УДК 541.69:547.7+615.099.092

О СТРОЕНИИ И ТОКСИЧНОСТИ НЕКОТОРЫХ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ ИНГИБИТОРОВ НИТРИФИКАЦИИ

Ю.А. Бунятян, к.х.н.

НИИ гигиены окружающей среды и профилактической токсикологии
Минздрава Республики Армения, г. Ереван

В основе различий действия разнообразных токсикантов, в частности агрохимических, лежат прежде всего особенности химического строения. Химическая структура молекул определяет большую часть биологических свойств.

При поиске связи структуры и токсичности используется большое количество различных физико-химических параметров. Среди них особое значение придается электронным — квантовохимическим параметрам. Преимущество подобного подхода состоит в том, что необходимые молекулярные характеристики в принципе могут быть рассчитаны без обращения к эксперименту. Сложность подобных расчетов преодолевается использованием вычислительной техники и стандартных квантовохимических программ.

Проведенные в течение ряда лет в НИИ гигиены окружающей среды и профилактической токсикологии МЗ РА углубленные токсиколого-гигиенические исследования наиболее перспективных ингибиторов нитрификации (ИН): 1-карбамоил-3(5)-метилпиразола (КМП); 1-гидроксиметил-3(5)-метилпиразола (ГММП); 4-амино-1,2,4-триазола (АТГ); 2-хлор-6-(трихлорметил)-пиридина (синоним — нитрапирин (НП) и их метаболитов: 3(5)-метилпиразола (МП) и 6-хлорпиколиновой кислоты (6-ХПК) позволили реально подойти к изучению перспективности методов квантовохимических расчетов в санитарно-химических исследованиях и в анализе связи структура — токсичность гетероциклических азотсодержащих соединений, а также прогнозировании изменений токсичности соединений при том или другом изменении структур, что особенно ценно при направленном поиске соединений с заданными свойствами.

Материалы и методы исследования

Исходя из этого, проведены некоторые расчеты электронных параметров молекул, изучаемых ИН с помощью одного из широко применяемых в квантовохимических расчетах метода MNDO (Modified Neglet of Diatomic Overlapping — модифицированное пренебрежение двухатомным перекрыванием — МПДП) [7, 8]. Использовали также и данные литературны квантохимических расчетов соединений, являющихся структурными аналогами изучаемых веществ [2, 3].

При расчете электронных структур изучаемых систем, включающих атомы углерода, водорода, азота, хлора, кислорода, была использована параметризация согласно Дьюару и Тилу [8]. Для расчета изучаемых ИН использовали геометрические параметры, полученные экспериментальным путем методом нейтронной дифракции [9].

Результаты и их обсуждение

В результате расчетов получен ряд параметров изучаемых соединений, из которых в свете поставленной задачи наибольший интерес представляют электронная плотность атомов, а также порядок связи и валентности (рис. 1—4, 5—8, 9—12).

Неспецифическая клиническая картина острого отравления ИН не выявила той определенной ферментной системы, на которую действуют ИН, вместе с тем, общетоксическое действие (политропность) их очевидно [4-6].

Учитывая определенную амфотерность изучаемых соединений, выражавшуюся в существовании как нуклеофильных, так и электрофильных центров, возможность конкурентного участия их в реакциях связывания как с белковой частью фермента, так и с небелковой, чрезвычайно высока. Обращает на себя внимание и тот факт, что изучаемые ИН оказывают токсическое действие на ферменты почв (их активность) через образование комплексов с металлами и инактивации тем самым оксидаз нитрификации. По аналогии можно предположить связывание ИН с металлами в комплексы по типу хелатных соединений и тем самым инактивацию ферментов животного организма. Одновременно образование комплексов можно рассматривать и как возможный путь инактивации самих ИН, при этом уменьшение их токсического действия может быть связано с устойчивостью образовавшегося комплекса. Чем устойчивее комплекс, тем меньше действие будет оказано ИН. Подобные утверждения небеспочвенны, так как производные пиразолов, пиридинов, триазолов нашли широкое применение в координационной химии [1, 10].

В составе пиразолов имеется два атома азота, несущих различную функцию. Один из них имеет «пиррольную» функцию, другой — «пиридиновую». Ароматическая природа пиразолов связана с наличием сопряженной 6-p электронной системы. Расположенные рядом два атома азота в силу своей электроотрицательности становятся причиной сильного отрицательного индуктивного эффекта. В незамещенном по атому азота пиразоле нельзя разделить «пиррольную» и «пиридиновую» функции в силу миграции протона:

Устанавливается равновесие между электронодонорной способностью в кольцо одного атома азота ("пиррольного») и электроноакцепторной способностью из кольца другого атома азота («пиридинового»), сдвинутое в сторону электроноакцепторной способности, что и определяет при амфотерности пиразолов несколько большие основные свойства.

