Stereoselective Catalytic Processes for the Synthesis of Polycyclic Aromatic Compounds

In this PhD-thesis, two methodologies for enantioselective intramolecular ring closing reaction on indole cores are presented. The first methodology represents a highly stereoselective alkylation of the indole N1-nitrogen, leading to 3,4-dihydro-pyrazinoindol-1-ones – a structural class which is known for its activity on the CNS and therefore of high pharmacological interest concerning related diseases. In this approach, N-benzyl cinchona-alkaloids were used for the efficient catalysis of intramolecular aza-Michael reactions. Furthermore, computational studies in collaboration with the research group Prof. Andrea Bottoni (Department of Chemistry “G. Ciamician”, Bologna) were accomplished in order to get insight into the key interactions between catalyst and substrate, leading to enantiomeric excesses up to 91%. The results of the calculations on a model system are in accordance with the experimental results and demonstrate the high sensibility of the system towards structural modifications. The second project deals with a metal catalyzed, intramolecular Friedel-Crafts (FC)-reaction on indolyl substrates, carrying a side chain which on its behalf is furnished with an allylic alcohol unit. Allylic alcohols are part of the structural class of “π-activated alcohols” – alcohols, which are more easily activated due to the proximity to a π-unit (allyl-, propargyl-, benzyl-). The enantioselective intramolecular cyclization event is catalyzed efficiently by employment of a chiral Au(I)-catalyst, leading to 1-vinyl- or 4-vinyl-tetrahydrocarbazoles (THCs) under the formation of water as byproduct. This striking and novel process concerning the direct activation of alcohols in catalytic FC-reactions was subsequently extended to similar precursors, leading to functionalized tetrahydro-β-carbolines. These two methodologies represent highly efficient approaches towards the synthesis of scaffolds, which are of enormous pharmaceutical interest and amplify the spectra of enantioselective catalytic functionalisations of indoles.

Stereoselective synthesis of heterocycles as intermediates of biologically active compounds

The aim of this thesis was to investigate the synthesis of enantiomerically enriched heterocycles and dehydro-β-amino acid derivatives which can be used as scaffolds or intermediates of biologically active compounds, in particular as novel αvβ3 and α5β1 integrin ligands. The starting materials of all the compounds here synthesized are alkylideneacetoacetates. Alkylidene derivates are very usefull compounds, they are usually used as unsaturated electrophiles and they have the advantage of introducing different kind of functionality that may be further elaborated. In chapter 1, regio- and stereoselective allylic amination of pure carbonates is presented. The reaction proceeds via uncatalyzed or palladium-catalyzed conditions and affords enantiopure dehydro-β-amino esters that are useful precursor of biologically active compounds. Chapter 2 illustrates the synthesis of substituted isoxazolidines and isoxazolines via Michael addition followed by intramolecular hemiketalisation. The investigation on the effect of the Lewis acid catalysis on the regioselectivity of the addition it also reported. Isoxazolidines and isoxazolines are interesting heterocyclic compounds that may be regarded as unusual constrained -amino acids or as furanose mimetics. The synthesis of unusual cyclic amino acids precursors, that may be envisaged as proline analogues, as scaffolds for the design of bioactive peptidomimetics is presented in chapter 3. The synthesis of 2-substituted-3,4-dehydropyrrole derivatives starting from allylic carbonates via a two step allylic amination/ring closing metathesis (RCM) protocol is carried out. The reaction was optimized by testing different Grubbs’ catalysts and carbamate nitrogen protecting groups. Moreover, in view of a future application of these dehydro-β-amino acids as central core of peptidomimetics , the malonate chain was also used to protect nitrogen prior to RCM. Finally, chapter 4 presents the synthesis of two novel different classes of integrin antagonists, one derived from dehydro-β-amino acid prepared as described in chapter 1 and the other one has isoxazolidines synthesized in chapter 2 as rigid constrained core. Since that these compounds are promising RGD mimetics for αvβ3 and α5β1 integrins, they have been submitted to biological assay. and to interpret on a molecular basis their different affinities for the αvβ3 receptor, docking studies were performed using Glide program.

