Kémiai Kutatási Főosztály
AMPA receptorra ható vegyületek és
prekurzoraik szintézise
Ph. D. értekezés
Készítette: Lukács Gyula
okleveles vegyészmérnök
Témavezető: Dr. Simig Gyula c. egyetemi tanár
Budapest
2004.
1. BEVEZETÉS 1
2. ÚJ, NEM-KOMPETITÍV AMPA ANTAGONISTÁK SZINTÉZISE 4
2.1. A nem-kompetitív AMPA antagonista 2,3-benzodiazepinek irodalma 4
2.2. Célkitűzés 8
2.3. Irodalmi eljárások 1-szubsztituált ftalazinok előállítására 9
2.4. A SYM-2207 új, klórral szubsztituált analogonjainak szintézise 13 3. ÚJ, POZITÍV AMPA MODULÁTOROK PREKURZORAINAK SZINTÉZISE 19 3.1. A pozitív AMPA modulátorok szerkezete, biológiai szerepe 19 3.2. Célkitűzés 20 3.3. Benzol-származékok lítiálásának rövid áttekintése 21 3.4. Benzaldehid-acetálok és acetofenon-ketálok lítiálása az irodalomban 23 3.5. Klórbenzolok lítiálása az irodalomban 27 3.6. Új, orto-funkcionalizált acetofenon-származékok előállítása 33 3.7. Új, orto-funkcionalizált benzofenon-származékok előállítása 37 4. KÍSÉRLETI RÉSZ 48 4.1. Alkalmazott műszerek 48 4.2. A 2.4 fejezethez tartozó kísérletek 48 4.3. A 3.6 fejezethez tartozó kísérletek 64 4.4. A 3.7 fejezethez tartozó kísérletek 69 5. ÖSSZEFOGLALÁS 80 6. SUMMARY 82 7. IRODALOMJEGYZÉK 84 8. MELLÉKLETEK 91 8.1. A Ph.D. értekezés tézisei 92 8.2. Ph.D. thesis 100
8.3. A doktori értekezés tárgykörével kapcsolatos publikációk 108
8.4. A doktori értekezés tárgykörével nem kapcsolatos saját publikációk 110
8.5. A doktori értekezés tárgykörével kapcsolatos publikációk másolata 112
1. BEVEZETÉS
Az emlősök központi idegrendszerének (CNS) gyors ingerület-átvitelében meghatározó szerepet játszanak a serkentő, vagy más néven excitátoros aminosavak (excitatory amino acids, EAA’s). A serkentő aminosavak közül élettani és kórélettani szempontból egyaránt az L-glutaminsavat tekintik elsődleges jelentőségűnek.1
COOH NH2 HOOC
L-glutaminsav
Az L-glutaminsav (glutamát) az élővilágban elterjedten előforduló aminosav, amely nemcsak fehérjék, illetve peptidek alkotóelemeként, hanem szabad formában is nagy mennyiségben van jelen valamennyi sejttípusban. A szabad glutamát számos anyagcsere-folyamatban vesz részt és meghatározó szerepe van a központi idegrendszer működésében. Nélkülözhetetlen továbbá az emlékező és a tanuló funkciókban is. A serkentő aminosavak neurotranszmitter szerepe csak az 1980-as évek elejére vált általánosan elfogadottá.2 A glutamát neurotranszmitter szerepének jelentőségét érzékelteti az a becslés is, mely szerint a központi idegrendszerben a szinapszisok mintegy 70 %-a glutamáttal „működik”.3
Nagy lendületet adott a kutatásnak az a felismerés, hogy a glutamát rendszer károsodása szerepet játszhat számos idegrendszeri és pszichiátriai rendellenesség létrejöttében, úgymint az epilepszia, a Parkinson-, a Huntigton-, az Alzheimer-kór, a skizofrénia és más pszichikai trauma, illetve a gyógyszerfüggőség kialakulásában.
Jelentős a szerepe a glutamátnak az ischaemiás állapotok okozta idegsejtpusztulásban is.4
A glutamát receptorokat két csoportba sorolják: ioncsatornákhoz kapcsolt ionotróp receptorokra,5 valamint a G-proteinnel, illetve a sejten belüli másodlagos hírvivő utakkal kapcsolt metabotróp receptorokra.6 Az ionotróp receptorok alcsoportjait exogén ligandumjaikkal (agonistáikkal) különböztetik meg és nevüket is ezekről a ligandumokról kapták (1. ábra):3,7
1. N-metil-D-aszpartáttal (1) szelektíven aktiválhatók az NMDA receptorok,
2. 2(S)-amino-3-(3-hidroxi-5-metilizoxazol-4-il)propionsavval (2) szelektíven aktíválhatók az AMPA receptorok,8
3. káinsavval (3) szelektíven aktíválhatók a kainát (KA) receptorok.
glutamát receptorok (GluR)
ionotróp receptorok (i-GluR) metabotróp receptorok (m-GluR)
NMDA AMPA KA
COOH HOOC
NHMe
COOH NH2 N
O OH
NH HOOC COOH
R S S
1 2 3
1. ábra
Mielőtt az AMPA és a KA receptorokat megkülönböztették, együtt non-NMDA receptoroknak nevezték őket. Érdemes megjegyezni, hogy az AMPA és KA receptorokra történő felosztásnak ma még elsősorban csak molekuláris biológiai szempontból van jelentősége. Farmakológiailag az AMPA és a KA receptorok sok átfedést mutatnak, közösek az agonistáik és antagonistáik. A kainát receptorok pontos szerepe még kevéssé tisztázott.
Jól ismert az AMPA receptorok szerepe olyan akut agyi károsodások esetén, mint az érelzáródás következtében kialakult ischaemiás állapot (stroke) vagy a baleseti agysérülés. Ilyenkor az elsődlegesen sérült agysejtekből glutamát szabadul fel és a nem károsodott szomszédos sejtek AMPA receptorait aktíválva nátrium- és kálcium-ion áramlást indít meg a sejtekbe, ami ahhoz vezet, hogy ezek a sejtek is elpusztulnak. A
károsodott agyterület tehát sokkal nagyobb lesz, mint amit az elsődleges károsodás indokol („excitotoxicitás”). Ezt a másodlagos károsodást lehet AMPA antagonistákkal kivédeni. Különösen előnyösek lehetnek ilyen esetben a nem-kompetitív AMPA antagonisták, amelyek nem versengenek a nagy koncentrációban jelenlévő glutamáttal, ezért alacsony koncentrációban is hatékonyak lehetnek.
