Syntéza derivátů dihydropyrrolo[1,2-b]pyrazolu

RNDr. Lukáš Tenora, Ph.D.

Doctoral thesis

Synthesis of Dihydropyrrolo[1,2-b]pyrazole Derivatives

Abstract:

5,6-Dihydro-4H-pyrrolo[1,2-b]pyrazoly (DPP) patří mezi heterocyklické sloučeniny se zajímavými biologickými vlastnostmi. Vedle přírodní látky alkaloidu withasomninu, který našel uplatnění již v tradiční indické medicíně, se jedná zejména o struktury vykazující inhibiční aktivitu vůči ALK5 kinázám. Výzkum v oblasti DPP látek je stále aktuální, přičemž derivát Galunisertib je v tuto chvíli již ve druhém stádiu klinického testování. Uvedené skutečnosti mě vedly k záměru věnovat se syntéze derivátů s podobnou strukturou. Disertační práce je rozdělena na dvě části. První z nich popisuje přípravu analogů inhibitorů ALK5 kináz obsahujících DPP skelet a lišících se od publikovaných derivátů přítomností dvou methylů v poloze 5. Současně tento postup zjednodušuje jejich přípravu využitím již ověřené metody na našem pracovišti. Pro syntézu těchto látek byl využit různě substituovaný homoallenyl aldehyd 2,2-dimethylpenta-3,4-dienal. Tento strukturní motiv se stal základním stavebním článkem pro syntézu celé řady nových struktur připravených ve skupině profesora Potáčka v průběhu posledních patnácti let. Při přípravě nových inhibitorů lišících se substitucemi v polohách 2, 3 a 4 bylo použito různých palladiem katalyzovaných cross-couplingů (Suzuki, Sonogashira, Heck, Buchwald-Hartwig, C-H aktivace/funkcionalizace, přímá arylace). Zcela originálním krokem pak byla aplikace sekvence N-oxidace/Suzuki cross-coupling/deprotekce pro zavedení substituce do polohy 3 u některých jinak nereaktivních derivátů. Pro výběr vhodných kandidátů bylo použito molekulárního dockingu a pro následné biologické testování bylo vybráno více než 80 sloučenin. Nejúčinnější derivát vykázal inhibiční aktivitu pro ALK5 již při koncentraci 80 nM. Většina testovaných látek vykázala značnou selektivitu, kdy inhibiční aktivita pro další současně zkoumané kinázy (CDK2 a ABL1) byla řádově nižší. Druhá část práce je tvořena dalšími dvěma podkapitolami. První z nich popisuje přípravu alkaloidu withasomninu, kdy byl přepracován a zjednodušen již publikovaný avšak podle našeho názoru zcela teoretický postup. Alkaloid byl v našem případě syntetizován v sedmi krocích v celkovém výtěžku 27 %. Dále je navržena nová alternativní cesta vycházející z γ-butyrolaktonu. Ve druhé podkapitole je shrnuta a stručně diskutována příprava DPP derivátů s různými substitucemi v polohách 2 a 4. Na dvaapadesáti příkladech je ukázána možná variabilita při syntéze tohoto typu sloučenin.

Abstract:

5,6-Dihydro-4H-pyrrolo[1,2-b]pyrazoles (DPP) are heterocyclic compounds with unique biological properties. One example of such a compound is alkaloid withasomnine, which is commonly used in the traditional medicine Ayurveda in India. Other compounds, owning the similar structural motif, inhibit ALK5 kinase. To further emphasize the importance of substances with DPP motif it is necessary to mention that derivative Galunisertib is currently being evaluated in the second phase of clinical trials. All these findings lead me to the idea to pursue the synthesis of compounds with similar structure. The Thesis is divided into two major parts. The first part concerns the synthesis of analogous inhibitors of ALK5 kinase comprising in their structure the DPP motif with two methyl substituents at position 5. The synthesis of these compounds starts from various substituted homoallenyl aldehydes of 2,2-dimethylpenta-3,4-dienals, that via intramolecular 1,3-dipolar cycloaddition afford compounds with DPP core. This methodology simplifies the synthesis of such compounds and uses the procedure optimized in prof. Potáček group. To obtain new inhibitors, which differ in substitution on DPP core at position 2, 3 and 4, various palladium-catalyzed reactions were used (Suzuki, Sonogashira, Heck, Buchwald-Hartwig, C-H activation/functionalisation, direct arylation). An entirely new synthetic approach, consisting of N-oxidation/Suzuki cross-coupling reaction/deprotection sequence was utilized for less reactive compounds to obtain products substituted at position 3. More than 80 compounds were then selected by molecular docking for biological testing. The most effective compound inhibits ALK5 kinase at 80 nM concentration. The majority of compounds are highly selective toward ALK5 kinase and inhibition of other kinases (CDK2, ABL1) showed orders of magnitude lower values. The second part of the Thesis comprises the synthesis of alkaloid withasomnine. The originally published and heavily theoretical work was stepwise elucidated and simplified and the alkaloid was synthesized in seven steps with 27 % overall yield. An alternative synthetic pathway was also designed utilizing γ-butyrolactone as a starting material. Last part deals with the preparation of DPP compounds with various substitutions at positions 2 and 4. This part demonstrates the possible variability in the synthesis of such compounds on 52 examples.

Keywords

5,6-dihydro-4H-pyrrolo[1,2-b]pyrazoly, inhibitory kináz (ALK5, CDK2, ABL1), homoallenyl aldehydy, homoallenyl aziny, intramolekulární 1,3-dipolární cykloadice, Suzuki cross-coupling, Sonogashira cross-coupling, Heck cross-coupling, C-H aktivace/funkcionalizace, přímá arylace, sekvence N-oxidace/Suzuki cross-coupling/deprotekce, defosforylace SMAD2, translokace SMAD2/3 do buněčného jádra, alkaloid withasomnin, Kulinkovich reakce, 5,6-dihydro-4H-pyrrolo[1,2-b]pyrazoles, kinase inhibitors (ALK5, CDK2, ABL1), homoallenyl aldehydes, homoallenyl azines, intramolecular 1,3-dipolar cycloaddition, C-H activation/functionalization, direct arylation, N-oxidation/Suzuki cross-coupling/deprotection sequence, dephosphorylation of SMAD2, translocation of SMAD2/3 to cell nucleus, alkaloid withasomnine, Kulinkovich reaction

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 3. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 3. 5. 2017
• Supervisor: prof. RNDr. Milan Potáček, CSc.
• Reader: prof. Ing. Dalimil Dvořák, CSc., doc. RNDr. Miroslav Soural, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Organic Chemistry