Синтез нових поліфункціональних спіроциклічних азетидинів методом [2+2] циклоприєднання та їх застосування в медичній хімії

Дисертація присвячена розробці препаративних методів cинтезу нових мультифункціональних спіроциклічних азетидинів шляхом [2+2] циклопри-єднання та їх застосуванню у розробці фармакологічних препаратів. Перший розділ дослідження описує синтез 2-заміщених азаспіро[3.3]гептанів як спіроциклічних аналогів 2-заміщених піперидинів та їх валідацію у відкритті ліків. Для синтезу цільової спіроциклічної сполуки було використано модифікацію реакції Штаудінгера між кетенами та N-TMS-імінами для NH-азетидинонів. Комерційно доступна циклобутанкарбонова кислота була легко перетворена на відповідний хлорангидрид і далі на кетен шляхом обробки DIPEA. У свою чергу бензальдегід був перетворений in situ на TMS-імін дією LiN(TMS)2. Наступна термічна реакція Штаудінгера між кетеном і TMS-іміном дала бажаний спіроциклічний азетидинон (3-феніл-2-азаспіро[3.3]гептан-1-он) з виходом 81%. Подальше відновлення амідної групи дало цільовий амін (1-феніл-2-азаспіро[3.3]гептан) з виходом 76%. Обидві вихідні речовини (циклобутанкарбонова кислота і бензальдегід) – є досить недорогими і доступними реагентами, що дозволило здійснити масштабування реакції і отримати 50 г ключового аміну за один синтетичний підхід. Далі було досліджено межі застосування реакції, а саме проведено варіювання альдегідної складової перетворення: ряд як ароматичних (у тому числі гетероароматичних), так і аліфатичних альдегідів був успішно перетворений на відповідні спіроциклічні похідні. Структуру однієї з одержаних спіроциклічних похідних, а саме 1-(піридин-3-іл)-2-азаспіро[3.3]гептану було підтверджено за допомогою рентгеноструктурного дослідження. Далі було вивчено фізико-хімічні характеристики синтезованих спіроциклічних будівельних блоків і порівняно одержані дані з даними для відповідних похідних піперидинів. Усі синтезовані спіроциклічні похідні мали належні фізико-хімічні властивості для використання у розробці ліків: вони були хімічно та метаболічно стабільними in vitro, мали належну ліпофільність і хорошу розчинність у воді. Для демонстрації потенціалу синтезованих спіроциклічних аналогів 2-заміщених піперидинів для розробки ліків було синтезовано спіроциклічний аналог бупівакаїну (місцевого анестетика, схваленого FDA) з залишком 2-азаспіро[3.3]гептану замість піперидину. Спіроциклічна похідна продемонструвала аналогічну тривалість, але водночас швидший початок дії in vivo порівняно з бупівакаїном. Крім того, спіроциклічна сполука показала дещо нижчий рівень системної токсичності у мишей in vivo.
Наступні дослідження присвячені розширенню раніше розробленої методології на поліфункціональні аналоги 2-заміщених піперидинів. Як ключову комерційно доступну модельну сполуку було обрано N-Bz-захищену піперидин-4-карбонову кислоту. Для синтезу NH-азетидинонів було знову використано модифікацію реакції Штаудінгера між кетенами та N-TMS імінами. Спочатку кислота була легко перетворена на відповідний хлорангидрид і далі на кетен. Водночас відповідний альдегід (ізобутиральдегід) був перетворений на TMS-імін in situ шляхом обробки LiN(TMS)2. Наступна термічна реакція Штаудінгера між кетеном і TMS-іміном дала бажаний спіроциклічний азетидинон з виходом 64%. Відновлення обох амідних груп дією AlH3 завершило синтез захищеного N-Bn-1-ізопропіл-2,7-діазаспіро[3.5]нонану з виходом 92%. Пізніше всі ці перетворення були успішно масштабовані, що дозволило отримати 20 г цільового спіроциклічного продукту за один синтетичний підхід. Логічним продовженням досліджень було вивчення меж розробленої процедури. Було проведено варіювання розміру циклів (5-, 6-, 7-членний), а також гетероатомів у циклі (O, N, S). Як партнери в реакції Штаудінгера були використані ароматичні, гетероароматичні та аліфатичні альдегіди. Усі спіроциклічні продукти були отримані з виходами від помірних до високих (36-94%). Варто зауважити, що розроблена методологія добре спрацювала для циклічних кислот з гетероатомом у α- та γ-положенні, проте кислоти з гетероатомами в β-положенні давали лише складні суміші. Структура деяких спіроциклічних продуктів була підтверджена за допомогою рентгеноструктурного дослідження.