A 80-as évek elején a budapesti Gyógyszerkutató Intézetben (GYKI) felfedezték, hogy a GYKI-52466 5H-2,3-benzodiazepin típusú vegyület (4, 2. ábra), centrális görcsgátló és izomrelaxáns hatását az AMPA receptorok nem-kompetitív gátlása révén fejti ki.9 Ennek a felismerésnek a nyomán a GYKI-ben jelentős kutatások kezdődtek új, 2,3-benzodiazepin típusú AMPA receptor antagonisták felfedezésére. E munka kiemelkedő eredménye a talampanel (5, GYKI-53773), amelynek klinikai fejlesztése folyik jelenleg.
N N O
O
CH3
NH2
N N O
O
CH3
CH3 O
NH2
4 (GYKI-52466) 5 (GYKI-53773)
talampanel 2. ábra
A későbbiekben, részben a GYKI-tel együttműködve, az EGIS Gyógyszergyár Rt.
is bekapcsolódott az AMPA antagonisták kutatásába. Ennek a jelentős kutatási területnek egyik részéhez tartozik a 2,3-benzodiazepinekkel rokon szerkezetű dihidroftalazin-származékok vizsgálata.
Disszertációm első részében az új, ftalazin típusú, nem-kompetitív AMPA antagonisták szintézisére irányuló munkámat mutatom be.
A második részben új, várhatóan pozitív AMPA modulátor (PAM) molekulák prekurzorainak szintéziséről számolok be. A pozitív AMPA modulátorok biológiai szerepét majd ott ismertetem.
2. ÚJ, NEM-KOMPETITÍV AMPA ANTAGONISTÁK SZINTÉZISE
Mielőtt saját munkám ismertetésére rátérek, összefoglalom azokat az irodalmi előzményeket, amelyek munkám célját meghatározták.
2.1. A nem-kompetitív AMPA antagonista 2,3-benzodiazepinek irodalma
A GYKI-ben, a Bevezetésben már említett GYKI-52466 (4) vegyület szerkezetéből kiindulva, a hatás-szerkezet összefüggéseket és a toxikológiai eredményeket figyelembe véve, két 3,4-dihidro-2,3-benzodiazepin-származék emelkedett ki: a 3-acetilcsoportot tartalmazó GYKI-53405 (6, 3. ábra), amelynek egyik enantiomerje a klinikai vizsgálaton lévő talampanel (5, 2. ábra), és a 3-metilkarbamoil szubsztituenssel rendelkező GYKI-53655 (7).10
N N O
O
CH3 R
NH2 6, GYKI-53405
(R: CH3CO) 7, GYKI-53655 (R: CH3NHCO)
3. ábra
Sokáig úgy tűnt, hogy a hatékony molekulák szerkezetének elengedhetetlen szerkezeti eleme a metiléndioxi-csoport és az 1-es helyzetű 4-aminofenil szubsztituens.
Ennek figyelembevételével az EGIS-ben a 4-es helyzetű szubsztituens módosításával 8 típusú vegyületek és 3,4-dihidroszármazékaik előállításán kezdtek el dolgozni (4. ábra).11 A GYKI-53405 4-es helyzetben cianocsoporttal szubsztituált származéka, az
EGIS-8332 (9) az egyik leghatékonyabb vegyületnek bizonyult.12 Érdekes megemlíteni, hogy a GYKI-ben hatásosnak találták a 10 3-acetil-3H-2,3-benzodiazepint is.13
N N O
O
R
NH2
O
O CH3
O N
N CH3 CN
NH2
N N O
O CH3
O
NH2
8 9, EGIS-8332 10
R: CH2NR1R2, CONR1R2,
N N N NH
4. ábra
Ugyancsak a GYKI kutatói fedezték fel, hogy a metiléndioxi-csoport klóratomokkal helyettesíthető. A 7,8-diklórszármazékoknál is hatékonyabbak a 8-klórszármazékok, amelyek közül kiemelkedett a GYKI-54605, amelynek hatékony enantiomerje az R-(-)-GYKI-54315 (11, 5. ábra).14,15
N N
CH3
CH3 O
NH2 Cl
11, GYKI-54315
5. ábra
Saját munkámmal párhuzamosan további lényeges új eredmények születtek az előzőekben említett kutatások folytatásaként, amelyeket a teljesség kedvéért megemlítek. A GYKI-ben a 2,3-benzodiazepingyűrű c oldalánál különböző azolgyűrűkkel kondenzált származékokat szintetizáltak, amelyek közül a 12 vegyület emelkedett ki.16,17 Az EGIS-ben jelentős új felismerés, hogy az aminocsoport orto- -helyzetébe bevezetett metilcsoport (ld. 13) jelentősen javítja a molekula metabolikus sajátságait.18,19
Cl N
N
N CH3
NH2
N N
CH3
CH3 O
NH2 Cl
CH3
N N
O
R X
Y
NH2
12, GYKI-47261 13, EGIS-11229 14
X, Y = H, OCH2O, CH3O R = H, Alk, COCH3, CONHAlk
6. ábra
Nyilvánvalóan a GYKI és az EGIS 2,3-benzodiazepin kutatásaitól „ihletve” olasz kutatók gyakorlatilag az összes fentiekben ismertetett molekula 4-on-származékát (14) elkészítették és hasonló receptoriális és farmakológiai hatásokat észleltek.20
A szintetikus munkákkal párhuzamosan folyt a 2,3-benzodiazepinek biokémiai és farmakológiai jellemzése. Megállapították, hogy ezek a vegyületek az AMPA receptoroknak egy ún. allosztérikus kötőhelyéhez kapcsolódva befolyásolják az ioncsatornák működését. A vegyületcsalád egyes tagjai, szelektivitásuk és egyedi hatásmódjuk miatt, referens vegyületekké váltak a glutamát receptorokkal kapcsolatos kutatásokban.
