Синтез та біологічна активність похідних фуранкарбонових кислот

АНОТАЦІЯ

Матійчук Ю.Е. Синтез та біологічна активність похідних фуранкарбонових кислот. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за спеціальністю 226 «Фармація, промислова фармація» (22 «Охорона здоров’я»). – Львівський національний медичний університет імені Данила Галицького, МОЗ України,
Львів, 2024.

Дисертаційна робота присвячена актуальному завданню сьогодення – дизайну біологічно активних речовин з протипухлинною, протимікробною та протизапальною активностями з метою створення потенційних лікарських засобів. Важливою групою гетероциклічних сполук зі значним біологічним потенціалом є похідні фурану. Природні та синтетичні похідні фурану здатні взаємодіяти з біологічними системами, модулюючи функції ферментів та рецепторів, і впливаючи на різноманітні метаболічні процеси в клітині. Для них характерний широкий спектр фармакологічної дії, зокрема протизапальної, протипухлинної та протимікробної. Слід відмітити, що функціоналізовані фурани – одні з найбільш доступних реактивів, що є важливим фактором у дизайні ліків, що в майбутньому може забезпечити комерційний успіх препарату. Важливим чинником, що зумовлює біологічну активність органічних речовин, є наявність функціональних груп. На основі аналізу літературних даних та доступних електронних баз даних SciFinder, Reaxys та SPRESI встановлено, що амідна група є найбільш поширеною серед функціональних груп в лікарських засобах та біологічно активних речовинах. Нітрильна група також широко розповсюджена у молекулах біологічно активних речовин. Обидві функціональні групи відіграють важливу роль у зв’язуванні субстрату з біологічними макромолекулами, а також мають суттєвий вплив на фармакокінетичні і фармакодинамічні процеси. Дана інформація слугувала для вибору об’єктів дослідження та їх напрямків. Взаємодією хлорангідридів 2,4-диметил- і 2,5-диметилфуран-3- карбонових кислот та ароматичних амінів синтезовано 2,4-диметил-N-арилфуран-3-карбоксаміди і 2,5-диметил-N арилфуран-3-карбоксаміди. Використовуючи як амінну компоненту 2-аміно-5-арилметилтіазоли, отримано 2,5-диметил-N-[5-(R-бензил)-1,3-тіазол-2-іл]фуран-3-карбоксаміди, що містять 2-амінотіазольну привілейовану структуру. Необхідні для цього похідні 2-амінотіазолу синтезовано з використанням солей діазонію як вихідних реагентів. Їх вводили в реакцію з акролеїном. Отримані -хлоральдегіди при взаємодії з тіосечовиною були перетворені у цільові 5-R-бензилтіазол-2-іламіни.

Для отриманих 2,4-диметилфуран-3-карбоксамідів та 2,5-диметилфуран-3-карбоксамідів досліджено протизапальну активність на карагеніновій моделі запального набряку лап білих щурів. Вищезгадані сполуки проявили різнопланову антиексудативну активність. У результаті проведених in vivo біологічних досліджень знайдено низку високоактивних сполук, дія яких була співмірна або вища за дію відомого протизапального засобу ібупрофену. Найактивнішими сполуками виявилися метил 2-[(2,4-диметил-3-фуроїл)аміно]-4,5-диметоксибензоат та 2,5-диметил-N-[5-(4 хлоробензил)-1,3-тіазол-2- іл]фуран-3-карбоксамід, активність яких становила 112.9% та 114.2% відповідно у порівнянні з ібупрофеном. Проведені докінгові дослідження добре корелюють з експериментальними даними. Для 2,5-диметил-N-[5-(R-бензил)-1,3-тіазол-2-іл]фуран-3-карбоксамідів
