Synthesis of Novel Indoles and Bis(indolyl)methanes: Approaches to Structures with Biological Activity

Abstract

Os indóis estão presentes em vários compostos naturais e sintéticos biologicamente ativos, exibindo atividade antimicrobiana, anti-inflamatória e antitumoral, o que torna o núcleo indólico um elemento estrutural relevante em química medicinal. Assim, o desenvolvimento de vias sintéticas eficientes para a construção de indóis funcionalizados tem sido amplamente explorado e continua a atrair grande atenção. Desta forma, a presente tese de Doutoramento centrou-se no desenvolvimento de uma nova estratégia sintética para a obtenção de bis(indolil)metanos (BIMs) através da reação bis-hetero-Diels-Alder de nitroso- e azo-alquenos e indóis utilizando diclorometano (DCM) ou o sistema H2O:DCM como solventes. A metodologia provou ser versátil tendo permitido a obtenção de uma biblioteca de BIMs meso-substituídos com grupos oxima e hidrazona. Os novos BIMs apresentaram atividade anticancerígena relevante in vitro, tendo sido identificado um composto com propriedades particularmente promissoras. De facto, a surpreendente atividade biológica do composto líder, [(E)-1-((4-bromofenil)-1-hidroximinometil)bis(1H-indol-3-il)metano], em particular contra linhas celulares de leucemia e linfoma, levou-nos à construção de uma biblioteca de novos derivados com o objetivo de estabelecer relações de estrutura-atividade e eventualmente encontrar um potencial agente anticancerígeno ainda mais eficaz.A síntese de BIMs foi também explorada utilizando Solventes Eutéticos Naturais Profundos (NADES), uma classe emergente de solventes verdes não convencionais, com o objetivo de desenvolver uma abordagem mais sustentável. Após o estudo de vários NADESs, os melhores resultados foram obtidos aquando da utilização de um NADES à base de cloreto de colina:glicerol. Os resultados foram extremamente satisfatórios, uma vez que, além de se atingir o objetivo inicial, os BIMs foram obtidos com tempos de reação muito mais curtos e observou-se também uma melhoria dos rendimentos quando hidrazonas arílicas foram utilizadas como precursores. Além disso, o uso destes solventes permitiu o desenvolvimento de uma nova estratégia para a obtenção de BIMs carbonílicos. Várias metodologias convencionais, usando solventes orgânicos, foram estudadas a fim de se obterem BIMs carbonílicos via hidrólise das correspondentes oximas ou hidrazonas. No entanto, estes compostos só foram sintetizados a partir de metodologias que consistiram no tratamento com bissulfito de sódio ou com paraformaldeído na presença de ambarlyst-15 em acetona/H2O.A estratégia sintética para a obtenção de bis(heterociclo)metanos foi alargada à síntese de bis- e tris(pirazolil)metanos (BPMs e TPMs) via bis-adição conjugada-1,4 de pirazóis e nitroso- e azo-alquenos. Esta transformação foi realizada em condições de reação suaves e simples, tendo-se obtido derivados de bis(pirazolil)metano difíceis de obter por outros métodos. A facilidade de acesso a uma grande diversidade de oximas, hidrazonas e pirazóis, permitiu a modulação da estrutura do bis(pirazolil)metano. A síntese de um tris(pirazolil)metano seguindo a mesma metodologia foi também conseguida com sucesso.Uma estratégia para encontrar novos compostos com atividade biológica consiste em explorar o bioisosterismo do ácido carboxílico/tetrazol. Neste contexto, foi desenvolvida uma estratégia sintética para a obtenção de derivados de 3-(1H-tetrazol-5-il)-indol, bioisósteros de ácidos 1H-indol-3-carboxílicos. Assim, arinos gerados in situ a partir de 2-(trimetilsilil)aril triflatos e KF, reagiram em condições suaves com 2-(4-nitrobenziltetrazolil)-2H-azirinas originando derivados de 3-(4-nitrobenziltetrazolil)-indol, com elevada seletividade e bons rendimentos. A desproteção do grupo tetrazol presente nestes compostos levou à obtenção de uma nova classe de derivados de indol contendo um grupo de tetrazol como substituinte.Em resumo, o trabalho desenvolvido durante esta tese de doutoramento levou ao desenvolvimento de novas metodologias sintéticas para obtenção de uma extensa biblioteca de novos derivados do indol.

