Проекты

Синтез органических роданидов и определение их противогрибковой и противобактериальной активности

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Химия в фармации и медицине»

Направление работы: Органическая химия
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1468
Предметы: Биология, Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Старт в медицину» 2020 года

Актуальность

С давних времён человек старался оградить себя от воздействия патогенных микроорганизмов, пытаясь создать самые различные средства защиты. Одними из них являются антибиотики – универсальное оружие против большинства инфекционных заболеваний. В наше время, когда патогенные микроорганизмы стали более устойчивы к ним, исследования, направленные на создание альтернативы антибиотикам, являются актуальными.

Метод роданирования аренов в условиях химического или электрохимического окисления позволяет создать роданидное производное, обладающее выраженной противобактериальной и противогрибковой активностью, которая может быть использована в соответствующих фармакологических целях.

Цель

Синтезировать на базе индола соответствующее роданидное производное, обладающее противобактериальной и противогрибковой активностью.

Задачи

1. Изучить научную литературу по теме исследования.

2. Провести электросинтез и химический синтез с целью создания предполагаемого вещества.

3. Выделить чистое вещество из реакционной смеси.

4. Провести исследование методом ЯМР (ядерно-магнитный резонанс) для подтверждения структуры синтезированного вещества.

5. Проверить действие роданированного индола на различных культурах микроорганизмов (грамположительных и грамотрицательных бактериях, грибах).

Оснащение и оборудование, использованное в работе

  1. Ультразвуковая ванна
  2. Роторный испаритель
  3. Хроматографическая колонка
  4. Прибор для осуществления электросинтеза
  5. Потенциостат
  6. Пластины ТСХ
  7. Ламинарный шкаф
  8. Термостат
  9. Лабораторная посуда (колбы, делительная воронка, пенициллинки, микробиологическая петля, чашки Петри, пробирки микробиологические, шпатель, пипетка)
  10. Горелка
  11. Питательные среды
  12. Музейные штаммы микроорганизмов
  13. Химические реактивы

Описание

Первым этапом работы стало проведение химической реакции с последующей многоэтапной очисткой с целью синтезировать роданидное производное из индола. Индол был обработан роданидом калия в присутствии сульфата меди (II) и персульфата калия. Чтобы отследить превращение исходного вещества, индола, в роданидное производное, был использован метод тонкослойной хроматографии.

Затем провели очистку реакционной смеси. Для этого ацетонитрил выпарили из смеси при помощи роторного испарителя. Органические вещества отделили от неорганических экстракцией хлористым метиленом в делительной воронке. Остатки воды удалили, используя безводный сульфат натрия. Полученный раствор отфильтровали от Na2SO4. Хлористый метилен выпарили при помощи роторного испарителя. Кристаллизованное на стенках колбы вещество предварительно взвесили и затем очистили от примесей методом жидкостной колоночной хроматографии. Затем содержимое фракций упарили в отдельной колбе до постоянной массы.

Для подтверждения химической структуры синтезированного вещества заранее приготовленный препарат был отправлен на лабораторное исследование методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).

Вторым этапом исследования было роданирование индола путём электросинтеза, где химический окислитель заменяется анодом. В ячейку с реакционной смесью (80 мл ацетонитрила, 1 ммоль индола, 3 ммоль роданида аммония, а также 8 ммоль перхлората натрия NaClO4 в качестве электролита) помещали насыщенный каломельный электрод и солевой мостик. Посредством потенциостата был задан потенциал окисления роданид-иона (0,70 В отн. нас. к. э.) и соответствующее ему необходимое значение постоянного электрического тока (120 – 70 миллиампер). В процессе пропускания электричества через раствор методом ТСХ наблюдали конверсию исходного вещества в целевой роданидный продукт. Извлечение чистого вещества из полученного раствора проводили такими же методами, как и при проведении химического синтеза.

На третьем этапе работы были проведены микробиологические испытания роданированного индола.

Приготовили рабочий раствор для тестирования на питательных средах. Для этого в качестве растворителя использовали диметилсульфоксид и воду. Концентрация целевого вещества в рабочем растворе составила 10000 мкг/мл. Посев тестовых культур провели газонным методом на плотную среду. Были выбраны среда Эндо для культуры Escherichia coli и кровяной МПА для Candida albicans и Staphylococcus aureus. В лунки, подготовленные с помощью пробойника заданного диаметра, внесли по 20 мкл рабочего раствора. Тестовые культуры поместили в термостат (+37 °C, аэробные условия) и культивировали в течение 48 часов. Затем провели учёт зон стерильности и зон задержки роста вокруг лунок.

Результаты

1. Синтезировано целевое соединение – тиоционат индола.

2. При выпаривании содержимого пенициллинок в отдельной колбе до постоянной массы выход целевого продукта составил 82% от теоретического.

3. Ядерно-магнитный резонанс подтвердил химическую структуру синтезированного вещества. Каждому атому водорода соответствуют определённые сигналы спектра. Так, протону 1 соответствует простой синглетный пик при 8.84 миллионных долях (м. д.), тогда как сложные сигналы при 7.82 м. д. и в районе 7.2 – 7.5 м. д. соответствуют водородам 2, 3, 4, 5 и 6.

Результаты посевов показали, что каждая из использованных культур микроорганизмов подвержена воздействию синтезированного вещества, тиоцианата индола. Вокруг проделанных лунок наблюдалось образование зон задержки роста микроорганизмов.

Выводы

1. Тиоционат индола можно синтезировать, используя одностадийные, малозатратные, экологически привлекательные и пригодные для масштабирования способы функционализации органических веществ в мягких условиях с применением доступных реагентов:

а) тиоцианирование аренов при использовании системы KSCN-CuSO4- K2S2O8(O2).

б) электросинтез в мягких условиях, который позволяет отказаться от применения однократно используемых (подчас дорогостоящих) реагентов с их заменой на электрический ток.

2. Роданированный индол обладает антибактериальной и противогрибковой активностью.

Перспективы использования результатов работы
Результаты работы могут быть использованы как материал для последующих исследований в данной области фармацевтической химии.

Сотрудничество с вузами и учреждениями при создании работы

1. ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И. М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)

2. ФГБУН Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН

3. ГБОУДО ДТДиМ имени А. П. Гайдара

4. ФГБОУ ВО МГАВМиБ – МВА имени К. И. Скрябина

Мнение автора
«Мне понравилось проводить исследовательскую работу на базе Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова. Я планирую принять участие в конференции «Старт в медицину» и в следующем году, так как она даёт большие возможности для реализации своего таланта. Я являюсь учеником медицинского класса и считаю, что проект «Медицинский класс в московской школе» создаёт прекрасные условия для развития учеников в этом направлении»