вивчено протипухлинну активність методом високоефективного біологічного скринінгу згідно з міжнародною науковою програмою Національного інституту здоров’я США – DTP (Developmental Therapeutic Program) Національного інституту раку (Бетезда, Меріленд, США). Проведені дослідження дозволили ідентифікувати 2,5-диметил-N-[5-(4-хлоробензил)-1,3-тіазол-2-іл]фуран-3-карбоксамід як сполуку-хіт зі значенням MG-MID GI50 4.22 мкМ, яке є нижчим у порівнянні з відомими протипухлинними лікарськими засобами – 5-фторурацилом і цисплатином, а також природньою речовиною протипухлинної дії – куркуміном. Як вище сказано, дана сполука є також ефективним протизапальним засобом, що робить цю речовину багатообіцяючим об’єктом для подальших досліджень, оскільки запальні процеси є факторами ризику онкологічних захворювань. Продовжуючи пошук нових протипухлинних агентів, нами здійснено синтез похідних 2-бензофуранкарбоксамідів та проведено скринінг їхпротипухлинної активності. Серед зазначеного класу сполук найактивнішими виявились похідні N-[5-(арилметил)-1,3-тіазол-2-іл]-1-бензофуран-2-карбоксамідів з середньою мітотичною активністю GP = -4.31 – 44.38%. Особливістю цих сполук є наявність привілейованого 2-амінотіазольного фрагменту. Серед них сполука N-[5-(3-метилбензил)-1,3-тіазол-2-іл]-1- бензофуран-2-карбоксамід показала найкращу високу інгібуючу активність (GI50 <10 мкМ) щодо всіх досліджених 58 ліній пухлинних клітин людини зі значеннями MG-MID GI50 2.03 мкМ. На основі 5-арил-2-фуранкарбонових та 5-арил-2-метилфуран-3- карбонових кислот синтезовано низку відповідних амідів. У співпраці з CO-ADD (The Community for Antimicrobial Drug Discovery), що фінансується Wellcome Trust (Великобританія) and The University of Queensland (Австралія) здійснено скринінг антимікробної активності. Тестовими бактеріями було використано штами Staphylococcus aureus (S. aureus) ATCC 43300, Escherichia coli (E. coli) ATCC 25922, Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) ATCC 700603, Pseudomonas aeruginosa (P. Aeruginosa) ATCC 27853, Acinetobacter Baumannii (A. Baumannii) ATCC 19606. Для вивчення фунгіцидної дії обрано тестові штами грибків: Candida albicans (C.albicans) ATCC 90028 і Cryptococcus neoformans (C. neoformans) ATCC 208821. Дані патогени найпоширеніші і є причиною основної кількості інфекційних хвороб та смертельних випадків. Проведені дослідження дозволили ідентифікувати три високоактивні похідні 5- [2-(трифторметил)феніл]-N-(арил)-2-фурамідів (арил: феніл, 2-метилфеніл та 2-фторфеніл), що проявляють протигрибкову активність щодо штаму грибка C. neoformans ATCC 208821. Особливістю цих похідних є наявність орто трифторметилфенільної групи в п’ятому положенні фуранового циклу. Цитотоксичність щодо ембріональних клітин нирок людини та еритроцитів людини в досліджуваних концентраціях не виявлено. Виразної протипухлинної активності для цього класу сполук не спостерігалось. Також значну протигрибкову активність щодо цього ж штаму (C. neoformans ATCC 208821) проявили похідні на основі морфоліну, зокрема 4-[5- (4-нітрофеніл)-2-фуроїл]морфолін, 4-{[5-(4-ізопропілфеніл)-2-фурил] карбонотіоіл}морфолін та 4-{[5-(4-бромофеніл)-2-фурил]карбонотіоіл}морфолін. Даний факт дає підстави стверджувати, що біоізостерна заміна амідної групи на тіоамідну не має критичного впливу на біологічну активність. Розроблено синтез 2-азоліл-3-фуран-2-ілакрилонітрилів та 3-фуран-2-іл-2- (4-оксо-3,4-дигідрохіназолін-2-іл)акрилонітрилів. Особливістю цих сполук є те, що всі вони містять у своїй структурі привілейований фрагмент (імідазольний, тіазольний та хіназоліновий). Вони також є акцепторами Міхаеля. Нітрильна
