Investigation of 4,6-Disubstituted Pyrrolo[2,3-d]pyrimidines as Potential Colony-Stimulating Factor 1 Receptor Inhibitors; Synthesis of Carboxylic Acid Derivatives on the Aromatic Moiety at Position C-6.

Abstract

I medisinsk kjemi har små molekyler blitt et viktig forskningsområde innen legemidler. Fusjonerte heterosykler har blitt rapportert til å utfolde en rekke biologiske aktiviteter, og pyrrolopyrimidiner er en av hovedklassene som rapporteres. Målet med denne masteroppgaven var å syntetisere nye 4,6-disubstituerte pyrrolo[2,3-d]pyrimidiner som potensielle hemmere av «colony-stimulating factor 1 receptor» (CSF-1R). Overuttrykk av CSF-1R har blitt assosiert med flere sykdommer, som for eksempel inflammatoriske sykdommer, kreft, autoimmun- og beinsykdommer, og denne kinasen har blitt et viktig mål for medisinsk behandling. Fra tidligere arbeid i forskningsgruppen har noen pyrrolopyrimidiner vist seg å ha høy hemmende aktivitet mot CSF-1R når de har blitt testet i in vitro enzymatiske assayer. Disse strukturene har vært utgangspunkt for dette prosjektet og videreutviklingen av nye potensielle CSF-1R hemmere. Fire nye pyrrolopyrimidiner har blitt syntetisert, og alle har blitt testet som hemmere mot CSF-1R. Alle de nye pyrrolopyrimidinene har samme N-bensylamin i posisjon C-4 og forskjellige substitusjoner på arylen i posisjon C-6.

SEM-beskyttet 4-klor-6-jod-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidine (1) ble valgt som utgangsstoff i synteseruten mot de endelige pyrrolopyrimidinene (Scheme i, side iii). Denne forbindelsen ble syntetisert i forprosjektet til master som ble gjennomført høsten 2018/vinteren 2019. De SEM-beskyttede pyrrolopyrimidinene ble syntetisert ved termisk aminering i posisjon C-4, etterfulgt av Suzuki krysskoblinger med aryl borsyreestere i posisjon C-6. De endelige forbindelsene 22-24 ble oppnådd ved SEM-avbeskyttelse og karboksylsyren 25 ved påfølgende ester hydrolyse av 23.

Til Suzuki krysskoblingene i posisjon C-6 av 3 var det behov for aryl borsyreestere som ikke var lett tilgjengelige. Derfor ble en alternativ strategi ved borylering av aryl halider utført. Tre aryl borestere ble syntetisert ved forskjellige synteseruter. I alle synteserutene er karboksylsyrene modifisert da dette viste seg å være nødvendig for å gjennomføre vellykkede boryleringer under basiske betingelser (Scheme ii, side iv).

Resultatene fra in vitro biologisk testing viste at alle de endelige pyrrolopyrimidinene har lovende hemmende aktivitet mot CSF-1R. De høyeste hemmingsaktivitetene ble funnet for laktonet 22 og karboksylsyren 25, som fikk veldig lave IC50-verdier på 0,74 nM og 0,45 nM. Metylesterne 23 og 24 fikk IC50-verdier på 9,89 nM og 11,7 nM, noe som ligger i nærheten av den hemmende aktiviteten til PLX3397. De lave IC50-verdiene til forbindelsene 22 og 25 gjør dem til mulige utgangspunkt for videre optimalisering av hemmende aktivitet mot CSF-1R.

In medicinal chemistry, small molecule drugs have become an important field of research. Fused heterocycles have been reported to demonstrate a variety of biological activity, and pyrrolopyrimidines are one of the major classes reported. The aim of this master thesis was to synthesize new 4,6-disubstituted pyrrolo[2,3-d]pyrimidines as potential inhibitors of colony-stimulating factor 1 receptor (CSF-1R). Over-expression of CSF-1R has been associated with several diseases, such as inflammatory diseases, cancer, autoimmune and bone diseases, and this kinase has become an important target for medicinal treatments. From previous work in the research group, some pyrrolopyrimidines have proved to have high inhibitor activity towards CSF-1R when tested in in vitro enzymatic assays. These were the lead structures for the presented project and the basis for further development of new potential CSF-1R inhibitors. A total of four new pyrrolopyrimidines have been synthesized, in which the inhibitor activity towards CSF-1R have been tested for all (see Scheme i). All the new pyrrolopyrimidines have the same N-benzylamine in position C-4 but different substitution on the aryl moiety at position C-6.

In the synthesis toward the final pyrrolopyrimidines, SEM-protected 4-chloro-6-iodo-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidine (1) was chosen as the starting compound (Scheme i). This was previously prepared in-house in the pre-master project, conducted during the fall 2018/winter 2019. Thermal amination in position C-4, followed by Suzuki cross-couplings with the necessary aryl boronic ester in position C-6 gave the SEM-protected pyrrolopyrimidines. Final compounds 22-24 were obtained by SEM-deprotection and carboxylic acid 25 was synthesized by hydrolysis of 23.

Aryl boronic esters 15-17 for the Suzuki cross-coupling in position C-6 of 3 were not easily available, and alternative strategies including borylation of aryl halides were explored. Three aryl boronic esters were synthesized by different pathways, all including modifications of the carboxylic acid moieties. These modifications proved to be necessary for successful borylation under basic conditions (Scheme ii).

From the in vitro biological evaluation, the highest inhibition activities were found for the lactone 22 and the carboxylic acid 25, with IC50 values of 0.74 nM and 0.45 nM. For the methyl esters 23 and 24, the IC50 values of 9.89 nM and 11.7 nM resembled the inhibitor activity of the reference compound PLX3397. These results proved all the final pyrrolopyrimidines have chosen potential as CSF-1R inhibitors. In addition, the low IC50 values of compounds 22 and 25 make them possible lead structures for the further optimization of inhibitor activity.