ВЛИЯНИЕ pH СРЕДЫ НА СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ АМИДОВ ТЕТРАГИДРОИЗОХИНОЛИНОВ

Производные тетрагидроизохинолина (ТГИХ) составляют структурную основу большого числа природных алкалоидов и фармакологически активных синтетических молекул [1]. Также данные соединения демонстрируют широкий спектр биологической активности, включая противоопухолевое, нейропротекторное и антибактериальное действие [2]. Особый интерес для медицинской химии представляют амиды тетрагидроизохинолинов. – Введение амидной группы в молекулу позволяет эффективно модулировать их липофильность, метаболическую стабильность и аффинность к биологическим мишеням, таким как дофаминовые и серотониновые рецепторы [3; 4].

В процессе фармакокинетического профилирования и разработки лекарственных препаратов на основе амидов ТГИХ критическое значение имеет понимание их поведения в водных растворах при различных значениях pH. Физиологическая среда организма характеризуется выраженным градиентом кислотности: от сильно кислой среды желудка (pH 1–2) до слабощелочной среды кишечника (pH 7–8) и цитоплазмы клеток [5]. Наличие третичного атома азота в тетрагидроизохинолиновом ядре обуславливает его способность к протонированию в кислых средах, что приводит к существенному перераспределению электронной плотности в молекуле [6]. Такие изменения легко регистрируются методом оптической спектроскопии, которая является одним из наиболее информативных и доступных методов для изучения протолитических равновесий в растворах [7].

Понимание этих спектральных закономерностей необходимо спектрофотометрического для расчета констант ионизации (pKa), определяющих биодоступность данных соединений, а также для разработки чувствительных и селективных спектрофотометрических методик их идентификации и количественного определения в биологических жидкостях и фармацевтических препаратах [7].

Исследуемые вещества были предоставлены авторами работы [8], в которой описаны подробности их синтеза. Их структурная формула имеет следующий вид:

1: R₁ = Ph, R₂ = Me, R₃ = Ph; 2: R₁ = Ph, R₂ = Bn, R₃ = Ph; 3: R₁ = Me, R₂ = Me, R₃ = H; 4: R₁ = Me, R₂ = Na⁺, R₃ = H.

Измерения спектров оптического поглощения проводились в водных растворах на спектрофотометре Альтаит-300УФ с модифицированной системой управления. Спектральная ширина щели – 5 нм. Растворы готовились методом последовательного разведения. Было проведено две серии экспериментов. В первой – вещества изначально растворялись в тетрагидрофуране (ТГФ), после чего полученный раствор разбавлялся водой в соотношении 1:100 до концентрации порядка 10^-5 M. Таким образом исследовались соединения 1 – 3. Во второй – исходный раствор был также водный. Этим способом исследовались вещества 3 и 4. Изменение pH растворов проводилось путём добавления HCl и KOH.

В результате было установлено, что соединения 1 и 2 образуют в воде коллоидные растворы. Спектры оптической плотности таких растворов соединения 1 нечувствительны к изменению pH в исследованном диапазоне от 1 до 9 и имеют два максимума при 308 (S₁) и 268 нм (S₂).

Спектр оптической плотности коллоидного раствора соединения 2 в нейтральной и щелочной средах идентичен и имеет максимумы при 322 и 276 нм. В кислой среде (pH = 2) наблюдается батохромный сдвиг этих максимумов до 336 и 288 нм, соответственно. При этом также происходит резкое снижение оптической плотности (График 1).

Соединения 3 и 4 растворимы в воде. Спектр соединения 3 в нейтральной и щелочной средах демонстрирует полосы поглощения при 284 и 252 нм, которые смещаются в кислой среде до 306 и 260 нм, соответственно. Изменение спектра носит обратимый характер. В отсутствии ТГФ наблюдается резкое изменение интенсивности поглощения. – В нейтральной и щелочной средах интенсивность поглощения оказывается существенно ниже, чем в кислой. В присутствии ТГФ заметного влияния pH среды на интенсивность поглощения не наблюдается (График 2).