група в цих сполуках міститься біля подвійного зв’язку, в результаті чого елімінування ціанід аніону не спостерігається в біологічних середовищах, що дозволяє уникнути токсичності, яку спричиняє цей йон. Взаємодією фурфуролу та його 5-арилзаміщених з бензімідазолацетонітрилом,
бензтіазолілацетонітрилом, 4-арилтіазолілацетонітрилами та їхніми фурановим і тіофеновим біоізостерами ((4-фуран-2-іл-тіазол-2-іл)-ацетонітрилом, (4-тіофен-2-іл-тіазол-2-іл)-ацетонітрилом), а також (4-оксо-3,4-дигідро-хіназолін-2-іл)-ацетонітрилом. Отримано комбінаторну бібліотеку похідних 3-фуран-2-іл-2-(тіазол-2-іл)акрилонітрилу, 3-фуран-2-іл-2-(1H-бензімідазол-2-іл)акрилонітрилу та 3-[5-арилфуран-2-іл]-2-(4-оксо-3,4-дигідрохіназолін-2-
іл)акрилонітрилу. Для отриманих сполук досліджено протипухлинну активність. Як було встановлено, даний клас сполук володіє значно меншим
потенціалом у порівнянні з амідами фуранкарбонових кислот. Нам вдалося ідентифікувати 2-(1H-бензімідазол-2-іл)-3-[5-(4-хлорофеніл)фуран-2-іл]-
акрилонітрил. Його активність була аналогічного порядку як і цисплатину, куркуміну та гефітинібу. Вивчено взаємодію 5-бензотіазол-2-ілфуран-2-карбальдегіду зі сполуками з активною метиленовою групою, зокрема з тіазолілацетонітрилами та ціанацетамідами. Синтезовано низку нових похідних 3-(5-бензотіазол-2- ілфуран-2-іл)-2-ціано-N-R-акриламідів та 3-(5-бензотіазол-2-ілфуран-2-іл)-2-(4-арилтіазол-2-іл)акрилонітрилів. Взаємодією цього ж альдегіду з ацетооцтовим естером та аміаком в умовах реакції Ганча отримано діетил-4-[5-(1,3-бензотіазол-2-іл)-2-фурил]-2,6-диметил-1,4-дигідропіридин-3,5-дикарбоксилат. Для отриманих сполук вивчено протипухлинну активність. Обидва досліджувані похідні 3-(5-бензотіазол-2-ілфуран-2-іл)-2-(4-арилтіазол-2- іл)акрилонітрилів проявили значну цитотоксичну дію. В той же час 3-(5-бензотіазол-2-ілфуран-2-іл)-2-ціано-N-R-акриламіди та діетил-4-[5-(1,3-бензотіазол-2-іл)-2-фурил]-2,6-диметил-1,4-дигідропіридин-3,5-дикарбоксилат були малоактивні. 3-(5-Бензотіазол-2-ілфуран-2-іл)-2-(4-фенілтіазол-2-іл)акрилонітрил проявляв протипухлинну дію в концентрації (MG-MID = 0.69 мкМ), що є на порядок нижчою, ніж у препаратів порівняння. Найбільш чутливими виявилися до цієї сполуки лінії лейкемії (середня інгібуюча концентрація GI50 = 0.27 мкМ). Введення хлору в пара-положення фенільного ядра (3-(5-бензотіазол-2-ілфуран-2-іл)-2-[4-(4-хлорфеніл)тіазол-2-іл]акрилонітрил) призводить до суттєвої втрати активності. Структуру, склад та чистоту синтезованих сполук підтверджено елементним аналізом, методами 1Н ЯМР-спектроскопії та тонкошарової хроматографії. Проведено розрахунки ADME-Тох параметрів з використанням інтернет-ресурсів pkCSM i SwissADME, що вказують про подальшу перспективність дослідження похідних фуранкарбонових кислот. Проведено спрямований синтез 96 сполук. У результаті біологічного
скринінгу ідентифіковано 17 сполук-хітів з протипухлинною, протимікробною і протизапальною активностями. Також було виявлено певні
залежності між хімічною структурою та біологічною активністю цих речовин. За матеріалами дисертації опубліковано 27 наукових праць.
