Иваново, Ивановская область, Россия
Иваново, Ивановская область, Россия
УДК 547.712.2 Соединения, в молекулах которых циклы непосредственно соединены друг с другом
УДК 544.32 Термодинамические функции химических процессов
УДК 544.582.6 Изотопные эффекты
В обзоре на основании анализа собственных и полученных другими авторами данных по структурным и термодинамическим свойствам тетра-N-алкилзамещенных бициклических бисмочевин октанового ряда (гликольурилов) в индивидуальном и растворенном в H2O и D2O состоянии рассмотрены вопросы, связанные с влиянием стереохимической природы этих биоактивных соединений на процессы их гидратации. В качестве объектов исследования были рассмотрены низкотоксичные гликольурилы, обладающие фармакологически выраженным психотропным действием и известные под коммерческими названиями Мебикар (тетра-N-метиланалог), Бикарэт (тетра-N-этиланалог), а также цис- и транс-N-диэтилдиметиланалоги ‒ Мебикарэт и Альбикар. Последний из перечисленных гликольурилов, являющийся хиральным по стереохимической природе, исследован как рацемат. Проанализированы имеющиеся результаты калориметрического, денсиметрического и спектроскопического (для Мебикара) исследований растворов гликольурилов в H/D-изотопологах воды, а также квантовохимических расчетов молекулярных параметров этих гетероциклических соединений в идеальногазовой фазе. Показано, что гидратация каждого из исследованных тетра-N-алкилзамещенных гликольурилов в целом может рассматриваться как суперпозиция двух механизмов ‒ гидрофобного и гидрофильного. В случае Бикарэта доминирующим является первый из них, а для Мебикара очевидно преобладание второго. Что касается структурного состояния и сольватации в водной среде гликольурилов со смешанным N-алкилзамещением ‒ Альбикара и Мебикарэта, то стереохимическая природа их молекул предопределяет наличие своего рода «термодинамического баланса (дуализма)» между указанными механизмами. Выделены отличительные особенности процесса гидратации рацемического Альбикара на фоне эффектов межмолекулярного взаимодействия в водном растворе ахирального Мебикарэта.
тетра-N-алкилзамещенные гликольурилы; H/D-изотопологи воды; стандартные молярные объемы и энтальпии растворения; изотопные эффекты растворителя; молекулярные параметры; гидрофильная и гидрофобная гидратация
1. Плетнев В.З., Михайлова И.Ю., Соболев А.Н., Галицкий Н.М., Веренич А.И., Хмельницкий Л.И., Лебедев О.В., Кравченко А.Н., Суворова Л.И. Пространственная структура психотропно-активных соединений ряда N-полиалкилпроизводных 2,4,6,8-тетраазабицикло[3.3.0]октандиона-3,7 в кристалле по данным рентгеноструктурного анализа. Биоорг. химия. 1993. Т. 19. № 6. С. 671-681.
2. Кравченко А.Н., Сигачев А.С., Максарева Е.Ю., Газиева Г.А., Трунова Н.С., Ложкин Б.В., Пивина Т.С., Ильин М.М., Нелюбина Ю.В., Даванков В.А., Лебедев О.В., Махова Н.Н., Тартаковский В.А.. Синтез новых хиральных моно-, ди-, три- и тетрагликольурилов. Изв. Акад. наук. Сер. хим. 2005. № 3. С. 1680-1692.
3. Вихарев Ю.Б., Аникина Л.В., Чикунов И.Е., Сигачев А.С., Кравченко А.Н., Шкляев Ю.В., Махова Н.Н. Нейропротекторные свойства N-функционально-замещенных гликольурилов. Вопросы биол. мед. фарм. химии. 2006. № 2. С. 12-16.
4. Иванов Е.В., Абросимов В.К. Изотопные эффекты растворителя в термодинамике гидратации циклических производных мочевины. Химия растворов биологически активных веществ. Сер. «Проблемы химии растворов». Иваново: ИИД, 2016. С. 17-92.
5. Кравченко А.Н., Баранов В.В., Газиева Г.А. Синтез гликольурилов и их аналогов. Успехи химии. 2018. Т. 87. № 1. С. 89-108.
6. Panshina S.Yu., Ponomarenko O.V., Bakibaev A.A., Malkov V.S., Kotelnikov O.A., Tashenov A.K. Study of glycoluril and its derivatives by 1H and 13C NMR spectroscopy. Bull. Karaganda Univ. Chem. Ser. 2020. V. 99. N 3. P. 21-37. DOI:https://doi.org/10.31489/2020Ch3/21-37.
