Координационная химия, 2023, T. 49, № 1, стр. 27-35

Изучение восстановления комплексов кобальта(III) in situ c помощью спектроскопии ЯМР

Е. А. Хакина 12*, И. А. Никовский 1, Д. А. Бабакина 3, Г. Л. Денисов 12, Ю. В. Нелюбина 12

1 Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН
Москва, Россия

2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Москва, Россия

3 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Москва, Россия

* E-mail: khakina90@ineos.ac.ru

Поступила в редакцию 04.05.2022
После доработки 06.06.2022
Принята к публикации 08.06.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Предложен подход, позволяющий осуществлять мониторинг процессов редокс-активации лекарственных препаратов в комплексах кобальта(III) in situ с помощью спектроскопии ЯМР. С использованием предложенного подхода исследовано восстановление гетеролептических комплексов кобальта(III), содержащих молекулу 6,7-дигидроксикумарина в качестве модельного лекарственного препарата. Показано, что замена бипиридинового лиганда в комплексе кобальта(III) на фенантролин приводит к значительному увеличению скорости редокс-активируемого высвобождения лекарственного препарата.

Ключевые слова: in situ спектроскопия ядерного магнитного резонанса, дигидроксикумарин, комплексы кобальта, редокс-активируемая доставка лекарственных препаратов

Химио- и радиотерапия, часто применяемые в клинической практике, значительно теряют свою эффективность при лечении так называемых “твердых” опухолей из-за наличия в них регионов с низким уровнем кислорода [1]. Однако дифференциация пораженных раком и здоровых тканей по уровню кислорода позволила разработать новую стратегию селективной химиотерапии, заключающуюся в применении химических соединений, ингибирующая способность которых активируется в условиях гипоксии “твердых” опухолей (редокс-активируемые препараты).

В качестве одного из способов уменьшения негативного воздействия противораковых лекарственных препаратов на организм человека в последнее время активно рассматриваются “молекулярные платформы”, позволяющие осуществлять их адресную доставку в клетки опухолей, на основе молекулярных комплексов биогенных металлов [2, 3]. Среди различных вариантов подобных платформ особый интерес представляют редокс-активные соединения биогенных металлов, например кобальта [4, 5]. Ион кобальта(III) способен координировать и инактивировать цитотоксичные лиганды с образованием инертных комплексов, которые могут циркулировать в организме человека по кровеносным сосудам без повреждения здоровых тканей. В условиях гипоксии в тканях опухолей повышается концентрация биогенных восстановителей, таких как восстановленный никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADPH) или восстановленный глутатион и аскорбат, что приводит к активации таких комплексов при восстановлении иона кобальта(III) до иона кобальта(II) [6]. Это сопровождается диссоциацией комплексов, в результате которой происходит высвобождение лекарственного препарата, выполнявшего роль органического лиганда. Селективность действия данного препарата в тканях с низким уровнем кислорода обеспечивается быстрым обратным окислением иона кобальта(II) до иона кобальта(III) в здоровых тканях с нормальной концентрацией кислорода [7]. К настоящему моменту получен ряд комплексов кобальта(III) c некоторыми лекарственными препаратами и их предшественниками, продемонстрировавшими высокий потенциал данного подхода. Среди них – комплексы кобальта(III) c соединениями из класса алкилирующих противораковых препаратов, являющихся аналогами азотистого иприта [8, 9], ингибитором матричной металлопротеиназы широкого спектра действия маримастатом [10], ингибиторами рецептора эпидермального фактора роста [11], эскулетином (производным кумарина, потенциально обладающим противораковой активностью) [5] и фенилаланином (являющимся модельным соединением противоракового препарата мелфалана) [12].

Несмотря на полученные к настоящему моменту обнадеживающие результаты, для перехода разработанной стратегии редокс-активации в стадию клинических испытаний необходимо преодолеть множество ограничений. Одна из основных проблем заключается в том, что многие результаты, полученные in vitro, не удалось воспроизвести in vivo. Это делает необходимым дальнейшую оптимизацию свойств комплексов кобальта для использования в качестве молекулярной платформы для редокс-активируемой доставки лекарственных препаратов.

