Attivazioni C-H intramolecolari catalizzate da Pd per la sintesi di composti biologicamente attivi

Over the last two decades, direct functionalization of C-H bonds has emerged as a relevant challenge for synthetic chemists. In fact, they have been regarded as almost inert, due to the high Bond Dissociation Energies (BDE) associated with the C-H cleavage. Nevertheless, C-H bonds are ubiquitous in organic molecules, so that the development of a synthetic tool, by which it would be possible to activate and functionalize inert C-H bonds, would be desirable, in order to streamline synthetic pathways and optimize Structure-Activity Relationships (SAR) studies in a late-stage functionalization strategy. Although cross-coupling reactions such as Heck, Suzuki or Negishi reactions offer well established methods for new C-C bonds formation, they suffer some intrinsic limitations, such as tedious and laborious procedures for the synthesis of the coupling partners and poor tolerance for functional groups that might be present within the substrates. Therefore, transition-metal catalyzed C-H activation reactions emerge as an innovative, complementary and atom economical tool in medicinal chemistry, aimed at simplifying synthesis and minimizing environmental and economic impact on pharmaceuticals production. The use of Pd-catalyzed intramolecular C-H activation reactions for the synthesis of a benzo[f]pyrazolo[1,5-d][1,4]oxazepine library has served as the purpose of this master thesis. Moreover, in collaboration with the molecular microbiology laboratory, benzoxazepine antimycobacterial activity was evaluated against M. bovis and M. tuberculosis, which is the causative agent of tuberculosis (TB). According to the epidemiological analysis made by the WHO, TB still represents a global threat, as in 2018 more than 10 million people were infected by M. tuberculosis. A promising hit was identified from phenotypic screening, with a MIC90 of 2.5 μg/mL against M. tuberculosis. Subsequently, in order to study the possible molecular interactions of the benzoxazepines towards a putative target, molecular docking experiments were performed with two promising emerging targets, DprE1 e MmpL3, which have been defined as promiscuous, meaning that they are suitable to bind different pharmacophores. The proteins were then modelled from X-rays structures, available from the RCSB-PDB. The most potent substrate 1a, was found to have a favorable binding energy towards MmpL3 (ΔGbind = -10.658 kcal/mol), a trans-membrane protein whose role is to translocate trehalose-momomycholates from cytosol to the periplasmic space, in order to complete the biosynthesis of mycolic acids, fundamental components of the M. tuberculosis cell wall. Overall, a multi-disciplinary approach was adopted by conjugating innovative synthetic methods and computer aided drug discovery tools, resulting in the identification of a promising hit against M. tuberculosis, whose molecular interactions will be further investigated in the future.

La funzionalizzazione diretta dei legami C-H costituisce da alcuni decenni una sfida per la sintesi organica di grande interesse. Infatti, tali legami, ritenuti praticamente inerti a causa dell’elevata energia di dissociazione C-H, sono ampiamente diffusi in chimica organica, ed è pertanto auspicabile lo sviluppo di uno strumento sintetico capace di attivarli cataliticamente. Questo permetterebbe di funzionalizzare a piacere i legami C-H e di snellire le strategie di sintesi de novo, anche per l’ottimizzare gli studi di Relazione Struttura-Attività (SAR) in approcci di funzionalizzazione tardiva (LSF). Le reazioni di cross-coupling infatti, come le reazioni di Suzuki, Heck, Stille ad esempio, nonostante il potenziale applicativo riconosciuto, soffrono alcune limitazioni riguardanti la preparazione dei partner di coupling organometallici e la limitata tollerabilità dei gruppi funzionali presenti nei substrati. Le attivazioni C-H catalizzate da metalli di transizione si configurano quindi come uno strumento sintetico complementare, innovativo e atom economical per la formazione di nuovi legami C-C, permettendo, nell’ottica di minimizzare l’impatto ambientale ed economico della produzione di composti farmaceutici, la revisione e la semplificazione di diverse sintesi nell’ambito della medicinal chemistry. In questa tesi di laurea sperimentale è stata sfruttata la praticità e l’innovatività delle reazioni di C-H attivazione intramolecolare Pd-catalizzate per la sintesi di una libreria di benzo[f]pyrazolo[1,5-d][1,4]ossazepine. In seguito, in collaborazione con il laboratorio di microbiologia molecolare, è stata valutata l’attività antimicobatterica delle benzossazepine nei confronti di Mycobacterium bovis e M. tuberculosis, agente eziologico della tubercolosi, che ancora oggi costituisce un’urgenza sanitaria a livello globale. Dagli screening fenotipici è stato identificato un composto in grado di inibire la replicazione cellulare (MIC90) a concentrazioni di 2.5 μg/mL. Con l’ausilio di tecniche computazionali per il drug discovery, come ad esempio il docking, sono state investigate le interazioni molecolari delle benzossazepine con i modelli di due target tubercolari di crescente interesse, DprE1 e MmpL3, le cui strutture sono state ricavate dai cristalli ai raggi X (RCSB-PDB). Il composto più potente nei saggi di vitalità cellulare, 1a, risulta in grado, dagli esperimenti di IFD, di interagire in modo promettente (ΔGbind = -10.658 kcal/mol) con MmpL3, una proteina transmembrana deputata alla traslocazione nel periplasma dei trialoso-monomicolati (TMM), precursori biosintetici degli acidi micolici, di cui la parete cellulare del M. tuberculosis è ricca. Nel complesso, è stato adottato un approccio multidisciplinare che, coniugando metodi sintetici innovativi target-oriented e tecniche di chimica computazionale, ha consentito l’identificazione di un potenziale hit antitubercolare e ha gettato le basi per approfondire la relazione tra gli scaffold benzossoazepinici e il target MmpL3.