7. Вальдман А.В., Заиконникова И.В., Козловская М.М., Зимакова И.Е. Изучение особенностей спектра психотропной активности мебикара. Бюллетень эксперим. биол. мед. 1980. Т. 89. № 5. С. 568-570.
8. Ryzhkina I.S., Kiseleva, Yu.V., Mishina O.A. Timosheva A.P., Sergeeva S.Yu., Kravchenko A.N., Konovalov A.I. Correlations between the self-organization, physicochemical properties, and biological activity of Mebicar in dilute aqueous solutions. Mendeleev Commun. 2013. V. 23. N 5. Р. 262-264, DOI: 10.1016/ j.mencom.2013.09.008.
9. Ivanov E.V., Batov D.V. Enthalpy-related parameters of interaction of simplest α-amino acids with the pharmaceutical mebicar (N-tetramethylglycoluril) in water at 298.15 K. J. Chem. Thermodyn. 2019. V. 128. P. 159-163. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.08.022.
10. Ivanov E.V., Lebedeva E.Yu. Effect of temperature on volumetric behavior of glycine in aqueous mebicar (N-tetramethylglycoluril) at p ~ 0.1 MPa. J. Mol. Liq. 2017. V. 242. P. 235-243. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.07.015.
11. Машковский М.Д. Лекарственные средства. 16-е изд. М.: Новая волна, 2020. 1216 с.
12. Ivanov E.V., Lebedeva E.Yu. Interaction-related volumetric and some other properties of urea solutions in aqueous N-tetramethylglycoluril (the mebicar drug) at different temperatures and under the ambient pressure. J. Mol. Liq. 2021. V. 331. P. 11512/1-115812/9. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.115812.
13. Kostyanovsky R.G., Kadorkina G.K., Lyssenko K.A., Torbeev V.Yu., Kravchenko A.N., Lebedev O.V., Grintselev-Knyazev G.V., Kostyanovsky V.R. Chiral drugs via the spontaneous resolution. Mendeleev Commun. 2002. V. 12. N 1. P. 6-8. DOI:https://doi.org/10.1070/MC2002v012n01ABEH001521
14. Прокопов А.А., Костебелов Н.В., Берлянд А.А. Экспериментальная фармакокинетика альбикара. Хим.-фарм. журн. 2002. № 3. С. 13-16.
15. Lenev D.A., Lyssenko K.A., Kostyanovsky R.G. The chiral drug Albicar: resolution of its racemate via complexation with BINOL. New J. Chem. 2010. V. 34. N 3. P. 403-404. DOI:https://doi.org/10.1039/b9nj00701f.
16. Берлянд А.С, Лебедев О.В., Прокопов А.А. Химико-фармацевтический анализ биологически активного вещества альбикар. Хим.-фарм. журн. 2013. Т. 47. № 3. С. 52-54.
17. Anikina L.V., Vikharev Yu.B., Baranov V.V., Malyshev O.R., Kravchenko A.N. Preparative synthesis and pharmacological activity of Albicar racemate and enantiomers. Mendeleev Commun. 2018. V. 28. N 3. P. 317-319. DOI: 10.1016/ j.mencom.2018.05.030.
18. Ivanov E.V., Batov D.V., Baranov V.V., Kravchenko A.N. Temperature-dependent thermochemical properties of the Mebicaret (2,4-dimethyl-6,8-diethylglycoluril) solutions in H2O and D2O at the ambient pressure. Thermochim. Acta. 2016. V. 627. P. 48-54. DOI:https://doi.org/10.1016/j.tca.2016.01.010.
19. Ivanov E.V., Lebedeva E.Yu., Petrovskaya S.G., Baranov V.V., Kravchenko A.N., Ivanova N.G. Volume-related interaction parameters for dilute solutions of Mebicaret (2,4-dimethyl-6,8-diethylglycoluril) in normal and heavy water between 278.15 K and 318.15 K. J. Mol. Liq. 2017. V. 242. P. 160-167. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.07.003.
20. Прокопов А.А., Берлянд А.С., Казанцева О.Н. Изучение метаболизма бикарэта. Хим.-фарм. журн. 2002. Т. 36. № 10. С. 5-6.
21. Прокопов А.А., Берлянд А.С., Казанцева О.Н. Изучение экспериментальной фармакокинетики бикарэта. Хим.-фарм. журн. 2003. Т. 37. № 3. С. 25-28.
22. Chegaev K.Yu., Kravchenko А.N., Lebedev О.V., Strelenko Yu.A. New functional glycoluril derivatives. Mendeleev Commun. 2001. V. 11. N 1. P. 32-33. DOI: 10.1070/ MC2001v011n01ABEH00135.
