигандов под действием кристаллизационной воды из СиСЬ^ШО. Механизм образования таких гидантоинов в ходе гидролиза в процессе комплексообразования был описан ранее [191]. Продуктов окисления лиганда обнаружено не было, что позволяет предположить, что восстарновление меди происходит под действием растворителя (спирта). Этот вывод согласуется с тем фактом, что при выборе в качестве растворителя для хлорида меди (+2) невосстанавливающего ацетона в качестве продукта комплексообразования образуются исключительно координационные соединения типа 2-а состава LCuCh (Схема 14, таблица 11 ). При выборе невосстанавливающего растворителя (ацетона) удается получить координацилнные соединения типа 2-a даже из лиганда 33, для которого в спиртосодержащих преимущественно образуются координационные соединения меди (+1) типа 2-b.

Схема 14.

Таблица 11. Координационные соединения - 52k-a, полученные на основе лигандов

31-52 в смеси ацетон/хлороформ.

№ R = Выход, % № R = Выход, % № R = Выход, %

31k 4-F 60 39k 3-Cl 50 47k 3-Cl,4-F 46

32k 3-F 61 40k 2-Cl 60 48k 2-Me,3-Cl 47

33k 2-F 63 41k 4-OMe 59 49k 2,4,6-Me 52

34k 4-Br 63 42k 4-OEt 65 50k 4-SMe 43

35k 3-Br 62 43k 3,4-OMe 52 51k 2,5-F 63

36k 2-Br 62 44k 4-tBu 59 52k 3,5-F 47

37k 2-Br-4F 65 45k 2-tBu 59

38k 4-Cl 62 46k 2-OMe,4-Cl,5-Me 57

Строение координационных соединений 33k-a, 42k-a и 47k-a было подтверждено методом рентгеноструктурного анализа (Рис. 38). Общность строения всех координационных соединений на основе лигандов типа 2, позволяющая предположить для них строение аналогичное 33k-a, 42k-a и 47k-a была подтверждена при помощи анализа спектров оптического поглощения в УФ-видимой области, спектров XANES, циклических вольтамперограмм со стационарным и вращающимся дисковым электродом и масспектров LDI и HRMS.

Рисунок 38. Молекулярная структура координационных соединений 33к-а (слева), 42к-а (в центре) и 47к-а (справа) на основе органических лигандов 33, 42, 47 соответственно по данным РСА.

В то же время попытки получить в качестве основных продуктов реакций комплексообразования лигандов 31 - 52 комплексы типа 2b, выбрав в качестве второго растворителя циклогексанол (оптимален по результатам таблицы 10) приводят к желаемому продукту только в случае лигандов 31-33, причем выход снижается в этом ряду.

Для установления причины этого были проведены дополнительные электрохимические исследования реакционных смесей при in situ получении координационных соединений лигандов 31-44 смешиванием лиганда и дигидрата хлорида меди (+2) в электрохимической ячейке в ДМФА (более сильный восстановитель, чем вторичные спирты). В результате были получены смеси координационных соединений типов 2a и 2b в различных соотношениях (Таблица 12).

Таблица 12. Степень окисления меди в продуктах реакции лигандов 31-44 с дигидратом хлорида меди (+2) в ДМФА по данным ЦВА/ВДЭ.

Лиганд Заместитель R Степень окисления Cu в продуктах реакции

31 4-F +2

32 3-F +1/+2 (3:1)

33 2-F +1

34 4-Br +1/+2 (1:1)

35 3-Br +1/+2 (1:1)

36 2-Br +1/+2 (1:1)

38 4-Cl +1/+2 (2:1)

39 3-Cl +1/+2 (2:1)

40 2-Cl +2

41 4-OMe +2

42 4-OEt +1/+2 (1:1)

43 3,4-OMe +1/+2 (3:1)

44 4-tBu +1/+2 (2:1)

В случае аналогичных реакций лигандов 31-44 в электрохимической ячейке в невосстанавливающем растворителе ДМСО ожидаемо были получены только координационные соединения типа 2-а, содержащие ионы меди в степени окисления Си+2.

Таким образом, можно сделать вывод, что на степень окисления меди в продуктах реакции комплексообразования с 3-арилзамещенных 5-((2)-2-пиридилметилен)-2-алкилтиотетрагидро-4Н-имидазол-4-онами влияет не только восстанавливающая способность растворителя, но и электронные эффекты заместителей в лиганде. Корреляции состава образующихся медьсодержащих соединений с величиной мезомерного эффекта заместителей в бензольном фрагменте лигандов обнаружено не было, и этот факт согласуется с данными РСА (Рис. 37, 38), согласно которым плоскость

арильного заместителя при атоме N(3) для всех трех типов соединений 2-а - 2-е практически перпендикулярна плоскости 2-алкилтиоимидазольного цикла, что делает перекрывание их п-орбиталей невозможным. В то же время индуктивный эффект заместителей оказывает закономерное влияние: сильные индуктивные акцепторы эффективнее стабилизируют ионы Си+1 в комплексе, чем индуктивные доноры; индуктивный эффект быстро затухает по цепи связей и потому наибольшее стабилизирующее действие оказывают орто-заместители.

Таким образом, было показано, что в ходе реакции 3-арилзамещенных 5-((2)-2-пиридилметилен)-2-алкилтиотетрагидро-4Н-имидазол-4-онов с дигидратом хлорида меди (+2) может протекать ряд процессов, включающих окислительно-восстановительные реакции и реакции комплексообразования, приводящие к продуктам трех структурных типов.

