Application de la réaction de Liebeskind-Srogl aux nucléosides pour modifier la position C-5’

Application of the Liebeskind-Srogl cross-coupling reaction to nucleosides for C-5’ modification

• Auteur / Autrice : Mary Anne Maverick
• Direction : Michael Smietana, Françoise Debart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie biomoléculaire
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Biomolécules Max Mousseron (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Rolland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Gerland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Desvergnes, Nadia Patino
• DOI : 10.70675/90fb95c9z33c6z4c64zafcczaaa6b1b13e12

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réactions chimiques

Acides nucléiques

Nucléosides

Mots clés libres

Deoxyribonucléosides

Ribonucléosides

Modifications en C-5'

Réaction de Liebeskind-Srogl

6.5'-O-Cyclouridines

Chimie organique

Deoxyribonucleosides

Ribonucleosides

C-5' modifications

Liebeskind-Srogl reaction

6.5'-O-Cyclouridines

Organic chemistry

Résumé

La conception de nouveaux analogues de nucléosides a conduit à la découverte d'agents antiviraux, antitumoraux et antibactériens. Dans cette thèse, seules les modifications du sucre des positions C-1', C-2', C-3', C-4' et C-5' sont traitées de manière non exhaustive. Les modifications en C-5' ont été les plus négligées au fil des ans en raison de l'importance du groupe 5'-OH lorsque les polymérases des acides nucléiques sont ciblées. Les acides nucléiques sont naturellement synthétisés de l'extrémité 5'-à-3', de sorte que les nouveaux nucléotides sont ajoutés à l'extrémité 3' du brin en croissance et se lient à l'extrémité 5' du nucléotide suivant. Peu d'exemples de modifications en C-5' ont été rapportés en raison de leur implication attendue dans l'activité biologique des nucléos(t)ides et des oligonucléotides. Cependant, les modifications où le groupe 5'-hydroxyle est préservé et où une liaison C-C peut être ajoutée peuvent conduire à de nouveaux médicaments analogues aux nucléosides (NNADs). L'objectif de cette thèse était d'appliquer une réaction de couplage croisé appelée la réaction de Liebeskind-Srogl (LS) pour modifier les nucléosides en position C-5'. Le couplage de Liebeskind-Srogl se produit entre un composé thioester et un acide boronique et donne lieu à un dérivé cétonique qui est un groupe fonctionnel polyvalent dans le sens où il permet de nombreuses perspectives de fonctionnalisation dont sa réduction en alcool. Dans ce travail, les précurseurs nucléosidiques C-5'-thioester ont d'abord été synthétisés. Trois réactifs thiophénol ont été comparés, le thiophenol, le para-tert-butyl thiophénol et le para-diméthylamino-thiophénol, afin de déterminer lequel offrait les meilleurs rendements de thioestérification et de voir l’impact qu’avait le substituant en para du phényle sur l'efficacité du couplage de Liebeskind-Srogl. Il avère que les trois réactifs ont des au niveau du rendements de thioesterification identiques, donc le thiophénol été sélectionné comme réactif pour la thioestérification, puisqu’il offrait la purification la plus simple. Une fois les conditions de thioestérification optimisées, la réaction de Liebeskind-Srogl a été appliquée au C-5’-thioester de la thymidine avec l’acide phénylboronique, et cet appariement a servi de modèle pour développer les conditions de couplage croisé de Liebeskind-Srogl sur les nucléosides de manière générale. Les rendements de couplage ont été améliorés de 51 % à 91 % et le temps de réaction a été réduit de 20 h à 30 min. Les conditions optimisées de couplage croisé ont été appliquées à une sélection d'acides boroniques aromatiques, hétéroaryles et alcènes sur des désoxyribonucléosides ou des ribonucléosides, et ont conduit à une bibliothèque de 34 nouveaux nucléosides modifiés en C-5' qui devraient être testés ultérieurement comme agents antiviraux, anticancéreux et antibactériens. En tentant d'oxyder le 5'-OH en acide carboxylique de la 2',3'-O-isopropylidène-N4-acétylcytidine, nous avons découvert une réaction inattendue. En effet, au lieu d'obtenir l'acide 5'-carboxylique attendu, nous avons formé des 6,5'-O-cyclouridines et notamment la 5-acétoxy-6,5'-O--cyclo-5,6-dihydro-2',3'-O-isopropylidène uridine et la 5'-hydroxy-6,5'-O-cyclo-5,6-dihydro-2',3'-O-isopropylidène uridine. Cette transformation inattendue de la désamination de la cytidine en uridine nous a semblé intéressante à étudier et à exploiter pour préparer la 5-hydroxyuridine qui est un antimétabolite réputé pour ses propriétés anticancéreuses et qui possède des propriétés antibactériennes inhibitrices de croissance contre Neurospora. De plus, nous avons développé une méthode qui permet en trois étapes consécutives de cycliser, d'ouvrir le cycle et d'enlever le groupe 5-acétyle pour obtenir la 5-hydroxyuridine sans purification intermédiaire. Enfin, les perspectives incluent la transformation des analogues C-5'-cétopyrènes en leurs homologues phosphoramidites pour la synthèse d'oligonucléotides.

The design of new nucleoside analogues has led to the discovery of antiviral, antitumor and antibacterial agents. In this thesis only modifications of the C-1', C-2', C-3', C-4', and C-5' positions of the sugar are covered. C-5' modifications have been the most neglected over the years due to the critical importance of preserving the 5'-hydroxyl group when targeting nucleic acid polymerases. Nucleic acids are naturally synthesized from the 5'-to-3' end, so new nucleotides are added only to the 3' end of the growing strand and bind to the 5' end of the next nucleotide. As a result, few examples of C-5' modifications have been reported due to the expected involvement in the biological activity of nucleos(t)ides and oligonucleotides. However, modifications where the 5'-hydroxyl group is preserved and a C-C bond can be added may lead to novel nucleoside analogue drugs (NNADs). The objective of this thesis was to apply a cross-coupling reaction called the Liebeskind-Srogl (LS) reaction to modify nucleosides at the C-5' position. The Liebeskind-Srogl coupling occurs between a thioester compound and a boronic acid results in a ketone derivative which is a versatile functional group in the sense that it allows many functionalization prospects including reduction to an alcohol. In this work, first the precursor C-5'-thioester nucleosides were synthesized. Three thiophenol reagents were compared, thiophenol, para-tert-butyl thiophenol, and para-dimethylamino-thiophenol, to determine which offered the best thioesterification yields and whether the substituent on the phenyl would impact the efficiency of the Liebeskind-Srogl cross-coupling. It was found that all three reagents gave identical results, thus thiophenol was selected for thioesterification for further work since it offered the simplest purification. Once the thioesterification conditions were optimized, the Liebeskind-Srogl reaction was applied to thymidine thioester with phenylboronic acid, which served as a model for developing Liebeskind-Srogl cross-coupling conditions on nucleosides. The coupling yields were improved from 51% to 91% and the reaction time decreased from 20 h to 30 min. The optimized cross-coupling conditions were applied to a selection of aromatic, heteroaryl and alkene boronic acids on deoxyribonucleosides or ribonucleosides, and led to a library of 34 novel C-5’-modified nucleosides which should be tested as antiviral, anticancer and antibacterial agents at a later date. While attempting to oxidize the 5'-OH to the carboxylic acid of 2',3'-O-isopropylidene-N4-acetylcytidine, we discovered an expected reaction. Indeed, instead of obtaining the expected 5'-carboxylic acid, we formed 6,5'-O-cyclouridines and in particular 5-acetoxy-6,5'-O--cyclo-5,6-dihydro-2',3'-O-isopropylidene uridine and 5’-hydroxy-6,5’-O-cyclo-5,6-dihydro-2’,3’-O-isopropylidene uridine. This unexpected deamination transformation of cytidine into uridine seemed to us interesting to study and exploit to prepare 5-hydroxyuridine which is an antimetabolite reputed as having anticancer properties and has antibacterial growth-inhibiting properties against Neurospora. In addition, we have developed a method that allows in three consecutive steps to cyclize, open the ring and remove the 5-acetyl group to obtain 5-hydroxyuridine without intermediate purification. Finally, future perspectives include the transformation of C-5’-ketopyrene nucleoside analogues into their phosphoramidite counterparts. Indeed, the C-5’ analogues were envisioned as building blocks for oligonucleotide synthesis.