Dioksinonlar üzerinden biyoaktif yapıların sentezi
Synthesis of bioactive compounds from dioxinones
Yazar: HANDE GÜNDÜZ
Danışman: PROF. DR. EMİNE NACİYE TALINLI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Organik reaksiyonlarda keten arayapıları üzerinden yürüyen reaksiyonlar sıkça kullanılmaktadır. Keten arayapılarının nükleofillere ve doymamış bileşiklere karşı oldukça yüksek reaktiviteleri olduğu bilinmektedir. Ketenler, [2+2] siklokatılma tepkimeleri, nükleofilik ve elektrofilik katılma tepkimeleri ile polimerleşme reaksiyonları verebilmektedirler. Özellikle ketenler, aminlerle gerçekleştirilen [2+2] siklokatılma tepkimesiyle β-laktam sentezinde ve karbonil bileşikleri ile yapılan reaksiyonlarla ilaç kimyasında sıklıkla kullanılmaktadır. 
Dioksinon bileşikleri, ısısal ve fotokimyasal yolla α-oksoketen arayapılarını oluşturabildiklerinden, özellikle rezorsilat ünitesi içeren doğal bileşiklerin sentezinde maskelenmiş dikarbonil yapıları olarak kullanılmaktadır. Benzodioksinonlar üzerinden oluşan kinoketenler ise, α-oksoketen arayapılarının bir türüdür ve çok reaktif olduğu, ortamdaki nükleofil karakter taşıyan hidroksil ve amin grubu içeren bileşiklerle kolaylıkla reaksiyona girip, ester ya da amid yapılarının sentezinde kullanıldığı bilinmektedir.
Sübstitüe benzodioksinonların diğer açilleme yöntemlerine cevap vermeyen sterik engelli alkol, fenol ve anilinlerin varlığındaki fotolizleri sonucunda, birçok doğal bileşiğin yapı iskeletinde yer alan salisilik asit esterleri ve amidleri yüksek verimle elde edilebilmesine imkan sağlamaktadır. 
Bu çalışmada, benzodioksinon ve naftodioksinonların karbon nükleofilleri ile olan reaksiyonları incelenmiştir. Yapılan sentezlerde hedef moleküller olarak, potansiyel anti-kanser aktiviteye sahip olabilecek biyoaktif bileşik gruplarından ikisi seçilmiştir. Buna bağlı olarak Tamoksifen analoğu ve Isı Şoku Protein 90 (Heat Shock Protein 90, Hsp90) inhibitörü olabilecek yeni analogların sentezi, benzo ve naftodioksinonlardan oluşan, kinoketen arayapılarına nükleofilik katılma tepkimeleri ile gerçekleştirilmiştir. 
Tamoksifen, trifeniletilen yapısına sahip steroidal olmayan östrojen reseptörü antagonistidir. Tamoksifenden hormon tedavisine yanıt veren tüm evrelerdeki meme kanserinde tamamlayıcı tedavi olarak yararlanılmaktadır. Ayrıca meme kanseri riski olan kişilerde önleyici tedavi için de kullanılmaktadır. Sahip olduğu bu önemden ötürü Tamoksifen benzeri yapı sentezlenmesi amacıyla, çeşitli dioksinon bileşikleri hazırlanmış ve ısısal koşullar altında karbon nükleofilleri reaksiyona sokulmuştur. Tamoksifen analoğu eldesi için, karbon nükleofillerinin kinoketen yapısına tek bir atağı ile oluşacak keton yapısındaki bileşiklerin eldesine çalışılmıştır. Buradaki amaç, elde edilecek keton bileşiklerine ikinci bir reaksiyonla benzil grubu bağlayıp, oluşan karbinolden eliminasyon reaksiyonuyla Tamoksifen analoğuna ulaşmaktır. 