Development of Organocatalytic stereoselective SN1 type reactions

The proposal in my thesis has been the study of Stereoselective α-alkylation through SN1 type reaction. SN1 type reaction involves a stabilized and reactive carbocation intermediate By taking advantages of stability of particular carbocations, the use of carbocations in selective reactions has been important. In this work has been necessary to know the stability and reactivity of carbocations. And the work of Mayr group has helped to rationalize the behaviour and reactivity between the carbocations and nucleophiles by the use of Mayr’s scale of reactivity. The use of alcohols to performed the stable and reactive carbocations have been the key in my thesis. The direct nucleophilic substitution of alcohols has been a crucial scope in the field of organic synthesis, because offer a wide range of intermediates for the synthesis of natural products and pharmaceutics synthesis. In particular the catalytic nucleophilic direct substitution of alcohols represents a novel methodology for the preparation of a variety of derivatives, and water only as the sub-product in the reaction. The stereochemical control of the transformation C-H bond into stereogenic C-C bond adjacent to carbonyl functionalized has been studied for asymmetric catalysis. And the field of organocatalysis has introduced the use of small organic molecule as catalyst for stereoselective transformations. Merging these two concepts Organocatalysis and Mayr’s scale, my thesis has developed a new approach for the α-alkylation of aldehydes and ketones through SN1 type reaction.

Sintesi e coordinazione di leganti Ciclopentadienilici O-Multifunzionalizzati

The introduction of hydroxyl groups into ligands is able to transfer high hydrophilic features to the related metal systems. The atom-economy synthetic procedure adopted which consists in the one-step Cyclopentene-oxide ring opening, quantitatitatively affords stereoselective formation of the multi-hydroxyl rac-1,2,4- C5H2[CH(CH2)3CHOH]3 Cpººº ligand1. Rh complexation of Cpººº gives rise to a novel class of water-soluble complexes (L,L)RhCpººº (LL=NBD 1, COD 2, CH2CH2 3, CO 4) (Scheme 1) characterized by their spectroscopic features (ESI-MS, IR, 2D NMR, n.O.e.). The X-ray diffraction studies of 1a reveal the occurrence of one couple of enantiomeric pairs in the crystal structure, whilst the crystal packing shows an interesting self-organization in chains of dimeric units of 1a, promoted by strong intermolecular hydroxyl H-bonding. This effect has been exploited by performing VT NMR experiments in different solvents (CDCl3, Py, DMSO). Unpredictably, in the absence of chiral tag, 1 exhibits solvent-dependent chiroptical properties (CD, αD^ 25), which are correlated to UV transitions and DFT calculations. The intra/inter molecular H-binding is crucial in driving the equilibrium between the observed atropisomers 1a and 1b, by varying the planar chirality on the two π-complexes.

Caratterizzazione del legame di molecole di interesse farmaceutico alla sieroalbumina umana mediante biocromatografia e dicroismo circolare