23. Sanders M.P.A., Barbosa A.J.M., Zarzycka B., Nicolaes G.A.F., Klomp J.P.G., de Vlieg J., Del Rio A. Comparative analysis of pharmacophore screening tools. J. Chem. Inf. Model. 2012. V. 52. N 6. P. 1607-1620. DOI:https://doi.org/10.1021/ci2005274.
24. Katzung B.G., Vanderah T.W. Basic & Clinical Pharmacology. 15th ed. New York: McGraw Hill Professional, 2018. 1310 p.
25. Хургин Ю.И., Лебедев О.В., Максарева Е.Ю., Завизион В.А., Кудряшова В.А., Воробьев М.М., Орехова Г.А., Даниленко А.Н. Межмолекулярные взаимодействия в водных растворах мебикара. Изв. Акад. наук. Сер. хим. 1995. № 6. С. 1178-1179.
26. Ewing M.B, Lilley T.H., Olofsson G.M., Ratzsch M.T., Somsen G. Standard quantities in chemical thermodynamics. Fugacities, activities and equilibrium constants for pure and mixed phases (IUPAC Recommendations 1994). Pure Appl. Chem. 1994. V. 66. N 3. P. 533-552. DOI:https://doi.org/10.1351/pac199466030533.
27. Ivanov E.V. Thermodynamic interrelation between excess limiting partial molar characteristics of a liquid nonelectrolyte. J. Chem. Thermodyn. 2012. V. 47. P. 437-440. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jct.2011.11.018.
28. Кустов А.В. Гидрофобные эффекты: Структурные, термодинамические, прикладные аспекты. Достижения последних лет. М.: Красанд, 2013. 224 с.
29. Wilhelm E. Chemical thermodynamics: A journey of many vistas. J. Solution Chem. 2014. V. 43. N 3. P. 525-576. DOI:https://doi.org/10.1007/s10953-014-0140-0.
30. Ben-Naim A. Solvation Thermodynamics. New York: Springer, 1987. 246 p. DOI:https://doi.org/10.1007/978-1-4757-6550-2.
31. Рабинович И.Б. Влияние изотопии на физико-химические свойства жидкостей. М.: Наука, 1968. 308 с.
32. Лобышев В.И., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. М.: Наука, 1978. 216 с.
33. Engdahl A., Nelander B. On the relative stabilities of H- and D-bonded water dimmers. J. Chem. Phys. 1987. V. 86. N 4. P. 1819-1823. DOI:https://doi.org/10.1063/1.452182.
34. Абросимов В.К., Иванов Е.В. Вода в неводных растворителях: состояние и сольватация. Вода: Структура, состояние, сольватация. Достижения последних лет. Сер. «Проблемы химии растворов». М.: Наука, 2003. С. 277-346.
35. Soper A.K., Benmore C.J. Quantum differences between heavy and light water. Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. N 6. N 065502/1-065502/4. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.101.065502.
36. Иванов Е.В., Иванова Н.Г. Состояние и сольватация H/D-изотопологов воды в апротонных диполярных органических средах по результатам термохимических исследований. От химии к технологии. Шаг за шагом. 2021. Т. 2. № 1. С. 42-62. URL: https://drive.google.com/file/d/17wkupCzIUSz5SoxK58Ux7OgZY7sfhj-I/view
37. Grillon E., Gallo R., Pierrot M., Boileau J., Wimmer E. Isolation and X-ray structure of the intermediate dihydroxyimidazolidine (DHI) in the synthesis of glycoluril from glyoxal and urea. Tetrahedron Lett. 1988. V. 29. N 9. P. 1015-1016. DOI: 10.1016/ 0040–4039(88)85322-X.
38. Атавин Е.Г., Голубинский А.В., Кравченко А.Н., Лебедев О.В., Вилков Л.В. Электронографическое исследование структуры молекулы мебикара. Журн. структурной. химии. 2005. Т. 46. № 3. С. 430-434.
39. Абросимов В.К., Краснов А.В., Жабанов Ю.А., Иванов Е.В. Молекулярная структура и энтальпия сублимации 2,4,6,8-тетраметилгликольурила – лекарственного препарата «Мебикар». Изв. вузов. Химия хим. технология. 2015. Т. 58. № 1. С. 3-5.
40. Rezaei-Seresht E., Tayebee R. Synthesis of glycoluril derivatives catalyzed by some heteropolyoxometalates. J. Chem. Pharm. Res. 2011. V. 3. N 1. P. 103-107.
