Синтез та біологічна активність похідних тіазолу та 4-тіазолідинону з азольними фрагментами у молекулах

Федусевич О.-М.В. Синтез та біологічна активність похідних тіазолу та 4- тіазолідинону з азольними фрагментами у молекулах. – Кваліфікаційна
наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за спеціальністю 226 – Фармація, промислова фармація (22 – Охорона здоров’я). – Львівський̆ національний̆ медичний̆ університет імені Данила Галицького МОЗ України, Львів, 2025.
Дисертаційна робота присвячена синтезу нових похідних тіазолу та 4- тіазолідинону з азольними фрагментами у молекулах, вивченню їх фізико-
хімічних параметрів та біологічних властивостей. На основі аналізу літературних джерел визначено підходи та методи синтезу цільових сполук, з використанням реакцій [2+3]-циклоконденсації, Кньовенагеля, Кляйзена-Шмідта та гетеро-Дільса-Альдера. Встановлено, що поєднання  тіазолідинонового або тіазольного фрагментів з індольним ядромв одній молекулі є перспективним підходом до молекулярного дизайну біологічно активних сполук. Така стратегія відкриває широкі можливості для створення нових гетероциклічних структур, які можуть мати лікоподібні
властивості та виявляти різноманітні види біологічної активності. Зокрема, синтезовані сполуки демонструють перспективи у розробці нових
протиракових, протимікробних, протипаразитарних, протидіабетичних агентів, а також можуть бути корисними для лікування інших патологічних
станів. Це підкреслює важливість подальших досліджень у напрямку розробки інноваційних гетероциклічних сполук із високим фармакологічним
потенціалом. Розроблено синтетичні підходи до створення 4-тіазолідинон/тіазол- індол/ізоіндольних гібридних структур, що дало змогу поєднати фармакофорні фрагменти різної структури в межах однієї молекули, спрямовуючи їх на конструювання потенційних «лікоподібних» сполук.
Виявлено, що найкращим методом синтезу 1-(1,3-діоксоізоіндолін-2- іл)тіосечовини є взаємодія фталевого ангідриду та тіосемікарбазиду в ДМФА
протягом 2 годин, що дозволяє уникнути утворення 2,3-дигідрофталазин-1,4- діону як побічного продукту. [2+3]-Циклоконденсацією 1-(1,3-
діоксоізоіндолін-2-іл)тіосечовини чи тіосемікарбазонів ізатину та 2-феніл- 1Н-індол-3-карбальдегіду як S,N-бінуклеофілів з такими еквівалентами
діелектрофільного синтону [C2]2+ як монохлороцтова кислота, ароїлакрилові кислоти, малеїніміди, дигептилмалеат та 3-хлоро-2,4-пентандіон одержано серії 4-тіазолідинон/тіазолів з ізоіндольними та індольними фрагментами у молекулах. В умовах трикомпонентної однореакторної взаємодії 1-(1,3-діоксоізоіндолін- 2-іл)тіосечовини, монохлорооцтової кислоти та ізатинів, яка поєднує [2+3]- циклоконденсації та реакцію Кньовенагеля, синтезовано 4-тіазолідинон- індол-ізоіндол гібридні молекули, причому зазначені сполуки можуть бути отримані альтернативно реакцією Кньовенагеля 2-((4-оксо-4,5-дигідротіазол- 2-іл)аміно)ізоіндолін-1,3-діону з похідними ізатину. Для синтезованих 2-((4- оксо-4,5-дигідротіазол-2-іл)аміно)ізоіндолін-1,3-діону є характерною прототропна аміно-імінна таутомерія, що підтверджено аналізом спектрів ЯМР.
Встановлено, що 2-((5-ацетил-4-метилтіазол-2-іл)аміно)ізоіндолін-1,3-діон, 3- (2-(5-ацетил-4-метилтіазол-2-іл)гідразиніліден)індолін-2-он та 1-(4-метил-2- (2-((2-феніл-1Н-індол-3-іл)метилен)гідразиніл)-тіазол-5-іл)етан-1-он є ефективними реагентами у реакції конденсації Кляйзена-Шмідта з
альдегідами в умовах абсолютного етанолу та за каталітичної дії трет- бутилату калію, що дозволяє отримати серії 5-(3-арилакрилоїл)-4- метилтіазолів з ізоіндольними та індольними фрагментами у молекулах. Взаємодія 5-(3-арилакрилоїл)-4-метилтіазолів з гідразин-гідратом у середовищі оцтової приводить до утворення до піразол-тіазольних гібридних молекул, що підтверджено синтезом 3-(2-(5-(1-ацетил-5-(4-метоксифеніл)- 4,5-дигідро-1H-піразол-3-іл)-4-метилтіазол-2-іл)гідразиніліден)індолін-2-ону. Конденсацією Кньовенагеля похідних 2 тіоксотіазолідин-4-ону із індол-карбальдегідами у середовищі етанолу та каталітичній участі етилендіаміндіацетату одержано роданін-індол гібридні молекули. Встановлено, що метиліденовий замісник синтезованих сполук у положенні 5 роданінового кільця у спектрах 1Н ЯМР характерний синглетом в ділянці ~7.70-8.00 м.ч., що свідчить про Z-конфігурацію іліденового фрагменту 5-ен- індол-роданінів. Реакцією гетеро-Дільса-Альдера 5-індоліден-4-тіоксо-2-тіазолідинонів як гетеродієнів з акролеїном, малеїнімідами, 2-норборненом та імідами ендикової кислоти як дієнофілів регіо- та діастереоселективно одержано серії індолзаміщених тіопірано[2,3-d]тіазолів як потенційних біологічно активних сполук. Показано, що реакцією Кньовенагеля ізороданіну та його 3-заміщених похідних з серією індол-3-карбальдегідів при використанні етилендіаміндіацетату як каталізатора в середовищі етанолу синтезовано ряд 5-індоліден-4-тіоксо-2-тіазолідинонів, як вихідних гетеродієнів для молекулярного конструювання нових тіопірано[2,3-d]тіазолів в реакціях [4+2]-циклоприєднання. Встановлено, що регіо- та діастереоселективність реакції гетеро-Дільса- Альдера, а також чистота і структура синтезованих сполук підтверджена методами спектроскопії ЯМР та хромато-мас-спектрометрії.
Ідентифіковано потенційний протираковий агент 2-((5-(3-(2- фторофеніл)акрилоїл)-4-метилтіазол-2-іл)аміно)ізоіндолін-1,3-діон, який за
результатами скринінгу у Національному Інституті Раку США проявив суттєву протиракову активність щодо клітин недрібноклітинного раку легень, ЦНС, меланоми, раку яєчників, простати та молочної залози, причому інгібуюча активність щодо 51 клітинної лінії пухлин людини з 59 становила
GI50 < 20 мкМ при середніх значеннях GI50/TGI/LC50 15.72/50.68/91.85 мкМ. Методами молекулярного докінгу та молекулярної динаміки обґрунтовано імовірний механізм протипухлинної дії (2-((5-(3-(2- фторофеніл)акрилоїл)-4-метилтіазол-2-іл)аміно)ізоіндолін-1,3-діону як інгібітора тирозинкіназ EGFR та HER2, що є підставою для подальшого поглибленого вивчення сполуки як потенційного протиракового агента. Виділено 1-(4-метил-2-(2-((2-феніл-1Н-індол-3-іл)метилен)гідразиніл)-4,5- дигідротіазол-5-іл)етан-1-он, який продемонстрував значний селективний вплив на клітини лінії Jurkat гострого Т-клітинного лімфобластного лейкозу людини (ІС50=2.818) при терапевтичному індексі щодо псевдонормальних
клітин на рівні 8.0. У результаті скринінгу на протиракову цитотоксичність ідентифіковано норборнан-заміщене похідне індол-тіопірано[2,3-d]тіазолу, яке проявило суттєвий ефект щодо ліній недрібноклітинного раку легень NCI-H522 та раку нирок лінії UO-31 на фоні помірного впливу на лінії лейкемії, рак кишківника та ЦНС, меланоми, раку яєчників, простати, нирок та молочної залози, що є важливим аргументом та предмет структурної модифікації сполуки для пошуку нових високоселективних протиракових агентів Ідентифіковано та рекомендовано для поглиблених досліджень синтезований rel-(4aR,7aR,8S)-8-(1H-індол-3-іл)-3,4a,7a,8- тетрагідропіроло[3',4':5,6]тіопірано[2,3-d]тіазол-2,5,7(6H)-тріон, що проявив високу дію на мікромолярному рівні щодо ліній лейкемії K-562 і SR, епітеліального раку HCT-116, раку ЦНС U251, раку яєчників OVCAR-8 та раку молочної залози HS 578T. На основі поєднання докінгу та молекулярної динаміки обґрунтовано високу теоретичну афінність сполуки до α-
субодиниці тубуліну, що вказує потенційну можливість ефективного зв’язування сполуки-хіта з зазначеною біомішенню і є підставою для
поглиблених досліджень. Показано, що дослідження з використанням методу молекулярної динаміки свідчить про високу структурну стабільність комплексу тубуліну з rel- (4aR,7aR,8S)-8-(1H-індол-3-іл)-3,4a,7a,8- тетрагідропіроло[3',4':5,6]тіопірано[2,3-d]тіазол-2,5,7(6H)-тріоном, яка
забезпечується, в основному, за допомогою водневих зв’язків, які утворює сполука-хіт з біомішенню. У результаті скринінгових досліджень на протимікробну активність вперше встановлено, що 5-індоліденроданін-3-алканкарбонові кислоти проявляють суттєвий ефект щодо грам-позитивних мікроорганізмів (стафілококів та стрептококів), включаючи біоплівкоутворюючі та небіоплівкоутворюючі штами, а також ефект щодо Klebsiella variicola та XDR Klebsiella і пробіотичного штаму Lactobacillus fermentum. Показано, що 2-(5-((1H-індол-3-іл)метилен)-4-оксо-2-тіоксотіазолідин-3-іл)-3-фенілпропанові кислоти є перспективними похідними для конструювання структури потенційних протимікробних агентів, що продемонстровано ідентифікацією двох сполук-хітів з селективним ефектом щодо референтного біоплівкоутворюючого штаму Staphylococcus aureus, а також суттєвою активністю щодо нереферентного небіоплівкоутворюючого штаму Staphylococcus epidermidis, клінічного біоплівкоутворюючого штаму Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae та Pseudomonas aeruginosa. Встановлено, що синтезовані 5-індоліден-2-тіоксо-4-тіазолідинони не проявляють суттєвої цитотоксичності як на ракові, так і псевдонормальні лінії клітин, що, може бути суттєвим аргументом на предмет дослідження протимікробної дії для зазначеного класу гетероциклічних сполук. Докінгові дослідження розрахунки методом молекулярної динаміки 2-(5- ((1H-індол-3-іл)метилен)-4-оксо-2-тіоксотіазолідин-3-іл)-3-фенілпропанових кислот, що проявили протистафілококову активність, продемонстрували високу теоретичну афінність до уридиндифосфат-N-ацетилмурамоїл-L- аланін:D-глутамат лігази (MurD), що вказує на їх потенційну можливість ефективного зв’язування з зазначеною біомішенню і є підставою для поглиблених досліджень механізму дії сполук.
Розрахований теоретично ADMET-профіль на основі прогнозованих фізико-хімічних параметрів (молекулярна маса, TPSA, кількість донорів та
акцепторів водневих зв’язків) протиракових та протимікробних сполук-хітів з групи індолзаміщених 4-тіазолідинонів, тіазолів та тіопірано[2,3-d]тіазолів свідчить про їхню потенційну придатність для фармацевтичного використання, враховуючи їх прийнятні фармакокінетичні властивості.
