Synthesis and biological evaluation of mono and bis-naphthalimide derivatives against SH-SY5Y, human brain cancer cells

Dissertação de mestrado em Medicinal Chemistry

Aromatic nitro substitution reaction between 4-nitro-N-n-butyl-1,8-naphthalimide and n-heptanethiol in water-methanol binary mixtures

The second-order rate constants of thiolysis by n-heptanethiol on 4-nitro-N-n-butyl-1,8-naphthalimide (4NBN) are strongly affected by the water-methanol binary mixture composition reaching its maximum at around 50% mole fraction. In parallel solvent effects on 4NBN absorption molar extinction coefficient also shows a maximum at this composition region. From the spectroscopic study of reactant and product and the known H-bond capacity of the mixture a rationalization that involves specific solvent H-donor interaction with the nitro group is proposed to explain the kinetic data. Present findings also show a convenient methodology to obtain strongly fluorescent imides, valuable for peptide and analogs labeling as well as for thio-naphthalimide derivatives preparations. Copyright (C) 2008 John Wiley & Sons, Ltd.

Intrachain Energy Migration to Weak Charge-Transfer State in Polyfluorene End-Capped with Naphthalimide Derivative

Polyfluorene end-capped with N-(2-benzothiazole)-1 8-naphthalimide (PF-BNI) is a highly fluorescent material with fluorescence emission modulated by solvent polarity Its low energy excited state is assigned as a mixed configuration state between the singlet S(1) of the fluorene backbone (F) with the charge transfer (CI) of the end group BNI The triexponential fluorescence decays of PF-BNI were associated with fast energy migration to form an intrachain charge-transfer (ICCT) state polyfluorene backbone decay and ICCT deactivation Time-resolved fluorescence anisotropy exhibited biexponential relaxation with a fast component of 12-16 ps in addition to a slow one in the range 0 8-1 4 ns depending on the solvent showing that depolarization occurs from two different processes energy migration to form the ICCT state and slow rotational diffusion motion of end segments at a longer time Results from femtosecond transient absorption measurements agreed with anisotropy decay and showed a decay component of about 16 ps at 605 nm in PF BNI ascribed to the conversion of S(1) to the ICCT excited state From the ratio of asymptotic and initial amplitudes of the transient absorption measurement the efficiency of intrachain ICCT formation is estimated in 0 5 which means that on average, half of the excited state formed in a BNI-(F)(n)-BNI chain with n = 32 is converted to its low energy intrachain charge-transfer (ICCT) state

Infrared study of intercomponent interactions in a switchable hydrogen-bonded rotaxane

The macrocycle in rotaxane 1 is preferentially hydrogen bonded to the succinamide station in the neutral form, but can be moved to the naphthalimide station by one-electron reduction of the latter. The hydrogen bonding between the amide NH groups of the macrocycle and the C=O groups in the binding stations in the thread was studied with IR spectroscopy in different solvents in both states. In addition, the solvent effect on the vibrational frequencies was analyzed; a correlation with the solvent acceptor number (AN) was observed. The conformational switching upon reduction could be detected by monitoring the hydrogen-bond-induced shifts of the v(CO) frequencies of the C=O groups of the succinamide and the reduced naphthalimide stations. The macrocycle was found to shield the encapsulated station from the solvent: wavenumbers of v(CO) bands of the C=O groups residing inside the macrocycle cavity remain unaffected by the solvent polarity.

Formation and decomposition of N-alkyinaphthalimides: experimental evidences and ab initio description of the reaction pathways

The kinetics of hydrolysis of 1,8-N-butyl-naphthalimide (1,8-NBN) to 1,8-N-butyl-naphthalamide (1,8-NBAmide) and of 2,3-N-butyl-naphthalimide (2,3-NBN) to 2,3-N-butyl-naphthalamide (2,3-NBAmide), as well as the formation of the respective anhydrides from the amides were investigated in a wide acidity range. 1,8-NBN equilibrates with 1,8-NBAmide in mild alkali. Under the same conditions 2,3-NBN quantitatively yields 2,3-NBAmide. Over a wide range of acidities the reactions of the 1,8- and 2,3-N-butyl-naphthalamides (or imides) yield similar products but with widely different rates and at distinct pH`s. Anhydride formation in acid was demonstrated for 1,8-NBAmide. The reactions mechanisms were rationalized in the manifold pathways of ab initio calculations. The differences in rates and pH ranges in the reactions of the 1,8- and 2,3-N-butyl-naphthalamides were attributed to differences in the stability of the tetrahedral intermediates in alkali as well as the relative stabilities of the five and six-membered ring intermediates. The rate of carboxylic acid assisted 1,8-N-Butyl-naphthalamide hydrolysis is one of the largest described for amide hydrolysis models. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Design, Synthese und biologische Evaluierung von Pyrrolcarboxamiden mit Nucleobasen- oder tricyclischer Aromatenfunktion

