Naslov (eng)

Imino derivatives of carbonothioic dihydrayides and cinnamic acids amides : structure-activity relationship studies : doctoral dissertation

Autor

Assaleh, Mohamed H., 1982-

Doprinosi

Aranđelović, Irena, 1982-
Bjelogrlić, Snežana, 1969-
Mijin, Dušan, 1962-
Prlainović, Nevena, 1982-
Marinković, Aleksandar D., 1970-

Opis (eng)

Two series of compounds were synthesized in this PhD thesis: Salicylaldehyde (sal) and 2-Acetylpyridine (2ap) mono- and bis-(thiocarbohydrazones), m-TCH and b-TCH, respectively (firstseries), and cinnamic acids amides (second series), in overall twenty eigth compounds.All synthesized compounds are characterized using both experimental and theoretical methods.Experimental techniques include FT-IR, NMR and UV-Vis spectroscopy, as well as elementalanalysis used for structural and purity characterization. The use of UV-Vis and NMR spectroscopy,and theoretical (“quantum chemical”) calculations was applied to get a deeper insight intoexperimental data related to the ratio of Z/E isomer and thion/thio tautomerism versus relatedantioxidant activity induced by water addition to dimethyl sulfoxide (DMSO) TCHs solution. Water-induced breakage of intra-molecular hydrogen bond in mono- and bis(salicylaldehyde)TCH, i.e. [(2-hydroxyphenyl)methylene]carbonothioichydrazide, m-TCHsal, and 2,2'-bis[(2-hydroxyphenyl)methylene]carbonothioic dihydrazide, b-TCHsal, lead to E to Z isomerization. Goodaccordance of experimental data, from 1H and 13C NMR and 2D NOESY spectra, and theoreticalones, obtained using GIAO/B3LYP-6-311G++(d,p), with respect to geometrical E:Z isomer ratio, e.g.81:19 for m-TCHsal was obtained. Destabilization of the ground state lowers bond dissociationenthalpy (BDE) for 11 kcal/mol, and as consequence leads to more extensive electron spindelocalization in Z-isomers.Additionally, 2-acetylpyridine based TCH, i.e. E-[1-(2-pyridinyl)ethylidene]-carbonothioicdihydrazide, m-TCH2ap, and 2,2'-bis[1-(2-pyridinyl)ethylidene]carbonothioic dihydrazide, b-TCH2ap, are susceptible to thione/thiol tautomerism as a phenomenon which contributes to lowerBDE and effectiveness of the hydrogen transfer to DPPH∙ is facilitated in that manner. Analogously,experimental and theoretical results confirmed the shift of m-TCH2ap and b-TCH2ap to thiol form bywater addition. These data were observed from the calculation of ZPE-corrected energy, enthalpy,BDEs, and the extent of radical spin delocalization of the isomers of studied compounds. Resultsindicate that increased participation of the thiol group in thiol/thion equilibria highly contributes toincreased radical scavenging activity of compounds m-TCH2ap and b-TCH2ap. The spin densitydelocalization in thiol form of m-TCH2ap and b-TCH2ap occupy almost entire structure. Opposite istrue for thione radicals. This fact is observed by a significant increase of antioxidant activity of allcompounds, e.g. 0.67 for b-TCH2ap in DMSO and 0.13 in DMSO:H2O = 4:1 (IC50 in mM).A second part includes the synthesis of twenty four cinnamic acid amides (cinnamamides) withTCHs pharmacophore, synthesized by coupling of acid chlorides: cinnamic, 3-chlorocinnamic, 4-chlorocinnamic and 4-methoxycinnamic acid with m-TCH containing: pyridine-2-yl, salicyl, 8-hydroxyquinoline-2-yl and 2-acetyl moiety. Synthesized compounds have been investigated for theirbiological properties in terms of anticancer and antimycobacterial activity. Analogous synthesis wasapplied with 3-hydroxycinnamic acid using the same set of m-TCH and HATU coupling agent.Finally, amides based on Caffeic and Ferulic acids with m-TCH containing pyridine-2-yl and salicylmoieties were synthesized in the same manner, and used for study of their antioxidative potential.Within assessment of compounds’ ability to induce death of malignant cells, five human cell lineswere treated over 24 h: colorectal adenocarcinoma (LoVo), ovarian adenocarcinoma (SkOV-3), lungadenocarcinoma (A549), breast adenocarcinoma (MCF-7) and pancreatic adenocarcinoma (AsPC-1).Obtained results showed that A549 cells were the most sensitive to tested treatments, whereascompounds 3-ClCimTCHsal and 4-ClCimTCH8OH2qu revealed superior activity and were set as thefocus of a further anticancer investigation. Although 4-ClCimTCH8OH2qu acted as a more powerfulinducer of apoptotic death than 3-ClCimTCHsal, both compounds in A549 cells stimulated cell cyclearrest at the G0/G1 phase, as well as activation of the intrinsic caspase cascade. A notable differenceiiin mechanisms of their pro-apoptotic activity refers to the ability of 4-ClCimTCH8OH2qu to stronglyarouse generation of superoxide anion in mitochondria, which was not seen in A549 cells subjectedto 3-ClCimTCHsal. Evaluation of their antimigratory properties demonstrated that compound 3-ClCimTCHsal significantly inhibited mobility of A549 cells, which was not recorded in samplestreated with 4-ClCimTCH8OH2qu. Finally, powerful cytotoxicity of 4-ClCimTCH8OH2qu on HaCat(human keratinocytes) and HepG-2 (hepatocellular adenocarcinoma) cells that were employed asmodels for skin and liver toxicity, uncovered that this compound has disadvantageous toxicity profile.On the contrary, 3-ClCimTCHsal had only a moderate impact on the vitality of HaCaT cells, andtherefore proved as suitable for future investigations of its anticancer properties. The capacity ofcompounds to interfere with proliferation and survival of Mycobacterium tuberculosis (Mtb), whichis a pathogen responsible for the development of tuberculosis (TB), was assessed on three strainsfrom clinical isolates, each comprising a specific resistance genotype: Mtb-InhRif-S with no specificmutations associated with resistance to isoniazid (INH) and/or rifampicin (RIF), Mtb-Inh-R harboringspecific mutation for resistance to RIF, and Mtb-Rif-R holding specific mutation associated withresistance to INH. After 6 days of incubation with investigated drugs, with INH and RIF as positivecontrols, CimTCH8OH2qu was the only one that successfully reduced Mtb viability for more than 90% in all three treated strains. Moreover, compound CimTCH8OH2qu did not induce the death of HepG-2 cells, which indicates its favorable hepatotoxicity profile compared to current therapeutic optionsfor the treatment of TB.A third part of the present study included an antimicrobial study of three series of cinnamic acidamides: cinnamic, 4-chlorocinnamic and 4-methoxy cinnamic acid and m-TCH containing: pyridine-2-yl, salicyl, 8-hydroxyquinoline-2-yl, and 2-acetyl moiety. The antimicrobial study againstEnterococcus cloacae ATCC13047, Staphylococcus aureus NCTC 6571, Klebsiella pneumoniaeATCC 13883, Acinetobacter baumannii ATCC 19606, Pseudomonas aeruginosa NCTC 10662, andEscherichia coli ATCC 1175 was performed. Some of the cinnamic amides showed good in vitroactivity against all strains tested, i.e. amides based on cinnamic, 4-chlorocinnamic and 4-methoxycinnamic acid and m-TCH2ap, i.e. CimTCH2ap, 4-MeOCimTCH2ap и 4-ClCimTCH2ap. Moreover,all compounds showed acceptable to high activities with respect to A. baumannii, a widely spreadopportunistic pathogen in hospitals. The most active derivative was 4-MeOCimTCH2fp, with MIC50value of 10.4 (μmol). Additionally, in order to establish relation of structure and antibacterial activityagainst A. baumanii an alignment-independent 3D QSAR model was developed for the identificationof pharmacophoric hotspots. In order to rationalize antimicrobial mechanism, the iron chelationcapability of synthesized compounds was determined using UV-Vis spectrophotometric method. Dueto the presence of strong donor sites the synthesized compounds showed strong iron chelating abilityby creating complexes with the stability constant in the range from 107 to 109. Determined stabilityconstants indicate that interaction of iron and synthesized compounds is an important step in thereaction pathway of antimicrobial activity against A. baumanii.