Проведено спрямований синтез індол- та ізоіндолзаміщених 4-тіазолідинонів, тіазолів та тіопірано[2,3-d]тіазолів та ідентифіковано нові високоактивні протипухлинні (4 речовини) та протимікробні (2 речовини) агенти із задовільними токсикометричними параметрами. За матеріалами дисертації опубліковано 12 наукових робіт.
Ключові слова: синтез, тіазолідинони, ізоіндоли, індоли, гібридні молекулярні структури, модифікація, мультикомпонентні реакції, реакція
Кньовенагеля, реакція гетеро-Дільса-Альдера, реакція Кляйзена-Шмідта, протиракова активність, протимікробна активність, протигрибкова
активність, докінгові дослідження.

ABSTRACT

Fedusevych O.-M.V. Synthesis and biological activity of thiazole and 4- thiazolidinone derivatives with azole fragments in molecules. – Qualifying
scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation to obtain the degree of Doctor of Philosophy, specialty 226 – nPharmacy, Industrial Pharmacy» (22 – Healthcare). – Danylo Halytsky LvivnNational Medical University, Ministry of Health of Ukraine, Lviv, 2025.nThe dissertation is devoted to the synthesis of new thiazole and 4-thiazolidinone derivatives with azole fragments in the molecules, the study of their physicochemical parameters and biological properties. On the basis of the literature analysis, the approaches and methods for the synthesis of target compounds using the [2+3]-cyclocondensation, Knoevenagel reaction, Kleisen-Schmidt, and hetero-Diels-Alder reactions were determined. It was found that the combination of thiazolidinone or thiazole fragments with an indole nucleus in one molecule is a promising approach to the molecular design of biologically active compounds. This strategy opens up wide possibilities for the creation of new heterocyclic structures that may have drug-like properties and exhibit various types of biological activity. In particular, the synthesized compounds show promise in the development of new anticancer, antimicrobial, antiparasitic, and antidiabetic agents, and may also be useful for the treatment of other pathological conditions. This emphasizes the importance of further research towards the development of innovative heterocyclic compounds with high pharmacological potential. Synthetic approaches to the creation of 4-thiazolidinone/thiazole-
indole/isoindole hybrid structures have been developed, which allowed us to combine pharmacophore fragments of different structures within one molecule, directing them to the design of potential “drug-like” compounds. It was found that the best method for the synthesis of 1-(1,3-dioxoisoindolin-2- yl)thiourea is the interaction of phthalic anhydride and thiosemicarbazide in DMFA for 2 hours, which avoids the formation of 2,3-dihydrophthalazine-1,4- dione as a by-product. [2+3]-Cyclocondensation of 1-(1,3-dioxoisoindolin-2- yl)thiourea or thiosemicarbazones of isatin and 2-phenyl-1H-indol-3-carbaldehyde as S,N-binucleophiles with such equivalents of the dielectrophilic synthon [C2]2+ as monochloroacetic acid, aroyl acrylic acids, maleimides, diheptylmaleate, and 3- chloro-2,4-pentandione, a series of 4-thiazolidinone/thiazoles with isoindole and indole fragments in the molecules were obtained. A three-component one-reactor interaction of 1-(1,3-dioxoisoindolin-2-yl)thiourea, monochloroacetic acid and isatins, which combines [2+3]-cycloadditions and the Knoevenagel reaction, was used to synthesize a series of 4-azolidinedinones, 4- thiazolidinone-indole-isoindole hybrid molecules were synthesized, and these compounds can be obtained alternatively by the Knoevenagel reaction of 2-((4- oxo-4,5-dihydrothiazol-2-yl)amino)isoindoline-1,3-dione with isatin derivatives. The synthesized 2-((4-oxo-4,5-dihydrothiazol-2-yl)amino)isoindoline-1,3-dione is characterized by prototropic amino-imine tautomerism, which was confirmed by NMR spectra analysis. It has been established