Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В отчетном периоде Проектом предусматривалось решение двух основных научных задач: 1. Разработка методов синтеза новых типов пиридиниевых солей, обладающих антибактериальным, противогрибковым и антивирусным действием. 2. Разработка новой группы методов мультикомпонентного регио- и стереоселективного синтеза производных пиперидина, обладающих противовирусной и противоопухолевой активностью. 1. Синтез новых типов биспиридиниевых солей. Получены новые биспиридиниевые соли типа хвост-ядро-спейсер-ядро-хвост, где хвост – это длинная алифатическая цепь, ядро – пиридиновый цикл, спейсер – «двухвалентный» фрагмент, соединяющий ядра, на основе 4,4’-бифенилдиола или 4,4’-оксидифенола. Синтезированы 3,3'-[бифенил-4,4'-диилбис(окси)]бис(1-алкилпиридин) дибромиды и 3,3'-[оксибис(4,1-фениленокси)]бис(1-алкилпиридин) дибромиды. Синтез осуществляли, используя следующую методологию: -- сборка «заготовки» (или платформы) ядро-спейсер-ядро, -- N-алкилирование получаемых «заготовок» алкилгалогенидами. 1.2. Изучение биологической активности новых биспиридиниевых солей. Изучен бактериостатический спектр полученных биспиридиниевых солей на патогенных грамм-положительных бактериях Staphylococcus aureus (стафилококк золотистый), патогенных грамм-отрицательных бактериях Escherichia coli (кишечная палочка), Klebsiella pneumoniae (клебсиелла пневмонии), Acinetobacter baumannii (акинетобактерия Бауманна), Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка), а также на двух дрожжевых грибках Candida albicans и Cryptococcus neoformans. Помимо этого, изучено цитотоксическое действие синтезированных соединений на человеческих эмбриональные клетках почек (Human embryonic kidney cells, Hk) и эритроцитах человека (Human red blood cells, Hm). Исходя из полученных данных, можно утверждать, что биспиридиниевые соли, содержащие бифенильный спейсер, несомненно обладают антимикробным действием и, в ряде случаев, превосходят мировые аналоги. Так, соединения 3,3’-[бифенил-4,4’-диилбис(окси)]бис(1-децилпиридиний) дибромид и 3,3’-[бифенил-4,4’-диилбис(окси)]бис(1-додецилпиридиний) дибромид превосходно или на среднем уровне ингибируют рост всех протестированных микробов и грибков. Причем, 3,3’-[бифенил-4,4’-диилбис(окси)]бис(1-децилпиридиний) дибромид можно назвать соединением-лидером, которое по всем показателям ингибирования превосходит образцы сравнения, а 3,3’-[бифенил-4,4’-диилбис(окси)]бис(1-октилпиридиний) дибромид оказался в разы менее токсичным по отношению к эритроцитам человека по сравнению с образцами сравнения. 1.3. Мультикомпонентный синтез пиперидинов. Важным результатом в первый год проекта стала разработка новой методологии мультикомпонентного регио- и стереоселективного синтеза производных пиперидина. Изучена мультикомпонентная реакция между бензилиденмалононитрилами (2 экв), ароматическими альдегидами и ацетатом аммония или аммиаком. Получены 2,4,6-триарил-3,3,5,5-тетракарбонитрилы с выходами 69-96%. Установлено, что данная мультикомпонентная трансформация протекает стереоселективно таким образом, что арильные заместители в пиперидиновом цикле располагаются в стерически менее затрудненных экваториальных положениях. Изучен механизм протекания данной реакции и обнаружено, что мультикомпонентный процесс протекает через ряд равновесий, в том числе через ретро реакцию Кневенагеля. Материалы по данным мультикомпонентным реакциям направлены в редакцию журнала Monatshefte fur Chemie и приняты к печати (14.03.2018), doi:10.1007/s00706-018-2187-x. С целью минимизации побочных процессов и дальнейшего изучения синтетического потенциала предложенной методологии синтеза производных пиперидина авторы проекта изучали мультикомпонентную реакцию бензилиденмалононитрилов, формальдегида и ацетата аммония или аммиака в качестве источника азота. С высокими выходами получены 2,6-диарил-3,3,5,5-тетракарбонитрилы. Образование симметричного продукта подтверждено спектроскопией ЯМР. Сообщение по данной мультикомпонентной реакции направлено в редакцию журнала Известия Академии наук, серия химическая. В