Введение метильного радикала в положение 3(5), незначительно меняя электронные плотности на атомах пирозольного кольца, приводит к его новому качеству, когда электрофильные центры оказываются подавлены, при этом значительные избыточные отрицательные заряды возникают на IN > 4C > 2N. Электрофильность цикла понижается. Метильный радикал существенно повлиял на донорные способности в кольце 1N, тем самым сдвинув равновесие в сторону акцепторности в цикле 2N, хотя и заряд на 2N уступает по своей плотности. Однако, учитывая большие потенциальные возможности 2N, выражающиеся не только в заряде, но и в степени локализованного заряда в двойной связи 2N = 3С (порядок связи), а также в реакционной способности 2N (свободная валентность), могущие реализоваться в динамике, 2N является достаточно дееспособным нуклеофильным центром для комплексообразования.

Введение по "пиррольному" азоту карбамоильной функции приводит как к уменьшению электронной плотности на 4С, что свидетельствует об ослаблении мезомерного эффекта, так и уменьшению электронных плотностей на 5С и 2N, что свидетельствует об усилении электростатического взаимодействия "пиррольного" азота и концентрировании на нем большого отрицательного заряда. Донорное "взаимодействие" "пиррольного" азота с кольцом уменьшилось, вместе с тем порядок связи 2N = 3С возрос, а степень реакционной способности 2N осталась почти прежней по сравнению с метилпиразолом. Ослабление мезомерного эффекта и возрастание электрстатического взаимодействия 1N, с одной стороны, и локализация заряда связи у 2N с неизменной реакционной способностью (свободная валентность), с другой, должны несомненно привести при взаимодействии к большей основности соединения, а значит, к большей нуклеофильности 2N и донорные способности при комплексообразовании должны проявиться в большей степени, чем у метилпиразола. Заметим, что токсичность у КМП меньшая, чем у МП (ЛД₅₀ МП 1000 мг/кг, КМП 1280 мг/кг).

Введение по "пиррольному" азоту гидроксиметильной группы приводит к еще большему увеличению электронной плотности на "пиррольном" азоте и ослаблению его электростатического взаимодействия, что сказывается на "пиридиновом" азоте, где электронная плотность возрастает. Возросла также свободная валентность "пиридинового" азота, при этом уменьшился порядок связи 2N = 3С. Токсичность гидроксиметильного производного уменьшилась (ЛД₅₀ ГММП — 1650 мг/кг). Отмечается та же тенденция: уменьшение донорности 1N в кольцо и увеличение акцепторности 2N из кольца приводит к убыванию токсичности соединения.

Введение третьего гетероатома в пятичленный цикл понижает лабильность электронной структуры молекулы. Ароматичность цикла обеспечивается, однако, способность к электрофильному замещению по атомам углерода резко падает. Наряду с этим, наличие неподеленных пар у двух гетероатомов увеличивает вероятность электрофильной атаки по азоту, способствует таутомерным превращениям, комплексообразованию и получению четвертичных солей.

Введение аминогруппы по 4N существенно изменило электронные плотности в триазольном кольце, значительно понизив электрофильность цикла. По сути дела в составе указанного триазола мы имеем более жестко закрепленное разделение "пиррольной" функции 4N и "пиридиновых" функций 1N и 2N, чему содействовало введение аминогруппы, уменьшившей силу мезомерного эффекта. Донорное взаимодействие "пиррольного" азота 4N резко падает, вместе с тем у "пиридиновых" азотов достаточно высокие свободные валентности и порядки связей, указывающие на большой локализованный заряд в двойных связях. Электрофильность кольца триазола резко понижается, возможность комплексообразования резко возрастает и токсичность 4-амино-1,2,4-триазола резко падает (ЛД₅₀ АТГ — 13600 мг/кг).

Распределение электронной плотности и большая лабильность в пиридине свидетельствуют об электрофильном характере цикла и нуклеофильности гетероатома. Введение заместителей в цикл может привести к смещению равновесия в сторону либо электрофильности цикла, либо нуклеофильности гетероатома, что, видимо, и является основной предпосылкой токсических свойств производных пиридина. Реакции электрофильного присоединения по атому азота пиридина связаны с уменьшением или увеличением основности этого атома, что достигается влиянием заместителей в цикле.

Наличие в составе изучаемых пиридинпроизводных — НП и его метаболита 6-ХПК — заместителей в положениях 2 (-ССl₃, -СООН) и 5 (Сl) существенно влияют на нуклеофильность гетероатома и электрофильность цикла. Заметим, что сами по себе группировки СС1₃ и СООН также привнесли определенную особенность, усилив комплексообразующие свойства данных соединений (донорное взаимодействие). Несомненно, что комплексообразующие свойства последних уступают триазолам и более выражены, чем у пиразолов. Распределение электронной плотности на атомах азота в молекулах НП и 6-ХПК вызвано различными эффектами заместителей в положении 2. В первом случае индуктивный эффект -СС1₃ группы оказал большее влияние на заряд атома азота, чем эффект сопряжения кислотной группы. Последний эффект более отразился на углеродных атомах в положениях 2 и 3. Казалось, что комплексообразующие способности 6-ХПК должны быть выражены в большей степени, чем у НП, однако наличие в составе НП атомов галогена с достаточно высокой электронной плотностью и свободной валентностью придало большую комплексообразующую способность. Кроме того, в молекуле 6-ХПК большой заряд атома может быть блокирован отчасти из-за образования внутримолекулярной водородной связи. При образовании 6-ХПК, которое через декарбоксилирование может дать еще более токсичное соединение — хлорпиридин, комплексообразующие свойства уменьшаются, а токсичность при метаболизме возрастает. Аналогичное явление наблюдалось и при введении КМП, метаболизм которого приводил к более токсичному МП.

Учитывая все вышеизложенное, можно заключить, что чем выше комплексообразующие способности изученных соединений, проявляющиеся в основном через нуклеофильность атомов азота, имеющихся в циклах (азолы, пиридин, триазол), тем выше степень дезактивации в результате кватернизации, и тем ниже токсичность. При существующей в соединениях амфотерности, чем больше выражена нуклеофильность гетероатомов "пиридинового" характера, тем ниже токсичность соединения. Можно предположить, что электрофильность ксенобиотиков способствует связыванию их с активными центрами белка-фермента, а в случае нуклеофильности, связывание идет с частицами, выступающими в роли кофакторов. При значительном количестве последних это может и не повлиять существенно на токсичность. Именно поэтому введение ИН совместно с карбамидом (форма применения) в организм подопытных животных и не выявило значимой токсичности испытуемых соединений (ЛД₅₀ > 20000 мг/кг). Связывание нуклеофильного гетероатома в комплекс (кватернизация) инактивирует его и взаимодействие с нуклеофильными центрами белка из-за повышенной устойчивости соли к атакам электрофильных белков агентов крайне затруднено.

Было бы весьма категоричным утверждать о существовании корреляции электрофильности гетероциклов и нуклеофильности гетероатомов с токсичностью пиразоловых, пиридиновых и триазоловых гетероциклических соединений, однако подобная причинно-следственная связь очевидна.

ЛИТЕРАТУРА
1. Гарновский А.Д., Осипов О.А., Кузнецова Л.И., Богдашев Н.Н. Успехи координационной химии азолов // Успехи химии. —1973. —Т. 42. —С. 177—215.
2. Иванский В.И. Химия гетероциклических соединений. —М.: Высшая школа, 1978. —559 с.
3. Маилян Н.Ш., Паносян Г.А., Дарбинян Э.Г., Мацоян С.Г. Полуэмпирические ССП-расчеты моно- и дизамещенных пиразолов методом CNDO/2 //Арм. хим. журн. —1981. —Т. 34, N 12. —С. 991—994.
4. Погосян С.Б., Бунятян Ю.А. Токсиколого-гигиеническая оценка ингибиторов нитрификации пиразолового и триазолового рядов // Совр. пробл. гиг. окр. среды охр. здор. человека: Тез. докл. конф. —Ереван, 1994. —С. 59—60.
5. Погосян С.Б., Назаретян К.Л., Бунятян Ю.А. Токсикологическая оценка нового ингибитора нитрификации и его метаболита // Гиг. санитар. —1986. —N 6. —С. 29—31.
6. Погосян С.Б., Назаретян К.Л., Бунятян Ю.А. Токсикологическая характеристика новых ингибиторов нитрификации // Там же. —1988. —N 9. —С. 83.
7. Dewar M.J.S., Thiel W. Ground States of Molecules. 38. The MNDO Method. Approximations and Parameters // J. Am. Chem. Soc. —1977. —V. 99. —P. 4899—4907.
8. Dewar M.J.S., Thiel W. Ground States of Molecules. 38. The MNDO Results for Molecules Containing Hydrogen, Carbon, Nitrogen and Oxygen // J. Am. Chem. Soc. —1977. —V. 99. —P. 4899—4907.
9. Soetofte J., Larsen F.K., Lehmann M.S., Rasmussen S.E. Neutron diffraction study of the crystal and molecular structure of pyrazole C3H4N2 // Acta Chem. Scand. —1970. —V. 24, N 9. —P. 3242—3258.
10. Trofimenko S. The coordination Chemistry of Pyrazole-derived Ligands // Chem. Rev. —1972. —V. 72, N 5. — P. 497—509.