Strong iron demand during hypoxia-induced erythropoiesis is associated with down-regulation of iron-related proteins and myoglobin in human skeletal muscle

[EN] Iron is essential for oxygen transport because it is incorporated in the heme of the oxygen-binding proteins hemoglobin and myoglobin. An interaction between iron homeostasis and oxygen regulation is further suggested during hypoxia, in which hemoglobin and myoglobin syntheses have been reported to increase. This study gives new insights into the changes in iron content and iron-oxygen interactions during enhanced erythropoiesis by simultaneously analyzing blood and muscle samples in humans exposed to 7 to 9 days of high altitude hypoxia (HA). HA up-regulates iron acquisition by erythroid cells, mobilizes body iron, and increases hemoglobin concentration. However, contrary to our hypothesis that muscle iron proteins and myoglobin would also be up-regulated during HA, this study shows that HA lowers myoglobin expression by 35% and down-regulates iron-related proteins in skeletal muscle, as evidenced by decreases in L-ferritin (43%), transferrin receptor (TfR; 50%), and total iron content (37%). This parallel decrease in L-ferritin and TfR in HA occurs independently of increased hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) mRNA levels and unchanged binding activity of iron regulatory proteins, but concurrently with increased ferroportin mRNA levels, suggesting enhanced iron export. Thus, in HA, the elevated iron requirement associated with enhanced erythropoiesis presumably elicits iron mobilization and myoglobin down-modulation, suggesting an altered muscle oxygen homeostasis.

Manipolazione del metabolismo degli xenobiotici da frutta convenzionale ed attività chemiopreventiva

A reduced cancer risk associated with fruit and vegetable phytochemicals initially dictated chemopreventive approaches focused on specific green variety consumption or even single nutrient supplementations. However, these strategies not only failed to provide any health benefits but gave rise to detrimental effects. In parallel, public-health chemoprevention programmes were developed in the USA and Europe to increase whole vegetable consumption. Among these, the National Cancer Institute (NCI) sponsored plan “5 to 9 a day for a better health” was one of the most popular. This campaign promoted wide food choice through the consumption of at least 5 to 9 servings a day of colourful fruits and vegetables. In this study the effects of the diet suggested by NCI on transcription, translation and catalytic activity of both xenobiotic metabolizing (XME) and antioxidant enzymes were studied in the animal model. In fact, the boost of both antioxidant defences and “good” phase-II together with down-regulation of “bad” phase-I XMEs is still considered one of the most widely-used strategies of cancer control. Six male Sprague Dawley rats for each treatment group were used. According to the Italian Society of Human Nutrition, a serving of fruit, vegetables and leafy greens corresponds to 150, 250 and 50 g, respectively, in a 70 kg man. Proportionally, rats received one or five servings of lyophilized onion, tomato, peach, black grape or lettuce – for white, red, yellow, violet or green diet, respectively - or five servings of each green (“5 a day” diet) by oral gavage daily for 10 consecutive days. Liver subcellular fractions were tested for various cytochrome P450 (CYP) linked-monooxygenases, phase-II supported XMEs such as glutathione S-transferase (GST) and UDP-glucuronosyl transferase (UDPGT) as well as for some antioxidant enzymes. Hepatic transcriptional and translational effects were evaluated by reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) and Western blot analysis, respectively. dROMs test was used to measure plasmatic oxidative stress. Routine haematochemical parameters were also monitored. While the five servings administration didn’t significantly vary XME catalytic activity, the lower dose caused a complex pattern of CYP inactivation with lettuce exerting particularly strong effects (a loss of up to 43% and 45% for CYP content and CYP2B1/2-linked XME, respectively; P<0.01). “5 a day” supplementation produced the most pronounced modulations (a loss of up to 60% for CYP2E1-linked XME and a reduction of CYP content of 54%; P<0.01). Testosterone hydroxylase activity confirmed these results. RT-PCR and Western blot analysis revealed that the “5 a day” diet XMEs inactivations were a result of both a transcriptional and a translational effect while lettuce didn’t exert such effects. All administrations brought out none or fewer modulation of phase-II supported XMEs. Apart from “5 a day” supplementation and the single serving of lettuce, which strongly induced DT- diaphorase (an increase of up to 141 and 171%, respectively; P<0.01), antioxidant enzymes were not significantly changed. RT-PCR analysis confirmed DT-diaphorase induction brought about by the administration of both “5 a day” diet and a single serving of lettuce. Furthermore, it unmasked a similar result for heme-oxygenase. dROMs test provided insight into a condition of high systemic oxidative stress as a consequence of animal diet supplementation with “5 a day” diet and a single serving of lettuce (an increase of up to 600% and 900%, respectively; P<0.01). Haematochemical parameters were mildly affected by such dietary manipulations. According to the classical chemopreventive theory, these results could be of particular relevance. In fact, even if antioxidant enzymes were only mildly affected, the phase-I inactivating ability of these vegetables would be a worthy strategy to cancer control. However, the recorded systemic considerable amount of reactive oxygen species and the complexity of these enzymes and their functions suggest caution in the widespread use of vegan/vegetarian diets as human chemopreventive strategies. In fact, recent literature rather suggests that only diets rich in fruits and vegetables and poor in certain types of fat, together with moderate caloric intake, could be associated with reduced cancer risk.