настоящий момент статья находится на рецензировании. С целью упрощения вышеперечисленных мультикомпонентных процессов мы изучали возможность получения пиперидинового цикла непосредственно из шести простых молекул, в результате образования новых шести связей. Мы установили, что 2,4,6-триарил-3,3,5,5-тетракарбонитрилы, можно получать в результате псевдо-шестикомпонентного процесса непосредственно из ароматических альдегидов и малононитрила с выходами 62-94%. Следует отметить, что реакция в псевдо-шестикомпонентном варианте также протекает стереоселективно, а пиперидиновый цикл образуется из шести простых молекул (образуются 4 новых связи С-С и две новых С-N связи). Статья по этому материалу принята к печати в журнал Mendeleev Communications, и выйдет в 4-м номере 2018 года, doi:10.1016/j.mencom.2018.07.014. Увеличивая мультикомпонентную составляющую изучаемых процессов, мы осуществили четырехкомпонентный (псевдо-шестикомпонентный) синтез 2,6-диарил-3,3,5,5-тетракарбонитрилов (62-87%) непосредственно из ароматических альдегидов, малононитрила, формальдегида и ацетата аммония. Данная реакция протекает стереоселективно. Ароматические заместители располагаются в экваториальных положениях пиперидинового цикла. В ходе «сборки» пиперидинового цикла образуется 6 новых связей. Статья по данному материалу принята к печати в журнал Research on Chemical Intermediates и доступна в online версии (https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11164-018-3444-7) , doi:10.1007/s11164-018-3444-7. Авторами проекта получены первые результаты по мультикомпонентному синтезу ранее неизвестных эфиров (3SR,4RS,6SR)-4,6-диарил-5,5-дициано-2-оксопиперидин-3-карбоновых кислот из бензилиденмалононитрилов и безилиденмалоновых эфиров и водного аммиака с выходами 72-92%. Установлено, что реакция протекает регио- и стереоселективно как с донорными, так и с акцепторными заместителями в ароматическом кольце. Проведено рентгеноструктурное исследование и установлено, что образующиеся пиперидин-2-оны существуют в (3SR,4RS,6SR)-конфигурации. В настоящий момент проводятся работы по изучению взаимодействия олефинов с различными ароматическими заместителями в водно-спиртовом аммиаке. Также осуществлен четырехкомпонентный синтез эфиров (3SR,4RS,6SR)-4,6-диарил-5,5-дициано-2-оксопиперидин-3-карбоновых кислот непосредственно из бензилиденмалононитрилов, малонового эфира, ароматических альдегидов и ацетата аммония или аммиака. По материалам стереоселективного трех- и четырехкомпонентного синтеза эфиров (3SR,4RS,6SR)-4,6-диарил-5,5-дициано-2-оксопиперидин-3-карбоновых кислот готовится публикация. 1.4. Компьютерное прогнозирование биологической активности пиперидинов. В ходе предварительного тестирования полученных пиперидиновых структур в системе PASS online было выявлено, что большинство соедининений потенциально могут проявлять свойства никотиновых антагонистов и применяться при лечении никотиновой зависимости. Так же предварительные результаты указывают на возможность применения данных соединений в ходе лечения деменции, а также при лечении ишемической болезни сердца. Следует отметить, что большинство 2,6-диарил-3,3,5,5-тетрацианопиперидинов могут обладать вазопротекторными свойствами, что делает возможным их применение с целью укрепления сосудов. 1.5. Междисциплинарные подходы в органической химии. На первом этапе настоящего проекта успешно продемонстрирован принцип мультидисциплинарности. Опыт синтеза новых классов биспиридиниевх солей (патент WO 2014/158045) и анализ их биологической активности позволил авторам проекта спрогнозировать с большой долей вероятности какие фрагменты (спейсеры) необходимо ввести в молекулу, чтобы она эффективно ингибировала рост и уничтожала бактерии. Это позволило сэкономить время и ресурсы и целенаправленно синтезировать конкретные биологически активные молекулы. Как результат, из пяти синтезированных биспиридиниевых солей, содержащих бифенильный спейсер, прошедших первичные микробиологические исследования, три соли не уступают по биологическому воздействию на патогенные микроорганизмы мировым аналогам. В рамках настоящего проекта был осуществлен анализ научной литературы и опубликована обзорная статья по классическим и междисциплинарным подходам в построении органических и гибридных молекулярных систем с заданными свойствами (Изв. АН, Сер. хим., 2017, № 10, 1765-1796. Перевод: Russ. Chem. Bull., Int. Ed., 2017, Vol. 66, 10, 1765-1796. DOI:10.1007/s11172-017-1950-1, https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11172-017-1950-1). Данная работа (п.1.5) выполнена сверх плана.