СИНТЕЗ И ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НОВЫХ ПРОИЗВОДНЫХ 1,3,4-ТИАДИАЗОЛА

АННОТАЦИЯ

С целью получения новых биологически активных соединений были синтезированы новые производные 1,3,4-тиадиазола - 2-амино-5-алкил-1,3,4 – тиадиазол,  2-хлор-N-(5- этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-ацетамид и  N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-4-фторбензамид, строение которых установлено на основании элементного анализа и спектральных данных. Потенциальная биологическая активность синтезированных соединений протестирована в исследованиях in silico, с использованием метода молекулярного докинга CB-DOCK. Выявлено, что молекулы (лиганды) синтезированных производных 1,3,4-тиадиазола способны в различной степени связываться с активными центрами различных белков. Среди них молекула 2-хлор-N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-ацетамида показала наибольшую энергию связывания с белком-рецептором 2MZP, что позволяет предположить его более высокую потенциальную биологическую активность.

ABSTRACT

To obtain novel biologically active compounds, new 1,3,4-thiadiazole derivatives were synthesized: 2-amino-5-alkyl-1,3,4-thiadiazole, 2-chloro-N-(5-ethyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-acetamide, and N-(5-ethyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-4-fluorobenzamide. Their structures were established based on elemental analysis and spectral data. The potential biological activity of the synthesized compounds was tested in silico studies using the CB-DOCK molecular docking method. It was found that the molecules (ligands) of the synthesized 1,3,4-thiadiazole derivatives were capable of binding to various proteins to varying degrees of activity. Among these, the 2-chloro-N-(5-ethyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-acetamide molecule exhibited the highest binding energy to the 2MZP receptor protein, suggesting its higher potential biological activity.

Ключевые слова: 1,3,4-тиадиазол, 2-амино-5-этил-1,3,4-тиадиазол, N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-4-фторбензамид, мезоионная система, токсофорный фрагмент, молекулярный докинг, метод CB-DOCK.

Keywords: 1,3,4-thiadiazole, 2-amino-5-ethyl-1,3,4-thiadiazole, N-(5-ethyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-4-fluorobenzamide, mesoionic system, toxophore fragment, molecular docking, CB-DOCK method.

Введение. 1,3,4-Тиадиазольное ядро считается одним из важнейших и распространённых пятичленных гетероциклических соединений, присутствующих во многих лекарственных средствах, таких как флуканазол, кетоконазол, цефазолин, ацетазоламид и другие. Соединения с этим ядром обладают противовоспалительной [1], антибактериальной [2], противомикробной [3], противоэпилептической [4], противоопухолевой [5], противотуберкулёзной [6], и другими активностями. Широкая и высокая активность тиадиазольного кольца и его производных делает их важными биологически активными соединениями. С этой точки зрения методы синтеза, изучение биологической активности и изыскание путей применения производных 1,3,4-тиадиазола вызывает интерес у специалистов.

Целью данной работы является синтез производных 1,3,4-тиадиазола и изучение их биологической активности. Исходя из поставленной цели были поставлены следующие задачи: синтез  2-амино-5-этил-1,3,4-тиадиазола (I), синтез на его основе 2-хлор-N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-ацетамида (II) и N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-4-фторбензамида (III), а также тестирование потенциальной биологической активности полученных производных in silico методом молекулярного докинга CB-DOCK.

Материалы и методы. Синтез 2-амино-5-этил-1,3,4-тиадиазола (I). 7,4 г пропионовой кислоты смешивают с 16,3 г 92% серной кислоты и добавляют 8,9 г тиосемикарбазида. Реакционную смесь перемешивают 3 часа при температуре 68–70°C, по истечении этого времени к ней добавляют 26 мл воды и снова перемешивают в течении 30 минут. Значение рН реакционной смеси доводят до 4,5-5,0 добавлением 44% раствора гидроксида натрия при комнатной температуре. При этом наблюдается образование белого осадка, который отделяют фильтрованием. Осадок промывают водой, до нейтральной реакции промывных вод и сушат на воздухе. Перекристаллизация из спирта. Выход продукт 89%.

Синтез 2-хлор-N-(5- этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-ацетамида (II). 0,4 г 2-амино-5-этил-1,3,4-тиадиазола растворяют в 0,42 г пиридина при 60-70°С.  Раствор охлаждают до ~20°С, к полученному прозрачному бесцветному раствору добавляют 0,34 г хлорацетилхлорида. Реакционную смесь нагревают при 50-60°С в течение 2-х часов. При этом наблюдается выпадение осадка, который отделяют фильтрованием, промывают 10 мл воды, сушат. Перекристаллизация из спирта. Выход продукта 63%.

Синтез N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-4-фторбензамида (III). 1,0 г п-фторбензойной кислоты растворяют в 5,0 мл бензола, добавляют 1,0 мл тионилхлорида (SOCl₂). Реакционную смесь нагревают при 65-70°C в течение 3-4 часов. Образуется светло-жёлтый раствор хлорангидрида п-фторбензойной кислоты. Избыток растворителя и тионилхлорида удаляют перегонкой.

0,17 г 2-амино-5-этил-1,3,4-тиадиазола растворяют в 5 мл пиридина и по каплям добавляют 0,14 мл хлорангидрида п-фторбензойной кислоты. Реакционную смесь перемешивают в течение 6 часов при ~20°С. При этом наблюдается выпадение осадка белого цвета. Осадок отделяют фильтрованием и оставляют на сутки. Перекристаллизация из спирта. Выход продукта 47,8%.

ИК-спектры соединений были сняты на ИК-Фурье спектрометре фирмы Bruker-Optics, в виде порошка с бромидом калия.

Результаты и обсуждение. 1,3,4-тиадиазол, как пятичленный гетероциклический каркас, включает разнообразные физико-химические свойства. Как мезоионная система 1,3,4-тиадиазол имеет дискретные области положительных и отрицательных зарядов, приводящих к образованию высокополяризуемых производных [7]. Такая отличительная особенность позволяет мезоионным соединениям эффективно проникать через клеточные мембраны и взаимодействовать с различными рецепторами, что подчеркивает высокий потенциал производных 1,3,4-тиадиазола в медицинской химии [8]. Следует отметить, что токсофорный –N–C–S- фрагмент производных 1,3,4-тиадиазола, вероятно, отвечает за широкий спектр биологической активности [9]. Хорошая жирорастворимость атома серы в соединениях 1,3,4-тиадиазола также может оказывать положительное влияние на биологическую активность [10]. Синтез соединения I проведен по реакции пропионовой кислоты с тиосемикарбазидом в присутствии серной кислоты. Соединения II и III были синтезированы на основе соединения I, в первом случае с применением хлорацетилхлорида, во втором случае с применением хлорангидрида п-фторбензойной кислоты и тионилхлорида. Полученные соединения охарактеризованы определением некоторых физико-химических параметров и изучением их ИК- и УФ-спектров (табл.1).

Таблица 1.

Физико-химические параметры синтезированных соединений

Взаимодействие биологически активных веществ с белками – одна из наиболее актуальных тем в области фармацевтики, биотехнологии и химии. В частности, направленное связывание молекул с белками является важным фактором, определяющим их терапевтический потенциал. С этой точки зрения было in silico протестировано связывание синтезированных нами производных 1,3,4-тиадиазола (I-III) с активными центрами белков, с помощью программы CB-DOCK (Cavity-detection guideed Blind Docking).

Основные преимущества метода CB-DOCK заключаются в том, что:

1) алгоритм программы анализирует поверхность белка и выявляет не менее 5 потенциальных участков связывания;

2) автоматически определяет размеры и координаты ячейки сетки для докинга на основе структуры выявленных полостей - участков;

3) AutoDock Vina осуществляет быстрый и точный докинг для расчета комплекса «белок-лиганд»;

4) для каждой полости делается вывод об энергии связывания (сродстве связывания) и местоположении лиганда в прогнозируемом комплексе.

В данной работе, с использованием метода CB-DOCK, были идентифицированы следующие белки для синтезированных нами производных 1,3,4-тиадиазола (таблица 2).

Таблица 2.

Белки, идентифицированные для производных 1,3,4-тиадиазола с использованием метода CB-DOCK

Белки или ферменты, идентифицированные с помощью метода CB-DOCK, выбраны автоматически из PDB (Protein Data Bank) и представляют собой вещества, обладающие активностью при патологических состояниях. Например, 8Y1Y – это белок дифференцировки клеток индуцированного миелоидного лейкоза; 6WB5 – фермент акарбозокиназа Mak1, относящийся к классу трансфераз; 6HN8 – гем-содержащий домен BM3, относящийся к классу оксидоредуктаз, 7RJE α-спиральный мембранный белок и т. д.

Анализ полученных результатов показал, что молекула 2-хлор-N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-ацетамида обладает наилучшей энергией связывания и вероятно, будет обладать более высоким терапевтическим потенциалом. Соединения I и III, то есть 5-этил-2-амино-1,3,4-тиадиазол и N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-4-фторбензамид имеют умеренные значения связывания.

Хотя все лиганды связывались с различными белками, для белка 1WKR выявлено самое слабое связывание (для 2-хлор-N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-ацетамида: -4,5 ккал/моль) (таблица 3, рис.1-3).

Таблица 3.

Энергии связывания молекул (лигандов) производных 1,3,4-тиадиазола с активными центрами рецепторных белков

Рисунок 1. Связывание молекулы 2-хлор-N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-ацетамида с белковым рецептором 2MZP: слева – мультипликационный вид, в середине – вид с ребра, справа – поверхностный вид

Рисунок 2. Связывание молекулы N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-4-фторбензамида с белковым рецептором 7RJE: слева – мультипликационный вид, в середине – вид с ребра, справа – поверхностный вид

Рисунок 3. Связывание молекулы 5-этил-1,3,4-тиадиазола с белковым рецептором 6HN8: слева – мультипликационный вид, в середине – вид с ребра, справа – поверхностный вид

Заключение. Таким образом, показано, что молекулы (лиганды) синтезированных производных 1,3,4-тиадиазола способны в различной степени связываться с активными центрами различных белков. Среди них для молекулы 2-хлор-N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-ацетамида выявлено наибольшее значение энергии связывания (-32,1 ккал/моль) с белком-рецептором 2MZP, что позволяет предположить о его более высокой потенциальной биологической активности (рис. 1). Установлено, что остальные производные связываются с белками, идентифицированными методом CB-DOCK более низкими энергиями, что, вероятно, указывает на их относительно более слабую активность (табл. 3). Выбранные молекулы-лиганды, особенно 2-хлор-N-(5-этил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)-ацетамид, потенциально могут быть использованы в качестве лекарственных средств или биологически активных веществ.  Метод молекулярного докинга CB-DOCK служит эффективным инструментом для предварительной оценки потенциальной биологической активности таких молекул.

Список литературы:

1. Maddila, S., Gorle, S., Sampath, C., and Lavanya, P. Synthesis and anti-inflammatory activity of some new 1,3,4-thiadiazole containing pyrazole and pyrrole nucleus // J. Saudi Chem. Soc. – 2016. – 20. – P.306–312.
2. Chudzik B., Bonio K., Dabrowski W., Pietrzak D., Niewiadomy A., Olender A. et al. Synergistic antifungal interactions of amphotericin B with 4-(5-methyl-1,3,4-thiadiazole-2-yl) benzene-1,3-diol // Sci. Rep.  – 2019. - 9. – P.12945–12959.
3. Bhinge S. D., Chature V., Sonawane L. V. Synthesis of some novel 1,3,4-thiadiazole derivatives and biological screening for anti-microbial, antifungal and anthelmintic activity // Pharm. Chem. J. – 2015. – 49. - P.1–6.
4. Малыгин А.С. Исследование противоэпилептической активности нового амидного производного вальпроевой кислоты и 1,3,4-тиадиазола // Эпилепсия и пароксизмальные состояния. – 2019. – т.11. - №4. – С.357-363.
5. Овсепян Т.Р., Грбоян С.В., Арсенян Ф.Г., Мелик-Оганджанян Р.Г. Синтез и противоопухолевая активность новых фурил-2-замещенных 1,3,4-тиадиазолов, 1,2,4-триазолов // Химико-фармацевтический журнал. – 2011. – т.45. - №12. – С.3-6.
6. Шаропов Ф.С., Рахмонов Р.О., Валиев А.Х. Новые производные тиадиазола с противотуберкулезной активностью // Фармацевтическая химия. – 2022. – т.25. - №8. – С.31-39.
7. Zong G., Yan X., Bi J., Jiang R., Qin Y., Yuan H., Dong Y., Jin S., Zhang J. Synthesis, fungicidal evaluation and 3D-QSAR studies of novel 1, 3, 4-thiadiazole xylofuranose derivatives // PLoS ONE. – 2017. – 12. - e0181646.
8. Kalidhar U., Kaur A. 1,3,4-Thiadiazole derivatives and their biological activities: A Review // Res. J. Pharm. Biol. Chem. – 2011. – 4. – P.1091–1106.
9. Li Y., Geng J., Liu Y., Yu S., Zhao G. Thiadiazole — a promising structure in medicinal chemistry // Chem. Med. Chem. – 2013. – 8. – P.27–41.
10. Haider S., Alam M.S., Hamid H. 1,3,4-Thiadiazoles: A potent multi targeted pharmacological scaffold // Eur. J. Med. Chem. – 2015. – 92. – P.156–177.