Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2020, T. 494, № 1, стр. 15-20

О влиянии природы заместителей на антимикробную активность водорастворимых ацилгидразонов на платформе изатина

А. В. Богданов^1, *, А. Д. Волошина¹, А. Р. Хаматгалимов¹, Н. В. Терехова¹, член-корреспондент РАН В. Ф. Миронов¹

¹ Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова ФИЦ Казанский научный центр Российской академии наук
Казань, Россия

^* E-mail: abogdanov@inbox.ru

Поступила в редакцию 23.06.2020
После доработки 06.07.2020
Принята к публикации 02.09.2020

DOI: 10.31857/S2686953520050040

Полный текст (PDF)

Аннотация

На примере некоторых аммониевых изатин-3-ацилгидразонов с использованием простых молекулярных дескрипторов и квантово-химических расчетов выявлена зависимость уровня антимикробной активности от объема и электронной природы заместителей в бензильном фрагменте. Показано, что для проявления активности ключевыми факторами являются строение и электронная природа заместителей в положении 1 и липофильность соединений данного ряда.

Ключевые слова: антимикробная активность, гидразоны, гетероциклы, “структура–активность”, изатин

Гетероциклическая платформа оксиндола встречается во многих биологически активных соединениях и относится к классу “привилегированных структур” [1]. Среди многообразия соединений, содержащих этот структурный мотив, наиболее широко исследуемым является изатин (индолин-2,3-дион). Легкость модификации по карбонильной группе, ароматическому фрагменту и атому азота обусловливает большие возможности и перспективы его применения в медицине, органическом синтезе и химии функциональных материалов [2–6] с возможностью управления свойствами его производных в результате модификации того или иного реакционного центра. Известно, что многочисленные производные изатина проявляют различные виды биологической активности, такие как противораковая [7], антитуберкулезная [8], антимикробная [9] и фунгицидная [10]. Одним из наиболее изучаемых классов являются изатин-5-сульфонамиды, которые обладают свойством ингибирования каспаз – ключевых апоптотических ферментов. Функционализация оксиндольного цикла гидразонным фрагментом зачастую приводит к проявлению данными соединениями новых видов активности (схема 1). При этом следует отметить существенное влияние строения заместителей на периферии гетероциклической платформы на уровень и тип физиологического действия.

Схема 1.

В этом контексте одной из главных проблем, ограничивающих проведение большего спектра биологических исследований, является плохая растворимость целевых соединений в биосовместимых растворителях, и прежде всего в воде. Одним из решений этой задачи может являться введение в структуру производного изатина солевого фрагмента, в качестве источника которого могут выступать реагенты Жирара – гидразиды, содержащие положительно заряженный атом азота.

Высокая реакционная способность карбонильной группы изатина в положении 3 позволяет разрабатывать подход к получению водорастворимых аммониевых изатин-3-ацилгидразонов [11–14]. Исследования антимикробной активности указывают на высокий потенциал нескольких рядов этих соединений в дизайне и поиске эффективных и нетоксичных антимикробных агентов.

В данной работе представлен синтез ряда новых триметиламмониевых изатин-3-ацилгидразонов, содержащих различные по строению и электронной природе заместители в бензильном фрагменте (схема 2).

Схема 2.

Строение полученных соединений было подтверждено данными ¹Н и ¹³С ЯМР, ИК-спектроскопии и масс-спектрометрии МАЛДИ (табл. 1).

Таблица 1.