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В отчетном периоде Проектом предусматривалось решение двух основных научных задач: 1. Разработка методов синтеза новых типов пиридиниевых солей, обладающих антибактериальным и противогрибковым действием. 2. Разработка методов мультикомпонентного регио- и стереоселективного синтеза производных пиперидина. 1. Синтез новых типов биспиридиниевых солей. Путем варьирования спейсера получены новые биспиридиниевые соли типа хвост-ядро-спейсер-ядро-хвост, где хвост – это длинная алифатическая цепь, ядро – пиридиновый цикл, спейсер – «двухвалентный» фрагмент, соединяющий ядра, на основе 4,4’-бифенилдиола или 4,4’-оксидифенола. Синтез осуществляли, используя следующую методологию: -- сборка «заготовки» (или платформы) ядро-спейсер-ядро, Разработаны две альтернативные методики получения платформ ядро-спейсер-ядро: 1. из дибромпроизводных бифенила и бифенилового эфира по реакции Ульмана. Данный подход подходит для синтеза «заготовок» с мета-расположением спейсера. 2. из дигидроксипроизводных бифенила и бифенилового эфира алкилированием галогенпиридинов в условиях катализа солями меди (I). Метод пригоден для получения платформ с орто-, мета- и пара-расположением спейсера. Получены симметричные соединения-заготовки на основе 4,4’-бифенилдиола или 4,4’-оксидифенола со всеми возможными положениями по отношению к пиридиновому циклу. Четвертичные соли на основе «соединений-платформ» получали по стандартной методике с использованием алкилгалогенидов в качестве алкилирующих агентов. К настоящему времени синтезировано и отправлено на микробиологические более 40 соединений из димерных пиридиниевых солей нового типа. На основе полученных данных 13.02.2019 подана патентная заявка (№2019104009) на синтезированные структуры, способ их получения и применение в качестве активных антибактериальных агентов. Решение о выдаче патента принято 27.03.2019. Также направлены две статьи по синтезу и микробиологическим свойствам новых биспиридиниевых солей на основе мета-замещенных бифенил- и оксибифенильного спейсеров, обладающих антибактериальным и противогрибковым действием. Статья в Mendeleev Communication принята к печати и выйдет в 2019 г., статья в European Journal of Organic Chemistry находится на втором этапе рецензирования. 2. Синтез образцов сравнения для микробиологических исследований. Для сравнения антибактериальной и противогрибковой эффективности во второй год проекта были синтезированы или приобретены следующие общеизвестные биоциды, используемые как действующие начала многих дезинфицирующих и антисептических средств: хлоргексидин биглюконат, мирамистин, цетилпиридиний хлорид, октенидин дигидрохлорид Все полученные антисептики сравнения были направлены на микробиологические исследования. 3. Изучение биологической активности новых биспиридиниевых солей. К настоящему времени синтезировано и отправлено на микробиологические более 40 соединений из димерных пиридиниевых солей нового типа. Изучен бактериостатический спектр двух серий соединений на основе мета-бифенильного и мета-оксибифенильного спейсеров. Установлены зависимости длины алкильных хвостов на ингибирующую концентрацию полученных димерных солей. Высокая активность наблюдается у соединений с длиной алкильного хвоста С8-С12 как для солей c бифенильным и оксибифенильным спейсерами. Все соединения в данном интервале проявляют активность против стафилококка золотистого и двух грибов сравнимую или превышающую образцы сравнения, а в интервале С9-С10 превышающую образцы сравнения на всех тестируемых штаммах. Влияние противоиона на активность новых солей незначительна. Селективность действия (соотношение цитотоксичность/MIC) новых биспиридиниевых выше по отношению к образцам сравнения. Цитотоксичность полученных соединений сравнима или превосходит бензалконий хлорид и ближайший структурный аналог 3PHBO-12, однако уступает цитотоксичности хлоргексидин биглюконата. Исходя из полученных данных, можно утверждать, что биспиридиниевые соли, содержащие мета-бифенильный спейсер и мета-оксибифенильный спейсер, несомненно обладают антибактериальным и противогрибковым действием и, в ряде случаев, превосходят мировые аналоги. 