41. Dunning T.H., Jr. Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. I. The atoms boron through neon and hydrogen. J. Chem. Phys. 1989. V. 90. N 2. P. 1007-1023. DOI:https://doi.org/10.1063/1.456153.
42. Абросимов В.К., Жабанов Ю.А., Краснов А.В., Иванов Е.В. Молекулярная структура метил-N-замещенных хиральных гликольурилов по результатам квантово-химических DFT-расчетов. Изв. вузов. Химия хим. технология. 2015. Т. 58. № 8. С. 29-32.
43. Muller P. Glossary of terms used in physical organic chemistry (IUPAC Recommendations 1994). Pure Appl. Chem. 1994. V. 66. N 5. P. 1077-1184. DOI:https://doi.org/10.1351/pac199466051077.
44. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М.: Изд-во МГУ, 1987. 171 с.
45. Machida M., Kato K., Shiga M. Nuclear quantum effects of light and heavy water studied by all-electron first principles path integral simulations. J. Chem. Phys. 2018. V. 148. N 10. P. 102324/1-102324/11. DOI:https://doi.org/10.1063/1.5000091.
46. Berger A., Ciardi G., Sidler D., Hamm P., Shalit A. Impact of nuclear quantum effects on the structural inhomogeneity of liquid water. PNAS USA. 2019. V. 116. N 7. DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.1818182116.
47. Белоусов В.П., Панов М.Ю. Термодинамика водных растворов неэлектролитов. Л.: Химия, 1983. 265 с.
48. Крестов Г.А., Королев В.П., Батов Д.В. Дифференцирующее замещение протия дейтерием на свойства растворителей. Докл. Акад. наук СССР. 1987. Т. 293. № 4. С. 882-884.
49. Swain C.G., Bader R.F.W. The nature of the structure difference between light and heavy water and the origin of the solvent isotope effect−I. Tetrahedron. 1960. V. 10. N 3-4. P. 182-199. DOI:https://doi.org/10.1016/S0040-4020(01)97806-8.
50. Иванов Е.В., Лебедева Е.Ю., Абросимов В.К., Иванова Н.Г. Структурный вклад эффекта гидрофобной гидратации благородных газов. Журн. структурной химии. 2005. Т. 46. № 2. С. 262-272.
51. Хургин Ю.И., Кудряшова В.А., Завизион В.А. Исследование межмолекулярных взаимодействий методом миллиметровой спектроскопии. Отрицательная и положительная гидратация в водных растворах мочевины. Изв. акад. наук СССР. Сер. хим. 1990. № 2. С. 314-320.
52. Иванов Е.В., Абросимов В.К., Батов Д.В. Влияние температуры на H/D- изотопные эффекты в энтальпии гидратации тетраметил-бис-карбамида. Изв. Акад. наук. Сер. хим. 2006. № 4. С. 715-717.
53. Королев В.П., Кустов А.В., Батов Д.В., Смирнова Н.Л., Лебедев Ю.А. Эффекты гидрофильных и гидрофобных групп гидратации тетраметилбисмочевины и N,N’-диметилпропиленмочевины в растворах. Биофизика. 2008. Т. 53. № 4. С. 544-549.
54. Ivanov E.V., Batov D.V., Gazieva G.A., Kravchenko A.N., Abrosimov V.K. D2O‒H2O solvent isotope effects on the enthalpies of bicaret hydration and dilution of its aqueous solutions at different temperatures. Thermochim. Acta. 2014. V. 590. N 1-2. P. 145-150. DOI:https://doi.org/10.1016/j.tca.2014.05.011.
55. Ivanov E.V., Batov D.V., Kravchenko A.N. (D2O–H2O) solvent isotope effects on some thermodynamic properties of the Albicar dissolution (hydration) between T = (278.15 and 313.15) K at ambient pressure. J. Chem. Thermodyn. 2016. V. 97. P. 341-347. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jct.2016.02.012.
56. Кустов А.В., Батов Д.В., Усачева Т.Р. Калориметрия растворов неэлектролитов: теоретические основы, эксперимент, анализ данных. М.: Красанд, 2016. C. 32-36 (288 с.).
57. Nakamura M., Tamura К, Murakami S. Isotope effects on thermodynamic properties: mixtures of x(D2O or H2O) + (1‒x)CH3CN at 298.15 K. Thermochim. Acta. 1995. V. 253. P. 127-136. DOI:https://doi.org/10.1016/0040-6031(94)02086-4.
58. Jelinska-Kazimierczuk M., Szydlowski J. Physicochemical properties of solutions of amides in H2O and in D2O. J. Solution Chem. 2001. V. 30. N 7. P. 623-640. DOI:https://doi.org/10.1023/A:1010454929640.
59. Phillip P.R., Perron G., Desnoyers J.E. Apparent molal volumes and heat capacities of urea and methyl-substituted ureas in H2O and D2O at 25°C. Can. J. Chem. 1974. V. 52. N 9. P. 1709-1713. DOI:https://doi.org/10.1139/v74-246.
60. Абросимов В.К., Чумакова Р.В. Термодинамика водных растворов углеводов: Моно- и дисахариды. Биологически активные вещества в растворах: Структура, термодинамика, реакционная способность. Сер. «Проблемы химии растворов». М.: Наука, 2001. С. 47-109.
61. Абросимов В.К., Иванов Е.В., Батов Д.В. Энтальпии переноса Мебикара из воды в водные растворы карбамида и его метилзамещенных производных при 298.15 К. Журн. физ. химии. 2006. Т. 80. № 11. С. 2016-2019.
62. Абросимов В.К., Иванов Е.В., Батов Д.Д. Особенности межмолекулярных взаимодействий в водных растворах метилпроизводных мочевины. Докл. Акад. наук. 2006. Т. 407. № 6. С. 785-788.
63. Ivanov E.V., Batov D.V. Enthalpy-related interaction parameters in H/D isotopically distinguishable aqueous solutions of tetramethylurea cyclic derivatives at 298.15 K. Thermochim. Acta. 2011. V. 523. N 1-2. P. 253-257. DOI:https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.05.019.
64. Ivanov E.V., Batov D.V. Effect of the H/D solvent isotope substitution on enthalpy-related interaction parameters in aqueous solutions of the racemic Albicar at T = 298.15 K and ambient pressure. J. Chem. Thermodyn. 2016. V. 102. P. 9-11. DOI: 10.1016/ j.jct.2016.06.020.
65. Franks F., Pedley M., Reid D.S. Solute interactions in dilute aqueous solutions: part 1 – microcalorimetric study of the hydrophobic interaction. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1. 1976. V. 72. N. 2. P. 359-367. DOI:https://doi.org/10.1039/F19767200359.
66. Barone G., Cacace P., Castronuovo G., Elia V. Interactions in aqueous solutions of urea-like compounds: heats of mixing of urea, monomethylurea and thiourea at 298.15 K, J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1. 1981. V. 77. N 7. P. 1569-1577. DOI: 10.1039/ F19817701569.
67. Ivanov E.V., Abrosimov V.K. D2O‒H2O Solvent isotope effects on the apparent molar volumes of tetramethyl-bis-urea (Mebicarum) solutions. J. Solution Chem. 2007. V. 36. N 3. P. 313-325. DOI:https://doi.org/10.1007/s10953-006-9118-x.
68. Ivanov E.V., Lebedeva E.Yu., Abrosimov V.K. Volumetric properties of Bicaret (tetra-N-ethylglycoluril) solutions in ordinary and heavy water at temperatures from (278.15 to 318.15) K and ambient pressure. J. Chem. Eng. Data. 2015. V. 60. N 7. P. 2079-2089. DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jced.5b00154.
69. Ivanov E.V., Lebedeva E.Yu., Kravchenko A.N. Standard volumetric properties of a chiral pharmaceutical Albicar in water H/D isotopologues in the temperature range from (278.15 to 318.15) K and at ambient pressure. J. Chem. Thermodyn. 2017. V. 115. P. 148-155. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jct.2017.07.034.
70. Wüzburger S., Sartorio R., Guarino G., Nisi M. Volumetric properties of aqueous solutions of polyols between 0.5 and 25°C. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1. 1988. V. 81. N 7. 2279-2287. DOI:https://doi.org/10.1039/F19888402279.
71. Абросимов В.К., Иванов Е.В. Денсиметрия растворов. Теоретические и экспериментальные методы химии растворов. Сер. «Проблемы химии растворов». М.: Проспект, 2011. С. 425-463.
72. Fitzgerald D. Technical Assessment of the Anton Paar DMA 5000 Density Meter. Wales (UK): L&D Fitzgerald Ltd. 2000. P. 2–8. URL: https://density.co.uk.
73. Lepori L., Gianni P. Partial molar volumes of ionic and nonionic organic solutes in water: A simple additivity scheme based on the intrinsic volume approach. J. Solution Chem. 2000. V. 29. N 5. P. 405-447. DOI:https://doi.org/10.1023/A:1005150616038.
74. Кузьмин В.С., Кацер С.Б. Расчет ван-дер-ваальсовых объемов органических молекул. Изв. Акад. наук. Сер. хим. 1992. № 4. С. 922-931.
