Синтез, хімічні та біологічні властивості 2,3-дигідро-1Нпіролізинів та 5,6,7,8-тетрагідроіндолізинів на основі α,β-ненасичених флуороалкілкетонів : дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії
Loading...
Date
2023
Authors
Кліпков, Антон
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 102 "Хімія" (10 – Природничі науки) – Національний університет "Києво-Могилянська академія", Київ, 2023. Дисертація присвячена розробці ефективних методик препаративного синтезу нових поліфлуороалкілвмісних моно- та біциклічних піролів, зокрема
2,3-дигідро-1H-піролізинів та 5,6,7,8-тетрагідроіндолізинів, на основі легкодоступних N-(β-трифлуороацетил)вініл (TFAV) похідних α-амінокислот, також дослідженню можливостей функціоналізації та біомедичного застосування синтезованих сполук. Літературні джерела свідчать, що синтетичний потенціал - алкоксивініл(поліфлуороалкіл)кетонів (APAK) не розкритий повною мірою, а розробка методів використання APAK в синтезі флуорованих нітрогеновмісних
гетероциклів є перспективним напрямком органічної хімії. З іншої сторони, флуороалкілвмісні піроли можуть бути зручними білдинг-блоками для одержання флуороалкілвмісних піролізидинів та індолізидинів шляхом відновлення пірольного ядра. Такі 1-азабіциклоалкани важко отримати іншими способами, у тому числі методами прямого флуороалкілювання. У той же час, введення атомів флуору в структуру насичених N-гетероциклів змінює їх метаболічну стабільність, ліпофільність і біодоступність, тим самим роблячи їх привабливими сполуками для потреб біоорганічної та медичної хімії. N-(β-Трифлуороацетил)вінілпролін було синтезовано взаємодією β-
етоксивініл(трифлуорометил)кетону з проліном та використано як модельну сполуку для скринінгу умов реакції гетероциклізації, які б дозволили селективно одержати CF3-дигідропіролізин. Нами було досліджено ряд дегідратуючих реагентів, які, зокрема, включали TsCl, DCC, CDI, SOCl2, (COCl)2 та трифосген і з’ясовано, що використання оцтового або трифлуорооцтового ангідридів призводить до селективного утворення цільового 7-(трифлуорометил)-2,3-дигідро-1Н-піролізину. Зважаючи на новизну подібного перетворення, нами було запропоновано механізм утворення трифлуорометилвмісних похідних піролізину, ключовою стадією якого є формування проміжної біполярної структури, яка зазнає циклізації в результаті внутрішньомолекулярної 6π-електроциклічної реакції з утворенням нового С–С зв’язку, що було підтверджено результатами in silico моделювання. Досить неочікувано, взаємодією N-(β-трифлуороацетил)вінілпіпеколінової кислоти з оцтовим ангідридом було отримано тетрагідроіндолізин, що містить трифлуороацетильну групу і ацетатний фрагмент в своїй структурі. Для раціоналізації такого результату реації нами також було запропоновано механізм перебігу реакції. Згідно з ним N-(β-трифлуороацетил)вініл-похідна піпеколінової кислоти за реакції з оцтовим ангідридом спочатку утворює
змішаний ангідрид з наступним внутрішньомолекулярним ацилюванням атому вуглецю у α-положенні енамінового фрагменту та ацетилюванням гідроксигрупи на останній стадії. Утворення таких суттєво різних продуктів реакції в однакових умовах може бути пояснено різною конформаційною поведінкою 5- та 6-членних циклів і, як наслідок, стабільністю та реакційною здатністю проміжних продуктів. Цільовий 1-(трифлуорометил)-5,6,7,8-тетрагідроіндолізин було отримано гетероциклізацією N-(β-
трифлуороацетил)вінілпіпеколінової кислоти дією трифлуорооцтового ангідриду. Базуючись на одержаних експериментальних даних, розроблені методи гетероциклізації було протестовано на ширшому колі вихідних сполук. Було отримано ряд нових енамінонів (продуктів реакції α-амінокислот та β-алкокси-α,β-ненасичених флуороалкілкетонів), з варіацією будови поліфлуороалкільного замісника, замісників в α- та β-положеннях вінільного фрагементу енону, а також природи амінокислоти. Одержані сполуки було вивчено в реакціях з оцтовим та трифлуорооцтовим ангідридами. Експерименти засвідчили, що у випадку енамінонів, що містять CF2H-, CF2Cl-, та CF2Br-групи, цільові сполуки не було одержано жодним з методів. Це можна пояснити схильністю дифлуорометильних груп до гідролітичного розщеплення в процесі