3.1.4.4 Изучение механизма комплексообразования лигандов типа 2 с солями меди

Для установления точного механизма и последовательности описанных в предыдущем разделе превращений были проведены их дополнительные исследования методами ЭПР и электронной спектроскопии.

Рисунок 39. Спектры оптического поглощения растворов СиСЬ2Н20 (желтый) и медьсодержащих производных лиганда 33 (тип 2-а: оранжевый, 2-Ь: синий, 2-е: серый). ДМФА, 610-3 М.

Значительное различие спектров поглощения в УФ и видимой области спектра для соединений 33к-а - 33к-е (Рис. 39) позволяет изучать кинетику процесса комплексообразования при помощи анализа изменения поглощения при 913 нм (поглощение соединений Си+2 типа 2-а) и 533 нм (поглощение комплекса Си+1 типа 2-Ь). Спектры поглощения записывались после смешивания лиганда 33 с СиСЬ^ШО в соотношении 1:1 в ДМФА с концентрацией 6-10-3 М в интервале 10 с - 30 минут, а затем через пять суток после начала реакции. По результатам, представленным на рисунке 40,

0,000

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

\Л/аие1ег^№, пт

видно, что поглощение при 913 нм начинает снижаться сразу же после смешивания, через 4 мин падение интенсивности замедляется и далее остается приблизительно постоянным в течение 30 минут. Начальный участок кинетической кривой, записанной по изменению величины оптического поглощения при 913 нм, может быть линеаризован в координатах Ьв(Л - Лс)/1.

1Л/ауе1ег^1И, пт "Пте, 5

Рисунок 40. Спектры оптического поглощения СиСЬ2И20 и лиганда 33 в растворе ДМФА (С = 6'10"3 М) через разные промежутки времени после смешения (слева) и кинетическая кривая расходования Си+2, построенная по поглощению при длине волны 913 нм (справа).

Стоит также отметить, что при сильном снижении интенсивности поглощения Си+2 при 913 нм на спектрах первых минут не наблюдается роста поглощения при 533 нм, отвечающего координационному соединению Си+1, однако через ~ 5 суток полоса при 533 нм становится доминирующей в спектре. Это свидетельствует о том, что образование продукта 33к-Ь не происходит в первый момент реакции, протекает медленно и координационное соединение типа 2-Ь не является продуктом прямого восстановления комплекса 2-а.

Для регистрации аналогичной кинетической кривой методом ЭПР были приготовлены растворы СиСЬ^ШО в ДМФА с концентрацией и

эквимолярный раствор лиганда 33 в ДМФА. Через 10 минут после приготовления растворы смешивались. Спектры ЭПР, интегральная интенсивность сигналов в которых пропорциональна содержанию Си+2 в образце, записывались в интервале 10 секунд - 30 минут и через 5 суток после начала реакции. Полученные спектры ЭПР и кинетическая кривая, построенная по снижению интегральной интенсивности сигнала Си+2 в растворе, представлены на рисунке 41.

2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 "ПГПе, ГШП

Рисунок 41. Спектры ЭПР смесей СиСЪ2Н20 + 33 через 0.5-7200 минут после смешения (слева) и изменение интенсивности сигнала Си+2 (справа). Пунктирная линия показывает степенную аппроксимацию графика.

Следует отметить, что детектируемое количество Си+2 в исходном растворе до добавления лиганда 33 составляет порядка 60% от теоретически вычисленного по массе навески: 4.66-1017 парамагнитных центров или 7.74 • 10-3 М по данным ЭПР против 7.77'1017 парамагнитных центров или 1.29'10-2 М по навеске. На основании литературных данных этот факт может быть объяснен равновесием между моноядерными комплексами Си-ДМФА (видимыми в ЭПР) и не детектируемыми в ЭПР полиядерными кластерами [192].

Спектры ЭПР, зарегистрированные после смешивания растворов хлорида меди (+2) и органического лиганда 33, имели характерный для координационных соединений с октаэдрическим окружением ионов меди вид (Рис. 42). Их форма не менялась во времени. После добавления лиганда 33 количество ^(+2) в растворе начало увеличиваться и примерно через 1 мин достигло значения, соответствующего расчетному для исходного СиСЬ^БЮ, после чего начало уменьшаться. Примерно через 4 минуты оно достигло ~60% от максимального значения, а затем практически не изменялось в течение следующих 30 минут. В спектре, зарегистрированном через 5 суток, количество ^(+2) снизилось до ~ 20% от исходного уровня.

Таким образом, анализируя совместно данные электронной и ЭПР спектроскопии, можно констатировать, что, несмотря на то, что примерно половина исходного количества Си(+2) восстанавливается до ^(+1) в течение первых 4 мин реакции, полученное ^(+1)-содержащее координационное соединение не является комплексом типа 2-Ь, а представляет собой продукт, не детектируемый ни ЭПР, ни электронной спектроскопией.

Рисунок 42. Типичный вид спектра ЭПР реакционной смеси 33 + СиС122И20 (6 мин после смешения) (снизу). Стрелками указано положение компонент сверхтонкой структуры диамагнитно разбавленного раствора ионов Мп2+ в MgO (внутренний стандарт величины индукции магнитного поля) .