Negli ultimi anni, un crescente numero di studiosi ha focalizzato la propria attenzione sullo sviluppo di strategie che permettessero di caratterizzare le proprietà ADMET dei farmaci in via di sviluppo, il più rapidamente possibile. Questa tendenza origina dalla consapevolezza che circa la metà dei farmaci in via di sviluppo non viene commercializzato perché ha carenze nelle caratteristiche ADME, e che almeno la metà delle molecole che riescono ad essere commercializzate, hanno comunque qualche problema tossicologico o ADME [1]. Infatti, poco importa quanto una molecola possa essere attiva o specifica: perché possa diventare farmaco è necessario che venga ben assorbita, distribuita nell’organismo, metabolizzata non troppo rapidamente, ne troppo lentamente e completamente eliminata. Inoltre la molecola e i suoi metaboliti non dovrebbero essere tossici per l’organismo. Quindi è chiaro come una rapida determinazione dei parametri ADMET in fasi precoci dello sviluppo del farmaco, consenta di risparmiare tempo e denaro, permettendo di selezionare da subito i composti più promettenti e di lasciar perdere quelli con caratteristiche negative. Questa tesi si colloca in questo contesto, e mostra l’applicazione di una tecnica semplice, la biocromatografia, per caratterizzare rapidamente il legame di librerie di composti alla sieroalbumina umana (HSA). Inoltre mostra l’utilizzo di un’altra tecnica indipendente, il dicroismo circolare, che permette di studiare gli stessi sistemi farmaco-proteina, in soluzione, dando informazioni supplementari riguardo alla stereochimica del processo di legame. La HSA è la proteina più abbondante presente nel sangue. Questa proteina funziona da carrier per un gran numero di molecole, sia endogene, come ad esempio bilirubina, tiroxina, ormoni steroidei, acidi grassi, che xenobiotici. Inoltre aumenta la solubilità di molecole lipofile poco solubili in ambiente acquoso, come ad esempio i tassani. Il legame alla HSA è generalmente stereoselettivo e ad avviene a livello di siti di legame ad alta affinità. Inoltre è ben noto che la competizione tra farmaci o tra un farmaco e metaboliti endogeni, possa variare in maniera significativa la loro frazione libera, modificandone l’attività e la tossicità. Per queste sue proprietà la HSA può influenzare sia le proprietà farmacocinetiche che farmacodinamiche dei farmaci. Non è inusuale che un intero progetto di sviluppo di un farmaco possa venire abbandonato a causa di un’affinità troppo elevata alla HSA, o a un tempo di emivita troppo corto, o a una scarsa distribuzione dovuta ad un debole legame alla HSA. Dal punto di vista farmacocinetico, quindi, la HSA è la proteina di trasporto del plasma più importante. Un gran numero di pubblicazioni dimostra l’affidabilità della tecnica biocromatografica nello studio dei fenomeni di bioriconoscimento tra proteine e piccole molecole [2-6]. Il mio lavoro si è focalizzato principalmente sull’uso della biocromatografia come metodo per valutare le caratteristiche di legame di alcune serie di composti di interesse farmaceutico alla HSA, e sul miglioramento di tale tecnica. Per ottenere una miglior comprensione dei meccanismi di legame delle molecole studiate, gli stessi sistemi farmaco-HSA sono stati studiati anche con il dicroismo circolare (CD). Inizialmente, la HSA è stata immobilizzata su una colonna di silice epossidica impaccata 50 x 4.6 mm di diametro interno, utilizzando una procedura precedentemente riportata in letteratura [7], con alcune piccole modifiche. In breve, l’immobilizzazione è stata effettuata ponendo a ricircolo, attraverso una colonna precedentemente impaccata, una soluzione di HSA in determinate condizioni di pH e forza ionica. La colonna è stata quindi caratterizzata per quanto riguarda la quantità di proteina correttamente immobilizzata, attraverso l’analisi frontale di L-triptofano [8]. Di seguito, sono stati iniettati in colonna alcune soluzioni raceme di molecole note legare la HSA in maniera enantioselettiva, per controllare che la procedura di immobilizzazione non avesse modificato le proprietà di legame della proteina. Dopo essere stata caratterizzata, la colonna è stata utilizzata per determinare la percentuale di legame di una piccola serie di inibitori della proteasi HIV (IPs), e per individuarne il sito(i) di legame. La percentuale di legame è stata calcolata attraverso il fattore di capacità (k) dei campioni. Questo parametro in fase acquosa è stato estrapolato linearmente dal grafico log k contro la percentuale (v/v) di 1-propanolo presente nella fase mobile. Solamente per due dei cinque composti analizzati è stato possibile misurare direttamente il valore di k in assenza di solvente organico. Tutti gli IPs analizzati hanno mostrato un’elevata percentuale di legame alla HSA: in particolare, il valore per ritonavir, lopinavir e saquinavir è risultato maggiore del 95%. Questi risultati sono in accordo con dati presenti