Quantum-chemical study of the influence of substitution on anti-virus activity of hydroxyl substituted benzaldehydes and.pdf Введение Гидроксилированный салициловый альдегид обладает антиинфекционными свойствами 1 и содержит фармакофорные фрагменты, входящие в состав госсипола 2 - природного соединения, обладающего высокой противовирусной активностью при низкой токсичности. В работе 3 описан синтез некоторых замещенных бензальдегидов и приведены их ингибирующие свойства, полученные на культурах клеток с вирусами герпеса простого 1 типа. На рис. 1 приведены структуры исследованных замещенных бензальдегидов. В качестве критерия противовирусного действия авторами 3 выбрана величина снижения титра вируса в присутствии исследованных соединений. I IIA IIB III IVA IVB V VI VII VIII IX X Рис. 1. Структурные формулы исследованных соединений Воздействие биологически активных соединений на вирусы и бактерии предполагает наличие специфического межмолекулярного взаимодействия (ММВ) между ними. Ранее авторами 4, 5 при исследовании ММВ между биомолекулами и вирусом было предложено использовать метод молекулярного электростатического потенциала (МЭСП), позволяющий оценить способность биомолекул к специфическим ММВ. В данной работе приведены результаты квантово-химичес¬кого исследования влияния замещения и пространственного строения десяти вновь синтезированных соединений на их протоноакцепторные свойства и биологическую активность (рис. 1; нумерация соединений заимствована из 3). Метод МЭСП и спектры поглощения Метод МЭСП 6 основан на том, что во многих типах межмолекулярных взаимодействий главную роль играют электростатические кулоновские взаимодействия. При этом любую молекулу можно представить как систему ядер и электронного распределения в ограниченной области пространства. Такой системе зарядов будет соответствовать электрическое поле в окружающем молекулу пространстве с определенным значением потенциала в каждой точке. Значения МЭСП вычисляются как энергия электростатического взаимодействия ядер и электронного распределения молекулы с положительным точечным единичным зарядом, помещенным в заданной точке. Физическим аналогом такого пробного заряда является протон. Величина МЭСП является интегральной характеристикой, однако локализация его минимума около определенного атома позволяет анализировать МЭСП данного атома. Величина МЭСП рассчитывалась с использованием волновых функций, вычисленных методом ЧПДП со спектроскопической параметризацией (пакет квантово-химических программ 7, 8). Квантово-химические расчеты большинства замещенных выполнены с усредненной геометрией 9, за исключением молекул госсипола (I) и иминопроизводных (IX и X), для которых геометрия была оптимизирована с использованием программы Chemoffice 10. Для подтверждения достоверности результатов квантово-химических расчетов было проведено сравнение рассчитанных и экспериментальных спектров поглощения базовых структур для рассмотренной серии соединений - 2-метоксибензальдегида (орто-анисового альдегида) и 2,3-дигидроксибензальдегида (табл. 1). Электронные спектры поглощения растворов этих соединений в гексане и этаноле записаны на спектрофотометре Cary-500 Scan UV-Vis-NIR (Varian, США). Концентрация растворов составила 10-4 М, толщина слоя - 1 см. Таблица 1 Рассчитанный и экспериментальный спектры поглощения орто-метоксибензальдегида и 2,3-дигидроксибензальдегида Состояние Расчет Эксперимент Еi, см-1 F Гексан Этанол Еmax, см-1 εmax, л/(мольсм) Еmax, см-1 εmax, л/(мольсм) о-метоксибензальдегид S1(nπ*) 32280 0.0 32470 5400 31250 4000 S2(ππ*) 33050 0.144 S3(ππ*) 36790 0.131 S6(ππ*) 45030 0.650 40490 12500 39220 8900 S8(ππ*) 46970 0.433 47390 24500 46730 16000 S12(ππ*) 48405 0.515 2,3-дигидроксибензальдегид S1(ππ*) 29860 0.119 28990 2000 28570 3100 S2(nπ*) 31540 0.0 S3(ππ*) 35460 0.026 37880 12500 37310 10500 S5(ππ*) 41270 0.707 S6(ππ*) 43420 0.167 47390 13100 45660 13500 S10(ππ*) 47840 0.538 Сравнение результатов расчета с экспериментом показало, что расчет удовлетворительно описывает спектры поглощения растворов этих соединений как по положению, так и по интенсивности (табл. 1). Из расчетов следует, что большинство полос в спектрах поглощения этих соединений состоит из нескольких электронных переходов разной орбитальной природы. Поскольку спектрально-люминесцентные свойства гетероароматических соединений, содержащих атомы с неподеленной парой электронов, сильно зависят от положения nπ*-состояния, важно корректно вычислять величину энергии nπ*-перехода. В обеих молекулах n→π*-переход оказывается в составе длинноволновой полосы спектра поглощения: n→π*-переход является первым в анисовом альдегиде и вторым - в молекуле 2,3-дигидроксибензальдегида. При этом рассчитанная энергия его совпадает с энергией данного перехода в бензальдегиде 11, 12 и в замещенных бензальдегидах 13. Результаты расчета распределения электронной плотности и их обсуждение В табл. 2 приведены рассчитанные величины эффективных зарядов на фрагментах исследованных замещенных бензальдегида. В основном состоянии бензальдегида альдегидная группа является акцептором, а бензольное кольцо (БК) - донором электронной плотности. При введении гидроксильной группы в орто-положение бензальдегида (соединение IV) возникает внутримолекулярная водородная связь О-Н...О=С, наличие которой экспериментально подтверждено в ИК-спектрах молекул некоторых замещенных бензальдегида 14, 15. Образование водородной связи изменяет свойства альдегидной группы: она становится слабым донором и вместе с БК участвует в переносе электронной плотности на гидроксильную группу (табл. 2). В 4-гидроксибензальдегиде (соединение V) сохраняется направление переноса электронной плотности и донорно-акцепторные свойства отдельных фрагментов, но величина переносимой электронной плотности на гидроксильную группу снижена. ОН-группы в 2, 3-дигидрокси-бензальдегиде, связанные с альдегидным фрагментом через водородные связи ОН...ОН...О=С, проявляют акцепторные свойства в большей степени, чем в монозамещенном (табл. 2), при этом основным донором электронной плотности для гидроксильных групп остается БК, а альдегидная группа сохраняет слабые донорные свойства. Таблица 2 Эффективные заряды (qэфф, е) в состоянии S0 на фрагментах бензальдегида и его замещенных Соединение qэфф фрагментов, е СОН, CNH OH (1), ОСН3(1) OH(2), ОСН3(2) БК (1) БК (2) С(СН3)3(1), С(СН3)3(2) Бензальдегид -0.084 - - +0.084 - - IVА -0.033 -0.144 - +0.178 - - IVВ -0.085 -0.088 - +0.173 - - V -0.061 -0.115 - +0.176 - - IIА -0.030 -0.155 -0.123 +0.309 - - IIВ -0.031 -0.143 -0.118 +0.293 - - III -0.091 -0.072 -0.119 +0.281 - - VIII -0.057 -0.367 - +0.264 - +0.123, +0.039 VI -0.076 -0.143 -0.154 +0.273 - +0.058, +0.043 VII -0.131 -0.110 -0.143 +0.231 - +0.102, +0.051 IX -0.183 -0.160 -0.099 +0.082 +0.299 +0.047, +0.016 X -0.167 -0.150 - +0.152 +0.092 +0.047 +0.016 Примечание. Индекс (1) фрагментов ОН или ОСН3 относится к группе, расположенной в о-положении относительно СОН- или СНNPh-групп, индекс (2) - к фрагментам, расположенным дальше от этих групп. Это же относится и к индексам трет-бутильных заместителей. Отсутствие водородной связи между гидроксильными группами (соединение II B) слабо сказывается на процессе перераспределения электронной плотности и свойствах отдельных фрагментов в этой молекуле, но снижает величину МЭСП свободной гидроксильной группы (табл. 3). Замена гидроксильных групп метокси-группами в основном состоянии (соединение III) снижает величину переносимого заряда, сохраняя направление переноса. Метокси-группы выступают более слабыми акцепторами по сравнению с гидроксильными группами (табл. 2). Роль трет-бутильных групп наглядно демонстрирует сравнение электронной плотности на фрагментах следующих пар молекул: II-VI, III-VII и IVA-VIII (табл. 2). Расчеты показали, что трет-бутильные заместители, выступая слабыми донорами электронной плотности (табл. 2), снижают донорные свойства альдегидной группы и БК, радикально не меняют свойства гидроксильных групп (соединения II-VI и IVA-VIII), но увеличивают акцепторные свойства метокси-заместителей (соединения III-VII). Анализ величин МЭСП (U) показал (табл. 3), что в бензальдегиде и его замещенных протоноакцепторные свойства молекулы в целом определяют атомы кислорода трех групп: адьдегидной, гидроксильной и метокси-группы, величины МЭСП которых образуют последовательность UCOH > > UOH > UOCH3. В 2-гидроксибензальдегиде при наличии водородной связи типа О-Н...О=С перераспределение электронной плотности приводит к уменьшению величины потенциала МЭСП альдегидной группы. Таблица 3 Величины потенциалов МЭСП в основном состоянии бензальдегида и ее замещенных Соединение U, кДж/моль Фрагменты СОН ОН(1) ОН(2) OCH3(1) OCH3(2) CNH Бензальдегид -654 - - - - - IVА -528 -362 - - - - IVВ -693 -450 - - - - V -635 -235 - - - - IIА -502 -282 -345 - - - IIВ -520 -384 -336 - - - III -689 - - -283 -193 - VIII -539 -364 - - - - VI -544 -266 -275 - - - VII -684 - - -284 -185 - IX - -232 -308 - - -190 X - -242 - - - -421 Разрыв Н-связи в 2-гидроксибензальдегиде увеличивает МЭСП групп СОН и ОН (соединение IVB, табл. 3). На протоноакцепторные свойства влияет также место замещения гидроксилом. Так, замещение пара-положения бензальдегида увеличивает МЭСП группы СОН и уменьшает МЭСП группы ОН, что является следствием снижения величины переносимой электронной плотности между этими группами (табл. 2). Величина МЭСП гидроксильных групп в соединениях IIА и IIB заметно зависит от типа внутримолекулярных водородных связей (О-Н...О=С или О-Н...О-Н...О=С). Так, наличие двух водородных связей (соединение IIA) делает неравноценными протоноакцепторные свойства групп ОН (1) и ОН (2): гидроксильная группа, участвующая в обеих водородных связях, проявляет меньшую протоноакцепторную активность, чем ОН-группа, образующая водородную связь типа О-Н...О-Н. Отсутствие водородной связи между гидроксильными группами (соединение IIB) выравнивает протоноакцепторные свойства обеих ОН-групп (табл. 3). Рассмотрим влияние трет-бутильных групп на протоноакцепторные свойства исследуемых соединений, сравнимая величины МЭСП гидроксильных групп для пар молекул IVA - VIII, IIA - VI и III - VII. Как показал анализ электронной плотности на отдельных фрагментах исследуемых молекул, сами трет-бутильные группы, введенные в фенил, проявляют слабые донорные свойства. В первой и третьей парах рассматриваемых соединений влияние трет-бутильных заместителей на величины МЭСП гидроксильных групп минимально, заметное влияние этого заместителя проявляется в паре молекул IIА - VI и заключается в снижении величин МЭСП гидроксильных групп в обеих молекулах. Тем не менее именно в этой паре соединений трет-бутильный аналог проявляет биологическую активность, хотя протоноакцепторная способность, связанная с гидроксильными группами в нем, ниже, чем в соединениях VII и VIII. Ранее нами на примере замещенных аминофенола было установлено соответствие между биологической активностью и величиной МЭСП гидроксильной группы 5. Из сравнения величин МЭСП гидроксильных групп в замещенных аминофенола и бензальдегида следует, что гидроксильные группы в замещенных бензальдегида обладают меньшей протоноакцепторной способностью, чем гидроксильные группы в замещенных аминофенола. Так, например, в замещенных аминофенола, обладающих биологической активностью, величина МЭСП гидроксильной группы лежит в пределах -408 ÷ -445 кДж/моль, тогда как для биологически активных бензальдегидов она составляет -232 ÷ -362 кДж/моль. Заметим, что при этом резких различий в величине электронной плотности, переносимой на гидроксильную группу в рядах замещенных аминофенола и бензальдегида, не наблюдается. Это обстоятельство свидетельствует о том, что более объективным отражением протоноакцепторных способностей молекулы (или отдельных ее фрагментов) является именно величина МЭСП, учитывающая не только эффективный заряд конкретного атома, но и общее распределение зарядов в молекуле. Яркой иллюстрацией этого утверждения является сравнение влияния трет-бутильного заместителя на способность к межмолекулярному взаимодействию по электронной плотности на ОН-группах и величине МЭСП в молекулах IVA и VIII: трет-бутильный заместитель, расположенный рядом с гидроксильной группой в молекуле VIII, увеличивает отрицательный заряд на ОН-группе более чем в 2.5 раза, однако величина МЭСП при этом практически не меняется (табл. 2 и 3). Причина заключается в том, что атомы водорода СН3-групп трет-бутильного заместителя несут положительный заряд, что частично компенсирует отрицательный заряд гидроксильной группы и учитывается при расчете величины МЭСП. В качестве критерия противовирусного действия замещенных бензальдегида авторы исследования 3 использовали фактор снижения титра вируса в присутствии испытуемых соединений в сравнении с контролем (госсипол). Определялись средние эффективные концентрации (Е50 % и Е90 %) испытуемых веществ, приводящие к подавлению размножения вируса на 50 % (или 90 %) соответственно. Учитывалась также максимально переносимая для клеток доза препарата. Предполагая, что ингибирующий эффект исследуемых замещенных и токсичность препарата могут иметь различные механизмы взаимодействия с клеткой (или ее фрагментом), при установлении соответствия между степенью противовирусного воздействия и протоноакцепторными свойствами исследуемых замещенных мы воспользовались величиной максимальной (или средней эффективной) концентрации подавления размножения вируса, считая, что первым шагом в подавлении вирусов является возможность межмолекулярного взаимодействия между молекулами (молекулярными структурами) клетки вируса и молекулами препарата. В табл. 4 сопоставлены величины эффективности противовирусного действия Е50 % и Е90 % с величинами МЭСП гидроксильных групп исследованных соединений. Выбор при рассмотрении соответствия именно гидроксильных групп замещенных бензальдегида объясняется тем, что альдегидная группа, имеющая наибольшее значение МЭСП, присутствует и в тех замещенных, для которых экспериментально установлено отсутствие ингибирующего эффекта. Кроме того, при определении Е50 % (или Е90 %) использовались этанольные растворы соединений. Взаимодействие замещенных бензальдегида с протонодонорным растворителем приводит, в первую очередь, к сольватированию молекулами растворителя наиболее сильного протоноакцепторного центра, каким в бензальдегидах является карбонильная группа, и снижению её способности к межмолекулярному взаимодействию (эффект сольватной «шубы»). Анализируя данные табл. 4, видим, что чем меньше эффективная концентрация противовирусного агента, тем выше величина МЭСП гидроксильных групп в нем. Из рассмотренного ряда соединений выпадают структуры VII-X. Молекулы VII и VIII содержат две трет-бутильные группы, которые заметно увеличивают объем молекул в пространстве. Это обстоятельство может затруднять межмолекулярное взаимодействие при сближении молекул вируса и противовирусного агента. В случае молекул VII и VIII величина МЭСП гидроксильных групп существенно зависит от пространственного расположения СН3-фрагментов в метокси-группах относительно друг друга. Эффект влияния СН3-фрагментов состоит в экранировании протоноакцепторного центра, снижении величины МЭСП фрагмента и затруднении подхода к нему. В молекулах IX и X увеличение объема происходит не только за счет трет-бутильного, но и за счет фенилиминометильного заместителя, атом азота которого образует водородную связь с водородом гидроксильной группы 5. Таблица 4 Сопоставление протоноакцепторных свойств гидроксильной группы и фармакологической активности гидроксилзамещенных бензальдегида Соединение ЕС50 %, мкМ ЕС90 %, мкМ U, кДж/моль Фармакологическая активность I 10.6 14.1 -409 Есть IV 21.9 32.6 -362 Есть II 40.8 54.8 -282 -345 Есть VI 70.7 95.0 -266 -275 Есть V 169.6 262.0 -235 Есть III 230.9 306.5 -283 Есть X >200 - -242 Нет IX >400 - -232 -308 Нет VII >800.0 - -284 -185 Нет VIII 944.8 3091.1 -364 Нет Заключение Суммируя результаты нашего исследования, отметим следующее: 1. В соединениях I-VI, проявляющих способность ингибировать вирус герпеса простого I типа, высоки значения МЭСП, связанные с гидроксильными группами (-405 ÷ -235 кДж/моль), т.е. высока протоноакцепторная способность этих соединений, обусловленная гидроксильными группами. 2. Метилирование гидроксильных групп снижает величину МЭСП, связанную с кислородами метокси-заместителей и затрудняет подход к этим протоноакцепторным центрам. 3. Величина МЭСП (протоноакцепторной способности) одной гидроксильной группы выше, чем в соединениях с двумя расположенными рядом группами. 4. Причина ослабления ингибирующего эффекта при введении трет-бутильных заместителей и замене альдегидной группы фенилиминометильной заключается в большом пространственном объеме, занимаемом этими заместителями. Сопоставление наших результатов с выводами работы 3 позволяет установить корреляцию эффективности проявления фармакологической активности с электронным строением, структурными особенностями и протоноакцепторными свойствами биологически активных соединений.

Скачать электронную версию публикации