Double green strategy for the synthesis of bioactive compounds from natural scaffolds
Author(s)
Zippilli, Claudio
Date Issued
July 5, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
This thesis aims to elaborate and describe novel green and sustainable approaches for the synthesis of bioactive compounds from natural scaffolds through two main strategies. The first one is biocatalysis, the use of enzyme in organic chemical reactions. The second approach relays on hybridization and dimerization (H&D) of natural substances to explore their biological promiscuity and no vel potential therapeutic applications.
After a brief introduction in chapter 1, the first three chapters are focused on biocatalytic and photobiocatalytic approaches for the selective functionalization of natural compounds using oxidoreductases such as laccase and peroxidase. Chapter 5, 6 and 7 are focused on the hybridization and dimerization of artemisinin with natural products to investigate its biological promiscuity and its potential antimelanoma activity.
Chapter 2 describes an environmentally friendly alternative synthesis of the anti-Alzheimer drug galantamine by using laccase associated with a mediator system. The reaction mechanism involves the selective ortho-para intramolecular oxidative radical coupling of a suitable belladine-derivative to yield a novel and isolable spyrocyclohexadienonic intermediate of galantamine. This biocatalytic procedure avoids the use of toxic K3Fe(CN)6 and affords galantamine in an overall yield higher than the standard procedure.
In chapter 3 it is described that the same laccase-mediator system, proposed in chapter 2, can be tuned to selectively synthetize quaternary N-oxides derivatives of N-methyl belladine (the natural precursor of the Amaryllidaceae alkaloids). Then, supported by the literature, we investigate the potential anti-influenza A activity of the new belladine-type N-oxides.
In Chapter 4, a novel photobiocatalytic system for the in situ activation of horseradish peroxidase is described. The system allowed to active the enzyme without hydrogen peroxide, avoiding related radical-side reactions and enzyme denaturation. The photobiocatalytic system was applied for the synthesis of natural and unnatural bicoumarins allowing us to describe the first synthesis of two natural bicoumarins derived by the regioselective C-C coupling of two molecules of scopoletin.
Chapter 5, 6 and 7 are focused on the biological promiscuity of artemisinin. Hybridization and Dimerization of artemisinin with bioactive natural compounds has been applied to investigate the potential role of artemisinin-based derivatives as antimelanoma agents. Results led us to hypothesize that antimelanoma activity of some of novel artemisinin-derived compounds can be related to the interaction with human DNA topoisomerase 1 instead of the unspecific radical mechanism based on the Fenton reaction.
Lo scopo di questa tesi è quello di elaborare nuovi approcci green ed ecosostenibili per la sintesi di composti bioattivi a partire da scaffold naturali, mediante l’utilizzo di due principali strategie. La prima strategia è la biocatalisi, ovvero l’utilizzo di enzimi in reazioni di chimica organiche. La seconda strategia si basa invece sull’ibridazione e dimerizzazione di sostanze di origine naturale, ad attività biologica nota, al fine di esplorare la loro promiscuità biologica e investigare nuove potenziali applicazioni terapeutiche.
Dopo una breve introduzione nel capitolo 1, i primi tre capitoli descrivono lo sviluppo di nuovi approcci bio- e fotobio- catalitici per la funzionalizzazione selettiva di composti naturali mediante l’utilizzo delle ossidoreduttasi laccasi e perossidasi. I capitoli 5, 6 e 7 sono invece incentrati sull’ibridazione e dimerizzazione dell’artemisinina con prodotti naturali al fine di investigare l’attività promiscua e la potenziale attività antimelanomica dei nuovi derivati ottenuti.
Nel capitolo 2 è descritta una nuova procedura biomimetica ed ecocompatibile per la sintesi del noto farmaco anti-Alzheimer galantamina, utilizzando l’ossidoreduttasi laccasi in associazione con un sistema di mediatori. La reazione tra laccasi ed un substrato a struttura norbelladinica, opportunamente sostituito, fornisce un nuovo intermedio della galantamina a struttura spirocicloesadienonica, tramite coupling radicalico intramolecolare selettivo tra le posizioni ortho e para dei due anelli fenolici. Tramite l’utilizzo di questa procedura biocatalitica, la galantamina è stata ottenuta con una resa totale maggiore rispetto alla procedura standard, evitando inoltre l’utilizzo del esacianoferrato di potassio, sostanza tossica sia per l’operatore che per l’ambiente.
Nel capitolo 3 è descritto invece come utilizzando lo stesso sistema laccasi-mediatore, proposto nel capitolo 2, e modificando opportunamente le condizioni di reazione è possibile sintetizzare selettivamente i derivati N-ossidici di substrati a struttura N-metil belladinica (il precursore naturale degli alcaloidi delle Amaryllidaceae). Supportati dalla letteratura, è stata inoltre investigata la potenziale attività nei confronti del virus dell’influenza A dei derivati ottenuti.
Nel capitolo 4, viene descritto un nuovo metodo fotobiocatalitico per l’attivazione in situ dell’enzima perossidasi da rafano. Tale sistema permette di attivare l’enzima senza l’utilizzo di perossido di idrogeno, permettendo in tal modo di evitare sia reazioni di ossidazione indesiderate a carico del substrato, che la rapida inattivazione dell’enzima senza. Il sistema fotobiocatalitico è stato poi applicato per la sintesi di bicumarine naturali e sintetiche a partire da idrossicumarine, descrivendo in tal modo per la prima volta, una procedura sintetiche per due bicumarine naturali derivanti dal coupling C-C regioselettivo di due molecole di scopoletina.
I capitoli 5, 6 e 7 sono incentrati sulla promiscuità biologica dell’artemisinina. La strategia di ibridazione e dimerizzazione dell’artemisinina con composti naturali caratterizzati da nota attività biologica, è stata utilizzata per investigare il ruolo di nuovi substrati a struttura artemisininica come potenziali agenti antimelanoma. I risultati ottenuti hanno portato alla formulazione dell’ipotesi che l’attività antimelanomica di alcuni dei nuovi ibridi e dimeri sintetizzati fosse relazionata ad una diretta interazione con la DNA umana di tipo 1 piuttosto che al meccanismo aspecifico basato sulla reazione di Fenton. Tale ipotesi è stata razionalizzata mediante studi di docking molecolare in silico.
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione sostenibile delle risorse ambientali
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