Halodifluoromethyl Moieties as Unconventional Halogen Bond Donors in Drug Discovery and Peptide Design

Abstract

Die in Arzneistoffen (engl. active pharmaceutical ingredients, APIs) enthaltenen Halogene Chlor, Brom und Iod (X = Cl, Br, I) sind üblicherweise kovalent an sp2-hybridisierten, aromatischen Systemen (C(sp2)-X) gebunden. Alkyl-gebundene Chlor-, Brom- und Iodatome (C(sp3)-X) sind in der Regel nicht ausreichend chemisch stabil für Anwendungen in biologischen Systemen. Der Promotionsvortrag erläutert Analyse und Anwendung von unkonventionellen Halogenbindungen (XB), deren C(sp3)-X Bindung mittels zweier Fluorsubstituenten am Kohlenstoffatom (R-CF2-X) stabilisiert wird, um sie für Anwendungen in der Wirkstoffentwicklung nutzbar zu machen. Analysiert wurden hierbei unter anderem die synthetische Zugänglichkeit solcher Verbindungen, deren chemische und metabolische Stabilität, physiko-chemische Eigenschaften wie Löslichkeiten, bevorzugte Konformationen sowie mittels computer-gestützten Methoden Halogenbindungseigenschaften wie Vmax und Komplexbildungsenergien ΔE. Praktisch angewandt wurden diese CF2X-Gruppen durch Inkorporation in Fragment-Bibliotheken für Fragment-basierte Wirkstoffforschung (engl. fragmentbased drug discovery, FBDD) und in Fmoc-geschützten Aminosäuren zur Festphasen-Peptidsynthese (engl. solid phase peptide synthesis, SPPS). Die c-Jun N-terminalen Kinasen 1 und 3 (JNK1 und JNK3) wurden mittels STD-NMR untersucht und die bindenden Fragmente mittels ITC validiert, wobei mehrere Treffer im Bereich der mikromolekularen Affinität gefunden wurden. Insbesondere das 5-(Pyridin- 4-yl)-1,3,4-thiadiazol-Gerüst zeigte eine gute Bindung an beide Kinasen. Die Affinität seines Bromderivats (30) zu JNK3 und JNK1 betrug 17 μM bzw. 15 μM. Wir haben die Kristallstruktur von 30 im Komplex mit JNK3 bestimmt und dabei festgestellt, dass die CF2Br Gruppe auf einzigartige Weise mit der P-Schleife (engl. P-loop) interagiert, was bisher noch nicht berichtet wurde.

The halogens chlorine, bromine and iodine (X = Cl, Br, I) contained in active pharmaceutical ingredients (APIs) are usually covalently bonded to sp2-hybridized aromatic systems (C(sp2)-X). Alkyl-bonded chlorine, bromine and iodine atoms (C(sp3)-X) are usually not sufficiently chemically stable for applications in biological systems. The doctoral lecture explains the analysis and application of unconventional halogen bonds (XB), whose C(sp3)-X bond is stabilized by means of two fluorine substituents on the carbon atom (R-CF2-X), in order to make them useful for applications in drug development. Among other things, the synthetic accessibility of such compounds, their chemical and metabolic stability, physicochemical properties such as solubilities, preferred conformations as well as halogen binding properties such as Vmax and complexation energies ΔE were analyzed using computer-aided methods. These CF2X groups have been applied in practice by incorporation into fragment libraries for fragment-based drug discovery (FBDD) and into Fmoc-protected amino acids for solid phase peptide synthesis (SPPS). The c-Jun N-terminal kinases 1 and 3 (JNK1 and JNK3) were studied by STD NMR and the binding fragments were validated by ITC, finding several hits in the micromolecular affinity region. In particular, the 5-(pyridin- 4-yl)-1,3,4-thiadiazole scaffold showed good binding to both kinases. The affinity of its bromo derivative (30) to JNK3 and JNK1 was 17 μM and 15 μM, respectively. We determined the crystal structure of 30 in complex with JNK3 and found that the CF2Br group interacts with the P-loop in a unique way, which has not been reported before.