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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-7961
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.10667
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 30 March 2008 |
| Referee: | Sigurd (Prof. Dr.) Elz |
| Date of exam: | 16 March 2007 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical/Medicinal Chemistry I (Prof. Elz) |
| Keywords: | Präparative Chemie , Pharmazie , Tryptaminderivate , Arylmethylgruppe , Asymmetrische Synthese , Serotonin , Ligand <Biochemie> , BW723C86 , 5HT2B , Enantiomere , Rattenfundus , Schweinekoronararterie , BW723C86 , 5HT2B , enantiomers , rat fundus , pig pulmonary artery |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 10667 |
Abstract (German)
In der vorliegenden Arbeit wurden neue Derivate aus der Reihe der Arylmethoxytryptamine synthetisiert und mittels in-vitro pharmakologischer Testmodelle auf ihre Wirkung an Serotonin-Rezeptoren geprüft. Dazu wurden Fundusstreifen der Ratte und isolierte Ringe der Pulmonalarterie des Schweins verwendet (5-HT2B-Rezeptor-Modelle). Zum Studium der Interaktion mit 5-HT2A-Rezeptoren kamen sowohl die ...
Abstract (German)
In der vorliegenden Arbeit wurden neue Derivate aus der Reihe der Arylmethoxytryptamine synthetisiert und mittels in-vitro pharmakologischer Testmodelle auf ihre Wirkung an Serotonin-Rezeptoren geprüft. Dazu wurden Fundusstreifen der Ratte und isolierte Ringe der Pulmonalarterie des Schweins verwendet (5-HT2B-Rezeptor-Modelle). Zum Studium der Interaktion mit 5-HT2A-Rezeptoren kamen sowohl die Rattenschwanzarterie als auch die Koronararterie des Schweins zum Einsatz. Dadurch war für beide Spezies eine zuverlässige Selektivitätsbestimmung (5-HT2B versus 5-HT2A) auf funktioneller Basis möglich.
Als Leitstruktur für die Darstellung neuer, möglichst potenter und selektiver 5-HT2B-Rezeptoragonisten diente BW723C86 (alpha-Methyl-5-(2-thienyl)methoxytryptamin). Dabei handelt es sich um den zur Zeit wichtigsten 5-HT2B-Rezeptoragonisten in der experimentellen Pharmakologie. Die Substanz zeichnet sich einerseits durch hohe 5-HT2B-Potenz, andererseits durch eine mehr oder weniger ausgeprägte Selektivität gegenüber anderen Serotonin-Rezeptorsubtypen aus. Die Substanz ist chiral, wurde aber bislang nur als Racemat verwendet. Über die Synthese der Enantiomere war nichts bekannt. Daher sollten unter anderem auch die optischen Antipoden von BW723C86 dargestellt und ihr pharmakologisches Profil untersucht werden.
Um für eine Enantiomeren-Darstellung lohnende Zielstrukturen zu ermitteln, wurde das racemische BW723C86 zunächst einer Strukturoptimierung unterzogen, wobei der Arylmethoxy-Teil im Mittelpunkt der Untersuchungen stand. Das Augenmerk richtete sich dabei zunächst auf den Arylrest. Dargestellt wurden Analoga mit elektronenreichen und elektronenarmen Aromaten sowie unterschiedlichem Substitutionsmuster. Ferner wurde der Arylrest auch durch ringoffene pi-Systeme und Cycloalkane ersetzt. Die Synthese erfolgte ausgehend von kommerziell erhältlichem 5-Benzyloxyindol in sieben Stufen. Die Seitenkette wurde über Vilsmeyer-Formylierung, Henry-Reaktion und anschließende Reduktion eingeführt. Nach dem Schützen der Aminfunktion, Abspalten der 5-Benzylgruppe, Ankoppeln des gewünschten Restes und Entfernen der Amin-Schutzgruppe konnten schließlich die entsprechend substituierten, racemischen Zielverbindungen erhalten werden. Deren in-vitro pharmakologische Prüfung ergab, dass der elektronenreiche Aromat Thiophen und das 2-Methoxybenzen besonders geeignete Aromaten in Hinblick auf hohe 5-HT2B-Potenz darstellen. Elektronenarme aromatische Reste, wie Pyridyl oder Trifluormethylphenyl, aber auch der aliphatische Cyclohexylrest führten dagegen zu einem deutlichen Abfall der Potenz.
Eine Verlängerung des 5-Methoxysubstituenten, der die beiden aromatischen Teile der Wirkstoffe verbindet, erzeugte ebenfalls einen deutlichen Abfall in der Potenz der Verbindungen. Auch ein Shift der gesamten Arylmethoxygruppe in die Positionen 4, 6 oder 7 des Indolkörpers wirkte sich ausgesprochen negativ auf den 5-HT2B-Rezeptoragonismus aus.
