Stereoselective Synthesis of Conformationally Restricted Cyclohexanyl Nucleoside Analogues

Abstract

En les darreres dècades, l’ús d’anàlegs de nucleòsids (ANs) ha despertat un gran interès de recerca per a la teràpia antiviral i anticancerigen. La conformació i el plegament de la unitat de sucre dels nucleòsids tenen un paper crític en la modulació de la seva activitat biològica. En aquest context, s’han dissenyat i sintetitzat nous anàlegs de carbanucleòsids (ACNs) restringits conformacionalment per imitar el comportament conformacional de l’anell de furanosa natural. Els nucleòsids ciclohexenílics són un tipus prometedor de compostos antivirals, en què la substitució de l’àtom d’oxigen de l’anell de furanosa per un doble enllaç indueix una flexibilitat anular, similar a la dels nucleòsids naturals. Recentment, s’ha descrit que ambdós enantiòmers del ciclohexenil G (DCG i LCG) mostren una potent i selectiva activitat antivirus. Tenint en compte la interessant activitat anti-HSV del ciclohexenil G, es va proposar una nova sèrie d’ANs biciclo[4.1.0]heptà al nostre grup de recerca, en què el doble enllaç va ser substituït per un ciclopropà fusionat. La present tesi doctoral està enfocada a la síntesi enantioselectiva d’una nova sèrie d’ANs carbocíclis de sis membres basats en l’esquelet del ciclohexenil G que conté la unitat de biciclo[4.1.0]heptà. Concretament, es descriu l’assoliment dels objectius següents: - En primer lloc, s’han optimitzat dues estratègies sintètiques desenvolupades en el nostre grup de recerca per preparar la cetona clau 36, que és l’intermedi comú per a la preparació dels ANs biciclo[4.1.0]heptà. La cetona 36 s’ha obtingut en una seqüencia de 6 passos robusta, reproduïble i eficaç a escala de multi-gram amb un rendiment total del 49% a partir de l’1-ciclohexadiona. -En segon lloc, ja que els ANs 5-hidroximetilbiciclo[4.1.0]heptà, BCH-(A, G, T i U), prèviament obtinguts al grup de recerca, no mostraven activitat antiviral significativa, es va decidir de completar la família de 5-hidroximetilbiciclo[4.1.0]heptà, on es va sintetitzar l’anàleg de citosina que es va obtenir amb un rendiment total del 4% en 17 etapes. Tot i això, no va presentar activitat antiviral ni citotoxicitat. Tota aquesta família de ANs han estat avaluades en assajos enzimàtics per determinar l’afinitat amb la timidina quinasa (TK) vírica. El compost basat en timidina BCH-T té una interessantíssima afinitat cap a HSV-TK (EC50 = 1.6 ± 0.1 µg / ml), que coincideix amb el nostre model computacional realitzat per a la primera etapa de fosforilació per aquests productes. -En tercer lloc, s’ha preparat una nova família d’ANs 5-hidroximetil-4-hidroxibiciclo[4.1.0]heptan-2-il. En particular, els ANs de timina i guanina s’han obtingut en 17 i 18 passos i amb un rendiment global del 18% i 10%, respectivament. L’epímer-C4 de la timina i l’alquè de la timina 4,5-é s’han sintetitzat en 19 etapes i un rendiment total del 6% i del 3%, respectivament. Aquests quatre ANs han estat avaluats per determinar la seva activitat antiviral, encara que cap d’ells mostra cap activitat significativa. -Finalment, també s’ha obtingut una nova família d’ACNs 1,2,3-triazole-biciclo[4.1.0]heptà. Aquest enfocament ha permès la preparació de quatre compostos 1,2,3-triazol-ACNs (4-substituït) via CuAAc amb un rendiment global del 19-16% en 15 etapes. A més, es va obtenir un compost 4,5-substituït mitjançant una reacció de cicloaddició i un 12% de rendiment en 14 etapes. S’ha avaluat l’activitat biològica d’aquests anàlegs contra diversos virus, tot i que només el propilbenzen-1,2,3-triazolo-ACNs 151 mostra una activitat considerable contra el virus Coxsackie B4 (EC50 = 13.5-9.4 µg / mL).