in letteratura, ottenuti attraverso il biosensore ottico [9]. Inoltre, questi risultati sono coerenti con la significativa riduzione di attività inibitoria di questi composti osservata in presenza di HSA. Questa riduzione sembra essere maggiore per i composti che legano maggiormente la proteina [10]. Successivamente sono stati eseguiti degli studi di competizione tramite cromatografia zonale. Questo metodo prevede di utilizzare una soluzione a concentrazione nota di un competitore come fase mobile, mentre piccole quantità di analita vengono iniettate nella colonna funzionalizzata con HSA. I competitori sono stati selezionati in base al loro legame selettivo ad uno dei principali siti di legame sulla proteina. In particolare, sono stati utilizzati salicilato di sodio, ibuprofene e valproato di sodio come marker dei siti I, II e sito della bilirubina, rispettivamente. Questi studi hanno mostrato un legame indipendente dei PIs ai siti I e II, mentre è stata osservata una debole anticooperatività per il sito della bilirubina. Lo stesso sistema farmaco-proteina è stato infine investigato in soluzione attraverso l’uso del dicroismo circolare. In particolare, è stato monitorata la variazione del segnale CD indotto di un complesso equimolare [HSA]/[bilirubina], a seguito dell’aggiunta di aliquote di ritonavir, scelto come rappresentante della serie. I risultati confermano la lieve anticooperatività per il sito della bilirubina osservato precedentemente negli studi biocromatografici. Successivamente, lo stesso protocollo descritto precedentemente è stato applicato a una colonna di silice epossidica monolitica 50 x 4.6 mm, per valutare l’affidabilità del supporto monolitico per applicazioni biocromatografiche. Il supporto monolitico monolitico ha mostrato buone caratteristiche cromatografiche in termini di contropressione, efficienza e stabilità, oltre che affidabilità nella determinazione dei parametri di legame alla HSA. Questa colonna è stata utilizzata per la determinazione della percentuale di legame alla HSA di una serie di poliamminochinoni sviluppati nell’ambito di una ricerca sulla malattia di Alzheimer. Tutti i composti hanno mostrato una percentuale di legame superiore al 95%. Inoltre, è stata osservata una correlazione tra percentuale di legame è caratteristiche della catena laterale (lunghezza e numero di gruppi amminici). Successivamente sono stati effettuati studi di competizione dei composti in esame tramite il dicroismo circolare in cui è stato evidenziato un effetto anticooperativo dei poliamminochinoni ai siti I e II, mentre rispetto al sito della bilirubina il legame si è dimostrato indipendente. Le conoscenze acquisite con il supporto monolitico precedentemente descritto, sono state applicate a una colonna di silice epossidica più corta (10 x 4.6 mm). Il metodo di determinazione della percentuale di legame utilizzato negli studi precedenti si basa su dati ottenuti con più esperimenti, quindi è necessario molto tempo prima di ottenere il dato finale. L’uso di una colonna più corta permette di ridurre i tempi di ritenzione degli analiti, per cui la determinazione della percentuale di legame alla HSA diventa molto più rapida. Si passa quindi da una analisi a medio rendimento a una analisi di screening ad alto rendimento (highthroughput- screening, HTS). Inoltre, la riduzione dei tempi di analisi, permette di evitare l’uso di soventi organici nella fase mobile. Dopo aver caratterizzato la colonna da 10 mm con lo stesso metodo precedentemente descritto per le altre colonne, sono stati iniettati una serie di standard variando il flusso della fase mobile, per valutare la possibilità di utilizzare flussi elevati. La colonna è stata quindi impiegata per stimare la percentuale di legame di una serie di molecole con differenti caratteristiche chimiche. Successivamente è stata valutata la possibilità di utilizzare una colonna così corta, anche per studi di competizione, ed è stata indagato il legame di una serie di composti al sito I. Infine è stata effettuata una valutazione della stabilità della colonna in seguito ad un uso estensivo. L’uso di supporti cromatografici funzionalizzati con albumine di diversa origine (ratto, cane, guinea pig, hamster, topo, coniglio), può essere proposto come applicazione futura di queste colonne HTS. Infatti, la possibilità di ottenere informazioni del legame dei farmaci in via di sviluppo alle diverse albumine, permetterebbe un migliore paragone tra i dati ottenuti tramite esperimenti in vitro e i dati ottenuti con esperimenti sull’animale, facilitando la successiva estrapolazione all’uomo, con la velocità di un metodo HTS. Inoltre, verrebbe ridotto anche il numero di animali utilizzati nelle sperimentazioni. Alcuni lavori presenti in letteratura dimostrano l’affidabilita di colonne funzionalizzate con albumine di diversa origine [11-13]: l’utilizzo di colonne più corte potrebbe aumentarne le applicazioni.

