<<
>>

Влияние стерических факторов

Существует два типа стерических эффектов, обусловленных наличием в молекулах небольших инертных групп. Эффекты первого типа обнаруживаются даже в водных растворах, эффекты второго требуют для своего проявления соответствующей частично комплементарной поверхности, как, например, в ферментативных реакциях.

А. Влияние стерических факторов на растворимость. Введение в молекулу метильной группы приводит к уменьшению растворимости соединения в воде, так как метальная группа обладает гидрофобными свойствами (разд. 17.1) и вследствие этого обычно снижает растворимость. Однако известны исключения из этого правила. В табл. 2.4. приведены величины растворимости в воде для некоторых алифатических спиртов, из которых видно, что растворимость амиловых спиртов увеличивается; с разветвленностью боковых цепей. Это связано с существованием прочных водородных связей между молекулами воды. Для того чтобы вещество растворилось в воде, оно должно раздвинуть молекулы воды, т. е. разорвать водородные связи, что легко достигается в случае низших спиртов, метанола и этанола, так как гидроксильные группы составляют значительную часть их молекул и способны легко образовывать водородные связи [1]

Таблица 2.4.
Растворимость спиртов в воде (г на 100 г воды при 20 °С) [Ginnings, Baum, 1937]
Спирт Растворимость
Пентанолы

СНз—СН2—СН2—СН2—СН2—ОН

2,4
СНз—СН2—СН2—СН—СНз 4,9
1

он

СНз
1

СНз—С—СН2—СНз

12,2
он
н-Бутанол (для сравнения) 8,2

с молекулами воды.

В то же время у высших спиртов решающее значение приобретает алифатическая боковая цепь, не способная проникать в промежутки между молекулами воды и раздвигать их, и поэтому она вытесняется из воды, увлекая за собой всю молекулу. Влияние алифатической цепи значительно слабее у спиртов с гидроксильной группой, расположенной ближе к середине молекулы (так, например, растворимость третичного амилового спирта выше, чем его низшего гомолога и-бута- нола). Неудивительно и то, что из-за гибкости более длинной цепи растворимость 2-аминомасляной кислоты в воде выше, чем растворимость 2-аминопропионовой кислоты (аланина) [Cohn et al., 1934].

Растворимость ряда сульфамидопиримидиновых препаратов при введении метильной группы резко повышается (табл. 2.5). На первый взгляд это кажется странным, так как эти вещества представляют собой кислоты и добавление каждой новой метильной группы снижает степень ионизации кислотной группы (—S02NH—) за счет индукционного эффекта метильных групп (разд. 17.2). Например, сульфазин менее растворим, чем его метильные производные, хоят он имеет наибольшую степень ионизации из всех членов этого ряда, а ионы, как правило, растворяются лучше, чем нейтральные молекулы. Увеличения растворимости при введении метильных групп можно ожидать и в других соединениях, похожих по сложности и жесткости структуры. Очевидно, метильные группы стерически затрудняют быструю адсорбцию молекул уже растворенного вещества на кристаллической решетке твердой фазы, что и смещает равновесие в сторону увеличения растворимости. Количественные определения растворимости трех веществ (см. табл. 2.5) были проведены при pH 5,2, так как именно в этих условиях практически происходит дезинфекция мочевых путей,

Таблица 2.5. Увеличение растворимости в воде, вызванное введением метильных групп [Gilligan, Plimmer, 1943]

nh-so2-^_^-nh2 border=0>
Ri R2 Лекарственное рКа вещество Процент ионизированной формы при pH 5,2 Растворимость при pH 5,2 (37 °С), ммоль/л
Н Н Сульфазин 6,5 3,9 0,0005
СНз Н Сульфамеразин 7,1 1,4 0,0013
СНз СНз Сульфадимезин 7,4 0,7 0,0024

а также выведение лекарственного вещества почками (все трч вещества значительно менее растворимы, чем их ацетильные производные; в противном случае большее значение имели бы данные о растворимости этих производных).