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.

Design and development of new green catalytic methodologies for the synthesis of enantiomerically enriched molecules

The following Ph.D work was mainly focused on catalysis, as a key technology, to achieve the objectives of sustainable (green) chemistry. After introducing the concepts of sustainable (green) chemistry and an assessment of new sustainable chemical technologies, the relationship between catalysis and sustainable (green) chemistry was briefly discussed and illustrated via an analysis of some selected and relevant examples. Afterwards, as a continuation of the ongoing interest in Dr. Marco Bandini’s group on organometallic and organocatalytic processes, I addressed my efforts to the design and development of novel catalytic green methodologies for the synthesis of enantiomerically enriched molecules. In the first two projects the attention was focused on the employment of solid supports to carry out reactions that still remain a prerogative of omogeneous catalysis. Firstly, particular emphasis was addressed to the discovery of catalytic enantioselective variants of nitroaldol condensation (commonly termed Henry reaction), using a complex consisting in a polyethylene supported diamino thiopene (DATx) ligands and copper as active species. In the second project, a new class of electrochemically modified surfaces with DATx palladium complexes was presented. The DATx-graphite system proved to be efficient in promoting the Suzuki reaction. Moreover, in collaboration with Prof. Wolf at the University of British Columbia (Vancouver), cyclic voltammetry studies were reported. This study disclosed new opportunities for carbon–carbon forming processes by using heterogeneous, electrodeposited catalyst films. A straightforward metal-free catalysis allowed the exploration around the world of organocatalysis. In fact, three different and novel methodologies, using Cinchona, Guanidine and Phosphine derivatives, were envisioned in the three following projects. An interesting variant of nitroaldol condensation with simple trifluoromethyl ketones and also their application in a non-conventional activation of indolyl cores by Friedel-Crafts-functionalization, led to two novel synthetic protocols. These approaches allowed the preparation of synthetically useful trifluoromethyl derivatives bearing quaternary stereocenters. Lastly, in the sixth project the first γ-alkylation of allenoates with conjugated carbonyl compounds was envisioned. In the last part of this Ph.D thesis bases on an extra-ordinary collaboration with Prof. Balzani and Prof. Gigli, I was involved in the synthesis and characterization of a new type of heteroleptic cyclometaled-Ir(III) complexes, bearing bis-oxazolines (BOXs) as ancillary ligands. The new heteroleptic complexes were fully characterized and in order to examine the electroluminescent properties of FIrBOX(CH2), an Organic Light Emitting Device was realized.

