Organocatalytic asymmetric mannich-type reactions: an easy approach to optically active amine derivatives

The topics I came across during the period I spent as a Ph.D. student are mainly two. The first concerns new organocatalytic protocols for Mannich-type reactions mediated by Cinchona alkaloids derivatives (Scheme I, left); the second topic, instead, regards the study of a new approach towards the enantioselective total synthesis of Aspirochlorine, a potent gliotoxin that recent studies indicate as a highly selective and active agent against fungi (Scheme I, right). At the beginning of 2005 I had the chance to join the group of Prof. Alfredo Ricci at the Department of Organic Chemistry of the University of Bologna, starting my PhD studies. During the first period I started to study a new homogeneous organocatalytic aza-Henry reaction by means of Cinchona alkaloid derivatives as chiral base catalysts with good results. Soon after we introduced a new protocol which allowed the in situ synthesis of N-carbamoyl imines, scarcely stable, moisture sensitive compounds. For this purpose we used α-amido sulfones, bench stable white crystalline solids, as imine precursors (Scheme II). In particular we were able to obtain the aza-Henry adducts, by using chiral phase transfer catalysis, with a broad range of substituents as R-group and excellent results, unprecedented for Mannich-type transformations (Scheme II). With the optimised protocol in hand we have extended the methodology to the other Mannich-type reactions. We applied the new method to the Mannich, Strecker and Pudovik (hydrophosphonylation of imines) reactions with very good results in terms of enantioselections and yields, broadening the usefulness of this novel protocol. The Mannich reaction was certainly the most extensively studied work in this thesis (Scheme III). Initially we developed the reaction with α-amido sulfones as imine precursors and non-commercially available malonates with excellent results in terms of yields and enantioselections.3 In this particular case we recorded 1 mol% of catalyst loading, very low for organocatalytic processes. Then we thought to develop a new Mannich reaction by using simpler malonates, such as dimethyl malonate.4 With new optimised condition the reaction provided slightly lower enantioselections than the previous protocol, but the Mannich adducts were very versatile for the obtainment of β3-amino acids. Furthermore we performed the first addition of cyclic β-ketoester to α-amido sulfones obtaining the corresponding products in good yield with high level of diastereomeric and enantiomeric excess (Scheme III). Further studies were done about the Strecker reaction mediated by Cinchona alkaloid phase-transfer quaternary ammonium salt derivatives, using acetone cyanohydrin, a relatively harmless cyanide source (Scheme IV). The reaction proceeded very well providing the corresponding α-amino nitriles in good yields and enantiomeric excesses. Finally, we developed two new complementary methodologies for the hydrophosphonylation of imines (Scheme V). As a result of the low stability of the products derived from aromatic imines, we performed the reactions in mild homogeneous basic condition by using quinine as a chiral base catalyst giving the α-aryl-α-amido phosphonic acid esters as products (Scheme V, top).6 On the other hand, we performed the addition of dialkyl phosphite to aliphatic imines by using chiral Cinchona alkaloid phase transfer quaternary ammonium salt derivatives using our methodology based on α-amido sulfones (Scheme V, bottom). The results were good for both procedures covering a broad range of α-amino phosphonic acid ester. During the second year Ph.D. studies, I spent six months in the group of Prof. Steven V. Ley, at the Department of Chemistry of the University of Cambridge, in United Kingdom. During this fruitful period I have been involved in a project concerning the enantioselective synthesis of Aspirochlorine. We provided a new route for the synthesis of a key intermediate, reducing the number of steps and increasing the overall yield. Then we introduced a new enantioselective spirocyclisation for the synthesis of a chiral building block for the completion of the synthesis (Scheme VI).

Cellule staminali mesenchimali umane da molteplici tessuti adulti: caratteristiche condivise e tessuto-specificità

