Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В результате работ по проекту за первый год профили токсичности реакций построены и применены для оценки «общей токсичности» реакций Сузуки на примере синтеза 1,1’-бифенила. В качестве метрики токсичности веществ использованы 24-ч CC50 (полумаксимальные цитотоксические концентрации), измеренные на клеточных линиях HEK293 (эмбриональные почечные клетки человека; условно нормальные клетки) и A549 (альвеолярная аденокарцинома человека; опухолевые клетки, полученные из альвеолярных эпителиальных клеток). Профили токсичности, построенные на основании значений CC50, были названы био-профилями. Использование в качестве метрики токсичности концентрационных показателей, таких как CC50, позволяет наглядно продемонстрировать относительный вклад каждого вещества в «общую токсичность» реакционной системы и сразу установить вещества с наибольшим и наименьшим вкладом в «общую цитотоксичность». В этом случае площадь секторов диаграмм в био-профиле соответствует «нормализованной цитотоксичности» веществ (отношению количества (ммоль) вещества, участвующего или образующегося в реакции, к его CC50 (мМ)); цвет секторов - значениям 24-ч CC50 веществ. Также для изученных реакций были рассчитаны био-факторы, которые представляют собой отношение сумм нормализованной цитотоксичности веществ, покидающих реакцию, и веществ, входящих в реакцию. В целом, если био-фактор больше 1, «общая цитотоксичность» системы в ходе реакции возрастет, а если меньше 1 – снижается. Возможность практического применения био-профилей была продемонстрирована на примере 28 способов синтеза 1,1’-бифенила при варьировании (1) исходных веществ (йодбензол, бромбензол, хлорбензол), (2) катализатора (Pd(OAc)2, PdCl2, PdBr2, PdI2) и (3) растворителя (этанол, N-метилпирролидон (NMP)); в рассмотрение также были включены системы на основе воды/ПАВ. Согласно результатам анализа, катализатор не оказывал практически никакого влияния на «общую цитотоксичность» процесса, в то время как выбор исходного вещества имел решающее значение, что, в частности, объяснялось разницей в образующихся побочных продуктах. Растворитель также вносил вклад в «общую цитотоксичность», хотя и не столь выраженный. В случае изученных путей синтеза 1,1’-бифенила хлорбензол выглядит наиболее перспективным исходным соединением, а этанол – наиболее перспективным растворителем, в то время как выбор катализатора имеет меньшее значение с точки зрения «общей цитотоксичности» процесса. Результаты исследования представлены в виде устного доклада на Междисциплинарной конференции «Молекулярные и биологические аспекты химии, фармацевтики и фармакологии» (12-14 октября 2021 г., Россия, Москва) и опубликованы в статье Building bio-Profiles for common catalytic reactions, Green Chem. 2021, 23, 6373-6391.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате работ по проекту за 2022 г. завершено исследование цитотоксичности компонентов реакции Сузуки (продукты - 1,1’-бифенил, 4-нитро-1,1’-бифенил, 4-метокси-1,1’-бифенил, 4,4’-диметокси-1,1’-бифенил, 4-метокси-4’-нитро-1,1’-бифенил) на клеточных линиях различного происхождения (CaCo-2, ректальная аденокарцинома человека, опухолевые клетки; HEK293T, эмбриональные почечные клетки человека; иммортализованные нормальные клетки; FRSN, мезенхимные стволовые клетки крайней плоти человека, нормальные клетки). В рамках оптимизации реакции Сузуки с точки зрения опасности ее компонентов для окружающей среды и человека проанализировано влияние растворителей на «общую цитотоксичность» процесса на примере синтеза 1,1’-бифенила из арилгалогенида и фенилбороновой кислоты. Всего изучено 54 реакции со следующими системами растворителей: этанол : вода, N-метилпирролидон : вода, бис(трифторметилсульфонил)имид 1-этил-3-метилимидазолия : вода, тетрафторборат 1-бутил-3-метилимидазолия : вода, бис(трифторметилсульфонил)имид 1-бутил-3-метилимидазолия : вода и бис(трифторметилсульфонил)имид холиния : вода. Согласно результатам анализа, растворитель представляет собой компонент реакции, использующийся в значительных количествах, а потому нужно учитывать абсолютные показатели токсичности веществ (CC50). С этой точки зрения предпочтение следует отдавать этанолу или тетрафторборату 1-бутил-3-метилимидазолия, но не ионным жидкостям с бис(трифторметилсульфонил)имидным анионом. Выбраны и оптимизированы модельные реакции Соногаширы (продукты - дифенилацетилен (10 способов синтеза), 1-метокси-4-(2-фенилэтинил)бензол (20 способов синтеза), 1-нитро-4-(2-фенилэтинил)бензол (20 способов синтеза), 1-((4-метоксифенил)этинил)-3-нитробензол (10 способов синтеза), 4-трифторметилдифенилэтин (12 способов синтеза), 1,2-бис(4-(трифторметил)фенил)этин (12 способов