CC BY
0
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2024. Т. 24, вып. 4. С. 374-379 Izvestiya of Saratov University. Chemistry. Biology. Ecology, 2024, vol. 24, iss. 4, pp. 374-379
https://ichbe.sgu.ru https://doi.org/10.18500/1816-9775-2024-24-4-374-379, EDN: HOOVBF
Научная статья УДК 547.814.5
Некоторые цианозамещённые спиросочленённые пиразолины и пирролидины, обладающие антимикробной активностью
А. А. Мещерякова1 н, С. В. Борисова3, Е. А. Константинова1' 2, Д. В. Видлацкая1, Г. Л. Бурыгин124, В. В. Сорокин1
Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83
2Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов - обособленное структурное подразделение ФГБУН ФИЦ «Саратовский научный центр Российской академии наук», Россия, 410049, г. Саратов, пр. Энтузиастов, д. 13
3Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского, Россия, 410012, г. Саратов, ул. Большая Казачья, д. 112
"Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н. И. Вавилова, Россия, 410012, г. Саратов, проспект им. П. Столыпина, зд. 4, стр. 3
Мещерякова Анна Аркадьевна, аспирант Института химии, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8039-1106 Борисова Светлана Васильевна, кандидат химических наук, ассистент кафедры общей, биоорганической и фармацевтической химии, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-8025-1296
Константинова Екатерина Андреевна, 1магистрант Института химии, 2инженер лаборатории иммунохимии, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-1579-3077
Видлацкая Дарья Владимировна, студент Института химии, [email protected]
Бурыгин Геннадий Леонидович, кандидат биологических наук, 1доцент кафедры органической и биорганической химии Института химии, 2старший научный сотрудник лаборатории иммунохимии, 4доцент кафедры «Растениеводство, селекция и генетика», [email protected], https://orcid.org/0000-0001-8031-9641
Сорокин Виталий Викторович, доктор химических наук, профессор, профессор кафедры органической и биоорганической химии Института химии, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-5861-3307
Аннотация. Обобщены однореакторные синтетические подходы к спиросочленённым (ди)азолам, перспективным в плане исследования биологической активности. Предложенные подходы включают в себя реакции конденсации с участием (гетероциклических кетонов, метиленактивных компонент и N-нуклеофилов, проходящих в мягких условиях как по ступенчатому, там и по согласованному механизму. Исследована антимикробная активность полученных с помощью предложенных подходов цианозамещённых спиросочленённых пиразолинов и пирролидинов в отношении грамотрицательных (P. aeruginosa, E. coli) и грамположительных (S. aureus) бактерий (определена EC50 (мкг/мл)). В качестве контроля использовался известный компонент антимикробных препаратов широкого спектра действия - ципрофлоксацин. Выяснено, что наибольший ингибирующий эффект по отношению к выбранным грамотрицательным бактериям проявляет 3-амино-2-(4-нитрофенил)-1,2-диазаспиро[4.5]дек-3-ен-4-карбонитрил. При этом фенильный заместитель при втором атоме азота пиразолинового цикла играет важную роль, так как его замена на ароильный фрагмент уменьшает изучаемый эффект в несколько десятков раз вне зависимости от вида второго цикла. Умеренный и высокий ингибирующий эффект проявляют также замещенные спироиндолинопирролизидиндикарбонитрилы, содержащие цианогруппы при 2-м атоме углерода пирролизидинового цикла, а фенильный заместитель - при первом. Для пар с одинаковым типом положения заместителей наибольшей антимикробной активностью обладают соединения, содержащие 3,4 С!2-заместитель в фенильном фрагменте.