L’attività di ricerca ha riguardato lo studio di popolazioni di cellule staminali mesenchimali umane (MSC) ottenute da molteplici tessuti adulti. Sono state investigate sorgenti di MSC alternative al midollo osseo, libere da conflitti etici, dotate di vantaggi per l’applicabilità clinica che vanno dalla elevata resa nel recupero cellulare alla tessuto-specificità. Le cellule ottenute dalle diverse sorgenti sono state caratterizzate immunofenotipicamente, commissionate mediante protocolli di induzione specifici per i diversi tipi cellulari ed analizzate con opportuni saggi istologici, immunoistochimici, di espressione genica e proteica. Esperimenti di cocoltura hanno permesso la descrizione di capacità immunomodulatorie e trofiche. - La placenta a termine risulta essere una ricca sorgente di cellule staminali mesenchimali (MSC). Dalla membrana amniotica, dal corion e dalla gelatina di Wharton del cordone ombelicale sono state ottenute MSC con potenzialità differenziative verso commissionamenti mesenchimali, con capacità immunomodulatorie e trofiche. Tali tessuti sono ampiamente disponibili, garantiscono una elevata resa nel recupero cellulare e sono liberi da conflitti etici. - Due popolazioni di cellule con caratteristiche di MSC sono state individuate nella mucosa e nella sottomucosa intestinale. Queste cellule possiedono caratteristiche di tessuto-specificità, sono dotate di attività trofiche ed immunomodulatorie che potrebbero essere vantaggiose per approcci di terapia cellulare in patologie quali le Malattie Infiammatorie Croniche Intestinali (IBD). - Popolazioni di cellule staminali con caratteristiche simili alle MSC sono state ottenute da isole pancreatiche. Tali popolazioni possiedono vantaggi di tessuto-specificità per approcci di terapia cellulare per il Diabete. - Sono stati investigati ed individuati marcatori molecolari (molecole HLA-G) correlati con il livello di attività immunomodulatoria delle MSC. La valutazione di tali marcatori potrebbere permettere di determinare l’attività immunosoppressiva a priori del trapianto, con l’obiettivo di scegliere le popolazioni di MSC più adatte per l’applicazione e di definirne il dosaggio. - E’ stato messa a punto una metodica e una strumentazione per il frazionamento di cellule staminali in Campo Flusso in assenza di marcatura (NEEGA-DF). Questa metodica permette di discriminare sottopopolazioni cellulari in base a caratteristiche biofisiche.

Sviluppo di impianti ceramici biomimetici a porosità controllata per la rigenerazione del tessuto osseo

La presente ricerca si inquadra nell’ambito della risoluzione dei problemi legati alla chirurgia ossea, per la cura e la sostituzione di parti di osso in seguito a fratture, lesioni gravi, malformazioni e patologie quali osteoporosi, tumori, etc… Attualmente la progettazione di impianti per le sostituzioni/rigenerazioni ossee richiede che i materiali sviluppati siano in grado di “mimare” la composizione e la morfologia dei tessuti naturali, in modo da generare le specifiche interazioni chimiche esistenti nei tessuti dell’organismo con cui vengono a contatto e quindi di biointegrarsi e/o rigenerare l’osso mancante nel miglior modo possibile, in termini qualitativi e quantitativi. Per lo sviluppo di sostituti ossei porosi sono state sperimentate 2 tecnologie innovative: il freeze-casting ed il foaming. Gli impianti ceramici realizzati hanno presentano una dimensione dei pori ed un’interconnessione adeguata sia per l’abitazione cellulare che per la penetrazione dei fluidi fisiologici e la vascolarizzazione. In particolare l’elevata unidirezionalità nei campioni ottenuti mediante freeze-casting si presenta molto promettente poiché fornisce cammini guida che migliorano la vascolarizzazione dell’impianto e l’abitazione cellulare in tempi rapidi e nella parte più interna dello scaffold. D’altra parte, la tecnologia del foaming ha permesso l’ottenimento di materiali apatitici ad alta porosità multidimensionale ed interconnessa con proprietà meccaniche implementate rispetto a tipologie precedenti e, lavorabili dopo sinterizzazione mediante prototipazione rapida. Per questo motivo, questi materiali sono attualmente in corso di sperimentazione, con risultati preliminari adeguati promettenti per un’applicazione clinica, come sostituti ossei di condilo mandibolare, sito estremamente critico per gli sforzi meccanici presenti. È stata dimostrata la possibilità di utilizzare lo scaffold ceramico biomimetico con la duplice funzione di sostituto osseo bioattivo e sistema di rilascio in situ di ioni specifici e di antibiotico, in cui la cinetica di rilascio risulta fortemente dipendente dalle caratteristiche chimico-fisico morfologiche del dispositivo (solubilità, area di superficie specifica,…). Per simulare sempre di più la composizione del tessuto osseo e per indurre specifiche proprietà funzionali, è stata utilizzata la gelatina come fase proteica con cui rivestire/impregnare dispositivi porosi 3D a base di apatite, con cui miscelare direttamente la fase inorganica calcio-fosfatica e quindi realizzare materiali bio-ibridi in cui le due fasi contenenti siano intimamente interagenti. Inoltre al fine di ridurre gli innumerevoli problemi legati alle infezioni ossee alcuni dei materiali sviluppati sono stati quindi caricati con antibiotico e sono state valutate le cinetiche di rilascio. In questa maniera, nel sito dell’impianto sono state associate le funzioni di trasporto e di rilascio di farmaco, alla funzione di sostituzione/rigenerazione ossee. La sperimentazione con la gelatina ha messo in luce proprietà posatamente sfruttabili della stessa. Oltre a conferire allo scaffold un implementata mimesi composizionale del tessuto osseo, ha infatti consentito di aumentare le proprietà meccaniche, sia come resistenza a compressione che deformazione. Unitamente a quanto sopra, la gelatina ha consentito di modulare la funzionalità di dispensatore di farmaco; mediante controllo della cinetica di rilascio, tramite processi di reticolazione più o meno spinti.