Наступним етапом стала модифікація деяких з одержаних спіроциклів. Зокрема було проведено окиснення атома сульфуру похідної 1-ізопропіл-7-тіа-2-азаспіро[3.5]нонану з одержанням відповідного 7,7-діоксиду. N-Boc-захист 5-бензил-1-ізопропіл-2,5-діазаспіро[3.4]октану і подальше розщеплення N-Bn гідруванням дали N-Boc-1-ізопропіл-2,5-діазаспіро[3.4]октан-2-карбоксилат. Також 1-ізопропіл-2-азаспіро[3.4]окт-6-ен був у декілька стадій перетворений на аміноспирт – 7-аміно-2-етил-1-ізопропіл-2-азаспіро[3.4]октан-6-ол. Нарешті, захист N-Boc і наступне окиснення фуранового кільця дією NaIO4/RuCl3 на сполуки 1-(фуран-2-іл)-2-азаспіро[3.4]октан та 1-(фуран-2-іл)-7-окса-2-азаспіро[3.5]нонан з подальшим кислотним розщепленням групи N-Boc дали відповідні спіроциклічні амінокислоти. Для одержаних амінокислот далі були вивченні властивостей їхніх N-амідних зв’язків, які є важливими характеристиками для пептидоміметиків. Експериментально було встановлено, що співвідношення транс-/цис- конформерів і відповідні швидкості взаємоперетворення є близькими для модельних похідних азетидину і піперидину. Для підтвердження цінності синтезованих будівельних блоків у розробці ліків були синтезовані спіроциклічні аналоги бупівакаїну на основі 2-азаспіро[3.4]октан-1-карбонової кислоти та 7-окса-2-азаспіро[3.5]нонан-1-карбонової кислоти. Експериментальні ADME-параметри – ліпофільність (logD), розчинність у воді та метаболічна стабільність у печінці (CLint) виявились дуже близькими до бупівакаїну. Водночас спіроциклічні аналоги продемонстрували значно меншу токсичність, ніж бупівакаїн. Одержані результати демонструють високу ефективність ізостеричних замін у дизайні препарату.
Наступний розділ дослідження присвячений розробці модульного підходу до синтезу похідних 1-азаспіро[3.3]гептанів, який би дозволяв одержання сполук лише з одним замісником (одним вихідним вектором) в ядрі без додаткового (полі)заміщення. Синтез 1-азаспіро[3.3]гептану починали з комерційно доступного циклобутанону. Реакція Віттіга дала відповідний алкен, який після додавання ізоціанату Графа (ClO2S–NCO) утворив спіроциклічний лактам. Далі було здійснено пошук найкраших умов відновлення лактаму з метою мінімізації побічного процесу розкриття циклу з утворенням відповідного аміноспирту. Було знайдено, що використання алану AlH3 дозволило отримати бажаний амін 1-азаспіро[3.3]гептан із чудовим виходом 89%. Далі ключова стадія відновлення була відтворена у мультиграмовому масштабі, неочищений продукт був перетворений на відповідний гідрохлорид і виділений у вигляді білої твердої речовини з виходом 66%. Структура 1-азаспіро[3.3]гептану була підтверджена за допомогою рентгеноструктурного дослідження. Таким чином, оптимізована методика дозволила синтезувати 54 г ключової сполуки за один синтетичний підхід.
Далі було досліджено межі застосування розробленого підходу. Були випробувані різні заміщені алкени, більшість з яких були отримані за реакцією Віттіга з відповідних циклобутанонів. Було знайдено, що алкіл-, арил-, діалкіл- і бензилоксизаміщені алкени добре сумісні зі стадією циклоприєднання, що дозволило легко отримати відповідні β-лактами. Подальше відновлення давало різноманітні заміщені 1-азаспіро[3.3]гептани. При цьому лактами, що містили карбоксиметильну (-CO2Me) групу були відновлені до водорозчинних аміноспиртів, які були далі N-захищені з утворенням N-Boc-аміноспиртів для полегшення виділення продуктів реакції. Подібним чином лактами, що містили нітрильну (-CN) групу утворювали діаміни, які далі також були перетворені на N-захищені ди-Boc-похідні. Слід зазначити, що всі вищезгадані продукти були отримані у грамових кількостях. У більшості випадків β-лактами утворювалися з чистотою більше 90% після стандартної обробки реакційної суміші. У міліграмовому масштабі продукти були очищені для одержання аналітичних зразків. Однак у грамових масштабах лактами були використані безпосередньо у наступній стадії відновлення, що таким чином забезпечило вищий загальний вихід цільових 1-азаспіро[3.3]гептанів. Будову ряду похідних було підтверджено за допомогою рентгеноструктурного дослідження.
Використання заміщених алкенів дозволило урізноманітнити циклобутанове кільце 1-азаспіро[3.3]гептанів. Для функціоналізації азетидинового кільця було проведено захист 1-азаспіро[3.3]гептан-2-ону -SiMe2t-Bu групою. Наступна обробка захищеного лактаму LDA генерувала карбаніон, який далі реагував з різними електрофілами – алкілйодидами, алкілбромідами, кетонами, Me2S2 – з утворенням (після зняття N-захисної групи) відповідних різноманітно заміщених β-лактамів. Далі були виконані модифікації ядра 1-азаспіро[3.3]гептану для отримання будівельних блоків для потреб медичної хімії. Так, окиснення за Сверном спіроцикліного аміноспирту дало N-Boc-аміноальдегід, який далі реагував з гліоксалем/(NH4)2CO3 з утворенням 6-(1H-імідазол-2-іл)-1-азаспіро[3.3]гептану, а також з гідроксил-аміном з подальшим відновленням проміжного оксиму з утворенням похідної 6-(амінометил)-1-азаспіро[3.3]гептану. Окиснення спиртової групи спіроцик-лічного аміноспирту дією NaIO4/RuCl3 дало N-Boc-1-азаспіро[3.3]гептан-6-карбонову кислоту з виходом 76%.
Захист 1-азаспіро[3.3]гептану дією Boc2О з подальшою обробкою втор-BuLi/TMEDA та додаванням сухого льоду дали унікальну амінокислоту 1-азаспіро[3.3]гептан-2-карбонову кислоту – аналог α-піпеколінової кислоти.
Далі було досліджено експериментальні фізико-хімічних властивості ряду одержаних заміщених 1-азаспіро[3.3]гептанів. Було знайдено, що у досліджу-ваних субстратах основність атома нітрогену була майже ідентичною з основністю піперидину, підкреслюючи таким чином потенціал 1-азаспіро-[3.3]гептану для заміни піперидину в біохімічному контексті.
Для вивчення впливу заміни піперидинового кільця на 1-азаспіро-[3.3]гептановий скелет було одержано модельний амід [1,1'-біфеніл]-4-іл(1-азаспіро[3.3]гептан-1-іл)метанон і порівняно його з аналогами на основі піперидину та ізомерного 2-азаспіро[3.3]гептану. Було показано, що заміна піперидинового кільця на його біциклічні аналоги призводить до зменшення розчинності у воді. Під час оцінки впливу заміни піперидинового кільця біциклічними аналогами на ліпофільність молекул спостерігали невелике збільшення (на 0,3 одиниці) в експериментальних значеннях logD7.4 для спіроциклів порівняно з піперидином. Також було показано, що включення обох азаспіро[3.3]гептанів знижує метаболічну стабільність у мікросомах печінки людини порівняно з похідною піперидину.
Для підтвердження перспектив заміни піперидинового кільця на залишок 1-азаспіро[3.3]гептанового каркасу у медичних проектах, було введено цей скелет у структуру бупівакаїну. Було проведено експериментальне визначення анестезуючої активності бупівакаїну та його спіроциклічного аналога in vivo. Було досліджено антиноцицептивний ефект бупівакаїну та спіроциклічного аналога за допомогою тесту на рух хвостом у мишей Balb/cAnN. Спіроциклічний аналог бупівакаїну показав значну анестетичну активність in vivo, що створює перспективи застосування подібної ізостерної заміни у проектах з розробки лікарських препаратів.

Киричок О. О. Синтез нових поліфункціональних спіроциклічних азетидинів методом [2+2] циклоприєднання та їх застосування в медичній хімії : дис. … д-ра філософії : 102 Хімія / Киричок Олександр Олександрович. – Київ, 2024. – 186 с.