Az 1-(4-aminofenil)-3,4-dihidro-5H-2,3-benzodiazepinek (22) általános előállítását mutatja be a 7. ábra. A szintézis többnyire a megfelelő 15 fenil-acetonból indul. A 15 fenil-acetonból nyert 16 alkohol-származékot Friedel-Crafts jellegű reakcióval 17 izokrománná alakítják, amelyből diketonon (18), illetve a diketonból sav hatására keletkező pirílium-són (19) keresztül állítják elő hidrazinos gyűrűzárással
a 20 2,3-benzodiazepin alapvázat. A szintézis utolsó két lépése a 3,4-kettőskötés, majd a nitrocsoport redukciója.
O CH3 X
Y
OH CH3
O CH3
NO2 CHO
NO2
CH3
NO2 N
N CH3
NH2 N
NH O+
CH3
NO2 X X
Y X
Y
X
Y
O CH3
O
NO2 X
Y
X
Y
X
Y CrO3
NH2NH2 15
16
17 HCl
18
20 19 21
HX
1. NaBH4 1. H2 / Pd
7. ábra
2.2. Célkitűzés
1996-ban a Symphony cég kutatói közzétették,21 hogy a SYM-2207 és a SYM- -2206 jelű 1,2-dihidro-6,7-metiléndioxiftalazinjaik (22) nem-kompetitív AMPA receptor-gátlóknak bizonyultak (8. ábra). Szerkezeti hasonlóságuk a hasonló hatású 2,3-benzodiazepinekkel nyilvánvaló.
N O N
O
CH3
NH R O
NH2
N N
Y O
NH2 X
Cl
22a SYM-2207 (R=Bu) 22b SYM-2206 (R= Pr)
NR1R2
23, célvegyületeink X: H, Cl
Y: H, CH3 8. ábra
A közlemény megjelenésekor úgy gondoltuk, csak mi vagyunk annak az információnak a birtokában, hogy a metiléndioxi-csoport – legalábbis a 2,3- -benzodiazepinek esetében – egy vagy két klóratommal helyettesíthető anélkül, hogy az AMPA antagonista hatás elveszne. Ezért célul tűztük ki a 22 ftalazinok olyan analogonjainak szintézisét, amelyek a metiléndioxi-csoport helyén egy vagy két klóratomot tartalmaznak (23).
Velünk párhuzamosan mások is dolgoztak AMPA antagonista 1,2-dihidro- ftalazinok szintézisén. Pei és munkatársai 6-fluor- és 6-metoxi-1,2-dihidroftalazinokat állítottak elő (24, 9. ábra).22 A GYKI-ben pedig a megfelelő benzodiazepinek analógiájára, a 25 általános képletű ftalazinokat szintetizálták. Ez utóbbiak azonban nem bizonyultak hatékonynak.23
N N CH3
NH R O
NH2 R'
NH2 X
Y
N N N
R
24 R = Et, Pr, Bu R'= F, OMe
25
X, Y = O-CH2-O X = H, Y = Cl Z = N, CH R = alkil, aril
Z
9. ábra
Szintén AMPA antagonista ftalazinszármazékokra (26, 27) jelentett be szabadalmakat a Schering AG (10. ábra). 24,25
CH3
CH3O
Cl N
N NHCH3 O
NO2 O
O N
N N
26 27
10. ábra
2.3. Irodalmi eljárások 1-szubsztituált ftalazinok előállítására
Ftalazinokat leggyakrabban 1,2-diacilbenzolokból (28) hidrazinos gyűrűzárással állítanak elő. 1,2-Diacilbenzolokat etanolos közegben hidrazin-hidráttal reagáltatva 1,4-dialkil-26, 1,4-diaril-27,28 és 1-alkil-4-arilftalazinokat29,30 (29) kaptak jó termeléssel
(11. ábra). A reakcióban természetesen használhatók aldehidek31 és oxovegyületek prekurzorai (geminális dikloridok, 32 ketálok,21, 22 stb.) is.
O
O N
N2H4 / EtOH N reflux R1
R2
R1
R2
28 29
11. ábra
Maga a gyűrűzárás igen egyszerű reakció. Az igazi szintetikus problémát az orto- -diacilbenzol-származékok előállítása jelenti. Erre két út kínálkozik. Az egyik lehetőség, hogy a megfelelő szubsztituenseket (vagy prekurzoraikat) klasszikus aromás elektrofil szubsztitúciós reakciókkal vezetjük be az aromás gyűrűbe. Ennek a reakciótípusnak a hátránya, hogy a benzolgyűrűben lévő szubsztituensektől függően általában izomerek keveréke keletkezik és a kívánt orto-diszubsztituált-származék csak speciális esetekben nyerhető jó termeléssel. A másik, ma már szintén klasszikusnak számító lehetőség, az irányított orto-lítiálást követő funkciós csoport bevezetés.
Természetesen ennek a módszernek az előfeltétele a lítiálást megfelelően irányító csoportok jelenléte a szubsztituálandó molekulában. Ha ezek megvannak, sok esetben regioszelektíven alakítható ki a kívánt új funkciós csoport.
További szubsztituensek vezethetők be a ftalazin heterogyűrűjének szénatomjaira Grignard-reagensekkel vagy alkil-lítiumokkal. Mustafa és mtsai.33 1-alkil- és 1-aril- ftalazinokra (30) Grignard-vegyületet addícionáltak, majd a keletkezett dihidro- származékot (31) kálium-hexacianoferrát(III)-tal ftalazinná (32) oxidálták és így a 4-es helyzetbe egy új szubsztituenst vezettek be (12. ábra).
N N R
NH N R
H (CH2)3NMe2
N N R
(CH2)3NMe2 Me2N(CH2)3MgCl K3[Fe(CN)6]
R= (CH2)3NMe2, Ph, 4-ClC6H4 1.
2. H2O, H+
30 31 32
12. ábra
Hasonlóképpen alkil-lítium vegyületek is addícionálhatók. Hirsch és Orphanos metil-lítiumot addícionáltak ftalazinra.34 A kapott 1-metil-1,2-dihidroftalazin (34) könnyen, a jelenlévő levegő oxigénjének hatására 1-metilftalazinná (35) oxidálódott (13. ábra).
