Maurycy K. Szlenkier Funkcjonalizacja układu cis-diolowego rybonukleozydów z wykorzystaniem struktur anhydrocyklicznych Functionalization of a cis-diol system of ribonucleosides using anhydrocyclic structures Praca wykonana w Zakładzie Chemii Nukleozydów i Nukleotydów Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN w Poznaniu pod kierunkiem prof. dr hab. Jerzego Boryskiego Praca przedstawiona Radzie Naukowej Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN w Poznaniu w celu uzyskania stopnia doktora nauk chemicznych Pozna ń 2017 Promotorowi pracy Panu Profesorowi dr hab. Jerzemu Boryskiemu, dzi ękuj ę za wprowadzenie w bardzo ciekaw ą chemi ę, okazan ą pomoc, cenne rady, cierpliwo ść i życzliwo ść . Rodzicom, dzi ękuj ę za ci ągły doping oraz wsparcie. Dr Karolowi Kamelowi, dzi ękuj ę za pomoc w poznawaniu mo żliwo ści metod modelowania molekularnego. OBJAŚNIENIA STOSOWANYCH SKRÓTÓW I SYMBOLI 3-TC lamiwudyna ddA dideoksyadenozyna aa aminokwas ddC dideoksycytydyna ACN acetonitryl ddG dideoksyguanozyna ACV acyklowir ddI didanozyna AD4 AutoDock 4 DHBV kaczy wirus zapalenia w ątroby typu B AD Vina AutoDock Vina DHPA dihydroksypropyloadenina AIBN α,α’-aza-bis -izobutyrylonitryl DMAP 4-dimetyloaminopirydyna AICAR rybozyd 5-aminoimidazo-4- DMF dimetyloformamid karboksyamidu DMSO dimetylosulfotlenek AIDS zespół nabytego niedoboru odporno ści dTK kinaza 2’-deoksytymidynowa AMBER jedno z pól siłowych w mechanice EBV wirus Epsteina-Barra molekularnej EICAR 5-etynylo-1-β-D-rybofuranozylo- ASO antysensowy oligunukleotyd imidazolo-4-karboksyamid AZT 3’-azydo-3’-deoksytymidyna, EC 50 st ęż enie efektywne zydowudyna ETCAR 5-etynylo-1-β-D-rybofuranozylo- AZT-TP trifosforan AZT 1H-[1,2,3]-triazolo-karboksyamid BVDU E-5-(2-bromowinylo)-2’- FDA Food and Drug Administration deoksyurydyna FTC emtrycytabina CC 50 st ęż enie cytotoksyczne GCV gancyklowir CDG karbocykliczna 2’- deoksyguanozyna HCV wirus zapalenia w ątroby typu C HCMV ludzki cytomegalowirus cDNA komplementarna ni ć DNA HIV-RT odwrotna transkryptaza wirusa CMV cytomegalowirus HIV COSY spektroskopia korelacyjna ( 1H-1H) HMBC heteroj ądrowa spektroskopia CuAAC 1,3-dipolarna cykloaddycja korelacyjna przez wiele wi ąza ń azydek-alkin katalizowana miedzi ą (1H-13 C) DABCO 1,4-diazabicyklo[2.2.2]-oktan HMPA heksametylofosforamid DBU 1,8-diazabicyklo[5.4.0]undek-7-en HPLC wysokosprawna chromatografia cieczowa DCM dichlorometan HSQC spektroskopia pojedynczej DEAD azodikarboksylan dietylu heteroj ądrowej koherencji DFT teoria funkcjonału g ęsto ści kwantowej ( 1H-13 C) DIAD azodikarboksylan diizopropylu HSV-1 Herpes simplex virus typu DEHP H-fosfonian dietylu pierwszego HSV-2 Herpes simplex virus typu RSV Respiratory syncytial virus drugiego RT odwrotna transkryptaza HSV-dTK wirusowa kinaza 2’-deoksy- SAH S-adenozylohomocysteina tymidynowa wirusa HSV SAR structure activity relationship HSV TK - mutant wirusa HSV nieposiadaj ący własnej kinazy tymidynowej SI indeks selektywno ści IC 50 st ęż enie inhibitorowe THF tetrahydrofuran IDU 5-jodo-2’-deoksyurydyna TBDMSCl chlorek t-butylodimetylosililu IMPDH dehydrogenaza inozynomono- TLC chromatografia cienkowarstwowa fosforanu TMSA trimetylosililoacetylen LHMDS bis(trimetylosililo)amidek litu TPSCl chlorek 2,4,6-triizopropylo- LADME farmakokinetyczny system opisu benzenosulfonowy losu leku w ustroju TS stan przej ściowy ( transition state) MRC-5 linia komórek wyprowadzona TsCl chlorek tosylu z embrionalnych fibroblastów tkanki płucnej UCK kinaza urydynowo-cytydynowa MS spektrometria mas VSV Vesicular stomatitis virus - wirus pęcherzykowatego zapalenia jamy NDP difosforan nukleozydowy ustnej NMP monfosforan nukleozydowy VZV Varicella zoster virus – wirus ospy NMR spektroskopia magnetycznego wietrznej rezonansu jądrowego VV Vaccina virus – wirus krowianki NOESY spektroskopia j ądrowego efektu Overhausera (1H-1H) ww wi ązanie wodorowe NRTI nukleozydowy inhibitor odwrotnej transkryptazy PM7 jedna z półempirycznych metod chemii kwantowej Pol γ polimeraza gamma obecna w mitochondrium pTK p-tiokrezol Py pirydyna PPI ftalimidek potasu RBV rybawiryna RdRp polimeraza RNA zale żna od RNA RMSD odchylenie średniej kwadratowej okre ślaj ące podobie ństwo struktur (root-mean-square deviation ) RNaza H endonukleaza odpowiedzialna za ci ęcie RNA Spis tre ści Wprowadzenie ..........................................................................................................................................1 1. Aktywno ść biologiczna nukleozydów modyfikowanych w pozycjach 2’ oraz 3’ ...............................5 1.1. Aktywno ść biologiczna modyfikowanych nukleozydów – przegl ąd ............................................5 1.1.1. Analogi nukleozydowe posiadaj ące modyfikacje w cz ęś ci zasadowej ..................................7 1.1.2. Nukleozydy posiadaj