Die Seitenkette war ebenfalls Gegenstand intensiver Strukturoptimierungsversuche. Zunächst wurde eine Verknüpfung der unveränderten Seitenkette über die 2-Position des Indol-Grundkörpers untersucht. Dazu musste die Syntheseroute verändert werden. Nach Schützen des Indol-Stickstoffs mit der Phenylsulfonylgruppe ist die 2-Stellung des Indols mittels Lithiierung zugänglich. Reaktion mit Propylenoxid führte zur 2-Hydroxypropyl-Zwischenverbindung, die nach Mitsunobu in das Phthalimid überführt werden konnte. Hydrazinolyse und Entfernung der Schutzgruppe ergaben schließlich die Zielverbindung. Diese war am 5-HT2B-Rezeptor praktisch unwirksam.
Nachdem sich also die 3-Stellung als optimaler Verknüpfungspunkt bestätigt hatte, wurden weitere Derivate dieser Reihe dargestellt. Sekundäre und tertiäre Amine wurden mittels reduktiver Aminierung synthetisiert. Diese zeigten ausnahmslos einen (deutlichen) Abfall der 5-HT2B-Potenz. Auch die Prüfung zahlreicher Derivate mit neuem Substitutionsmuster in alpha- und beta-Stellung zum Seitenkettenstickstoff erbrachte keine neuen potenten Verbindungen. Sowohl beta-Methyl- als auch beta-Phenyl-Substitution führten zu partiellen Agonisten mit deutlich geringerer Potenz. In alpha-Stellung waren die unverzweigten und die methylierten Derivate etwa äquipotent, während Ethyl- und Phenylreste nicht toleriert wurden. Methylierung am Indol-Stickstoff führte zu einer schwächer wirksamen Verbindung.
Es bleibt daher festzuhalten, dass der (Het)Arylmethoxy-Teil des Moleküls bevorzugt einen elektronenreichen Aromaten enthalten sollte, der über einen Methoxyspacer in 5-Stellung an das Indolgrundgerüst gekoppelt sein muss. Die Seitenkette muss in 3-Stellung des Indols eingeführt werden und sollte terminal eine primäre Aminfunktion tragen. In alpha-Stellung wird eine Methylsubstitution toleriert, die zum Auftreten von optischen Antipoden führt.
Um Aussagen über den Einfluss der Chiralität verursachenden alpha-Methyl-Gruppe auf die Rezeptor-Ligand-Wechselwirkung vornehmen zu können, sind enantiomerenreine Liganden nötig. Der synthetische Zugang erfolgte über eine Racematspaltung mittels Kristallisation diastereomerer Salze auf der zentralen Zwischenstufe des 2-(5-Benzyloxy-1H-indol-3-yl)-1-methylethylamins (15). Salzbildung mit optisch aktiven Ditoluoylweinsäuren und mehrfache Umkristallisation ergaben schließlich einen Enantiomerenüberschuss von ee > 99 %. In chromatographischen und 1H-NMR-spektroskopischen Untersuchungen konnte auf keiner Synthesestufe eine Verunreinigung mit dem jeweiligen optischen Antipoden detektiert werden. Die Zuordnung der absoluten Konfiguration gelang für das Hydrochlorid eines Enantiomers der zentralen Zwischenstufe 15 mithilfe einer Röntgenstrukturanalyse.
Die organpharmakologische Untersuchung am 5-HT2B-Rezeptor des Rattenfundus ergab eudismische Quotienten bis zu 178 : 1, wobei die (S)-Enantiomere jeweils die Eutomere darstellen. Die Stereoselektivität des 5-HT2B-Rezeptors gegenüber BW723C86-analogen Verbindungen scheint also recht groß zu sein. Die Untersuchungen an der Schweinepulmonalarterie bestätigten diese Resultate. Auch hier wurden die (S)-Enantiomere als Eutomere identifiziert. Die eudismischen Quotienten lagen dort im Bereich von einer Zehnerpotenz.
Alle dargestellten Wirkstoffe wurden auch hinsichtlich ihrer Selektivität gegenüber 5-HT2A-Rezeptoren untersucht. Diese beträgt für fast alle Substanzen ungefähr eine Größenordnung. Nur wenige Derivate weisen eine bedeutend höhere Selektivität auf. Dazu gehören beispielsweise die racemische Leitstruktur BW723C86 oder auch das 1-Phenylethoxyderivat 116. Es wurden hier Selektivitätsfaktoren von 107 bzw. 165 zugunsten des 5-HT2B-Rezeptors der Ratte gefunden. Alle untersuchten (S)-Enantiomere liegen hinsichtlich ihrer Selektivität in demselben Bereich wie die jeweiligen Racemate. Die (R)-Enantiomere zeigten überraschenderweise kompetitiven Antagonismus an 5-HT2A-Rezeptoren der Rattenschwanzarterie.
Translation of the abstract (English)
In the present study new arylmethoxytryptamine derivatives have been synthesized and studied for their interaction with 5-HT receptors by several pharmacological in-vitro assays. For 5-HT2B receptors, assays were performed on isolated strips of rat fundus and rings of pig pulmonary arteries. For 5-HT2A receptors, segments of rat tail arteries as well as of pig coronary arteries were used. Thus ...