Ключові слова: органічнi сполуки, ацилювання, арилювання, фуранкарбоксаміди, реакція Кневенагеля, 3-фуран-2-ілакрилонітрил, ЯМР спектроскопія, біологічна активність, антибактеріальна активність, протигрибкова активність, протизапальна активність, протипухлинна активність, кореляція структура-активність, ADME-Tox параметри.

ANNOTATION

Matiichuk Y. E. Synthesis and biological activity of furancarboxylic acid derivatives. – Manuscript. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy: specialty 226 – Pharmacy, Industrial Pharmacy (22 – Healthcare). – Danylo Halytsky Lviv National Medical University, Ministry of Health of Ukraine, Lviv, 2024.

The dissertation work is devoted to the urgent task of today – the design of biologically active substances with antitumor, antimicrobial and anti-inflammatory activities in order to create potential medicines. Furan derivatives are an important group of heterocyclic compounds with significant biological potential. Natural and synthetic furan derivatives are able to interact with biological systems, modulating the functions of enzymes and receptors, and affecting various metabolic processes in the cell. They are characterized by a wide range of pharmacological effects, in particular anti-inflammatory, antitumor and antimicrobial. It should be noted that functionalized furans are one of the most available reagents, which is an important
factor in the design of drugs, which can ensure the commercial success of the drug in the future. An important factor determining the biological activity of organic substances is the presence of functional groups. Based on the analysis of literature data and the available electronic databases of SciFinder, Reaxys and SPRESI, it was established that the amide group is the most common among functional groups in medicinal products and biologically active substances. The nitrile group is also widespread in the molecules of biologically active substances. Both functional groups play an important role in binding the substrate to biological macromolecules, and also have a significant impact on pharmacokinetic and pharmacodynamic processes. This
information was used to select research objects and their directions. 2,4-Dimethyl-N-arylfuran-3-carboxamides and 2,5-dimethyl-N-arylfuran-3-
carboxamides were synthesized by the interaction of 2,4-dimethyl- and 2,5- dimethylfuran-3-carboxylic acid chlorides and aromatic amines. Using 2-amino-5-arylmethylthiazole as an amine component, 2,5-dimethyl-N-[5-(R-benzyl)-1,3-thiazol-2-yl]furan-3-carboxamides containing 2-aminothiazole privileged structure. The necessary 2-aminothiazole derivatives were synthesized using diazonium salts as starting reagents. They were introduced into the reaction with acrolein. The resulting -chloroaldehydes were transformed into the target 5-R-benzylthiazol-2-ylamines upon interaction with thiourea. The anti-inflammatory activity of the obtained 2,4-dimethylfuran-3- carboxamides and 2,5-dimethylfuran-3-carboxamides was investigated on the carrageenan model of inflammatory paw edema in white rats. The above-mentioned compounds showed diverse anti-exudative activity. As a result of in vivo biological
studies, a number of highly active compounds were found, the effect of which was comparable or higher than the effect of the well-known anti inflammatory drug ibuprofen. The most active compounds were methyl 2-[(2,4-dimethyl-3-furoyl)amino]-4,5-dimethoxybenzoate and 2,5-dimethyl-N-[5-(4-chlorobenzyl)-1,3-thiazol- 2-yl]furan-3-carboxamide, the activity of which was 112.9% and 114.2%, respectively, compared to ibuprofen. Docking studies correlate well with experimental data. For 2,5-dimethyl-N-[5-(R-benzyl)-1,3-thiazol-2-yl]furan-3-carboxamides, the antitumor activity was studied by the method of highly effective biological screening in accordance with the international scientific program of the National Institute of Health USA – DTP (Developmental Therapeutic Program) of the National Cancer Institute (Bethesda, Maryland, USA). The conducted studies made it possible to identify 2,5-dimethyl-N-[5-(4-chlorobenzyl)-1,3-thiazol-2-yl]furan-3-carboxamide as a hit compound with an MG-MID GI50 value of 4.22 μM, which is lower compared
to well-known drugs – 5-fluorouracil and cisplatin, as well as the natural antitumor substance - curcumin. As mentioned above, this compound is also an effective anti-inflammatory agent, which makes this substance a promising subject for further research, since inflammation is one of the causes of cancer.