Для объяснения этих данных была предложена следующая схема образования соединений 2-а - 2-е (схема 15). При растворении в ДМФА СиСЬ^ШО в первую очередь координируется растворителем, давая октаэдрическое координационное соединение меди А [193] и невидимый в ЭПР полиядерный медьсодержащий кластер В [192]. По литературным данным, процесс образования кластеров обратим, что согласуется с полученными экспериментальными данными: кластеры находятся в быстром равновесии с мономерным соединением Си. При добавлении бидентатного лиганда 33, который гораздо более эффективно связывает ионы Си(+2), чем ДМФА, соединение 33 быстро и необратимо вытесняет ДМФА из координационной сферы Си, что приводит к образованию комплекса типа 2-а и сдвигает равновесие первой реакции (к1 на схеме 15). Комплекс типа 2-а далее восстанавливается ДМФА до соли Си(+2) 2-е ^3 на схеме 15), аналогично хорошо известному восстановлению Си(ОН)2 альдегидами. На заключительной стадии реакции соль 2-е медленно превращается в комплекс Си(+1) типа 2-Ь, тем самым сдвигая равновесие 2-а ^ 2-е. Окисление ДМФА на стадии 3, вероятно, происходит в координационной сфере В этом случае происходит эффективный перенос электрона от ДМФА к Си и атома кислорода от координированной молекулы воды к ДМФА.

Схема 15.

CuCI2-2H20

DMF

Cu+2CI2(H20)n(DMF)4.n A (octahedral)

(CuCI2)|'(H20)m(DM F)k В

+ 31-52

- nH20, -(4-n)DMFb-N

k2 v 4N

t~ 1 min

t~4 min

SMe

,Cu—Cl

k4

-HCl

t- 5 days

2-a

кз

+ DMF, + H20 - Me2N-COOH

SMe

Cl-Cu-Cl°

=/ 2-е

2-b

Дополнительными аргументами в пользу предложенной схемы реакции являются следующие факты. (1) Измеренные константы устойчивости ранее полученных комплексов типа 2-a [194] составляют ~1015-1016 М-1; таким образом, образование комплекса типа 2-a из лигандов 31-52 и хлорида меди должно быть практически необратимым. (2) Имеются примеры использования солей Cu(+2) в реакциях, включающих окисление ими ДМФА на первой стадии реакции [195]-[198]. (3) Комплекс типа 2-b можно превратить в соль типа 2-е, обработав его раствор в ДМФА эквимолярным количеством водной HCl (Рис. 43). (4) Возможность образования комплекса 2-b из соли 2-е наблюдалась нами экспериментально: в реакционной смеси с выпавшей солью 2-е со временем происходит постепенное растворение осадка, и вместо него образуются красные кристаллы комплекса 2-b; однако обратной реакции не происходит. Также стоит отметить, что характерное время образования комплексов 2-b в ДМФА (~ 5 суток) соответствовало времени аналогичной реакции в н-бутаноле и циклогексаноле с кристаллизацией соединений 2-b, которая завершалась через четыре-пять дней реакции.

Рисунок 43. Изменения спетра поглощения в УФ-видимой области спектра растворов координационного соединения 33k-b в ДМФА до и после обработки эквимолярным количеством водной HCl, &10-5М (слева), &10-3М (справа).

На основании Схемы 15 также можно объяснить влияние заместителя в арильном фрагменте лигандов 31-52 на степень окисления меди в продуктах его взаимодействия с CuCh•2H2O. Для оценки такого влияния смеси деаэрированных растворов лигандов 31-52 и СиСЬ-2ШО в ДМФА были исследованы электрохимически с использованием метода ВДЭ через 30 мин и 3 ч после смешивания. Соотношение Си(+1)- и Си(+2)-содержащих продуктов оценивалось по относительной величине катодного и анодного токов на пике перехода Си(+2) ^ ^(+1) (рис. 44). Полученные данные подтверждают, что начальный процесс быстрого восстановления Си(+2) завершался в течение первых 30 минут реакции.

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000

Е, тУ

Рисунок 44. Кривые ЦВА (черный) и ВДЭ (синий -0,5 ч; красный -3ч после смешения) реакционной смеси лиганда 42 + СиСЬ^ИЮ. 5*10-4М, ДМФА, СУ-электрод, 0.1МВи4>ЫС104.

Таким образом, в данной части работы было установлено, что самопроизвольное восстановление меди (+2) может происходить во время реакций комплексообразования 3-арил-2-(метилтио)-5-(пиридин-2-илметилен) -3,5-дигидро-4H-имидазол-4-онов (31-52) с дигидратом хлорида меди (+2), но только в присутствии восстанавливающих растворителей. При этом могут быть получены смеси соединений Си^02 (комплексы типа 2-а), (комплексы типа 2-Ь) и (соли 2-е). Соотношение

продуктов, содержащих Си(+2) и Си(+1), определяется природой заместителя в арильном фрагменте имидазолонового лиганда. В невосстанавливающих растворителях CuCl2•2H2O взаимодействует с лигандами 31 - 52, давая только комплексы Си(+2) с составом Си^02 с препаративными выходами и высокой степенью чистоты. 3.1.3.3 Получение координационных соединений с лигандами типа 3

Учитывая образование ^(+1) и ^(+2) в реакциях CuCl2•2H2O c лигандами типа 2 (соединения 31-52), для лигандов типа 3 (соединения 53-74) можно было ожидать аналогичного поведения в реакциях комплексообразования, но при этом образования более сложных биядерных медьсодержащих комплексов, в том числе содержащих ионы меди в различных степенях окисления.

