Разработка простого метода синтеза бензодиазепинонов

Разработка простых методов синтеза молекул, структурные фрагменты которых входят в различные лекарственные препараты и исследование их биологической активности является важной задачей, требующей эффективного сотрудничества химиков-синтетиков и биологов. Данная работа в перспективе приводит к открытию новых лекарств.

Наша группа преследует цель собрать вместе специалистов из области химии, биологии и менеджмента для того, чтобы эффективно вести работу по моделированию, получению и испытанию потенциальных противораковых препаратов.

1,4-Бензодиазепиноновый фрагмент является «привилегированным» скелетом, так как различные его производные проявляют самую разную биологическую активность. К примеру, представители данного класса соединений, могут быть использованы для лечения язвы, в качестве противовоспалительных препаратов, а также проявляют цитотоксичность в отношении раковых клеток в микромолярном диапазоне и как следствие являются потенциальными противораковыми препаратами.

Кроме того, изоиндолинон является структурным фрагментом ряда коммерческих лекарственных препаратов: пагоклон и пазинаклон-седативные препараты, зопиклон является снотворным, а леналидомид противоопухолевым иммуномодулятором.

Обилие известных молекул, содержащих 1,4-бензодиазепиноновый и изоиндолиноновый фармакофорные фрагменты стимулирует высокий уровень научного интереса ученых-синтетиков, так как синтез и исследование данных молекул на различную биологическую активность, в том числе противораковую является крайне привлекательной и плодотворной тематикой.

Концепция нашей работы основана на предположении о том, что сочетание этих фармакофорных фрагментов в одной молекуле будет приводить к расширению химического пространства малых молекул и обнаружению новых хемотипов биоактивных веществ. Поэтому разработка эффективного метода получения целевого изоиндолин-аннелированного бензодиазепинона и синтез библиотеки соединений с различными заместителями с целью дальнейших исследований биологической активности является, несомненно, целью, обладающей высокой научной новизной.

Стоит отметить, что, не смотря, на то, что структуры, подобные 3 описаны в литературе, они являются малоизученными с точки зрения биологической активности. Кроме того, бензодиазепиноизоиндолины типа 3, которые планируется синтезировать, являются ранее не описанной тетрациклической ортоконденсированной системой.

В рамках проекта будет разработан эффективный метод синтеза бензодиазепинонов 3, основанный на взаимодействии 1,4,6-триэлектрофилов 1 с различными 1,4+n-динуклеофильными агентами 2: орто-фенилендиаминами, орто-аминофенолами и их аналогами. Предложенный one-pot подход является высокоэффективным, так как позволяет с помощью домино-реакции сформировать три новые связи двух новых циклов за одну синтетическую стадию.

На первом этапе работы планируется оптимизация условий получения бензодиазепинона 3, а также синтез и описание серии бензодиазепинонов 3 и описание полученных соединений методами ЯМР 1H, ЯМР 19F, ЯМР 13С, ЯМР 1H-13С HSQC, ЯМР 1H-13С HMBC, масс-спектроскопии высокого разрешения, ИК-спектроскопии и элементного анализа. На втором этапе работы будут реализованы биологические испытания для серии полученных соединений, а именно, будет проведено исследование на общую цитотоксичность и цитотоксичность в отношении различных раковых клеток с помощью MTT-теста.

Результаты данной работы планируется обнародовать в виде публикации в международном журнале (Q1-Q2) и докладов на конференциях.

Данный проект второй год получает финансовую поддержку от конкурса “Научная инициатива”. За это время была выполнена значительная синтетическая работа. Был разработан простой подход к синтезу целевой молекулы, а также была получена представительная серия бензодиазепинонов, демонстрирующая возможность вовлечения в данную реакцию структурно-различных диаминов и бромидов.

Полученные соединения были испытаны на цитотоксическую активность в отношении раковых клеток, среди них были выявлены соединения-лидеры и на текущий момент ведется работа по увеличению активности полученных соединений. 

Для исследования цитотоксичности использовался флуоресцентный анализ живых клеток с использованием резазурина. Флуоресцентные красители можно считать довольно точными и надёжными индикаторами жизнеспособности клеток. Основные преимущества анализа восстановления резазурина состоят в том, что он относительно недорогой и более чувствительный, чем анализы, использующие тетразолин (в т.ч. МТТ-тест). В ходе проекта были реализованы исследования по выявлению цитотоксичности серии бензодиазепинонов и их влияния на инициацию апоптоза in vitro на клеточных линиях U87, U373, HEK-293T, HT-29, SH-SY.

Для проверки влияния соединений на апоптоз был проведен иммуноферментный анализ для определения каспазы-9 (CASP9) человека. Каспаза-9 является инициаторной и играет критическую роль в запуске апоптоза, передавая внутриклеточные сигналы цитокинов. Расщепление профермента до активной формы является следствием выхода в цитоплазму цитохрома c из митохондрий и активацией апоптосомы. Наличие в клеточном лизате каспазы-9 даст возможность подтвердить или опровергнуть результаты флуоресцентного анализа.

На данный момент продолжается активная синтетическая работа, целью которой является расширение области применимости исследуемой реакции на другие бинуклеофильные реагенты, такие как орто-аминофенолы, алифатические диамины, ассиметричные орто-арилидендиамины. Также ведутся работы по структурной модификации полученных соединений с целью продемонстрировать их применимость в качестве строительных блоков для построения более сложных молекул. Кроме того, была продемонстрирована возможность вовлечения в данной превращение не только орто-бромметилзамещенных α,β-непредельных соединений, но и их орто-иод и орто-хлор замещенных аналогов.

Стоит отдельно отметить, что дизайн данного химического превращения был выполнен в соответствии с основными требованиями к эффективным синтетическим методам в современной органической химии. Так, данный процесс является домино-реакцией, что делает его высокоэффективным, так как позволяет осуществить сборку двух циклов и трех связей всего за одну синтетическую стадию. Такие реакции высоко ценятся в органической химии, так как позволяют сильно экономить время и ресурсы при получении целевой молекулы. Еще одним значимым преимуществом разработанной реакции является ее экологичность. Для измерения “экологичности” реакции в химии был придуман численный параметр – E-фактор, который определяется как отношение массы отходов к массе целевого продукта. Фактически при производстве широко используемых лекарственных препаратов приемлемые значения E-фактора лежат в пределах 25-100, а для разработанной нашей группой реакции E фактор составляет лишь 11, что делает потенциальное производство нашей молекулы довольно экологичным и недорогим. Этого удалось достигнуть за счет использования всего лишь 5 эквивалентов уксусной кислоты в качестве растворителя, а также за счет разработки простого метода очистки целевой молекулы, для ее выделения в индивидуальном виде достаточно лишь добавить к реакционной смеси воду, а осадок промыть небольшим количеством метанола. Разработанная нами методика также является довольно простой в исполнении, так, чтобы осуществить реакцию достаточно смешать бромид и диамин с уксусной кислотой и подвергнуть реакционную смесь нагреванию в течение 5 минут, после чего реакция завершается.

В нашей группе налажена довольно эффективная система взаимодействия, каждую неделю проходят лабораторные семинары, на которых обсуждается текущее состояние работы и осуществляется постановка задач для каждого участника. Таким образом каждый человек вовлечен в работу и вносит свой вклад в общее дело. Кроме того, в нашем коллективе довольно теплая атмосфера и с некоторой регулярностью происходят неформальные встречи, позволяющие поддерживать микроклимат и доверительные отношения между сотрудниками группы.

В заключение краткого содержания данной работы можно резюмировать, что работа находится на завершающей стадии, но сделать предстоит еще много, к тому же есть много идей, как можно дальше развивать данное направление. Участники нашей группы успешно выступают на конференциях, в том числе международных и получают опыт работы в профессиональном исследовательском коллективе, навыки необходимые для исследовательской работы, а также публикации в ведущих мировых журналах по органической химии.

Google scholar

Colab 

Истина 

Результаты данной работы были представлены на целом ряде научных конференций, в этом году на конференциях:

Конференции за 2024 год:

• VI Всероссийская конференция по органической химии, стендовый доклад

Конференции за 2025 год:

• Международная научная конференция студентов, аспирантов и  молодых учёных «Ломоносов-2025», лучший устный доклад
• Студенческий межвузовский конкурс-конференция,  посвященный 165-летию Н.С. Курнакова, устный доклад, победитель
• XXVIII Всероссийская конференция молодых  ученых-химиков (с международным участием), устный доклад

Проект (PDF, 166 Кб)