A Modular Platform for Synthesis of the Oxidation Products of Bilirubin

Taufiqueahmed Pirsaheb Mujawar, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Bilirubin je žlutý produkt rozkladu hemu. Zvýšená hladina nekonjugovaného biliru-binu může představovat riziko z pohledu toxicity, zejména pro centrální nervový systém. Fototerapie se běžně používá v boji proti závažné hyperbilirubinemii u novorozenců (neo-natální žloutenka). Je zajímavé, že mírně zvýšená hladina bilirubinu je spojena s nižším výskytem kardiovaskulárních a metabolických onemocnění, a vysvětluje se silnými antioxi-dačními vlastnostmi bilirubinu a potenciálními funkcemi podobnými hormonům. Je známo, že in vivo dochází k oxidačním přeměnám bilirubinu. Výsledné oxidační produkty biliru-binu zahrnují tetracyklický biliverdin, tricyklické biopyriny, bicyklické propentdyopenty a monocyklické BOXy. Přestože byly tyto oxidační produkty detekovány v mnoha studiích, plně nerozumíme tomu, jak tyto oxidační produkty vznikají a jaká je jejich biologická ak-tivita. Problém s dostupností většiny oxidačních produktů bilirubinu v dostatečném množství a čistotě pomocí degradačně-isolačních postupů omezuje pokrok v této oblasti výzkumu. Hlavním cílem mé disertační práce bylo vytvořit jednotnou a plně syntetickou plat-formu pro přípravu všech známých oxidačních produktů bilirubinu, včetně bilirubinu sam-otného. Náš přístup využívá modulární strategie formulované na základě opakujících se strukturních podjednotek jinak různorodých oxidačních produktů. Nejprve jsme sestavili malou knihovnu funkcionalizovaných stavebních bloků, což vyžadovalo značné experi-mentování a metodické inovace. Během této fáze výzkumu jsme objevili nové jódové(III) činidlo pro rychlou syntézu substituovaných -laktonů. Následné modulární kovem kata-lyzované couplingy stavebních bloků umožnily přípravu jednotlivých oxidačních produktů s minimálním počtem následných transformací. Vyvinutým přístupem se podařilo připravit monocyklické BOXy, bicyklické propentdyopenty, tricyklické biopyriny a tetracyklický biliverdin a bilirubin. Později jsme tuto chemii rozšířili na přípravu 15N-značeného biliver-dinu. Předběžné fotochemické experimenty málo studovaných biopyrinů vedly k objevu nového fotocyklického produktu lumipyrinu, který je analogický známému izomeru biliru-binu detekovanému při fototerapii novorozenecké žloutenky. Význam předložené práce je především technologický, protože představuje spolehlivý způsob, jak připravit různé produkty oxidace bilirubinu pro budoucí výzkum. Některé oxi-dační produkty byly syntetizovány poprvé. Lze předpokládat, že popsaná syntetická strat-egie usnadní následné mechanistické studie, biologické experimenty in vitro a in vivo a pomůže dále charakterizovat roli bilirubinu v lidském zdraví.

Abstract:

Bilirubin is a yellow product of heme breakdown. Elevated systemic levels of unconjugated bilirubin can pose toxicity risks, particularly to the central nervous system. Phototherapy is commonly employed to combat severe hyperbilirubinemia in neonates (neonatal jaundice). Interestingly, mildly increased bilirubin levels have been linked to lower incidence of cardiovascular and metabolic diseases and explained through potent antioxidant properties of bilirubin and potential hormone-like functions. Oxidative transformations of bilirubin are known to occur in vivo and the resulting bilirubin oxidation products include tetracyclic biliverdin, tricyclic biopyrrins, bicyclic propentdyopents, and monocyclic BOX-es. Although detected in multiple studies, we do not fully understand how the oxidation products arise and what is their intrinsic biology. The difficulty in obtaining most bilirubin oxidation products in sufficient quantities and purity through degradation-isolation procedures has been limiting the progress in this field of research. The primary aim of my dissertation was to establish a unified and fully synthetic platform for all known bilirubin oxidation products, including the parent pigment bilirubin. We pursued a modular strategy formulated around the repeating structural units of the otherwise diverse oxidation products. We first assembled a small collection of the functionalized building blocks, which required significant experimentation and methodological innovation. During this phase of research, we discovered a new iodine(III) substrate that participates in efficient synthesis of substituted -lactones. Subsequent modular metal-catalyzed couplings to assemble the individual oxidation products of interest were achieved with a minimum number of post-coupling operations. This way, we were able to prepare monocyclic BOXes, bicyclic propentdyopents, tricyclic biopyrrins, and tetracyclic biliverdin and bilirubin. We later extended the developed chemistry to the preparation of 15N-labeled biliverdin. Preliminary experiments on the photochemistry of less studied biopyrrins led to the discovery of a new photocyclization product lumipyrrin, which is analogous to a well-known isomer of bilirubin detected during phototherapy of neonatal jaundice. The significance of the presented work is technological in nature, as it represents a reliable means of accessing various bilirubin oxidation products for future research. Some of the oxidation products were synthesized for the first time. The described synthetic platform has the potential to accelerate future studies on the various roles of bilirubin in human health.

Keywords

Bilirubin, biliverdin, biopyrrin, propentdyopent, BOX, lumipyrrin, hypervalent iodine, annulation, 2-oxopyrrole, 2-oxofuran, ammonolysis, iododesilylation, iodolactonization, photooxidation, 15N labeling

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 5. 2025

Thesis defence

• Date of defence: 3. 7. 2025
• Supervisor: doc. Mgr. Jakub Švenda, PhD.
• Reader: Dr. Ullrich Jahn, Univ.-Prof. Dr. Mario Waser

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Organic Chemistry