На первом этапе исследования реакции комплексообразования лигандов типа 3 (53 - 74) с дигидратом хлорида меди (+2) были проведены в стандартных условиях при диффузионном смешении хлороформа и н-бутанола. Действительно, было обнаружено образование смесей продуктов с различным окислительным состоянием меди ^(+^^(+1), ^(+2)^^) и Cu(+2)Cu(+2) в различных соотношениях. Кристаллизации солей лигандов типа 3, протонированных по пиридиновому атому азота и содержащих анион состава ^иОД]-, в заметном количестве не наблюдалась ни для одного из исследованных лигандов (Схема 16). Схема 16.

з-ь

Для выделения координационных соединений типов 3-а, 3-Ь, 3-е в индивидуальном виде и с препаративными выходами реакции комплексообразования были повторены в других смесях растворителей (аналогично разделу 3.1.4.4). Для получения координационных соединений типа 3-а оптимальным растворителем оказался невосстанавливающий ацетон, координационные соединения типа 3-Ь кристаллизовались с хорошими выходами при использовании н-бутанола, а для координационных соединений типа 3-е хороших выходов и высокой чистоты удалось достигнуть при применении циклогексанола.

Таблица 13. Координационные соединения 53к-74к, полученные на основе лигандов 5374 в смесях CHClз/ацетон (3-а), CHClз/н-бутанол (3-Ь) и CHClз/ц-гексанол (3-е).

№ К = Выход, % № К = Выход, % № К = Выход, %

Тип 3-а Тип 3-Ь Тип 3-с

53к 4-OMe 30 59к 4-Е 30 71к 3-а 36

54к 4-ОЕ1 37 60к 3-Е 32 72к 4-Бг 35

55к 3,4-ОМе 30 61к 2-Е 33 73к 4-а 33

56к 4-1Би 33 62к 3-Бг 30

57к 2,4,6-Ме 49 63к 2-Бг 33

58к 2-1Би 35 64к 2-С1 32

65к 2-ОМе,4-С1,5-Ме 31

61к* 2-F 37 66к 2-Бr-4F 32

73к* 4-С1 34 67к 2,5-Р 24

68к 3,5-Р 41

69к 2-Ме,3-С1 55

70к 4-БМе 50

74к

3-Cl,4-F

15

* Полученные из смеси ацетон-хлороформ координационные соединения 61к и 73к относятся к классу 3-а.

Строение двух из трех классов координационных соединений было установлено при помощи рентгеноструктурного анализа: соединения 54к и 55к (тип 3-а), и 73к (тип 3-е). Полученные соединения также отличаются окраской кристаллов (черная с металлическим блеском для 3-а, серо-зеленая для 3-Ь и ярко-красная для 3-е).

Рисунок 45. Молекулярная структура координационных соединений 54к (слева вверху), 55к (справа вверху), 73к (справа внизу) на основе органических лигандов 54, 55, 73 соответственно по данным РСА.

Стоит отметить, что в случае органических лигандов 68, 74 (содержащих 3,5-дифтор- и 3-хлор,4-фторфенильный заместители при атомах N(3)) универсальная методика диффузионного смешения оказалась неприменима из-за крайне малой растворимости органических лигандов в хлороформе. Попытки заменить хлороформ на

другой растворитель также не привели к желаемому результату. Единственным эффективным способом добиться растворения лигандов 68, 74 в достаточных для реакции комплексообразования концентрациях оказалось кипячение в сравнительно высококипящем н-бутаноле.

Для получения двух описанных координационных соединений была разработана модифицированная методика, заключающаяся в добавлении к кипящей суспензии органического лиганда в н-бутаноле нагретого до кипения раствора дигидрата хлорида меди в равном объеме н-бутанола. После образования прозрачного темно-коричневого раствора нагревание прекращали и продукт высаживали медленной диффузией Б120.

Для подтверждения схожести механизма и последовательности стадий комплексообразования и восстановления меди для лигандов типов 2 и 3 был проведен дополнительный эксперимент. В качестве модельных лиганда типа 3 были выбраны 61 и 73 так как они дают максимальный выход комплексов 61к типа 3-Ь и 73к типа 3-с, с валентным состоянием меди Си(+2)Си(+1) и Си(+1)Си(+1) соответственно, при проведении реакций с использованием н-бутанола и циклогексанола. При реакции лигандов 61 и 73 с СиСЬ^ШО в смеси хлороформа и ацетона единственным кристаллическим продуктом реакции являются координационные соединения черного цвета. Электрохимическое исследование продукта 73к-а показало, что степень окисления меди в полученном соединении совпадает с характерной для класса 3-а Си(+2)Си(+2). Однако при проведении электрохимического измерения в растворе ДМФА ионы меди быстро восстанавливаются и переходят сначала в состояние Си(+2)Си(+1), а затем медленно в Си(+1)Си(+1). Аналогичные результаты были получены для продукта реакции лиганда 61 с СиСЬ^ШО в смеси хлороформа и ацетона, с той лишь разницей, что при электрохимическом исследовании его раствора в ДМФА восстановление остановилось на состоянии Си(+2)Си(+1). Структура координационного соединения 61к-а была дополнительно подтверждена рентгеноструктурным анализом (Рис. 46).