Аналогично меняются величины растворимости этих соединений при pH 6,0 и 7,0.

При введении метильных групп в триазиновые гербициды растворимость последних также увеличивается. Такие несимметричные производные, как атразин (2.29), значительно более растворимы в воде, чем симметричные низшие гомологи, например симазин (4.62). Растворимость этих двух веществ в воде при 25 °С равна соответствено 70 и 5 частей на 1 мл. Вследствие этого атразин значительно более токсичен для листьев.

С1

I

N^N

АЛ

Et—HN N NH—і Рг

Атразин (2.29)

Резкое изменение биологической активности, вызванное введением инертного заместителя, наиболее отчетливо можно наблюдать в гомологических рядах. Обычно в гомологическом ряду биологическая активность повышается при переходе к каждому последующему члену ряда до определенного предела, когда очередное прибавление группы —СН2— влечет за собой значительное уменьшение или даже полное исчезновение биологической активности. Такое изменение биологической активности для соединений одного гомологического ряда наблюдается

Рис. 2.3. Зависимость бактерицидной активности (концентрация) от растворимости неразветвленных первичных спиртов.

для разных видов биологической активности у различных членов ряда. Неудивительно, что по мере удлинения цепи токсичность возрастает, так как дополнительная метиленовая группа обеспечивает возможность образования дополнительных ван- дер-ваальсовых связей. А это означает увеличение адсорбционной способности соединения, обеспечивающей связь с рецепторами организма. При этом, однако, увеличения десорбционных сил не происходит, так как кинетическая энергия молекулы не зависит от ее размера. Резкое уменьшение биологической активности стало понятным после того, как Ferguson (1939) показал, что логарифмы эквитоксических концентраций различных членов гомологического ряда лежат на прямой.

На прямой лежат и логарифмы их растворимостей, причем эти две прямые не параллельны друг другу, а именно в точке их пересечения и отмечается скачок биологической активности в данном гомологическом ряду (рис. 2.3). В разд. 15.0 этот эффект рассматривается с точки зрения зависимости термодинамической активности от концентрации лекарственного вещества.

На рис. 2.3 приведены графики зависимости логарифма токсических концентраций первичных спиртов от логарифма их растворимости в воде. Как видно из этого рисунка, грамотри- цательная бактерия В. typhosus крайне чувствительна к воздействию спиртов. Даже для октилового спирта летальная концентрация не превышает предела его растворимости. В то же время грамположительный Staphylococcus aureus менее чувствителен к спиртам, поэтому бактерицидный эффект для этого микроорганизма достигается при более высокой концентрации. В результате резкое исчезновение биологической активности наблюдается на уровне амилового спирта, поскольку экстраполированная для гексилового спирта летальная концентрация превышает его растворимость. Показанная на рис. 2.3 пунктиром «кривая насыщения» идет под углом 45°, т. е. логарифм раство

римости в каждой точке равен логарифму токсической концентрации. На этой прямой должны лежать точки для веществ воображаемого ряда, обладающих оптимальной активностью в насыщенных растворах.

Иногда утрата биологической активности высшими гомологами объясняется иными причинами. Например, у первичных алифатических аминов кривые растворимости и токсичности расположены одинаково. Однако максимум токсичности в отношении большинства бактерий достигается для соединений с числом углеродных атомов, близким к 12 (додециламин), а при добавлении к длинной алифатической цепи еще одного или двух атомов углерода происходит резкое снижение антибактериальной активности [Fuller, 1942]. Следует отметить, что это происходит у тех гомологов, у которых при дальнейшем удлинении цепи увеличивается способность к образованию мицелл (разд.

14.0). Так, например, критическая концентрация мицел- лообразования при переходе от амина Ci2 к амину Си понижается с 0,01 до 0,003 [Klevens, 1948]. Содержание мономера (неассоциированных молекул) уменьшается при переходе к каждому следующему члену гомологического ряда даже в умеренно разбавленных растворах. Если предположить, что бактериальные рецепторы и мицеллы конкурируют друг с другом в захвате неассоциированных молекул (что вполне вероятно), то легко понять, каким образом это снижение концентрации мономера может привести к резкому уменьшению биологической активности.

Б. Влияние стерических факторов на ковалентную гидратацию. Метильная группа может препятствовать присоединению молекулы к соседней двойной связи, в результате чего липо- фильность такого соединения резко возрастает. Прежде чем обсуждать этот удивительный эффект, рассмотрим явление ковалентной гидратации. Наличие перегиба на кривой потенциометрического титрования птеридин-6-она [Albert, Brown, Cheese- man, 1952] помогло обнаружить способность азотсодержащих гетероциклов (хотя бы в виде одной из ионных форм) ковалентно присоединять воду по двойной связи [Albert, 1967, 1976; Perrin, 1965а]. Так, например, молекула хиназолина в водном растворе существует преимущественно в безводной форме (2.30), а ее катион — в виде гидрата (2.31) [Albert, Armarego, Spinner, 1961].

Рис. 2.4. УФ-спектр водного раствора хиназолина (сплошная линия — неиони- зированный образец, пунктир — катион).

Наличие ковалентной гидратации можно установить тремя методами, фиксирующими исчезновение двойной связи: 1) ультрафиолетовый спектр сдвигается в коротковолновую область; 2) определение констант ионизации указывает на ослабление кислотных или усиление основных свойств; 3) в спектре протонного магнитного резонанса (ПМР) происходит сдвиг сигнала в сторону слабого поля.

Более того, первый и третий методы дают информацию и о строении гидратированной формы. Значения констант в этих методах могут быть предсказаны по данным для изомеров или молекул, содержащих в цикле на один атом азота меньше или не содержащих бензольного кольца. В свою очередь значения для гидратов близки к таковым для соответствующих дигидросоединений.

Например, спектр хиназолина при подкислении раствора неожиданно резко смещается в сторону более коротких волн (рис. 2.4), а значение рКа становится равным 3,51 (равновесное значение) вместо 1,9 (величина рКа для безводной формы, определенная методами изучения быстрых реакций) [Bunting, Perrin, 1967]. Если к углеродному атому, атакуемому ОН-группой воды, присоединена метильная группа, то ковалентная гидратация подавлена. Этот эффект зависит в первую очередь от стерических факторов, но усиливается индукцией [Albert et al., 1961]. Поэтому в случае 4-метилхиназолина при подкислении происходит нормальное смещение спектра (рис. 2.5), а величина рКа равна 2,52, что совпадает с расчетным значением.

Птеридин (2.32) обнаруживает более высокую склонность к гидратации, чем хиназолин; даже его нейтральная молекулй гидратирована на 22% (в воде при 20 °С). И в этом случае введение метальной группы в положение 4 в значительной степени препятствует гидратации как самого птеридина, так 2-ами-

Рис. 2.5. УФ-спектр водного раствора 4-метилхииазолина (сплошная линия — неионизированный образец, пунктир — катион).

ноптеридина [Albert, Howell, Spinner, 1962] и птеридин-2-она [Albert, Howell, 1962]. Птеридин-6-он гидратируется по двойной связи в положениях 7 и 8 [Brown, Moson, 1956]; этот процесс подавляется введением метильной группы в положение 7 [Albert, Reich, 1961].

Появление в результате ковалентной гидратации новой гидроксильной группы приводит к снижению коэффициента распределения соединения в системе масло — вода и уменьшению его способности проникать через мембраны. А наличие метильной группы в соответствующем положении может увеличивать способность вещества проникать через мембрану вследствие уменьшения гидратации (разд. 17.1), а это, в свою очередь, может полностью менять его физиологические свойства.

Природные птеридины могут существовать в гидратированной, как, например, ксантоптерин, или безводной форме, например, 7-метилксантоптерин [Albert, Reich, 1961; Inoue, Perrin, 1962]. Некоторые природные вещества могут находиться в равновесии с ковалентно-гидратированной формой: афлатоксин,

с помощью которого грибок Aspergillus flavus переваривает пищу [Patterson, Roberts, 1972]; антрамицин (4.43), пирролобен- зодиазепиновый антибиотик [Goldberg, Friedman, 1971]; алкалоид хортиамин, понижающий давление крови [Pachter et al., I960]; тетродотоксин, блокатор натриевых каналов из японской рыбы фугу [Goto et al., 1965], а также эргоалкалоиды при экспонировании на свету [Hellberg, 1959]. Вполне вероятно, что окислению пуринов ксантиноксидазой предшествует их ковалентная гидратация, хотя в равновесной смеси может содержаться лишь небольшое количество гидратированной формы (Bergmann et al., 1960].

В. Влияние стерических факторов на хелатообразование.

Противобактериальное действие 8-оксихинолина (разд. 11.7.1) в значительной степени подавляется при введении метильной группы в положение 2 [Albert et al., 1974]. Этот эффект метильной группы, по всей вероятности, обусловлен стерическими препятствиями при контаке активного участка с биологической поверхностью. Даже просто в растворе 2-метил-8-оксихиноли» способен при комплексообразовании различать катионы А13+" и Fe3+, что также связано со стерическим влиянием метильной группы. Примеры стерических затруднений, вызываемых метальной группой, приводятся в разд. 11.4.

Г. Влияние стерических факторов на взаимодействие с рецепторами и ферментами. Большинство молекул, способных связываться с холинорецепторами (имитируя действие мускарина), содержат четвертичный атом азота, у которого один и& заместителей представляет собой неразветвленную цепь из пяти атомов (разд. 12.6). Дополнительное введение еще хотя бы одной метиленовой группы в эту цепь приводит к исчезновению* биологической активности. Наиболее активные молекулы в качестве двух других заместителей содержат метильные группы,, причем их замена атомом водорода или этильной группой приводит к резкому падению активности.

Ферменты также часто обладают настолько высокой специфичностью, что введение или удаление одной метильной группы в молекуле субстрата или кофермента может привести к. резкому уменьшению или даже к полному исчезновению их способности взаимодействовать с ферментом. В начале этой главы уже рассказывалось о влиянии метильной группы на биологическую активность тиамина.

Еще одним примером служит индолилуксусная кислота. (4.82), природный регулятор роста растений, утрачивающая активное биологическое действие при введении метильной группы в положение 2. В то же время наличие метильной группы в положении 2 абсолютно необходимо для проявления биологической активности витаминов группы К, например менафтона* (2.,33).

Иногда метальная группа усиливает биологический эффект лекарственного вещества, нарушая его структурное соответствие разрушающему ферменту. Так, гипертензивное действие фенамина (1-метил-2-фенилэтиламин) (9.44) длительнее, чему 2-фенилэтиламина. Это объясняется устойчивостью фенамина к действию моноаминоксидазы (МАО), которая, однако, быстро разрушает 2-фенилэтиламин [Blaschko, 1952]. Точно также можно усилить действие кортикостероидов и стероидных половых гормонов введением метильной группы. Так были получены многие эффективные лекарственные вещества. Вероятно,, инертные заместители нарушают стерическое соответствие молекул стероидов с разрушающими их ферментами [Ringold, 1961].

2.5.1.

Электронные влияния

Метильная группа — один из немногочисленных заместителей, всегда проявляющих электронодонорные свойства как по индуктивному механизму, так и за счет сопряжения (разд. 17.2).

А. Электронные влияния на ионизацию. Электронодонорная метильная группа, связанная с атомом углерода, повышает •основность и понижает кислотность. Присоединение метильной группы к атому азота, т. е. образование вторичного амина, приводит к увеличению основности, однако третичные амины обычно слабее, чем вторичные. Такие изменения основности чаще всего невелики и не превышают одной единицы рК, но они могут повлиять на биологическое действие, если рК отличается от pH, при котором проводится биологический эксперимент, не более чем на одну единицу (разд. 10.0). В таких случаях разница в единицу рК может привести к тому, что одно из двух лекарственных веществ окажется ионизированным в 10 раз сильнее. Если, как это часто бывает, одна из ионных ■форм (например, катион) биологически намного активнее, чем другая (например, нейтральная молекула), то такое изменение ионизации может определить наличие или отсутствие биологической активности (разд. 10.3).

Основность трифенилметановых красителей значительно увеличивается при N-алкилировании (сложная химия этих соединений обсуждается в разд. 10.2). Из данных, приведенных в табл. 2.6, видно, что противобактериальная активность строго коррелирует со степенью ионизации исследованных веществ, т. е. биологическая активность зависит от присутствия «химически инертных групп».

Совершенно очевидно, что при метилировании кислотных —ОН или —NH групп пропадает их способность к ионизации. В ряду производных барбитуровой кислоты это приводит к следующим результатам. В водных растворах барбитуровая кислота существует в триоксо-форме (2.34), и в результате отщепления протона от атома С-5 образует моноанион, являющийся довольно СИЛЬНОЙ КИСЛОТОЙ (рКаЗ,9). Введение одной алкильной группы в положение 5 незначительно снижает кис-

Таблица 2.6. Зависимость между ионизацией и противобактериальиой активностью в ряду трифенилметановых соединений
Соединение

(}

R2N+ NRg

Р

(все четыре)

РК

(равновес

ная)

Процент ионизированной формы прн pH 7,3 Минимальная бактериостатическая концентрация для Staph, aureus (24 ч прн 37 °С и pH 7,3)
Фиолетовый Дебиера н 5,38 2 1: 20 000
Малахитовый зеленый СНз 6,90 28 1: 80 000
Бриллиантовый зеленый с2н5 7,90 80 1:1 280 000

лотность, но при двух заместителях такой анион образоваться не может. В этом случае происходит отщепление от N-3 и образуется анион по положению 3, но такая кислота значительно слабее. Так, для барбитала (5,5-диэтилбарбитуровой кислоты) величина рКа равна 7, 9, т. е. в 104 раз меньше, чем для самой барбитуровой кислоты. Поэтому введение двух энертных этильных групп резко сказывается на биологической активности. Соединение с рКа 3,9 полностью ионизировано при pH 7,3 (разд. 17.0) и не проникает через ГЭБ, тогда как соединение с рКа 7,9, как у барбитала, при pH 7,3 ионизировано только на 20% и легко проникает через барьер. Для снотворного действия настолько важна липофильность, что заместители в положении 5 все вместе должны содержать не менее четырех атомов углерода (см. главу 15).

Б. Электронные влияния на окислительно-восстановительные (редокс) потенциалы. Смещение электронов от С-метиль- ной группы приводит к снижению редокс-потенциала (Ео). В результате вещество становится более активным восстановителем и менее активным окислителем (т. е. оно становится более устойчивым к восстановлению), чем его неметилированный гомолог. Редокс-потенциал (определение которого дано в разд. 11.4) отражает равновесие между окисленной и восстановленной формами (все величины редокс-потенциалов, приведенные в этой книге, даны относительно потенциала нормального водородного электрода).

Введение метальной группы в положение 2 молекулы 1,4- нафтохинона для получения соединения (2.33) снижает потенциал до +408 мв, т. е. на 76 mb [Fieser, Fieser, 1935]. Потенциал +408 мв вполне достаточен для окислительного агента в живой клетке. С другой стороны, восстановительный потенциал NAD равен 280 мв, и это значение так мало, что замещенный NAD с еще чуть более низким потенциалом будет, по всей вероятности, уже неспособен к восстановлению в соответству-

ющий NADH в клетке и не сможет выполнять жизненно важную функцию переносчика водорода. Возможно, что именно поэтому 2-метилникотинамид не обладает биологической активностью, хотя эффект метильной группы может быть частично связан и со стерическим влиянием.

В. Электронные влияния в реакциях, протекающих с разрывом ковалентной связи. Выше шла речь о влиянии электронодонорных эффектов метильной группы на процессы, протекающие фактически одномоментно, но не рассматривались медленные процессы (т. е. контролируемые кинетически). Метильные группы благодаря электронодонорному характеру способствуют электрофильному замещению, например, облегчая ацилирование соседних аминогрупп или образование ими азометина (основание Шиффа) в реакции с альдегидом. Метильная группа в боковой цепи легко подвергается биодеградации. Метаболическое окисление метильной группы в ароматических углеводородах до карбоксильной полностью меняет характер распределения вещества в организме и способствует его быстрому выделению [ср. Schultzen, Naunyn, 1867].

Метильные группы могут стабилизировать молекулу, если они замещают атом водорода, который в противном случае мог бы отщепиться вместе с соседним атомом. Например, ди- тиокарбаматы отщепляют сероводород, если хотя бы одна алкильная группа замещается атомом водорода, образуя изотиоцианаты. Так, фунгицид набам расщепляется с выделением изотиоцианата, являющегося, вероятно, истинно действующим агентом. Однако полностью алкилированные дитиокарбаматы, например (2.27), устойчивы и поэтому действуют как таковые (механизм их действия рассматривается в разд. 2.3).

Г. Растворимость. У ароматических азотсодержащих гетероциклов, например у пиридина, замещение атома водорода в группах —ОН, —NH2 или —СО—NH на метальную группу может резко повышать растворимость в воде. Но заместители, способные образовывать водородные связи (например, —NH2), уменьшают растворимость таких соединений в воде из-за образования водородной связи с высокополярным атомом азота цикла. Суть этого явления заключается в том, что сила взаимодействия между молекулами таких соединений больше, чем их сила взаимодействия с молекулами воды. В результате увеличивается энергия кристаллической решетки и вещество выпадает в осадок.

Это явление редко встречается у ациклических соединений. Влияние метильной группы на растворимость гетероциклических соединений — следствие способности этой группы нарушать образование ассоциатов, связанных водородной связью, а не прямой эффект ее электронного влияния.

Растворимость некоторых производных птеридина (2.32)

(в воде при 20 °С) следующая: 4-аминоптеридин 1 :400, 4-ди- метиламиноптеридин 1:2 [Albert, Brown, Cheeseman, 1952b],

7-гидроксиптеридин 1 :900, О- и N-метильные производные 1:50, 6-аминопурин (аденин) (4.3) 1:1100, 6-демитиламинопу- рин 1 : 120 [Albert, Brown, 1954].

<< | >>
Источник: Альберт А.. Избирательная токсичность. Физико-химические основы терапии. Пер. с англ. В 2 томах. Т. 1. — М.: Медицина1989, 400 с.; ил.. 1989

Еще по теме Влияние стерических факторов:

  1. РЕФЕРАТ. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ РЕБЕНКА И ВЛИЯНИЕ НА НЕГО ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ2000, 2000
  2. Глава 2. ФАКТОРЫ ПЕРИНАТАЛЬНОГО РИСКА СОЦИАЛЬНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
  3. Эозинофильные хемотаксические факторы при аллергии и астме. Эозинофильный хемотаксический фактор анафилаксии (ЭХФ-А)
  4. Влияние на простату
  5. Влияние на почки
  6. ВЛИЯНИЕ ЛУНЫ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
  7. Влияние на печень
  8. Влияние на клеточную регуляцию и дифференциацию
  9. Влияние на сердечные аритмии
  10. Влияние на тиоловые группы
  11. ВЛИЯНИЕ СЕРОТОНИНА НА ОБМЕН ВЕЩЕСТВ
  12. ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА