3-Hydroxy-quinolin-2(1H)-ones, a useful scaffold : synthesis and biological evaluation

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2017

The quinolin-2(1H)-ones ring establish the core structure of many natural and synthetic molecules and a broad spectrum of biological properties like, antimicrobial, enzymatic and neuro protective activities, have been attributed to these molecules. Additionally, 4-hydroxyquinolin-2-ones (4HQs) and 3-hydroxyquinolin-2-ones (3HQs), derivatives of quinolin-2-one, have also been reported with promising biological properties, and have attracted much attention from the medicinal chemist community. The 3HQ core is present in the structure of naturally occurring products viridicatin, viridicatol and 3-O-methyl viridicatin first isolated from the mycelium of Penicillium viridicatum. Although, due to the reduced knowledge about 3HQs, from a synthetic and biological perspective, in the last years, the development of new methodologies for their synthesis has been stimulated and strategies based on condensations, intramolecular cyclization and ring expansions have been applied. Recently reported has nonclassical bioisosteres of α-glycine, 3HQs derivatives are potent inhibitors of the Human D-amino acid oxidase (DAAO) and due to their ability to chelates metal centres, 3HQs are counted as inhibitors of HIV-1 reserve transcriptase associated RNase H activity and as inhibitors of influenza A endonuclease. In view of the present stat-of-the-art, 3HQs new derivatives were synthetized using a new efficient methodology centered on the emergent metal-organo-catalysed (MOC) concept. A one-pot protocol using the MOC system NHCdirhodium( II)/DBU catalyzed Eistert ring expansion reaction of isatins with ethyl diazoacetate to afford the 3-hydroxy-4 ethylesterquinolin-2(1H)-ones core. The reaction provides the final products regioselectively and with yields ranging from good to excellent. Furthermore, DFT calculations were performed on this system and support a mechanism in which the key step is the metallocarbene formation between the 3-hydroxyindole-diazo intermediate and the dirhodium(II) complex. After the above mentioned optimized methodology the second part of this work is dedicated to the biological activity of 3HQ and its derivatives. Various synthetic modifications have been made to introduce specific chemical group keeping the 3HQs core structure. Several compounds with different properties were synthesized and important biological studies were performed on 4-carboxamide-3HQ derivatives showed interesting biological activity as a potential anticancer lead molecule. Additionally, based on the that 3HQs can complex metallic centers and been an isoster of glycine, we hypothesized that 3HQ derivatives could be a useful platform to design new modulators of human phenylalanine hydroxylase (hPAH), the enzyme responsible by the genetic disease phenylketonuria. The new hPAH modulators were simply prepared based on ring-expansion reaction of isatins with NHS-diazoacetate catalysed by di-rhodium(II) complexes yielding 4-Carboxamide-3HQs in good-toexcellent yields. The 7-trifluoromethyl-4-carboxamide-3HQs 134, was identified as the most efficient hPAH modulator, with an apparent binding affinity nearly identical to the natural allosteric activator L-Phenylalanine. Therefore, as 3 hydroxyquinolies have demonstrated to be good scaffolds for the design and development of compounds with activity over phenylalanine hydroxylase and an excellent starting point for the development of novel therapeutics for a phenylketonuria.

O anel de quinolin-2(1H)-ona é a estrutura central de muitas moléculas tanto de origem natural, como sintética, e ao qual tem sido atribuído um amplo espectro de propriedades biológicas, como antimicrobianas, enzimáticas e neuro-protetoras. Para além das quinolin-2(1H)-onas, os seus derivados 4-hidroxiquinolin-2-onas (4HQs) e as 3-hidroxiquinolin-2-onas (3HQs) apresentam também propriedades biológicas promissoras e têm atraído muita atenção da comunidade de químicos medicinais. Recentemente relatados como bioisósteres não clásicos da α-glicina, os derivados da 3HQs são potentes inibidores da D-aminoácido oxidase humana (DAO) e devido à sua capacidade para quelar centros metálicos, as 3HQs são também apontados como inibidores da RNase H associada à transcriptase reserva do HIV-1 e como inibidores da endonuclease do vírus Influenza A. Assim, as 3HQs têm sido reconhecidas como uma estrutura química com interesse farmacológico. O núcleo 3HQ está presente na estrutura dos produtos naturais viridicatina, viridicatol e 3-O-metil viridicatina, isolados primeiramente do micélio do Penicillium viridicatum. No entanto, devido a reduzido numero de métodos de síntese e falta de conhecimento das propriedades biológicas, têm-se assistido nos últimos anos a um crescente interesse da comunidade científica e um estimulo no desenvolvimento de novas metodologias de síntese. Estratégias baseadas em condensações, ciclizações intramoleculares e expansões de anel, têm sido descritas com o objetivo de obter a viridicatina e seus derivados com maior eficiência. Com base no atual estado da arte, neste trabalho foram sintetizados novos derivados da 3HQ utilizando uma nova metodologia centrada no conceito emergente metal-organo-catalise (MOC). Esta metodologia, usa o sistema NHCdiródi0(II)/DBU para catalisar a reação de expansão do anel de Eistert entre a isatina e o diazoacetato de etilo para se obter o anel de 3-hidroxi-4-etilesterquinolin-2(1H)- ona. Assim, uma nova e eficiente metodologia de 4 passos foi desenvolvida para a síntese dos alcalóides de viridicatina através da reação de acoplamento de Suzuki- Miyaura entre os ácidos aril borónicos e a 3-hidroxi-4-bromoquinolin-2 (1H)-ona, preparada a partir da 3-hidroxi-4-etilesterquinolina-2(1H)-ona. A reação ocorre com boa regioseletividade e com rendimentos que variam de moderados a excelentes, e em que os alcaloides da vidicatina foram sintetizados com rendimentos superiores a 80%. Finalmente, cálculos de DFT foram realizados neste sistema, e suportam um mecanismo no qual o passo determinante é a formação de metalocarbeno entre o intermediário 3-hidroxi-indole-diazo e o complexo di-ródio (II). Após a otimização da metodologia, a segunda fase do trabalho desenvolvido, foi dedicada à atividade biológica da 3HQ e seus derivados em linhas celulares tumorais. Assim, várias modificações sintéticas foram efetuadas para introduzir grupos químicos específicos, mantendo a estrutura base do núcleo de 3HQ. Com base na reação de expansão do anel de isatinas com diazoésteres catalisados por complexos di-ródio (II), sintetizou-se a 4-carboxilato-3HQ, com rendimentos até 92%. Utilizando o NHS-diazoacetato, as 4-carboxamida-3HQ foram preparadas de forma eficiente e esta metodologia inovadora permitiu a construção de 3HQs "semelhantes a peptídeos" com rendimentos até 88%. Entre as séries sintetizadas, a L-leucina-4-carboxamida-3HQ induziu a morte em linhas celulares tumorais MCF-7 (IC50 = 15,12μM), NCI-H460 (IC50 = 2,69 μM) sem causar qualquer citotoxicidade apreciável em linhas celulares não tumorais (CHOK1). Assim, os estudos biológicos realizados em derivados de 4-carboxamida-3HQ mostraram atividades biológicas apreciáveis e demonstraram o seu potencial anti-tumoral. Sendo as 3HQs agentes quelantes de centros metálicos e isosteros do amino acido glicina, neste trabalho foi colocada a hipótese das 3HQs poderem ser uma interessante plataforma para o desenvolvimento de modeladores da enzima fenilalanina hidroxilase humana (hPAH). A hPAH pertence a uma família de enzimas de hidroxilases de aminoácidos aromáticos, que inclui a hPAH, a tirosina hidroxilase(TH) e o triptofano hidroxilase (TPHs). Estas enzimas são mono-oxigenases que usam tetraidropterina (BH4) como cofator, um ião Fe(II) não-heme e o oxigénio como substrato para a catalise da hidroxilação da fenilalanina (Phe) a tirosina (Try). Durante a reação, o oxigénio molecular é clivado heteroliticamente com incorpora sequencial de um átomo de oxigénio em BH4 e no substrato de fenilalanina. Este é o primeiro passo na degradação catabólica da Phe, e cerca de 75% da Phe obtida através da dieta, é degradada desta forma em condições fisiológicas. A fenilcetonúria, uma doença autossómica recessiva que afeta 1 em cada 10000 nados-vivos na Europa, é caracterizada por elevadas concentrações fisiológicas de Phe, devido à atividade deficiente da fenilalanina hidroxilase. Quando não tratada, a fenilcetonúria pode gerar retardo mental progressivo, dano cerebral, epilepsia e problemas neurológicos e comportamentais causados por efeitos neurotóxicos. Assim, uma vez que L-Phe é o substrato natural da PAH, foi idealizado a incorporação do aminoácido L-Phe na posição C-4 do núcleo 3HQs, o que conjuntamente com as propriedades quelantes de centros metálicos, teve como objetivo modelar a atividade da PAH. Uma pequena biblioteca de derivados L-Phe-3HQs foi sintetizada de modo a avaliar a capacidade de modulação da atividade da enzima PAH, por efeito de estabilização em seu domínio regulador e centro ativo. Dos compostos avaliados, a 3HQ 141, demostram estabilizar o domínio regulador e, além disso, o menor efeito de inibição da atividade da PAH. Assim, a com base nos resultados obtidos, a 3HQ 141 foi escolhida como ponto de partida para o desenvolvimento de novos derivados através da introdução de diferentes aminas na posição C-4 do núcleo de 3HQ. Uma nova biblioteca de derivados de 4-carboxamida-F3CO-3HQs foi sintetizada e avaliada quanto ao seu efeito na estabilidade térmica de hPAH e na atividade enzimática. Dos compostos avaliados, o derivado 134, contendo carboxamida com um grupo fenetilamina, foi identificado como o composto mais eficaz, capaz de aumentar diretamente a atividade de hPAH por um mecanismo de pré-ativação semelhante ao induzido pelo substrato L-Phe. Assim, as 3-hidroxiquinolinas demonstraram assim serem bons esqueletos para o desenho e desenvolvimento de compostos com atividade sobre a fenilalanina hidroxilase e um excelente ponto de partida para o desenvolvimento de novos agentes terapêuticos para a fenilcetonúria.