Identificazione di potenziali agenti antitumorali. Set up di un protocollo ecosostenibile per la reazione di Heck applicata alla sintesi di alcheni trisostituiti

Several lines of research are developing within the interdisciplinary MedChemLab Team. The design of new sigma receptors (S1R and S2R) modulators is among the most consolidated and one of great pharmaceutical interest. S1R and S2R, widely spread in human organs and tissues, are involved in several biological pathways with distinct physiological and pharmacological profiles. In this context, new potential neuroprotective and anticancer agents have been developed by MedChemLab team. Many of these molecules contain a trisubstituted olefin, generally introduced through Heck reaction in the first synthetic step. This reaction shows several critical issues from an efficiency and eco-sustainability point of view: the starting substrates (internal olefins) are characterized by low reactivity and poor selectivity, leading to isomers mixture. Since the first reaction step of a synthetic route is generally performed on a larger scale, it’s easy to understand the negative consequences, also in terms of environmental impact, of poor yield and high amount of waste. Therefore, the first aim of my thesis work was to develop a new an eco-sustainable Heck reaction protocol for the synthesis of trisubstituted olefins. Specifically, four main phases of my work can be identified: 1. Preliminary trials of different green approaches to the Heck reaction and development of a proper analytical method to process the results. 2. DoE (Design of Experiments) study to assess the influence of selected variables on the Heck reaction yield and selectivity. This allowed to set up an optimized protocol on a model substrate. The protocol turned out to be efficient and scalable and reflects several Green Chemistry principles. 3. Assessment of the new protocol’s applicability to other substrates of pharmaceutical interest. Characterization of the obtained products. 4. Set up of an isomerization method to convert the main Heck reaction by-product (Z) isomer into the desired and more stable (E) isomer, thus recycling a waste product. In conclusion, my thesis work allowed to identify a green procedure for the synthesis of different trisubstituted olefins through Heck reaction. These molecules represent key intermediates in the synthesis of important hit and lead compounds designed by MedChemLab Team. Improvements over the previous protocol include: the use of a safer solvent to replace dimethylformamide (which is characterized by several issues in terms of safety and handling), a drastic reduction of reaction times with microwave heating, the use of an heterogeneous and recyclable catalyst, a considerable reduction of waste products, costs and energy consumption. Finally, the investigation on different aryl bromides showed the good versatility of the new protocol, providing yields comparable or higher to the ones obtained with conventional method.

Tra le linee di ricerca attive all’interno del MedCheLab, lo sviluppo di nuovi modulatori dei recettori sigma (S1R e S2R) è una di quelle più consolidate e di rilevante interesse farmaceutico. Questi recettori sono espressi in numerose aree del nostro organismo e sono coinvolti in svariati meccanismi biologici, con diversi profili fisiologici e farmacologici. In questo contesto nuovi potenziali agenti neuroprotettivi e anticancro sono stati sviluppati dal MedChemLab. Molte di queste molecole contengono un alchene trisostituito, che viene generalmente introdotto tramite reazione di Heck nel primo step della via sintetica. Questa reazione presenta alcune criticità da un punto di vista dell’efficienza e dell’ecosostenibilità: i substrati di partenza (alcheni interni) presentano bassa reattività e selettività, che porta spesso all’ottenimento di miscele di isomeri. Considerando che il primo step di una via sintetica è quello che viene effettuato su scala maggiore, è facile intuire le conseguenze negative, anche in termini di impatto ambientale, di una scarsa resa e una elevata quantità di reflui. Pertanto, il principale obbiettivo del mio lavoro di tesi è stato quello di sviluppare un nuovo protocollo efficiente ed ecosostenibile per la sintesi di alcheni trisostituiti tramite reazione di Heck. Nello specifico, il mio lavoro si è articolato in quattro fasi principali: 1. Sperimentazioni preliminari di vari approcci green alla reazione di Heck e messa a punto di un opportuno sistema analitico per elaborare i risultati. 2. Studio DoE (Design of Experiments) per valutare l’influenza delle variabili selezionate sulla resa e selettività della reazione di Heck. Questo ha permesso di mettere a punto un protocollo ottimizzato su un substrato modello. Tale protocollo è risultato efficiente e scalabile, e rispecchia diversi principi della Green Chemistry. 3. Valutazione dell’applicabilità del nuovo protocollo green ad altri substrati di interesse farmaceutico. Caratterizzazione dei prodotti ottenuti. 4. Messa a punto di un metodo di isomerizzazione per convertire il principale sottoprodotto della reazione di Heck (l’alchene Z) nel prodotto desiderato (alchene E, più stabile), riciclando in questo modo un prodotto di scarto. In conclusione, il mio lavoro di tesi ha permesso di identificare un protocollo green per la sintesi di diversi alcheni trisostituiti tramite reazione di Heck. Tali molecole rappresentano intermedi chiave nella sintesi di importanti hit e lead compounds sviluppati dal MedChemLab. Le migliorie apportate rispetto al protocollo precedentemente utilizzato includono: l’uso di un solvente benigno al posto della dimetilformammide (che presenta numerosi svantaggi in termini di sicurezza e maneggiabilità), tempi di reazione drasticamente diminuiti grazie all’irraggiamento tramite microonde quale sistema di riscaldamento, l’uso di un catalizzatore eterogeneo facilmente riciclabile, una considerevole riduzione dei reflui prodotti, dei costi e dell’energia consumata. La sperimentazione su diversi aril bromuri ha dimostrato infine una buona versatilità del nuovo protocollo, fornendo rese paragonabili o superiori a quelle ottenute con il metodo convenzionale.