En las últimas décadas, el uso de análogos de nucleósidos (ANs) ha generado un amplio interés de investigación para la terapia antiviral y anticancerígena. La conformación y el plegamiento de la unidad de azúcar de los nucleósidos juegan un papel crítico en la modulación de su actividad biológica. En este contexto, se han diseñado y sintetizado nuevos análogos de carbanucleósidos (ACNs) restringidos conformacionalmente para imitar el comportamiento conformacional del anillo de furanosa. Los nucleósidos de ciclohexenilo son un tipo prometedor de compuestos antivirales, donde el reemplazo del átomo de oxígeno del anillo de furanosa por un doble enlace induce flexibilidad anular, similar a la de los nucleósidos regulares. Recientemente, se ha descrito que ambos enantiómeros de ciclohexenilo G (DCG y LCG) muestran una actividad potente y selectiva contra el virus del herpes (HSV). Teniendo en cuenta la interesante actividad anti-HSV del ciclohexenilo G, en nuestro grupo de investigación se propuso una nueva serie de ANs biciclo[4.1.0]heptano en el que el doble enlace fue reemplazado por un ciclopropano fusionado. La presente Tesis doctoral se centra en la síntesis enantioselectiva de una nueva serie de ANs carbocíclicos de seis miembros basados en el esqueleto del ciclohexenilo G conteniendo la estructura de biciclo[4.1.0]heptano a partir de un intermedio clave común. Específicamente, se describe el logro de los siguientes objetivos: - En primer lugar, se han optimizado dos estrategias sintéticas desarrolladas en nuestro grupo de investigación para preparar la cetona clave 36, que es el intermedio común para la preparación de los ANs biciclo[4.1.0]heptano. La cetona 36 se ha obtenido en un secuencia robusta, reproducible y eficiente de 6 pasos en una escala de multi-gramo con un rendimiento general del 49% a partir de 1,4-ciclohexadiona. -En segundo lugar, dado que los análogos 5’-hidroximetilbiciclo[4.1.0]heptano BCH-(A, G, T y U), obtenidos previamente en el grupo de investigación, no mostraron actividad antiviral significativa, se decidió completar la familia 5’-hidroximetilbiciclo [4.1.0]heptanilo sintetizando el análogo de citosina que ha sido obtenido con un rendimiento global del 4% en 17 pasos. Sin embargo, no mostró actividad antiviral o citotoxicidad. Toda esta familia de AN se ha evaluado en ensayos enzimáticos para determinar la afinidad de la timidina quinasa (TK) vírica. El compuesto a base de timidina BCH-T tiene una gran afinidad interesante hacia HSV-TK (EC50 = 1.6 ± 0.1 µg/mL) que es consistente con nuestro modelo computacional realizado para la primera etapa de fosforilación para estos compuestos. -En tercer lugar, se ha preparado una nueva familia de ANs 5’-hidroximetil-4’-hidroxibiciclo[4.1.0]heptan-2’-ilo. En particular, se obtuvieron los ANs de timina y guanina en 17 y 18 pasos y un rendimiento general de 18% y 10%, respectivamente. El epimero-C4 de timina y el alqueno de timina 4’,5’-eno se han sintetizado en 19 pasos y con un rendimiento general de 6% y 3%, respectivamente. Estos cuatro AN han sido seleccionados para evaluar su actividad antiviral, aunque ninguno de ellos muestra actividad significativa. -Finalmente, también se ha obtenido una nueva familia de ACNs 1,2,3-triazol-biciclo[4.1.0]heptanilo. Este enfoque ha permitido la preparación de cuatro 1,2,3-triazolo-ACNs (4-sustituido) a través de CuAAc con un rendimiento global del 19-16% en 15 pasos. Además, también se ha sintetizado un compuesto de triazol (4,5-sustituido) mediante una reacción de cicloadición y 12% de rendimiento en 14 etapas. Se ha evaluado la actividad biológica de estos análogos contra varios virus, aunque solo el propilbenceno-1,2,3-triazolo-ACN 151 muestra una actividad considerable contra el virus Coxsackie B4 (EC50 = 13.5-9.4 µg/mL).

In the last decades, the use of nucleoside analogues (NAs) has garnered extensive research interest for antiviral and anticancer therapy. The conformation and puckering of the sugar moiety of nucleosides play a critical role in modulating their biological activity. In this context, new conformationally restricted carbanucleosides analogues (CNAs) have been designed and synthesised in order to mimic the conformational behaviour of the natural furanose ring. Cyclohexenyl nucleosides are a promising type of antiviral compounds, wherein replacement of the oxygen atom of the furanose ring by a double bond induces annular flexibility, similar to that of regular nucleosides. Recently, it has been described that both enantiomers of cyclohexenyl G (DCG and LCG) display potent and selective anti-herpes virus activity. Considering the interesting anti-HSV activity of cyclohexenyl G, new series of enantiopure bicyclo[4.1.0]heptanyl NAs were proposed in our research group, in which the double bond was replaced by a fused cyclopropane. The present Ph.D Thesis is focused on the enantioselective synthesis of a novel series of six-membered carbocyclic NAs based on the skeleton of cyclohexenyl G containing bicyclo[4.1.0]heptane structure from a common key intermediate. Specifically, it is described the achievement of the following objectives: - Firstly, two synthetic strategies developed in our research group have been optimized in order to prepare the key ketone 36, which is the common intermediate for the preparation of bicyclo[4.1.0]heptane NAs. Ketone 36 has been obtained in a robust, reproducible, and efficient 6-steps approach on a multigram scale in 49% overall yield from commercially available 1,4-cyclohexadione. -Secondly, since the 5’-hydroxymethylbicyclo[4.1.0]heptane analogues BCH-(A, G, T and U) NAs, previously obtained in the research group, did not show significant antiviral activity, in order to complete the 5’-hydroxymethylbicyclo[4.1.0]heptanyl family, the cytosine analogue has been synthesised in 4% overall yield in 17 steps. However, it does not show antiviral activity or cytotoxicity. All of this family of NAs have been evaluated in enzymatic assays in order to determine the virus-TK affinity. The thymidine-based compound BCH-T has an interesting great affinity towards HSV-TK (EC50 = 1.6 ± 0.1 µg/mL) which is consistent with our computational model performed for the first stage of phosphorylation. -Thirdly, a novel family of 5’-hydroxymethyl-4’-hydroxybicyclo[4.1.0]heptan-2’-yl NAs has been prepared. In particular, thymine and guanine NAs have been obtained in 17 and 18 steps and 18% and 10% overall yield, respectively. The thymine C4-epimer and the thymine alk-4,5-ene have been synthesised in 19 steps and 6% and 3% overall yield, respectively. These four NAs have been screened for antiviral activity, although none of them show significant activity. -Finally, a new family of 1,2,3-triazolo-bicyclo[4.1.0]heptanyl CNAs has also been obtained. This approach has allowed the preparation of the four 4-substituted-1,2,3-triazolo-CNAS via CuAAc in 19-16% overall yield in 15 steps. Furthermore, the 4,5-substituted-1,2,3-triazolo-CNAS has been synthesised via cycloaddition and 12% yield in 14 steps. The biological activity of these analogues against several viruses has been evaluated, although only the propylbenzene-1,2,3-triazolo-CNAs 151 shows a considerable activity against Coxsackie B4 virus (EC50 = 13.5-9.4 µg/mL).