Bu bağlamda, ilk olarak benzodioksinon ve naftodioksinon bileşikleri, karşılık gelen 2,4-dihidroksi aromatik asitlerden, 1 ve 2 numaralı bileşikler olarak sentezlenmiştir. Ardından, elde edilen 1 numaralı bileşik çeşitli halojenürlerle tepkimeye sokulmuş ve 4-8 bileşikleri sentezlenmiştir. Sentezlenen bu eter yapıları organometalik reaktiflerle gerçekleştirilen reaksiyonlarda aynı zamanda koruma grubu görevi de görmüştür.  
Karbanyonlarla yapılan reaksiyon için ilk önce 2 numaralı naftodioksinon bileşiği seçilmiş ve in situ olarak hazırlanan  aril lityum reaktifi ile reaksiyona sokulmuştur. Bu reaksiyon sonucunda yüksek verimle 9 numaralı karbinol ürünü izole edilmiştir. Daha sonra aynı metotla 4-6  numaralı benzodioksinon türevleriyle de reaksiyonlar gerçekleştirilmiş fakat keton ürünü oluşmamıştır. Bu nedenle organometalik reaktif olarak n-butil lityum ile aynı koşullarda reaksiyonlar yapılmış ve  yan ürün olarak düşük-orta verimlerle keton yapıları sentezlenmiştir. Keton ürünü verimini arttırmak için farklı organometalik bileşikler kullanılarak bu problem aşılmak istenmiş, fakat yeterli sonuç alınamamıştır. Ardından düşük verimle de olsa elde edilen ketonun benzil lityumla reaksiyonu denenmiş fakat istenen karbinol ürününe ulaşılamamıştır. Bunun üzerine yöntem değiştirilerek, izole edilen az miktardaki keton ürünü ile gerçekleştirilen Wittig reaksiyonu sonucu Tamoksifen benzeri alken yapısı  sentezi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.
Çalışmanın ikinci kısmında, anti-kanser tedavilerde son yıllarda kullanılmaya başlanan Isı Şoku Protein 90 (Heat Shock Protein 90, Hsp90) inhibitörü aktivitesine sahip olabilecek bileşiklerin sentezi gerçekleştirilmiştir. Isı Şoku Protein 90, hücre içinde misafir proteinlerin katlanması, stabilizasyonu ve aktivasyonunda görev alan bir proteindir. Bu yapı onkojenik proteinlerin devamlılığında önemli rol oynadığından kanser hücrelerinde inhibe edilmesi anti-kanser aktiviteyi sağlamaktadır. Bu nedenle Tamoksifen analoğu sentezinde olduğu gibi, benzer şekilde bu kısımda da potansiyel Hsp90 inhibitörü sentezi için benzodioksinon kimyası kullanılmıştır. Daha sonra, eter türevi olan 4 numaralı benzodioksinon ile fenil asetilen arasında yapılan ısısal reaksiyon için baz optimizasyon çalışmaları yapılmış, en etkin sonuç  in situ olarak hazırlanan fenil lityum ile alınmıştır. Fenil lityum kullanılarak 2-4, 7, 8 numaralı dioksinon bileşiklerinin lityum fenil asetilid reaktifiyle nükleofilik katılma reaksiyonları sonucu o-alkinoil rezorsinol türevleri sentezlenmiştir.
