Органическая химия синтетических лекарственных средств
Новые аудиокурсы повышения квалификации для педагогов
Слушайте учебный материал в удобное для Вас время в любом месте
откроется в новом окне
Выдаем Удостоверение установленного образца:
Одно из самых заметных достижений синтетической органической химии 20 в. – получение новых лекарственных средств. В результате стало возможным излечивать многие болезни, которые раньше считались смертельными. А широкое распространение антисептических средств позволило предотвращать инфекционные осложнения в результате хирургических операций и боевых ранений. Историкам известно, что несмотря на гигантские людские потери во время многочисленных сражений прошлых веков (так, в сражении при Иссе в 333 до н.э. между персами и армией Александра Македонского разбитая армия Дария потеряла 100 тысяч человек из 400 тысяч), основная доля смертности приходится все же на болезни солдат. Из огромной армии персидского царя Ксеркса, возглавившего в V в. до н.э. поход против Греции, после жестоких эпидемий на родину возвратились только жалкие остатки. Сотнями тысяч гибли от болезней крестоносцы.
Прошло полвека, но положение не изменилось. В Крымской войне (1853–1856) принимали участие четыре страны. В английской армии (98 100 чел.) было убито 2700 солдат (2,8%), умерло от ран 1800 (1,8%), а от болезней – 17 500 (17,8%). Во французской армии (309 400 чел.) убито 8500 (2,7%), умерло от ран 11700 (3,8%), от болезней – 24 500 (7,9%). В турецкой армии (165 000 чел.) убито 10 100 (6,1%), умерло от ран 10 800 (6,5%), от болезней – 24 500 (14,8%). Наконец, в русской армии (888 000 чел.) убито 30 600 (3,4%), умерло от ран 42 000 (4,7%), от болезней – 374 000 (42%)! Общая же статистика такова: всего за 72 года – (когда Франция объявила войну Англии, Нидерландам и Испании) (когда английский хирург Джозеф Листер использовал водный раствор фенола – карболовую кислоту для лечения гнойных ран, положив начало применению антисептических средств в хирургической практике) – человечество потеряло в войнах 8 млн человек, из которых 1,5 млн погибло от неприятельского оружия, а 6,5 млн – от болезней.
Болезни и эпидемии косили и мирное население. В 6 в. от чумы вымерла половина населения Византийской империи, а в 14 в. только за три года – с 1347 по 1350 – в Европе от чумы умерло 25 млн человек. Миллионами исчисляются во всем мире жертвы гриппа («испанки») 1918.
Синтез в лабораториях новых лекарственных средств и их последующее внедрение в медицинскую практику позволил в 20 в. спасти от верной смерти, вероятно, сотни миллионов человеческих жизней.
Трудно сказать, спасла бы современная медицина Пушкина после дуэли (многие медики склоняются к мнению, что его рана и сейчас была бы смертельной). А в изданной в ФРГ книге Мировые рекорды в химии приводится список деятелей искусства, умерших в прошлом от болезней, которые современная медицина могла бы с успехом вылечить: Джорджоне, живописец (1477–1510): чума; Рафаэль, живописец (1483–1520): лихорадка (тогда лихорадкой называли разные болезни, сопровождавшиеся сходными признаками); Моцарт, композитор (1756–1791): лихорадка; Джон Китс, поэт (1795–1821): туберкулез; Генрих Гейне, поэт (1797–1856): туберкулез; Франц Шуберт, композитор (1797–1828): тиф; Роберт Шуман, композитор (1810–1856): сифилис; Фредерик Шопен, композитор (1810–1849): туберкулез; Эмилия Бронте, писательница (1818–1840): туберкулез; Анна Бронте, писательница (1820–1849): туберкулез; Шарль Бодлер, писатель (1821–1867): сифилис; Фридрих Ницше, поэт и философ (1844–1900): сифилис; Поль Гоген, живописец (1848–1903): сифилис; Ги де Мопассан (1850–1893): сифилис; Гуго Вольф, композитор (1860–1903): сифилис; Джордж Оруэлл, писатель (1903–1950): туберкулез.
Во второй половине 19 в. начала быстро развиваться синтетическая органическая химия. Она дала людям красители, душистые вещества, лекарственные средства. Тем не менее, еще в начале 20 в. число индивидуальных химических соединений, применявшихся в качестве лекарственных средств, исчислялось единицами.
