Synthesis and Investigations of new Modalities for Selective FKBP51 Inhibition

In this thesis, three different projects are presented: bottom group and cyclohexyl replacements for the SAFit scaffold, macrocyclic SAFit analogs, and a comparative study conducted to elucidate the effect of macrocyclization on physicochemical and selected ADME properties. In the first project, an established and published route was utilized to synthesize alpha-methyl thiophene acetic acid derivatives, which were used to determine the most suitable replacement of cyclohexyl in the SAFit scaffold. Aside from identifying chlorothiophene as the best cyclohexyl replacement, it was discovered that the respective transient binding pocket of FKBP51 is surprisingly compatible with a benzo[b]thiophene moiety. This finding marks a potential starting point for further developments of the SAFit scaffold since it became clear that even larger residues than cyclohexyl are tolerated by the protein. The alpha-methyl group of the chlorothiophene acetic acid was then replaced with different allyl containing moieties using the Ireland-Claisen rearrangement. The resulting double bond was then functionalized with different polar groups. The achieved binding affinities were comparable to the best-known bottom group replacement of Feng et al., but with reduced molecular weight and higher polarity. Unfortunately, further investigations were hampered by the epimerization of the stereocenter of the thiophene acetic acid. The second project focused on SAFit-based macrocycles. First, existing structure-activity relationships (SARs) were completed, and the published findings validated. Then, the smallest macrocyclic scaffold was determined, and two different linkages were investigated. The binding affinities and ADME properties of the amide linkage were so poor that further research was terminated. The 1,4-triazole linkage, investigated together with Vanessa Buffa, resulted in the development of a comprehensive strategy for macrocyclic linker design, to stabilize various conformations. The third project was a comparative study to elucidate the effect of macrocyclization on compounds concerning physicochemical and selected ADME properties. In cooperation with AbbVie Germany and together with Moritz Spiske, 15 macrocycles were selected, and respective matched molecular linear references were synthesized. The results of the measured assay panel revealed that for this series of compounds, macrocyclization significantly improves solubility without impairing the other measured properties.

In dieser Dissertation werden drei verschiedene Projekte vorgestellt: Bottom-Group- und Cyclohexyl-Replacement für das SAFit-Gerüst, makrozyklische SAFit-Analoga und eine vergleichende Studie zur Ermittlung der Auswirkungen der Makrozyklisierung auf physikochemische und ausgewählte ADME-Eigenschaften. Im ersten Projekt wurde eine etablierte und veröffentlichte Route genutzt, um Alpha-Methyl-Thiophen Essigsäure-Derivate zu synthetisieren, die verwendet wurden, um den am besten geeigneten Ersatz für Cyclohexyl im SAFit-Gerüst zu bestimmen. Neben der Identifizierung von Chlorthiophen als dem besten Cyclohexyl-Ersatz wurde entdeckt, dass die entsprechende transiente Bindungstasche von FKBP51 überraschenderweise mit einem Benzo[b]thiophen-Rest kompatibel ist. Diese Entdeckung stellt einen potenziellen Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung des SAFit-Gerüsts dar, da klar wurde, dass sogar größere Reste als Cyclohexyl vom Protein toleriert werden. Die Alpha-Methylgruppe der Chlorthiophenessigsäure wurde dann durch verschiedene Allylenthaltende-Gruppen mittels der Ireland-Claisen-Umlagerung ersetzt. Die resultierende Doppelbindung wurde dann mit verschiedenen polaren Gruppen funktionalisiert. Die erzielten Bindungsaffinitäten waren vergleichbar mit dem besten bekannten Bottom-Group-Ersatz von Feng et al., jedoch mit reduzierter Molekularmasse und höherer Polarität. Weitere Untersuchungen wurden wegen der Epimerisierung des Stereozentrums der Thiophenessigsäure eingestellt. Das zweite Projekt konzentrierte sich auf SAFit-basierte Makrozyklen. Zunächst wurden bestehende Struktur-Aktivitäts-Beziehungen (SARs) vervollständigt und die veröffentlichten Ergebnisse validiert. Dann wurde das kleinste makrozyklische Gerüst bestimmt und zwei verschiedene Verknüpfungen untersucht. Die Bindungsaffinitäten und ADME-Eigenschaften der Amid-Verknüpfung waren so schlecht, dass weitere Forschungen eingestellt wurden. Die 1,4-Triazol-Verknüpfung, die zusammen mit Vanessa Buffa untersucht wurde, führte zur Entwicklung einer umfassenden Strategie für das Design von makrozyklischen Linkern, die verschiedene Konfirmationen stabilisieren. Das dritte Projekt war eine vergleichende Studie zur Ermittlung der Auswirkungen der Makrozyklisierung von Verbindungen in Bezug auf physikochemische und ausgewählte ADME-Eigenschaften. In Zusammenarbeit mit AbbVie Deutschland und gemeinsam mit Moritz Spiske wurden 15 Makrozyklen ausgewählt und entsprechende lineare molekulare Referenzen synthetisiert. Die Ergebnisse des gemessenen Assay-Panels zeigten, dass für diese Serie von Verbindungen die Makrozyklisierung die Löslichkeit signifikant verbessert wurde, ohne die anderen gemessenen Eigenschaften zu beeinträchtigen.