Для успешного решения данной проблемы необходима разработка метода, позволяющего исследовать процессы редокс-активации лекарственных препаратов в комплексах кобальта in situ в условиях, приближенных к биологическим. Наиболее часто для исследования процессов восстановления используют оптическую спектроскопию поглощения [5]. Основной недостаток данного метода заключается в перекрывании полос поглощения исходных комплексов и продуктов реакции, что значительно затрудняет анализ.

В настоящей работе мы предложили подход, позволяющий осуществлять мониторинг восстановления комплексов кобальта(III) in situ с помощью спектроскопии ЯМР. В качестве объектов исследования выбраны комплексы кобальта(III) [Co(Bipy)2(coumarin)]ClO4 (I) и [Co(Phen)2(coumarin)]ClO4 (II) [5, 13], содержащие в качестве лигандов бипиридин или фенантролин и дианион 6,7-дигидроксикумарина (cхема 1). Выбор этих комплексов обусловлен их способностью к высвобождению кумарина при восстановлении иона кобальта(III) биогенными восстановителями, что обуслoвливает их перспективные биологические свойства. Так, ранее была продемонстрирована цитотоксичность I по отношению к клеткам рака кишечника в условиях гипоксии [5], а II исследован in vitro в качестве препарата для фотодинамической терапии рака [13].

Схема 1 .

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез I и II проводили по литературным методикам [5, 13]. В качестве предшественников использовали комплексы кобальта(III) [Co(L)2Cl2]Cl (L = Bipy, Phen), полученные при окислении соответствующих комплексов кобальта(II) газообразным хлором [14]. Хлор получали при взаимодействии перманганата калия с концентрированной соляной кислотой и осушали пропусканием через концентрированную серную кислоту [15]. 1,10-Фенантролин (99%, Sigma-Aldrich), 2,2'-бипиридин (99%, Sigma-Aldrich), хлорид кобальта(II) (98%, безводный, Sigma-Aldrich), 6,7-дигидроксикумарин (98%, Sigma-Aldrich), перхлорат лития (98%, Alfa Aesar), триэтиламин (99%, Sigma-Aldrich) использовали без предварительной очистки.

Общая процедура синтеза комплексов I, II. Раствор 6,7-дигидроксикумарина (0.5 ммоль, 89 мг) и триэтиламина (1 ммоль, 101.2 мг, 139 мкл) в 10 мл метанола добавляли к раствору [Co(L)2Cl2]Cl (L = = Bipy, Phen) (0.5 ммоль) в 15 мл метанола. Полученную смесь кипятили в течение 3 ч, затем охлаждали до комнатной температуры, добавляли раствор перхлората лития (1.25 ммоль, 133 мг) в 5 мл метанола и перемешивали 30 мин при охлаждении на водяной бане для кристаллизации целевых комплексов. Образовавшийся зеленый осадок отделяли фильтрованием, промывли изопропанолом, диэтиловым эфиром и высушивли при пониженном давлении.

I: выход 258 мг (80%). 1Н ЯМР (300 МГц; D2O; δ, м.д.): 5.92 (д., J = 9.3 Гц, 1H, СНСНСОО), 6.50 (с., 1Н, СН), 6.70 (с., 1Н, СН), 7.42–7.45 (м, 4Н, СН), 7.61 (д, J = 9.4 Гц, 1H, СНСНСОО), 7.74–7.80 (м, 2Н, СН), 8.19–8.25 (м, 2Н, СН), 8.36–8.42 (м, 2Н, СН), 8.52 (д., J = 8.0 Гц, 2H, СН), 8.62 (д., J = = 8.1 Гц, 2H, СН), 8.69 (д., J = 5.7 Гц, 1H, СН), 8.76 (д., J = 5.7 Гц, 1H, СН). Масс-спектр (ESI), m/z: [Co(Bipy)2(coumarin)]+, рассчитано 547.08, найдено 547.1.