N NH N
N
N
1. CH3Li, THF, 0°C O2 N
2. H2O
33 34 35
13. ábra
A SYM-2207 ftalazinvázának kiépítéséhez szükséges orto-dioxoszármazékot (39) a 36 brómvegyület lítiálását követő, 4-(difenilimino)-N-metoxi-N-metilbenzamiddal (38) történő acilezéssel kapták (14. ábra).21
36-ban a brómatom bevezetésére azért volt szükség, mert enélkül a lítiálás a metiléndioxi- és a ketálcsoport közötti helyzetbe történne (ld. később 26. ábra).35 A 39 benzofenon-származékot hidrazin-monohidrokloriddal reagáltatták és így egy lépésben kapták a 40 1-(4-aminofenil)ftalazin-származékot. Ezután az aminocsoportot acetilezték (41), majd metil-lítiumot addícionáltak a molekulára (42). A karbamoilcsoportokat izocianátokkal vezették be 42-be, majd a kapott 43 vegyületeket dezacetilezve nyerték a 22 célvegyületeket.
A 24 jelű 6-metoxi- és a 6-fluorftalazin-származékot is ugyanígy állították elő.
N N O
O
NH2 O
O
O
N O O
Ph Ph
O
O
O O
Li
N N O
O
NHAc
N NH O
O
NHAc N
N O
O
NHAc
NH-R O
N N O
O
NH2
NH-R O OCH3
N CH3
N Ph
Ph O
O
O
O O
Br BuLi / THF
-78°C
64 %
NH2-NH2.HCl 94 %
Ac2O 85 %
RNCO
CH3Li 4 ekv.
82 %
86 %
45 %
NaOH / MeOH 37
39 40 41
43 42
22a, SYM-2207: R = Bu 22b, SYM-2206: R = Pr
36
+
38
14. ábra
2.4. A SYM-2207 új, klórral szubsztituált analogonjainak szintézise36
Amint már említettem, célul tűztük ki a 23 típusú klórral szubsztituált ftalazinok szintézisét. A 15. ábrán mutatjuk be retroszintetikus elemzésünket.
NH2 N N
Y O
X
Cl N
N
NO2 X
Cl
O
NO2 X CHO
Cl
CH3 X
Cl 23
NR1R2
44
45
46 X a
H Cl b
15. ábra
A 23 célvegyületeket 44 1-nitrofenilftalazinokból terveztük előállítani. A nitrocsoport redukcióját követően lényegében a SYM-2207 esetében megismert szintézisút járható. A 44 jelű vegyületek prekurzorai a 45 orto-dioxovegyületek. A 45a (X=Cl) diklórszármazék várhatóan könnyen előállítható klasszikus Friedel-Crafts kémiával:37,38 3,4-diklórtoluol (46a) nitrobenzoilezésével, majd a metilcsoport oxidációjával. A 46b (X=H) monoklórszármazék esetében a hasonló nitrobenzoilezés az
irodalom szerint izomerek keverékéhez vezet.39 Minthogy a munkánknak ebben a stádiumában nem tudtunk jobb, például lítiumorganikus szintézisutat javasolni, ennél a megoldásnál maradtunk.
A 3,4-diklórtoluolból 4-nitrobenzoil-kloriddal végzett Friedel-Crafts reakcióval állítottuk elő a 47a jelű benzofenon-származékot (16. ábra). Ezt követően a metilcsoportot irodalmi analógiák alapján40,41 króm(VI)-oxiddal ecetsav-anhidrid jelenlétében oxidáltuk a megfelelő benzaldehid-diacilállá (48a). A diacilált hidrazin- -monohidráttal reagáltatva megkaptuk a 44a ftalazinszármazékot.
CH3 Cl
Cl O
NO2
CH(OAc)2 Cl
Cl O
NO2
Cl
Cl
NO2 N N CH3
Cl
Cl
H2N-NH2
Cl O O2N
AlCl3
CrO3 Ac2O, H2SO4
53 % 42 %
91 % 46a
47a 48a
44a 16. ábra
4-Klórtoluolból (46b) kiindulva a Friedel-Crafts benzoilezés az irodalomban leírtakkal megegyezően két terméket (47b és 49, 17. ábra) szolgáltatott (a metilcsoporthoz, illetőleg a klórhoz képest orto-benzoilezett-származékot) 1:1 arányban.
CH3
Cl O
NO2 CH3
Cl
Cl O O2N
Cl
C
H3 O
NO2
Cl
NO2 N
N H2N-NH2 Cl
(AcO)2HC O
NO2 CrO3
CH(OAc)2
Cl O
NO2 AlCl3
46b
47b
+
49
48b
+
44b 50
61 %
Ac2O, H2SO4 44 %
33 %
17. ábra
A két vegyületet nem tudtuk kristályosítással elválasztani, sem a Friedel-Crafts acilezés, sem a metilcsoport oxidációja után. Hidrazinos gyűrűzárásra viszont csak a 48b vegyület képes, az 50 pedig nem. A rosszul oldódó 44b ftalazin a reakcióelegyből kikristályosodott.
23a-e célvegyületeinket a következőképpen állítottuk elő: 44 ftalazint nátrium- -tetrahidridoboráttal az 51 jelű 1,2-dihidrovegyületetté redukáltuk (18. ábra). A 2-es pozícióban a karbamoilcsoport kialakítására új módszert alkalmaztunk, amely kutatócsoportunkban, az oxindolok N-karbamoilezésénél már bevált.42 51 vegyületet N-fenoxikarbonileztük, majd a megfelelő 52 vegyület nitrocsoportját katalitikus hidrogénezéssel redukáltuk. Ezután 53 N-fenoxikarbonil-csoportját különböző aminokkal reagáltatva 23a-e célvegyületekhez jutottunk. Módszerünkkel – a 22 (SYM- -2206, 2207) vegyületek előállításakor alkalmazott izocianátos eljárással21,22 ellentétben (14. ábra) – nemcsak N-szubsztituált, hanem N,N-diszubsztituált karbamoil- származékok is előállíthatók.
X
Cl
NO2 N NH NaBH4
Cl-COOR
X Cl
NH2 N
N R
O X
Cl
NH2 N N
O
X
Cl
NO2 N
N R
O
NO2 N X N
Cl
MeOH, CH2Cl2 Ac2O
H2, Pd/C
NR1R2 HNR1R2
51 52
23a-e 53
64-87 % 79-89 %
81-98 %
61-96 % 44
vagy
44, 51 X
a Cl
b H
52, 53 X R
a Cl OPh
b Cl OEt
c H Me
d H OPh
23 X R1 R2
a Cl H Bu
b Cl H Pr
c Cl H
d Cl –(CH2)4–
e H H Bu
18. ábra
Érdekes megemlíteni, hogy a megfelelő etoxikarbonil-származék (53b) nem alkalmas az N-karbamoilcsoportok kialakítására, miként ezt az oxindolok esetében is tapasztalták kutatócsoportunkban.
A 23f-i ftalazinok 1-metilcsoportját az irodalomból ismert módon,21,22,34 metil- -lítium addíciójával vezettük be (19. ábra). Minthogy a nitrocsoport alkil-lítiumokkal általában nem kompatibilis, először 44-et vaspor és tömény sósav jelenlétében
redukáltuk, majd az aminocsoportot ecetsav-anhidriddel acetileztük (55). Ezt követően metil-lítium addícióval megkaptuk az 56 1-metil-1,2-dihidroftalazin-származékot, amelyet – a korábbiakat figyelembe véve – klórhangyasav-fenilészterrel acileztünk. Az 57 fenilészter-származékokat aminokkal reagáltattuk, végül pedig az acetil- -védőcsoportot eltávolítva megkaptuk a célvegyületeket (23f-i).
X Cl
NHAc N NH Me X
Cl
NHAc N N Me
OPh O
X Cl
NHAc N N
ClCOOPh X
Cl
NH2 N N
X Cl
NH2 N N Me O X
Cl
NHAc N N Me O X
Cl N
N
NO2
MeLi / THF Fe / cc. HCl
EtOH Ac2O / MeOH
44 55
57 56 54
NR1R2 HNR1R2
NaOH H2O
23f-i
NR1R2
58
61-85 % 74-84 %
51-68 %
62-75 % 74-97 %
32-93 %
44, 54-57 X a Cl b H
23, 58 X R1 R2 f Cl H Bu g Cl H h Cl -(CH2)4- i H H Bu THF
TEA
19. ábra
Összefoglalva elmondhatjuk, hogy sikerrel valósítottuk meg a SYM-2207 klórral szubsztituált analogonjainak a szintézisét. Eljárásunkkal nemcsak N-szubsztituált, hanem N,N-diszubsztituált karbamoil-származékokat is elő tudtunk állítani.
A biológiai vizsgálatra küldött vegyületeink AMPA antagonista hatása sajnos nem igazolta várakozásunkat, farmakológiai hatásuk elmaradt a SYM-2207 (22a) vegyületétől, amely a munkát iniciálta.
3. ÚJ, POZITÍV AMPA MODULÁTOROK PREKURZORAINAK SZINTÉZISE
A következőkben ismertetendő szintetikus munka távolabbi célja új pozitív AMPA modulátorok előállítása volt. Szabadalmi okokból azonban csak a célmolekulák prekurzorainak szintézisét ismertetem, megjegyezve, hogy a munkának ez a része tartalmaz kémiai újdonságokat.
3.1. A pozitív AMPA modulátorok szerkezete, biológiai szerepe43
Az előzőekben (ld. Bevezetés) ismertettem az ionotróp glutamát receptoroknak ischaemiás állapot vagy baleseti agyi sérülés következtében kialakuló, túlzott aktiválása által okozott agyi károsodást. Ugyanakkor ismert tény, hogy a glutamáterg funkciónak a korral vagy betegségekkel járó csökkenése szintén komoly zavarokat okoz, különösen a memóriában és a tanulási készségben.
Felismerték, hogy vannak olyan molekulák, amelyek az AMPA receptorok allosztérikus kötőhelyeihez kapcsolódva megnövelik az AMPA agonisták hatását (pozitív AMPA modulátorok, PAM) és ily módon a glutamáterg funkciót javítva jó hatással vannak a memóriára és a tanulási készségre.
Elsőként az aniracetam (59) nootróp gyógyszer kapcsán (20. ábra) fedezték fel, hogy potencírozza az AMPA receptor közvetítette serkentő szinaptikus potenciálokat és az agonistával kiváltott AMPA receptor mediálta sejtválaszokat.44
Mindebből feltételezték, hogy az aniracetam memóriajavító hatása mögött az AMPA receptorok pozitív modulálása állhat.45 Az aniracetam nem túl hatékony AMPA modulátor, ezért a Cortex Pharmaceuticals cég számos új vegyületet állított elő, amelyek szerkezetileg az aniracetamhoz hasonlítanak, de metabolikusan stabilisabbak.46 E csoportból kiemelkedett az 1-BCP (vagy BA-14, 60) és a CX-516 (vagy BDP-12, 61) jelű. Ezek a vegyületek azóta is a legrészletesebben vizsgált pozitív modulátorok.47
N H
NH S
Cl H2NO
2S
O O
N H
NH Cl S
O O
NH Cl S
O O
N H N
N N
O N
O O
MeO
O O
N O
NH N Cl S
O O
63 cyclothiazide
64 IDRA 21
65 S-18986 61
CX-516 (BDP-12) 59
aniracetam
60 1-BCP(BA-14)
62 diazoxide
20. ábra
pozitív modulátorok másik csoportját az 1,2,4-benzotiadiazinok alkotják. A diazo
) ú szulfonamid-származék is pozitív AMPA modu
3.2. Célkitűzés
A fentiekben bemutatott pozitív AMPA modulátor 1,2,4-benzotiadiazinok szerk
A
xide (egy egyébként értágítóként használt hatóanyag, 62) volt a csoport prototípusa (lead vegyülete), melyről kiderült, hogy jelentősen növeli az AMPA közvetítette sejtáramokat és a szinaptikus potenciálokat.48 A diazoxide-dal azonos alapvázat tartalmazó, jelenleg diuretikus gyógyszerként alkalmazott cyclothiazide (63) az egyik leghatékonyabb és legalaposabban vizsgált pozitív AMPA modulátor.49 Ezeknek a vegyületeknek a mintájára szintetizálták a szintén hatékony IDRA 2150 (64 és az S-1898651 (65) vegyületeket.
Újabban néhány nyíltlánc látornak bizonyult.52
ezetéből kiindulva olyan klórral szubsztituált benzolgyűrűvel kondenzált heterociklusos vegyületek szintézisét terveztük, amelyekben a heterogyűrű szulfonilcsoporttal és egy szénatommal kapcsolódik az aromás gyűrűhöz (66, 21. ábra).
O S
R
O O
Cl
R O O
Cl Cl
Li
R O O Cl
O R Cl
66 67
68 69
S
21. ábra
Ezeknek a heterociklusos vegyületeknek potenciális prekurzorai a 67 típusú, orto- -helyzetben klórszulfonilcsoportot tartalmazó ketonok.
A 67 típusú vegyületek előállítására az irodalomban csak néhány egyedi példa található.53 Szélesebb körben használható szintézismódszer nem ismert.
Lehetőségeinket átgondolva arra a döntésre jutottunk, hogy a 67 típusú vegyületeket lítiumorganikus úton kíséreljük meg előállítani a viszonylag könnyen hozzáférhető 69 acetofenonokból, a megfelelő ketálok orto-lítiálásával kapott 68 vegyületeken keresztül.
Ennek értelmében célul tűztük ki a klórral szubsztituált acetofenon-ketálok lítiálásának tanulmányozását és a lítiumvegyületeken keresztül a megfelelő orto- -helyzetben szulfonilcsoportot tartalmazó acetofenon-származékok előállítását.
3.3. Benzol-származékok lítiálásának rövid áttekintése
Jól ismert, hogy a benzolgyűrű heteroatomot is tartalmazó szubsztituensei (directed metalation groups, DMG’s) elősegítik, hogy egy alkil-lítium reagenssel a szubsztituenshez képest orto-helyzetben proton–lítium csere menjen végbe (22.
ábra).54,55
DMG
Li E DMG
DMG DMG
H R
Li
E X δ−
δ+ -RH
δ+ δ−
(-LiX)
22. ábra
A heteroatom hatását egyrészt elektronvonzó sajátságával magyarázzák, amely megnöveli az orto-helyzetű protonok savasságát, másrészt pedig azzal, hogy koordinálni képesek a lítiáló ágenst, ezáltal elősegítve az orto-helyzetű proton–lítium cserét. A két hatás együtt általában igen jó regioszelektivitást eredményez. A lítiált vegyületeket különböző elektrofilokkal reagáltatva, a szubsztituensek rendkívül széles körét vezethetjük be a DMG-csoporthoz képest orto-helyzetbe, lehetőséget adva ezzel – többek között – új gyűrű anellálására.56
Ha egy aromás gyűrűhöz több orto-irányító csoport is kapcsolódik, akkor általánosságban azt mondhatjuk, hogy a szubsztituensek relatív irányító képessége dönti el a lítiálás eredményét. Regioszelektív lítiálást ilyenkor vagy akkor várhatunk, ha az egyik szubsztituens irányító képessége jelentősen dominál, vagy ha a szubsztituensek ugyanabba a pozícióba irányítanak (23. ábra).
DMG
DMG
DMG
DMG
DMG
DMG
1
2
1 1
2
2
70 71 72
23. ábra
A lítiálás helyét azonban – a csoportok minőségén túl – a lítiáló ágens minősége, az oldószer, az alkalmazott hőmérséklet és reakcióidő, tehát kinetikai és termodinamikai tényezők bonyolult rendszere is befolyásolja.
A para-diszubsztituált vegyületek (70) irányítási szabályait sokat vizsgálták többek között azzal a céllal is, hogy valamiféle hierarchiát állítsanak fel az orto-irányító csoportok között.54,55,57 Ezek a vizsgálatok igen sok ismerettel gazdagították a szerves lítium kémiát, a kapott eredmények azonban értelemszerűen csak „tájékoztató jellegűek”, az adott reakciókörülményekre és lítiáló ágensekre érvényesek.
Az orto-diszubsztituált vegyületek (71) lítiálása esetében a legnehezebb
„megjósolni” mi is fog történni a lítiálás során. A két irányító csoport és a lítiáló ágens kölcsönhatása gyakran nem várt reakciókhoz vezet, amely pl. valamelyik irányító csoport átalakulásával is jár.58
A tapasztalatok szerint a meta-diszubsztituált vegyületek (72) esetében a legbiztosabb a várható eredmény: a lítiálás leggyakrabban a két csoport közös orto- -helyzetébe történik. Bizonyos esetekben, a reagens megfelelő megválasztásával azonban elérhető az is, hogy a lítiálás ne a köztes pozícióban, hanem valamelyik irányító csoport másik oldalán történjen. Ezt úgy is elérhetjük, hogy először a köztes pozícióba védőcsoportot (pl. trimetilszililcsoportot) viszünk be.59
Az irodalom a ketálcsoportot a gyenge, a klóratomot a közepes erősségű orto- -irányító csoportok közé sorolja.54
3.4. Benzaldehid-acetálok és acetofenon-ketálok lítiálása az irodalomban
Narasimhan60 az acetofenon etilén-ketálját (73, 24. ábra) butil-lítiummal éterben, szobahőmérsékleten lítiálva, majd benzofenonnal reagáltatva 15%-os termeléssel kapta a 75 tercier-alkoholt. A lítiálási reakcióban a ketál bomlását is megfigyelte.
Li O O O
O
O O
Ph Ph
BuLi / Et2O OH 25 °C, 3h
PhCOPh
73 74 75
15 %
24. ábra
Japán kutatók61 m-benziloxiacetofenon-ketált (76) lítiáltak (25. ábra), majd metil- -kloroformáttal reagáltattak és így 81 %-os termeléssel kapták a két irányító csoport között szubsztituált terméket (77).
O O OBn
O O OBn
COOCH3 ClCOOCH3
1. BuLi / toluol / 25 °C 2.
76 77
81 %
25. ábra
Plaumann és mtsai. az egy vagy két metoxi- és metiléndioxi-csoporttal szubsztituált benzaldehid-dimetilacetálok lítiálását vizsgálták. Butil-lítiummal egyedül a 3,4-dimetoxi- és a metiléndioxi-származékot (78a és 78b) sikerült jó termeléssel metallálniuk (26. ábra).
OMe OMe
E
OMe OMe 1. BuLi / Et2O
78a: -78°C 78b: -78 -› 0°C R1
78a: R1, R2 = OMe 78b: R1 + R2 = OCH2O
79a: 81-90%
79b: 60-90%
R1
2. elektrofil reagens
R2 R2
26. ábra
A m- és a p-metoxiszármazékok (78c és 78d) esetében regioszelektív lítiálást csak terc-butil-lítium használatakor kaptak.
OMe OMe
E
OMe OMe 1. terc-BuLi / Et2O
78c: -78°C 78d: -23°C
78c: R1= OMe, R2 = H 78d: R1 = H, R2 = OMe
79c: 22-40 % 79d: 41-68 % 2. elektrofil reagens
R1 R1
R2 R2
27. ábra
Hasonló eredményre jutottak olasz kutatók62 1991-ben. A 3,4-dimetoxi- (80a), a 3,4-metiléndioxi- (80b) és a 4-klór-3-metoxibenzaldehid-dimetil-acetált (80c) butil- -lítiummal, 0 °C-on, 1 órát kevertették, majd széndioxiddal reagáltatták, végül sósavval kezelték (28. ábra). Így nyerték a 81 ftalidszármazékokat. A 3-metoxiszármazék (80d) hasonló körülmények között nem eredményezett terméket, és 24 órás reakcióidő után is csak gyenge termeléssel kapták 81d-t.
OMe
OMe O
O
OH 80a: R1= Me, R2= OMe
80b: R1+R2= OCH2
81a: 95 % 81b: 51 % 81c: 68 % 81d: 20 % 1. BuLi / dietil-éter / 0°C
80a-c: 1h 80d: 24h
2. CO2 3. HCl
80c: R1= Me, R2= Cl 80d: R1= Me, R2=H
OR1 OR1
R2 R2
28. ábra
Bridges és munkatársai63 p- és m-fluorbenzaldehid-származékokat (82 és 84) lítiáltak TMEDA (N,N,N’,N’-tetrametil-etiléndiamin) jelenlétében (29. ábra). A para- -származék esetében a fluor melletti orto-helyzet lítiálódott, a m-fluorszármazék esetében a lítiálás a két irányító csoport közé történt.
F
O O
F
CHO
O O
F
O O
F
CHO
O O 1. BuLi / TMEDA / THF / -78 °C
2. DMF
1. BuLi / TMEDA / THF /-78 °C 2. DMF
82 83
84 91 % 85
49 %
29. ábra
Olasz kutatók írták le a 86, metoxicsoportokat tartalmazó dezoxibenzoin- -ketálok lítiálását.64 A lítiálás 0 °C-on a metoxi- és az 1,3-dioxolán-2-il-csoport közé történt, a két metoxicsoportot tartalmazó gyűrűbe (30. ábra).
O O OMe
MeO MeO
O O OMe
MeO
MeO Li
BuLi / Et2O 0°C
86 87
30. ábra
Abban az esetben is a két metoxicsoportot tartalmazó gyűrűbe történt a lítiálás, ha a 3,4-dimetoxifenil- és a 1,3-dioxolán-2-il-csoport között egy metiléncsoport helyezkedett el (31. ábra).
O O MeO
MeO
OMe
O O MeO
MeO
OMe Li BuLi / Et2O
0°C
88 89
31. ábra
Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a benzaldehid-acetálok és az acetofenon- -ketálok lítiálásának irodalma szegényes. Általában elmondhatjuk, hogy az acetál-, illetve a ketálcsoport egy hozzá képest meta-helyzetű irányító csoporttal együttműködve jó lítiálásokat eredményez a köztes helyzetbe. Egyéb szubsztitúciós minta jó kitermelésű lítiálására kevés példa van.
3.5. Klórbenzolok lítiálása az irodalomban
A klór orto-irányító képessége régóta ismert és alaposan tanulmányozott54,55 jóllehet ezt sokáig csak polihalogénezett klórszármazékok65 esetében, illetve más orto- -irányító csoportokkal együtt vizsgálták.66,67
A klórral szubsztituált aromás vegyületek lítiálását nehézkesnek tartották. Egyrészt magasabb hőmérsékleten konkurens reakcióként végbemehet a klór–lítium csere (91), másrészt az elsődlegesen képződött orto-lítiált klórvegyületből (92) –50 °C felett lítium- -klorid eliminálódik, arint képezve (93, 32. ábra).68 Néha ezt a reakciót tudatosan is felhasználják cikloaddíciós reakció reagensének generálására.
Cl Li
R R R
Cl
Li BuLi R
BuLi - LiCl
90
91 92 93
32. ábra
Sokáig azt feltételezték, hogy az o-lítio-klórbenzol a klórbenzol butil-lítiumos metallálásával nem állítható elő, mert a lítiálás olyan hőmérsékleten játszódik le, ahol már az arinképződés (93) a meghatározó. Ezért az o-lítio-klórbenzolt (95) először o-bróm-klórbenzolból (94) állították elő bróm–lítium cserével, mivel ez a reakció már – 100 °C-on lejátszódik (33. ábra).69
Cl
Li Cl
Br
BuLi / THF -100 °C
94 95
33. ábra
Klórbenzolból a sokkal reakcióképesebb szek-butil-lítiummal Iwaonak sikerült előállítania o-lítio-klórbenzolt (34. ábra).70
Cl
Li Cl szek-BuLi / THF / -105° / 3 h
96 95
34. ábra
A 2-klóranizol (97) és a 2-klór-(terc-butil-dimetilszililoxi)benzol (99) esetében a fentiekkel hasonló körülmények között a klór mellé történt a lítiálás (35. ábra).
Cl Cl
Li
Cl Cl
Li
terc-BuMe2SiO terc-BuMe2SiO
szek-BuLi / THF / -105 oC / 2h
97 98
99 100
MeO MeO
szek-BuLi / THF / -105 oC / 2h
35. ábra
3-Klóranizol (101) lítiálásakor (36. ábra) a köztes pozíció metallálódott, míg a hasonló terc-butil-dimetilszililoxi-származék (103) esetén – a sztérikus gátlás miatt – a klór nem közös orto-helyzete.
Cl Cl
Li
Cl Cl
Li
terc-BuMe2SiO terc-BuMe2SiO
szek-BuLi / THF/ -105 oC / 1 h
szek-BuLi / THF/ -105 oC / 3 h
101 102
103 104
MeO MeO
36. ábra
4-Klóranizol (105) lítiálásakor (37. ábra) a metoxicsoport mellé történik a metallálás. Az előző példához hasonlóan, a terc-butil-dimetilszililoxi-származék (107) esetén a klór mellé metalláltak.
Cl Li Cl
Cl Cl
Li
terc-BuMe2SiO terc-BuMe2SiO
szek-BuLi / THF / -105 oC / 1 h
szek-BuLi / THF / -105 oC / 2 h
105 106
107 108
MeO MeO
37. ábra
4-Klóranizolt már Iwao előtt is metalláltak butil-lítium alkalmazásával dietil- -éteres közegben.71,72 Ezekben az esetekben is a metoxicsoport mellé történt a lítiálás közepes termeléssel (56 %). Lényegesen javítható a metoxicsoport mellé történő lítiálás termelése (86-88 %), ha oldószerként dietil-éter helyett 1 mól tetrahidrofuránt
tartalmazó ciklohexánt használnak.68c Slocum mutatott rá, hogy csak tetrahidrofuránt alkalmazva a klór mellé metallált termék (110) is keletkezik és a reakciókörülmények között (butil-lítium, tetrahidrofurán, 25 °C) arin vegyületen keresztül (111) dimerszármazék (112) képződik (38. ábra). Összehasonlítva az anizol és a 4-klóranizol azonos körülmények között végzett metallálását, azt tapasztalták, hogy a 4-klóranizol sokkal gyorsabban lítiálódik.
Cl
OMe
Cl
OMe
Li
Cl
OMe
Li
OMe
Cl
OMe
E
Cl OMe
OMe BuLi / THF
25°C
E-X
105 106
110 111
109
112
38. ábra
Kress és mtsa73 m-diklórbenzolt (113) butil-lítiummal, –70 °C-on jó termeléssel a köztes pozícióba metalláltak (39. ábra). Különböző elektrofilekkel 78-92 %-os termeléssel nyerték a megfelelő származékokat. Magasabb hőmérsékleten (–45 °C felett) lítium-klorid eliminációval képződött termék keletkezését észlelték.
Cl Cl
E
Cl Cl
113 114
1. BuLi / THF / -70 °C
78-92 % 2. elektrofil reagens
39. ábra
Bridges és mtsai.74 p-fluor-klórbenzol (115) lítiálásakor lítium-diizopropilamid (LDA) használata esetén azt tapasztalták, hogy nagyrészt 2-fluoro-5-klórbenzoesav (116) keletkezett, de 1 %-ban a klór melletti pozíció is lítiálódott (117, 40. ábra).
Schlosser nemcsak nagyobb termelést, de teljes regioszelektivitást is észlelt kálium- -terc-butilát – butil-lítium (LICKOR) használatakor.75
F
Cl
F
Cl
COOH
F
Cl
COOH
115 116 117
+
n-BuLi / LDA 57 % 1 %
n-BuLi / terc-BuOK 86 % 0 %
40. ábra
Schlosser és mtsai76 klór-trifluormetilbenzolokat lítiáltak. Az o- és a p-klór- -trifluormetilbenzolok esetében (118 és 120, 41. ábra) butil-lítiumot és TMEDA-t használva minden esetben a klór mellé történt a lítiálás jó termeléssel.
Cl CF3
Cl
Li CF3
CF3
Cl
Li CF3
Cl BuLi / TMEDA / THF
-75 oC
118 119
BuLi / TMEDA / THF -75 oC
120 121
76 %
67 %
41. ábra
A m-klór-trifluormetilbenzol (122) már TMEDA használata nélkül is reakcióképesnek bizonyult. Butil-lítium használatakor a metallálás a köztes pozícióba történt (42. ábra). A klór másik, nem köztes pozíciójába történt a metallálás szek-butil- -lítium használata esetén.
CF3
Cl
Li
Cl CF3
CF3
Cl Cl
CF3
Li BuLi / THF / -75 oC
122 123
80 %
szek-BuLi / THF / -75 oC
122 124
67 %
42. ábra
Összefoglalva elmondható, hogy a klórral szomszédos helyzetbe csakis –78 °C-on vagy alatta lehetséges lítiálni és az elektrofillal történő reakció közben sem emelkedhet jelentősen a hőmérséklet, mert az a lítiumvegyület bomlásához vezet.
3.6. Új, orto-funkcionalizált acetofenon-származékok előállítása77
Az irodalmi adatok ismeretében reálisnak tűnt, hogy terveinknek megfelelően elkezdjük a klórral szubsztituált acetofenon-ketálok lítiálására irányuló kísérleteinket.
A szubsztituált acetofenonokat (125a-f) vagy a kereskedelmi forgalomból vásároltuk (125a, 125b, 125f), vagy az irodalomból ismert módszerekkel állítottuk elő (125c78, 125d79, 125e80), majd az irodalomból ismert módon 126 etilén-ketálokká alakítottuk (43. ábra).81 Ez utóbbiak közül a 126a,82,83 és a 126f84 az irodalomból ismert, a többi vegyület új.
O O
O R1
R2
R1 R2
etilénglikol
p-toluolszulfonsav / toluol
R3 R4 R3 R4
125a-f 126a-f
R1 R2 R3 R4 126 (%)
a H Cl H Me 91
b H Cl H Et 97
c Cl Cl H Me 91
d Cl Cl H Et 90
e Cl Cl Me Me 86
f Cl H H Me 83
43. ábra
Elsőként a p-klóracetofenon-ketált (126a) lítiáltuk (44. ábra). A reakciót 1,6 mólnyi butil-lítiummal, tetrahidrofuránban, 0 °C-on végeztük. Két órás reakcióidő után a kapott szuszpenziót szárazjégre öntöttük. Jó termeléssel (91 %) kaptuk a 128a karbonsavszármazékot.