Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet90/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   86   87   88   89   90   91   92   93   ...   115

42.2

CONTEXT AND BACKGROUND

In the arsenal of anticancer metallodrugs, the coordination complexes of platinum are currently the most commonly used

antineoplastic agents as, alone or in association, they are involved in more than 70% of treatments [45–47] The coordination

complexes shown in Fig. 42.1 represent some of the most widely used species.

Worldwide, hospitals that do not use these species can no longer be found [48] and their usefulness continues to grow.

cis-Platin is routinely used for treatment of testicular, ovarian, and non-small-cell lung cancers, and its use is increasing

in the treatment of head and neck tumors and those of the bladder [45]. Besides cis-platin, the less aggressive carboplatin 2

and oxaliplatin were later introduced, the latter specifically for treatment of colorectal cancers. At the present time, a

dozen other Pt complexes are in advanced clinical trials, and three derivatives (nedaplatin, loboplatin, and heptaplatin) are

in clinical use although less universally so [48].

A key element in the mechanism of action of cis-platin is the coordination of platinum to the N7 site of two adjacent

guanines, causing a distortion of the DNA structure at the level of the cell nucleus and probably also that of the mitochondria

[48]. It may perhaps be useful to mention here that, compared to the other group 10 metals (Ni, Pd), Pt shows higher activity

linked to the kinetic exchange rate of this metal.

Despite their usefulness, these Pt compounds have a number of drawbacks including a high level of toxicity, susceptibility

to resistance, a tendency to cause renal problems, and a still limited effective range [45]. These shortcomings led to

development of the antitumoral chemistry of Ti and Ru, in which the first results, obtained by Dwyer et al. [49, 50]

and now largely forgotten, date from the 1950s, 10 years before Rosenberg’s serendipitous discovery of the properties of

cis-platin [51].

Studies on the medicinal applications of Ru compounds [52–54] have been facilitated by the great diversity in the

coordination and organometallic chemistry of Ru, both from a fundamental perspective [55] [56] as well as in relation to its

use in catalysis [57] and photochemistry [58]. It is expected that this metal of the iron group may possess lower toxicity than

H

3

N



Pt

H

3



N

Cl

Cl



H

3

N



Pt

H

3



N

O

O



O

O

N



H

2

Pt



H

2

N



O

O

O



O

cis-Platin 1

Carboplatin 2

Oxaliplatin 3

Second


generation

Third


generation

Substitution

of chorides

Substitution

of amines

Figure 42.1

The most widely used coordination complexes of Pt.



CONTEXT AND BACKGROUND

565

Pt. In addition, even though Ru(III) is the predominant oxidation state in physiological conditions, the oxidation states Ru(II)

and Ru(IV) are easily accessible in the presence of either biological reducing agents (such as ascorbate or glutathione) or

oxidizing agents (O

2

or H


2

O

2



) [59–61]. The three oxidation states of Ru form octahedral coordination complexes (usually

with ligands bearing relatively soft nitrogen- or sulphur-containing groups). In contrast, typical organometallic complexes of

Ru(II) are tetrahedral (pseudo-octahedral piano-stool geometry), often with a

π-bond to an arene ligand. The history of the

development of the anticancer drugs of Ru has been abundantly reported [59] [62–68]. We note only a characteristic of the

evolution of this research. The first anticancer compounds of Ru, suggested by Clarke in the 1980s, for example, complex



4, were clearly inspired by cis-platin [69] [70]. A gradual evolution has taken place toward complexes such as NAMI-A 5

reported by Sava and Alessio [55, 64, 65, 71] and KP1019 by Keppler [72–76] that are fairly stable in terms of aquation

and hydrolysis, and which are already in phase I or II clinical trials. Promising organometallics [77] include Ru(II) arenes

such as RAPTA reported by Dyson [67, 78], complexes of type by Sadler [66, 79], and compound by Pfeffer [80, 81]

(Fig. 42.2). These latter complexes 78, and belong to the organometallic family.

With the exponential explosion of research into anticancer metallodrugs some original entities of Ru act via a structural

role for the metal, which would give its shape to the compound and would favor noncovalent interactions with the target, as

for example the organometallic 10 (Fig. 42.3), an excellent inhibitor of certain protein kinases developed by Meggers [27, 82].

The success of the anticancer drugs based on Pt and an understanding of their mechanism of action has weighed heavily

on a large part of the research into other metallodrugs, and even on the search for other metal-based systems where, more or

less implicitly, similarities with Pt have tended to be sought. In a sense, as underlined appositely by Keppler, Jakijec et al.

[68], this presumption has tended to act as a brake on the development of new systems of anticancer metallodrugs. It is clear

that several initiatives, thanks to some imaginative thinking, have succeeded in moving away from the initial classification

scheme. These include antimetastatic entities such as NAMI-A or RAPTA [71, 78], which open up new approaches at the

mechanistic level. The discovery of mechanisms of action beyond those that lead to apoptosis of cancer cells by alkylation of

DNA by platinum is in fact an important challenge to address [78, 83, 84]. This may allow us to find new metallodrugs able

to treat apoptosis-resistant cancers via alternative mechanisms (e.g., senescence). This can be envisioned for the ferrocifen

derivatives [85].

Ru

III


Cl

Cl

Cl



Cl

N

S O



CH

3

H



3

C

NH



N

H

NH



Ru

III


Cl

Cl

Cl



Cl

N

N



KP1019

HN

NH



N

H

HN



Ru

H

2



N

Cl

NH



2

R

5



6

7

Ru

Cl



Cl

8

P

N



N

N

N



N

N

Ru



N

N

9

NAMI-A

Ru

III



Cl

Cl

NH



3

NH

3



NH

3

NH



3

4

PF

6



Cl



PF

6



Figure 42.2

Some promising anticancer Ru complexes.

N

N

HN



HO

O

O



Ru

CO

10



Figure 42.3

Example of an inhibitor of certain protein kinases.



566

THE FERROCIFEN FAMILY AS POTENT AND SELECTIVE ANTITUMOR COMPOUNDS: MECHANISMS OF ACTION



42.3

FERROCENE AND MEDICINAL CHEMISTRY

The synthesis of ferrocene in 1951 by Pauson [86] followed by the elucidation of its structure by Wilkinson et al. [87]

and Fischer and Pfab [88] constitutes a significant advance in modern chemistry. Indeed this time period, 1951–1952,

marks the beginning of the explosion in transition metal organometallic chemistry. Ferrocene possesses an external structure

that resembles that of an aromatic nucleus, it can be easily functionalized, is stable in a nonoxidizing environment, and

is consequently well adapted to play the role of substituent in medicinal chemistry [89]. Besides this, it is also lipophilic

and compact, and does not fundamentally modify the pharmacological properties of the molecule when it replaces a phenyl

unless there are important bioisosteric considerations. In addition, it is not particularly toxic, with oral and LD50 values of

1320 and 500 mg/kg for rat and 832 and 335 mg/kg for mouse [90].

Ferrocene was used very early on to replace functional groups, in particular phenyl moieties, in existing drugs to obtain

novel species, with mixed results [91, 92].

Three typical examples are shown in Fig. 42.4.

Ferrocenyl derivatives of amphetamine and phenytoin have activity well below that of the parent organic compounds [93].

Those of penicillin and cephalosporin (Fig. 42.5) show activity against drug-resistant bacteria and low toxicity in vivo

[94, 95]. Among the undeniable successes can be numbered ferroquine (FQ) synthesized in 1997 by Brocard et al. [96] and

presently at the end of phase II clinical trials with Sanofi-Aventis, and the ferrocifen family reported in studies published

by us since 1996 [97, 98]. The two products, FQ and OH-Fc (Fig. 42.6), share the characteristic of improving and even

revolutionizing an older medication; in the former case, chloroquine, which had become resistant to certain strains of malaria,

and in the latter tamoxifen, which can only be used against hormone-dependent breast cancers. It is this latter family of

products, effective also on hormone-independent breast cancers, and for which we possess fairly rich data concerning the

redox function of ferrocene and its chemical consequences on the local organic framework, that will be discussed in the

following [85].



42.4

SYNTHESIS AND BEHAVIOR OF FERROCIFEN DERIVATIVES

The project began with the synthesis of Fc-OH-Tam, 14 (Fig. 42.6), corresponding to the replacement of the

β-arene of

OH-TAM 12, with a ferrocenyl group and an adjustment of the length of the amino-alkyl chain. These syntheses can be

carried out in various ways [97] but the McMurry coupling proved to be the most suitable [98–102]. Ferrocene itself gives

NH

2



Fe

NH

2



NH

H

N



O

O

NH



H

N

O



O

Fe

Amphetamine



Phenytoin

Figure 42.4

Early examples of ferrocenyl modification of drugs.

Fe

Cephalosporin



R

O

H



N

N

S



O

CO

2



H

O

H



N

N

S



O

CO

2



H

R'

O



H

N

N



O

S

CO



2

H

R



O

H

N



N

O

S



CO

2

H



O

O

Fe



Penicillin

Figure 42.5

Other examples of ferrocenyl modification of drugs.



