Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В задачи первого года проекта входили разработка и оптимизация синтеза ряда замещенных клозо-боратов с экзо-полиэдрической связью бор-сера с целью их дальнейшей модификации – введения атома фтора. В качестве модельных соединений были выбраны анионы [2-B10H9SH]2-, [B12H11SH]2- (BSH) и [B12H11SCN]2-, которые уже либо применяются в медицинской практике (BSH), либо аналогичны им. Были предложены и оптимизированы методы получения меркапто- и тиоцианато-клозо-додекаборатов [B12H11SH]2- и [B12H11SCN]2- в условиях электрохимического синтеза в системе IKA Electrosyn 2.0. Подобраны условия для очистки и выделения целевых продуктов. Реакцию с незамещенной тиомочевиной удается провести в неразделенной электрохимической ячейке в смеси метанол/диметоксиэтан 1/1 в присутствии (Bu4N)PF6 в качестве фонового электролита при постоянной силе тока 10 мА (напряжение в ячейке изменяется в процессе реакции от 2,2 В до 3,1 В). Синтез тиоцинатного производного проводили в аналогичных условиях, роданид калия в данном случае выступал в качестве фонового электролита и электрохимически активного компонента системы. Вторым типом исследуемых производных кластерных анионов бора стали алкокси-замещенные клозо-дека и додекабораты. На первой стадии получали оксониевые производные на основе тетрагидрофурана и 1,4-диоксана. Замещенные производные получали по реакции электрофильно-индуцируемого нуклеофильного замещения (EINS), в случае аниона [B10H10]2- в качестве индуктора использовали трифторуксусную кислоту, а в случае аниона [B12H12]2- - эфират трехфтористого бора. На второй стадии полученные оксониевые производные использовали для алкилирования сложных эфиров некоторых аминокислот. Реакцию раскрытия циклических заместителей проводили в смеси ТГФ/ацетонитрил в присутствии двухкратного избытка нуклеофила в толстостенных стеклянных сосудах под давлением. В случае производных клозо-додекаборатного аниона реакция протекала за 2 часа, превращение производных клозо-декаборатного аниона полностью протекает за 4 часа. Были синтезированы производных кластерных анионов бора [B10H9Oalk-NH2RCHCOOEt]-, [B12H11Oalk-NH2RCHCOOEt]- (где alk = C4H8, C2H4OC2H4; R = H, CH2C6H5, CH2C6H4OH). Предложен набор систем для получения HF in situ и проведения процесса фторирования анионов [B10H10]2- и [B12H12]2- в условиях EINS: Bu4NF + CF3COOH; C6F6 + Bu4NCN, CF3COOH; KF + 18-crown-6, CF3COOH; Me4NF + CF3COOH; NH4HF2. Показано, что в случае клозо-декаборатного аниона в борный остов удается ввести один атом фтора, а в случае додекаборатного аниона образуется смесь моно- и дифторзамещенных клозо-додекаборатов. В ходе работ по проекту были исследованы процессы нуклеофильного фторирования замещенных клозо-боратов с экзо-полиэдрическими связями бор-сера и бор-кислород. Обнаружено, что в условиях процесса EINS принципиально удается ввести до одного атома фтора в клозо-декабораты и до двух атомов фтора в додекабортный остов. Данный факт позволяет в дальнейшем портировать предложенные методики для получения производных с изотопом [18F]F. Для фторирования замещенных производных клозо-дека и додекаборатного аниона были выбраны системы (Bu4N)F / CF3COOH, KF / 18-краун-6 / CF3COOH и бифлюорид аммония в среде тетрагидрофурана или диметкосиэтана. Так, в случае анионов [B12H11SH]2- и [B12H11SCN]2- фторирование протекает с образованием продуктов полизамещения и селективности процесса не наблюдается. Данный процесс протекает идентично для всех использованных фторирующих агентов. Стоит отметить, что в случае бифлюорида аммония за 12 часов наблюдается полная деструкция кластерных остовов с образованием BF4-. Тиольное производное клозо-декаборатного аниона [B10H9SH]2- также подвергается фторированию. Так, по данным 19F ЯМР и масс-спектрометрии наблюдается введение одного атома фтора в кластер. Реакция идет с образованием смеси изомеров положения. Процесс фторирования производных кластерных анионов бора на основе сложных эфиров аминокислот проводили в среде ТГФ или ацетонитрила в системах (Bu4N)F / CF3COOH, KF / 18-краун-6 / CF3COOH или бифлюорид аммония. Проведение реакции в условиях электрофильной индукции приводит к образованию смеси изомеров положения как в случае производных вида [B10H9Oalk-NH2RCHCOOEt]-, так и в случае алкокси-додекаборатов [B12H11Oalk-NH2RCHCOOEt]- (где alk = C4H8, C2H4OC2H4; R = H, CH2C6H5, CH2C6H4OH). В то же время предложенные системы фторирования кластеров бора позволяют избежать процессов деструкции экзо-полиэдрического заместителя. Строение заместителя в данном случае мало влияет на ход процесса, так как фрагмент аминокислоты существенно удален от кластера. Однако введение в кластер алкокси-заместителя существенно снижает реакционную способность алкокси-клозо-боратов по отношению к реакции фторирования в условиях EINS. Кроме того, ходе работы проведено комплексное исследование моно- и перфторзамещенных производных клозо-декаборатных анионов. Рассмотрены связи B-F в моно- и перфторзамещенных производных клозо-боратных анионов общего вида [BnHn-1F]2- и [BnFn]2-, n = 6, 10, 12. Данные основных дескрипторов связей показали, что ковалентные взаимодействия B-F возрастают с увеличением размера борного кластера. Кроме того, для перфторированных борных кластеров [BnFn]2-, n = 6, 10, 12, этот тип взаимодействия сильнее, чем для монозамещенных производных. Глобальные индексы реакционной способности фторированных производных были оценены с помощью концептуальной теории DFT. Наиболее важной характеристикой является электрофильная/нуклеофильная природа некоторых соединений. Установлено, что классический подход Парра для оценки электрофильности неприменим для клозо-декаборатных анионов. Вместо этого был применен альтернативный подход с использованием индекса ε, разработанный Kiyooka et al. Электрофильность фторированных производных увеличивалась с увеличением размера борного кластера как для моно-, так и для перфторзамещенных производных. Для нахождения реакционных центров были получены функции Фукуи для электрофильной атаки с использованием нескольких подходов (AIM, NBO, Hirshfeld) для расчета заряда. Установлено, что использование подхода Хиршфельда для оценки атомного заряда является наилучшим способом расчета функций Фукуи в моно- и перфторзамещенных производных клозо-боратных анионов общего вида [BnHn-1F]2- и [BnFn]2-, n = 6, 10, 12. Для моно- и перфторзамещенных производных анионов [BnHn]2- n = 6, 10 атомы бора имели наиболее положительные значения индекса Фукуи, поэтому для этих типов анионов электрофильная атака может быть осуществлена на определенные атомы. В случае производных аниона [B12H12]2- атомы фтора также имели значительные значения индекса Фукуи, поэтому электрофильная атака может быть осуществлена и на атомы фтора.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В задачи второго года проекта входила оптимизация методов синтеза замещенных кластерных анионов бора с амидиновыми заместителями. Нами были изучены процессы взаимодействия анионов [2-B10H9NCR]- (R = Alk, Aryl) с аммиаком в водно-спиртовом растворе, с первичными аминами в среде органических растворителей, а также со сложными эфирами природных аминокислот. Стоит отметить, что реакция протекает селективно с образованием лишь продуктов амидинового типа. Реакция нуклеофильного присоединения протекает регио- и стереоселективно независимо от строения заместителя при атоме азота. Во всех случаях образуются монозамещенные амидины с экваториальным расположением заместителя и Z-конфигурацией двойной связи. Природа заместителя в свою очередь, влияет на выбор растворителя и время протекания реакции. Так, акцепторные заместители увеличивают время процесса. Аналогично были исследованы процессы получения амидинов на основе нитрилиевых производных клозо-додекаборатного аниона. Процесс также протекает регио- и стереоселективно с образованием монозамещенных продуктов с Z-конфигурацией двойной связи. Скорость протекания процесса зависит от акцепторных свойств заместителя при аминогруппе. Так, исходные нитрилиевые производные претерпевают полную конверсию в реакциях с аммиаком и первичными аминами с алкильными заместителями за час даже при комнатной температуре. Ароматические амины требуют кипячения реакционной среды. На следующей стадии полученные амидины вводили в реакцию EINS с фтороводородом, образующимся in situ. Для этого использовали методики, предложенные на первом этапе проекта. В качестве источника фторид-иона использовали (Me4N)F, (Bu4N)F, KF+18-crown-6 в присутствии избытка трифторуксусной кислоты. Данная методика оказалась применима в случае свободного аниона [B10H10]2- и его алкоксикльных производных. В случае зарядопониженных систем, таких как амидины, не удается провести реакцию фторирования в условиях электрофильно-индуцируемого замещения. Данная реакция не проходит ни для замещенных клозо-декаборатов, ни для клозо-додекаборатов. Для проверки возможности фторирования амидин-клозо-боратов нами был проведен эксперимент в условиях радикального / электрофильного процесса. В качестве фторирующего агента был выбран дитетрафторборат 1-фтор-4-хлорметил-1,4-диазониабицикло[2.2.2]октана (F-TEDA, Selectfluor). Реакцию аниона [2-B10H9NH=C(NH2)C2H5]- c F-TEDA проводили в смеси ацетонитрил / вода при комнатной температуре и соотношении реагентов 1:1 и 1:3 за 2 часа. Фторирование проходит в мягких условиях, а полная конверсия амидинового производного происходит при повышении в реакционной смеси содержания фторирующего агента. Это связано с тем, что процесс протекает не селективно. Стоит также отметить, что увеличение времени реакции до 24 часов приводит к полному окислению кластера. Вторым направлением синтетических работ этапа проекта 2022 года стало создание методологии получения дизамещенных клозо-боратов с амидиновыми и фенилиодониевыми заместителями, а также исследование процессов нуклеофльного замещения группы PhI- в полученных производных на фторид-ион. В случае производных клозо-декаборатного аниона амидинового типа реакция с PhI(OAc)2 протекает селективно с образованием 1,6(7)-дизамещенного продукта. Реакция протекает в метаноле при комнатной температуре за 1-2 часа в зависимости от строения амидинового заместителя. Стоит отметить, что в среде дихлорметана или ацетонитрила данный процесс идет только при добавлении трифторуксусной кислоты. Также реакция достаточно чувствительна к наличию воды в реакционной массе и кислороду воздуха. Так, при проведении процесса без инертной атмосферы уже через час в реакционной массе наблюдается образование продуктов окисления кластерного аниона бора. Заключительной синтетической задачей текущего этапа проекта стала разработка методов селективного введения фторных заместителей в замещенные клозо-декабораты на основе процессов нуклеофильного замещения фенилиодониевых групп. Для этого произвели подбор оптимальных реакционных условий. Было обнаружено, что данная реакция довольно чувствительна к наличию в реакционной смеси влаги. Так, реакция дизамещенных клозо-боранов [1,6(7)-B10H8(IPh)NH=C(NH2)R] с коммерческим TBAF (90-95 %) приводит к образованию смеси продуктов [1,6(7)-B10H8(F)NH=C(NH2)R]- и [1,6(7)-B10H8(OH)NH=C(NH2)R]-. При этом соотношение продуктов может достигать 1:1 в зависимости от растворителя (Рис. 15). Избежать образования побочного продукта удалось в системе KF*18-chown-6 в безводном ацетонитриле. Комплекс фторида калия с краун-эфиром получали в воде, затем сушили на вакууме и лиофилизировали из 1,4-диоксана. Реакцию проводили в толстостенных сосудах при избыточном давлении и повышенной температуре. Образование фторзамещеных амидинов происходит за 2-4 часа. Ряд производных был получен в водорастворимом виде для исследования их первичной биологической активности. Общая цитотоксичность была определена in vitro методом МТТ-теста на клеточных линиях NKE (эпителий почки человека) и U251 (глиобластома человека). Были получены производные клозо-декаборатного аниона с амидиновыми заместителями на основе аммиака и этилового эфира глина, а также их фторированные аналоги. Было обнаружено, что полученные соединения являются малотоксичными, и их токсичность заметно ниже применяемого на практике агента для БНЗТ – борокаптата натрия. Также стоит отметить, что токсичность коррелирует с гидрофильностью заместителя в кластере – при введении фенильного заместителя цитотоксичность вырастает в два раза. Введение в кластер фторного заместителя практически не сказывается на значении цитотоксичности, что указывает на его структурную схожесть с атомом водорода. Кроме того, с помощью флуоресцентной спектроскопии была исследована способность полученных производных к образованию конъюгатов с транспортными белками (на примере бычьего сывороточного альбумина BSA). Тушение флуоресценции триптофановых фрагментов белка позволяет приблизительно оценить параметры связывания производных кластерных анионов бора с транспортными белками. Полученные данные о константах связывания коррелируют со степенью гидрофобности исследуемых соединений, а фторный заместитель мало влияет на параметры связывания.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Первой задачей этапа 2023 года стала отработка методики получения 19F-фторсодержащих продуктов для дальнейшей модификации кластерных анионов бора и их производных, а также позволяющим провести адаптацию методик получения радиофармпреапартов в условиях отделения радионуклидной диагностики № 2 НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина. Фтордезоксиглюкозу ФДГ использовали в качестве O-нуклеофильного реагента для раскрытия циклических оксониевых заместителей в анионах [BnHn-1OC4H8] и [BnHn-1OC4H8O] (n = 10,12). Так как данные процессы чувствительны к наличию воды в реакционной смеси, то реакцию проводили в безводном ДМФА в присутствии K2CO3. В результате реакции образуется смесь изомеров, в которых алкоксильный спейсер связан с первичной гидроксильной группой глюкозы и вторичными гидроксильными группами. Также были изучены процессы раскрытия циклических оксониевых заместителей диметиламином и N-метиламиноэтанолом (как синтетическим предшественником холина). Второй задачей этапа было получение тиониевых производных клозо-дека- и додекаборатных анионов с фторсодержащими группами. Реакции алкилирования анионов [B10H9SH]2- и [B12H11SH]2- первичными бромалканами в соотношении 1:1 приводят к образованию смеси моно-S- и ди-S,S-замещенных производных клозо-декаборатного аниона. В то же время в присутствии более чем 2-х кратного избытка первичного галогеналкана реакция протекает с образованием дизамещенного производного с высокими выходами. Основным синтетическим подходом к получению тиониевых производных с одним фторлэтильными заместителем был выбран процесс алкилирования бутилмеркапто-производного [BnHn-1SC4H9]2-. Получали данный тип производных через образование продуктов алкилирования 3-хлорпропионитрилом меркапто-клозо-боратов с последующим ступенчатым отрывом цианоэтильных фрагментов. При отработке методик получения фторсодержащих алкилирующих агентов было обнаружено, что наиболее эффективно (относительно времени и выхода продуктов) реакция нуклеофильного замещения с участием фторид иона в системе фторид калия/криптанд (краун-эфир) протекает в случае тозилатов. Поэтому для изучения реакций получения фторсодержащих производных на основе клозо-додекаборатоного аниона нами был предложен подход, аналогичный используемому в клинической диагностике, а именно превращение гидроксильной группы в хорошо уходящую тозильную группу, и ее дальнейшее нуклеофильное замещение на атом фтора. Также в рамках выполнения работ этапа 2023 года был осуществлен синтез производных клозо-дека и додекаборатных анионов с радиоактивными атомами 18F на базе отделения радионуклидной диагностики № 2 НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина. Для получения радиопрепаратов были выбраны следующие предшественники: Na[B12H11NHC(CH3)HNCH(CH2OTos)2], [1,6-B10H8(IPh)-NHC(C2H5)NH2] и [1,6-B10H8(IPh)-NHC(C2H5)NHCH(CH2C6H5)COOCH3]. Наибольшую эффективность в процессе фторирования показало производное с тозильными заместителями (радиовыход 70 %). В случае фенилиодониевых заместителей стандартного времени реакции (6-8 минут) оказывается недостаточно. Радиовыход соответствующих производных составил 15-20%. Для соединения Na[B12H11NHC(CH3)NHCH2COOEt] были изучены фармакокинетические и токсикологические свойства. ЛД50, определенная экспериментально, составляет 396±92 мг/кг. Для вычисления использовался пробит-анализ, погрешность устанавливалась по формуле Миллера и Тейнтера. Динамика содержания бора в коже, мышечной ткани и опухолевом узле соответствовала изменению концентрации бора в крови. Во всех указанных органах отмечалось увеличение концентрации бора в интервале 15–30 мин, максимальное содержание бора через 30 мин после инъекции с последующим снижением к 1 ч. В опухолевой ткани наибольшее содержание бора, определяемое через 30 мин после инъекции, достигало 0,2 % от введенной дозы. Наиболее интенсивное накопление бора определялось в печени. Через 15 и 30 мин после инъекции содержание бора в печени было в 2,3 раза выше, чем в крови. Максимальное содержание бора достигалось через 30 мин после инъекции и составляло 10% от введенной дозы. Однако затем содержание бора резко падало и уже через 1 ч было в 1,6 раз ниже, чем в крови, а через 2 ч – в 2,3 раз ниже. Также в рамках работ по проекту на этапе 2023 года были продолжены квантово-химические исследования фтор производных кластерных анионов бора. Было проведено теоретическое исследование моногалогенированных клозо-додекаборатных кластеров [B12H11Hal]2- (Hal = F, Cl, Br и I). Данное исследование проведено с целью выявить наиболее прочное взаимодействие между кластерным атомом бора и атомами галогена, что, позволяет определить термодинамическую устойчивость галогенпроизводных. Природа экзо-полиэдрических связей B-Hal изучена с помощью квантово-топологического анализа электронной плотности и анализа молекулярных орбиталей. Порядок связей B-Hal оценивали с помощью нескольких подходов (индекс делокализации (DI), порядка связей по Вайбергу, порядка связей FBO). Во всех производных обнаружены молекулярные орбитали, соответствующие перекрыванию px- и py-орбиталей бора и галогена. На основании полученных данных можно сделать вывод, что взаимодействие px(y)-px(y) благоприятно только для связи B-F. Настоящая работа позволяет лучше понять явления экзо-полиэдрической связи B-Hal в клозо-боратных анионах. Полученные результаты могут быть полезны для дальнейших исследований подобных молекулярных систем.