Untersuchungen zur Regulation der Basenfehlpaarungsreparatur und zur Zytostatikaresistenz in Säugerzellen

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, daß eine Behandlung von Säugerzellen mit O6-Methylguanin generierenden Substanzen zu einer Zunahme der GT-Bindungsaktivität und zu einer Translokation der MMR-Proteine MSH2, MSH6 und PMS2 aus dem Cytoplasma in den Zellkern führt. Versuche mit MSH6-defizienten DLD1-Zellen und Coimmunpräzipitationsversuche zeigten, daß der MutSalpha-Komplex (MSH2+MSH6) bereits im Cytoplasma gebildet wird und daß die Translokation von MSH2 nur im Komplex mit MSH6 erfolgt. Durch die Untersuchung von Zellinien mit unterschiedlichem MGMT-Status konnte gezeigt werden, daß der DNA-Alkylierungsschaden O6-Methylguanin (O6-MeG) in Form des O6-MeGC oder O6-MeGT-Basenpaars das initiale Signal für die nukleäre Translokation von MutSalpha darstellt. Untersuchungen zur post-translationalen Modifikation der MMR-Proteine zeigten, daß MSH2 und MSH6 sowohl in vivo als auch in vitro durch die Proteinkinase C (PKC) und die Casein Kinase II (CKII) phosphoryliert werden. Es konnte gezeigt werden, daß die Phosphorylierung von MutSalpha die Effektivität der Bindung an Basenfehlpaarungen beeinflußt, da unphosphoryliertes MutSalpha in vitro nicht effektiv an GT-Fehlpaarungen binden kann. Bei der Untersuchung der Resistenzentwicklung von Melanomzellen gegenüber Zytostatika konnte gezeigt werden daß die Resistenz gegenüber Fotemustin auf einer Erhöhung der Menge des Reparaturproteins O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) beruht. Die Reaktivierung des MGMT-Gens beruht seinerseits auf einer CpG-Hypermethylierung im kodierenden Bereichs des Gens.

Multi-target-directed ligands: application to the Alzheimer's disease

The MTDL (multi-target-directed ligand) design strategy is used to develop single chemical entities that are able to simultaneously modulate multiple targets. The development of such compounds might disclose new avenues for the treatment of a variety of pathologies (e.g. cancer, AIDS, neurodegenerative diseases), for which an effective cure is urgently needed. This strategy has been successfully applied to Alzheimer’s disease (AD) due to its multifactorial nature, involving cholinergic dysfunction, amyloid aggregation, and oxidative stress. Despite many biological entities have been recognized as possible AD-relevant, only four achetylcholinesterase inhibitors (AChEIs) and one NMDA receptor antagonist are used in therapy. Unfortunately, such compounds are not disease-modifying agents behaving only as cognition enhancers. Therefore, MTDL strategy is emerging as a powerful drug design paradigm: pharmacophores of different drugs are combined in the same structure to afford hybrid molecules. In principle, each pharmacophore of these new drugs should retain the ability to interact with its specific site(s) on the target and, consequently, to produce specific pharmacological responses that, taken together, should slow or block the neurodegenerative process. To this end, the design and synthesis of several examples of MTDLs for combating neurodegenerative diseases have been published. This seems to be the more appropriate approach for addressing the complexity of AD and may provide new drugs for tackling the multifactorial nature of AD, and hopefully stopping its progression. According to this emerging strategy, in this work thesis different classes of new molecular structures, based on the MTDL approach, have been developed. Moreover, curcumin and its constrained analogs have currently received remarkable interest as they have a unique conjugated structure which shows a pleiotropic profile that we considered a suitable framework in developing MTDLs. In fact, beside the well-known direct antioxidant activity, curcumin displays a wide range of biological properties including anti-inflammatory and anti-amyloidogenic activities and an indirect antioxidant action through activation of the cytoprotective enzyme heme oxygenase (HO-1). Thus, since many lines of evidence suggest that oxidative stess and mitochondria impairment have a cental role in age-related neurodegenerative diseases such as AD, we designed mitochondria-targeted antioxidants by connecting curcumin analogs to different polyamine chains that, with the aid of electrostatic force, might drive the selected antioxidant moiety into mitochondria.