4. Мультикомпонентный синтез пиперидинов. Во второй год проекта разработана группа методов мультикомпонентного регио- и стереоселективного синтеза производных пиперидина и пиперидин-2-она. Результаты изучения стереоселективной мультикомпонентной реакции между бензилиденмалононитрилами, формальдегидом и ацетатом аммония в качестве источника азота, осуществленной в первый год реализации проекта, опубликованы. С высокими выходами получены 2,6-диарил-3,3,5,5-тетракарбонитрилы. Разработана общая методология стереоселективного взаимодействия двух различных электронодефицитных олефинов с водным аммиаком. Из бензилиденмалононитрилов и бензилиденмалоновых эфиров получены эфиры (3SR,4RS,6SR) 4,6-диарил-5,5-дициано-2-оксопиперидин-3-карбоновых кислот. Данные пиперидин-2-оны содержат три стереоцентра, однако из восьми возможных диастереомеров образуется один. При использовании вместо бензилиденмалоновых эфиров эфиры 2-ацетил-3-арилакриловых кислот результатом мультикомпонентной реакции являются эфиры (4RS,6SR)-4,6-диарил-2-метил-5,5-дициано-1,4,5,6-тетрагидропиридин-3-карбоновых кислот с выходами 55-87%. Предложен механизм образования тетрагидропиридинов. Статья по данному материалу опубликована в журнале Известия Академии наук, Серия химическая (2018, № 11, 2049-2053). Перевод: Russ. Chem. Bull., Int. Ed., 2018, Vol. 67, 11, 2049-2053. Упрощая методику мультикомпонентного синтеза осуществлен четырехкомпонентный синтез диэфиров (2SR,3RS,4RS,5SR)-3-циано-6-оксо-2,4-диарилпиперидин-3,5-дикарбоновых кислот непосредственно из бензилиденцианоацетатов, малонового эфира, ароматических альдегидов и ацетата аммония или аммиака. Установлено, что реакция протекает регио- и стереоселективно как с донорными, так и с акцепторными заместителями в ароматическом кольце. Получено 18 соединений. По материалам стереоселективного четырехкомпонентного синтеза диэфиров (2SR,3RS,4RS,5SR)-3-циано-6-оксо-2,4-диарилпиперидин-3,5-дикарбоновых кислот готовится публикация. 5. Создание биохимического модуля для микробиологических исследований. С целью ускорения получения биохимических данных (результаты из Института молекулярной биологии университета Квинсленда приходят не ранее, чем через 3.5 месяца от момента отправки образцов) в ИОХ РАН создается биохимический модуль для микробиологических исследований, в котором планируется проводить первичные микробиологические исследования на грибах и условно патогенных микроорганизмах с целью выявления из множества синтезированных пиридиниевых солей соединений-лидеров, которые в дальнейшем будут направлены в профильные организации для более подробных биохимических исследований.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В отчетном периоде Проектом предусматривалось решение двух основных научных задач: 1. Разработка методов синтеза новых типов пиридиниевых солей, обладающих антибактериальным, противогрибковым и антивирусным действием. 2. Разработка новой группы методов мультикомпонентного регио- и стереоселективного синтеза производных пиперидина. 1. Синтез и микробиологическая активность новых типов биспиридиниевых солей. 