ące inne zasady heterocykliczne ...........................................................9 1.1.3. Analogi nukleozydowe posiadaj ące modyfikacje w cz ęś ci cukrowej ..................................12 1.2. Aktywno ść biologiczna nukleozydów dimodyfikowanych w pozycjach 2’ i 3’ .........................20 2. Funkcjonalizacja układu cis -diolowego rybonukleozydów ...............................................................33 2.1. Wprowadzenie .............................................................................................................................33 2.2. Cz ęś ciowe blokowanie grup funkcyjnych ...................................................................................33 2.3. Funkcjonalizacja z wykorzystaniem struktur anhydrocyklicznych .............................................39 3. Badania własne ...................................................................................................................................69 3.1. Cel bada ń .....................................................................................................................................69 3.2. Badania wst ępne ..........................................................................................................................70 3.3. Regioselektywna reakcja Mitsunobu cz ęś ciowo acylowanej urydyny .......................................73 3.3.1. Reakcja Mitsunobu ...............................................................................................................73 3.3.2. Obliczenia.............................................................................................................................77 3.3.3. Dalsze reakcje ......................................................................................................................81 3.3.4. Reakcja Mitsunobu 4-N,2’,5’-O,O-tripiwaloilocytydyny ....................................................84 3.4. Poszukiwania nowych reaktywno ści mostków anhydrocyklicznych ..........................................85 3.4.1. Reakcje substytucji przykładowych nukleofili w ęglowych i fosforowych ..........................86 3.4.2. Reaktywno ść mostka 2,3’-anhydrocyklicznego urydyny.....................................................89 3.4.3. Reaktywno ść 8,2’-S-anhydro-2’-deoksyadenozyny.............................................................94 3.5. Synteza pochodnych urydyny dimodyfikowanych w pozycjach 2’ i 3’ ......................................96 3.5.1. Synteza pochodnych 3’-deoksyurydyny ..............................................................................96 3.5.2. Synteza pochodnych 1-(β-D-ksylofuranozylo)uracylu .......................................................101 3.5.3. Dalsze wykorzystanie pochodnych 1-(β-D-ksylofuranozylo)uracylu ................................106 3.6. Dokowanie molekularne pochodnych 2’,3’-dimodyfikowanych pochodnych urydyny ...........107 3.7. Badania biologiczne ..................................................................................................................123 3.8. Podsumowanie i wnioski ...........................................................................................................127 4. Cz ęść do świadczalna ........................................................................................................................133 4.1. Metody ogólne ..........................................................................................................................133 4.1.1 Modelowanie molekularne ..................................................................................................133 4.1.2 Chemia ................................................................................................................................133 4.2. Szczegółowe dane eksperymentalne .........................................................................................136 5. Bibliografia ......................................................................................................................................177 Zał ącznik 1. Dokowanie molekularne – mody wi ązania ligandów Zał ącznik 2. Wybrane widma NMR Streszczenie Abstract Wprowadzenie Nukleozydy s ą podstawow ą jednostk ą budulcow ą kwasów nukleinowych. Fosforany nukleozydów – nukleotydy tworzą długie ła ńcuchy kwasów nukleinowych, które pełni ą zasadnicz ą rol ę w funkcjonowaniu wszystkich organizmów żywych jako no śniki informacji genetycznej przekazywanej nast ępnemu pokoleniu. Kwasy nukleinowe w swej ró żnorodno ści posiadaj ą równie ż wiele innych funkcji w skomplikowanej maszynerii komórkowej jako relatywnie małe, osobne cz ąsteczki regulatorowe, transporterowe, sensorowe, lub stanowi ą cz ęś ci du żych biomolekuł białkowo-nukleinowych – rybosomów. J. F. Miescher Wiedza z pogranicza chemii