Рисунок 46. Молекулярная сруктура координационного соединения 61к-а, полученного реакцией лиганда 61 с СиСЪ2И20 в смеси хлороформа и ацетона, по данным РСА.

В качестве контроля был также исследован лиганд 55, так как при его реакции с хлоридом меди (+2) и в н-бутаноле, и в ацетоне с высокими выходами образуется координационное соединение Си(+2)Си(+2). Однако при попытке провести реакцию комплексообразования в смеси хлороформ/циклогексанол кристаллических продуктов с заметными выходами выделить не удалось.

Эти результаты показывают, что основным фактором, определяющим строение наиболее стабильного координационного соединения для данного лиганда, является электронодонорность/акцепторность заместителей в бензольном кольце при атоме N(3), в данном случае как по п- так и по о-типу. Чем акцепторнее заместители в лиганде, тем более глубоко протекает процесс восстановления меди (+2), приводя в случае сильных акцепторов к координационным соединениям типа 3-е. В то же время влияние растворителя на протекание реакции складывается из двух факторов: во-первых, растворитель может играть роль восстановителя, и выбор спирта или ацетона определяет возможность протекания в системе окислительно-восстановительных реакций, а во-вторых, в различных спиртах и ацетоне неодинакова растворимость образующихся координационных соединений. В частности координационные соединения Си(+2)Си(+2) малорастворимы в ацетоне и выкристаллизовываются из него, а циклогексанол способствует избирательному осаждению координационных соединений Си(+1)Си(+1). Бутанол занимает промежуточное положение, и может быть выбран в качестве универсального растворителя. Данные выводы могут быть представлены следующей схемой равновесий (Схема 17):

Схема 17.

Осадок Осадок Осадок

Таким образом, в данном разделе работы были получены 22 биядерных координационных соединения меди на основе органических лигандов типа 3, относящиеся к трем структурным типам 3-а - 3-е с различным валентным состоянием ионов меди.

3.1.4 Изучение валентного состояния меди и редокс-активности в координационных соединениях типов 1 - 3

Согласно гипотезе, сформулированной на основании проведенного в работе обзора литературы, важнейшим фактором, определяющим биологическую активность координационных соединений меди и основные механизмы их цитотоксического действия, являются степень окисления ионов меди и геометрия их координационного окружения. Подробному изучению валентного состояния меди в координационных соединениях типов 1, 2-а, 2-Ь и 3-а - 3-е посвящен данный раздел работы. 3.1.4.1 Электрохимическое исследование координационных соединений типов 1 - 32

Органические лиганды трех структурных типов 2-74 и полученные на их основе координационные соединения шести структурных типов 2к-74к были исследованы методами циклической вольтамперометрии со стационарным и вращающимся дисковым электродом в растворах ДМФА на стеклоуглеродном (СУ) электроде в присутствии 0.1 М Bu4NCl04 в качестве индифферентного электролита.

Потенциалы электрохимического окисления и восстановления, измеренные относительно Ag|AgCl|KCl(нас.), представлены в Таблицах 14-16. Вольтамперные кривые приведены на Рис. 47-53.

Лиганды типа 1, окисляются в 1-2, а восстанавливаются - в 3 или 4 необратимые стадии. ЦВА биядерных комплексов типа 1 (Си+15Си+15) в анодном регионе имеют дополнительные квазиобратимые пики окисления при Б = 0.45 - 0.84 В, соответствующие редокс-переходу Си+15Си+15 ^ СипСип Далее происходит окисление координированного хлорид-аниона (Б ~ 1.13 - 1.25 В).

В области восстановления для координационных соединений типа 1 наблюдаются три одноэлектронных квазиобратимых пика при ~ +0.1 - +0.2 В, —1.1 - -1.2 и -1.3 - -1.4 В, и четвертый пик при ~ -1.7 - -1.8 В В, соответствующий необратимому двухэлектронному процессу (Рис. 47). Первый пик восстановления, согласно предыдущим исследованиям комплексов данного структурного типа [97], соответствует редокс-переходу Си+15Си+15 ^ Си!Си!, тогда как 2 последующих пика являются лиганд-центрированными и отвечают последовательному восстановлению двух пиридилметилентиогидантоиновых фрагментов.

2 Данная часть работы выполнена совместно с к.х.н., н.с. Моисеевой А. А, кафедра органической химии химического факультета МГУ.

0.02 -

0.01

<

Е 0-

-0.01

-0.02

< Е

-0.005 -

-1-1-1-1-Г

3000 -2000 -1000 0 Е, тУ

-1-1-1 -0.01

1000 2000 .

0.015 0.01 0.005 0

-0.005 -0.01 -0.015

-1-1-1-1-Г

3000 -2000 -1000 0 Е, тУ

-1-1-1

1000 2000

Рисунок 47. ЦВА-кривые Си+15Си+15-координационного соединения 15к (слева) и Си+15Си+15-координационного соединения 4к (справа). Основной рисунок - скорость развертки потенциала 100 мВ с-1, врезка - скорость развертки потенциала 2000 мВ с'1).