Vorkommen und Charakterisierung von Ecdysiotropinen bei männlichen Imagines der Mittelmeerfeldgrille Gryllus bimaculatus de Geer

Das Vorkommen von Häutungshormonen in adulten Insekten, insbesondere solcher, die eine lange Imaginalphase durchlaufen, wirft die Frage nach der Regulation der Ecdysteroidsynthese außerhalb der Prothorakaldrüse auf. Unter diesem Gesichtspunkt kann Gryllus bimaculatus mit einem ausgesprochen langen Adultstadium und rapiden zeitlichen Veränderungen des Ecdysontiters als ein geeignetes Versuchsobjekt angesehen werden.Der vorliegenden Dissertation liegt die Arbeitshypothese zugrunde, daß die Ecdysteroid-Synthese bzw. Sekretion von Adultgeweben in männlichen Imagines der Mittelmeerfeldgrille durch Neuropeptide hormonell reguliert wird. Als Quelle für die Ecdysteroidsynthese wurde auf Grund immunohistochemischer Befunde sowie der Ergebnisse von Sekretionsprofil-Analysen unter anderem die Oenocyten in Betracht gezogen.Zur Überprüfung dieser Hypothese wurde ein in vitro Bioassay entwickelt, der es ermöglichte, die Wirkung von extrahierten Substanzen auf die Hormonsynthese mittels RIA/HPLC zu bestimmen. Aus Köpfen adulter G. bimaculatus ließen sich durch HP-SEC Faktoren isolieren, die die Ecdysteroidsekretion in Oenocyten und Tergiten stimulierten, die aber keinen Einfluß auf die Hormonsekretion von Fettgewebe sowie der Prothorakaldrüsen hatten. Die Wirkung des aufgereinigten Extraktes in Oenocyten war zeit- und dosis-abhängig. Die ecdysiotropen Faktoren besaßen ein Molekulargewicht zwischen 26,5 und 30 kDa. Die Größe der Molmasse der ecdysiotropen Faktoren entsprach somit bei adulten männlichen Grillen etwa dem des Neurohormons PTTH bei Lepidopteren. Dennoch zeigten Antikörper, die gegen PTTH von Bombyx mori gerichtet waren im Western-Blot keine Bindung an Gryllus bimaculatus Kopfextrakte. Die Sekretionsprodukte von Oenocyten, die mit Ecdysiotropinen behandelt waren, wurden durch RP- und NP-HPLC identifiziert. Es konnten zwei zusätzliche Peaks neben einem deutlichen Anstieg von 20-Hydroxyecdyson nachgewiesen werden. Auf Grund identischer Retentionszeiten mit Referenzsubstanzen handelt es sich bei einem Peak vermutlich um Makisteron A.Obwohl die Applikation von Azadirachtin in G. bimaculatus zu einer Senkung des Hämolymph-Ecdysteroidgehalts führte, konnte keine Anreicherung von Ecdysiotropinen erzielt werden.Die die Ecdysteroidsekretion-beeinflussenden Faktoren waren resistent gegen Kochen und Alkylierung aber nicht stabil gegen Reduzierung durch DTT und Behandlung mit Neuramidase. Damit konnte gezeigt werden, daß das Vorhandensein von Disulfidbrücken und Oligosaccharidketten für die biologische Aktivität notwendig ist.Die Aminosäuresequenz-Analyse und der enzymatische Verdau der stimulierenden Faktoren durch Exopeptidasen wiesen auf geschützte N- und C-Termini hin. Ferner wurden einige interne Peptidfragmente von fünf Proteinbanden sequenziert, die keine Homologie zu bereits bekannten regulatorischen Neuropeptiden zeigten. Als einziges bekanntes Protein aus diesem Bereich konnte das „14-3-3-like Protein“ mit Hilfe MALDI-MS identifiziert werden.Die Stimulierung der Ecdysteroidsekretion in Oenocyten von G. bimaculatus durch Oenocyten-stimulierende Faktoren (OSF) aus Kopfextrakten konnte mittels Signalstoff-Effektoren in vitro nachgeahmt werden. Außerdem wurde mit Hilfe eines RRA nachgewiesen, daß der intrazelluläre cAMP-Spiegel von Oenocyten durch OSF erhöht wird. Daraus kann geschlossen werden, daß cAMP als „Second Messenger“ an der Wirkung der OSF beteiligt ist. Calcium-Ionen schienen für die Ecdysteroidsekretion notwendig zu sein. Allerdings führte eine artifizielle Erhöhung der intrazellulären Calcium-Konzentration durch das Ionophor Ionomycin zu einer Hemmung der Sekretion. Schließlich wird ein Modell zur Erklärung des Wirkmechanismus von OSF in Gryllus bimaculatus postuliert und diskutiert.

Synthese, Radioiodierung und Evaluierung von neuen MGMT-Inhibitoren und ihren Glucose-Konjugaten

Eine häufige Art der Chemotherapie ist die Behandlung von Tumoren mit alkylierenden oder chloralkylierenden Zytostatika, die eine Alkylierung von Guanin in der DNA verursachen. Daraus resultieren eine Blockierung der DNA-Synthese und ein Rückgang im Tumorwachstum. Das Enzym O6-Methylguanin-DNA-methyltransferase (MGMT) ist in der Lage, solche Schäden zu reparieren. Da MGMT auch in verschiedenen Tumorarten exprimiert wird, eine Tatsache, die therapeutische Effekte verringern könnte, wird zur Zeit die Gabe von Inhibitoren der MGMT, wie O6-Benzylguanin, vor der eigentlichen Chemotherapie untersucht. Um möglicher Weise die Selektivität dieser Verbindungen für Tumor- vs. gesundem Gewebe und auch die in vivo-Eigenschaften zu verbessern, wurden glycosylierte Inhibitoren vorgeschlagen. Für eine Entwicklung neuer MGMT-Inhibitoren wäre es hilfreich, die in vivo Bioverteilung in Tier und Mensch durch eine Markierung mit geeigneten Isotopen verfolgen zu können. Im Moment existiert keine Möglichkeit, den MGMT-Status eines Tumors nicht-invasiv zu visualisieren. Diese Information kann sehr wichtig für die Planung einer Chemotherapie mit alkylierenden oder chloralkylierenden Zytostatika sein. Mit Methoden wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder der Einzel-Photonen-Emissions-Tomographie (SPECT) ist eine nicht-invasive Quantifizierung von biochemischen Prozessen prinzipiell möglich. Hierfür wurden verschiedenen MGMT-Inhibitoren bereits mit Isotopen wie Fluor-18, Kohlenstoff-11 un Iod-131 markiert, aber sie waren aus unterschiedlichen Gründen nicht geeignet. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von neuen O6-derivatisierten Guaninen, die über einen C8-Spacer an der N9-Position des Guanins mit einer Glucose-Einheit konjugiert werden sollten, geeigneten Markierungsvorläufern und Radioiodierungs-Methoden. Durch Wahl eines geeigneten Radioiodisotops für die Markierung des Restes an der O6-Position des Guanins kann die ex vivo-Bioverteilung dieser Verbindungen in tumortragenden Nacktmäusen (Iod-131) und die Untersuchung der in vivo-Verteilung (Iod-123) durchgeführt werden. Daher wurden O6-(5-Iodothenyl)- (ITG) und O6-(3-Iodbenzyl)guanin-Derivate (IBG) sowie ihre Glucose-Konjugate ITGG und IBGG synthetisiert. Von diesen inaktiven Standard-Verbindungen wurden die IC50-Werte zur MGMT bestimmt. Da sie alle im nM-Bereich lagen, schienen die Verbindungen für weitere Untersuchungen geeignet zu sein. Die Radiomarkierung der Inhibitoren mit Iod-131 bzw. Iod-123 wurde durch Umsetzung der Trialkyl-stannylierten Markierungsvorläufer mit der Chloramin T-Methode in mittleren (Iod-123) bis hohen (Iod-131) radiochemischen Ausbeuten und mit hohen radiochemischen Reinheiten durchgeführt. Mit den 131I-iodierten Verbindungen wurde die spezifische Bindung zur MGMT nachgewiesen, eine Eigenschaft, die essentiell für eine weitere Verwendung dieser Derivate ist. Sie wurden auch zur Bestimmung der ex vivo-Tumor- und Organverteilung in tumortragenden Nacktmäusen (MEX(+), MEX(-), Glioblastom) verwendet. In allen Fällen war die Tumoraufnahme der nicht-konjugierten Guanin-Derivate höher als die der entsprechenden Glucose-Konjugate. Das Tumor-Blut-Verhältnis, das sehr wichtig für einen potentiellen Einsatz der Verbindungen als Tracer des MGMT-Status eines Tumors ist, variierte abhängig von der Kinetik. Zu allen Zeitpunkten war die in vivo-Deiodierung der Glucose-Konjugate deutlich geringer als die von ITG oder IBG. Unter Verwendung von [131I]IBG und [131I]IBGG wurde die Biodistribution nach Inhibition der Natrium-abhängigen Glucose-Transporter, die zumindests teilweise für die Aufnahme der MGMT-Inhibitoren in Zellen verantwortlich sind, durch Phloretin untersucht. Einen Unterschied in der Tumoraufnahme zwischen den mit Phloretin behandelten und den unbehandelten Mäusen konnte nicht beobachtet werden, wahrscheinlich weil die Akkumulation im Tumor generell niedrig war. Mit den 123I-iodierten Verbindungen [123I]IBG und [123I]IBGG wurden in vivo-Scans an tumortragenden Nacktmäusen (MEX(+), MEX(-)) mit einer Kleintier-SPECT-Kamera durchgeführt. In beiden Fällen wurde eine geringe Akkumulation in den Tumoren im Vergleich zu anderen Organen beobachtet, was die ex vivo-Biodistributionsdaten bestätigte.