Ключевые слова: спирооксоиндолы, изатин, 1,3-диполярное циклоприсоединение, азометинилиды, согласованные реакции, трехкомпонентные реакции, 3-амино-1,2-диазаспиро[4.5]нон-3-ен-4-карбонитрилы, 3-амино-1,2-диазаспиро[4.5]дека-3-ен-4-карбо-нитрилы
Для цитирования: Мещерякова А. А., Борисова С. В., Константинова Е. А., Видлацкая Д. В., Бурыгин Г. Л., Сорокин В. В. Некоторые цианозамещённые спиросочленённые пиразолины и пирролидины, обладающие антимикробной активностью // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2024. Т. 24, вып. 4. С. 374-379. https://doi.org/10.18500/1816-9775-2024-24-4-374-379, EDN: HOOVBF
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0)
© Мещерякова А. А., Борисова С. В., Константинова Е. А., Видлацкая Д. В., Бурыгин Г. Л., Сорокин В. В., 2024
Article
Some cyano-substituted spiro-linked pyrazolines and pyrrolidines with antimicrobial activity
A. A. Meshcheryakova1 S. V. Borisova3, E. A. Konstantinova1- 2, D. V. Vidlatskaya1, G. L. Burygin1- 2- 4, V. V. Sorokin1
1 Saratov State University, 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia
2Institute of Biochemistry and Physiology of Plants and Microorganisms, Russian Academy of Sciences, 13 Entuziastov Ave., Saratov 410049, Russia
3 V. I. Razumovsky Saratov State Medical University, 112 Bolshaya Kazachiya St., Saratov 410012, Russia
"Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N. I. Vavilov, 4/3 Petra Stolypina Ave., Saratov 410012, Russia
Anna A. Meshcheryakova, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8039-1106
Svetlana V. Borisova, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-8025-1296
Ekaterina A. Konstantinova, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-1579-3077
Daria V. Vidlatskaya, [email protected]
Gennady L. Burygin, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-8031-9641 Vitaly V. Sorokin, [email protected], http://orcid.org/0000-0002-5861-3307
Abstract. This work summarizes one-pot synthetic approaches to spiro-fused (di)azoles, which are promising in terms of studying biological activity. Proposed approaches involve condensation reactions of (hetero)cyclic ketones, methylene active moieties, and N-nucleophiles, occurring under mild conditions by both stepwise and concerted mechanisms. The antimicrobial activity of signals from the proposed approaches of cyano-substituted spiro-membered pyrazolines and pyrrolidines against gram-negative (P. aeruginosa, E. coli) and gram-positive (S. aureus) losses has been studied (EC50 determination (^g/ml)).The well-known component of broad-spectrum antimicrobial drugs, ciprofloxacin, has been used as a control. It has been found that 3-amino-2-(4-nitrophenyl)-1,2-diazaspiro[4.5]dec-3-ene-4-carbonitrile exhibits the greatest inhibitory effect against selected gram-negative bacteria. In this case, the phenyl substituent at the second nitrogen atom of the pyrazoline ring plays an important role, since its replacement with an aroyl fragment reduces the studied effect by several tens of times, regardless of the type of the second ring. Substituted spiroindolinopyrrolizidinedicarbonitriles, containing cyano groups at the 2nd carbon atom of the pyrrolizidine ring and a phenyl substituent at the first, also exhibit a moderate and high inhibitory effect. For pairs with the same type of substituent position, compounds containing a 3,4 Cl2 substituent in the phenyl fragment have the greatest antimicrobial activity.
Keywords: spirooxoindoles, isatin, 1,3-dipolar cycloaddition, azomethine ylides, three-component reaction, 3-amino-1,2-diazaspiro[4.5]non-3-ene-4-carbonitriles, 3-amino-1,2-diazaspiro[4.5]deca-3-ene-4-carbonitriles
For citation: Meshcheryakova A. A., Borisova S. V., Konstantinova E. A., Vidlatskaya D. V., Burygin G. L., Sorokin V. V. Some cyano-substituted spiro-linked pyrazolines and pyrrolidines with antimicrobial activity. Izvestiya of Saratov University. Chemistry. Biology. Ecology, 2024, vol. 24, iss. 4, pp. 374-379 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1816-9775-2024-24-4-374-379, EDN: HOOVBF This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY 4.0)
Введение
В настоящее время среди азотсодержащих спиросочленённых органических соединений найдено немало веществ, проявляющих различную биологическую активность [1-3].
Особенность расположения гетероциклических фрагментов таких молекул связана с геометрией Бр3-гибридизованного спиро-узла, при которой эти фрагменты находятся в различных плоскостях пространства, что повышает доступность для взаимодействия с несколькими частями трёхмерной структуры мишени. Кроме того, благодаря ограниченной конформационной подвижности, такое благоприятное расположение фиксируется и потенциально уменьшается время образования комплекса между лигандом и биологической мишенью [4].
Ранее на основе реакций конденсаций с участием (гетеро)циклических кетонов, ме-тиленактивных компонент и ^нуклеофилов, проходящих как по ступенчатому, так и по согласованному механизму, нами были разработаны способы синтеза органических соединений, содержащих спироатом, связанный с атомом азота в составе пятичленного гетероциклического фрагмента [5-7].
Синтезированные соединения представляют интерес для исследования ввиду наличия пиразольного и индольного гетероциклических фрагментов, входящих в состав изученных соединений с высокой антимикробной активностью [8, 9].
В настоящей работе обобщены применяемые нами однореакторные синтетические подходы к спиросочленённым (ди)азолам и показаны результаты испытания их антимикробной активности.
Материалы и методы
Исследование антимикробной активности
Метод измерения оптической плотности (в жидкой среде). Все эксперименты по определению антимикробной активности осуществляли в 3 повторностях. Статистический анализ данных проводили с помощью программного пакета Excel 2007 (Microsoft, США). Результаты представлены в виде средних значений с указанием доверительных интервалов при P = 0,05 (уровень доверительности 95%).
Культуру засеивали в жидкую среду LB на 18 ч. Затем в 25 мл среды добавляли 100 мкл культуры и инкубировали 1 ч при температуре 37°. В стерильный 96-луночный иммунологический планшет вносили 150 мкл жидкой питательной среды LB. Затем добавляли 24 мкл заранее приготовленных растворов исследуемых соединений в ДМСО в концентрации 10 мкг/мл. Затем делали ряд двукратных разведений от 0,195 до 400 мкг/мл, после чего
добавляли 150 мкл бактериальной культуры. Измерения проводили с помощью планшетного спектрофотометра (Multiskan Ascent, Thermo Scientific), при длине волны 595 см. Затем определяли EC50 (мкг/мл).
Результаты и их обсуждение
Синтез полизамещённых пиразолинов, спиросочленённых с алициклическим кольцом, удобно осуществлять через многокомпонентное взаимодействие замещенных гидразинов или гидразидов с динитрилом малоновой кислоты и циклоалканонами. Динитрил малоновой кислоты наряду с высокой активностью за счёт CH-кислотности обеспечивает вхождение в целевое соединение сопряжённой аминогруппы и фармакофорной нитрильной группы. Указанное взаимодействие наиболее хорошо протекает в условиях ультразвуковой или микроволновой активации в воде или этаноле [5, 6] с выходами 70-85%.
NC. .CN С
Для синтеза пирролидинов (пирролизи-динов), спиросочленённых с фармакофорным индолиноновым фрагментом, удобно использовать трёхкомпонентную реакцию между предварительно полученным из динитрила малоновой кислоты и бензальдегидов арилиден-малонодинитрилом, изатином и аминокислотами и их производными (саркозином, пролином). Превращение реализуется как 1,3-диполярное
циклоприсоединение промежуточно образующегося азометинилида к активированной двойной связи илидена. При этом в целевое соединение входит две цианогруппы. Согласованный механизм реакции обеспечивает её высокую регио- и диастереоселективность. Нами подобраны условия для селективного получения изомерных спироиндолинопирролидизидинов 12-14 и 15, 16 [7].
^ // НООС. V
r^V^v + V-R'"Prco''
L^/3 -H°o
1)* кипячение раствора
-14 2)* перемешивание при комнатной температуре (2 часа) или обработка УЗ (15 минут)
Биологическая активность соединений 1-16 исследовалась в отношении грамотри-цательных (P. aeruginosa, E. coli) и грамполо-жительных (S. aureus) бактерий. В качестве
контроля использовался известный компонент антимикробных препаратов широкого спектра действия - ципрофлоксацин. Полученные результаты приведены в таблице.
Результаты изучения антимикробной активности соединений 1-16 Antimicrobial activity of compounds 1-16
№ Штаммы бактерий (EC50, мкг/мл) / Bacterial strains (EC50, pg/ml)
P. aeruginosa ATCC 9027 S. aureus ATCC 25923 E. coli K-12
1 0,6±0,4 122±8 0,209±0,006
2 - 104±4 122±7
3 69±4 78±5 196±2
4 - - 301±13
5 - - 357±27
6 189±6 193±21 94±13
7 - 270±28 304±11
8 - - -
9 - - -
10 356±7 21±3 376±6
11 178±10 61±4 -
12 12±3 8,6±0,7 176±11
13 5,9±1,1 3,4±0,3 80±8
14 64±2 23±2 131±4
15 40±3 74±3 145±8
16 55±4 18±2 -
Ципрофлоксацин / Ciprofloxacin 76,16±1,02 23±2 2,8±0,6
Наибольший ингибирующий эффект по бактериям проявляет 3-амино-2-(4-нитрофенил)-отношению к выбранным грамотрицательным 1,2-диазаспиро[4.5] дек-3-ен-4-карбонитрил 1,
содержащий фенильный заместитель при втором атоме азота пиразолинового цикла. Наличие этого заместителя, видимо, играет важную роль, так как его замена на ароильный фрагмент (2-7) уменьшает изучаемый эффект в несколько десятков раз вне зависимости от вида второго цикла.
Умеренный и высокий ингибирующий эффект по отношению к P. aeruginosa и S. aureus проявляют также замещенные спироиндо-линопирролизидиндикарбонитрилы 10-16 с различным положением дикарбонитрильного и фенильного заместителей, однако следует заметить, что лучшие результаты получены для соединений 12-14, содержащих цианогруппы при 2-м атоме углерода пирролизидинового цикла, а фенильный заместитель - при первом. Для пар с одинаковым типом положения заместителей (13 и 16, 12 и 15) наибольшей антимикробной активностью обладают соединения, содержащие 3,4 C^-заместитель в фенильном фрагменте.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности синтеза и исследования антимикробной активности более широко круга замещенных 3-амино-2-(К-фе-нил)-1,2-диазаспиро[4.5] дек-3-ен-4-карбо-нитрилов и 2-оксо-1'-(И-арил)-5',6',7',7а'-тетрогидроспиро[индолин-3,3'-пирролизин]-2',2'(1'Н)-дикарбонитрилов.
Список литературы
1. Gutti G., Kumar D., Paliwal P., Ganeshpurkar A., Khemraj Lahre K., Kumar A., Krishnamurthy S., Sushil Kumar Singh S. K. Development of pyrazole and spiropyrazoline analogs as multifunctional agents for treatment of Alzheimer's disease // Bioorganic Chemistry. 2019. Vol. 46. P. 103080. https://doi. org/10.1016/j.bioorg.2019.103080
2. Hiesinger K., Dar'in D., Proschak E. Spirocyclic Scaffolds in Medicinal Chemistry // Journal of Medicinal Chemistry. 2020. Vol. 64, № 1. P. 150-183. https://doi. org/10.1021/acs.jmedchem.0c01473
3. Chupakhin E., Babich O., Prosekov A. Spirocyclic Motifs in Natural Products // Molecules. 2019. Vol. 24, № 22. P. 4165-4169. https://doi.org/10.3390/mol-ecules24224165
4. Zheng Y., Tice C. M., Singh S. B. The Use of Spirocyclic Scaffolds in Drug Discovery // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2014. Vol. 24, № 16. P. 3673-3682. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2014.06.081
5. Борисова С. В., Абдуллаева С. Ч., Кочуков А. С., Сорокин В. В. Илиденмалононитрилы в трёх-компонентном синтезе новых гетероциклических
систем // Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии: межвуз. сб. науч. тр. XV Всерос. конф. молодых ученых с между-нар. участием. Саратов : Саратовский источник, 2021. С 57-58.
6. Ивонин М. А., Бычок О. Ю., Сафарова Н. В., Сорокин В. В. Трехкомпонентный синтез 5-арил-3-амино-ш-пиразол-4-карбонитрилов и 3-амино-1, 2-диазаспиро [4.5] дец-3-ен-4-карбонитрилов // Жур -нал общей химии. 2017. Т. 87, № 10. С. 1728-1731.