Отметим, что процесс восстановления Си+15Си+15 ^ Си+1Си+1 квазиобратим, и комплекс, образующийся при обратном окислении Си+1Си+1 ^ Си+15Си+15, уже не соответствует исходному соединению. Это подтверждается тем, что окисление регенерированного комплекса «Си+15Си+15» до Си+2Си+2 происходит при потенциале, отличающемся от потенциала окисления исходного соединения (Рис. 48). Вероятно, восстановление происходит с потерей координированного хлорид-аниона, и в дальнейшем последний уже не координируется с реокисленными ионами меди, заменяясь присутствующим в растворе в большей концентрации перхлорат-анионом фонового электролита: Схема 18.

-1 е

[Ь-Н|2Си+1-5Си+1-5С1

- С1-

[Ь-И]2Си+1Си+1

+1 е

+ С104-

[Ь-Б]2Си+1-5Си+1-5

© о

С104

< Е

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 Е, тУ

Рисунок 48. ЦВА-кривые Си+15Си+15-координационного соединения 6к (3-Вг). Также следует отметить, что при медленном сканировании потенциала (100 мВ с -1) пик восстановления Си+15Си+15 ^ Си+1Си+1 на ЦВА «двоится», что также можно

112

0.015 -

0.01 -

0.005

0

0.012 -

0 -

объяснить наличием в растворе двух восстановленных форм: исходной и комплекса с измененной координационной сферой ионов меди. В то же время при большой скорости развертки потенциала (2000 мВ с-1) на ЦВА в области первого потенциала восстановления присутствует только один пик, поскольку при быстром сканировании перекоординация произойти не успевает (Рис. 47).

Таблица 14. Электрохимические потенциалы лигандов типа 1 и их координационных соединений типа 1 в ДМФА (10-5М) в присутствии 0.1 М ВщКС104; Стеклоуглеродный электрод (электрод. сравнения Л§/Л§С1/КС1(нас)); скорость развертки 200 мВс-1. Курсив -пики лиганды, жирный - медьцентрированные пики.

Соединение Epc, В Red B(Ei/2) Epa, В Ox B(E1/2)

2 -0.98; -1.52; -1.74 -0.94; -1.56; -1.73 1.55 1.25; 1.55

2k 0.14/0.34; -1.25; -1.37; -1.92 0.02; -1.18; -1.33; - 0.65; 0.98; 1.29 0.49 1.18; 1.40

1.82

3 -1.03; -1.55; -1.77 -0.99; -1.60; -1.76 1.48 1.45

3k 0.06/0.14; -1.13; -1.26; -1.79 0.11; -1.09; -1.22; - 0.84; 1.18; 1.44 0.53; 0.86; 1.10; 1.26

1.77

4 -1.01; -1.60; -1.81 -1.00; -1.66; -1.81 1.50 1.44

4k 0.10/0.16; -1.10; -1.26; -1.83 0.13; -1.06; -1.22; - 0.55; 0.94; 1.26; 0.55; 1.00; 1.18;1.29

1.82 1.49

5 -1.02; -1.52; -1.77 -0.99; -1.61; -1.76 1.16; 1.43 1.15; 1.44

5k 0.07/0.16; -1.04; -1.23; -1.79 -0.13; -1.05; -1.22; - 0.59/0.44; 0.84; 0.52; 0.86; 1.10;1.28

1.45; -1.76 1.16;1.44

6 -1.04; -1.57; -1.81 -1.02; -1.65; -1.82 1.25; 1.48 1.08; 1.30; 1.53

6k 0.08/0.15; -1.07; -1.24; -1.80 0.12; -1.05; -1.25; - 0.56; 0.86; 1.17; 0.51; 0.88; 1.09; 1.29

1.79 1.45

7 -1.06; -1.66; -1.88 -1.05; -1.73; -1.89 1.15; 1.49 1.48

7k 0.07/0.15; -1.16; -1.33; -1.87 0.07; -1.16; -1.34; - 0.52/0.44; 0.83; 0.44; 0.84; 1.07; 1.24

1.91 1.17;1.30

9 -1.03; -1.60; -1.77 -1.01; -1.65; -1.80 1.15 1.15; 1.59

9k 0.09/0.15; -1.03; -1.11; -1.79 0.14; -1.05; -1.20; - 0.45; 0.84; 1.05; 0.36; 0.59; 0.86; 1.12;

1.77 1.19; 1.46 1.29; 1.53

11 -1.07; -1.67; -1.86 -1.04; -1.72; -1.87 1.11; 1.48 1.28; 1.50

11k 0.00/0.08; -1.12; -1.38; -1.96 0.12; -1.08; -1.28; - 0.53/0.42; 0.88; 0.39; 0.54; 0.94; 1.16; 1.32

1.51; -1.85 1.22; 1.45

12 -1.09; -1.65; -1.83 -1.06; -1.71; -1.83 1.44 1.16; 1.43

12k 0.18/0.21; -1.21/-1.12; -1.79; 0.18; -0.21; -1.27; - 0.54/0.42; 1.14; 0.52; 1.09; 1.34

-2.20 1.80 1.25; 1.42

13 -1.09; -1.64; -1.85 -1.05; -1.70; -1.86 1.23; 1.49 1.17; 1.54

13k 0.08/0.17; -1.11; -1.25; -1.79 0.21; -0.98; -1.14; - 0.56; 1.05; 1.17; 0.50; 0.94; 1.19; 1.39

1.69 1.48

14 -1.12; -1.75; -1.90 -1.10; -1.83; -1.98 0.97; 1.25; 1.64 1.01; 1.26; 1.58

15k 0.07/0.14; -1.15; -1.30; -1.87 0.11; -1.10; -1.28; - 0.55; 0.92; 1.26; 0.51; 0.94; 1.23