that 2-((5-acetyl-4-methylthiazol-2-yl)amino)isoindoline- 1,3-dione, 3-(2-(5-acetyl-4-methylthiazol-2-yl)hydrazinylidene)indoline-2-one and 1-(4-methyl-2-(2-((2-phenyl-1H-indol-3-yl)methylene)hydrazinyl)-thiazol-5- yl)ethane-1-one are effective reagents in the Kleisen-Schmidt condensation reaction with aldehydes under absolute ethanol conditions and under the catalytic action of potassium tert-butylate, which allows to obtain a series of 5-(3- arylacryloyl)-4-methylthiazoles with isoindole and indole fragments in the molecules. The interaction of 5-(3-arylacryloyl)-4-methylthiazoles with hydrazinehydrate in acetic acid medium leads to the formation of pyrazole-thiazole hybrid
molecules, which was confirmed by the synthesis of 3-(2-(5-(1-acetyl-5-(4-methoxyphenyl)-4,5-dihydro-1H-pyrazol-3-yl)-4-methylthiazol-2-yl)hydrazinylidene)indoline-2-one. The rhodanine-indole hybrid molecules were obtained by Knoevenagel reaction of 2-thioxothiazolidin-4-one derivatives with indole carbaldehydes in ethanol medium and catalytic participation of ethylenediamine diacetate. It has been found that the methylidene substituent of the synthesized compounds at position 5 of the rhodanine ring in the 1H NMR spectra is characterized by a singlet in the region ~7.70-8.00 m.p., indicating the Z-configuration of the ilidene fragment of 5-en-indole rhodanines. A series of indole-substituted thiopyrano[2,3-d]thiazolidinones as heterodienesb with acrolein, maleimides, 2-norbornene and endic acid imides as dienophiles were obtained regio- and diastereoselectively as potential biologically active compounds by the hetero-Dils-Alder reaction of 5-indolylidene-4-thioxo-2-thiazolidinones. It has been shown that the Knoevenagel reaction of isorodanine and its 3- substituted derivatives with a series of indole-3-carbaldehydes usingnethylenediamine diacetate as a catalyst in ethanol medium has synthesized a series of 5-indolidene-4-thioxo-2-thiazolidinones as starting heterodienes for the molecular design of new thiopyrano[2,3-d]thiazoles in [4+2]-cycloadditionreactions.  The regioselectivity and diastereoselectivity of the hetero-Diels-Alder reaction, as well as the purity and structure of the synthesized compounds, were confirmed by NMR and chromatography-mass spectroscopy. A potential anticancer agent 2-((5-(3-(2-fluorophenyl)acryloyl)-4-methylthiazol-2- yl)amino)isoindoline-1,3-dione was identified, which, according to the results of screening at the US National Cancer Institute, showed significant anticancer activity against non-small cell lung cancer cells, CNS, melanoma, ovarian, prostate and breast cancer cells, with inhibitory activity against 51 out of 59 human tumor cell lines at GI50 < 20 μM with mean GI50/TGI/LC50 values of 15. 72/50.68/91.85 μM. The probable mechanism of antitumor action of (2-((5-(3-(2- fluorophenyl)acryloyl)-4-methylthiazol-2-yl)amino)isoindoline-1,3-dione as an inhibitor of EGFR and HER2 tyrosine kinases was substantiated by molecular docking and molecular dynamics methods, which is the basis for further in-depth study of the compound as a potential anticancer agent.1-(4-Methyl-2-(2-((2- phenyl-1H-indol-3-yl)methylene)hydrazinyl)-4,5-dihydrothiazol-5-yl)ethan-1-one was isolated, which demonstrated a significant selective effect on human acute T- cell lymphoblastic leukemia Jurkat cells (IC50=2.818) with a therapeutic index
against pseudonormal cells of 8.0. As a result of screening for anticancer cytotoxicity, a norbornane-substituted indole-thiopyrano[2,3-d]thiazole derivative was identified, which showed a significant effect on the NCI-H522 non-small cell lung cancer and UO-31 kidney cancer lines, with a moderate effect on leukemia lines, intestinal and CNS cancers, melanoma, ovarian, prostate, renal and breast cancers, which is an important argument and subject of structural modification of the compound for the search for new highly selective anticancer agents The synthesized rel-(4aR,7aR,8S)-8-(1H-indol-3-yl)-3,4a,7a,8-
tetrahydropyrrolo[3',4': 5,6]thiopyrano[2,3-d]thiazol-2,5,7(6H)-trione, which showed high potency at the micromolar level against leukemia cell lines K-562 and SR, epithelial cancer HCT-116, CNS cancer U251, ovarian cancer OVCAR-8 and breast cancer HS 578T. Based on the combination of docking and molecular dynamics, the high theoretical affinity of the compound for the α-subunit of tubulin was substantiated, which indicates the potential for effective binding of the hit compound to the specified biotarget and is the basis for in-depth studies. It is shown that the molecular dynamics study indicates a high structural stability of the complex of tubulin with rel-(4aR,7aR,8S)-8-(1H-indol-3-yl)-3,4a,7a,8- tetrahydropyrrolo[3',4': 5,6]thiopyrano[2,3-d]thiazol-2,5,7(6H)-thione, which is provided mainly by hydrogen bonds formed by the hit compound with the biotarget. As a result of screening studies for antimicrobial activity, it was found for the first time that 5-indolidenrodanine-3-alkancarboxylic acids have a significant effect on Gram-positive microorganisms (staphylococci and streptococci), including biofilm-forming and non-biofilm-forming strains, as well as an effect on Klebsiella variicola and XDR Klebsiella and the probiotic strain Lactobacillus fermentum. It has been shown that 2-(5-((1H-indol-3-yl)methylene)-4-oxo-2-thioxothiazolidin- 3-yl)-3-phenylpropanoic acids are promising derivatives for the design of the structure of potential antimicrobial agents, This is demonstrated by the identification of two hit compounds with selective effect against the reference biofilm-forming strain of Staphylococcus aureus, as well as significant activity against the non-reference non-biofilm-forming strain of Staphylococcus epidermidis, clinical biofilm-forming strain of Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae and Pseudomonas aeruginosa. It was found that the synthesized 5-indolidene-2-thioxo-4-thiazolidinones do not exhibit significant cytotoxicity on both cancer and pseudonormal cell lines, which may be a significant argument for the study of antimicrobial action for this class of heterocyclic compounds. Docking studies by molecular dynamics calculations of 2-(5-((1H-indol-3-yl)methylene)-4-oxo-2-thioxothiazolidin-3-yl)-3- phenylpropanoic acids, which showed antistaphylococcal activity, demonstrated high theoretical affinity for uridine diphosphate-N-acetylmuramoyl-L-alanine: D- glutamate ligase (MurD), which indicates their potential for effective binding to this biotarget and is the basis for in-depth studies of the mechanism of action of the compounds. The theoretically calculated ADMET profile based on the predicted physicochemical parameters (molecular weight, TPSA, number of hydrogen bond donors and acceptors) of anticancer and antimicrobial hit compounds from the group of indole-substituted 4-thiazolidinediones, thiazoles and thiopyrano[2,3- d]thiazoles indicates their potential suitability for pharmaceutical use, given their
acceptable pharmacokinetic properties. The directed synthesis of indole- and isoindole-substituted 4-thiazolidinones, thiazoles and thiopyrano[2,3-d]thiazoles was carried out and new highly active antitumor (4 compounds) and antimicrobial (2 compounds) agents with satisfactory toxicometric parameters were identified. Based on the materials of the dissertation, 12 scientific papers were published.
Key words: synthesis, thiazolidinones, isoindoles, indoles, hybrid molecular structures, modification, multicomponent reactions, Knoevenagel reaction, hetero-Dils-Alder reaction, Kleisen-Schmidt reaction, anticancer activity, antimicrobial activity, antifungal activity, docking studies.

https://drive.google.com/file/d/1IkGAKnZpQFUbNRqAkLPQUzZP9gSWNBu4/view?usp=sharing