Ausgehend von den Naturstoffen Netropsin und Distamycin A, antitumoraktiven Pyrrolcarboxamiden, die selektiv an AT-reiche Sequenzen in der kleinen Rinne (Minor-Groove) der DNA binden, sollten neue Nucleobasen- bzw. Interkalator-gekoppelte Derivate (letztere werden als „Combilexine“ bezeichnet) synthetisiert und biologisch evaluiert werden. Unter Zuhilfenahme quantenchemischer AM1-Rechnungen sollten Struktur-Wirkungs-Beziehungen abgeleitet werden. Als Grundgerüst diente die Mono- bzw. Bispyrrolcarboxamid-Einheit mit C-terminaler N,N-Dimethyl-1,3-diaminopropan-Seitenkette, die die ebenfalls basische Amidinstruktur der Leitsubstanzen imitieren sollte. Variationen erfolgten ausschließlich am N-terminalen Ende. Hierbei wurden zunächst Adenin-, Thymin- und Uracil-alkancarbonsäuren mit variabler Kettenlänge synthetisiert und über verschiedene Amidkupplungsverfahren an die Aminofunktion des Pyrrolcarboxamid-Grundgerüstes geknüpft. In Analogie hierzu folgte die Synthese von Combilexinen mit Acridon, (Nitro-)Naphthalimid und Iminostilben als Interkalatorkomponenten. Im 3. synthetischen Teil der Arbeit wurden Carbonsäure- und Sulfonylchloride des Interkalators Acridin und des Interkalators und Photosensibilisators Anthrachinon über die aliphatischen Linker ß-Alanin und -Aminobuttersäure an das Pyrrolcarboxamidgrundgerüst gebunden. Testungen von Verbindungen aller 3 Serien auf Zytotoxizität beim National Cancer Institute, USA, und DNA-Bindestudien und Topoisomerase-Hemmtests im Laboratory of Pharmacology, INSERM in Lille, Frankreich, schlossen sich an. Bei allen Verbindungen mit mindestens 3 Carboxamid-Funktionen zeigte sich gute bis ausgezeichnete DNA-Bindung; einige wiesen Topoisomerase II - Hemmung auf. Beide Parameter korrelierten allerdings nicht mit der Zytotoxizität, was vor allem an der mangelhaften Zellmembranpermeation einiger Verbindungen aufgrund zu geringer Lipophilie liegen dürfte. Quantenchemische Rechnungen ergaben ebenfalls wenige Gesetzmäßigkeiten. Ein elektronenarmer N-terminaler Rest (wie im Falle des hochpotenten Iminostilben-Derivates) scheint aber die Zytotoxizität einer Substanz ebenso wie zunehmende Linkerlänge zu begünstigen. Eine Ausnahme bilden hier die Anthrachinonderivate. Die drei zytotoxisch aktivsten Vertreter dieser Gruppe besitzen als Linker ß-Alanin, was eine aus der sonst bei Minor-Groove-Bindern üblichen Kurvature herausragende Konformation zur Folge hat. Diese ermöglicht vermutlich eine besonders gute Interaktion mit der DNA.

Design, Synthese und biochemische/biologische Evaluierung bioisosterer Oligopyrrolcarboxamide mit aliphatisch-amidisch verknüpften DNA-Interkalatoren

Die DNA stellt aufgrund der genetischen Krankheitsursache nach wie vor ein überaus attraktives Target für das Design antitumoraktiver Zytostatika dar. Ein wesentlicher Schwerpunkt der heutigen Forschung besteht vor allem in der Entwicklung niedermolekularer, sequenzspezifischer DNA-Liganden zur gezielten Ausschaltung defekter Gene. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte daher in Anlehnung an die antitumoral wirksame Leitsubstanz Netropsin - ein AT-selektiver Minor Groove Binder mit Bispyrrolcarboxamid-Grundstruktur - erstmals der systematische Aufbau einer neuen Serie bioisosterer Hybridmoleküle, bestehend aus einem interkalierenden Strukturelement (Acridon, Naphthalimid, 5-Nitronaphthalimid, Anthrachinon, 11H-Pyrido[2,3-a]carbazol) und Thiophenpyrrol-, Imidazolpyrrol-, Thiazolpyrrol- bzw. Bisimidazolcarboxamid als rinnenbindende Oligoamid-Einheit (sog. Combilexine). Die chromophoren Systeme am N-Terminus wurden hierbei über aliphatische Linker variabler Kettenlänge mit der Carboxamid-Kette verknüpft. Als C-terminale Funktion kam sowohl die N,N-Dimethyl-1,3-diaminopropan- als auch die um ein C-Atom kürzere Dimethylaminoethylamin-Seitenkette zum Einsatz. Unter Verwendung modernster Reagenzien aus der Peptidkupplungschemie ist es gelungen, ein präparativ gut zugängliches, reproduzierbares Verfahren zur Synthese dieser bioisosteren Combilexine zu entwickeln. Anhand biophysikalischer/biochemischer, zellbiologischer und physikochemischer (1H-NMR-spektroskopischer und röntgenstrukturanalytischer) Methoden sowie Molecular Modelling Studien wurden erstmals bezüglich der DNA-Bindung, der Topoisomerase-Hemmung und der Antitumor-Zellzytotoxizität in einem breiten Rahmen vororientierende Struktur-Wirkungsbeziehungen an bioisosteren Liganden erstellt. Wenngleich zwischen den in vitro und in silico ermittelten Befunden keine konkreten Gesetzmäßigkeiten zu erkennen waren, so ließ die Summation der Ergebnisse dennoch darauf schließen, dass es sich bei den Naphthalimidpropion- und Acridonbuttersäure-Derivaten mit C-terminaler Propylendiamin-Funktion um die aussichtsreichsten Kandidaten in Bezug auf die DNA-Affinität bzw. Zytotoxizität handelte.

