КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2015, том 56, № 3, с. 286-300
УДК 539.19:541.124
КИНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГИДРОКСИЛЬНОГО МЕХАНИЗМА АНТИМАЛЯРИЙНОГО ДЕЙСТВИЯ ФТОРПРОИЗВОДНЫХ АРТЕМИЗИНИНА © 2015 г. Е. Т. Денисов*, Т. Г. Денисова
Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка *Е-таИ: det@icp.ac.ru Поступила в редакцию 14.10.2014 г.
Для 13 производных 10-дигидроартемизинина, содержащих фторзаместители (Б и СР3), построены кинетические схемы внутримолекулярного окисления. Каждая стадия кинетической схемы охарактеризована энтальпией, с использованием модели пересекающихся парабол вычислены ее энергия активации и константа скорости. Учтена конкуренция моно- и бимолекулярных радикальных реакций, а в случае отрыва Н от а-гидроперокси-С—Н-связи — согласованная с отрывом фрагментация молекулы с образованием гидроксильных радикалов. По эмпирической зависимости антималярийной активности 1С50 от числа гидроксильных радикалов яон, генерируемых соединением, вычислена антималярийная эффективность каждого препарата, обусловленная только гидроксильными радикалами. Выявлены соединения, антималярийная активность которых дополнительно обусловлена иными факторами.
БО1: 10.7868/80453881115030041
Артемизинин (A) и его производные проявили себя как высокоэффективные лекарственные препараты против малярии; они успешно применяются против малярийного плазмодия Plasmodium falciparum, устойчивого по отношении к хинину и его аналогам [1—3]. Лечебное действие A связано с генерированием свободных радикалов [1—5]. Перок-сидный мостик в структуре A и его производных по реакции с хелатами двухвалентного железа, входящими в состав ферментов, генерирует свободные радикалы, что и приводит к гибели паразита. Длительное время считалось, что A функционирует как обычный инициатор свободных радикалов только за счет диссоциации на радикалы его пероксидной группы [1, 3—8]. Однако испытание на антималярийную активность аналогов A различного строения показало, что важную роль играет вся структура молекулы A, а не только его пероксидный мостик [1, 2]. Алкильные радикалы, возникающие в результате расщепления пероксидного мостика A, вступают в каскад последовательных превращений с участием кислорода [9—11], в результате чего A превращается в полиатомный гидропероксид. Последний по реакции с Fe(II) генерирует новые свободные радикалы [9—11]. Кинетический анализ радикальных превращений A и его аналогов разнообразного строения показал, что эффективность их действия определяется не общим количеством генерируемых радикалов, а только числом гидроксильных радикалов nOH, генерируемых одной молекулой этих соединений [2, 12—15].
В последние годы развивается синтез и применение так называемых гибридных антималярийных препаратов, сочетающих в одной молекуле как структуру A с пероксидным мостиком, так и другие структурные фрагменты, потенциально активные по отношению к малярийному паразиту [16—18]. Однако при анализе результатов с такими соединениями упускается из вида следующее. Изменение структуры препарата типа A, введение в него новых фрагментов сказывается на его радикальных превращениях, а следовательно, отражается и на антималярийной активности, вызванной только генерированием гидроксильных радикалов. Более высокая эффективность препарата может быть результатом не только дополнительного действия введенного фрагмента как такового, но и более высокого выхода гидроксильных радикалов, от выхода которых зависит эффективность препарата. Поэтому вопрос о причине той или иной эффективности данного гибридного препарата требует проведения дополнительного кинетического анализа.