Opis (srp)

У овој докторској дисертацији синтетисане су две серије једињења: салицилалдехиди 2-ацетилпиридин моно- и дитиокарбохидразони, TCH (прва серија), и амиди циметнихкиселина (друга серија), укупно двадесетосам једињења.У првом делу дисертације, применом експерименталних и теоријских метода суокарактерисана сва синтетисана једињења. Експерименталне технике су укључиле: FT-IR, NMR и UV-Vis спектроскопију, као и елементалну анализу. Употреба UV-Vis и NMRспектроскопије и теоријских прорачуна примењена је да би се добио бољи увид уексперименталне податке који се односе на однос Z/E изомера и повећануантиоксидативну активност након додатка воде у раствор диметил-сулфоксида (ДМСО)TCHs. Вода раскида интрамолекуларне водоничне везе у [(2-хидроксифенил)-метилен]карботиохидразид, m-TCHsal и 2,2'-bis[(2-хидроксифенил)метилен]карботио-дихидразид, b-TCHsal, који доводе до E и Z изомеризације. Резултати из 1H и 13C NMR и2D NOESY спектара и теоријских израчунавања, добијених коришћењем GIAO/B3LYP-6-311G++(d,p) базиз сета, указују на 81:19 однос E:Z изомера за m-TCHsal. Такође,израчунато је да услед дестабилизације основног стања, енталпија дисоцијације везе(енгл. Bond Dissociation Energy, BDE) је мања за 11 kcal/mol, а делокализација спинаелектрона у Z -изомерима је значајнија.Поред тога, Е-[1-(2-пиридинил)етилиден]карботиохидразид, m-TCH2ap, и 2,2'-bis[1-(2-пиридинил)етилиден]карботио-дихидразид, b-TCH2ap, су подложни тион/тиолтаутомеризацији што доприноси смањењу BDE и тиме олакшава пренос атома водоникау DPPH∙ тесту. Експериментални и теоријски резултати потврдили су да тион/тиолравнотежа, код m-TCH2ap и b-TCH2ap, додавањем воде помера равнотежу ка тиолномоблику. Ови подаци су добијени из израчунавања ZPE-кориговане енергије, енталпије,BDE и степена делокализације спина радикала одговарајућих таутомера. Резултатипоказују да повећан удео тиолне групе у великој мери доприноси повећању активностиједињења m-TCH2ap и b-TCH2ap. Густина спина радикала у тиолном облику једињењаm-TCH2ap и b-TCH2ap делокализована је скоро преко целе структуре, што није случајкод тион облика. Ова чињеница објашњава значајно повећање антиоксидативнеактивности, нпр. IC50 за b-TCH2ap је 0,67 у ДМСО и 0,13 у ДМСО:H2O = 4:1 (у mM).Други део дисертације је укључивао синтезу дванаест амида циметне киселинеукључујући TCH фармакофоре, синтетисаних купловањем хлорида киселина: циметне,3-хлорциметне и 4-хлорциметне киселине, као и m-TCH који садрже: пиридин-2-ил,салицил, 8-хидроксихинолин-2-ил и 2-ацетил групе. Синтетисаним једињењима јеиспитиван спектар биолошких активности укључујући антиканцерску иантимикобактеријску активност. Аналогна синтеза је примењена са 3-хидроксициметном киселином коришћењем истог сета m-TCH и HATU средства закупловање. На исти начин су синтетисани амиди кафеинске и ферулинске киселине саm-TCH који садрже пиридин-2-ил и салицил делове који су коришћени за одређивањеантиоксидативнoг потенцијала. У оквиру процене способности једињења да индукујусмрт малигних ћелија, пет хуманих ћелијских линија је третирано током 24 сата:колоректални аденокарцином (LoVo), аденокарцином јајника (SkOV-3), аденокарциномплућа (А549), аденокарцином дојке (MCF-7) и аденокарцином панкреаса (AsPC-1).Добијени резултати су показали да су ћелије А549 биле најосетљивије на тестиранаједињења док су једињења 3-ClCimTCHsal и 4-ClCimTCH8OH2qu показала супериорнуivактивност и изабрана су за даља истраживања антиканцерске активности. Иако је 4-ClCimTCH8OH2qu деловао као снажнији индуктор апоптозне смрти од 3-ClCimTCHsal,оба једињења у А549 ћелијама су стимулисала заустављање ћелијског циклуса у G0/G1фази, као и активацију интринзичне каспазне каскаде. Значајна разлика у механизмимањихове про-апоптозне активности односи се на способност 4-ClCimTCH8OH2qu даснажно побуди стварање супероксидног анјона у митохондријама, што није детектованоу ћелијама А549 подвргнутим 3-ClCimTCHsal. Процена њихових антимиграционихсвојстава показала је да једињење 3-ClCimTCHsal значајно инхибира покретљивостА549 ћелија, што није забележено у узорцима третираним са 4-ClCimTCH8OH2qu. Високпроценат ћелијске смрти које је изазвало једињење 4-ClCimTCH8OH2qu у ћелијамаHaCaT (хумани кератиноцити) и HepG-2 (хумани хепатоцити), коришћених као моделиза процену могућих нежељених дејстава, указало је да ово једињење има неповољантоксиколошки профил. Напротив, 3-ClCimTCHsal је имао само умерен утицај навиталност HaCaT ћелија и стога се показао погодним за будућа истраживања његовихантиканцерских својстава.