Acqua: solvente elettivo in Organocatalisi e Biocatalisi

Water is a safe, harmless, and environmentally benign solvent. From an eco-sustainable chemistry perspective, the use of water instead of organic solvent is preferred to decrease environmental contamination. Moreover, water has unique physical and chemical properties, such as high dielectric constant and high cohesive energy density compared to most organic solvents. The different interactions between water and substrates, make water an interesting candidate as a solvent or co-solvent from an industrial and laboratory perspective. In this regard, organic reactions in aqueous media are of current interest. In addition, from practical and synthetic standpoints, a great advantage of using water is immediately evident, since it does not require any preliminary drying process. This thesis was found on this aspect of chemical research, with particular attention to the mechanisms which control organo and bio-catalysis outcome. The first part of the study was focused on the aldol reaction. In particular, for the first time it has been analyzed for the first time the stereoselectivity of the condensation reaction between 3-pyridincarbaldehyde and the cyclohexanone, catalyzed by morpholine and 4-tertbutyldimethylsiloxyproline, using water as sole solvent. This interest has resulted in countless works appeared in the literature concerning the use of proline derivatives as effective catalysts in organic aqueous environment. These studies showed good enantio and diastereoselectivities but they did not present an in depth study of the reaction mechanism. The analysis of the products diastereomeric ratios through the Eyring equation allowed to compare the activation parameters (ΔΔH≠ and ΔΔS≠) of the diastereomeric reaction paths, and to compare the different type of catalysis. While morpholine showed constant diasteromeric ratio at all temperatures, the O(TBS)-L-proline, showed a non-linear Eyring diagram, with two linear trends and the presence of an inversion temperature (Tinv) at 53 ° C, which denotes the presence of solvation effects by water. A pH-dependent study allowed to identify two different reaction mechanisms, and in the case of O(TBS)-L-proline, to ensure the formation of an enaminic species, as a keyelement in the stereoselective process. Moreover, it has been studied the possibility of using the 6- aminopenicillanic acid (6-APA) as amino acid-type catalyst for aldol condensation between cyclohexanone and aromatic aldehydes. A detailed analysis of the catalyst regarding its behavior in different organic solvents and pH, allowed to prove its potential as a candidate for green catalysis. Best results were obtained in neat conditions, where 6-APA proved to be an effective catalyst in terms of yields. The catalyst performance in terms of enantio- and diastereo-selectivity, was impaired by the competition between two different catalytic mechanisms: one via imine-enamine mechanism and one via a Bronsted-acid catalysis. The last part of the thesis was dedicated to the enzymatic catalysis, with particular attention to the use of an enzyme belonging to the class of alcohol dehydrogenase, the Horse Liver Alcohol Dehydrogenase (HLADH) which was selected and used in the enantioselective reduction of aldehydes to enantiopure arylpropylic alcohols. This enzyme has showed an excellent responsiveness to this type of aldehydes and a good tolerance toward organic solvents. Moreover, the fast keto-enolic equilibrium of this class of aldehydes that induce the stereocentre racemization, allows the dynamic-kinetic resolution (DKR) to give the enantiopure alcohol. By analyzing the different reaction parameters, especially the pH and the amount of enzyme, and adding a small percentage of organic solvent, it was possible to control all the parameters involved in the reaction. The excellent enatioselectivity of HLADH along with the DKR of arylpropionic aldehydes, allowed to obtain the corresponding alcohols in quantitative yields and with an optical purity ranging from 64% to >99%.

Nuovi processi catalitici per la sintesi di prodotti ad attività farmacologica

The transition metal-catalyzed allylic alkylation (Tsuji-Trost type reaction) is a powerful tool for C-C, C-N, and C-O bond formation, which has been widely applied to organic chemistry over the last decades. Typical substrates for this transformation are activated allylic compounds such as halides, esters, carbonates, carbamates, phosphates, and so on. However, use of these substrates is associated with the disadvantage of generating a stoichiometric amount of chemical waste. Furthermore, these starting materials have to be prepared in an extra step from the corresponding allylic alcohol. Thus, ideal substrates would be the allylic alcohols themselves, with water being the only byproduct in this case. However, the scarse propensity of the hydroxyl moiety to act as good leaving group has significantly limited their use so far. During the last decade significant efforts have been made in order to develop more atom-economical and environmentally-friendly allylic alkylation protocols by employing allylic alcohols directly. In this PhD dissertation two main projects addressing this topic are presented. “Project 1” deals with the development of new metal-catalyzed intramolecular Friedel-Crafts (FC) allylic alkylations of electron-rich (PAPER A), as well as challenging electron-poor arenes (PAPER B) with alcohols. In “Project 2”, gold(I)-catalyzed intramolecular and stereoselective allylic alkylation reactions are reported. In particular, a FC alkylation of indole-containing allylic alcohols is presented in PAPER C. While, an O-alkylation of aminol-containing allylic alcohols is reported in PAPER D. To the best of knowledge, these reports represent the first example of gold(I)-catalyzed stereoselective alkylations with alcohols.

Au(I) Catalyzed Manipulation of Propargylic Alcohols: A New Route Towards the Synthesis of Indole Alkaloids

In this work we presented several aspects regarding the possibility to use readily available propargylic alcohols as acyclic precursors to develop new stereoselective [Au(I)]-catalyzed cascade reactions for the synthesis of highly complex indole architectures. The use of indole-based propargylic alcohols of type 1 in a stereoselective [Au(I)]-catalyzed hydroindolynation/immiun trapping reactive sequence opened access to a new class of tetracyclic indolines, dihydropyranylindolines A and furoindolines B. An enantioselective protocol was futher explored in order to synthesize this molecules with high yields and ee. The suitability of propargylic alcohols in [Au(I)]-catalyzed cascade reactions was deeply investigated by developing cascade reactions in which was possible not only to synthesize the indole core but also to achieve a second functionalization. Aniline based propargylic alcohols 2 were found to be modular acyclic precursors for the synthesis of [1,2-a] azepinoindoles C. In describing this reactivity we additionally reported experimental evidences for an unprecedented NHCAu(I)-vinyl specie which in a chemoselective fashion, led to the annulation step, synthesizing the N1-C2-connected seven membered ring. The chemical flexibility of propargylic alcohols was further explored by changing the nature of the chemical surrounding with different preinstalled N-alkyl moiety in propargylic alcohols of type 3. Particularly, in the case of a primary alcohol, [Au(I)] catalysis was found to be prominent in the synthesis of a new class of [4,3-a]-oxazinoindoles D while the use of an allylic alcohol led to the first example of [Au(I)] catalyzed synthesis and enantioselective functionalization of this class of molecules (D*). With this work we established propargylic alcohols as excellent acyclic precursor to developed new [Au(I)]-catalyzed cascade reaction and providing new catalytic synthetic tools for the stereoselective synthesis of complex indole/indoline architectures.