1.54; -1.87 1.50

15 -1.07; -1.63; -1.83 -1.03; -1.69; -1.84 1.21; 1.47 1.18; 1.50

15k 0.07/0.20; -1.13; -1.27; -1.82 0.12; -1.12; -1.25; - 0.55/0.45; 0.90; 0.53; 0.91; 1.10; 1.25

1.86 1.14; 1.49

24 -1.02; -1.56; -1.73; -1.82 -1.01;-1.77 1.19; 1.47 1.16; 1.49

24k 0.11/0.19; -1.06; -1.21; -1.77 0.15; -1.14; -1.38; - 0.058; 0.84; 1.13; 0.54; 0.84; 1.15

1.73 1.23; 1.43

Рисунок 49. Вольтамперограммы с вращающимся дисковым электродом (ВДЭ) растворов координационных соединений 12k, 13k, 14k типа 1 в ДМФА (10-5 М).

Все координационные соединения типа 2-а имеют квазиобратимые пики в катодной области, отвечающие переходу Си(+2) ^ Си(+1) с потенциалом полуволны ~ 0.32 - 0.42 В (Рис. 50). В области окисления на вольтамперограммах координационных соединений находятся пики при 1.12 - 1.26 В, соответствующие окислению хлорид-анионов. Типичные вольтамперограммы для координационного соединения типа 2-а представлены на рисунке 50. Вольтамперограмма с ВДЭ доказывает, что в растворе координационных соединений типа 2-а протекает только восстановление Си(+2) ^ Си(+1), то есть в исходный комплекс не содержит Си+2.

0.3-1

е.1г-|

Рисунок 50. ЦВА (слева) и ВДЭ (справа) раствора координационного соединения 31к-и структурного типа 2-а в ДМФА (10-5M).

Таблица 15. Электрохимические потенциалы лигандов типа 2 и их координационных соединений типа 2а в ДМФА (10-5М) в присутствии 0.1 M Bu4NClO4; Стеклоуглеродный электрод (электрод сравнения А§/А§С1/КС1(нас.)); скорость развертки 200 мВс-1. Курсив -пики лиганда, Жирный - медьцентрированные пики.

Сошрои^ Epc, В В, ^/2 Epa, В Ох, В ^/2

31 -1.27; -1.41 м; -1.80 -1.24; -1.82 1.65 1.62

31к 0.40/0.55; -1.24; -1.54; -1.77 0.48; -1.28; -1.57 1.22; 1.66 1.20;1.73

32 -1.26; -1.39; -1.78 -1.24; -1.80 1.65 1.62

32к 0.38/0.58; -1.22; -1.51; -1.73 0.46; -0.50; -1.24; -2.00 1.24; 1.67 1.24 1.77

33 -1.27; -1.73 -1.24; -1.80 1.65 1.69

33к 0.39/0.57; -1.51 м; -1.79 0.54; -0.81; -1.25 1.09 м;

34 -1.24; -1.37м; -1.71 -1.22; -1.74 1.62 1.59

34к 0.32/0.56; -1.22; -1.50; -1.71 0.44; -0.48; -1.20 1.20; 1.64 1.18; 1.72

35 -1.24; -1.40м; -1.84 -1.21;-1.40;-1.83 1.51 1.48

35к 0.33/0.54; -0.90м; -1.24; -141; 1.57 0.48; -0.46; -1.20; -1.41; -1.78 1.15; 1.53 1.12;1.55

36 -1.28; -1.76 -1.25; -1.78 1.63 1.61

36к 0.42/0.53; -1.25; -1.73 0.48; -1.23; -1.85 1.12; 1.64 1.13;1.62

38 -1.25; -1.40; -1.70; -1.89 -1.20;-1.90 1.68 1.65

38к 0.36/0.58; -1.22; -1.58 0.43; -0.46; -1.21; -1.66; 1.23; 1.32; 1.70 1.26;1.69

40 -1.29; -1.76 -1.26; -1.81 1.69 1.65

40к 0.36/0.58; -1.23; -1.56; -1.80 0.44; -0.49; -1.24; -1.56; -1.88 1.25; 1.72 1.17;1.73

41 -1.30; -1.45; -1.78 -1.26;-1.85 1.64 1.68

41к 0.39/0.57; -1.27; -1.57; -1.79 0.41; -1.27; -1.57; -1.92 1.25; 1.67 1.20;1.69

42 -1.33; -1.80 -1.28; -1.84 1.62 1.57

42к 0.42/0.55; -1.28; -1.78 0.49; -0.74; -1.27; -1.90 1.15; 1.60 1.12; 1.5

43 -1.29; -1.44; -1.80 -1.26;-1.86 1.54 1.51

43к 0.37/0.56; -0.95; -1.28; -1.56; -1.88 0.43; -1.25; -1.59; -1.90 1.18; 1.54 1.14;1.55

44 -1.23; -1.84 -1.21; -1.84 1.52 1.48

44к 0.41/0.51; -0.44; 1.22; -1.79 0.48; -1.21; -1.55; -1.86 1.16; 1.52 1.13; 1.55

Координационные соединения типа 2-Ь практически неотличимы от своих аналогов типа 2-а при записи циклических вольтамперограмм со стационарным

114

электродом, однако при записи вольтамперограмм с вращающимся дисковым электродом становится очевидно, что в системе протекает только процесс окисления Си(+1) ^ Си(+2), то есть изначально все ионы меди в координационных соединениях одновалентны (Рис. 51).

Рисунок 51. Циклическая (слева) и ВДЭ (справа) вольтамперограммы раствора координационного соединения типа 2-Ь 32к-Ъ в ДМФА (10-5M).

Все координационные соединения типа 3 имеют очень схожие циклические вольтамперограммы, независимо от степеней окисления ионов меди (Рис. 52). Две обратимых волны наблюдаются при потенциале 0.3 - 0.6 мВ, которые могут быть отнесены к одноэлектронному окислению Си(+1) до Си(+2) и окислению хлорид-аниона соответственно.

1000 О 1000 2000

Е(тГ) \sAg.AgCl

Рисунок 52. Типичные циклические вольтамперограммы координационных соединений типов 3-а - 3-е.

Однако их циклические вольтамперограммы, записанные с вращающимся дисковым электродом, заметно отличаются: в случае координационных соединений типа 3-а весь ток перехода Си(+2) ^ Си(+1) лежит в анодной области, в случае координационных соединений типа 3-с - в катодной, а в случае координационных соединений типа 3-Ь разбивается нулевой линией тока на две равные части (Рис. 53).

Рисунок 53. Типичные вольтамперограммы ВДЭ координационных соединений типов 3-а - 3-е.

Таблица 16. Электрохимические потенциалы лигандов типа 3 и их координационных соединений типов 3а-с в ДМФА (10-5М) в присутствии 0.1 М ВщКСЮ^ Стеклоуглеродный электрод (электрод сравнения Л§/Л§С1/КС1(нас)); скорость развертки 200 мВс-1. Курсив - пики лиганда, Жирный - медьцентрированные пики.

Compound Epc, V Red у E1/2 Epa, V Ox , v E1/2

Cu+2/Cu+2

54 -1.23; -1.56; -1.82 -0.18; -1.83 1.12 1.07

54k 0.43/0.55; -1.21; -1.55; -1.79 0.47; -1.17; -1.81 0.55/0.43,1.16; 1.54 1.12; 1.53

55 -1.23; -1.84 -1.23; -1.84 1.51 1.50

55k 0.40/0.57; -1.19; -1.76 0.50; -1.17; -1.80 1.17; 1.52 1.12; 1.50

57 -1.49, -2.08/-1.79 - 0.89 0.87

57k 0.35/0.58, -1.05/-0.95, -1.27/-1.20, -1.64, -1.95 - 1.22 0.57, 1.20

58 -1.27/-1.19, -1.87/-1.78 - 1.58 1.57

58k 0.41/0.51, -1.01, -1.20, -1.60, -1.83 - 1.13 1.11

Cu+2/Cu+!

59 -1.27; -1.80 -1.23; -1.79 1.58 1.55

59k 0.41/0.54; -0.68; -1.11; -1.25; -1.75 0.48; -0.59; -1.07; -1.47 0.54/0.41 1.11; 1.51 1.05; 1.50

60 -1.16; -1.79 -1.14; -1.79 1.56 1.54

60k 0.34/0.54; -0.68; -1.27; -1.65 0.46; -0.62; -1.22; 0.54/0.341.10; 1.48 1.05; 1.44

61 -1.26; -1.78 -1.23;-1.80 1.58 1.56

61k 0.12/0.41; -0.14; -0.80; -1.09; 0.13; -0.75; - 0.98; -1.21; 0.41/0.12 1.12;

-1.26; -1.79 -1.75 1.21; 1.49 1.48

62 -1.17; -1.80 -1.16; -1.78 1.53 1.49

62k 0.45/0.55; -0.44; -1.13; -1.71 0.53; -0.39; -0.77; -1.13; -1.72 0.55/0.45 1.18;1.53 1.14; 1.56

63 -1.22; -1.85 -1.18; -1.89 1.09 1.04

63k 0.41/0.56; -0.70; -1.17; -1.54; -1.80 0.48; -0.75; -1.16; -1.54; 1.80 0.56/0.41 1.12;1.57 1.08; 1.55

64 -1.4; -1.54 м; -1.76 -1.13;-1.73 1.52 1.50

64k 0.44/0.55; -0.44; -1.10; -1.47; -1.69 0.51; -0.41; -1.06; -1.73 0.55/0.44 1.13;1.52 1.07; 1.50

65 -1.21/-1.13, -1.82, -2.21 - 1.60 1.58

65k 0.33/0.55, -0.72, -0.85, -1.07, -1.20, - 0.55/0.33, 1.15 1.13

-1.59, -1.88 1.10, 1.47

66 -1.15, -1.81, -2.05, -2.21 - 1.11, 1.48

66k 0.41/0.54, -0,68, -1,69, -1,76, -1,98 - 0.54/0.41, 1.17 1.15

67 -1.17, -1.79/-1.67, -2.11 - n/d -

67k 0.45/0.57, -0.6/0,06, -1.73/-1.66, - 0.57/0.45, 1.18, 1.11,

-1.92, -2.17/-1.98 1.56 1.54

69 -1,27/-0,25, -1.88/-1.71, -2.19 - 0.77 -

69k 0.38/0.56, -0.99, -1.16, -1.78 - 0.56/0.38, 1.20 1.17

70 -1.28, -1.88/-1.68, -2.18/0.76 - 1.43, 1.67 1.65