Аспирин (ацетилсалициловая кислота)
Гиппократ (460 и 377 г. до н.э.) — оставил исторические записи об обезболивании, в том числе с применением порошка из коры и листьев ивы, облегчающего головные боли и лихорадки.
К 1829 г – обнаружили действующее вещество салицин, обладающее обезболивающими свойствами.
Цитата из статьи «Чудесное лекарство», написанной Софи Журди для Королевского химического общества: «Незадолго до того, как был выделен активный ингредиент коры ивы, в 1828 году Иоганн Бюхнер, профессор фармации в Мюнхенском университете, получил небольшое количество горькой желтой субстанции в виде игольчатых кристаллов, которую он назвал салицин. Два итальянца, Брунателли и Фонтана, в действительности уже получали салицин в 1826 году, но в весьма неочищенном виде. В 1829 году французский химик Анри Леру улучшил процедуру экстракции и получил до 30 г вещества из 1,5 кг коры. В 1838 году итальянский химик Раффаэле Пириа, работавший тогда в Сорбонне в Париже, разделил салицин на сахар и ароматический компонент (салицилальдегид). Пириа превратил этот компонент путем гидролиза и окисления в кислоту, кристаллизующуюся в виде бесцветных игл, которую он назвал салициловой кислотой».
Анри Леру впервые выделил салицин в кристаллической форме, а Раффаэле Пириа удалось получить салициловую кислоту в чистом виде.
Салициловая кислота негативно воздействовала на желудок, и необходимо было искать способ «буферизации» соединения. Первый человек, сделавший это, был французский химик по имени Чарльз Фредерик Герхардт. В 1853 году Герхардт нейтрализовал салициловую кислоту натрием (салицилат натрия) и ацетилхлоридом, получив ацетилсалициловую кислоту. Продукт Герхардта действовал, но он не хотел продавать его и забросил свое открытие.
В 1899 году немецкий химик Феликс Хоффманн, работавший в немецкой компании «Байер», заново открыл формулу Герхардта. Феликс Хоффманн дал препарат отцу, который страдал от артрита. Хорошие результаты Феликса Хоффманна тогда убедили «Байер» выйти на рынок с новым чудесным препаратом. Аспирин был запатентован 27 февраля 1900 г.
Сотрудники компании «Байер» придумали название «Аспирин», происходящее от «А» в ацетилхлориде, «спир» от Spiraea ulmaria (растение, из которого была выделена салициловая кислота), а «in» является обычным окончанием для названий лекарственных средств. Аспирин вначале продавался в виде порошка. В 1915 году появились первые таблетки аспирина.
Антисептическое, кератолитическое средство
Субстанция, таблетки 0,25; 0,5
1 0% раствор для инъекций.
Противоревматическое, противовоспалительное, болеутоляющее, жаропонижающее средство
Салициловую кислоту карбоксилированием фенолята натрия по реакции Кольбе-Шмидта:
Механизм реакции Кольбе-Шмидта заключается в электрофильной атаке диоксидом углерода бензольного ядра. Фенольный гидроксил ориентирует заместитель в орто- и пара- положение. Но присутствие катиона натрия Na + позволяет получать преимущественно орто- оксибензойную (салициловую) кислоту, с ионом К + получается смесь о- и п- оксибензойных кислот. Внутримолекулярная перегруппировка основана на том, что СООН – вытесняет фенолы из их солей, как более сильная кислота. Образовавшийся салицилат натрия подкисляют НCl и выделившуюся салициловую кислоту перекристаллизовывают.
Натрия салицилат получают, нейтрализуя салициловую кислоту натрия гидрокарбонатом :
Начало химиотерапии – лечению болезней с применением химических препаратов – положил немецкий врач, бактериолог и биохимик Пауль Эрлих.
Метиленовый синий впервые был синтезирован Генрихом Каро в 1876 году, тем самым положил начало развитию химии фенотиазинов
В 1891 Эрлих предложил для лечения малярии применять краситель метиленовый синий. Однако это соединение не могло конкурировать с природным хинином. В медицине используется в качестве антисептика и антидота при отравлении цианидами , угарным газом и сероводородом . Имеются сообщения о высокой эффективности этого соединения при лечении болезни Альцгеймера.