Капацитет једињења да омета пролиферацију Mycobacterium tuberculosis (Mtb),патогена одговорног за развој туберкулозе (ТБ), процењен је на три соја из клиничкихизолата, од којих сваки садржи специфичан генотип отпорности на лекове који секористе у првој линији анти-ТБ терапије: Mtb-InhRif-S без специфичних мутацијаповезаних са резистенцијом на изониазид (INH) и/или рифампицин (RIF), Mtb-Inh-R којиима специфичну мутацију за отпорност на INH, и Mtb-Rif-R који има специфичнумутацију повезану са отпорношћу на RIF. После шест дана инкубације са испитиванимлековима и INH и RIF као позитивним контролама, CimTCH8OH2qu је био једини који јеуспешно смањио раст и размножавање Mtb за више од 90% у сва три третирана соја.Штавише, једињење CimTCH8OH2qu није изазвало смрт HepG-2 ћелија, што указује нањегов повољан профил хепатотоксичности за разлику од тренутно доступнихтерапијских опција за лечење ТБ.Трећи део ове студије обухватао је испитивање антибактеријске активности четирисерије амида: циметне, 4-хлороциметне и 4-метокси циметне киселине које у амидномделу садрже: пиридин-2-ил, салицил, 8-хидрокси хинолин-2-ил и 2-ацетил групу.Антибактеријска студија изведена је на Enterococcus cloacae ATCC13047, Staphylococcusaureus NCTC 6571, Klebsiella pneumoniae ATCC 13883, Acinetobacter baumannii ATCC19606, Pseudomonas aeruginosa NCTC 10662, and Escherichia coli ATCC 1175, применомметоде разблаживања. Поједини амиди циметне киселине су показали добру in vitroактивност према свим испитиваним сојевима, односно амиди циметне, 4-хлорциметне и4-метоксициметне киселине са 2-ацетилпиридинил групом, тј. CimTCH2ap, 4-MeOCimTCH2ap и 4-ClCimTCH2ap. Штавише, сва једињења су показала значајнуактивност у односу на A. baumannii, широко распрострањени опортунистичкиинтрахоспитални патоген. Најактивнији дериват био је 4-MeOCimTCH2fp, чија јеминимална инхибиторна концентрација способна да инхибира раст и размножавање за50 % (МИК50) износила 10,4 μmol. Поред тога, да би се успоставила веза измеђуструктуре и антибактеријске активности против A. baumannii, развијен је 3D QSARмодел (an alignment-independent 3D QSAR model) за идентификацију битнихфармакофорa. У циљу рационализације антимикробног механизма, способност хелације(координације) гвожђа синтетисаних једињења је одређена UV-Visспектрофотометријском методом. Због присуства јаких донорских места, синтетисанаједињења су показала високу способност хелације гвожђа стварањем комплекса саконстантом стабилности у опсегу од 107 до 109. Вредности константи стабилностиуказује да је интеракција гвожђа са овим једињењима важан корак у метаболитичкомvпуту што је потврђено тиме што је антибактеријска активност према A. Baumannii укорелацији са променом вредности константе стабилности.

Opis (srp)

hemical sciences - Organic chemistry / Хемијске науке - Органска хемија Datum odbrane: 15.07.2022.

Jezik

srpski

Datum

2022

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Organska hemija

Тиокарбохидразиди; Амиди циметне киселине; E/Z изомеризација; Таутомеризациjа; Антиоксидатвна активност; Антибактеријска активност; Mycobacterium tuberculosis; Антиканцер; Хепатоксичност; Acinetobacter baumannii; 3D QSAR

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Organska hemija

Thiocarbohydrazide; Cinnamic acid amides; E/Z isomerism; Tautomerism; Antioxidant Activity; Antibacterial activity; Mycobacterium tuberculosis; Anticancer; Hepatotoxicity; Acinetobacter baumannii; 3D QSAR