Title (eng)
Synthesis and characterization of a novel bifunctional, bidentate fluorescent iron chelator
Parallel title (deu)
Synthese und Charakterisierung eines neuen bifunktionellen, zweibindigen fluoreszierenden Eisenchelators
Author
Carmen Rainer
Advisor
Gerhard F. Ecker
Assessor
Gerhard F. Ecker
Abstract (deu)
Eisen ist ein essentielles Element, um das Funktionieren aller lebenden Zellen zu gewährleisten. Eisenüberschuss stellt aber ein schwerwiegendes Problem dar und kann mit eisenspezifischen Chelatverbindungen verhindert werden. Das Design eines oralen, aktiven, nicht toxischen, selektiven Chelatbildners ist eines der Ziele der Forschungsgruppe der pharmazeutischen Chemie am King’s College London.
Im Moment arbeiten sie an der Entwicklung neuer chelatbildender Verbindungen, um labiles Eisen in Mitochondien nachzuweisen und überschüssiges Eisen zu binden. Vor kurzem wurden 10 neue zweibindige, eisenspezifische Moleküle, in denen der sich die fluoreszierende und der chelatbildende Teil vereinigen, publiziert.
Das Ziel dieser Diplomarbeit war es, eine dazu ähnliche Verbindung zu synthetisieren, die zusätzlich noch ein primäres Amin als funktionelle Gruppe trägt. Das Molekül wurde dann physikalisch-chemisch charakterisiert, und es wurde bestätigt, dass es sich um einen fluoreszierenden, zweibindigen Eisenchelatkomplex handelt.
Das Edukt der Chelatkomplexsynthese war kommerziell verfügbare Kojisäure, deren OH Gruppe in Position 5 im ersten Schritt mit einer Benzylgruppe geschützt wurde um 5-benzyloxy-2-hydroxymethyl-4H-pyran-4-on zu erhalten. Danach wurde die OH Gruppe in Position 2 zu einer Carbonsäure umgewandelt, 5-(benzyloxy)-4-oxo-4H-pyran-2-carboxylsäure, wurde synthetisiert. Das Pyranon wurde dann über ein eingefügtes Amin zum bizyklischen Pyrazin 2-(2-aminoethyl)-7-(benzyloxy)-3,4-dihydro-2H-pyrido[1,2-a]pyrazine-1,8-dion umgesetzt. Der letzte Schritt bestand darin, die schützende Benzylgruppe über Hydrolyse mit 10% Pd/C (w/w) vom Molekül abzuspalten, um die fluoreszierende, bizyklische, zweibindige Chelatverbindung 2-(2-aminoethyl)-7-hydroxy-3,4-dihydro-2H-pyrido[1,2-a]pyrazine-1,8-dion zu erhalten.
Diese wurde dann vollständig physikochemisch via NMR, HRMS, HPLC, UV/Vis Spektroskopie, Molaren Extinktionskoeffizienten, Fluoreszenzemissionsspectroskopie, Fluoreszenzlöschung über Eisen, Fluoreszenzquantenausbeute und clogP charakterisiert. Die Ergebnisse korrespondieren mit zuvor ähnlich synthetisierten Chelatkomplexen.
Die funktionelle Amingruppe der Verbindung ermöglicht es uns, später über drei Amidbindungen mit einer dreifüßigen Carbonsäure einen sehr starken sechsbindigen, selbst fluoreszierenden Chelatkomplex herzustellen. Diese Art von Chelatkomplex wurde bisher noch nicht publiziert. Dieser letzte Schritt konnte aufgrund der begrenzten Zeit die ich im Labor des KCL zur Verfügung hatte leider nicht vollständig abgeschlossen werden. Chemiker des Departements für Pharmazeutische Chemie am KCL werden die Reaktionsbedingungen in Zukunft optimieren.
Abstract (eng)
The element iron is essential and indispensable for the correct function of all living cells. But elevated levels of body iron cause serious clinical problems which can be largely prevented by the administration of iron-specific chelators. Thus the design of an orally active, nontoxic, selective iron chelator is one of the goals of the medicinal chemistry group at KCL.
At present they are developing novel iron-chelators for monitoring and adjusting the excess labile iron pool in mitochondria. Recently 10 novel bidentate, iron specific fluorescent probes, where the fluorescent moiety is merged with the chelating entity of the molecule, have been described.