В работах [18—20] был синтезирован и испытан на антималярийную активность ряд фторсодер-жащих производных A, содержащих заместители Б и СБ3. Цель настоящего исследования заключалась в том, чтобы оценить, насколько введение в структуру A фторсодержащих групп, которые сами по себе не участвуют в радикальных стадиях, отражается на генерировании гидроксильных радикалов и обусловленную только этим антималя-
рийную активность и насколько эти фрагменты влияют на антималярийную активность препарата безотносительно от генерирования радикалов. С этой целью в настоящей работе проведен кинетический анализ радикальных превращений ряда гибридных соединений, синтезированных и испытанных на антималярийную активность [18— 20]. Ниже приведены структуры А и ряда производных 10-дигидроартемизинина, которые были взяты в качестве объектов кинетического анализа (см. ниже). Фторсодержащие группы Б и СБ3 входили в состав фенильного заместителя
С6Н4.
ет L-цистеин, тиильные группы которого обладают высокой реакционной способностью (DS-H = = 360.0 кДж/моль [23]). Поэтому среди бимолекулярных реакций именно они являются главным каналом переноса свободной валентности от А в объем.
В случае атаки перокси-группы (—O—O*) на a-C—H-связь гидропероксида реакция отрыва протекает с согласованным разрывом O-O-связи и образованием гидроксильного радикала и карбонильной группы [25]. Поэтому для связей >C- H(OOH) значения DC-H приведены с учетом такой перестройки.
А
Артемизинин
Производные 10-дигидроартемизинина: B - R = CH2CH2OCH2C6H4F(CF3), C - R = CH2CH2OC(O)C6H4F(CF3), D - R = OC6H4F(CF3).
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ
Расчет энтальпии реакции
Для каждой радикальной реакции вычисляли ее энтальпию АН. Как показал анализ каскада реакций, протекающих в результате окисления А, все лимитирующие стадии представляют собой реакции отрыва атома водорода пероксильными и ал-коксильными радикалами от С-Н-связей А и 8— Н-связей L-цистеина белка [2, 9—15]. Энтальпию таких реакций изомеризации и бимолекулярного отрыва атома Н вычисляли как разность энергий диссоциации атакуемой Бс—Н- (или Д8—Н-) и образующейся ^0—Н-связей:
АИ = DC-H(DS-H) - D
yO-H-
(1)
Вычисление констант скорости реакций
Для расчета энергии активации Е и константы скорости к моно- и бимолекулярных радикальных реакций использовали метод пересекающихся парабол [26—28]. В рамках этого метода каждый класс радикальных реакций характеризуется следующими параметрами. 1) Атомной структурой реакционного центра переходного состояния, например, С---Н---0 для реакций R0* + RH или R02 + RH. 2) Коэффициентами Ь для атакуемой и Ьг для образующейся связи (2Ь2 — силовая постоянная связи). 3) Энергиями нулевого валентного колебания этих связей 0.5НЫАу и 0.5к^Ауг соответственно (к — постоянная Планка и N — число Аво-гадро, V и уг — частоты валентных колебаний рвущейся и образующейся связей соответственно). 4) Суммарным удлинением реагирующих связей в переходном состоянии ге. 5) Предэкспонен-циальным множителем А в расчете на одну экви-реакционную 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. 2.
Индивидуальная реакция характеризуется классической энтальпией
АИе = АИ + 0.5ANa(v - vf),
(2)
где АН— энтальпия реакции (см. уравнение (1)), и классическим потенциальным барьером
Так как для А значения БС—Н не известны, то использовали величины БС—Н для соответствующих шести- и семичленных углеводородов и их производных. Используемые в расчете значения БС—Н и ^0—Н (кДж/моль) взяты из [21—24] и приведены в табл. 1. Среди субстратов, с которыми реагируют радикалы R02 и R0*, центральное место занима-
Ee = E + 0.5HNav - 0.5RT.