Indoles are present in several biologically active natural and synthetic compounds, displaying activities such as antimicrobial, anti-inflammatory, and antitumour, making the indole core a relevant scaffold for drug discovery. Thus, the development of efficient synthetic routes for the assembly of functionalised indoles has been widely explored and continues to attract great attention. Our contribution involved the development of an unprecedented approach to bis(indolyl)methanes (BIMs) via bis-hetero-Diels-Alder reaction of nitroso- and azoalkenes with indoles using dichloromethane (DCM) or the H2O:DCM system as solvents. The methodology proved to be versatile and with broad scope, leading to a library of new BIMs bearing oximes and hydrazones substituted at the methylene bridge. Furthermore, the novel BIMs showed relevant in vitro anticancer activity and a promising scaffold has been identified. In fact, the exciting biological activity of our lead molecule, [(E)-1-((4-bromophenyl)-1-hydroxyiminomethyl)bis(1H-indol-3-yl)methane], particularly against leukaemia and lymphoma cell lines, led us to build a library of new derivatives in order to establish struture-activity relationships and eventually to find an even better anticancer agent.The synthesis of BIMs was also explored using Natural Deep Eutectic Solvents (NADESs), an emerging class of nonconventional and “green” solvents, in order to develop a more sustainable approach. After testing several NADES, the best results were obtained when a NADES based on Choline chloride:glycerol was used. The results were very exciting, since, besides achieving the initial goal, the BIMs were obtained in much shorter reaction times, an improvement of the yields was also observed when arylhydrazones were used. Furthermore, we were also pleased to develop a novel strategy for the preparation of carbonyl-BIMs via one pot procedure using natural deep eutectic solvents. Several methodologies using organic solvents were also tested in order to obtain carbonyl-BIMs via hydrolysis of the isolated BIM oximes or hydrazones. However, these compounds were only achieved by methodologies consisting in the treatment with sodium bisulfite or paraformaldehyde in the presence of amberlyst-15 in acetone/H2O.The synthetic strategy approach to bis(heterocycle)methanes was extended to the synthesis of bis- and tris(pyrazolyl)methanes (BPMs and TPMs) through the bis-1,4-conjugated addition reaction of pyrazoles to nitroso- and azoalkenes. This reaction was carried out under mild and simple reaction conditions, giving bis(pyrazolyl)methane derivatives which are difficult to obtain by other methods. The ready access to a wide diversity of the starting oximes, hydrazones, and pyrazoles allowed simple modulation of the bis(pyrazolyl)methane’s structure. The possibility of producing tris(pyrazolyl)methanes following the same methodology was also disclosed.One strategy to find new compounds with biological activity is to explore the carboxylic acid/tetrazole bioisosterism. Therefore, a synthetic approach to 3-(1H-tetrazol-5-yl)-indole derivatives, bioisosters of 1H-indole-3-carboxylic acids, was developed. Arynes, generated in situ from 2-(trimethylsilyl)aryl triflates and KF, reacted smoothly with 2-(4-nitrobenzyltetrazolyl)-2H-azirines to give 3-(4-nitrobenzyltetrazolyl)-indole derivatives with high selectivity and in good yields. Deprotection of the tetrazole moiety of indole gave access to a new class of indole derivatives bearing a tetrazole moiety.In summary, the work developed during this PhD thesis led to the development of new synthetic methodologies for an extensive library of new indole derivatives.