7. Meshcheryakova A. A., Neumoina K. S., Sorokin V. V. Three-Component Synthesis of Spiropy razolines Derived from Benzohydrazides // Russian Journal of Organic Chemistry. 2023. Vol. 59, № 8. P. 1309-1314. https://doi.org/10.1134/S1070428023080031
8. Gupta N., Bhojani G., Tak R., Jakhar A., Khan N., Chatterjee S., Kureshy R. Highly Diastereoselective Syntheses of Spiro-Oxindole Dihydrofuran Derivatives in Aqueous Media and Their Antibacterial Activity // Chemistry Select. 2017. Vol. 2, № 33. P. 10902-10907. https://doi.org/10.1002/slct.201702314
9. Гуревич П. А., Еремкин А. В., Карпов С. В., Со-ленова Е. А., Павлова С. И., Андреева Г. В. Ацети-лирование 2-(3-амино-1, 4-диазаспиро [4. 5] дек-3-ен-2-илиден) малононитрила и определение антимикробной активности полученных соединений по отношению к S. aureus // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16, № 20. С. 141-143.
References
1. Gutti G., Kumar D., Paliwal P., Ganeshpurkar A., Khemraj Lahre K., Kumar A., Krishnamurthy S., Su-shil Kumar Singh S. K. Development of pyrazole and spiropyrazoline analogs as multifunctional agents for treatment of Alzheimer's disease. Bioorganic Chemistry, 2019, vol. 46, pp. 103080. https://doi.org/10.1016/j. bioorg.2019.103080
2. Hiesinger K., Dar'in D., Proschak E. Spirocyclic Scaffolds in Medicinal Chemistry. Journal of Medicinal Chemistry, 2020, vol. 64, no. 1, pp. 150-183. https:// doi.org/10.1021/acs.jmedchem.0c01473
3. Chupakhin E., Babich O., Prosekov A. Spirocy-clic Motifs in Natural Products. Molecules, 2019, vol. 24, no. 22, pp. 4165-4169. https://doi.org/10.3390/ molecules24224165
4. Zheng Y., Tice C. M., Singh S. B. The Use of Spirocyclic Scaffolds in Drug Discovery. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2014, vol. 24, no. 16, pp. 3673-3682. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2014.06.081
5. Borisova S. V., Abdullayeva S. Ch., Kochukov A. S., Sorokin V. V. Ilydenmalononitriles in the synthesis of new heterocyclic systems. Contemporary Problems of Theoretical and Experimental Chemistry: International collection of scientific papers of the XV All-Russ. conf. of young scientists with internat. participation. Saratov, Saratovskii istochnik, 2021, pp. 57-58 (in Russian).
6. Ivonin M. A., Bychok O. Yu., Safarova N. V., Soro-kin V. V. Three-component synthesis of 5-aryl-3-ami-no-1H-pyrazole-4-carbonitriles and 3-amino-1,2-diazaspiro[4.5]dec-3-ene-4-carbonitriles. Zhurnal obshchey khimii [Russian Journal of General Chemistry], 2017, vol. 87, no. 10, pp. 1728-1731 (in Russian).
7. Meshcheryakova A. A., Neumoina K. S., Sorokin V. V. Three-Component Synthesis of Spiropyrazolines Derived from Benzohydrazides. Russian Journal of Organic Chemistry, 2023, vol. 59, no. 8, pp. 1309-1314. https://doi.org/10.1134/S1070428023080031
8. Gupta N., Bhojani G., Tak R., Jakhar A., Khan N., Chatterjee S., Kureshy R. Highly Diastereoselective
Syntheses of Spiro-Oxindole Dihydrofuran Derivatives in Aqueous Media and Their Antibacterial Activity. Chemistry Select, 2017, vol. 2, no. 33, pp. 10902-10907. https://doi.org/10.1002/slct.201702314 9. Gurevich P. A., Eremkin A. V., Karpov S. V., Solenova E. A., Pavlova S. I., Andreeva G. V. Acetylation of 2-(3-amino-1, 4-diazaspiro [4. 5] dec-3-en-2-ylidene) malononitrile and determination of the antimicrobial activity of the resulting compounds against S. aureus. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Kazan Technological University], 2013, vol. 16, no. 20, pp. 141-143 (in Russian).
Поступила в редакцию: 26.05.2024; одобрена после рецензирования 06.06.2024; принята к публикации 18.06.2024; опубликована 25.12.2024 The article was submitted 26.05.2024; approved after reviewing 06.06.2024; accepted for publication 18.06.2024; опубликована 25.12.2024