II: выход 290 мг (83%). 1Н ЯМР (300 МГц; СD3CN; δ, м.д.): 5.83 (д., J = 9.4 Гц, 1H, СНСН-СОО), 6.46 (с., 1Н, СН), 6.57 (с., 1Н, СН), 7.49 (д., J = 9.4 Гц, 1H, СНСНСОО), 7.63–7.71 (м., 4Н, СН), 8.20–8.21 (м., 4Н, СН), 8.36–8.39 (м., 2Н, СН), 8.72–8.76 (м., 2Н, СН), 9.01 (д., J = 8.2 Гц, 2H, СН), 9.10 (д., J = 5.3 Гц, 1H, СН), 9.17 (д., J = 5.2 Гц, 1H, СН). Масс-спектр (ESI), m/z: [Co(Phen)2(coumarin)]+, рассчитано 595.08, найдено 595.0.

РСА. Рентгенодифракционное исследование монокристаллов комплекса I, полученных диффузией паров диэтилового эфира в его раствор в ацетонитриле, проводили на дифрактометре Bruker Quest D8 CMOS (MoKα-излучение, графитовый монохроматор, ω-сканирование). Структура расшифрована с использованием программы ShelXT [16] и уточнена в полноматричном МНК с помощью программы Olex2 [17] в анизотропном приближении по $F_{{hkl}}^{2}.$ Положения атомов водорода рассчитаны геометрически, и они уточнены в изотропном приближении по модели наездника. Основные кристаллографические данные и параметры уточнения представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Основные кристаллографические данные и параметры уточнения [Co(Bipy)2(coumarin)]ClO4

Параметр Значение
Брутто формула C31H23N5O8ClCo
М 687.92
T, K 1
Сингония Ромбическая
Пр. группа Fddd
Z 32
a, Å 34.4574(6)
b, Å 45.2707(9)
c, Å 16.4894(3)
α, град 90
β, град 90
γ, град 90
V, Å3 25 722.0(8)
ρ(выч.), г см–3 1.421
μ, см–1 6.74
F(000) 11 264
max, град 52
Число измеренных отражений 65 190
Число независимых отражений 6339
Число отражений с I > 3σ(I) 5323
Количество уточняемых параметров 432
R1 0.0945
wR2 0.2045
GOОF 1.166
Остаточная электронная плотность (max/min), e Å–3 0.515/–0.598

Полный набор рентгеноструктурных параметров для комплекса I депонирован в Кембриджском банке структурных (CCDC № 2169544; http://www.ccdc.cam.ac.uk/).

In situ спектроскопия ЯМР. Раствор комплекса I или II (7.6 мкмоль) в смеси 200 мкл D2O и 400 мкл CD3CN помещали в ампулу для спектроскопии ЯМР с последующим добавлением 10 мкл раствора аскорбиновой кислоты в D2O (6.25 × 10–7 М). При исследовании процесса восстановления в атмосфере аргона перед добавлением аскорбиновой кислоты (АА) через раствор комплекса с помощью длинного стеклянного капилляра барботировали аргон в течение 5 мин.

Спектры ЯМР 1H с полученных смесей регистрировали при комнатной температуре на спектрометре Bruker Avance 300 с рабочей частотой для протонов 300.15 МГц. Значения химических сдвигов (δ, м.д.) в спектрах определяли относительно остаточного сигнала растворителя (1Н 1.94 м.д. для CD3CN). Регистрацию спектров ЯМР проводили каждые две минуты в течение 40 мин. Использовали следующие параметры регистрации: диапазон спектра – 170 м.д., время регистрации – 0.2 с, длительность релаксационной задержки – 0.6 с, длительность импульса – 9.5 мкс, количество накоплений – 32. Полученные спады свободной индукции для повышения соотношения сигнал/шум обрабатывали при помощи экспоненциального взвешивания с коэффициентом до 1. Скорость конверсии оценивали по расходованию исходных комплексов. Содержание комплексов в смеси (в % от исходного) рассчитывали по отношению интегральной интенсивности сигнала остаточных протонов CD3CN к интегральной интенсивности сигнала мультиплета 8.60–8.69 м.д. для I и 8.60–8.89 м.д. для II, выбранного из-за удобства интегрирования, поскольку он наблюдается на всем протяжении восстановления и не перекрывается с другими сигналами.