реакції, внаслідок цього відбувається сильне осмолення реакційної суміші. Збільшення довжини поліфлуороалкільного замісника (C2F5, n-C3F7) у вихідному субстраті за умов циклізації з оцтовим ангідридом призводить до утворення сполук, що містять ацетатний фрагмент та поліфлуороацетильну групу в своїй структурі. В результаті реакції з TFAA було синтезовано піроли, які містять поліфлуороалкільні замісники, з помірними виходами. Збільшення стеричних факторів подібним чином проявляється у випадку N-заміщених гліцинів. У випадку N-(β-трифлуороацетил)вініл-похідної N-фенілгліцину утворення цільового піролу чи побічного продукту з ацетатною групою зафіксувати не вдалося, що можна пояснити впливом розмірів фенільного фрагмента. Наступним етапом роботи була розробка методів функціоналізації дигідропіролізинової системи. Спочатку для ряду азабіциклічних каркасів було одержано похідні з трифлуороацетильним замісником у положенні 5. У подальшому як модельний об’єкт для детальнішого дослідження хімічних властивостей було обрано 7-(трифлуорометил)-2,3-дигідро-1Н-піролізин. Проведені дослідження показали, що синтезовані трифлуорометилвмісні піроли можна функціоналізувати за α-положенням пірольного фрагмента за допомогою реакції ацилювання за Фріделем-Крафтсом. У випадку застосування сильних ацилюючих реагентів реакція перебігає легко без необхідності використання додаткових каталізаторів. Застосування менш реакційноздатних реагентів потребує активації процесу за допомогою каталізаторів – кислот Льюїса. Галогенування пірольного циклу N-галогеносукцинімідами відбувається легко за кімнатної температури. За цим методом було синтезовано сполуки з атомами хлору, брому та йоду в положенні 5 7-CF3-дигідропіролізинової платформи. Було помічено, що у випадку використання надлишку реагенту утворюється домішка дигалогенозаміщеного продукту, як наслідок галогенування у вільне положення пірольного ядра. На основі цього спостереження в реакції з NBS було задіяно α-заміщені дигідропіролізини з метою одержання сполук з двома функціональними групами. Одержані продукти є особливо цікавими як білдинг-блоки для органічного синтезу. Також було проведено металювання 5-бромо-7-(трифлуорометил)-2,3-дигідро-1H-піролізину з використанням н-бутиллітію. Утворену літійорганічну
похідну було досліджено в реакціях з різними електрофільними реагентами, як то CO2, DMF, MeCHO, Me2CO. Як результат було одержано дигідропіролізин, функціоналізований карбоксильною, альдегідною та гідроксилвмісною групами. Таким чином, використання металоорганічних сполук є потужним методом модифікації α-положення зазначеної гетероциклічної системи. У ході підбору умов каталітично відновлення пірольного циклу дигідропіролізинового каркасу було досліджено ряд каталізаторів (Pd/C, Pd(OH)2/C, PtO2, каталізатор Уілкінсона), а також влив на перебіг реакції інших параметрів, як то рН реакційного середовища. Було визначено, що
використання каталізатора 10% Pd/C та оцтової кислоти як розчинника є найбільш ефективною системою для реалізації окресленого завдання. У результаті вперше одержано діастереомерно чистий трифлуорогеліотридан з цис-конфігурацією хіральних центрів у грамових кількостях. Ця сполука є флуоровмісним аналогом геліотридану – базової структури ряду природніх піролізидинових алкалоїдів. Для дослідження протимікробної активності було обрано набір з 13 синтезованих у роботі сполук. Серед його представників – різні молекулярні каркаси з різним типом заміщення. Зокрема, туди входили 2,3-дигідро-1H-піролізини, які містили різні замісники у положеннях 5 та 7, а також 1- та 3-заміщені 5,6,7,8-тетрагідроіндолізини. Крім того, до списку сполук увійшов 2,3-дигідро-1H-піролізин, що містить замісник в аліфатичному циклі, а також
повністю відновлений піролізидин. На основі розробленої регресійної QSAR-моделі було відібрано 6 сполук з цього набору, як перспективних похідних для визначення in vitro їх протимікробної активності. Дослідження проводили диско-дифузійним методом за використання твердого поживного середовища Мюллера-Хінтона проти ряду найпоширеніших збудників інфекційних захворювань – стандартних та антибіотикорезистентних штамів грамнегативних та грампозитивних бактерій, а також грибів. Згідно отриманих результатів, досліджувані речовини виявилися ефективними синтетичними антимікробними агентами з широким спектром антимікробної дії, в тому числі
проти мультирезистентних грампозитивних та грамнегативних бактеріальних патогенів. Також було досліджено іn vivo гостру токсичність трифлуорометилвмісних піролів на моделі гідробіонта D. magna. За результатами цих експериментів сполуки відносяться до категорії помірно- тамалотоксичних.
Description
Dissertation for Doctor of Philosophy degree by specialty 102 "Chemistry".
National University of ''Kyiv-Mohyla Academy'', Kyiv, 2023. The thesis is devoted to the development of preparative methods for the synthesis of new polyfluoroalkyl containing mono- and bicyclic pyrroles, in particular 2,3-dihydro-1H-pyrrolizines and 5,6,7,8-tetrahydroindolizines, based on
readily available N-(β-trifluoroacetyl)vinyl (TFAV) derivatives of α-amino acids, as well as research into the possibilities of functionalization and biomedical application of the synthesized compounds. Literature data indicate that the synthetic potential of - alkoxyvinyl(polyfluoroalkyl)ketones (APAK) was not fully revealed, and the development of methods for using APAK in the synthesis of fluorinated nitrogencontaining heterocycles is a promising direction of organic chemistry research. On the other hand, fluoroalkyl-containing pyrroles can be convenient building blocks for preparation of fluoroalkyl-containing pyrrolizidines and indolizidines by reduction of
the pyrrole ring. Such 1-azabicycloalkanes are difficult to obtain by other methods, including direct fluoroalkylation methods. At the same time, introduction of fluorine atoms into the structure of saturated N-heterocycles changes their metabolic stability, lipophilicity, and bioavailability, thereby making them attractive compounds for the needs of bioorganic and medicinal chemistry. N-(β-Trifluoroacetyl)vinylproline was synthesized by interaction of β-ethoxyvinyl(trifluoromethyl)ketone with proline and used as a model compound for the screening of heterocyclization conditions that would allow the selective formation of CF3-dihydropyrrolizine. Thetefore, we investigated a number of dehydrating reagents, in particular TsCl, DCC, CDI, SOCl2, (COCl)2, and triphosgene, and found that the use of acetic or trifluoroacetic anhydrides leads to the selective formation of the target 7-(trifluoromethyl)-2,3-dihydro-1H-pyrrolizine. Considering the novelty of
such a transformation, we proposed a mechanism for the formation of
trifluoromethyl-containing pyrrolizine derivatives, the key stage of which is the
formation of an intermediate bipolar structure that undergoes cyclization as a result of an intramolecular 6π-electrocyclic reaction with the formation of a new С–С bond. The mechanism was confirmed by in silico modeling. Rather unexpectedly, the interaction of N-(β-trifluoroacetyl)vinylpipecolic acid with acetic anhydride led to tetrahydroindolizine containing a trifluoroacetyl group and an acetate fragment. In order to rationalize such a reaction result, we suggested a reaction mechanism. According to it, the N-(β-trifluoroacetyl)vinyl derivative of pipecolic acid firstly reacts with acetic anhydride giving a mixed anhydride followed by intramolecular acylation of the carbon atom in the α-position of the enamine fragment. Subsequent acetylation of the hydroxy group at the last stage provides the final product. The formation of different reaction products under the same conditions can be explained by different conformational behavior of the 5- and 6-membered rings and different
stability and reactivity of intermediate products. Finally, the target 1-(trifluoromethyl)-5,6,7,8-tetrahydroindolizine was obtained by heterocyclization of N-(β-trifluoroacetyl)vinylpipecolic acid under the reaction with trifluoroacetic anhydride. Further, the developed heterocyclization methods were tested on a wider range of starting compounds. A number of new enaminones (reaction products of α-amino acids and β-ethoxy-α,β-unsaturated fluoroalkyl ketones) were obtained with variations in the structure of the polyfluoroalkyl substituent, substituents in the α- and
β-positions of the vinyl fragment, as well as the nature of the amino acid. The
obtained compounds were studied in reactions with acetic and trifluoroacetic
anhydrides. Experiments proved that in the case of enaminones containing CF2H-,CF2Cl-, and CF2Br-groups, the target compounds were not obtained by any of the methods. This can be explained by the propensity of difluoromethyl groups to hydrolytic cleavage during the reaction, as a result of which strong tarring occurs. Increasing the length of the polyfluoroalkyl substituent (C2F5, n-C3F7) in the substrate leads to the formation of compounds containing an acetate fragment and a polyfluoroacetyl group in their structure when acetic anhydride was used as a condensing agent. Pyrroles containing polyfluoroalkyl substituents were synthesized
in moderate yields by reaction with TFAA. An increase in steric factors is similarly manifested in the case of N-substituted glycines. In the case of N-(β-
trifluoroacetyl)vinyl derivative of N-phenylglycine the formation of either the target pyrrole or by-product with an acetate group could not be detected, which can be explained by the influence of the size of the phenyl fragment.
The next part of the work was the development of methods for the
functionalization of dihydropyrrolizine system. First, derivatives with a
trifluoroacetyl substituent in position 5 were obtained for a number of azabicyclic compounds. Subsequently, 7-(trifluoromethyl)-2,3-dihydro-1H-pyrrolizine was chosen as a model object for a more detailed study of chemical properties. The conducted studies showed that synthesized trifluoromethyl-containing pyrroles can be functionalized at the α-position of the pyrrole fragment using an acylation Friedel-Crafts reaction. In case of strong acylating reagents, the reaction proceeds easily without any catalyst. The use of less reactive reagents required activators – Lewis’s
acids. Halogenation of the pyrrole ring with N-halogensuccinimides occured easily at room temperature. Using this method, compounds with chlorine, bromine, and iodine atoms in position 5 of the 7-CF3-dihydropyrrolizine platform were synthesized. It was observed that in the case of using an excess of the reagent, a small amount of dihalogen substituted product is formed as a result of halogenation in the free position of pyrrole ring. Based on this observation, α-substituted dihydropyrrolizines were used in the reaction with NBS for preparation of compounds with two functional groups. The resulting products are particularly interesting as building blocks for organic synthesis.
Metalation of 5-bromo-7-(trifluoromethyl)-2,3-dihydro-1H-pyrrolizine using nbutyllithium was also carried out. The formed organolithium derivative was
investigated in reactions with various electrophilic reagents, such as CO2, DMF, MeCHO, Me2CO. As a result, dihydropyrrolizines functionalized with carboxyl, aldehyde and hydroxyl groups were obtained. In this way, the use of organometallic compounds is a powerful method of modifying the α-position of outlined heterocyclic system. In the course of selecting conditions for the catalytic reduction of the pyrrole cycle of the dihydropyrrolizine framework, a number of catalysts (Pd/C, Pd(OH)2/C, PtO2, Wilkinson's catalyst) as well as the influence of other parameters on the course of the reaction, such as pH of the reaction medium were investigated. It was determined that the use of 10% Pd/C catalyst and acetic acid as a solvent is the most efficient combination for the implementation of the outlined task. As a result,
diastereomerically pure trifluoroheliotridane with cis-configuration of the chiral centers was obtained for the first time in gram scale. This compound is a fluorinecontaining analogue of heliotridane – the parent structure for a number of naturally occuring pyrrolizidine alkaloids. A set of 13 compounds synthesized in the work was selected for the study of antimicrobial activity. It was represented by various molecular frameworks with different substitution types. In particular, it included 2,3-dihydro-1H-pyrrolizines containing various substituents in positions 5 and 7, as well as 1- and 3-substituted
5,6,7,8-tetrahydroindolizines. In addition, the list included 2,3-dihydro-1Hpyrrolizine with a substituent in the aliphatic ring and fully hydrogenated
pyrrolizidine. Based on the developed QSAR model, 6 compounds from this set were selected as promising derivatives for in vitro determination of their antimicrobial activity. The research was carried out by the disk-diffusion method using a solid Müller-Hinton nutrient medium against a number of the most common pathogens – standard and antibiotic-resistant strains of gram-negative and gram-positive bacteria, as well as fungi. According to the obtained results, the studied substances turned out to be effective synthetic antimicrobial agents with a wide spectrum of antimicrobial activity, including multiresistant gram-positive and gram-negative bacterial pathogens.
The in vivo acute toxicity of trifluoromethyl-containing pyrroles was also
investigated in the D. magna hydrobiont model. According to the results of these experiments, the compounds belong to the category of moderately and slightly toxic.
Keywords
трифлуорометил, енони, енамінони, гетероциклізація, механізм, піролізин, індолізин, пірол, амінокислоти, антимікробна активність, дисертація, trifluoromethyl, enones, enaminones, heterocyclization, mechanism, pyrrolizine, indolizine, pyrrole, amino acids, antimicrobial activity
Citation
Кліпков А. А. Синтез, хімічні та біологічні властивості 2,3-дигідро-1Нпіролізинів та 5,6,7,8-тетрагідроіндолізинів на основі α,β-ненасичених флуороалкілкетонів : дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії / Кліпков Антон Анатолійович ; наук. кер.: Герус Ігор Іванович ; Міністерство освіти і науки України, Національний університет "Києво-Могилянська академія", Національна академія наук України, Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В. П. Кухаря. - Київ : [б. в.], 2023. - 161 c.