Continuing the search for new antitumor agents, we synthesized 2-benzofurancarboxamide derivatives and screened their antitumor activity. Among the
specified class of compounds, N-[5-(arylmethyl)-1,3-thiazol-2-yl]-1-benzofuran-2-carboxamide derivatives with average mitotic activity GP = -4.31 – 44.38% turned out to be the most active. A feature of these compounds is the presence of a privileged 2-aminothiazole fragment. Among them, the compound N-[5-(3-methylbenzyl)-1,3-thiazol-2-yl]-1-benzofuran-2-carboxamide showed the best high inhibitory activity (GI50 <10 μM) against all 58 tumor cell lines tested human with MG-MID GI50 values of 2.03 μM. A number of corresponding amides were synthesized on the basis of 5-aryl-2-furan-3-carboxylic acids and 5-aryl-2-methylfuran-3-carboxylic acids. In cooperation with CO-ADD (The Community for Antimicrobial Drug Discovery), funded by the Wellcome Trust (Great Britain) and The University of Queensland (Australia), screening of antimicrobial activity was carried out. The strains of Staphylococcus
aureus (S. aureus) ATCC 43300, Escherichia coli (E. coli) ATCC 25922, Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) ATCC 700603, Pseudomonas aeruginosa (P.
Aeruginosa) ATCC 27853, Acinetobacter Baumannii (A. Baumannii) ATCC 19606. To study the fungicidal effect, test strains of fungi were chosen: Candida albicans (C.albicans) ATCC 90028 and Cryptococcus neoformans (C. neoformans) ATCC 208821. These pathogens are the most common and are the cause of the main number of infectious diseases and deaths. The conducted studies made it possible to identify three highly active derivatives of 5-[2-(trifluoromethyl)phenyl]-N-(aryl)-2-furamides (aryl: phenyl, 2-methylphenyl, and 2-fluorophenyl), which show antifungal activity against the strain of the fungus C. neoformans ATCC 208821. The peculiarity of these derivatives is the presence of an ortho-trifluoromethylphenyl group in the fifth position of the furan cycle. Cytotoxicity against human embryonic kidney cells and human erythrocytes was not detected in the tested concentrations. No significant
antitumor activity was observed for this class of compounds. Derivatives based on morpholine, in particular 4-[5-(4-nitrophenyl)-2- furoyl]morpholine, 4-{[5-(4-isopropylphenyl) -2-furyl]carbonothioyl}morpholine and 4-{[5-(4-bromophenyl)-2-furyl]carbonothioyl}morpholine. This fact gives reason to
claim that the bioisosteric replacement of an amide group with a thioamide group does not have a critical effect on biological activity. The synthesis of 2-azolyl-3-furan-2-yl acrylonitrile and 3-furan-2-yl-2-(4-oxo-3,4-dihydroquinazolin-2-yl)acrylonitrile was developed. The peculiarity of these compounds is that they all contain a privileged fragment (imidazole, thiazole and quinazoline) in their structure. They are also Michael’s acceptors. The nitrile group in
