Ionic Liquids and Microwaves in Promotion of Organic Synthesis : Friedel-Crafts reaction, deuterolabelling and O-Demethylation

The use of ionic liquids in chemical research has gained considerable interest and activity in recent years. Due to their unique and varied physicochemical properties, in comparison to molecular solvents, the potential applications for ionic liquids are enormous. The use of microwave irradiation, as a powerful dielectric heating technique, in synthetic organic chemistry has been known since 1986. Since then, it has gained significant recognition for its research and application in both academia and industry. The use of either ionic liquids or microwave irradiation in synthetic organic chemistry has been known to afford improved, alternative or complimentary selectivities, in comparison to traditional processes. In this study, the use of ionic liquids as solvents, co-solvents and catalytic media was explored in Friedel-Crafts, deuterolabelling and O-demethylation reactions. Alternative methods for the production of a variety of aromatic ketones using the Friedel-Crafts acylation methodology were investigated using ionic liquid catalyst or ionic liquid acidic additive systems. The disclosed methods, i.e. metal bistriflamides and chloroindate ionic liquids systems, possessed good catalytic activity in the synthesis of typical benzophenones. These catalytic systems were also recyclable. Microwave irradiation was found to be useful in the synthesis of various polyhydroxydeoxybenzoins and arylpropanones as synthetic precursors to naturally occurring or potentially bioactive compounds. Under optimized condition, the reaction occurred in only four minutes using systems such as [bmim][NTf2]/HNTf2 and [bmim][BF4]/BF3·OEt2. Naturally occurring polyphenols, such as isoflavones, can possess various types of biological or pharmacological activity. In particular, some are noted for their beneficial effects on human health. Isotopically labelled analogues of polyphenols are valuable as analytical standards in the quantification of these compounds from biological matrices. A new strategy for deuterolabelling of polyphenols was developed using ionic liquids as co-solvents and 35% DCl/D2O, as a cheap deuterium source, under microwave irradiation. Under these conditions, perdeuterated compounds were achieved in short reaction times, in high isotopic purity and in excellent yields. An O-demethylation reaction was developed, using an ionic liquid reaction medium with BBr3 for the deprotection of a variety methyl protected polyphenolic compounds, such as isoflavons and lignans. This deprotection procedure was found to be very practical as the reaction occurred under mild reaction conditions and in short reaction times. The isolation and purification steps were particularly straightforward and high yielding, in comparison to traditional methods.

Substrate Selectivity and Molecular Adaptation in the Outer Membrane Proteases of Yersinia pestis and Salmonella enterica

Proteolysis is important in bacterial pathogenesis and colonization of animal and plant hosts. In this work I have investigated the functions of the bacterial outer membrane proteases, omptins, of Yersinia pestis and Salmonella enterica. Y. pestis is a zoonotic pathogen that causes plague and has evolved from gastroenteritis-causing Yersinia pseudotuberculosis about 13 000 years ago. S. enterica causes gastroenteritis and typhoid fever in humans. Omptins are transmembrane β-barrels with ten antiparallel β-strands and five surface-exposed loops. The loops are important in substrate recognition, and variation in the loop sequences leads to different substrate selectivities between omptins, which makes omptins an ideal platform to investigate functional adaptation and to alter their polypeptide substrate preferences. The omptins Pla of Y. pestis and PgtE of S. enterica are 75% identical in their amino acid sequences. Pla is a multifunctional protein with proteolytic and non-proteolytic functions, and it increases bacterial penetration and proliferation in the host. Functions of PgtE increase migration of S. enterica in vivo and bacterial survival in mouse macrophages, thus enhancing bacterial spread within the host. Mammalian plasminogen/fibrinolytic system maintains the balance between coagulation and fibrinolysis and participates in several cellular processes, e.g., cell migration and degradation of extracellular matrix proteins. This system consists of activation cascades, which are strictly controlled by several regulators, such as plasminogen activator inhibitor 1 (PAI-1), α2-antiplasmin (α2AP), and thrombin-activatable fibrinolysis inhibitor (TAFI). This work reveals novel interactions of the omptins of Y. pestis and S. enterica with the regulators of the plasminogen/fibrinolytic system: Pla and PgtE inactivate PAI-1 by cleavage at the reactive site peptide bond, and degrade TAFI, preventing its activation to TAFIa. Structure-function relationship studies with Pla showed that threonine 259 of Pla is crucial in plasminogen activation, as it prevents degradation of the plasmin catalytic domain by the omptin and thus maintains plasmin stability. In this work I constructed chimeric proteins between Pla and Epo of Erwinia pyrifoliae that share 78% sequence identity to find out which amino acids and regions in Pla are important for its functions. Epo is neither a plasminogen activator nor an invasin, but it degrades α2AP and PAI-1. Cumulative substitutions towards Pla sequence turned Epo into a Pla-like protein. In addition to threonine 259, loops 3 and 5 are critical in plasminogen activation by Pla. Turning Epo into an invasin required substitution of 31 residues located at the extracellular side of the Epo protein above the lipid bilayer, and also of the β1-strand in the N-terminal transmembrane region of the protein. These studies give an example of how omptins adapt to novel functions that advantage their host bacteria in different ecological niches.

