Аннотация результатов, полученных в 2014 году
1.Синтезированы дигетарилы, включающие суперэлектрофильный и π-избыточные ароматические гетероциклы. Реакция 5,7-динитро-4-хлорбензофуразана с производными индола и пиррола, протекающая по механизму SNAr–SEAr, приводит к образованию дигетарилов с внутримолекулярным переносом заряда. Разработан метод аннелирования пиррольного и дигидропиррольного цикла к нитробензофуразановому фрагменту путём присоединения нестабилизированного азометин-илида к связи С=С динитробензофуразана. Структура производных нитробензофуразана исследована методами РСА, спектроскопии ЯМР и квантово-химических расчётов ab initio и методом DFT. 2. Разработанный нами метод синтеза 7-замещённых производных динитробензофуразана в сочетании с реакциями [3+2] циклоприсоединения позволяет получать новые гетероциклические системы, содержащие π-избыточные и π-дефицитные фрагменты, представляющие интерес для медицинской химии в качестве экзогенных доноров оксида азота (NO) – уникального регулятора множества физиологических и патологических процессов в организме человека. Варьируя π-избыточные фрагменты молекул аналогов этого соединения, можно направленно менять её пространственное строение, тем самым делая её более или менее комплементарной сайтам связывания важнейших биомишеней (ферменты, мембранные рецепторы, ионные каналы). 3. Квантово-химическим методом CASSCF изучена конкуренция реакций Норриша типа I (RNI) и II (RNII) в бутанале, пентанале, метилпропилкетоне, а также в бутен-2-але, бутинале и альдимине. По данным расчетов, в бутанале возможно протекание следующих четырех процессов: 1) диссоциация Сα-Н связи в T1 состоянии (процесс RNI), 2) диссоциация Сα-Сβ связи в T1 состоянии (процесс RNI), 3) внутримолекулярный водородный сдвиг в S1 состоянии (процесс RNII), 4) внутримолекулярный водородный сдвиг в T1 состоянии (процесс RNII). Важнейшие результаты получены для изоэлектронных нитрозопропена и нитрозопропана, где единственно возможным является фотохимический гомолиз связи C-N в RNI, моделирующий аналогичный процесс в прекурсорах оксида азота (II) NO. 4. При изучении синтезированных нами потенциальных доноров оксида азота с помощью бактериальных биосенсоров, позволяющих количественно определять NO-донорную способность соединений in vivo, были выявлены семь соединений, проявляющих повышенную биологическую активность и достойных дальнейшего изучения: три производных нитробензофуразана и четыре производных нитробензофуроксана. В качестве эталонных источников NO-донорной активности использовались нитроглицерин и NOC-5. Выявлено соединение-лидер, превосходящее эталоны на порядок по активности. 5. 4,6-Динитро-7-хлорбензофуроксан и 4,6-динитро-7-хлорбензофуразан вступают в SNAr-SEAr взаимодействие с триметоксибензолом с образованием 7-(триметоксифенил)производных. Высокая электрофильность полученых таким образом диарилов позволяет им вступать в реакции [4+2] циклоприсоединения с циклопентадиеном и винилэтиловым эфиром, а также в реакции [3+2] циклоприсоединения. Пирролобензофуроксан, образовавшийся в результате ароматизации продукта присоединения азометин-илида, претерпевает в растворе обратимую N1 N3 оксидную перегруппировку. Строение N1-O и N3-O таутомеров доказано методом РСА. Механизм перегруппировки исследован с помощью DFT и ab initio квантово-химических расчетов с учетом теории возмущений MP2. Рассчитанная величина энергии активации хорошо соответствует экспериментальным данным, полученным методом динамического 1H ЯМР.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Важнейшие результаты исследований. 1. Экспериментально (методами ЯМР и РСА) и квантово-химически (DFT расчетами в базисе B3LYP/6-31G*) доказано, что циклоприсоединение производных [3]дендралена к нитробензодифуроксану и динитробензофуроксану протекает по постадийному механизму с промежуточным образованием σ-комплекса. Установлено, что стадии процессов циклоприсоединения, идущие с нарушением эндо-правила Альдера, характеризуются значительными величинами разности глобальных индексов электрофильности реагентов (дельта омега > 3.0 эВ). Стадии, для которых дельта омега ≤ 3.0 эВ, протекают в согласии с эндо-правилом Альдера как концертные. РСА и квантово-химические расчеты в рамках модели AIM выявили внутримолекулярные аттрактивные взаимодействия валентно несвязанных атомов в циклоаддукте фенилдендралена и нитробензодифуроксана. 2. При помощи квантово-химических DFT/B3LYP и ab initio расчетов в базисе 6-31++G** показано, что реакции между 5-нитро-7,8-фуроксанохинолином и этилвиниловым эфиром / триметилсилоксибутадиеном / циклопентадиеном протекают по механизму [4+2] эндо-циклоприсоединения с обратными электронными требованиями. Далее, в случае диенов, продукты [4+2] эндо-циклоприсоединения перегруппировываются в экспериментально выделяемые [2+4] циклоаддукты по механизму [3,3] сигматропной перегруппировки Кляйзена. Обнаруженная последовательность стадий не зависит от положения N-оксидного атома кислорода в фуроксановом цикле. Во всех рассмотренных системах промежуточные сигма-комплексы не образуются. Рассчитанные величины активационных барьеров, тепловые эффекты, а также региоселективность процессов хорошо коррелируют с полярностью реагентов, рассчитанной по индексам электрофильности Парра. 3. Впервые разработан метод синтеза нитроарильных производных ацетонилберберина, заключающийся в однореакторном взаимодействии берберина, ацетона и нейтральных ароматических электрофилов (пикрилхлорид, нитрохлорбензофуразан, динитрохлорбензофуразан). Установлено, что при взаимодействии предварительно выделенного ацетонилберберина с этими же нитроарилами целевые продукты реакции не образуются. Разработанный нами метод введения производных нитробензоксадиазола, являющихся экзогенными источниками оксида азота, открывает путь к введению фармакофорных фрагментов в молекулу берберина, усиливающих его кардиопротекторное действие. 4. При помощи квантово-химических DFT расчетов в базисе B3LYP/6-311++G** с учетом эффектов сольватации изучен механизм тиол-индуцируемой деструкции незамещенного и аннелированных фуроксанов с образованием оксида азота (II). Для всех систем показана предпочтительность образования NO по радикальному механизму в результате атаки тиол-радикалом HS˙ по атому углерода, связанному с N-оксидной группой. Анионные механизмы с участием тиолят-анионов HS- во всех случаях нереализуемы из-за их высокой эндотермичности. На основании экспериментальных исследований и квантово-химических расчетов предложен термодинамически обоснованный радикальный механизм тиол-индуцируемого образования NO из фуроксанов, - незамещенного и аннелированного с бензольной и динитробензольной системами. Расчеты МЭП обнаружили единый энергетически предпочтительный механизм образования NO в результате атаки одного и того же положения C(7а) для аннелированных систем и структурно аналогичного положения С(3) для неаннелированного фуроксана, независимо от природы заместителя в радикале RS˙ и с образованием интермедиата в виде σ-комплекса. Далее этот интермедиат в одну стадию переходит во всех случаях в продукты реакции, образуя NO. Рассчитанные активационные характеристики реакций согласуются с данными биохимических исследований. При этом низкий активационный барьер образования NO в атаке фуроксана гидросульфид-радикалом, хотя и возрастает в результате аннелирования с бензольным и динитробензольным кольцами, тем не менее, по-прежнему достаточно мал и вполне приемлем для практического использования систем. 5. При тестировании более 60 нитрогетарилов, синтезированных в ЮФУ и ИОХ РАН (индукция SOX-оперона у E. coli, SOX-тест), установлено, что 23 соединения проявляют способность к NO-индукции в 1.5-6 раз большую, чем препарат сравнения – нитроглицерин. Наименьшая концентрация, для которой отмечен значимый эффект данных веществ, – 0.00001мг/мл. Методом ЭПР спектроскопии обнаружено образование парамагнитных мононитрозильных комплексов железа для трех соединений-лидеров, что является дополнительным экспериментальным подтверждением их способности к индукции NO. В опытах с грам-положительными бактериями Streptococcus mutans ATCC 25175 антимикробный эффект зарегистрирован для пяти соединений. Этот результат может иметь практическое значение, поскольку Streptococcus mutans является микроорганизмом, ассоциированным с развитием кариеса.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Важнейшие результаты исследований. 1. Разработан метод синтеза нитроарильных производных дигидроберберина, заключающийся во взаимодействии дигидроберберина и ароматических электрофилов (пикрилхлорида, нитрохлорбензофуразана, динитрохлорбензофуразана и динитрохлорбензофуроксана). Впервые использован дигидроберберин в качестве субстрата для введения нитроарильных заместителей. Молекулярным докингом показано, что полученные 13-замещенные дигидроберберина, обладающие биполярной структурой, могут эффективно связываться с G-квадруплексами теломерных фрагментов ДНК. Экспериментальным свидетельством значительного вклада резонансных структур с внутримолекулярным переносом заряда является величина химических сдвигов сигналов протонов, расположенных рядом с атомом азота берберинового фрагмента. Для подтверждения цвиттер-ионного характера полученных соединений проведены квантово-химические DFT-расчеты в базисе B3LYP/6-31G(d,p). В качестве критерия переноса заряда выбран суммарный малликеновский заряд на нитроарильном (и бербериновом) фрагменте. Максимальный перенос заряда (0.425ē) наблюдается у динитробензофуроксанового производного дигидроберберина. Цвиттер-ионные структуры на основе берберина могут рассматриваться как перспективные лиганды для связывания с G-квадруплексами теломерных фрагментов ДНК. Для подтверждения этой гипотезы нами был проведен молекулярный докинг синтезированных нитроарильных производных с рядом известных G-квадруплексов. Наиболее прочное связывание происходит с рыхлыми G-квадруплексами теломераз, образованными несколькими нитями ДНК. Следует отметить, что в ряду оксадиазолов биологическая активность находится в прямой зависимости от вклада цвиттер-ионной структуры в их электронное строение. Динитробензофуроксановое производное образует интеркаляционный комплекс, в котором бербериновый остов находится между двумя петлями нуклеиновой кислоты и координирован четырьмя фрагментами гуанина. Нитроарильная часть молекулы в ассоциате расположена под значительным углом к бербериновому скелету и образует при этом две дополнительные водородные связи с NH-группами тиминовых фрагментов. 2. Детально изучены пути взаимодействия 5-нитро-7,8-фуроксанохинолина (NFQ) с С-нуклеофилами. При реакции с диметиламиноанилином образуются и препаративно выделяются продукты восстановления: нитрохинолинофуразан и аминодинитрохинолин; продукт С-замещения нитро-группы – 5-((п-диметиламино)фенил)фуроксанохинолин, и продукт «бейрутской реакции» – дигидрохиноксалин диоксид. Исследованы реакции элиминирования азотистой кислоты и последующего окисления (ароматизации) продукта (3+2)-циклоприсоединения (ЦП) азометин-илида к NFQ. Экспериментально и теоретически изучены процессы 1,3-N-оксидной таутомерии всех производных фуроксанохинолина. 3. Для исследования электрофильной активации С-Н-связи синтезирован новый представитель солей пирилия, содержащий две активные функциональные группы в шестичленном пирановом кольце – алкильную и формильную. Наличие формильной группы значительно уменьшает электронную плотность в пирилиевом катионе, повышает его электроноакцепторную способность, и вызывает электрофильную активацию С-Н-связи. С другой стороны, за счёт электороноакцепторного влияния катиона пирилия повышается активность самой карбонильной группы. Такое взаимное усиление реакционной способности системы позволило осуществить необычное превращение под действием триэтилортоформиата. Конденсация по метиленовому фрагменту этильной группы сопровождается домино-процессом присоединения-отщепления этанола и приводит к необычной рециклизации исходного катиона в бициклический перхлорат пирано[3,4-c]пирилия, содержащий фенильные заместители в разных пирановых кольцах. Строение полученного перхлората доказано методом РСА, а его образование объяснено методами квантовой химии – согласно расчётам превращение является экзотермическим процессом. Обнаружено, что оба пирановых кольца подвергаются рециклизации без изменения углеродного скелета исходной молекулы при взаимодействии с ацетатом аммония с образованием 2,7-нафтиридина, строение которого доказано методом РСА. Такое превращение открывает путь к синтезу производных нафтиридина – мало исследованного и перспективного в медико-биологическом плане класса N-гетероциклических соединений. 4. Изучена реакционная способность ряда азометин-илидов (1,3-диполей) в реакциях их присоединения к этилену (процессы, π-изоэлектронные реакции Дильса-Альдера), и определены электронные и структурные факторы, регулирующие селективность процессов. Впервые в группу детально рассмотренных систем, помимо простейших – азометин-илида и изоэлектронного ему аллил-аниона и соответствующих литиевых солей – были также включены их производные, получаемые при замещении центрального атома водорода на электроноакцепторную или электронодонорную группу. Ab initio расчеты в базисах 6-31++G(d,p) и 6-311++G(d,p) с учетом корреляционных поправок по теории возмущений Меллера–Плессетта второго порядка (MP2) показали, что и в случае как азометин-илида, так и метиленаминометанида лития, а также для ряда других азометин-илидов (амино-, гидрокси-, циано-, нитро- и трифторметильных производных 1,3-диполей), выводы о механизме ЦП одни и те же: предпочтителен одностадийный путь процесса. Более того, любые (3+2)-ЦП с участием азометин-илида должны протекать только как одностадийные, а установленные в экспериментах исключения связаны с несимметричным замещением азометин-илида пространственно объемными заместителями или с резко возросшей полярностью реагентов. Проведены DFT расчеты механизма экспериментально наблюдаемого донирования NO арилзамещенными нитробензофуроксанами с использованием функционалов B3LYP и UB3LYP в базисе 6-311++G (d,p). Было показано, что деструкция рассматриваемого фуроксана под действием сульфанильного радикала легче протекает именно в 3-N-оксидной форме. Фуроксаны могут реализовать NO-донорную функцию не только в тиол-индуцированном процессе, но также через стадию отщепления молекулы азотистой кислоты, являющейся возможным прекурсором оксида азота (II). Неферментативный процесс отщепления NO, промоделированный нами с помощью квантово-химических расчетов, энергетически оказался менее выгодным. 5. Исследования биологической активности в 2016 году проводились по 5 направлениям. Во-первых, было продолжено тестирование способности производных нитробензофуроксана к индукции SOX-оперона у E. coli (SOX-тест). Данная активность позволяет отобрать для дальнейшего исследования потенциальные доноры оксида азота. Во-вторых, было проведено тестирование ДНК-протекторной активности новых производных нитрофуроксанов. В-третьих, была исследована антимикробная активность доноров оксида азота (способность подавлять рост E.coli). В-четвертых, был проведен тест на цитотоксичность исследуемых соединений. В-пятых, определено гемолитическое действие наиболее эффективных доноров оксида азота. Наиболее существенные результаты: А. Выявлено новое соединение, показавшее выдающиеся NO-донорные свойства. Его действие превышает активность нитроглицерина в 65 раз, а эффект соединения-лидера, синтезированного нами ранее, в 7 раз. Таким образом, это производное нитробензофуроксана представляет интерес для дальнейшего более глубокого исследования и практического применения. Следует подчеркнуть, что его NO-донорные свойства также подтверждены in vitro методом ЭПР с использованием спиновых ловушек. Б. ДНК-протекторная активность (в системе диоксидин/E.сoli.) 16 соединений достигала 100%, ещё 15 веществ – от 32% до 99%. Протекторная активность антиоксиданта сравнения (альфа-токоферола) в данной системе не превышает 50%. Полученные результаты также представляют интерес для медицинской химии. В. Шесть структур продемонстрировали антибактериальный эффект (максимальный диаметр зоны подавления роста E.coli составил 18 мм). Антибактериальное действие вероятно связано с подавлением биоэнергетических систем бактериальной клетки (на основании результатов тестов по ингибированию свечения штамма E.coli MG 1655 pXen в бедной среде с глюкозой). Г. Методом ЭПР на тканях (кровь, печень, кишечник) лабораторных животных подтверждены NO-донорные свойства синтезированных нами в ходе выполнения проекта соединений-лидеров. Выявлены различия в скорости метаболизма и трансформации трех соединений, а также параметров депонирования NO в виде комплексов с эндогенными лигандами. Установлено (на основании оценки уровня оксида азота в комплексах), что исследуемые вещества являются эффективными вазодилататорами и существенно влияют на гемодинамику животного. Таким образом, совокупность проведенных исследований (lux-биосенсоры, ЭПР in vitro и in vivo) экспериментально подтверждает перспективность применения производных нитробензоксадиазолов в качестве экзогенных источников оксида азота (II).