КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2013, том 54, № 1, с. 3-15
УДК 539.19:541.124
ГИДРОКСИЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ АНТИМАЛЯРИЙНОГО ДЕЙСТВИЯ ДИМЕРНЫХ АНАЛОГОВ АРТЕМИЗИНИНА
© 2013 г. Е. Т. Денисов, Т. Г. Денисова
Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка Московской обл.
E-mail: det@icp.ac.ru Поступила в редакцию 11.03.2012 г.
Для четырех модельных аналогов, содержащих два остатка артемизинина, построены кинетические схемы внутримолекулярного окисления. Каждая стадия кинетической схемы охарактеризована энтальпией. Энергия активации и константа скорости вычислены с использованием модели пересекающихся парабол. При построении схемы учтена конкуренция моно- и бимолекулярных радикальных реакций, а в случае отрыва Н от связи С—Н в а-положении к гидроперокси-группе учтена фрагментация молекулы, согласованная с отрывом. В результате внутримолекулярного окисления модельных соединений образуются гидропероксидные группы, которые по реакции с Fe(II) генерируют свободные радикалы. Среди них, как и в случае артемизинина, ключевое значение имеют гид-роксильные радикалы. Именно с числом гидроксильных радикалов nOH, генерируемых аналогами, коррелирует их антималярийная активность. Зависимость между эффективностью димерных аналогов, которая характеризуется величиной IC50, и nOH, имеет линейный характер и в диапазоне значений nOH = 3—7 выражается формулой: 1С50(артемизинин)/1С50(аналог) = 1 + 0.27(nOH — 3.17).
DOI: 10.7868/S0453881113010048
Артемизинин (A) — высокоэффективное лекарство против малярии, которое успешно применяется против малярийного плазмодия (Plasmodium falciparum), устойчивого в отношении хинина и его аналогов алкалоидного типа [1—3]. Лечебное действие A связано с генерированием свободных радикалов [1—5]. По своей структуре A представляет собой эндопероксид сесквитерпена (его структуру см. ниже). Пероксидный мостик в структуре A по реакции с хелатами двухвалентного железа, входящими в состав ферментов, генерирует свободные радикалы, что и приводит к гибели паразита:
ROOR + Fe+2 ^ RO* + RO- + Fe+3.
Долгое время считалось, что к этой реакции и сводится механизм антималярийного действия A, т.е. он "работает", как обычный инициатор свободных радикалов [1, 3—8]. Однако синтез и испытание на антималярийную активность его аналогов показали, что важную роль играет вся структура молекулы A, а не только его пероксидный мостик [1, 2]. Возникающие после расщепления пероксидного мостика алкильные радикалы A вступают в каскад последовательных превращений с участием кислорода [9—12]. В результате такого внутримолекулярного окисления A превращается в полиатомный пероксид, который по реакции с Fe(II) генерирует свободные радикалы. Кинетический анализ радикальных превращений A и ряда его аналогов показал, что эффективность
их действия определяется не общим числом генерируемых радикалов, а только числом гидроксильных радикалов nOH, генерируемых одной молекулой этих соединений [2, 12—15]. Подобный результат был получен для ряда структур с противомалярийной активностью, такой же, как у A, или более низкой. Противомалярийная активность характеризуется индексом IC50 — относительной дозой исследуемого образца, снижающей концентрацию малярийного паразита в два раза. В наших последних исследованиях было показано, что зависимость IC50 от nOH на молекулу аналога A имеет экспоненциальный характер [13—15]. Однако эта зависимость установлена для A и его аналогов с nOH < 4. А как обстоит дело в случае димерных пероксидных аналогов А, окисление которых приводит к более высокому выходу гидроксильных радикалов? Это можно выяснить, проанализировав радикальные превращения димерных аналогов А. Цель настоящего исследования заключалась в том, чтобы оценить, насколько димеризация А способствует генерированию гидроксильных радикалов и как это отражается на антималярийном действии модельных образцов. Ниже приведены структура артемизининового остатка (Art-) и димерных аналогов А, которые были взяты в качестве объектов кинетического анализа:
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ
Для расчета энергии активации Е и константы скорости к моно- и бимолекулярной радикальных реакций использовали апробированный ра-
нее метод пересекающихся парабол [16—18]. В рамках этого метода каждый класс радикальных реакций характеризуется следующими параметрами: атомной структурой реакционного центра переходного состояния, например О...Н...С для
Таблица 1. Кинетические параметры классов реакций [19—21]
Класс реакций а Ъг%, (кДж/моль)1/2 0.5Щау1, кДж/моль Q.5hNK(vl—v), кДж/моль \§Л, [с—1]
ЯО' ^ Я' 0.796 13.13 17.4 —4.3 12.6
ЯО' + ЬЯН 0.707 11.67 15.1 —6.6 7.3 г
я102 ^ я'а 0.814 13.23 17.4 —3.8 12.74
я202 ^ я'а 0.814 14.17 17.4 —3.8 11.14
я302 ^ я'а 0.814 13.53 17.4 —3.8 11.14
я102 ^ Я'6 0.814 13.43 17.4 —3.8 12.74
я202 ^ Я'6 0.814 15.02 17.4 —3.8 11.14
я302 ^ Я'6 0.814 14.58 17.4 —3.8 11.14
Я1(00Н)02 ^ Я1(0)00Н + Н0'а 0.814 18.38 17.4 —3.8 12.74
Я1(00Н)02 ^ Я1(0)00Н + Н0>б 0.814 19.32 17.4 —3.8 12.74
Я2(00Н)02 ^ Я2(0)00Н + Н0'а 0.814 19.60 17.4 —3.8 11.04
Я3(00Н)02 ^ Я3(0)00Н + Н0'а 0.814 18.91 17.4 —3.8 11.04
Я1(00Н)02 ^ Я1(0)00Н + Н0>б 0.814 18.58 17.4 —3.8 12.74
Я2(00Н)02 ^ Я2(0)00Н + Н0>б 0.814 20.72 17.4 —3.8 11.14
Я3(00Н)02 ^ Я3(0)00Н + Н0>б 0.814 19.07 17.4 —3.8 11.14
1.000 13.13 21.2 0.0 11.54
Я02 + ьян 0.722 11.94 15.1 —6.1 7.3 г
а Реакции протекают через шестичленный цикл переходного состояния. б Реакции протекают через семичленный цикл переходного состояния. в 1 и ] — разное местоположение пероксильной группы в радикале ЯО^.
г Для этой бимолекулярной реакции А = А0^8Н]. Я1Н — алифатический углеводород, Я2Н - олефин, Я3Н — алкиларомати-ческий углеводород.
реакций ЯО* + ЯИ или ЯО2 + ЯИ, коэффициентами Ь для атакуемой и Ь{ для образующейся связи (2Ь2 — силовая постоянная связи), энергиями нулевого валентного колебания этих связей 0.5кЫ^у и 0.5А^дУг соответственно (к — постоянная Планка и N — число Авогадро, V и уг — частоты валентных колебаний этих связей), суммарным удлинением реагирующих связей в переходном состоянии ге и предэкспоненциальным множителем А в расчете на одну эквиреакционную атакуемую связь. Производными этих параметров являются: коэффициент а = Ь/Ь{ и произведение Ьге. Значения этих параметров для реакций, которые реализуются при окислении рассматриваемых соединений, приведены в табл. 1.
Индивидуальная реакция характеризуется классической энтальпией АНе = АН + 0.5к^д(у — — уг), где АН — энтальпия реакции, и классическим потенциальным барьером Ее = Е + 0.5кЫру —
5
— 0.5RT. Энергию активации реакции вычисляли через энтальпию реакции АН по уравнению:
,=,{,..^ШШШЕЩ'_ (1)
- 0.5hNAv + 0.5RT,
где B = bre/(1 — а2). Для реакций с а = 1 энергия активации вычислялась по уравнению:
E = [J!LL- + аМД - 0.5hNav + 0.5RT. (2)
[l + а 2bre J A
Энтальпию реакций изомеризации и бимолекулярного отрыва атома H вычисляли как разность энергий диссоциации атакуемой DC-H (или DS-H) и образующейся DO-H связей: АН = DC-H — DO-H. Используемые в расчете значения DC-H и DO-H (кДж/моль) соответствующих аналогов А (1—4) (1а) и продуктов их окисления (1б, 2б, 2в) приведены ниже [22—25]:
403.9 39°-3 396.8 (И \ Met
И^И м^и и
Me""\ L
О~О!>
'т.
408.8
387.6
378.5
393.0—*"И
347.2
390.3
Me
1а
О
Me |
И
— 362.9
Me
244.2
242.9
^ИО И Й Me 369.8
H^Nf
ОО Me И^— 365.5
1б
365.5
2б
2в
В димерном аналоге А со структурой 1 для С10— СИ2-группы БС-И равно 347.2 кДж/моль, как в олефине МеСИ2СИ=СИМе, а для соединений 2—4 БС-И = 364.1 кДж/моль, как в этилбензоле [24]. Отрыв Н от а-С—И-связи гидропероксида сопровождается согласованной диссоциацией О—О-
связи [26]. С учетом этого для С4-Н- и С5-Н-связи в группе >С—И(ООИ) БС-И = 244.0 кДж/моль, для С7-Н- и С8-Н-связи в группе >С-И(ООИ) БС—И = = 248.1 кДж/моль, для С-Н-связи в группе РИС— И(ООИ) БС_ и = 235.5 кДж/моль, для С-Н-связи в группе СИ2=СМеС—И(ООИ) БС—И =
Таблица 2. Конкуренция реакций радикала С8аОО', образующегося из радикала 45
Реакция АН, кДж/моль Е, кДж/моль £(310 К), с-1 Конкуренция, %
С8аОО ^-C'HCH=CH- -11.2 32.0 5.60 х 105 67.2
С8аОО ^ С(12)- 19.9 44.6 1.71 х 105 20.6
С8аОО ^ С(7)О + ИО' -110.5 42.7 6.78 х 104 8.2
С8аОО ^ С(5а)' 31.7 50.3 1.81 х 104 2.1
С8аОО ^ С(10)- 34.4 51.7 1.07 х 104 1.3
С8аОО ^ С(6)- 38.2 53.6 5.12 х 103 0.6
С8аОО + Ь8И ^ С12ООИ + 1.6 32.4 6.93 х 101 0.01
= 244.2 кДж/моль и для С—Н-связи в группе С(О)С-И(ООИ) БС-И = 242.9 кДж/моль. В реакциях такого типа энергия активации концентрируется на двух связях, и поэтому константу скорости вычисляли по уравнению:
к = Л. 2^Т ехр(-Е/ЯТ). (3)
V пЕ
Среди всех субстратов, с которыми реагируют радикалы, именно тиогруппы L-цистеина, который входит в состав белков, быстрее всего атакуются
радикалами ЯО* и ЯО2 по сравнению с другими субстратами [10, 27, 28]. Прочность 8-И-связи в L-цистеине ^8-н равна 360 кДж/моль [21].
Расчет констант скорости радикальных реакций необходим для учета конкуренции параллельных реакций и составления главной последовательности радикальных превращений. Параллельные реакции учитывали, если отношение их констант скорости не превышало 5, что при одинаковых предэкспоненциальных множителях соответствует разности энергий активации АЕ = = 4.1 кДж/моль. В качестве примера в табл. 2 представлены все 7 реакций, в которые вступает радикал ЯОО(8а)*, образующийся из радикала 45. Видно, что первые две реакции отрыва атома И составляют 88%, а остальные 6 — только 12% от общей скорости превращения радикала.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На схеме 1 показана последовательность реакций, протекающих в присутствии О2 после генерирования алкоксильного радикала ЯО(2)*(1) по реакции пероксидного мостика аналога 1 с Бе2+. Алкильные радикалы, образующиеся в результате изомеризации алкоксильного радикала, реагируют с кислородом без энергии активации с диффузионной константой скорости [18]. В схеме 1 для краткости две последовательные реакции типа:
Я* + О2 ^ ЯО2 и ЯО2 ^ Я* записаны в одну ста-
дию. Кинетические характеристики относятся к определяющей скорость реакции изомеризации
ЯО 2. Реакции с участием пероксидных групп типа: ЯООИ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.