1.1. Новые биспиридиниевые соли на основе бифенила и бифенилового эфира. Разработана общая методика синтеза биспиридиниевых солей на основе бифенилового и бифенилэфирного спейсеров. Получены симметричные четвертичные соли с расположением спейсера относительно пиридиновых колец в орто-, мета- и пара-положениях. Все синтезированные бисчетвертичные соли с орто- и пара-расположением бифенильного и бифенилэфирного спейсеров были протестированы на бактериостатическое действие против патогенных грамм-положительных бактерий Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (метициллинрезистентный золотистый стафилококк, сокращенно MRSA), патогенных грамм-отрицательных бактериях Escherichia coli (кишечная палочка, Ec), Klebsiella pneumoniae (клебсиелла пневмонии или палочка Фридлендера, Kp), Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка, Pa), Acinetobacter baumannii (ацинетобактерия Бауманна, Ab), а также на двух дрожжевых грибках Candida albicans (Ca) и Cryptococcus neoformans (Cn). Помимо этого, изучено цитотоксическое действие синтезированных соединений на человеческих эмбриональные клетках почек (Human embryonic kidney cells, HEK) и эритроцитах человека (Human red blood cells, RBC). В качестве образцов сравнения были использованы соединения-лидеры – биспиридиниевые cоли (3BP4BO-10,Br) и (4OB4POB-10,Br), полученные в первый год реализации Проекта, а также общеизвестные биоциды, используемые как действующие начала многих дезинфицирующих и антисептических средств – мирамистин, бензалконий хлорид, цетилпиридиния хлорид, хлоргексидин, октенидин. Сформулированы закономерности структура-биологическая активность. 1.2. Новые биспиридиниевые соли на основе терфенильного спейсера. Также был разработан метод синтеза новых бисЧАС на основе терфенильного спейсера, изучены микробиологические свойства данных соединений. Сформулированы следующие зависимости структура-биологические свойства: • все синтезированные соединения обладают очень высокой активностью против стафилококка, а также против грибков. • При этом соединения являются высокотоксичными. • Соединение с алкильным заместителем С8 является наиболее активным среди полученных и не уступает по активности октенидину, однако уступает ему в токсичности. • В ряду солей с фенильным, дифенильным и терфенильным спейсером наибольшей активностью обладают соли с терфенильным спейсером. 1.3. Изучение микробиологической активности соединений на клинических штаммах. Очень важным параметром эффективности антисептического средства является отсутствие резистентности у исследуемого штамма к данному веществу. Известно, что у различных патогенных клинических штаммов вследствие длительного действия одного и того же препарата возникает резистентность, вследствие чего для борьбы с данным штаммом необходимо значительно увеличивать концентрацию препарата или делать поиск нового. Среди синтезированных за три года выполнения проекта были выбраны несколько соединений и изучен их микробиологический спектр на библиотечном штамме E. coli ATCC 25922 и клиническом штамме E. coli В-3421/1. Были установлены минимальная подавляющая концентрация (МПК) и минимальная бактерицидная концентрация (МБК). Исследования проводили с использованием известных референсов. 1.4. Синтез новых бисЧАС на основе дигидроксибензолов. С использованием разработанной на втором этапе методологии получения биспиридиниевых солей с замещением спейсера во всех (орто-, мета- и пара) положениях в третий год Поекта планировалось получение новых биспиридиниевых солей на основе: • пирокатехина. Были получены по две соли в орто-, пара- и метаположениях • резорцина. В общей сложности получено 5 солей в разных положениях • 1,4-гидрохинона. В общей сложности получено 6 солей в разных положениях 2. Мультикомпонентный синтез пиперидинов. В третий год Проекта велась дальнейшая разработка методов мультикомпонентного синтеза производных пиперидина из активированных олефинов, С-Н кислот, карбонильных соединений и солей аммония или аммиака. Были изучена четырехкомпонентные реакции между активированными олефинами, ароматическими альдегидами, ацетоуксусными эфирами и аммиаком или ацетатом аммония. Стереоселективно получены 12 2-алкил-4,6-диарил-1,4,5,6-тетрагидропиридинов с выходами 58-88%. Методом РСА установлено, что реакция протекает стреоселективно и арильные заместители находятся в экваториальных положениях циклогексенового цикла. Материалы по стереоселективному мультикомпонентному синтезу 2-алкил-4,6-диарил-1,4,5,6-тетрагидропиридинов готовятся к публикации.