Sentezlenen  o-alkinoil rezorsinol türevleri  elektronca eksik iç alkin yapısındadır. Elektronca eksik iç alkinlerden triazol eldesi literatürde genellikle rutenyum katalizörü kullanılarak yapılmakta ve sadece 1,5-disübstitüe-1,2,3-triazol yapıları elde edilmektedir. 1,3-dipolar siklokatılma reaksiyonlar güçlü elektron çekici grupların varlığında reaksiyon katalizörsüz de ilerleyebilmekte ve 1,4- ve 1,5-disübstitüe triazol karışımları elde edilmektedir. Bu çalışmada sentez edilen alkin türevleri zayıf elektron çekici gruplara sahip olduğu için bir katalizör kullaması gerekmiştir. Bu bağlamda  ilk kez asidik ortamda triazol sentezi planlanmış ve bunun için asidik karakterdeki iyon değiştirici reçine, Amberlyst-15, katalizör olarak seçilmiştir. İyon değiştici reçine seçilmesinin nedeni çevre dostu ve reaksiyon ortamından kolay uzaklaştırılabilir olmasıdır. Yapılan ön çalışmalar başarılı olmuş ve böylelikle  metal katalizör kullanılmadan, 1,3-dipolar siklokatılma reaksiyonu asit ortamda ilk kez gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, geliştirilen yöntemin serbest –OH varlığında kullanılabilmesi mevcut metal katalizörlü metotlara göre avantaj sağlamıştır. Amberlyst-15 varlığında gerçekleştirilen sentezlerle, triazol ünitesine sahip, ve bu üniteye doğrudan bağlı rezorsilik keton türevleri olan moleküller elde edilmiştir. Daha önce yapılan çalışmalarda triazol ünitesine sahip Hsp90 inhibitör aktivitesi gösteren yapılar rapor edildiğinden, sentezlenen bileşiklerin referans molekülle karşılaştırmalı olarak moleküler modelleme çalışmaları  yapılmıştır. Modelleme çalışmaları sonucuna göre, referans bileşiğe çok yakın enerjilerde bağlanma eğilimi gösteren iki adet bileşik saptanmış ve moleküler modelleme çalışması bu yapıların in vitro çalışmalar için umut vadeden bileşikler olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In organic reactions, reactions, which are going through ketene intermediate is used   frequently. It is known that ketene intermediates have very high reactivity to nucleophiles and unsaturated compounds. They can give [2 + 2] cycloaddition reactions, nucleophilic and electrophilic addition reactions and polymerization reactions. Particularly, the synthesis of β-lactam from amines and carbonyl groups by [2 + 2] cycloaddition reaction are used in drug chemistry.  
Dioxinone compounds are used as masked dicarbonyl structures in the synthesis of natural compounds containing the resorcinate moiety, since they can form the α-oxoketene intermediates by thermally and by photochemically. The quinoketenes, which forms by benzodioxinones, are a type of α-oxoketene intermediates. It is well known that, these intermediates are very reactive towards nucleophiles bearing  hydroxyl and amine groups in order to give ester or amide structures.  
The photolysis of substituted benzodioxinones enables the synthesis of salicylic acid ester and amide skeleton, founds in many natural products, with high yields in the presence of sterically hindered alcohol, phenol and anilines which can not obtained by classical acylation methods.  
In this study, Two of the bioactive compound groups, which may have potential anti-cancer activity, were chosen as target molecules in the syntheses. According to this, the synthesis of new compounds that may behave as Tamoxifen analogue and Heat Shock Protein 90 (Hsp90) inhibitor analogues was carried out by nucleophilic addition reactions to quinoketene intermediates of benzo and naphthodioxinones.
Tamoxifen is a non-steroidal estrogen receptor antagonist with triphenylethylene structure. It is used for a complementary treatment in hormone therapy for breast cancer in all stages. Moreover, it is also used for chemoprevention for the people at risk of breast cancer. Due to this importance, various dioxinone compounds were prepared and reacted with carbon nucleophiles under thermal conditions for the synthesis of Tamoxifen-like structure. It was aimed to obtain ketone compounds, which are formed by a single attack of the carbon nucleophiles to the quinoketene structure, in order to get Tamoxifen analogue. After obtaining the ketone structure, it is planning to bind the benzyl group with a second reaction to the ketone compounds to be obtained and to reach the Tamoxifen analogue by elimination reaction of the formed carbinol.
In this regard, firstly, benzodioxinone and naphthodioxonone compounds were prepared from the corresponding ortho hydroxy aromatic acids as compounds 1 and 2. Then, compound 1 was reacted with various halides in order to obtain  compounds 4-8. These synthesized ether structures were also served as a protecting groups in the reactions with organometallic reagents.