Масс-спектрометрия. Масс-спектрометрический анализ продуктов восстановления выполняли с использованием жидкостного хромато-масс-спектрометра модели LCMS-2020 (Шимадзу, Япония) с ионизацией электрораспылением и квадрупольным детектором (регистрация положительных и отрицательных ионов с m/z в диапазоне 50–2000). Температуры линии десольватирования и нагревательного блока составляли 250 и 400°C соответственно. В качестве распылительного и осушающего газа использовали азот (99.5%), подвижная фаза – ацетонитрил (99.9+%, для В-ЭЖХ, ChemLab) со скоростью потока 0.4 мл/мин. Объем анализируемой пробы – 0.1 мкл.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Выбранные комплексы кобальта(III) [Co(Bipy)2-(coumarin)]ClO4 (I) и [Co(Phen)2(coumarin)]ClO4 (II) были синтезированы по описанным методикам [5, 13] при взаимодействии 6,7-дигидроксикумарина с [Co(L)2Cl2]Cl (L = Bipy, Phen) в присутствии триэтиламина и перхлората лития. Они были выделены в индивидуальном виде и охарактеризованы при помощи спектроскопии ЯМР. Строение комплекса I также было подтверждено при помощи рентгеноструктурного анализа (рис. 1) его кристаллосольвата с ацетонитрилом, использовавшемся в качестве одного из растворителей при кристаллизации. Согласно полученным таким образом данным ион кобальта(III) находится в низкоспиновом состоянии, на что однозначно указывают длины связей Co–N < 1.96 Å [18]. Его координационное окружение, образованное четырьмя атомами азота бипиридиновых лигандов (Co–N 1.917(5)–1.944(5) Å) и двумя атомами кислорода дианиона 6,7-дигидроксикумарина (Co–O 1.797(16)–1.961(15) Å), имеет форму, близкую к октаэдрической. Количественно это можно подтвердить при помощи “меры симметрии” [19], описывающей отклонение координационного полиэдра CoX6 (X = O, N) от идеального октаэдра. Чем это значение меньше, тем лучше форма полиэдра описывается соответствующим многогранником. В комплексе II соответствующая величина, оцененная на основе рентгенодифракционных данных при помощи программы Shape 2.1 [19], составляет всего 0.376. Для сравнения “мера симметрии”, описывающая отклонение координационного полиэдра от идеальной тригональной призмы, принимает заметно более высокое значение, равное 15.400.

Рис. 1.

Общий вид комплекса I, иллюстрирующий координационное окружение иона кобальта(III). Здесь и далее перхлорат-анионы, сольватные молекулы ацетонитрила, вторая компонента разупорядоченного дианиона 6,7-дигидроксикумарина не показаны, а неводородные атомы представлены в виде эллипсоидов тепловых колебаний (p = 20%). Нумерация приведена только для ионов металлов и гетероатомов.

Наличие в составе комплекса двух типов ароматических лигандов привело к появлению в его кристалле множества стекинг-взаимодействий, которые бипиридиновые лиганды образуют друг с другом и с дианионами 6,7-дигидроксикумарина. В результате в кристалле I наблюдаются 2D-слои (рис. 2), параллельные кристаллографической плоскости ac, с расстояниями между центроидами соответствующих ароматических колец и углами между ними в диапазонах 3.535(4)–4.120(4) и 1.3(5)°–6.0(3)° соответственно.

Рис. 2.

Фрагмент кристаллической упаковки комплекса I, иллюстрирующий образование 2D-слоев за счет стекинг-взаимодействий бипиридиновых лигандов друг с другом и дианионами 6,7-дигидроксикумарина (выделены розовым цветом).

Для исследования восстановления комплексов кобальта(III) I и II in situ c помощью спектроскопии ЯМР в ампулу, содержащую раствор комплекса в смеси ацетонитрила-d3 и дейтерированной воды (2 : 1), добавляли 1 эквивалент аскорбиновой кислоты в виде раствора в дейтерированной воде с последующей регистрацией спектров 1Н ЯМР. Выбор смеси растворителей обусловлен неприемлемой для быстрой регистрации спектров ЯМР 1Н растворимостью комплекса II в воде и одновременно низкой растворимостью восстановителя – аскорбиновой кислоты в ацетонитриле. Перед восстановлением в инертной атмосфере раствор комплекса барботировали аргоном в течение 5 мин до добавления аскорбиновой кислоты. Предполагаемые продукты восстановления представлены на схеме 2 .

