Total synthesis of novel dideoxynucleosides using chiral aminoacids as starting material: study of their anti-HIV propepties

This thesis describes the total synthesis of novel isonucleoside (dideoxynucleoside) analogs of uridine, thymidine and adenosine, which were rationally designed to incorporate the following structural features:1) Fixed length between the -OH group of C-5' and the glycosidic N of the nucleobase.2) cA-Configuration between the hydroxyethyl group and the nucleobase.3) Absence of hydroxyl groups from positions C-2' and C-3'.4) Free electron pairs on the sugar moiety of the molecules, such as the unpaired electrons of heteroatoms or the π electrons of double bonds.The new analogs contain a tetrahydro-furan or -pyrane ring instead of a sugar moiety and a hydroxyethyl group (instead of a hydroxymethyl) in positions 2 and 3 or 3 and 5 respectively, relatively to the ring oxygen. The above structural features have a cis or trans relative configuration in the final products.The total synthesis of these analogs has been achieved by the use of L- and D- methionine and L-glutamic acid as starting materials and the following general synthetic methodology. Initially, the above amino acids were converted to the corresponding N-Trtamino lactones according to published procedures. In particular, N-tritylatd L- or D- methionine was converted initially to its sulfonium salt by reaction with Mel which was then treated with KOH to give the lactone of L- and D- homoserine. On the other hand, L-glutamic acid, following esterification at the γ position, was protected at the N- position with the Trt group. The thus produced ester was reduced with LiAlH4 and consecutively reacted with DCC to give Trt- hydroxynorvaline lactone. If, however, the methylester were activated at the free a carboxy- group with DCC/HOBt followed by reduction with NaBH4, saponification and cyclodehydration with DCC the corresponding lactone was produced, bearing the tritylamino- and carbonyl groups at positions 1 and 4.Reduction of the lactones with DIBAL, Wittig reaction of the thus obtained lactoles with methoxycarbonylmethylenetriphenylphosphorane and finally cyclization with TBAF, led to the corresponding tetrahydro-furan or -pyran esters. The diastereomeric products were then separated at this stage or later or were processed as a mixture. These esters or their corresponding carboxylic acids were reduced with LiAlH4 or BH3 and the thus produced primary alcohols were detritylated.On the aminogroup of the latter compounds, the nucleobases of uracil, thymine and adenine were then built. The purine base of adenine was assembled using, in the first step, either indirectly the 4,6-dichloro 5-nitropyrimidine and then reduction with Raney-Ni/m, or directly the 5-amino 4,6-dichloropyrimidine, to yield the same intermediate. Reaction with triethyl orthoformate and ammonolysis gave the final products.The construction of the pyrimidine ring involved two steps. Coupling of the aminoalcohol with either ß-methoxy α-methacrylate or ß-methoxyacrylate, for thymidine or uridine respectively, and finally formation of the pyrimidine ring in the presence of either a base or an acid.Some of the amino alcohols were O-protected with the Bn group before the construction of the base. The Bn group was then removed at the final step using catalytic hydrogenolysis or by catalytic transfer hydrogenolysis. With the latter method partial saturation of the uridine ring was observed and was attributed to the elevated temperature of the reaction.The total yield of the above multi-step syntheses were satisfactory. The final products were nucleosides with the D-absolute configuration with the exception of one final product (derived from D-Met) which had the L- absolute configuration.The biological evaluation of these products did not reveal any particular anti-HIV activity. However, an interesting observation is that the most active compound was the one with the L- absolute configuration. This observation is in accordance with other accumulated evidence that the particular virus enzyme, which interacts with this class of compounds, does not distinguish between L- and D- configurations, in contrast to human enzymes. This evidence is very important from the aspect of toxicity, since we are interested in finding compounds that will interact only with the target enzymes and not those of the host organism.Στην εργασία αυτή περιγράφεται η ολική σύνθεση πρωτότυπων ισονουκλεοζιτικών (διδεοξυνουκλεοζιτικών) αναλογών ουριδίνης, θυμιδίνης και αδενοσίνης τα οποία σχεδιάστηκαν να περιλαμβάνουν τα ακόλουθα βασικά δομικά χαρακτηριστικά διδεοξυνουκλεοζιτικών φαρμάκων:1) Συγκεκριμένη απόσταση μεταξύ του υδροξυλίου του C-5' και του γλυκοζιτικού Ν της νουκλεοβάσης.2) c/.s-Στερεοχημική διάταξη του υδροξυλίου και της νουκλεοβάσης.3) Απουσία υδροξυλίου στις θέσεις C-2' και C-3'.4) Ζεύγη ηλεκτρονίων στη σακχαρική μονάδα των μορίων, όπως είναι τα ασύζευκτα ζεύγη σε ετεροάτομα του δακτυλίου ή π ηλεκτρόνια διπλού δεσμού C=C, όπως στο γνωστό αντι-HIV φάρμακο abacavir.Τα νέα ανάλογα φέρουν ένα τετραϋδρο-φουρανικό ή -πυρανικό δακτύλιο αντί της σακχαρικής μονάδας και την νουκλεοβάση και μια υδροξυαιθυλομάδα (αντί της υδροξυμεθυλομάδας) σε θέσεις 2 και 3 ή 3 και 5 αντίστοιχα ως προς το άτομο Ο του δακτυλίου. Τα ανωτέρω δύο δομικά στοιχεία είχαν μεταξύ τους την cis ή την trans στερεοχημική διάταξη.Η σύνθεση των αναλογών αυτών έγινε δυνατή με χρήση ως πρώτων υλών των αμινοξέων.L- και D- μεθειονίνη και L-γλουταμικό οξύ και της ακόλουθης γενικής συνθετικής μεθοδολογίας. Αρχικά τα ανωτέρω αμινοξέα μετατρέπονται στις αντίστοιχες N-Trt προστατευμένες αμινο-λακτόνες, σύμφωνα με δημοσιευμένα πρωτόκολλα. Συγκεκριμένα η Ν-τριτυλιωμένη L- ή D- μεθειονίνη μετατρέπεται αρχικά στο αντίστοιχο σουλφώνιο άλας υπό την επίδραση Mel και στη συνέχεια το άλας κατεργάζεται με ΚΟΗ για να δώσει τη λακτόνη της L- ή της D- ομοσερίνης. Εξάλλου το L-γλουταμικό οξύ αφού εστεροποιηθεί στη γ θέση, προστατεύεται στην Ν- θέση με την Tri ομάδα. Ο λαμβανόμενος εστέρας ανάγεται με LÌAIH4 και στη συνέχεια με την επίδραση DCC δίνει την λακτόνη της υδροξυνορβαλίνης. Αν όμως ο μεθυλεστέρας ενεργοποιηθεί στο ελέυθερο α καρβοξύλιο με επίδραση DCC/HOBt και στη συνέχεια ακολουθήσει αναγωγή με NaBH4, σαπωνοποίηση και κυκλοαφυδάτωση με DCC λαμβάνεται η εναλλακτική λακτόνη η οποία φέρει τις ομάδες τριτυλαμινο- και καρβονυλο- σε θέσεις 1 και 4.Αναγωγή των λακτονών με DIBAL προς τις αντίστοιχες λακτόλες, κατεργασία με το αντιδραστήριο Wittig μεθοξυκαρβονυλομεθυλενο-246 τριφαινυλοφωσφορανίου και τέλος κλείσιμο δακτυλίου με TBAF οδήγησε στους αντίστοιχους τετραϋδρο-φουρανικούς ή -πυρανικούς τριτυλαμινο-εστέρες. Τα λαμβανόμενα διαστερεομερή διαχωρίζονται στο στάδιο αυτό ή σε επόμενα στάδια ή χρησιμοποιούνται ως μίγμα. Οι εστέρες ή τα αντίστοιχα καρβοξυλικά οξέα ανάγονται με LiAlHU ή ΒΗ3 και οι λαμβανόμενες πρωτοταγείς αλκοόλες αποτριτυλιώνονται.Επί της αμινομάδας των ενδιαμέσων που έτσι λαμβάνονται ανοικοδομούνται οι νουκλεοβάσεις της ουρακίλης, αδενίνης και θυμίνης ως ακολούθως. Ο μεν πουρινικός δακτύλιος της αδενίνης ανοικοδομήθηκε με χρήση είτε 4,6-διχλωρο-5- νιτροττυριμιδίνης και εν συνεχεία αναγωγή με Raney-Ni, είτε απ’ ευθείας με 5- αμινο-4,6-διχλωροπυριμιδίνη προς παραλαβή του ίδιου ενδιαμέσου. Στη συνέχεια αυτό αντιδρά με ορθοφορμικό τριαιθυλεστέρα και υφίσταται αμμωνόλυση ώστε να σχηματιστεί η αδενινική βάση.Εξάλλου για την ανοικοδόμηση των βάσεων της θυμίνης και της ουρακίλης οι αμινοαλκοόλες αντέδρασαν με β-μεθοξυ-α-μεθυλ-ακρυλικό ισοκυανικό εστέρα ή β-μεθοξυ-ακρυλικό ισοκυανικό εστέρα αντίστοιχα και εν συνεχεία τα προϊόντα παρουσία οξέος ή βάσης έδωσαν τον αντίστοιχο πυριμιδινικό δακτύλιο.Σε ορισμένες περιπτώσεις οι Trt-αμινοαλκοόλες προστατευθηκαν στην Ο- θέση με Bn και στη συνέχεια ανοικοδομήθηκε η νουκλεοζιτική βάση. Η Bn ομάδα απομακρύνθηκε στο τελικό συνθετικό στάδιο είτε με καταλυτική υδρογόνωση, με διαβίβαση αερίου H2 παρουσία καταλύτη Pd/C είτε με καταλυτική υδρογόνωση μεταφοράς, με θέρμανση της ουσία σε αλκοολικό διάλυμα HCOONEU παρουσία καταλύτη Pd/C. Στη δεύτερη μέθοδο παρατηρήθηκε μερική υδρογόνωση του ουριδινικού δακτυλίου ορισμένων ενδιαμέσων.Οι συνολικές αποδόσεις των παραπάνω πολυσταδιακών συνθέσεων ήταν ικανοποιητικές. Τα τελικά προϊόντα ήταν νουκλεοζίτες με D- απόλυτη στερεοχημική διαμόρφωση πλην ενός (προήρχετο από το αμινοξύ D-Met) το οποίο διέθετε την L- στερεοχημική διαμόρφωση.Η βιολογική αποτίμηση των προϊόντων αυτών δεν αποκάλυψε ιδιαίτερη δραστικότητα για κάποιο εξ' αυτών. Ωστόσο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι από τα συντεθέντα ανάλογα, το προϊόν με την σημαντικότερη αντι-HIV δράση είναι αυτό με την L- απόλυτη στερεοχημική διαμόρφωση. Το γεγονός αυτό αποτελεί περαιτέρω επιβεβαίωση των ενδείξεων ότι το ένζυμο του ιού που αλληλεπιδρά με το συγκεκριμένο υπόστρωμα δεν έχει ικανότητα διάκρισης της απόλυτης στερεοχημικής δομής, σε αντίθεση με τα ένζυμα του ανθρώπινου οργανισμού