Synthesis of 7β-hydroxy-8-ketone opioid derivatives with antagonist activity at mu- and delta-opioid receptors

Despite extensive years of research, the direct oxidation of the 7,8-double bond of opioids has so far received little attention and knowledge about the effects of this modification on activity at the different opioid receptors is scarce. We herein report that potassium permanganate supported on iron(II) sulfate heptahydrate can be used as a convenient oxidant in the one-step, heterogeneous conversion of Delta(7.8)-opioids to the corresponding 7 beta-hydroxy-8-ketones. Details of the reaction mechanism are given and the effects of the substituent at position 6 of several opioids on the reaction outcome is discussed. The opioid hydroxy ketones prepared are antagonists at the mu- and delta-opioid receptors. Docking simulations and detailed structure-activity analysis revealed that the presence of the 7 beta-hydroxy-8-ketone functionality in the prepared compounds can be used to gain activity towards the delta opioid receptor. The 7 beta-hydroxy-8-ketones prepared with this method can also be regarded as versatile intermediates for the synthesis of other opioids of interest. (C) 2018 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.Peer reviewe

Synthesis and characterisation of morphine derivatives as intermediates in development of new compounds for treatment of chronic pain

Bolečina je neprijetna zaznavna in čustvena izkušnja, običajno nastala zaradi škodljivega dražljaja. Ima pomembno opozorilno in zaščitno vlogo, saj živčnemu sistemu omogoča, da telo obvešča o prisotni ali morebitni nevarnosti, o bolezni ali kaže na poškodbo tkiva. Čeprav je bolečina nepogrešljiva iz evolucijskega vidika, lahko v nekaterih primerih signifikantno poslabša kvaliteto življenja. Vsak četrti Slovenec naj bi trpel za kronično bolečino, pri starosti nad 60 let pa se ta delež poveča že na 34%. Posledično je bolečina danes najpogostejši razlog za obisk zdravnika v razvitem svetu. Za njeno zdravljenje poznamo več vrst zdravil: nesteroidna protivnetna zdravila, lokalne anestetike, kanabinoide, antidepresive, antiepileptična zdravila in opioidne analgetike. Opioidi spadajo med najstarejša zdravila, uporabljali naj bi se namreč že pred več kot 2000 leti, pridobljeni iz maka. Glavni opioid v iz opija, morfin, je bil izoliran v začetku 19. stoletja, kmalu po tem se je začel vzpon uporabe opioidov v zdravstvu, kljub temu, da je bila strukturna formula morfina razkrita šele leta 1925. To je vodilo v razvoj novih opioidnih derivatov, njihova uporaba pa je skokovito narasla predvsem v devetdesetih letih. Uporabljajo se predvsem za zdravljenje akutne in kronične bolečine, v manjši meri tudi za zdravljenje kašlja in konstipacije. Eden izmed razlogov za njihovo splošno razširjenost je uspešno blaženje šibke do močne bolečine. Kljub temu, da se nekateri bolniki ne odzivajo na nekatera protibolečinska zdravila, opioidi delujejo na praktično celotni populaciji. Vseeno pa je pomembna tudi negativna stran opioidov, predvsem njihovi neželeni učinki (konstipacija, depresija respiratornega centra) in možnost pojava odvisnosti pri dolgotrajnem zdravljenju.Poznamo tri glavne skupine opioidnih receptorjev: μ, δ in κ. Vsi trije spadajo med receptorje, sklopljene z G proteini vendar imajo različne afinitete do različnih učinkovin. Vsak izmed receptorjev ima značilne funkcije, tako da učinkovine, ki so selektivne na različne podtipe opioidnih receptorjev, izražajo različne učinke na telo. Nahajajo se pretežno v centralnem živčevju, vendar so v manjši meri prisotni tudi periferno (npr. μ receptorji v prebavnem traktu, njihova aktivacija vodi do konstipacije). Kristalna struktura opioidnih receptorjev je bila raziskana šele pred nekaj leti, kar je omogočilo boljši vpogled v njihovo delovanje in lažje razumevanje odnosa med strukturo in delovanjem. Izkazalo se je, da so vsi trije tipi receptorjev strukturno podobni, vendar se razlikujejo v aminokislinski sestavi, kar vodi do različne 3-D strukture in razlik v vezavnem mestu, kar se posledično kaže v selektivnosti podtipov opioidnih receptorjev do različnih učinkovin. Poleg tega je značilno, da lahko različni podtipi receptorjev tvorijo dimere, zato lahko vezava spojine na en tip receptorja vodi do spremembe konformacije drugega receptorja v paru, kar vodi do fiziološke spremembe. Pri razumevanju delovanja opioidov v centralnem živčevju imajo velik pomen tudi glia celice. Pri bolnikih z kronično bolečino je bilo ugotovljeno, da glia celice v centralnem živčevju modulirajo percepcijo bolečine. Poizkusi so pokazali, da lahko uporaba spojin, ki omejujejo metabolično aktivnost glia celic, privede do zmanjšanja percepcije bolečine in da lahko aktivacija astrocitov in mikroglie vodi do ojačenja občutenja bolečine. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da lahko nekateri opioidi povzročijo zmanjšanje njihovega nociceptivnega delovanja preko aktivacije neopioidnih glia receptorjev. Študije so torej pokazale izjemno kompleksno prepletenost delovanja med opioidnimi receptorji, nevroni in glia celicami. Pomembno je, da se teh povezav zavedamo, saj bo le celovit pristop k razvoju novih opioidnih analgetikov in dobro razumevanje povezav v centralnem živčevju omogočil uspešen napredek pri razvoju novih, varnejših protibolečinskih zdravil. V okviru raziskovalnega dela za magistrsko nalogo smo hoteli sintetizirati več opioidnih derivatov, ki so se kasneje uporabljali za nadaljnjo sintezo novih opioidov, s ciljem razvoja novih spojin za testiranje na celičnih linijah in nadaljnji razvoj. V okviru naloge smo se osredotočili na zaščito za hidroksilni skupini in za zaščito terciarnega amina, identifikacijo in analizo produktov in optimizacijo sinteznih postopkov. Prva sinteza je obsegala monoacetilacijo morfina, zaščito amina z metil karbamatom in oksidacijo preostale hidroksilne skupine do ketona. V prvem koraku je bila izvedena monoacetilacija z acetanhidridom v piridinu pri 90 ºC, vendar smo se zaradi prisotnosti diacetiliranega stranskega produkta odločili za izvedbo reakcije v vodi pri sobni temperaturi v prisotnosti anorganske baze, kar je vodilo do zadostno čistega produkta. V naslednjem koraku je bil monoacetiliranemu morfinu dodan presežek metil kloroformata v kloroformu ob prisotnosti anorganske baze. Produkt je bil prečiščen s kolonsko kromatografijo, da smo dobili čist produkt. V zadnjem koraku smo hidroksilno skupino oksidirali z manganovim (IV) oksidom. Reakcija je bila izvedena po obstoječi literaturi, kjer je bila reakcija uporabljena za strukturno podobno spojino. Zaradi težav pri spremljanju poteka reakcije s TLC smo poskušali najti alternativni način oksidacije. Poizkusili smo uporabiti Dess-Martin periodinan, vendar se reakcija ni izkazala za primerno zaradi nastajanja iodinana kot stranskega produkta. Tega zaradi uporabe majhnih količin pri reakciji nismo mogli v celoti odfiltrirati brez izgube signifikantne količine produkta. Zato smo se odločili, da je v našem primeru oksidacija z manganovim dioksidom primernejša. Drugi sklop sintez je obsegal sintezo silil etrov. Di-TBDPS eter je bil sintetiziran že prej, tako da smo sintetizirali še di-TBDMS eter ob prisotnosti imidazola v DMF. Reakcija je delovala brez težav, nato pa smo oba produkta zreagirali z metil kloroformatom za sintezo metil karbamata. Pri tretjem sklopu sintez smo poskusili sintetizirati ditrifluoroacetil morfin ob uporabi pogojev za sintezo diacetil morfina in z zamenjavo acetanhidrida z trifluoroacetanhidridom. Izkazalo se je, da reakcija ne poteče po pričakovanjih, saj smo po kolonski kromatografiji dobili 6-trifluoroacetil morfin. Tudi tega smo poskusili zaščititi z metil karbarmatom, vendar se je izkazalo, da se tekom reakcije trifluoroacetilna skupina odcepi, metil kloroformat pa ima večjo afiniteto do hidroksilnih skupin, kar vodi do mono ali dikarbonatnih derivatov morfina. V okviru dela za nalogo je bilo sintetiziranih 9 spojin1 znana in 8 novih. Reakcijske poti so bile izvedene pod različnimi pogoji in optimizirane za čim višji izkoristek ter čistoto produktov. Vsi produkti reakcij so bili identificirani z NMR, IR in HRMS (razen trifluoroacetil morfin, v tem primeru se je trifluoroacetilna skupina odcepila med HRMS analizo, tako da nismo dobili pravega rezultata) in imeli določeno tališče. Pridobljeni produkti bodo uporabljeni za nadaljnje raziskave in razvoj novih spojin z željami za uspešno testiranje na celičnih linijah in nadaljnjem razvoju v želji po varnejših in efektivnih opioidih.Pain is an unpleasant sensory and emotional experience that is normally caused by a damaging stimulus. It allows the nervous system to provide information about the occurrence or threat of injury. While beneficial from the evolutionary perspective, pain can be exacerbated and greatly decrease patient quality of life. Nowadays pain is the most common reason for doctor’s consultations in the developed world. Although there several groups of different analgesic medicines available for the treatment of pain, we still do not have a universally effective analgesic with high safety, minimal side effects and low abuse potential. Opioids are one of the main types of painkillers, with their main characteristics being their high efficacy for mild to severe pain, and their well-known adverse effects. The work for the thesis consisted on the development of opioid intermediates to be used for further steps in synthesising novel opioid compounds that could be tested and evaluated as potential analgesics. First, we synthesized a monoacetylated morphine derivative which was then protected on tertiary methyl amine with a methyl carbamate and later oxidized to ketone at position 6. The second part included synthesizing different silyl morphine derivatives (tert-butyldimethylsilyl and tert-butyldiphenylsilyl ethers) from the 3- and 6-OH groups, in derivatives which were again protected on the tertiary amine with a carbamate. The last synthesis was an attempt to modify the hydroxyl groups on morphine to trifluoroacetyl groups. In total, I synthesised 9 different opioid derivatives (1 known compound, 8 novel compounds) and identified them using NMR, IR, HRMS and Mp