Соединение 4, в отличие от предыдущих, демонстрирует одинаковые спектры в нейтральной и кислой средах. В щелочной среде его максимумы поглощения испытывают гипсохромный сдвиг с 356 и 278 нм до 318 и 270 нм, соответственно (График 2).

График 1. Спектры оптической плотности растворов соединений 1 и 2

График 2. Спектры оптической плотности растворов соединений 3 и 4

Результаты квантово-химического моделирования, проведенного для соединений 3 и 4, подтверждают, что изменение спектров происходит в результате атома азота в тетрагидроизохинолиновом ядре. Для исходной формы соединения 3 расчёт воспроизводит две основные полосы поглощения: длинноволновую – S₀→S₁ с максимумом при 277 нм (f = 0,071), обусловленную преимущественно переходом ВЗМО→НСМО, и более интенсивную коротковолновую полосу при 247 нм (f = 0,273), формируемую суперпозицией переходов с участием орбиталей НСМО+1 и НСМО+2. Переход S₀→S₃ (258 нм, f = 0,089), имеющий смешанный характер (ВЗМО→НВМО+1, НВМО+2, НВМО+3), вносит дополнительный вклад в формирование коротковолновой полосы. Экспериментальные максимумы поглощения хорошо согласуются с расчётными значениями.

Протонирование по атому азота пиридинового фрагмента приводит к существенному батохромному сдвигу длинноволновой полосы: расчётное значение S₀→S₁ составляет 317 нм (f = 0,016), что качественно воспроизводит экспериментальный сдвиг при переходе кислой среде. Коротковолновая область спектра протонированной формы также представлена парой близко расположенных переходов S₀→S₂ (268 нм, f = 0,039) и S₀→S₃ (265 нм, f = 0,041), которые сливаются в одну полосу при 260 нм.

Сопоставление результатов расчётов (DFT, PBE0/6-311++G(2d,2p), PCM) с экспериментальными спектрами соединения 4 показывает, что в щелочной среде доминирующей формой является исходный тиолат-анион, расчётные длинны волн для наиболее интенсивных переходов которого составляют 300 (f = 0,152) и 275 нм (f = 0,123), что хорошо согласуется с экспериментальными значениями. При переходе к нейтральной и кислой средам экспериментальные максимумы смещаются гипсохромно, что указывает на протонирование хромофора и уменьшение его π-электронодонорной способности. Для объяснения эксперимента нами было рассмотрено несколько вариантов протонирования хромофора: S-протонированная форма, в которой протон присоединён к атому серы при непротонированном гетероциклическом азоте; катион протонированный дважды – как по атому серы, так и по кольцевому атому азота; а также тионная таутомерная форма, в которой вместо тиолятной группы реализуется фрагмент –C=S с протоном на гетероциклическом азоте.

Среди рассмотренных вариантов наилучшее количественное согласие с экспериментом демонстрирует катионная форма, протонированная как по атому серы, так и по атому кольцевого азота. Для неё первый переход, согласно расчётам, происходит на 308 нм (f = 0,290). В области 252–269 нм формируется целый ансамбль переходов: S₀→S₅ (252 нм, f = 0,164) является наиболее интенсивным, а S₀→S₃ (267 нм) и S₀→S₄ (261 нм) дают дополнительный вклад. Их огибающая хорошо объясняет экспериментальную полосу при 260 нм.

Таким образом, показано, что соединения с объёмными гидрофобными заместителями склонны к образованию коллоидных растворов, при этом истинные водные растворы соединений 3 и 4 демонстрируют ярко выраженную и обратимую реакцию на изменение кислотности среды. Квантово-химические расчёты надёжно воспроизводят экспериментальные спектры и подтверждают, что ключевым фактором наблюдаемых сдвигов является протонирование гетероциклического атома азота, а для тиолат-содержащего соединения 4 – дополнительное протонирование по атому серы. Установленные спектральные закономерности могут быть использованы при разработке чувствительных и селективных спектрофотометрических методик количественного определения исследованных соединений в физиологических средах и готовых лекарственных формах.