Untersuchung der DNA-bindenden Eigenschaften neuer Nukleobasen-gekoppelter Pyrrolcarboxamide, Combilexine und Hetaren[a]carbazol-Derivate: Validierung und Etablierung von in-vitro- und in-silico-Methoden

Da maligne Neoplasien durch Mutationen in Proto-Onko- und/oder Tumorsuppressorgenen ausgelöst werden, stellt die DNA eines der wichtigsten Targets für die Entwicklung neuer Zytostatika dar. Auch bei den im Arbeitskreis Pindur designten und synthetisier-ten Verbindungen der Nukleobasen-gekoppelten Pyrrolcarboxamid-, der Hetaren[a]carbazol- und der Combilexin-Reihe handelt es sich um DNA-Liganden mit potentiell antitumoraktiven Eigenschaf-ten. Die einen dualen Bindemodus aufweisenden Combilexine bestehen aus einem Interkalator (u. a. Naphthalimid, Acridon), der über einen Linker variabler Kettenlänge mit einer rinnenbin-denden, von Netropsin abgeleiteten Bispyrrol-, oder einer bioisosteren Imidazol-, Thiazol- oder Thiophen-pyrrolcarboxamid-struktur verknüpft ist. Das N-terminale Ende der Combilexine wird von einer N,N-Dimethylaminopropyl- oder -ethyl-Seitenkette gebildet. Die DNA-Affinitäten der Liganden wurden mittels Tm-Wert-Messung-en bestimmt. Diese Denaturierungsexperimente wurden sowohl mit poly(dAdT)2- als auch mit Thymus-DNA (~42% GC-Anteil) durchge-führt, um Aussagen zur Stärke und zur Sequenzselektivität der DNA-Bindung machen zu können. Des Weiteren wurden die Bindekon-stanten einiger ausgewählter Vertreter mit Hilfe des Ethidium-bromid-Verdrängungsassays ermittelt; einige Testverbindungen wurden zudem auf potentiell vorhandene, TOPO I-inhibierende Eigenschaften untersucht. Diese biochemischen und biophysika-lischen Tests wurden durch Molecular Modelling-Studien ergänzt, die die Berechnung von molekularen Eigenschaften, die Durch-führung von Konformerenanalysen und die Simulation von DNA-Ligand-Komplexen (Docking) umfassten. Durch Korrelation der in vitro-Befunde mit den in silico-Daten gelang es, vor allem für die Substanzklasse der Combilexine einige richtungweisende Struktur-Wirkungsbeziehungen aufzustellen. So konnte gezeigt werden, dass die Einführung eines Imidazol-Rings in die rinnen-bindende Hetaren-pyrrolcarboxamid-Struktur der Combilexine aufgrund der H-Brücken-Akzeptor-Funktion des sp2-hybridisierten N-Atoms eine Verschiebung der Sequenzselektivität der DNA-Bindung von AT- zu GC-reichen Arealen der DNA bedingt. Zudem erwies sich ein C3-Linker für die Verknüpfung des Naphthalimids mit dem rinnenbindenden Strukturelement als am besten geeignet, während bei den Acridon-Derivaten die Verbindungen mit einem N-terminalen Buttersäure-Linker die höchste DNA-Affinität aufwiesen. Dies ist sehr wahrscheinlich auf die im Vergleich zum Naphthalimid-Molekül geringere y-Achsen-Ausdehnung (bzgl. eines x/y-Koordinatensystems) des Acridons zurückzuführen. Die ermittelten Struktur-Wirkungsbeziehungen können dazu herangezogen werden, das rationale Design neuer DNA-Liganden mit potentiell stärkerer DNA-Bindung zu optimieren.

Synthesis of fluorescent dendrimeric antigen efficiently internalized by human dendritic cells

A new fluorescent dendrimeric antigen (DeAn) based on a dendron with amoxicilloyl terminal groups has been synthetized. The synthesis implies a novel class of all-aliphatic polyamide dendrimer (BisAminoalkylPolyAmide Dendrimers, or BAPAD).[1] The introduction of a cystamine core allows the incorporation of this dendrons into a 1,8-naphthalimide fluorofore functionalized with a maleimide group. The fluorescence properties of this DeAn has been studied and compared with the properties of an equivalent dendron possessing amino-terminal groups. This DeAn has been used as a synthetic antigen in a biomedical assay that tests the amoxicillin sensitivity of dendritic cells (DC) from tolerant and allergic patients.

Materials design for ambipolar devices: tuning orbital energetics in oligothiophene-naphthalimides semiconductors

Ambipolar organic field-effect transistors (OFETs), which can efficiently transport both holes and electrons, using a single type of electrode, are currently of great interest due to their possible applications in complementary metal oxide semiconductor (CMOS)-like circuits, sensors, and in light-emitting transistors. Several theoretical and experimental studies have argued that most organic semiconductors should be able to transport both types of carrier, although typically unipolar behavior is observed. One factor that can compromise ambipolar transport in organic semiconductors is poor solid state overlap between the HOMO (p-type) or LUMO (n-type) orbitals of neighboring molecules in the semiconductor thin film. In the search of low-bandgap ambipolar materials, where the absence of skeletal distortions allows closer intermolecular π-π stacking and enhanced intramolecular π-conjugation, a new family of oligothiophene-naphthalimide assemblies have been synthesized and characterized, in which both donor and acceptor moieties are directly conjugated through rigid linkers. In previous works we found that oligothiophene-napthalimide assemblies connected through amidine linkers (NDI derivates) exhibit skeletal distortions (50-60º) arising from steric hindrance between the carbonyl group of the arylene core and the sulphur atom of the neighbored thiophene ring (see Figure 1). In the present work we report novel oligo- and polythiophene–naphthalimide analogues NAI-3T, NAI-5T and poly-NAI-8C-3T, in which the connections of the amidine linkage have been inverted in order to prevent steric interactions. Thus, the nitrogen atoms are directly connected to the naphthalene moiety in NAI derivatives while they were attached directly to the thiophene moiety in the previously investigated NDI-3T and NDI-5T. In Figure 1 is depicted the calculated molecular structure of NAI-3T together with that of NDI-3T showing how the steric interactions are not present in the novel NAI derivative. The planar skeletons in these new family induce higher degree of crystallinity and the carrier charge transport can be switched from n-type to ambipolar behaviour. The highest FET performance is achieved for vapor-deposited films of NAI-3T with mobilities of 1.95x10-4cm2V-1s-1 and 2.00x10-4cm2V-1s-1 for electrons and holes, respectively. Finally, these planar semiconductors are compared with their NDI derivates analogues, which exhibit only n-type mobility, in order to understand the origin of the ambipolarity in this new series of molecular semiconductors.

Advanced Luminescent Materials for Technological Applications

This thesis focusses on the study of several luminescent materials and investigates some related technological applications. It is made of six chapters. Chapter 1 introduces a brief history, basic principles and applications of photoluminescence. Chapter 2 presents the photophysical properties of five benzoheterodiazole dyes. These molecules were incorporated in PMMA- and PDMS-based LSC-PV devices to determine the emission quantum yields, transmission, re-absorption and IPCE properties. DFT calculations were performed to investigate the structures and energy levels of these dyes. Chapter 3 concerns the preparation of a luminescent film to calibrate an ESA satellite that will monitor the fluorescence of terrestrial vegetation. ZnPc was selected as suitable dye to make the film. Ferrocene was selected as quencher to control the emission intensity. An industrial printing technology was used to produce large-area calibration sheets coated with green pigment that simulates the NIR reflectance of green plants in which the ZnPc is embedded. Photophysical properties of a series of alkynyl gold NHC complexes containing naphthalimide chromophore were studied in Chapter 4. All the compounds were studied in solution and solid state. Further investigations were carried out by incorporating these compounds in PMMA matrix to make films. XRD and DFT calculations were made to determine the structures and energy levels of the complexes. In chapter 5 we studied the photophysical properties of star-shaped molecular systems which can operate as molecular motors when attached onto surface, along with those of their related ligands/moieties in tetrahydrofuran solution. The photophysical properties of these molecular systems can show if they are suitable to operate as light-triggered molecular machines. Finally, chapter 6 concerns the photoluminescence behavior of three NHC half-sandwich Ir/Rh metal complexes. The photophysical properties of these compounds were examined in CH2Cl2 solutions and PMMA films. These complexes may prove potential candidates for organic phosphorescent materials.