Synthesis of Six-Membered Rings and Inhibitors of Protein Kinases

The six-membered rings have a priviledged presence in both natural products and synthetic compounds such as drug molecules. Multiple methods to prepare them in the laboratory have been developed. The Diels-Alder reaction provides several pathways toward the construction of substituted six-membered rings with a high degree of regio-, diastereo- and enantioselectivity. It can be considered to be the most important and powerful carbon-carbon bond-forming reaction of all, in synthetic organic chemistry. A practical synthetic method for the preparation of hexahydrocinnolines was developed here, as part of continuing research on polymer-supported pericyclic reactions in preparation of biologically interesting compounds. Some cinnoline derivatives from the literature were reported to show interesting biological properties, such as antimicrobial activity and inhibition of cancer cell lines. Hexahydro-1,2,4-triazolocinnoline-1,3-diones and related compounds were synthesized via aza Diels-Alder reaction on solid-phase. Protein kinases are key regulators of cell function that constitute one of the largest and most functionally diverse gene families. By adding phosphate groups to substrate proteins, kinase driven phosphorylation plays a significant role in a wide range of cellular processes. More than 500 protein kinase genes are present in the the human genome, constituting about 2% of all human genes. They regulate many cellular processes such as growth, differentiation, and proliferation. Protein kinases are seen as potential therapeutic targets since their mutation and dysregulation is causal in multiple human diseases, including metabolic, immunological disorders, and cancer. The consistent structure of the catalytic site among protein kinases sets limits for the development of protein kinase inhibitors. Some protein kinases, however, have regulatory domains as part of their structure, such as protein kinase C (PKC), whose regulatory (C1) domain is unique and is found only in a small number of kinases. This offers a selectivity advantage, thus making the C1-domain an attractive drug target. In fact, the utilization of the the X-ray crystal structure of the PKCδ C1b domain, with molecular modeling, led to the discovery, in this work, of novel C1 domain ligands, the tricyclic γ-amino alcohols. Synthesis of these compounds was achieved by the utilization of the Diels-Alder reactions. In the process of modifying a naturally occurring deep-blue colored hydrocarbon guaiazulene, a novel aminoguaiazulene derivative was synthesized. This novel derivative undergoes ring annulation reactions with 1,2-dicarbonyl reagents to yield tricyclic δ-lactams, types of benzo[cd]azulenes. Benzo[cd]azulenes derived from guaiazulene, are colorful synthetic carbocyclics with interesting chemical and biological properties. Some of the benzo[cd]azulenes synthesized in this study were recently characterized as selective Pim kinase inhibitors. Pim kinases have become intriguing targets for cancer therapy that possess unique structural features, among protein kinases, that offer a great potential in the design of selective Pim-inhibitors. Based on the promising Pim-kinase inhibition results from multiple cell-based assays, a further modification of the benzo[cd]azulenes was conducted, where some interesting findings in their chemical behavior were observed; new phenolic benzo[cd]azulene compounds were formed, with potent Pim-inhibitory activities. The benzo[cd]azulenes developed in this study were found to be useful research compounds, potential Pim-selective kinase inhibitors, and putative anti-cancer drug candidates. The new synthetic methods detailed in this study will be valuable tools in the further development of additional benzo[cd]azulenes and related systems in the future.Luonnossa esiintyvistä orgaanisista molekyyleistä valtaosalla on rengasrakenne. Näistä kuusirenkaisilla yhdisteillä on merkittävä asema. Luonnonaineiden lisäksi kuusirengasrakenne on yleinen monissa synteettisissä molekyyleissä kuten lääkeaineissa. Näiden valmistamiseksi laboratoriossa on kehitetty suuri joukko erilaisia menetelmiä. Yksi merkittävimmistä on Diels-Alder-reaktio, joka kuuluu laajempaan perisyklisten reaktioiden ryhmään. Yhtenäistä perisyklisille reaktioille on konjugoitu syklinen siirtymätila, jonka seurauksena reaktiotuote syntyy ilman välituotetta. Diels-Alder-reaktiolla voidaan valmistaa tehokkaasti kuusirenkaisisia yhdisteitä ja reaktio on usein stereo- ja regioselektiivinen. Reaktio ei rajoitu pelkästään hiiltä sisältävien renkaiden syntetisointiin, vaan erilaisia heteroatomeja kuten typpeä ja happea sisältäviäkin kuusirenkaita voidaan valmistaa. Diels-Alder-reaktion katsotaan olevan ehkäpä jopa tärkein ja tehokkain menetelmä uusien hiili-hiilisidosten muodostamiseksi synteettisessä orgaanisessa kemiassa. Reaktio ei rajoitu pelkästään laboratorioon, vaan myös luonnosta on löydetty entsyymejä jotka katalysoivat Diels-Alder-reaktiota. Tutkimusryhmässämme on valmistettu biologisesti mielenkiintoisia heterosyklisiä yhdisteitä kiinteäfaasitekniikalla, jossa reaktiot tapahtuvat kiintokantajan (polymeerin) pinnalla. Kiinteä-faasitekniikan etuina on mm. polymeeriin sidotun tuotteen helppo eristys ja puhdistus. Lisäksi suuria reagenssiylimääriä on mahdollista käyttää, sillä ne voidaan suodattaa helposti erilleen tuotteesta. Kirjallisuudessa esiintyvillä kinnoliinijohdannaisilla on havaittu mm. antibakteerisia ja syöpäsolujen kasvua estäviä vaikutuksia. Tutkimuksessa kehitettiin kiinteäfaasimenetelmä heksahydrokinnoliinirakenteen syntetisoimiseksi hetero-Diels-Alder-reaktiolla, jossa reaktiivinen typpi-typpikaksoissidos osallistuu dienofiilinä sykloadditioon polymeeriin sidotun dieenin kanssa. Reaktiotuotteiden irrotus kiintokantajista tapahtui happokäsittelyllä ja tämän jälkeen ne puhdistettiin pylväskromatografisin menetelmin. Lopuksi selvitettiin kinnoliiniyhdisteiden kyky estää 77 proteiinikinaasin aktiivisuutta. Proteiinikinaasit ovat kinaasientsyymejä, joiden substraatti on toinen proteiini. Liittämällä fosfaattiryhmän kohdeproteiiniinsa proteiinikinaaseilla on merkittävä rooli solunsisäisessä viestinnässä. Ihmisen genomi sisältää yli 500 proteiinikinaasigeeniä, joka käsittää noin 2 % koko ihmisen perimästä. Proteiinikinaasit säätelevät monia keskeisiä solun toimintaan vaikuttavia prosesseja, kuten kasvua, erilaistumista ja jakautumista. Proteiinikinaasit ovat potentiaalinen lääkevaikutuskohde, sillä näiden entsyymien mutaatiot ja säätelyhäiriöt ovat osallisena useissa ihmisen vakavissa sairauksissa kuten syövissä. Joillakin proteiinikinaaseilla, kuten proteiinikinaasi C:llä on erillinen regulatorinen C1b-domeeni osana proteiinirakennetta. Väitöstyössä käytettiin hyväksi tunnettua proteiinikinaasi C:n C1b:n kiderakennetta ja C1b-domeeniin sitoutuvan forboliesterin rakennetta, joiden avulla mallinnettiin C1b-domeeniin uudentyyppinen inhibiittoriyhdiste. Tämän kolmirengasrakenteisen, kuusi stereokeskusta sisältävän, γ-aminoalkoholin syntetisoinnissa käytettiin hyväksi peräkkäisiä Diels-Alder-reaktioita, joiden avulla yhdisteen molekyylirunko valmistettiin. Tutkimusryhmässämme on kehitetty menetelmiä luonnossa esiintyvän guajatsuleeni-hiilivedyn muokkaamiseksi. Tämän seskviterpeeneihin kuuluvan atsuleenin kemiallisesti muokatuilla johdoksilla on havaittu Pim-1 ja Pim-3-kinaasien toimintaa estävä vaikutus. Tutkimuksessa kehitettiin menetelmä aminoryhmän liittämiseksi guajatsuleenin rakenteeseen. Uusi aminoguajatsuleeni reagoi 1,2-dikarbonyyliyhdisteiden kanssa muodostaen δ-laktaamirakenteisia, typpiatomin sisältäviä, bentso[cd]azuleeneja. Tutkimuksessa muokattiin myös kemiallisesti jo aikaisemmin ryhmässämme syntetisoituja bentso[cd]atsuleenirakenteita, tarkoituksena valmistaa potentiaalisia ja selektiivisiä Pim-kinaasi-inhibiittoreita. Samalla havaittiin, että osalla näistä yhdisteitä on biologisten ominaisuuksien lisäksi myös ainutlaatuisia kemiallisia ominaisuuksia. Tässä tutkimuksessa valmistetut ja karakterisoidut bentso[cd]atsuleeniyhdisteet ovat osoittautuneet hyödyllisiksi tutkimuskäytössä ja voivat olla myös mahdollisia syöpälääkekandidaatteja tulevaisuudessa