Synthesis and biological activity screening of amide, hydrazide and hydroxamic acid derivatives of a group of heterocyclic compounds

Enzimler vücuttaki birçok biyokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesine aracılık eden protein yapısındaki makromoleküllerdir ve bu nedenle ilaç geliştirme çalışmalarında terapötik olarak önemli hedeflerdir. Bugün tedavide kullanılan ilaçların büyük bir kısmı enzim inhibitörü olarak etkinlik göstermektedir. Miyeloperoksidaz (MPO) nötrofillerde bulunan ve antibakteriyel etkinliğin gerçekleştirilmesine aracılık eden bir enzimdir. Fagozom içerisinde hidrojen peroksit (H2O2) ile çeşitli halojenler arasındaki reaksiyonu katalizleyerek hipohalöz asitlerin sentezine aracılık eder. Hipohalöz asitler ise bakterilerin biyomoleküllerini oksitleyerek antibakteriyel etkinliği sağlar. MPO sadece hücre içinde değil hücre dışında da aktiftir ve çeşitli sebeplerle nötrofil içerisinden salındığında enzimatik döngüsünü hücre dışı ortamda bulunan reaktif biyoajanlarla gerçekleştirir ve oluşan hipohalöz asitler konağa ait biyolojik makromolekülleri oksitleyerek inflamasyon oluşma sürecini tetikleyen kimyasal değişikliklere sebep olur. Akut ve kronik inflamasyon süreçleri, kardiyovasküler hastalıklar, kanser, nörodejeneratif hastalıklar, romatoid artrit, renal hastalıklar gibi birçok durumun patolojisinde rol oynamaktadır. MPO’nun önemli patofizyolojik olaylarda görev aldığının tespit edilerek birçok inflamatuar hastalıkla ilişkilendirilmesi, bu hastalıkların tedavi stratejileri açısından yeni ve etkin MPO inhibitörlerinin geliştirilmesini önemli bir hedef haline getirmiştir. Son yıllarda gerçekleştirilen çalışmalarda MPO’nun yapısının daha detaylı aydınlatılmasıyla birlikte MPO enzimi, ilaç geliştirme çalışmalarında ilgi çeken bir terapötik hedef olmuştur. Tez çalışması kapsamında, MPO inhibitör etkinlik göstermesi beklenen benzimidazol türevi bileşiklerin tasarımı, sentezi, biyoaktivite ve sanal moleküler kenetlenme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla benzimidazol-2-tiyon halkasının azot atomunun, amit, hidrazit ve hidroksamik asit fonksiyonel grupları taşıyan yan zincirle sübstitüe edilmesi planlanmıştır. Benzimidazol-2-tiyon halkasının azot atomundan alkilasyonu denenmiş ancak reaksiyon benzimidazol-2-iltiyo alkanamit türevleri ile sonuçlanmıştır. Bu nedenle çalışmamıza benzimidazol-2-iltiyo alkanamit türevleri de dahil edilmiştir. 2-tiyokso-benzimidazol alkanamit, alkanhidrazit, alkanhidroksamik asit türevlerinin sentezi için ise farklı yeni bir sentez yolağı geliştirilmiştir. Bu yöntemde ilk olarak benzimidazol-2-on halkası aracılığıyla 2-klorobenzimidazol elde edilmiş, sonrasında hedef bileşikler olan 2-tiyokso-benzimidazol alkanamit, alkanhidrazit ve alkanhidroksamik asit türevleri sentezlenmiştir. Sentezi tamamlanan bileşiklerin yapıları IR, 1H NMR, 2D NMR (HSQC-HMBC), 13C NMR ve Kütle Spektroskopileri, bazı örneklerde ise elementel analiz kullanılarak doğrulanmıştır. Ayrıca yapının kesinleştirilmesi amacıyla iki bileşiğin (B10 ve BS6) X-Ray analizleri yapılmıştır. Biyolojik aktivite testleri hem kükürt hem de azot sübstitüe türevler için gerçekleştirilmiştir. Ayrıca kükürt atomunun bileşikteki varlığının MPO inhibisyonu üzerindeki etkisini değerlendirmek amacıyla ara ürün olarak sentezlenen 2- klorobenzimidazol türevlerinin de aktiviteleri test edilmiştir. %70 ve üzeri MPO inhibisyonu gösteren bileşiklerin IC50 değerleri belirlenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda en iyi aktivite gösteren bileşik BS18 [2-(2-tiyokso-2,3-dihidro-1Hbenzo[ d]imidazol-1-il)asetohidrazit] (IC50: 0.393 μM) olarak tespit edilmiştir. Bu bileşikten sonraki en aktif türevler BS12 [N-(2-metoksifenil)-2-(2-tiyokso-2,3- dihidro-1H-benzo[d]imidazol-1-il)asetamit] (IC50: 3.718 μM) ve BS10 [N-(3- metilfenil)-2-(2-tiyokso-2,3-dihidro-1H-benzo[d]imidazol-1-il)asetamit] (IC50: 3.855 μM) kodlu bileşiklerdir. Moleküler kenetlenme çalışmaları %90 ve üzerinde MPO inhibitör etkinlik gösteren bileşikler için gerçekleştirilmiş ve bileşiklerin yapısal farklılıklarının enzim aktif yöresindeki etkileşimleri üzerinde yol açtığı olası değişimler incelenmiştir. Benzimidazol-2-tiyon türevlerinin MPO inhibitör geliştirme çalışmaları açısından iyi bir başlangıç olabileceği sonucuna varılmıştır.Enzymes are protein structured macromolecules and mediate various biochemical reactions in body therefore, they are significant therapeutic targets in drug discovery studies. Most of the drugs, used in treatment today, demonstrate their efficiency as enzyme inhibitors. Myeloperoxidase (MPO) is an enzyme found in neutrophils and mediates antibacterial activity. It catalyses the reaction between hydrogen peroxide (H2O2) and various halogens which results in synthesis of hypohalous acids those provide antibacterial activity through oxidizing biomolecules of bacteria. MPO is active not only inside but also outside of the cells and when it is released from neutrophils due to various reasons, it completes its enzymatic circle via reactive bioagents in extracellular environment. The synthesized hypohalous acids there oxidize biologic macromolecules of the host and this leads to trigger inflammation process by certain chemical changes. Acute and chronic inflammation have roles in the pathology of complications such as cardiovascular diseases, cancer, neurodegenerative diseases, rheumatoid arthritis, renal diseases etc. Since the understanding of MPO expanded, it has been unveiled that MPO plays role on important pathophysiological cases in many inflammatory diseases. On this basis, development of novel and effective MPO inhibitors emerged as one of the significant strategies in the treatment of these diseases. As recent studies have clarified the structure of MPO in detail, it has been an attractive therapeutical target in drug discovery studies. In this dissertation, in the pursuit of MPO inhibitors, benzimidazol derived compounds designed and synthesized, then biological activity and molecular docking studies were carried out. To attain this aim, substitution of nitrogen atom on benzimidazole-2-thione ring with a side chain carrying amide, hydrazide and hydroxamic acid functional groups has been planned. The alkylation of benzimidazole-2-thione ring on nitrogen atom had been tried first but the reaction resulted in benzimidazole-2-ylthio alkanamide derivatives. Therefore, benzimidazol-2-ylthio alkanamide derivatives were also included in our study. A new synthesize pathway has been developed for the synthesis of 2-thioxo-benzimidazole alkanamide, alkanhydrazide and alkanhydroxamic acid derivatives. In this method, 2-chlorobenzimidazole has been realized through benzimidazole-2-one, then the targeted 2-thioxo-benzimidazole alkanamide, alkanhydrazide and alkanhydroxamic acid derivatives were synthesized. The structures of synthesized compounds have been verified by IR, 1H NMR, 2D NMR (HSQC-HMBC), 13C NMR and MASS Spectroscopical methods and elemental analysis for some compounds. Additionally, the X-ray structures of two compounds (B10 and BS6) have been revealed. Biological activity studies have been performed on both sulphur and nitrogen substituted derivatives. Also, to evaluate the impact of presence of sulphur atom in the structure on MPO inhibition, the biological activity of 2-chlorobenzimidazole derivatives has been investigated. IC50 values have been determined for the compounds over 70% MPO inhibitory activity. Considering the obtained data, BS18 [2-(2-thioxo- 2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazol-1-yl)acetohydrazide] (IC50: 0.393 μM) has been found as the most active compound, followed by BS12 [N-(2-methoxyphenyl)-2-(2- thioxo-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazol-1-yl)acetamide] (IC50: 3.718 μM) and BS10 [N-(3-methylphenyl)-2-(2-thioxo-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazol-1-yl)acetamide] (IC50: 3.855 μM). Molecular docking studies have been performed on the compounds demonstrating over 90% MPO inhibitor activity and possible interactional changes caused by structural disparities of the compounds have been investigated at the enzyme active site. It has been concluded that benzimidazole-2-thione derivatives would be a good starting point on MPO inhibitor development studies