Translation of the abstract (English)
In the present study new arylmethoxytryptamine derivatives have been synthesized and studied for their interaction with 5-HT receptors by several pharmacological in-vitro assays. For 5-HT2B receptors, assays were performed on isolated strips of rat fundus and rings of pig pulmonary arteries. For 5-HT2A receptors, segments of rat tail arteries as well as of pig coronary arteries were used. Thus 5-HT2B versus 5-HT2A selectivity could be determined for each species.
BW723C86 (alpha-methyl-5-(2-thienyl)methoxytryptamine) served as lead structure for the synthesis of highly potent and selective 5-HT2B-receptor agonists. At present this compound is the mostly applied 5-HT2B-receptor agonist in experimental pharmacology. On one hand the substance possesses outstanding 5-HT2B agonist potency, on the other hand it displays a more or less distinctive selectivity versus other subtypes of the serotonin receptor family. Due to the ramification of the ethylamine side-chain, BW723C86 is a chiral compound. Information about the pharmacological activity profile of the two enantiomers was not available so far.
In order to identify promising analogues of BW723C86 which would merit a separation into the enantiomers, the lead molecule was initially modified at the arylmethoxy moiety in the indole-5-position. Attention was first of all focused on the aryl group. Benzylic ethers with different substitution patterns, rich and poor in electrons, were synthesized. Furthermore the aryl substituent was replaced by ring opened pi-systems or by cycloalkanes. The seven-step synthesis started from commercially available 5-benzyloxyindole. The side-chain was introduced via Vilsmeyer formylation, Henry reaction and following reduction. After protection of the amine, cleavage of the benzyl ether, and coupling of the desired group, cleavage of the amino protecting group subsequently led to desired racemic final compounds. In-vitro pharmacological tests showed that thiophene and the 2-methoxyphenyl moiety are especially beneficial with respect to 5-HT2B agonist potency, while electron deficient aromatic moieties lead to a decrease in potency.
The extension of the methoxy spacer which links the two aromatic moieties, brought a significant decrease in potency. Similarly, a shift of the whole arylmethoxy motif to the indolic positions 4, 6, or 7 had a fatal impact on 5-HT2B receptor agonism.
The side-chain was also part of extensive structural modifications. Thus, the effect of linking the unmodified side-chain to the indole nucleus via the 2-position was studied. For this purpose, the synthetic route had to be changed. After protection of the indole nitrogen by a phenylsulfonyl group, the 2-position of the indole was accessible by lithiation. The reaction with propylene oxide led to a 2-hydroxypropyl intermediate which could be transferred into the corresponding phthalimide according to a Mitsunobu protocol. Hydrazinolysis and removal of the protecting group resulted in the final analogue, which unfortunately was almost ineffective at the 5HT2B receptor.
Among numerous derivatives with new substitution patterns in alpha and beta position of the aminoethyl side-chain (indole-3-substituted series) no single potent member could be identified. Beta-methyl as well as beta-phenyl substitution led to partial agonists with very low potency. Alpha-methylated derivatives were equipotent with the achiral congeners, whereas ethyl- and phenyl-substitution was not tolerated. Methylation of the indole nitrogen led to a less effective compound.
It is concluded that in the family of analogues of BW723C86, high 5-HT2B-receptor agonist potency is only found when (1) the aromatic moiety is electron-rich and linked to the 5-position of the indole nucleus by a methoxy spacer, (2) the ethylamine side-chain occupies the indole-3-position and bears a terminal primary amino group, and (3) the position alpha to the amino group is -CH2- or -CH(CH3)-.
The role of stereochemistry for the 5HT2B-receptor agonist profile of BW723C86 or analogues was examined for the first time using so far unavailable, enantiomerically pure ligands. The synthetic access was possible by separation of the enantiomers of the key intermediate 2-(5-benzyloxy-1H-indole-3-yl)-1-methylethylamine (15). Formation of diastereomeric salts with optically active ditoluoyltartaric acids and repeated recrystallisation finally led to the optically pure enantiomers of 15 (ee > 99 %). Chromatographical and 1H-NMR-spectroscopic analysis showed no detectable impurity by the respective optical antipode.
The organ pharmacological testing on 5-HT2B receptors in the rat fundus revealed eudismic ratios of up to 178:1. The (S) enantiomers were always the eutomers. Assays on pig pulmonary arteries confirmed this observation, and the (S) enantiomers were again identified as eutomers. The eudismic ratios were about 10.
All described compounds were also tested with respect to their selectivity towards 5-HT2A receptors. Almost all compounds displayed a selectivity of about one order of magnitude in favour of the 5-HT2B receptor. Only few derivatives show a significantly higher selectivity, e.g., the racemic lead BW723C86, or the 1-phenylethoxy derivative 116. Selectivity values of 107 respectively 165 were found (5-HT2B receptors versus 5-HT2A receptors). All tested enantiomers displayed similar selectivity compared with the respective racemates. Surprisingly, the (R) enantiomers showed competitive antagonism at 5-HT2A receptors in the rat tail artery assay, i.e., they showed no detectable intrinsic activity.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 12:37
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