these compounds is located near the double bond, as a result of which elimination of the cyanide anion is not observed in biological environments, which allows to avoid the toxicity caused by this ion. The interaction of furfural and its 5-aryl substituted with benzimidazolacetonitrile, benzthiazolylacetonitrile, 4-arylthiazolylacetonitrile and their furan and thiophene bioisosteres ((4-furan-2-yl-thiazol-2-yl)-acetonitrile, (4-thiophen-2-yl-thiazol-2-yl)-acetonitrile), as well as (4-oxo-3,4-dihydro-quinazolin-2-yl)-acetonitrile. A combinatorial library derivatives of 3-furan-2-yl-2-(thiazol-2-yl)acrylonitrile, 3-furan-2-yl-2-(1H-benzimidazol-2-yl)acrylonitrile and 3-[5-arylfuran-2-yl]-2-(4-oxo-3,4-dihydroquinazolin-2-yl)acrylonitrile was obtained. Antitumor activity was investigated for the obtained compounds. As it was established, this class of compounds has a significantly lower potential compared to amides of furancarboxylic acids. We were able to identify 2-(1H-benzimidazol-2-yl)-3-[5-(4-chlorophenyl)furan-2-yl]-acrylonitrile. Its activity was similar to that of cisplatin, curcumin, and gefitinib. The interaction of 5-benzothiazol-2-ylfuran-2-carbaldehyde with compounds with an active methylene group, in particular with thiazolyl acetonitrile and cyanacetamide, was studied. A number of new derivatives of 3-(5-benzothiazol-2-ylfuran-2-yl)-2-cyano-N-R-acrylamides and 3-(5-benzothiazol-2-ylfuran-2-yl)-2-(4-arylthiazol-2-yl)acrylonitriles were synthesized. Diethyl-4-[5-(1,3-benzothiazol-2-yl)-2-furyl]-2,6-dimethyl-1,4-dihydropyridine- 3,5-dicarboxylate. Antitumor activity wasstudied for the obtained compounds. Both studied derivatives of 3-(5-benzothiazol-2-ylfuran-2-yl)-2-(4-arylthiazol-2-yl)acrylonitrile showed significant cytotoxic effect. At the same time, 3-(5-benzothiazol-2-ylfuran-2-yl)-2-cyano-N-R-acrylamides and
diethyl-4-[5-(1,3-benzothiazol-2-yl)-2-furyl ]-2,6-dimethyl-1,4-dihydropyridine-3,5-dicarboxylate were weakly active. 3-(5-Benzothiazol-2-ylfuran-2-yl)-2-(4- phenylthiazol-2-yl)acrylonitrile showed an antitumor effect at a concentration (MG-MID = 0.69 μM), which is an order of magnitude lower than in comparison of drugs. Leukemia lines were most sensitive to this compound (average inhibitory concentration GI50 = 0.27 μM). The introduction of chlorine into the para-position of the phenyl nucleus (3-(5-benzothiazol-2-ylfuran-2-yl)-2-[4-(4-chlorophenyl)thiazol-2-yl]acrylonitrile) leads to a significant loss of activity. The structure, composition, and purity of the synthesized compounds were confirmed by elemental analysis, 1H NMR spectroscopy, and thin-layer
chromatography. Calculations of ADME-Tox parameters were carried out using pkCSM and SwissADME Internet resources, which indicate the future prospects of furancarboxylic acid derivative research. Directed synthesis of 96 compounds was carried out. As a result of biological screening, 17 hit compounds with antitumor, antimicrobial and anti-inflammatory activities were identified. Certain dependencies between the chemical structure and
biological activity of these substances were also revealed. 27 scientific works have been published based on the materials of the dissertation.
Keywords: organic compounds, acylation, arylation, furancarboxamides, Knevenagel reaction, 3-furan-2-yl-acrylonitrile, NMR spectroscopy, biological
activity, antibacterial activity, antifungal activity, anti-inflammatory activity, antitumor activity, structure-activity correlation, ADME-Tox parameters.

https://drive.google.com/file/d/1jmlrSGRfoMLjImFuJtdG_YISvjw48BIF/view?usp=sharing