Для получения лекарственных средств Эрлих решил использовать новые методы синтетической органической химии. Он мечтал о «магической пуле», которая бы избирательно поражала возбудителей того или иного заболевания и в то же время была бы безвредной для организма.
В 1909 Эрлих нашел средство против бледной спирохеты – возбудителя сифилиса; он назвал это мышьяксодержащее органическое соединение сальварсаном («спасительным мышьяком»). Одной инъекции сальварсана было достаточно и для того, чтобы вылечить человека от похожей на сифилис тропической кожной болезни.
Между синтезом нового соединения и его применением в медицине иногда проходили десятилетия.
С 19 в. была известна сульфаниловая (п-инобензолсульфоновая) кислота H 2 N–C 6 H 4 –SO 3 H
В 1908 были получены ее амид H 2 N–C 6 H 4 –SO 2 –NH 2 , а затем и его N-замещенные (по амидной группе) H 2 N–C 6 H 4 –SO 2 –NH–R, которые получили название сульфаниламидов.
Но только 27 лет спустя немецкий химик Герхард Домагк выяснил, что соединения этой группы убивают многие микроорганизмы, и их можно использовать для лечения ряда инфекционных заболеваний.
Азокраситель пронтозил (красный стрептоцид)
Первым препаратом был азокраситель пронтозил (красный стрептоцид)
Догмагк исследовал действие этого препарата на мышей, получивших предварительно 10-кратную смертельную дозу культуры гемолитического стрептококка. Эффект был поразительный: все мыши остались живы, тогда как в контрольной группе погибли также все. В 1939 за открытие первого антибактериального препарата Домагку была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
В конце 1935 показано, что пронтозил действует не сам: лечебный эффект оказывает продукт его распада в организме – тот самый сульфаниламид, который был известен с 1908.
Его назвали белым стрептоцидом. С тех пор было синтезировано более 20 000 производных сульфаниламида, из которых в медицине используется лишь несколько десятков. Самыми известные из них – стрептоцид, норсульфазол, сульфадимезин, этазол, сульфадиметоксин, фталазол, сульгин, бисептол и др. В настоящее время многие из них уступили место более эффективным средствам.
Исключительную роль в лечение многих инфекций играют антибиотики, первый из которых был случайно открыт в 1928. Синтетические лекарственные средства позволяют бороться не только с бактериальными инфекциями. После открытия транквилизирующего (нейролептического) действия элениума появились десятки близких по структуре соединений, составивших большую группу современных транквилизаторов (нозепам, лоразепам, феназепам, тетразепам и др.).
Во многом благодаря лекарственным средствам средняя продолжительность жизни в экономически развитых странах увеличилась.
1936 составляла 165 на 100 тыс. населения
снизилась к 1985 в результате применения сульфаниламидных препаратов до 17
уменьшилась в результате применения антитуберкулезных препаратов1,9.
Снизилась смертность на 83%
Снизилась смертность на 74%,
язвы желудка и двенадцатиперстной кишки
Снизилась смертность – на 72%
Какие лекарства наиболее распространены в мире? Вычислить рекордсменов в соответствии с числом принимаемых ежегодно таблеток, капель или пилюль вряд ли возможно. Зато хорошо известно, какие лекарства принесли наибольший доход. Это средства для лечения язвы желудка (омепразол, зантак); зокор, снижающий содержание холестерина в крови; антидепрессанты прозак, золофт и пароксетин; гипертензивные (то есть снижающие артериальное давление) лекарства новарск и ренитек; антибактериальные препараты амоксициллин и ципрофлоксатин (ципролет).
Соотношение между общим числом синтезированных препаратов и теми из них, которые проявляют терапевтический эффект, всегда очень велико. Трудности целенаправленного синтеза новых лекарств во многом связаны с тем, нет однозначной зависимости между химическим строением лекарственного средства и его биологическим действием. Иногда малейшие изменения структуры молекулы приводят к полному исчезновению или сильному изменению биологической активности. И наоборот, нередко почти одинаковая активность наблюдается у веществ совершенно разной химической природы. Например, если в молекуле морфина – сильного наркотика заменить один из атомов водорода на метильную группу, то получится сравнительно безвредное вещество кодеин.