Stereoselektive Synthesen von Stickstoffheterocyclen aus 4-substituierten N-Galactosyl-dehydropiperidinonen

Ziel dieser Arbeit war es, an in 4-Position substituierten N-Galactosyl-dehydropiperidinonen die übrigen Positionen des Heterocycluses selektiv zu funktionalisieren und die erarbeiteten Methoden im Rahmen von Total- und Partialsynthesen biologisch aktiver Verbindungen anzuwenden. Ausgehend von N-Galactosyl-2-pyridon, welches sich in drei Stufen aus D-Galactose im Gramm-Maßstab erhalten lässt, konnten die in Position 4-substituierten Dehydropiperidinone in regio- und diastereoselektiv verlaufenden Additionen von Grignard-Reagenzien und Organocupraten synthetisiert werden. Es gelang die Einführung sowohl unverzweigter als auch sekundärer, tertiärer und cyclischer Alkylreste. Ebenfalls gute Ausbeuten und exzellente Diastereoselektivitäten wurden bei der konjugierten Addition verschieden substituierter Aryl- und Benzyl-Grignard-Reagenzien erhalten. Das Kohlenhydratauxiliar kontrolliert dabei nicht nur die faciale Selektivität, sondern es bestimmt gleichzeitig die Regioselektivität. Die absolute Konfiguration der 4-substituierten 2-Pyridone konnte durch Röntgenstrukturanalysen zweier Produkte zweifelsfrei geklärt werden. Dass die so dargestellten Heterocyclen wertvolle Synthone zur asymmetrischen Synthese mehrfach substituierter Piperidinverbindungen sind, konnte gezeigt werden durch die Ausarbeitung verschiedener Methoden zur weitergehenden Funktionalisierung an den Positionen C-2, C-3, C-5 und C-6 sowie durch die Entwicklung eines Verfahrens zur Freisetzung der stereoselektiv synthetisierten Heterocyclen. Diese systematisch untersuchten Synthesewege konnten in Partial- und Totalsynthesen von pharmakologisch relevanten Verbindungen erfolgreich beschritten werden. So gelang die Synthese des biologisch aktiven (3S)-Piperidinols, sowie die des 3-Hydroxy-4-(4-fluorphenyl)-piperidin-Derivates. Weiterhin gelang die formale Totalsynthese von (+)-Paroxetin, welches einen pharmakologisch interessanten Wirkstoff mit der Struktur eines 3,4-trans-disubstituierten Piperidins darstellt. Ein weiterer Themenschwerpunkt dieser Arbeit war die regio- und stereoselektive Synthese von Benzomorphan-Derivaten. Diese gelang durch intramolekulare Amino-Alkylierung der 4-Benzyl-substituierten Dehydropiperidinone. Durch Anwendung dieser Methodik konnte eine Reihe verschieden substituierter 7,8-Benzomorphan-Derivate synthetisiert werden, die interessante Zwischenstufen in der asymmetrischen Benzomorphansynthese darstellen. In einer exemplarischen Synthese wurde so das 7,8-Benzomorphan hergestellt.