SYNTHESIS AND BEHAVIOR OF FERROCIFEN DERIVATIVES

567

N

Cl



HN

N

Chloroquine



N

Cl

HN



Fe

N

Ferroquine, FQ [96]



R

R



R

R



Fe

11

Tamoxifen

R = H, R

′ = O(CH


2

)

2



NMe

2

OH-Tamoxifen (OH-TAM)



R = OH, R

′ = O(CH


2

)

2



NMe

2

12



13

Ferrocifen

R = H, R

′ = O(CH


2

)

3



NMe

2

OH-Ferrocifen (Fc-OH-Tam)



R = OH, R

′ = O(CH


2

)

3



NMe

2

14

[97]

Figure 42.6

Example of successful ferrocenyl modification of drugs.

an IC

50

value of 160



μM on hormone-independent breast cancer cells (MDA-MB-231) [103], and so hydroxytamoxifen

12 and ferrocene are not viable against hormone-independent breast cancer cells (ER

α



) (Table 42.1). However when the

β-aryl group in OH-TAM 12 (IC

50

= 30 μM) is simply replaced by a ferrocenyl entity, inactive in itself, the species 14 is



produced with an IC

50

value of 0.5



μM. This immediately changes the paradigm. The optimal length of the carbon chain

can be 3 or 4 carbon atoms [100, 101] in Fc-OH-Tam 14. On hormone-dependent (ER

α

+

) MCF-7 breast cancer cells,



meanwhile, the IC

50

values for 12 or 14 remain comparable [103]. Everything occurs as if the presence of the ferrocene



preserved the initial properties of 12 while gaining an additional function in 14 that is absent from 12 and only becomes

apparent on the cancerous cell.

It was quickly discovered that the presence of a basic chain was not absolutely essential for this new property, and this

led to 15 with an IC

50

on MDA-MB-231 of 0.6



μM [104] (Table 42.1). The antiestrogenic effect present in 12 is lost but

the cytotoxic component linked to the ferrocenyl group is maintained.

The IC

50

value obtained with 16, where a single paraphenol group is present, is 1.13



μM, twice that of 15 which bears

two paraphenols. Molecule 17, where the second phenol is in the meta-position and thus cannot form a conjugated bond

with the skeleton, gives an IC

50

comparable (1.03



μM) to that of 16 [105]. This is even clearer with 18 where the IC

50

is



3.5

μM [104]. The position and number of OH groups is thus an important element in the cytotoxic effect.

If OH is replaced by NH

2

1819 (which can lead via oxidation to conjugated imines) or by NHAc 20, also leading to

oxidation after hydrolysis, IC

50

values of 0.47 and 0.65



μM are obtained, slightly better than the value for the corresponding

phenol [106, 107]. Product 21, differing from 15 in the position of the ferrocenyl entity, which prevents conjugated binding

with the organic framework, gives an IC

50

value of 6.0



μM [104]. This demonstrates the importance of both the choice and

the positioning of the substituents.

The series of compounds 2223, and 24 reveals the influence of disrupting the conjugation of the system by incorporating a

central sp

3

carbon (IC



50

between 2.8 and 4.1

μM) [108]. The data given above illustrate the importance of the conservation

in these series of the [ferrocenyl-conjugate spacer-paraphenol] motif [103]. Electrochemical and electron spin resonance

(ESR) studies of species related to 1415 and 16 have shown that one of the active metabolites could be an electrophilic

quinone methide (QM) such as 25 [109–111] (Fig. 42.7) whose chemical reactivity is currently being elucidated although

it is already known that organometallic QMs form 1,8 Michael adducts with various thiols.

Table 42.2 summarizes selected biological effects observed in the presence of 1

μM of OH-TAM 12 or Fc-OH-TAM

14 [85].

The open series above produces reactive oxygen species (ROS) on cancerous cells [85, 112, 113] but this is not universally

the case as this is not observed with metastatic melanoma cells, yet the cytotoxic effect is still in evidence [114]. The case

of melanoma may be an exceptional one as these very exposed cells possess a sophisticated antioxidant system [114]. It

should be noted that the presence of antioxidants added into the medium, such as N-acetyl cysteine or vitamin E with


568

THE FERROCIFEN FAMILY AS POTENT AND SELECTIVE ANTITUMOR COMPOUNDS: MECHANISMS OF ACTION



TABLE 42.1

Various Effects (Electronic, Substituent, Regiochemical) on IC

50

Values in the Ferrocifen Family

Compound


MDA-MB-231,

Breast Cancer

Cell Line. IC

50

,



μM

References



12

30

103



Ferrocene

>160


103

R

R



Fe

14 R

= OH, R = O(CH

2

)