В медицине применяют производные морфина, в частности, гидрохлорид (для инъекций) и сульфат (в качестве перорального препарата)
Кодеин (3-метилморфин, алкалоид опиума), используется как противокашлевое лекарственное средство центрального действия.
Природный алкалоид кокаин раньше применяли для местного обезболивания. Однако кокаин обладает вредным побочным действием, поэтому в медицинской практике его заменили синтетическим аналогом, который назвали новокаином (т.е. «новым кокаином»).
Новокаин (диэтиламиноэтиловый эфир п.-аминобензойной кислоты гидрохлорид)
Однако молекулы этих веществ полностью различны по своей структуре. Один из самых сильных канцерогенов – 3,4-бензпирен, а имеющий тот же состав 1,2-бензпирен (в нем чуть иначе расположены бензольные кольца) вообще не проявляет канцерогенных свойств. То же относится и к двум изомерным нафтиламинам: сравнительно безвредный a-изомер – полупродукт в синтезе красителей, гербицидов и пигментов; b-изомер – канцероген, и когда это выяснилось, его применение для синтеза красителей было запрещено.
Подобные факты были известны давно. Поэтому еще в начале 20 в. П.Эрлих предложил искать новые биологически активные вещества методом скрининга (от англ. screening – просеивание). Суть метода заключается в том, что множество различных химических соединений, в том числе вновь синтезированных, с помощью стандартных методик подвергаются проверке на биологическую активность в надежде на то, что рано или поздно на «сите» блеснет самородок – вещество с нужными свойствами. Ученые не без ехидства называют такой способ «методом научного тыка». Сам Эрлих в поиске эффективного лекарства от сифилиса синтезировал 605 веществ – и все безрезультатно. И лишь следующий «препарат 606» (уже упоминавшийся сальварсан) обладал нужными свойствами.
Сейчас число применяемых в медицине синтетических лекарственных препаратов исчисляется многими тысячами. Не удивительно, что если в 1-м издании справочника М.Д.Машковского Лекарственные средства (1954) содержались сведения о 555 основных лекарственных препаратах, то в последнем 14-м издании (2000) – более чем о двух тысячах. Поиском новых лекарственных средств занимаются в крупнейших научных центрах во всем мире.
Метод скрининга до сих пор не потерял своего значения, хотя он требует очень больших затрат труда и времени. Примером может служить синтезированный российскими химиками противосудорожный препарат пуфемид (изопропоксифенилсукцинимид).
Первые синтезы были проведены в 1965, а статья Новый отечественный противоэпилептический препарат пуфемид появилась в «Химико-фармацевтическом журнале» лишь в 1983. По статистике новый фармацевтический препарат получается лишь в одном случае из десятков тысяч – если действовать методом проб и ошибок.
Но есть и иной принцип, который приводит к цели намного быстрее. Это целенаправленный синтез, который включает и накопленные за много десятилетий знания, и собственный опыт, и интуицию исследователя. Опытный специалист, взглянув на структурную формулу, с высокой достоверностью скажет, какого действия следует ожидать от этого соединения – сосудорасширяющего или обезболивающего. Известно также, какие группы и радикалы усиливают эффект, какие – ослабляют. И тем не менее, введение в практику каждого нового фармакологического препарата требует огромных усилий множества исследователей, химиков, биологов, врачей, фармакологов. Потому-то лекарства зачастую так дороги.
СОЗДАНИЕ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
Создание новых лекарственных препаратов, в целом, занимаются специалисты в области, фармакологии, фармации и химии. Все производство медикоментов соответствует стандартам GLP (Good Laboratory Practice Качественная лабораторная практика), GMP (Good Manufacturing Practice Качественная производственная практика) и GCP (Good Clinical Practice Качественная клиническая практика).
Существуют отдельные этапы создания лекарственных препаратов.
1. Эмпирический путь
1) случайные находки;
Эмпирический путь заключается в поиске такого биологического соединения, который будет положительно воздействовать на организм. Это может быть как случайное открытие (слабительное действие фенолфталеина — пургена), так и метод «просеивания» (специалисты испытывают множество химический препаратов с целью найти нужное биологически активное вещество).
2. Направленный синтез
1) воспроизведение биогенных веществ;
2) создание антиметаболитов;
3) модификация молекул соединений с известной биологической активностью;
4) изучение структуры субстрата, с которым взаимодействует лекарственное средство;
5) сочетание структур двух соединений с необходимыми свойствами;
6) синтез, основанный на изучении химических превращений веществ в организме (пролекарства; средства, влияющие на механизмы биотрансформации веществ).
Направленный синтез основан на том, что уже проверенное лекарственное вещество немного совершенствуется и модернизируется специалистами, а после проверяется на животных. Нужно заметить, что совсем малые изменения в структуре препарата могут сильно поменять активность вещества. Так, например, если в молекуле морфина заменить всего один атом водорода на СН 3 — группу, то получится совсем другое средство – кодеин – средство от кашля, чье болеутоляющее действие уже снижено в десять раз. Если в той же молекуле морфина заменить 3 атома водорода на метильную группу, получится – тебаин, который вызывает судороги.
3. Целенаправленный синтез лекарственных веществ подразумевает создание веществ с заранее заданными фармакологическими свойствами. Синтез новых структур с предполагаемой активностью чаще всего проводится в том классе химических соединений, где уже найдены вещества, обладающие определенной направленностью действия.
Часто за основу лекарственного вещества берут природное соединение и путем небольших изменений в структуре молекулы получают новый препарат. Именно так, химической модификацией природного пенициллина, получены многие его полусинтетические аналоги, например, оксацилин. После того, как биологически активное соединение отобрано, определена его формула и структура, нужно исследовать, не является ли это вещество ядовитым, не оказывает ли на организм побочных воздействий. Далее исследуют и предлагают наиболее оптимальный способ, которым это вещество будут получать в промышленности. Иногда синтез нового соединения сопряжен с такими трудностями, и оно обходится так дорого, что применение его в качестве лекарства на данном этапе не возможно.
в настоящее время лекарственные средства получают главным образом посредством химического синтеза. Один из важных путей направленного синтеза заключается в воспроизведении биогенных веществ , образующихся в живых организмах. Так, например, были синтезированы адреналин, норадреналин, γ-аминомасляная кислота, простагландины, ряд гормонов и другие физиологически активные соединения.
Поиск антиметаболитов (антагонистов естественных метаболитов) также привел к получению новых лекарственных средств. Принцип создания антиметаболитов заключается в синтезе структурных аналогов естественных метаболитов, оказывающих противоположное метаболитам действие. Например, антибактериальные средства сульфаниламиды сходны по строению с парааминобензойной кислотой (см. ниже), необходимой для жизнедеятельности микроорганизмов, и являются ее антиметаболитами. Изменяя структуру фрагментов молекулы ацетилхолина, также можно получить его антагонисты. Ниже приведено строение ацетилхолина и его антагониста — ганглиоблокатора гигрония. В обоих случаях имеется явная структурная аналогия в каждой из пар соединений.
Один из наиболее распространенных путей изыскания новых лекарственных средств — химическая модификация соединений с известной биологической активностью. Главная задача таких исследований заключается в создании новых препаратов (более активных, менее токсичных), выгодно отличающихся от уже известных. Исходными соединениями могут служить естественные вещества растительного (рис. I.8) и животного происхождения, а также синтетические вещества. Так, на основе гидрокортизона, продуцируемого корой надпочечника, синтезированы многие значительно более активные глюкокортикоиды, в меньшей степени влияющие на водно-солевой обмен, чем их прототип. Известны сотни синтезированных сульфаниламидов, барбитуратов и других соединений, из которых лишь отдельные вещества, структура которых обеспечивает необходимые фармакотерапевтические свойства, внедрены в медицинскую практику. Подобные исследования рядов соединений направлены также на решение одной из основных проблем фармакологии — выяснение зависимости между химическим строением веществ, их физико-химическими свойствами и биологической активностью. Установление таких закономерностей позволяет проводить синтез препаратов более целенаправленно. При этом важно выяснить, какие химические группировки и особенности структуры определяют основные эффекты действия исследуемых веществ.
В.Чолаков. Нобелевские премии. Ученые и открытия. М., Мир, 1986
А.Азимов. Краткая история химии. СПб, Амфора, 2002
Источник