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.

α-alchilazione di aldeidi, via organocatalisi: un approccio sintetico e computazionale

During this internship, the α-alkylation of branched aldehydes was taken into consideration. An enantiopure Betti’s base derivative was used as catalyst, applying a new concept in catalysis: organocatalysis. The Betti’s base may be of particular interest for organic chemists working in the field of “reactions catalysed by enantiopure small organic molecules”, in particular for the ones interested in enantiopure primary amines. The potential of secondary amines as catalysts has certainly been known for years. It is indeed more innovative to conduct reactions using primary amine derivatives as catalyst. In this work, the efficacy of the primary amine was checked first. Then, the focus was set on finding optimal reaction conditions. Finally, to have a more complete picture of the structure of the compounds used in the project, experimental and computational IR spectra were compared, after the method was validated. Durante il periodo di tirocinio è stata presa in esame la reazione di α-alchilazione di aldeidi branched, utilizzando un derivato dell’ammina di Betti come catalizzatore enantiopuro ed applicando un nuovo tipo di catalisi: l’organocatalisi. Questi composti possono essere di particolare interesse per lavori in chimica organica, nel campo delle reazioni catalizzate da “piccole” molecole organiche, in particolare da ammine primarie a chiralità definita; la potenzialità delle ammine secondarie chirali come catalizzatori è certamente nota da anni, ma innovativo è condurre il tutto con l’impiego di un derivato amminico primario. Altri aspetti significativi sono gli apparenti e innumerevoli vantaggi, dal punto di vista economico ed ambientale, oltre che operativo e sintetico, derivanti dal nuovo tipo di catalisi. In un primo momento è stata verificata l’efficacia dell’ammina primaria sintetizzata nella reazione in progetto, quindi sono state individuate le condizioni di reazione ottimali. Infine, per un’analisi più completa di alcune molecole organiche e dopo un’opportuna validazione del metodo utilizzato, sono stati ottenuti a livello computazionale gli spettri IR delle molecole di sintesi prodotto e catalizzatore.

Isoxazolidines and oxazines: preliminary studies for the synthesis of N,O-heterocyclic systems via an organocatalyzed 1,3-Dipolar Cycloaddiction and a tandem reaction mediated by TEMPO salts

This thesis is the result of the study of two reactions leading to the formation of important heterocyclic compounds of potential pharmaceutical interest. The first study concerns the reaction of (1,3)-dipolar cycloaddition between nitrones and activated olefins by hydrogen bond catalysis of thioureas derivatives leading to the formation of a five-membered cyclic adducts, an interesting and strategic synthetic intermediate, for the synthesis of benzoazepine. The second project wants to explore the direct oxidative C(sp3)-H α-alkylation of simple amides with subsequent addition of an olefin and cyclization in order to obtain the corresponding oxazine. Both reactions are still under development.

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.

Oxidative properties of the Iron - Thymine-1-acetic acid - Hydrogen peroxide catalytic system

The oxidation of alcohols and olefins is a pivotal reaction in organic synthesis. However, traditional oxidants are toxic and they often release a considerable amounts of by-products. Here, two IronIII-based systems are shown as oxidative catalyst, working in mild conditions with hydrogen peroxide as primary oxidant. An efficient catalytic system for the selective oxidation of several alcohols to their corresponding aldehydes and ketones was developed and characterized, [Fe(phen)2Cl2]NO3 (phen=1,10-Phenantroline). It was demonstrated that the adoption of a buffered aqueous solution is of crucial importance to ensure both considerable activity and selectivity.The Iron - Thymine-1-acetic acid in-situ complex was studied as catalyst in alcohol oxidations and C-H oxidative functionalization, involving hydrogen peroxide as primary oxidant in mild reaction conditions. The catalytic ability in alcohol oxidations was investigated by Density Functional Theory calculations, however the catalyst still has uncertain structure. The system shows satisfactory activity in alcohol oxidation and aliphatic rings functionalization. The Fe-THA system was studied in cyclohexene oxidation and oxidative halogenations. Halide salts such as NBu4X and NH4X were introduced in the catalytic system as halogens source to obtain cyclohexene derivatives such as halohydrins, important synthetic intermediates.The purpose of this dissertation is to contribute in testing new catalytic systems for alcohol oxidations and C-H functionalization. In particular, most of the efforts in this work focus on studying the Iron - Thymine-1-acetic acid (THA) systems as non-heme oxidative model, which present: •an iron metal centre(s) as a coordinative active site, •hydrogen peroxide as a primary oxidant, •THA as an eco-friendly, biocompatible, low cost coordinating ligand.

Elektrochemisch gesteuerte zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie an Redox-Membranproteinen in einer biomimetischen Membran-Architektur

Das Protein Cytochrom c Oxidase (CcO) ist ein Enzym der mitochondrialen Atmungskette. Als letzter Komplex (Komplex IV) einer Elektronentransportkette katalysiert sie die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser. Hierbei werden Elektronen von Cytochrom c (Cc) in das Enzym geleitet. Die durch den Redoxprozess freiwerdende freie Enthalpie wird dazu genutzt, einen Protonengradienten über die innere Mitochondrien-Membran aufzubauen. Die zurückwandernden Protonen treiben in der ATP-Synthase die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) an, dem universellen Energieträger in lebenden Organismen. Gegenstand dieser Dissertation sind zeitaufgelöste ATR-FTIR-Messungen des direkten Elektronentransfers in die CcO. Das Protein wird hierzu orientiert auf einer Goldelektrode immobilisiert und in eine künstliche Membran rekonstituiert (Protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM). Das ptBLM-System wird hinsichtlich einer möglichst hohen Protein-Aktivität optimiert. Elektronen werden durch elektrochemische Anregung von der Elektrode in die CcO injiziert. Die Goldoberfläche wird auf die reflektierende Oberfläche eines Silizium-ATR-Kristalls aufgebracht. Durch die Präparation einer rauen Oberfläche (RMS-Rauigkeit ca. 5 nm) wird eine Verstärkung der IR-Absorption erreicht. Die mit den Ladungstransferprozessen einhergehenden Konformationsänderungen der die Redoxzentren umgebenden Gruppen (CONH-Gerüst und Aminosäure-Seitenketten) können durch Infrarot-Spektroskopie nachgewiesen werden. Phasensensitive Detektion (PSD) wird zur Rauschminderung eingesetzt, um Geschwindigkeitskonstanten für die Redox-Übergänge zu bestimmen. Im Bereich der Amid-I-Bande werden etliche Peaks identifiziert, die sich mit dem Redoxzustand des Proteins ändern. Für das CuA-Zentrum, welches als erstes der vier Redoxzentren der CcO reduziert wird, wird die schnellste Geschwindigkeitskonstante ks=4870/s ermittelt. Für das Häm a3-Zentrum wird eine Geschwindigkeitskonstante von ks=13,8/s ermittelt. Die Ergebnisse sind konsistent zu elektrochemischen und Raman-Spektroskopie-Experimenten, welche ebenfalls in unserer Gruppe durchgeführt wurden. Weitere Themen dieser Dissertation sind der Nachweis der Anwendbarkeit des ptBLM-Systems für andere Membranproteine (Beispiel: bakterielles photosynthetisches Reaktionszentrum) und der Einsatz des ATR-FTIR-Setups für verschiedene künstliche Membransysteme (Aktivitätsnachweis des OR5-Geruchsrezeptors in einer peptidgestützten Membran, Eigenschaften eines Oligoethylenglycol-Spacers).