11β-Hydroxysteroid dehydrogenase inhibitors and selectivity modeling of 11β-HSDs

11β-hydroksisteroididehydrogenaasientsyymit (11β-HSD) 1 ja 2 säätelevät kortisonin ja kortisolin määrää kudoksissa. 11β-HSD1 -entsyymin ylimäärä erityisesti viskeraalisessa rasvakudoksessa aiheuttaa metaboliseen oireyhtymän klassisia oireita, mikä tarjoaa mahdollisuuden metabolisen oireyhtymän hoitoon 11β-HSD1 -entsyymin selektiivisellä estämisellä. 11β-HSD2 -entsyymin inhibitio aiheuttaa kortisonivälitteisen mineralokortikoidireseptorien aktivoitumisen, mikä puolestaan johtaa hypertensiivisiin haittavaikutuksiin. Haittavaikutuksista huolimatta 11β-HSD2 -entsyymin estäminen saattaa olla hyödyllistä tilanteissa, joissa halutaan nostaa kortisolin määrä elimistössä. Lukuisia selektiivisiä 11β-HSD1 inhibiittoreita on kehitetty, mutta 11β-HSD2-inhibiittoreita on raportoitu vähemmän. Ero näiden kahden isotsyymin aktiivisen kohdan välillä on myös tuntematon, mikä vaikeuttaa selektiivisten inhibiittoreiden kehittämistä kummallekin entsyymille. Tällä työllä oli kaksi tarkoitusta: (1) löytää ero 11β-HSD entsyymien välillä ja (2) kehittää farmakoforimalli, jota voitaisiin käyttää selektiivisten 11β-HSD2 -inhibiittoreiden virtuaaliseulontaan. Ongelmaa lähestyttiin tietokoneavusteisesti: homologimallinnuksella, pienmolekyylien telakoinnilla proteiiniin, ligandipohjaisella farmakoforimallinnuksella ja virtuaaliseulonnalla. Homologimallinnukseen käytettiin SwissModeler -ohjelmaa, ja luotu malli oli hyvin päällekäinaseteltavissa niin templaattinsa (17β-HSD1) kuin 11β-HSD1 -entsyymin kanssa. Eroa entsyymien välillä ei löytynyt tarkastelemalla päällekäinaseteltuja entsyymejä. Seitsemän yhdistettä, joista kuusi on 11β-HSD2 -selektiivisiä, telakoitiin molempiin entsyymeihin käyttäen ohjelmaa GOLD. 11β-HSD1 -entsyymiin yhdisteet kiinnittyivät kuten suurin osa 11β-HSD1 -selektiivisistä tai epäselektiivisistä inhibiittoreista, kun taas 11β-HSD2 -entsyymiin kaikki yhdisteet olivat telakoituneet käänteisesti. Tällainen sitoutumistapa mahdollistaa vetysidokset Ser310:een ja Asn171:een, aminohappoihin, jotka olivat nähtävissä vain 11β-HSD2 -entsyymissä. Farmakoforimallinnukseen käytettiin ohjelmaa LigandScout3.0, jolla ajettiin myös virtuaaliseulonnat. Luodut kaksi farmakoforimallia, jotka perustuivat aiemmin telakointiinkin käytettyihin kuuteen 11β-HSD2 -selektiiviseen yhdisteeseen, koostuivat kuudesta ominaisuudesta (vetysidosakseptori, vetysidosdonori ja hydrofobinen), ja kieltoalueista. 11β-HSD2 -selektiivisyyden kannalta tärkeimmät ominaisuudet ovat vetysidosakseptori, joka voi muodostaa sidoksen Ser310 kanssa ja vetysidosdonori sen vieressä. Tälle vetysidosdonorille ei löytynyt vuorovaikutusparia 11β-HSD2-mallista. Sopivasti proteiiniin orientoitunut vesimolekyyli voisi kuitenkin olla sopiva ratkaisu puuttuvalle vuorovaikutusparille. Koska molemmat farmakoforimallit löysivät 11β-HSD2 -selektiivisiä yhdisteitä ja jättivät epäselektiivisiä pois testiseulonnassa, käytettiin molempia malleja Innsbruckin yliopistossa säilytettävistä yhdisteistä (2700 kappaletta) koostetun tietokannan seulontaan. Molemmista seulonnoista löytyneistä hiteistä valittiin yhteensä kymmenen kappaletta, jotka lähetettiin biologisiin testeihin. Biologisien testien tulokset vahvistavat lopullisesti sen kuinka hyvin luodut mallit edustavat todellisuudessa 11β-HSD2 -selektiivisyyttä.