Спектральные характеристики и константы соединений 2а–е^а

Соединение^б	¹H ЯМР (CDCl₃, δ, м. д., J, Гц); ¹³С ЯМР (CDCl₃, δ, м. д.); ИК (ν, см^–1); MALDI TOF, m/z
2а	Желтый порошок, выход 84%. ¹Н ЯМР: 7.69 (д, 1H, J 7.6, Н_аром), 7.21–7.28 (м, 6H, Н_аром), 7.05 (д. д, 1H, J 7.1, 8.2, Н_аром), 6.78 (д, 1Н, J 8.1, Н_аром), 5.11 (с, 2H, С(О)CН₂), 4.87 (с, 2H, NCН₂), 3.50 (с, 9Н, NСН₃). ¹³С ЯМР: 158.2, 150.3, 138.6 138.4, 130.8, 130.4, 127.7, 126.10, 126.06, 125.7, 124.2, 117.8, 110.7, 77.2, 67.0, 43.6. ИК: 3400 (ν_NH), 2954 (ν_CH), 2926 (ν_Ar–H), 1710 (ν_C=O), 1678 (ν_C=O), 1615 (ν_C=C). MALDI TOF: 351 [M–Cl]⁺. Т_пл 248°С. Элементный анализ. Найдено, %: C, 61.90; H, 5.87; N, 14.40. Вычислено для C₂₀H₂₃ClN₄O₂, %: C, 62.09; H, 5.99; N, 14.48.
2б	Желтый порошок, выход 93%. ¹Н ЯМР: 7.66 (уш. с, 1H, Н_аром), 7.39–7.37 (м, 3H, Н_аром), 7.29 (д, 2Н, J 7.9, Н_аром), 7.14 (т, 1H, J 7.4, Н_аром), 6.98 (д, 1Н, J 7.9, Н_аром), 6.65 (д. д, 1Н, J 17.6, 11.0, СН=СН₂), 5.75 (д, 1Н, J 17.6, СН=СН₂), 5.22 (д, 1Н, J 11.0, СН=СН₂), 4.90 (с, 2H, NCН₂), 3.99 (с, 2H, С(О)CН₂), 3.30 (с, 9Н, NСН₃). ¹³С ЯМР: 166.7, 161.3, 143.7, 137.5, 136.6 136.0, 135.6, 133.0, 128.5, 127.2, 124.4, 122.1, 119.5, 115.6, 111.2, 62.8, 54.6, 40.0. ИК: 3433 (ν_NH), 3010 (ν_CH), 2937 (ν_Ar–H), 1678 (ν_C=O), 1615 (ν_C=C). MALDI TOF: 377 [M–Cl]⁺. Т_пл 230°С. Элементный анализ. Найдено, %: C, 63.85; H, 6.00; N, 13.39. Вычислено для C₂₂H₂₅ClN₄O₂, %: C, 63.99; H, 6.10; N, 13.57.
2в	Желтый порошок, выход 90%. ¹Н ЯМР: 8.03–7.99 (м, 2H, Н_аром), 7.64 (д, 1Н, J 7.7, Н_аром), 7.42–7.32 (м, 3H, Н_аром), 7.14 (д. д, 1H, J 7.8, 7.5, Н_аром), 6.81 (м, 1Н, Н_аром), 4.93 (с, 2H, С(О)CН₂), 4.75 (с, 2H, NCН₂), 3.41 (с, 9Н, NСН₃). ¹³С ЯМР: 166.4, 160.9, 147.3, 143.5, 143.1, 135.4, 132.6, 128.8, 124.1, 123.9, 121.5, 119.1, 110.7, 62.2, 53.9, 42.5. ИК: 3412 (ν_NH), 2972 (ν_CH), 2902 (ν_Ar–H), 1710 (ν_C=O), 1692 (ν_C=O), 1613 (ν_C=C). MALDI TOF: 397 [M–Cl]⁺. Т_пл 247°С (разл.). Элементный анализ. Найдено, %: C, 55.50; H, 5.01; N, 16.09. Вычислено для C₂₀H₂₂ClN₅O₄, %: C, 55.62; H, 5.13; N, 16.22.
2г	Желтый порошок, выход 95%. ¹Н ЯМР: 7.71 (д, 1H, J 1.9, Н_аром), 7.66 (м, 1H, Н_аром), 7.62 (д, 1H, J 8.3, Н_аром), 7.45 (д. д, 1H, J 8.0, 1.7, Н_аром), 7.38 (д, 1H, J 8.3, Н_аром), 7.19 (д, 1H, J 7.7, Н_аром), 7.12 (д, 1H, J 8.0, Н_аром), 5.00 (ушир. с, 4H, NCН₂, С(О)CН₂), 3.35 (ушир. с, 9Н, NСН₃). ¹³С ЯМР: 168.1, 165.0, 142.9, 136.8, 132.3 131.3, 130.9, 130.4, 129.6, 127.8, 123.5, 121.1, 110.5, 61.8, 53.5, 41.6. ИК: 3408 (ν_NH), 3018 (ν_CH), 2937 (ν_Ar–H), 1702 (ν_C=O), 1677 (ν_C=O), 1613 (ν_C=C). MALDI TOF: 419 [M–Cl]⁺. Т_пл 221°С (разл.). Элементный анализ. Найдено, %: C, 52.59; H, 4.50; N, 12.09. Вычислено для C₂₀H₂₁Cl₃N₄O₂, %: C, 52.71; H, 4.64; N, 12.29.
2д	Желтый порошок, выход 97%. ¹Н ЯМР: 12.66 (ушир. с, 1H, NН), 8.23 (д, 1H, J 9.3, Н_аром), 8.00 (д. д, 1H, J 8.5, 1.1, Н_аром), 7.89 (д, 1H, J 8.2, Н_аром), 7.70–7.58 (м, 3H, Н_аром), 7.44 (д. д, 1H, J 8.0, 7.3, Н_аром), 7.40 (д. д. д, 1H, J 7.9, 7.9, 1.1, Н_аром), 7.35 (д, 1H, J 7.3, Н_аром), 7.18 (д. д, 1H, J 7.6, 7.6, Н_аром), 7.01 (д, 1H, J 8.0, Н_аром), 5.49 (с, 2H, NCН₂), 5.01 (ушир. с, 2H, С(О)CН₂), 3.36 (ушир. с, 9Н, NСН₃). ¹³С ЯМР: 166.5, 159.8, 143.8, 138.3, 133.7, 132.8, 130.7, 130.5, 129.1, 128.6, 127.1, 126.6, 125.7, 124.7, 123.9, 123.3, 121.5, 119.2, 111.1, 62.4, 54.1, 41.4. ИК: 34248 (ν_NH), 3057 (ν_CH), 2961 (ν_Ar–H), 1718 (ν_C=O), 1688 (ν_C=O), 1612 (ν_C=C). MALDI TOF: 401 [M–Cl]⁺. Т_пл 200°С. Элементный анализ. Найдено, %: C, 65.87; H, 5.58; N, 12.71. Вычислено для C₂₄H₂₅ClN₄O₂, %: C, 65.97; H, 5.77; N, 12.82.
2е	Все физико-химические характеристики и константы совпали с описанными ранее в [16].

^а Эксперименты ЯМР были проведены на спектрометрах Avance-400 и 600 (Bruker, Германия) в растворе CDCl₃ или ДМСО-d₆ при температуре 30°С. Спектры ИК снимали на Фурье-спектрометре Vector 22 (Bruker, Германия) в таблетках KBr. Масс-спектры регистрировали на масс-спектрометре MALDI‑TOF Ultraflex III (Bruker, Германия). Элементный анализ выполнен на анализаторе EuroVector 2000 CHNS-O (Италия). В работе использованы штаммы микроорганизмов Staphylococcus aureus ATCC 209p, Bacillus cereus ATCC 8035. ^б2а, хлорид 2-[2-(1-бензил-2-оксоиндолин-3-илиден)гидразинил]-N,N,N-триметил-2-оксоэтиламмония; 2б, хлорид N,N,N-триметил-2-оксо-2-{2-[2-оксо-1-(4-винилбензил)индолин-3-илиден]гидразинил}этиламмония; 2в, хлорид N,N,N-триметил-2-оксо-2-{2-[2-оксо-1-(4-нитробензил)индолин-3-илиден]гидразинил}этиламмония; 2г, хлорид 2-{2-[1-(3,4-дихлорбензил)-2-оксоиндолин-3-илиден]гидразинил}-N,N,N-триметил-2-оксоэтан-1-аммония; 2д, хлорид N,N,N-триметил-2-{2-[1-(нафталин-1-илметил)-2-оксоиндолин-3-илиден]гидразинил}-2-оксоэтиламмония.

Наличие в структуре соединений 2 гидразонного фрагмента подтверждается присутствием в спектрах ¹H ЯМР сигналов протонов NH-группы в области 12 м. д., интенсивных синглетов протонов метильных групп в области 3.30–3.50 м. д. и уширенных сигналов метиленовых протонов гидразонного фрагмента в области 5 м. д. Кроме того, в спектрах ИК присутствуют полосы поглощения в области 3400 см^–1, соответствующие колебаниям связи N–H. В масс-спектрах соединений 2а–е, зарегистрированных в положительной моде, детектируются пики, соответствующие массам катионной части молекул.

Исследование антимикробной активности полученных соединений показало сильную зависимость уровня активности от строения заместителей в бензильном фрагменте (табл. 2).

Таблица 2.

Антимикробная активность соединений 2а–е

Соединение	Sa^а	Bc^а
2а	>500	>500
2б	125 ± 10.1	>500
2в	>500	>500
2г	250 ± 20.1	>500
2д	62.5 ± 5.8	>500
2е	3.9 ± 0.2	15.6 ± 1.2
Хлорамфеникол	62.5	62.5

^а Приведены данные минимальных ингибирующих концентраций (МИК, мкг/мл).

Так, производные 2в,г, содержащие электроноакцепторный заместитель (нитро-группу или атом хлора), не проявляли активности против золотистого стафилококка и Bacillus cereus. Наиболее активным в отношении данных патогенов оказалось соединение 2е, превосходящее препарат сравнения – хлорамфеникол – в отношении Staphylococcus aureus (Sa) в 18 раз и Bacillus cereus (Bc) в 4 раза.

Мы предположили, что проявление антимикробной активности может зависеть, прежде всего, от липофильности представителей данного ряда производных изатина. Полученный ряд соединений был оценен при помощи простых молекулярных дескрипторов, рассчитанных с использованием сервиса Molinspiration [15], которые широко используются для анализа биологически активных соединений (табл. 3).

Таблица 3.

Антимикробная активность и некоторые расчетные данные для соединений 2а–е

Соединение	Sa^а	Bc^а	M^б	logP^в	V^г
2а	–	–	386.88	–1.66	330.53
2б	303	–	412.92	–0.81	358.26
2в	–	–	431.88	–1.70	396.43
2г	550	–	455.76	–0.38	357.60
2д	143	–	436.94	–0.50	374.52
2е	7.6	30.3	515.10	1.39	470.92

^а Минимальные ингибирующие концентрации представлены в мкМ/л, ^б рассчитаны по атомным весам, ^в значения logP это milog P, расчитанные при помощи сервиса Molinspiration, ^гмолярный объем

На основании полученных данных можно сделать вывод, что определяющим фактором является липофильность (log P) исследуемых соединений, что объясняет результаты, полученные для соединений 2а,в, и наибольшую активность для соли 2е в отношении как Sa, так и Bc. Интересно соотношение структура–активность для производных 2в–д, в случае которых значения минимальных ингибирующих концентраций (МИК) изменяется немонотонно. Видно, что введение в бензильный фрагмент атомов хлора приводит к снижению активности в сравнении с алифатическими заместителями производных 2б и 2г, несмотря на большее значение log P. Данную зависимость, вероятно, можно объяснить сольватационными эффектами в отношении более полярной молекулы соединения 2г в водной среде, что и приводит к снижению ее активности. Однако данный вопрос требует дополнительных исследований.

Квантово-химические расчеты (Gaussian 16/B3LYP/6-31+G*) показали, что введение заместителей к атому азота в гетероциклическом фрагменте влияет на состав и энергии граничных орбиталей. Так, в случаях соединений 2а,в ВЗМО локализована на гетероциклическом фрагменте, в то время как для соединений 2б,г–е основной вклад в нее вносят атомные орбитали заместителей (рис. 1).

Рис. 1.

ВЗМО в соединениях 2а–е.

Это приводит к изменению энергии ВЗМО, а также размера энергетической щели ВЗМО–НВМО, которая в случаях соединений 2а,в,г предсказывалась выше (табл. 4).

Таблица 4.

Размер энергетической щели ВЗМО-НВМО (эВ), молярный объем (V_m, см³/моль), молекулярный объем (V_mol, ×10^–22 см³)

	ВЗМО-НВМО	V_m	V_mol
2а	3.40	264.47	4.39
2б	2.78	313.62	5.21
2в	3.44	276.73	4.59
2г	3.33	282.82	4.69
2д	2.57	293.47	4.87
2е	2.58	336.63	5.59

Кроме того, наблюдается корреляция между объемом катионов солей и антимикробной активностью. Так, соединения 2б,д,е с большими молярным и молекулярным объемами и проявляют активность (табл. 4).

Таким образом, комплексный подход с использованием квантово-химических расчетов и компьютерного моделирования и экспериментальных данных позволил выявить зависимость антимикробной активности от строения аммониевых изатин-3-ацилгидразонов. При этом было установлено, что, чем выше липофильность и объем молекулы данных соединений, тем выше их антимикробная активность.

Список литературы

Welsch M.E., Snyder S.A., Stockwell B.R. // Curr. Opin. Chem. Biol. 2010. V. 14. P. 347–361.
Xu Zh., Zhang Sh., Gao Ch., et al. // Chinese Chem. Lett. 2017. V. 28. P. 159–167.
Zhang Y.-Zh., Du H.-Zh., Liu H.-L., et al. // Arch. Pharm. Chem. Life Sci. 2020. V. 353. e1900299.
Bogdanov A.V., Musin L.I., Mironov V.F. // Arkivoc. 2015. V. 6. P. 362–392.
Bogdanov A.V., Mironov V.F. // Synthesis. 2018. V. 50. P. 1601–1609.
Decker M., editor. Design of Hybrid Molecules for Drug Development. Elsevier, 2017. 352 p.
Limpachayaporn P., Schäfers M., Haufe G. // Future Med. Chem. 2015. V. 7. P. 1173–1196.
Kumar S.B., Ravinder M., Kishore G., et al. // Med. Chem. Res. 2014. V. 23. P. 1934–1940.
Al-Wabli R.I., Zakaria A.S., Attia M.I. // Molecules 2017. V. 22. P. 1958–1973.
Wang J., Tan H., Li Y., et al. // J. Agric. Food Chem. 2011. V. 59. P. 9892–9900.
Bogdanov A.V., Kadomtseva M.E., Bukharov S.V., et al. // Russ. J. Org. Chem. 2020. V. 56. P. 555–558.
Bogdanov A.V., Zaripova I.F., Voloshina A.D., et al. // J. Fluorine Chem. 2019. V. 227. P. 109345.
Pashirova T.N., Bogdanov A.V., Zaripova I.F., et al. // J. Mol. Liq. 2019. V. 290. P. 111220.
Bogdanov A.V., Zaripova I.F., Voloshina A.D., et al. // ChemistrySelect 2019. V. 4. P. 6162–6166.
http://www.molinspiration.com
Bogdanov A.V., Zaripova I.F., Voloshina A.D., et al. // Monatsh. Chem. 2018. V. 149. P. 111–117.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал