Biorąc pod uwagę duże zainteresowanie lekami tuberkulostatycznymi będącymi pochodnymi nitroimidazolu o strukturze skondensowanych układów bicyklicznych, postanowiono podjąć próbę syntezy oraz określić właściwości chemiczne i biologiczne nowych związków z tej grupy.
Na wstępie, imidazol oraz 2-metyloimidazol poddano nitrowaniu do odpowiednich 4(5)-mononitropochodnych, które, w drugim etapie, zostały przekształcone do 4,5-dinitropochodnych. Substancje te poddano działaniu epoksyzwiązków, takich, jak: epichlorohydryna, epibromohydryna, 1,2-epoksypropan, 1,2-epoksybutan, tlenek styrenu oraz 3-izopropoksy-1,2-epoksypropan, w obecności węglanu potasu. Otrzymano odpowiednie bicykliczne pochodne nitroimidazodihydrooksazolu.
W kolejnych badaniach podjęto próby poddania reakcji substytucji atom chloru w otrzymanych
2-chlorometylo-7-nitroimidazo[5,1-b]dihydrooksazolu oraz
2-chlorometylo-5-metylo-7-nitroimidazo[5,1-b]dihydrooksazolu związkami o charakterze fenoli, w obecności K2CO3. Potwierdzono zajście reakcji substytucji nukleofilowej atomu chloru grupą fenoksylową. Jednocześnie zaobserwowano otwarcie pierścienia dihydrooksazolowego oraz podstawienie nukleofilowe pozycji 5 pierścienia imidazolu grupą alkoksylową pochodzącą od cząsteczki alkoholu użytego jako rozpuszczalnik. Następnie, w analogicznych warunkach, przeprowadzono próbę reakcji podstawienia atomu chloru w wyżej wymienionych nitroimidazodihydrooksazolach za pomocą tiofenoli oraz drugorzędowych amin cyklicznych. Na podstawie rezultatów uzyskanych w reakcjach z fenolami, przypuszczano, że substytucja nukleofilowa atomu chloru związkami o charakterze tiofenoli i drugorzędowych amin cyklicznych przebiegać będzie podobnie. Analiza spektralna dowiodła, że w cząsteczce nitroimidazodihydrooksazolu nastąpiło, podobnie jak w przypadku reakcji z fenolami, rozerwanie wiązania C-O. Natomiast pozycja C-5 pierścienia nitroimidazolu uległa podstawieniu resztą tiofenolową. Ponadto, reakcja substytucji nukleofilowej atomu chloru nie miała w tym przypadku miejsca. Dopiero czterokrotne zwiększenie udziału tiofenolu lub cyklicznej aminy i węglanu potasu w mieszaninie reakcyjnej umożliwiło powstanie produktu
171
dipodstawionego. Substytucji nukleofilowej resztą tiofenolu lub cyklicznej aminy uległa w tych warunkach pozycja C-5 pierścienia imidazolu oraz atom chloru w łańcuchu propylowym.
Łatwość, z jaką następowało otwarcie pierścienia dihydro-oksazolowego postanowiono wykorzystać do utworzenia sześcioczłonowego pierścienia tetrahydropirymidynowego, skondensowanego z układem nitroimidazolu.
Założenie to zrealizowano poprzez poddanie nitroimidazo[5,1-b]dihydrooksazolu działaniu związków zawierających w swej strukturze I-rzędową grupę aminową. Powodowało to oczekiwane otwarcie pierścienia dihydrooksazolowego oraz podstawienie nukleofilowe pierścienia imidazolu w pozycji C-5. Następnie, pod wpływem obecności zasady, zachodziła wewnątrzcząsteczkowa substytucja nukleofilowa atomu chloru z łańcucha propylowego drugorzędową grupą aminową utworzoną w wyniku podstawienia aminy pierwszorzędowej w pozycji C-5 imidazolu. Taki złożony mechanizm podstawienia powodował powstanie nowego uwodornionego pierścienia tetrahydropirymidynowego. Zależnie od obecności bądź braku węglanu potasu w mieszaninie reakcyjnej, można było otrzymać dwa rodzaje produktów substytucji nukleofilowej – bicykliczny o pierścieniach skondensowanych oraz monocykliczny – 5-alkiloamino- lub 1-alkilo-5-aryloamino-4-nitroimidazol. W przypadku reakcji z aminami pierwszorzędowymi nie tworzył się produkt dipodstawienia.
Reakcje analogiczne do powyższych przeprowadzono także z wykorzystaniem związków będących znanymi substancjami przeciwbakteryjnymi (kwas 6-aminopenicylanowy, Triclosan) oraz tuberkulostatykami (izoniazyd, cykloseryna) i zawierającymi w swej strukturze ugrupowanie fenolowe lub aminowe, a także z biogennymi α-aminokwasami. Na podstawie rezultatów przeprowadzonych syntez, zaproponowano wyjaśnienie mechanizmu tych reakcji.
Niemal wszystkie otrzymane związki zostały poddane analizie in silico, określającej poziom ich potencjalnych aktywności biologicznych metodą PASS C&T oraz szacującej ich biodostępność poprzez obliczenie współczynnika podziału oraz powierzchni polarnej PSA. Wybrane spośród nowo otrzymanych substancji przebadane zostały pod kątem ich właściwości
172
tuberkulostatycznych. Obecnie trwają badania oceniające aktywność przeciwalkoholową oraz przeciwgrzybiczą.
W pracy opisano syntezę 98 nowych pochodnych nitroimidazolu, których tożsamość oraz strukturę potwierdzono metodami spektralnymi, przeprowadzając analizę widm MS, 1H NMR oraz 13C NMR.
173
SUMMARY
„The synthesis and the properties of the choosen bicyclic compounds condensed with nitroimidazole ring”
Taking into consideration the growing interest in bicyclic derivatives of nitroimidazoles with condensed rings as tuberculostatic agents, it has been decided to take up an attempt to synthesize a set of new compounds from this group and to determine their chemical and biological properties.
First, imidazole and 2-methylimidazole were nitrated to the respective 4(5)-mononitro- derivatives and then to 4,5-dinitro- derivatives.
These substances were treated with epoxy- compounds, such as: epichlorohydrin, epibromohydrin, 1,2-epoxypropane, 1,2-epoxybutane, styrene oxide and 3-isopropoxy-1,2-epoxypropane in the presence of potassium carbonate. As a result, the respective bicyclic nitroimidazodihydrooxazoles were obtained.
In the next stage of the research, there were attempts of the substitution reaction of chlorine atom in 2-chloromethyl-7-nitroimidazo[5,1-b]-2,3-dihydrooxazole and 2-chloromethyl-5-methyl-7-nitroimidazo[5,1-b]-2,3-dihydrooxazole with phenols in the presence of potassium carbonate. The chlorine atom proved to undergo nucleophilic substitution with phenoxy- group. Simultaneously, the reaction of dihydrooxazole ring opening was observed and, additionaly, there was also the reaction of nucleophilic substitution at the C-5 position of the imidazole ring with the molecule of alcohol used as a solvent. Then, in analogous conditions, it was taking the attempt of the nucleophilic substitution of chlorine atom in mentioned above nitroimidazodihydrooxazoles with thiophenols and secondary cyclic amines. On the basis of results obtained from reactions with phenols, it was presumed that the reactions with thiophenols and secondary cyclic amines will direct in similar way. The spectral analysis has proved the C-O bond cleavage in dihydrooxazole ring. However, the C-5 position of nitroimidazole moiety was substituted with thiopheno- or amino- group. Moreover, the nucleophilic substitution reaction of chlorine atom did not take place. But increasing the ratio to 4 equivalents of thiophenol or secondary cyclic amine and K2CO3, lead to form respective derivatives with two newly introduced
174
cyclic moietes – the first one at C-5 position of imidazole ring and the second one – at N-1 propyl chain, as a result of nucleophilic substitution of chlorine atom.
Unstability of dihydrooxazole ring could be used for building of new, six-membered tetrahydropyrimidyne ring, condensed with nitroimidazole. This hypothesis was confirmed by reaction of nitroimidazodihydrooxazoles with compounds having primary amino- group. It caused ring cleavage reaction and the nucleophilic substitution at C-5 position of imidazole moiety. Then, the presence of basic agent facilitated the intramolecular nucleophilic substitution of chlorine atom with secondary amino- group formed by substitution of the primary amino- group at C-5 position of imidazole ring.
Such a complex mechanism caused the formation of new
tetrahydropyrimidyne ring. Depending on the presence of potassium carbonate, two kinds of nucleophilic substitution products might be obtained – bicyclic with condensed rings and 1-alkyl-5-alkylamino- or 1-N-alkyl-5-arylamino-4-nitroimidazole. In the case of reactions with primary amines, the products with two introduced moieties was not formed. Analogous reactions with compounds having phenolic or primary amino group and possessing antibacterial and antitubercular properties itself e.g. Triclosan, isoniazide, cycloserine, 6-aminopenicillanic acid and additionally, with biogenic α-aminoacids were carried out.
On the basis of obtained results, the explanation of mechanism of these reactions was proposed.
Almost all of the synthesized compounds were put to the analyses in silico, providing prediction of biological activity types with PASS C&T method and determining their bioavailability by the partition coefficient (logP) and polar surface area (PSA) calculations.
Selected newly obtained substances were examined as tuberculostatic agents. Nowadays, some products undergo antialcoholic and antifungal tests.
In this work, the synthesis of 98 new nitroimidazole derivatives was described. The identity and structures were confirmed by spectral methods with use of MS, 1H NMR and 13C NMR analyses.
175