Naphthodioxinone compound, 2, was selected for the first reaction with carbanions, and reacted with in situ prepared aryl lithium reagent and the reactions of benzodioxinone with carbon nucleophiles were investigated. As a result of this reaction, compound 9, a carbinol product, was isolated in high yield. Reactions were also carried out with benzodioxinone derivatives, 4-6, in the same reaction conditions, and there was not any ketone product observed. Therefore, organometallic reagent was changed and reactions  was were carried out with n-butyl lithium under the same conditions and ketone structures were synthesized as by-product in low to medium yields. In order to overcome this problem, different organometallic compounds used in same reaction conditions  to increase the ketone yield however, the results were not satisfying. The reaction between  ketone and benzyl lithium was performed but the desired carbinol product could not be observed. Then, new synthetic procedure was  applied by Wittig reaction and  a small amount of ketone product isolated and finally,  Tamoxifen-like alkene structure was obtained successfully.
Heat Shock Protein 90 (Hsp90) inhibitors which have anti-cancer activity, are studied  widely in last decade. In the second part of the study, the synthesis of compounds that may have Hsp90 activity were accomplished. Heat Shock Protein 90 is a protein involved in the folding, stabilization and activation of client proteins in the cell. Since this structure plays an important role in the continuity of oncogenic proteins, inhibition in cancer cells provides anti-cancer activity. For this reason, as in Tamoxifen analogue synthesis, benzodioxinone chemistry was used for the synthesis of potential Hsp90 inhibitors. The synthesis of these compounds was started with the base optimization studies for thermal reaction between the ether derivative of benzodioxinone, 4, and the phenyl acetylene and the most effective result was obtained with in situ prepared phenyl lithium. After this result, the nucleophilic addition reactions of the dioxinone compounds 2-4, 7, 8 with lithium phenyl acetylide reagent using phenyl lithium were carried out in order to afford o-alkynoyl resorcinol derivatives.
The synthesized o-alkynoyl resorcinol derivatives are electron deficient internal alkynes. In the literature, the synthesis of triazoles from electron deficient internal alkynes is generally accomplished in the presence of  ruthenium catalyst and only 1,5-disubstituted-1,2,3-triazole structures are obtained. In addition to this, in the presence of strong electron withdrawing groups on alkyne structure, 1,3-dipolar cycloaddition reactions can also proceed without catalyst and mixtures of 1,4- and 1,5-disubstituted triazole are obtained. The alkyne derivatives synthesized in this study have weak electron withdrawing groups, therefore,reactions require a catalyst to achieve desired triazole units. In this context, triazole synthesis was planned using acidic catalyst for the first time and the acidic ion exchange resin, Amberlyst-15, was chosen as the catalyst. The reason for selecting ion exchange resin is being environmentally friendly and easily removable from the reaction medium. After obtaining promising results from preliminary studies, the 1,3-dipolar cycloaddition reactions was performed for all previously synthesized o-alkynoyl resorcinol derivatives and triazole structures were isolated with high coversion rates. Thus, a very simple 1,3-dipolar cycloaddition method was proposed for the first time in acid medium without using metal catalyst. Furthermore, it is very important to the afford triazole synthesis in the presence of free OH group which serves as an advantage over existing metal-catalyzed methods. The syntheses performed in the presence of Amberlyst-15 yielded resorcylic ketone derivatives, directly bounded to the triazole unit. Because,  previously reported studies indicates that, some structures bearing triazole unit shows Hsp90 inhibitory activity, molecular modeling studies of the synthesized compounds were performed and compared with the reference molecule. According to the results of the modeling studies, two of the compounds were found to have a tendency to bind with a very similar binding energy to the reference compound. As a result, the molecular modeling study showed that these two structure were promising compounds for in vitro studies.