The aim of this Diploma thesis project was to synthesize a compound similar to those mentioned but with a primary amine functional group. It was fully characterized of its physicochemical properties and I could ascertain that it is a fluorescent, bidentate iron chelator.
The starting material of the chelator synthesis was commercially available kojic acid, which was first benzyl-protected in the 5-OH position to 5-benzyloxy-2-hydroxymethyl-4H-pyran-4-one and then oxidized in the 2-OH position to a carboxylic functional group to obtain 5-(benzyloxy)-4-oxo-4H-pyran-2-carboxylic acid. The pyranone was then converted to the bicyclic pyrazine 2-(2-aminoethyl)-7-(benzyloxy)-3,4-dihydro-2H-pyrido[1,2-a]pyrazine-1,8-dione via an amine insertion reaction. The final step was then to deprotect the molecule from the benzyl group via hydrogenation with 10% Pd/C (w/w), in order to obtain the bicyclic, fluorescent, bidentate chelator 2-(2-aminoethyl)-7-hydroxy-3,4-dihydro-2H-pyrido[1,2-a]pyrazine-1,8-dione.
The compound was fully characterized of its physicochemical properties: NMR, HRMS, HPLC, UV/Vis Spectroscopy, Molar extinction coefficient, Fluorescence emission spectroscopy, Fluorescence quenching by iron, Fluorescence quantum yield and the clogP. The results corresponded with similarly synthesized chelators.
The amine functional group of the iron chelator provides us the advantage of later coupling it to peptides or tripodal carboxylic acids to form a very strong hexadentate, iron chelator which fluorescences by itself. This kind of chelator has not been published yet. However, this last step could only be partially achieved due to the limited time available for my project. In future work the chemists at the department of Medicinal Chemistry of KCL will continue to modify the conditions of this last reaction.
Keywords (eng)
iron chelatorfluorescence based methodshydroxypyridinonebidentateneurodegeneration
Keywords (deu)
Eisenchelatorfluoreszenzbasierte MethodenHydroxypyridinonzweibindigNeurodegeneration
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1323210
rdau:P60550 (deu)
viii, 70, XXIX Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
109
Association (deu)
Title (eng)
Synthesis and characterization of a novel bifunctional, bidentate fluorescent iron chelator
Parallel title (deu)
Synthese und Charakterisierung eines neuen bifunktionellen, zweibindigen fluoreszierenden Eisenchelators
Author
Carmen Rainer
Abstract (deu)
Eisen ist ein essentielles Element, um das Funktionieren aller lebenden Zellen zu gewährleisten. Eisenüberschuss stellt aber ein schwerwiegendes Problem dar und kann mit eisenspezifischen Chelatverbindungen verhindert werden. Das Design eines oralen, aktiven, nicht toxischen, selektiven Chelatbildners ist eines der Ziele der Forschungsgruppe der pharmazeutischen Chemie am King’s College London.
Im Moment arbeiten sie an der Entwicklung neuer chelatbildender Verbindungen, um labiles Eisen in Mitochondien nachzuweisen und überschüssiges Eisen zu binden. Vor kurzem wurden 10 neue zweibindige, eisenspezifische Moleküle, in denen der sich die fluoreszierende und der chelatbildende Teil vereinigen, publiziert.
Das Ziel dieser Diplomarbeit war es, eine dazu ähnliche Verbindung zu synthetisieren, die zusätzlich noch ein primäres Amin als funktionelle Gruppe trägt. Das Molekül wurde dann physikalisch-chemisch charakterisiert, und es wurde bestätigt, dass es sich um einen fluoreszierenden, zweibindigen Eisenchelatkomplex handelt.
Das Edukt der Chelatkomplexsynthese war kommerziell verfügbare Kojisäure, deren OH Gruppe in Position 5 im ersten Schritt mit einer Benzylgruppe geschützt wurde um 5-benzyloxy-2-hydroxymethyl-4H-pyran-4-on zu erhalten. Danach wurde die OH Gruppe in Position 2 zu einer Carbonsäure umgewandelt, 5-(benzyloxy)-4-oxo-4H-pyran-2-carboxylsäure, wurde synthetisiert. Das Pyranon wurde dann über ein eingefügtes Amin zum bizyklischen Pyrazin 2-(2-aminoethyl)-7-(benzyloxy)-3,4-dihydro-2H-pyrido[1,2-a]pyrazine-1,8-dion umgesetzt. Der letzte Schritt bestand darin, die schützende Benzylgruppe über Hydrolyse mit 10% Pd/C (w/w) vom Molekül abzuspalten, um die fluoreszierende, bizyklische, zweibindige Chelatverbindung 2-(2-aminoethyl)-7-hydroxy-3,4-dihydro-2H-pyrido[1,2-a]pyrazine-1,8-dion zu erhalten.
Diese wurde dann vollständig physikochemisch via NMR, HRMS, HPLC, UV/Vis Spektroskopie, Molaren Extinktionskoeffizienten, Fluoreszenzemissionsspectroskopie, Fluoreszenzlöschung über Eisen, Fluoreszenzquantenausbeute und clogP charakterisiert. Die Ergebnisse korrespondieren mit zuvor ähnlich synthetisierten Chelatkomplexen.
Die funktionelle Amingruppe der Verbindung ermöglicht es uns, später über drei Amidbindungen mit einer dreifüßigen Carbonsäure einen sehr starken sechsbindigen, selbst fluoreszierenden Chelatkomplex herzustellen. Diese Art von Chelatkomplex wurde bisher noch nicht publiziert. Dieser letzte Schritt konnte aufgrund der begrenzten Zeit die ich im Labor des KCL zur Verfügung hatte leider nicht vollständig abgeschlossen werden. Chemiker des Departements für Pharmazeutische Chemie am KCL werden die Reaktionsbedingungen in Zukunft optimieren.
Abstract (eng)
The element iron is essential and indispensable for the correct function of all living cells. But elevated levels of body iron cause serious clinical problems which can be largely prevented by the administration of iron-specific chelators. Thus the design of an orally active, nontoxic, selective iron chelator is one of the goals of the medicinal chemistry group at KCL.
At present they are developing novel iron-chelators for monitoring and adjusting the excess labile iron pool in mitochondria. Recently 10 novel bidentate, iron specific fluorescent probes, where the fluorescent moiety is merged with the chelating entity of the molecule, have been described.
The aim of this Diploma thesis project was to synthesize a compound similar to those mentioned but with a primary amine functional group. It was fully characterized of its physicochemical properties and I could ascertain that it is a fluorescent, bidentate iron chelator.
The starting material of the chelator synthesis was commercially available kojic acid, which was first benzyl-protected in the 5-OH position to 5-benzyloxy-2-hydroxymethyl-4H-pyran-4-one and then oxidized in the 2-OH position to a carboxylic functional group to obtain 5-(benzyloxy)-4-oxo-4H-pyran-2-carboxylic acid. The pyranone was then converted to the bicyclic pyrazine 2-(2-aminoethyl)-7-(benzyloxy)-3,4-dihydro-2H-pyrido[1,2-a]pyrazine-1,8-dione via an amine insertion reaction. The final step was then to deprotect the molecule from the benzyl group via hydrogenation with 10% Pd/C (w/w), in order to obtain the bicyclic, fluorescent, bidentate chelator 2-(2-aminoethyl)-7-hydroxy-3,4-dihydro-2H-pyrido[1,2-a]pyrazine-1,8-dione.
The compound was fully characterized of its physicochemical properties: NMR, HRMS, HPLC, UV/Vis Spectroscopy, Molar extinction coefficient, Fluorescence emission spectroscopy, Fluorescence quenching by iron, Fluorescence quantum yield and the clogP. The results corresponded with similarly synthesized chelators.
The amine functional group of the iron chelator provides us the advantage of later coupling it to peptides or tripodal carboxylic acids to form a very strong hexadentate, iron chelator which fluorescences by itself. This kind of chelator has not been published yet. However, this last step could only be partially achieved due to the limited time available for my project. In future work the chemists at the department of Medicinal Chemistry of KCL will continue to modify the conditions of this last reaction.
Keywords (eng)
iron chelatorfluorescence based methodshydroxypyridinonebidentateneurodegeneration
Keywords (deu)
Eisenchelatorfluoreszenzbasierte MethodenHydroxypyridinonzweibindigNeurodegeneration
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1323211
Number of pages
109
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