3

NMe


2

0

.5



101

15 R

= OH, R = OH

0

.6

104



16 R

= OH, R = H

1

.13


105

17 R

= OH, R = m-OH

1

.03


105

18 R

= H, R = m-OH

3

.5

105



19 R

= NH


2

, R


= H

0

.47



106

20 R

= NHAc, R = H

0

.65


106

OH

HO



Fe

21

6

.0



104

Fe

HO



OH

22 o-OH

2

.8



108

23 m-OH

4

.1



108

24 p-OH

3

.5



108

O

R



Fe

25

R = H, OH, O(CH

2

)

3



NMe

2

Figure 42.7

Quinone methides (QM).


SYNTHESIS AND BEHAVIOR OF FERROCIFEN DERIVATIVES

569

TABLE 42.2

Biological Effects Observed in the Presence of 1

μM of OH-TAM 12 or Fc-OH-TAM 14

Biological Effect

Cell Line

OH-TAM 12

Fc-OH-TAM 14

Growth inhibitory effect after 4 days

MCF-7 (ER

α

+

)



+ +

+ +


MDA-MB-231 (ER

α



)

No effect

+ +

Effect on cell cycle after 48 h



MCF-7

Cells accumulate in

G0/G1 phase

Cells accumulate in

G0/G1 phase

MDA-MB-231

No effect

Cells accumulate in

S phase

Induction of senescence after 5 days



MCF-7

+

+ +



MDA-MB-231

No effect

+ +

ROS production (H



2

O

2



) after 10 min

MCF-7


− −

+ +


MDA-MB-231

− −


+ +

On ER


α

+

breast cancer cells, Fc-OH-TAM displays an antihormone effect analogous to that of OH-TAM, together with a cytostatic effect.



On ER

α



breast cancer cells, the cytostatic behavior is the only one expressed. This mechanism is distinct from the nongenomic pathway

observed with high dose of OH-TAM.



14 and 15, inhibits the antiproliferative effect [85, 115]. DNA is not the primary target of these compounds [116, 117].

However, the possibility of a partial interaction is observed between the oxidized form of 15 and DNA [116]. Experiments

with organometallics other than ferrocene (Ti, Ru, Re) attached to the organic framework below have shown the superiority

of the Fc group due no doubt to the good redox capacity of this probe with reversible Fe

II

/Fe


III

oxidation [118–122]. We

have also shown that although phenolic products such as 14 and 15 are very active at low concentrations on cancerous

cells, antiproliferative activity on healthy cells such as astrocytes [123] or melanocytes [114] can only be obtained using

concentrations of ferrocifenyl products in the order of 100–200 times higher (

>100–200 μM) [114] [123]. This was recently

confirmed by another laboratory [124]. There is thus a difference, probably in emission of ROS and/or presence of a target

protein redox function, within cancer cells that is revealed by the ferrocifens, which have sensitivity to oxidation via the

reduced Fe

II

and good protection via two cyclopentadienyl ligands that form a sandwich and control the selectivity. This



illustrates a fundamental difference between Pt complexes and the ferrocifens.

Another series of compounds, characterized by an inversion of the position between the ethyl and one of the aryl groups,

was synthesized [125] (Fig. 42.8).

Of the compounds in this series, 31 is the most active (Table 42.3). It is the only one that can be oxidized by Ag

2

O, while


the others are inactive in these conditions. They also show little activity against MDA-MB-231 cells. This result reinforces

the hypothesis of a mechanism of action for the ferrocenyl complexes via formation of QM. In addition, the methoxylated

compounds 2830, and 31 are less active than the phenolic analogs 2729, and 31. This confirms the importance of the

phenol function, which is indispensable for the generation of QM.

It has been shown that tamoxifen and hydroxytamoxifen metabolize to 3,4-dihydroxytamoxifen [126]. This catechol can

be oxidized by enzymes into ortho-quinone, which can react with DNA and proteins. A number of ferrocenyl catchols have

been synthesized [127] (Fig. 42.9).

The additional presence of the phenolic function improves the antiproliferative activity of the compounds and for certain

products such as 37 and 38, their catechol analogs, 34 and 35, are four times more active. All the catechols in Table 42.4,

except 38 and 39, are chemically oxidizable to QMs or ortho-quinones. It is also confirmed that the compounds unable to

generate quinones, such as 38 and 39, have little activity.

Fe

26

RO

Fe

27



Fe

28

OR

Fe



OR

RO

R = H



R = Me

29

30

R = H


R = Me

Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   86   87   88   89   90   91   92   93   ...   115




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling