Реакция фосфорилирования 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана трифенилфосфином - источником no

И. В. Галкина, Е. В. Тудрий, О. Н. Катаева, О. И. Гнездилов,

А. В. Ильясов, С. Б. Орлинский, Ю. К. Розенцвайг, М. С. Тагиров,

Л. М. Юсупова, В. И. Галкин

РЕАКЦИЯ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ 5,7-ДИХЛОР-4,6-ДИНИТРОБЕНЗОФУРОКСАНА ТРИФЕНИЛФОСФИНОМ - ИСТОЧНИКОМ N0

Впервые проведено фосфорилирование 5,7-дихлор-4,6-динитробензо-фуроксана трифенилфосфином. Физическими и физико-химическими методами доказано образование дифосфорилированного дикетобензофуроксана и неустойчивого хлористого нитрозила, который в ходе реакции распадается на молекулу хлора и N0. Изучена термическая стабильность и биологическая активность основного дифосфорилированного продукта реакции.

Введение

В последнее десятилетие в биохимии произошли события, повлекшие за собой фундаментальные изменения наших представлений о функционировании самых различных биологических систем. Было обнаружено, что такое низкомолекулярное соединение, как оксид азота N0, является одним из универсальных и необходимых регуляторов функций клеточного метаболизма. В 1998 г. три американских ученых - Р. Фурчгот, Л. Игнарро и Ф. Мурад - за вклад в изучении роли N0 в функционировании живого организма удостоены Нобелевской премии в области медицины. Количество обзорных и оригинальных публикаций, посвященных проблеме N0, ежегодно возрастает, причем лавинообразно.

Один из самых интересных классов гетероциклических соединений, производные которого являются донорами N0 и который в связи с этим вызывает большой интерес у химиков, фармакологов и биохимиков, - бензофуроксаны [1-3]. Фуроксановые соединения, являясь донорами оксида азота, проявляют очень интересный и широкий спектр биологической активности и рассматриваются как пролекарства, реализующие свою биологическую активность через группу посредников внутри клетки [4-5].

Целью настоящего исследования явилось изучение реакции фофорилирования бен-зофуроксана, в результате которой образуется окись азота.

Результаты и их обсуждение

5,7-Дихлор-4,6-динитробензофуроксан представляет собой достаточно уникальную и весьма реакционноспособную систему с электрофильным бензофуроксановым циклом, склонным к реакциям нуклеофильного замещения в силу одновременного присутствия мощных электроноакцепторных заместителей и легко уходящих групп. В частности, в литературе широко изучены реакции замещения подвижных атомов хлора бензофуроксаново-го цикла различными аминами. Это прежде всего работы Л.М. Юсуповой, И.Ф. Фаляхова, А.С. Салаховой, Л.В. Спатловой, Б.И. Бузыкина, где в качестве продуктов реакции были получены соли в случае реакции с ^^диэтиланилином [6], молекулярный комплекс с 2-аминопиримидином [7] и продукт замещения в случае реакции с 3,5-дихлоранилином [8].

При этом следует отметить, что продукты аминирования, как и сам исходный 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксан, обладают выраженной антибактериальной и фунгицидной активностью [6-8].

В то же время в литературе до сих пор отсутствуют сведения о фосфорилировании данного бензофуроксана фосфорными нуклеофилами, хотя введение в его молекулу био-геннных фосфорорганических заместителей, безусловно, является интересным как с теоретической точки зрения, так и в плане потенциальной биологической активности.

Важно отметить, что еще в 1961 году трифенилфосфин был впервые использован в качестве восстановителя бензофуроксанов до соответствующих фуразанов при кипячении в ксилоле [9,10]. Однако в этой реакции кроме трифенилфосфиноксида никаких других фосфорсодержащих продуктов зафиксировано не было.

В настоящей работе мы изучили взаимодействие замещенного бензофуроксана 1 с трифенилфосфином. Фосфорилирование 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана (1) трифенилфосфином при соотношении реагентов 1:2 протекает легко при комнатной температуре и приводит к продукту бис-фосфорилирования, однако взаимодействие происходит не по обычной схеме простого нуклеофильного замещения. Оно не останавливается на стадии образования 5,7-(бис-трифенилфосфонио)-4,6-динитробензофуроксанилдихлорида (2), а протекает дальше с элиминированием двух молекул оксида азота и молекулы хлора с образованием в конечном итоге стабильного дифосфорилированного продукта З предположительно по схеме 1:

O2N

2PlbP +

Cl

Pl^P

Cl

NO2

1

N

е O Clv^N,

OB^

N

Cl

O

o^©*o 2

pi^p

pi^p

+ 2Cl — N=O

Cl2

2 NO

O

O

N

O

N

N

O

O

N

O

O

O

c

b

a

з

При этом строение конечного продукта 3 может быть описано серией мезомерных форм - от дифенолятного дифосфабетаина 3а до дикетодиилида фосфора 3с. Состав и строение продукта 3 доказывали элементным анализом и комплексом современных физических и физико-химических методов.

Сама реакция протекает легко и красочно с характерным глубоким изменением цвета. Реакционная смесь окрашивается от желтого в темно-красный цвет за счет выделяющегося нитрозилхлорида С!^=0, после чего наблюдается выпадение кристаллов белого цвета

с Тразл. 235 С.

31

Следует отметить, что в спектре ЯМР Р реакционной смеси наряду с синглетным сигналом продукта 3 фиксируется также сигнал трифенилфосфиноксида, выход которого колеблется от 3 до 24 % по трифенилфосфину в зависимости от растворителя и температуры.

В соответствии со схемой 1 хлорид-ионы образующейся на первой стадии дифосфо-ниевой соли 3 ищут пути дальнейшей стабилизации системы, атакуя ее другие электро-фильные центры аналогично второй стадии реакции Арбузова. В результате относительно синхронных процессов нуклеофильной атаки хлорид-аниона на атом азота и атома кислорода нитрогруппы на углерод С-Ы02 -связи электронная плотность в системе перераспределяется таким образом, что образуется дифенолятный дифосфабетаин 3 и неустойчивые молекулы С!-Ы=0. Последние подвергаются окислительно-восстановительному диспро-порционированию с образованием молекулярного хлора С!2 и оксида азота N0.

Чтобы подтвердить предложенную схему, важно было зафиксировать образование в реакционной смеси оксида азота. Нам удалось этого добиться с помощью метода ЭПР-спектроскопии. Уже в первые минуты реакции в спектре ЭПР (рис. 1) появляется отчетливый характерный сигнал оксида азота, интенсивность которого во времени проходит через максимум, после чего падает. Эти данные не оставляют сомнений в образовании N0 в ходе реакции.

-----1-------;------------:---------і—і---------------------------------------і-:-г

ч

-1___________________________________________________________!_________________________________________________________1__________________________________________________________!_____________________________________________і___________I______________________________________________,____________________________

Рис. 1 - Спектр ЭПР в реакции трифенилфосфина с 5,7-дихлор-4,6-динитробензо-фуроксаном

Однако, получив ЭПР спектр нитроксильного радикала (связанной молекулы N0), следовало доказать, что он действительно образуется из неустойчивого газообразного (Ткип - 5,8 0С, Тпл. - 59,6 0С) темно-красного нитрозилхлорида N0Cl (схема 1). Для этого нами были проведены ЯМР 31 Р-спектральные исследования течения реакции с химической ловушкой на N0^ в качестве которой был выбран диэтилфосфит.

Согласно исследованиям, проведенным в 1960 году под руководством Михальского [11], взаимодействие диалкилфосфитов с нитрозилхлоридом N0Cl приводит к соответствующему пирофосфату (схема 2), который крайне неустойчив в присутствии воды и кислых примесей и образует диэтилфосфорную кислоту (5р 0,152 м. д. поля), которая, в свою очередь, в избытке диэтилфосфита и воды катализирует образование моноэтилфосфористой кислоты (5р 5,289 м. д. поля, с ^н 665,75 Гц), что и было подтверждено в ЯМР-

эксперименте и представлено на схеме 2:

о^

2 РИэР + С!

\

о

©

С! 0 РИэР

' А

0 ------*. 00-

РИэР

N02 © С!

0Ж©*0

1 2

©

С!2

2 N0

3

2С! —N = 0+(С2Н50)2 Р(0)Н -5р 7,89 і .а.

иРН 684,9 Аэ

Н20

- [(С2Н50)2Р- 0 ^|^-0Р(0С2Н5)2]

0 11

0 0

(С2Н50)2Р-0-Р(0С2Н5)2 +N20 0 0

2 (С2Н50)2Р00Н <*-5р 0,152 і .а.

Н20

- С2Н50— р—

н00

5р 5,29 і .а. ирН 665,75 Аэ

Н

При этом весьма интересным оставался вопрос: почему конечный продукт дифосфо-рилирования имеет только один сигнал в области 27 м.д. поля, а не два, как можно было бы предположить исходя из его строения? На этот вопрос нам помогли ответить коллеги из института органической химии Мюнстерского университета, которые определили методом РСА надмолекулярную структуру - непосредственную упаковку молекул в кристалле (рис. 2). На рис. 2 хорошо видно, что структура соединения 3 имеет симметричное строение с эквивалентными атомами фосфора, что и объясняет наличие только одного сиг-

31

нала фосфора в ЯМР Р (8р = 27,138 м. д.), а также содержит одну молекулу воды.

На кривых совмещенного ТГ/ДСК анализа продукта 3 (рис. 3) фиксируется несколько ступеней разложения, сопровождаемых экзоэффектами. Первая ступень разложения (начало 139,5 °С) сопровождается потерей массы (2,39 %), что связано с отщеплением одной молекулы кристаллизационной воды. Второй экзотермический пик (235 °С) связан с началом полного разложения соединения 3. Отсутствие на ДСК кривой эндоэффекта плавления до начала разложения характерно для солевых бетаиновых структур.

Рис. 2 - Надмолекулярная структура продукта 3 в кристалле

Рис. 3 - Результаты совмещенного ТГ/ДСК анализа продукта 3

48

Наконец, методом рентгеноструктурного анализа нам удалось установить окончательную молекулярную структуру продукта 3 (рис. 4). Она полностью подтверждает предложенное выше строение продукта дифосфорилирования и, кроме того, показывает, что его структура ближе к дикетодиилидной мезомерной форме 3с.

Нами также была изучена биологическая активность продукта 3 в отношении различных штаммов патогенной микрофлоры и грибов. Результаты были полностью подтверждены и даже превзошли наши ожидания. Продукт, как оказалось, одновременно проявляет как высокую антибактериальную, так и антимикотическую активность.

Экспериментальная часть

ЯМР 31 Р-спектральные исследования проведены на ЯМР-спектрометре ALANS-400. ЭПР-спектры записаны на спектрофотометре Varian Е-12. Рентгеноструктурные исследования выполнены на дифрактометре Nonius Kappa CCD, оборудованном вращающимся анодным генератором Nonius FR591. Масс-спектральные исследования проведены на приборе Quatto LCZ (Water-Micromass, Manchester, UK). Дериватограмма ТГ/ДСК записана на приборе NETZSCH STA 449C в интервале температур от 20 до 400 оС со скоростью нагрева образца 10 оС в минуту в среде аргона.

Элементный анализ продукта 3 C42H30N2O4P2 • Н2О.

Вычислено, %: С 71,39; Н 4,53; N 3,97; Р 8,78.

Найдено, %: С 71,33; Н 4.27; N 4,11; Р 9,06.

Заключение

Впервые проведено фосфорилирование 5,7-дихлор-4,6-динитро-бензофуроксана трифенилфосфином. Предложен удобный и простой метод синтеза бисфосфорилированно-го 4,6-дикетобензофуроксана. Показано необычное течение реакции с участием в качестве реакционных центров не только атомов хлора бензофуроксанового цикла, но и нитрогрупп. Полученный дифосфорилированный продукт обладает достаточно высокой антибактериальной и антимикотической активностью. Состав и строение полученного продукта реак-

ции - дифенолятного дифосфабетаина - подтверждены элементным анализом и комплексом современных физических методов исследования: ИК, ЯМР и ЭПР спектроскопия, масс-спектрометрия, совмещенный ТГ/ДСК и рентгеноструктурный анализ.

Авторы благодарны доктору Роланду Фрёхлиху за предоставленную возможность проведения рентгеноструктурного эксперимента и Генриху Люфтманну за помощь при осуществлении масс-спектрального исследования в университете Мюнстера (ФРГ).

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов АН РТ № 07-7.1.1/2007 (ФП); № 07-7.1-20/2006 (Г), № 07-7.2-276 (ПЛ)/2006 (Г).

Литература

1. Граник, В.Г. Экзогенные доноры оксида азота и ингибиторы его образования (химический аспект) / В.Г. Граник, С.Ю. Рябова, Н.Б. Григорьев // Успехи химии. - 1997. - Т.66. - № 8. - С.792.

2. Граник, В.Г. Оксид азота (NO). Новый путь к поиску лекарств /В.Г. Граник, Н.Б Григорьев - М.: Вузовская книга, 2004.- 360 с.

3. Бусыгина, О.Г. Бензодифуроксан как NO зависимый активатор растворимой гуанилатциклазы и новый высокоэффективный ингибитор агрегации тромбоцитов / О.Г. Бусыгина. // Биохимия. -2000. - Т.65. - № 4. - С.540.

4. Medana, C. Furoxanes as Nitric Oxides Donors. 4-phenyl-3-furoxan carbonitrile: thiol-mediated Nithric Oxide release and biological evaluation / C. Medana [et al.]. // J.Med. Chem. - 1994. - V. 37. -P. 4412.

5. Feelish, M. Thiol-mediated generation of nitric oxide accounts for the vasodilator action of fUroxans / M. Feelish, K. Schonafinger, E. Noak // Biochem. Pharmacol. - 1992. - V. 44. - P. 1149.

6. Канчурина, Э.Э. Реакции нуклеофильного замещения 5,7 - дихлор -4,6 - динитробензофурокса-на с ^^диэтиланилином / Э.Э. Канчурина [и др.]. // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2006. -№ 4. - С. 41-45.

7. Канчурина, Э.Э. Реакции 5,7 - дихлор -4,6 - динитробензофуроксана с гетероциклическими аминами пиридинового ряда / Э.Э.Канчурина [и др.] // Вестник Казанского технол. ун-. - 2006. -№ 4. - С. 31-36.

8. Спатлова, Л.В. Синтез и свойства 5,7 - замещенных -4,6 - динитробензофуроксана: дис. ... канд. хим. наук / Л.В. Спатлова - Казань, 2003. - 161 с.

9. Boyer, J.H. Deoxygenetion of aromatic o-dinitrozoderivatives by phosphines / J.H. Boyer, S.E. Ellzey // J. Org. Chem. - 1961. - V.26. - №11. - P. 4684-4685.

10. Reed, R.V. Synthesis of 4,6-dinitrobenzofuroxan, a new electron-deficient aromatic / R.V. Reed, R.J. Spear, M R. Norris // Austr.J.Chem. - 1983. - V.36. - P. 1227-1237.

11. Кирби, А. Органическая химия фосфора / А.Кирби, С.Уоррен - М.: Мир, 1971. - С.102.

© И. В. Галкина - канд. хим. наук, доц. каф. высокомолекулярных и элементоорганических соединений химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета; Е. В. Тудрий - асп. той же кафедры; О. Н. Катаева - д-р хим. наук, вед. науч. сотр. ИОФХ КазНЦ РАН; О. И. Гнездилов - ст. науч. сотр. лаб. молекулярной фотохимии КФТИ КазНЦ РАН; А. В. Ильясов -д-р физ.-мат. наук, проф., академик АН РТ, гл. науч. сотр. лаб. радиоспектроскопии ИОФХ КазНЦ РАН; С. Б. Орлинский - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. лаб. магнитной радиоспектроскопии КГУ; Ю. К. Розенцвайг - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. той же лаборатории; М. С. Тагиров -д-р физ.-мат. наук, проф, зав. лаб. молекулярной радиоскопии КГУ; Л. М. Юсупова - д-р хим. наук, проф. каф. химии и технологии органических соединений азота КГТУ; В. И. Галкин - д-р хим. наук, член-кор. АН РТ, проф. каф. высокомолекулярных и элементоорганических соединений химического института им. А.М.Бутлерова КГУ.