синтеза), 1,2-бис(4-метоксифенил)этин (10 способов синтеза), 1-метокси-4-((4-нитрофенил)этинил)бензол (20 способов синтеза), 1-нитро-3-((4-нитрофенил)этинил)бензол (10 способов синтеза)) и Хека (продукты - (E)-стильбен (10 способов синтеза), (E)-4-нитростильбен (10 способов синтеза), (E)-4-метоксистильбен (10 способов синтеза), (E)-4-фторстильбен (10 способов синтеза), (E)-4-хлорстильбен (10 способов синтеза), (E)-4-фтор-4’-нитростильбен (10 способов синтеза), (E)-4-хлор-4’-нитростильбен (10 способов синтеза)). Для входящих в эти реакции и образующихся в их ходе соединений (исходных веществ, катализаторов, растворителей, вспомогательных реагентов, продуктов, побочных продуктов) ведутся работы по определению цитотоксичности на клеточных линиях CaCo-2, HEK293T и FRSN. Полученные данные используются для построения биопрофилей соответствующих реакций. Концепция биопрофилей химических реакций дополнена новыми метриками оценки токсичности химических процессов – цитотоксическими потенциалами. Разработано новое, более компактное представление биопрофилей в виде биострипов и внедрена общая шкала цитотоксичности, которая позволяет напрямую сравнивать разные способы синтеза одного продукта с точки зрения их «общей цитотоксичности». Преимущества данных улучшений продемонстрированы на примере 36 способов синтеза 1,1’-бифенила и 72 способов синтеза 4-метокси-1,1’-бифенила. По результатам анализа биострипов сделаны выводы о том, что катализатор Pd(acac)2 вносит наибольший вклад в «общую цитотоксичность» в сравнении с Pd(OAc)2 и PdCl2. Из двух исследованных растворителей этанол выглядит значительно менее токсичным, чем N-метилпирролидон (NMP), в то время как реагент Cs2CO3 проявляет большую цитотоксичность, чем реагенты K2CO3 и Na2CO3. Что касается исходных арилгалогенидов, бромбензол вносит меньший вклад в общую цитотоксичность, чем йодбензол, однако этот эффект менее выражен, чем в случае катализатора и растворителя. Таким образом, можно предположить, что реакции с Pd(acac)2 в качестве катализатора, NMP в качестве растворителя и Cs2CO3 в качестве реагента выглядят более опасными способами синтеза 1,1’-бифенила и 4-метокси-1,1’-бифенила. Также рассмотрены случаи реакций с неполной конверсией и исследовано влияние выбора клеточной линии на оценку «общей токсичности» реакций. Результаты исследований представлены в виде устного доклада на 9-й Международной конференции IUPAC по вопросам «зеленой химии» (9th IUPAC International Conference on Green Chemistry (9th ICGC), Athens, Greece (September 5-9, 2022)) и опубликованы в статьях «Использование биопрофилей реакции для анализа влияния растворителей на общую токсичность процесса C-C-сочетания», Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах, 2022, т. 504, №1, стр. 49-61 // Application of bio-Profiles of chemical reactions for analysis of solvent impact on overall toxicity of C-C-cross-coupling process, Doklady Chemistry 2022, 504, 106-117 и Fast evaluation of the safety of chemical reactions using cytotoxicity potentials and bio-Strips, Chemosphere 2022, 137378.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате работ по проекту в 2023 г. завершено изучение цитотоксичности компонентов реакций Соногаширы (синтез дифенилацетилена, 1-нитро-4-(фенилэтинил)бензола, 1-нитро-3-((4-нитрофенил)этинил)бензола и 1-((4-метоксифенил)этинил)-3-нитробензола) и Мизороки-Хека (синтез (E)-стильбена, (E)-4-нитростильбена, (E)-4-хлорстильбена, (E)-4-хлор-4’-нитростильбена, (E)-4-фтор-4’-нитростильбена и (E)-4-метоксистильбена) на клеточных линиях различного происхождения (CaCo-2, ректальная аденокарцинома человека, опухолевые клетки; HEK293T, эмбриональные почечные клетки человека; иммортализованные нормальные клетки; FRSN, мезенхимные стволовые клетки крайней плоти человека, нормальные клетки). Полученные данные использованы для оптимизации этих реакций с точки зрения опасности их компонентов для окружающей среды и человека при помощи биопрофилей (биострипов) и цитотоксических потенциалов. В случае реакций Соногаширы проанализирован вклад исходных веществ, катализаторов, реагентов и растворителей в «общую цитотоксичность» процесса; всего изучено 72 способа синтеза дифенилацетилена (216 биострипов на трех клеточных линиях), 72 способа синтеза 1-нитро-4-(фенилэтинил)бензола (216 биострипов на трех клеточных линиях), 72 способа синтеза 1-нитро-3-((4-нитрофенил)этинил)бензола (216 биострипов на трех клеточных линиях) и 48 способов синтеза 1-((4-метоксифенил)этинил)-3-нитробензола (144 биострипа на трех клеточных линиях). Показано, что с целью снижения «общей цитотоксичности» процесса наибольшее внимание следует уделять выбору катализаторов (по причине их высокой цитотоксичности) и растворителей (по причине больших их количеств в реакции). Выбор основания также может оказывать существенное влияние на «общую цитотоксичность», в то время как эффект исходного вещества выражен значительно слабее. Таким образом, использование Pd(acac)2 и DMF нежелательно во всех изученных реакциях, а Et3N выглядит более предпочтительным основанием, чем Et2NH. В случае реакций Мизороки-Хека также проанализирован вклад исходных веществ, катализаторов, реагентов и растворителей в «общую цитотоксичность» процесса; всего изучено 36 способов синтеза (E)-стильбена (108 биострипов на трех клеточных линиях), 36 способов синтеза (E)-4-нитростильбена (108 биострипов на трех клеточных линиях), 36 способов синтеза (E)-4-хлорстильбена (108 биострипов на трех клеточных линиях), 36 способов синтеза (E)-4-хлор-4’-нитростильбена (108 биострипов на трех клеточных линиях), 36 способов синтеза (E)-4-фтор-4’-нитростильбена (108 биострипов на трех клеточных линиях) и 24 способа синтеза (E)-4-метоксистильбена (72 биострипа на трех клеточных линиях). По результатам анализа сформулированы рекомендации, сходные с рекомендациями для реакций Соногаширы. Также на примере компонентов реакций Соногаширы и Мизороки-Хека подтверждено, что выбор клеточной линии оказывает несущественное влияние на результаты оценки, как и в случае ранее описанной реакции Сузуки. С целью оптимизации реакций Бахвальда-Хартвига с точки зрения их опасности для окружающей среды и человека изучена цитотоксичность компонентов реакций синтеза дифениламина и 4-(p-толил)-морфолина на клеточных линиях CaCo-2 и HEK293T. Полученные данные использованы для анализа вклада исходных веществ, катализаторов, реагентов и растворителей в «общую цитотоксичность» процесса; всего изучено 432 способа синтеза (проанализировано 864 биострипа) для каждого продукта. Показано, что с целью снижения «общей цитотоксичности» процесса наибольшее внимание следует уделять выбору катализаторов и растворителей, в то время как основания и исходные вещества вносят меньший вклад в «общую цитотоксичность». Следует отметить, что результаты оценки с использованием клеточной линии CaCo-2 и клеточной линии HEK293T заметно различаются, что свидетельствует о важности изучения нескольких биологических объектов для повышения достоверности анализа. В рамках продолжения работ по оптимизации реакции Сузуки на примере синтеза 4-метокси-4’-нитро-1,1’-бифенила дана оценка вклада исходных веществ, катализаторов, реагентов и растворителей в «общую цитотоксичность» процесса; всего изучено 36 способов синтеза (проанализировано 108 биострипов). Проведено сравнение результатов оценки «общей токсичности» химических реакций при использовании данных по цитотоксичности и острой токсичности веществ (а именно полумаксимальных цитотоксических концентраций, CC50, и полулетальных доз, LD50). В качестве модельной реакции проанализирован синтез 1,1’-бифенила из фенилбороновой кислоты и арилгалогенида. Показано, что биострипы и токсические потенциалы, рассчитанные на основании данных по цитотоксичности и на основании данных по острой токсичности на крысах при пероральном введении, дают схожие результаты. Единственным заметным исключением являются соли палладия, используемые в качестве катализаторов, однако в данном случае анализ на основании цитотоксичности указывает на их большую опасность, чем анализ на основании острой токсичности, а следовательно, такое расхождение приемлемо, поскольку в вопросах токсичности лучше переоценить опасность вещества, чем недооценить ее. На основании всей совокупности результатов работ по проекту сформулированы рекомендации по оптимизации химических процессов с точки зрения их «общей токсичности» при помощи биострипов и цитотоксических потенциалов реакций Результаты исследований представлены в виде приглашенного доклада и постерной презентации на международной конференции “New Emerging Trends in Chemistry” (NewTrendsChem-2023), Yerevan, Armenia (September 24-28, 2023), а также в виде устного доклада на VIII Междисциплинарной конференции «Молекулярные и биологические аспекты химии, фармацевтики и фармакологии», Россия, Санкт-Петербург (24-27 апреля 2023 г.). По результатам исследований приняты к печати один обзор («Парадигма зеленой химии в современном органическом синтезе», «Успехи химии») и три статьи в журналах «Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах» («Оценка токсичности ионных жидкостей как растворителей в реакции C-C-сочетания») и “Mendeleev Communications” (“Assessing the contribution of reaction components into the overall toxicity of synthesis of 4-methoxy-4’-nitro-1,1’-biphenyl”, “Comparison of assessments of overall toxicity of chemical reactions upon using cytotoxicity and acute toxicity data”).