(3)
Энергию активации реакции Е вычисляли через энтальпию реакции АН по уравнению:
E = B¿ О -a 1 -|He j - 0.5^v Na + 0.5RT, (4)
Таблица 1. Энергии диссоциации связей Х>С-н и Аз-н в артемизинине (А) и его аналогах (В, С и Б), Аг = С6Н4Р(СР3) [21-24]
Соединение Группа А II Соединение Группа Вс_н, Аз-н> кДж/моль
А, В, С, Б С<4>-Н, С^-Н 403.9 А, В, С, Б С<4> Н(ООН), С(5)-Н(ООН)* 244.0
А, В, С, Б С(5а) Н 390.0 А, В, С, Б С<7> Н(ООН), С®-Н(ООН)* 248.1
А, В, С, Б С(6)—н 395.5 А, В, С, В 64>Н(00-Н), С®Н(00-Н) 365.5
С<7»Н(00-Н), С<8»Н(00-Н)
А, В, С, Б С(7) н, с<8> н 408.8 А, В, С, Б С<5а>Н(00 Н), С<6»Н(00-Н) 358.6
С<8а)ЩОО-Н), С<9»(00-Н)
А, В, С, Б С(8а)_н 387.6 А, В, С, Б С<|2'Н(00-Н) 358.4
А, В, С, Б с<9> н 390.8 А, В, С, Б С(6>(00-Н)С(7>(0) 362.9
А, В, С, Б с(12)-н 378.1 А, В, С, Б С(7)(0)С®Н(00-Н) 369.8
А, В, С, Б С(7)(0)С(8>-Н 394.1 В С(1°)НС Н(ООН)СН2ОСН2Аг* 251.4
А, В, С, Б С(6)-НС(7>(0) 378.1 В С(10>НСН2С Н(ООН)ОСН2АГ* 171.4
В С(Ю) НСН2СН2ОСН2Аг 380.5 В С(10>НСН2СН2ОС-Н(ООН)АГ* 133.7
В С^НСН НСН2ОСН2АГ 422.0 В С(10>НСН2СН(ОО-Н)ОСН2АГ 367.3
В С(10>НСН2СН НОСН2АГ 399.5 С С(Ю) НСН2СН2Н0С(0)АГ 383.2
В С(10>НСН2СН2ОСН НАг 359.0 С С(10>НСН2СН Н0С(0)Аг 408.4
В С^НСЩОО Н)СН2ОСН2Аг 365.5 С С(10>НСН2С Н(00Н)0С(0)Аг* 171.4
В С(10>НСН2СН2ОСН(ОО Н)Аг 374.8 С С(10>НСН2СН(ОО-Н)ОС(О)АГ 369.8
С С(Ю) НСН2СН20С(0)Аг 380.5 С С^НСЩОО Н)СН20С(0)АГ 365.5
С С^НСН НСН20С(0)АГ 422.0 Б С(Ю)-НОАг 374.7
ы 00 00
§
и
к
£
к £
К
м
й И Я
О О И
й и я
О О
а
>
* Энергия диссоциации С—Н-связи в таких группах учитывает одновременную фрагментацию молекулы с разрывом О—О-связи.
где B = bre¡ (1 - а2). Расчет к радикальных реакций производили по формуле Аррениуса
к = Aexp(—E/RT)
(5)
для температуры человеческого тела T = 310 K.
Отрыв атома Н от a-C—H-связи гидроперок-
сида при изомеризации RO2 сопровождается согласованной диссоциацией О-О-связи [25]. Поэтому DC—H для связей С(4)-Н(ООН), С(5)-Н(ООН), С(7)-Н(ООН), С(8)-Н(ООН), C-H(OOH)OCH2Ar и OC-H(OOH)Ar приведены с учетом фрагментации молекулы в момент отрыва атома Н. В реакциях такого типа энергия активации концентрируется на двух связях. Поэтому константу скорости вычисляли по уравнению (6) [32], где множитель (2RT/nE)l/2 учитывает вероятность концентрации энергии в переходном состоянии на двух связях C-H и О—О:
k = A /2RT exp(-E/RT).
nE
(6)
Расчет констант скорости радикальных реакций необходим для учета конкуренции параллельных реакций, построения каскада радикальных превращений и вычисления выхода гидроксильных радикалов в результате окисления соответствующего соединения. Параллельные реакции принимали во внимание, если отношение их констант скорости не пре
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.