Схема 2 .

На рис. 3 приведены спектры 1Н ЯМР, демонстрирующие динамику процесса восстановления комплекса II аскорбиновой кислотой. В спектрах можно выделить диамагнитную (от 0 до 10 м.д.) и парамагнитную (от 15 до 120 м.д.) области. Первая содержит сигналы исходного комплекса, аскорбиновой кислоты, продукта еe окисления и свободного 6,7-дигидроксикумарина, а вторая – сигналы образующихся комплексов кобальта(II). Видно, что по мере протекания реакции интенсивность сигналов в диамагнитной области уменьшается, а в парамагнитной, наоборот, увеличивается. При этом количество наблюдаемых сигналов в парамагнитной области спектра остаeтся постоянным в процессе восстановления, несмотря на потенциальную возможность образования нескольких комплексов кобальта(II) (схема 2 ). Число сигналов, их химический сдвиг и интегральная интенсивность соответствуют комплексу [Co(Рhen)3]2+, что дополнительно подтверждается масс-спектрометрическим анализом продуктов восстановления. Масс-спектр реакционной смеси, изображенный на рис. 4, содержит интенсивные сигналы с m/z 299.7, 517.9 и 453.9, относящиеся к ионам [Co(Рhen)3]2+, [Co(Рhen)2-(ClO4)]+ и [Co(Рhen)2Cl]+. Появление в масс-спектре аддуктов с хлорид-анионом может быть связано с неполной заменой хлорид-иона на перхлорат при синтезе [Co(Phen)2(coumarin)]ClO4 из [Co(Рhen)2Cl2]Cl. Масс-спектр отрицательных ионов (рис. 5) содержит сигналы с m/z 177, 220.8 и 277, соответствующие ионам дигидроксикумарина, их сольватам с одной молекулой ацетонитрила и аддуктам с перхлорат-анионом, что дополнительно подтверждает релиз модельного лекарственного препарата в процессе восстановления.

Рис. 3.

Динамика изменения спектра ЯМР 1Н с течением времени при восстановлении комплекса II аскорбиновой кислотой в атмосфере аргона (спектр зарегистрирован в смеси ацетонитрила-d3 –дейтерированной воды (2 : 1).

Рис. 4.

Масс-спектр продуктов восстановления комплекса II аскорбиновой кислотой, зарегистрированный для положительных ионов.

Рис. 5.

Масс-спектр продуктов восстановления комплекса II аскорбиновой кислотой, зарегистрированный для отрицательных ионов.

В отличие от II восстановление комплекса I в аналогичных условиях протекает гораздо медленнее. На рис. 6 приведено сравнение скоростей конверсии комплексов II и I на воздухе и в атмосфере аргона по данным спектроскопии ЯМР. Видно, что скорость реакции восстановления I аскорбиновой кислотой в присутствии воздуха крайне мала. Следует отметить, что по истечении 24 ч после добавления аскорбиновой кислоты к комплексу II в присутствии воздуха происходит обратимое окисление и содержание исходного комплекса возрастает до 70%, в то время как в атмосфере аргона его содержание сохраняется на уровне 4%.

Рис. 6.

Сравнение скоростей восстановления комплексов II и I на воздухе и в атмосфере аргона, полученное по данным спектроскопии ЯМР.

Ранее с помощью масс-спектрометрии было показано, что при восстановлении I образуется катион [Со(Bipy)2(H2O)]2+ [5]. Так, в парамагнитной области спектра ЯМР присутствует восемь сигналов, что как раз может соответствовать катиону [Со(Bipy)2(H2O)]2+ или смеси нескольких комплексов (рис. 7). В масс-спектре смеси обнаружен ион с m/z 405 (рис. 8), соответствующий катиону [Co(Bipy)2Cl]+. Как уже было замечено выше, наличие аддуктов с хлорид-ионом может быть связано с неполной заменой хлорид-иона на перхлорат при получении II. Однако при концентрировании раствора и повторном растворении остатка в ацетонитриле-d3 наблюдается лишь четыре сигнала в парамагнитной области спектра ЯМР, соответствующие протонам катиона [Со(Bipy)3]2+ (рис. 7), а в масс-спектре появляются интенсивные сигналы ионов [Co(Bipy)3]2+, [Co(Bipy)2(ClO4)]+ и [Co(Bipy)2Cl]+ (рис. 8).

Рис. 7.

Сравнение парамагнитных областей спектров ЯМР для продуктов восстановления комплекса I до (нижний спектр) и после (верхний спектр) концентрирования раствора реакционной смеси.

Рис. 8.

Сравнение масс-спектров продуктов восстановления комплекса I до (а) и после (б) концентрирования раствора реакционной смеси.

Таким образом, нами предложен подход, позволяющий отслеживать процесс редокс-активации лекарственных препаратов в комплексах кобальта(III) in situ с помощью спектроскопии ЯМР. С использованием предложенного подхода исследовано восстановление комплексов [Co(Bipy)2-(coumarin)]ClO4 (I) и [Co(Phen)2(coumarin)]ClO4 (II), содержащих в своем составе анион 6,7-дигидроксикумарина в качестве одного из лигандов. Оказалось, что восстановление комплекса II аскорбиновой кислотой протекает заметно быстрее. С помощью спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии также удалось показать, что конечным продуктом восстановления указанных комплексов кобальта(III) являются комплексы кобальта(II) состава [Co(Phen)3]2+A2– и [Co(Bipy)3]2+A2–.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Список литературы

  1. Brown J.M., Wilson W.R. // Nat. Rev. Cancer. 2004. V. 4. P. 437.

  2. Zhang P., Sadler P.J. // Eur. J. Inorg. Chem. 2017. P. 1541.

  3. Areas E.S., Paiva J.L.A., Ribeiro F.V. et al. // Eur. J. Inorg. Chem. 2019. V. 37. P. 4031.

  4. Renfrew A.K., O’Neill E.S., Hambley T.W. et al. // Coord. Chem. Rev. 2018. V. 375. P. 221.

  5. Palmeira-Mello M.V., Caballero A.B., Ribeiro J.M. et al. // J. Inorg. Biochem. 2020. V. 211. P. 111211.

  6. Jungwirth U., Kowol C.R., Keppler B.K. et al. // Antioxid. Redox. Signal. 2011. V. 15. P. 1085.

  7. Graf N., Lippard S.J. // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2012. V. 64 P. 993.

  8. Ware D.C., Siim B.G., Robinson K.G. et al. // Inorg. Chem. 1991. V. 30. P. 3750.

  9. Craig P.R., Brothers P.J., Clark G.R. et al. // Dalton Trans. 2004. V. 4. P. 611.

  10. Failes T.W., Cullinane C., Diakos C.I. et al. // Chem. Eur. J. 2007. V. 13. P. 2974.

  11. Karnthaler-Benbakka M.S.C., Groza M.S.D., Kryeziu M.K. et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2014. V. 53. P. 12930.

  12. Souza I.S.A., Santana S.S., Gomez J.G. et al. // Dalton Trans. 2020. V. 49. P. 16425.

  13. Sarkar T., Kumar A., Sahoo S. et al. // Inorg. Chem. 2021. V. 60. P. 6649.

  14. Vlcek A.A. // Inorg. Chem. 1967. V. 6. P. 1425.

  15. Ma D.-L., Wu C., Cheng S.-S. et al. // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. P. 341.

  16. Sheldrick G.M. // Acta Crystallogr. A. 2008. V. 64. P. 112.

  17. Dolomanov O.V., Bourhis L.J., Gildea R.J. et al. // J. A-ppl. Cryst. 2009. V. 42. P. 339.-

  18. Stamatatos T.C., Bell A., Cooper P. et al. // Inorg. Chem. Commun. 2005. V. 8. P. 533.

  19. Alvarez S. // Chem. Rev. 2015. V. 115. P. 13447.

Дополнительные материалы отсутствуют.