Sowohl bei der Forschung der Maillard-Reaktion in Lebensmitteln als auch im menschlichen Körper lag das Hauptaugenmerk bislang auf der Reaktion der Carbonylfunktion mit den Aminofunktionen der Seitenketten wie Lysin oder Arginin, da sie in vielen Lebensmitteln oder physiologischen Proteinen die größte Quelle an Aminofunktionen darstellen. Dagegen wurde eine vergleichbare Reaktion mit dem N-Terminus von Aminosäuren, Peptiden oder Proteinen weniger beachtet, obgleich in lysinarmen oder peptidhaltigen Lebensmitteln die N-terminalen Aminofunktionen dominieren und die Seitenketten körpereigener Proteine räumlich für einen Angriff der Carbonylfunktion unzugänglich sein können. Da in den HA-Nahrungen die allergieauslösenden Proteine hydrolytisch gespalten vorliegen, stehen für eine mögliche Amadori-Produktbildung gegenüber den konventionellen Säuglingsnahrungen quantitativ mehr alpha-Aminogruppen als epsilon-Aminogruppen zur Verfügung. Demzufolge sollte für die Beurteilung von HA-Nahrungen eine Methode entwickelt werden, mit deren Hilfe eine Aussage über die Amadori-Produktbildung auch am N-Terminus getroffen werden kann. Aufbauend auf den Ergebnissen der Furoylmethylderivate-Bestimmung (FMAA-Bestimmung) in peptidhaltigen Lebensmitteln, war es ein weiteres Ziel der vorliegenden Dissertation die entwickelte Methode auch auf ihre Anwendbarkeit auf die Beurteilung des Glykierungsstatus des Hämoglobin in vivo zu testen. Nach der N-terminalen Amadori-Produktbildung im Zuge der frühen Phase der Maillard-Reaktion lag im zweiten Teil der Dissertation das Hauptaugenmerk auf die fortgeschrittene Phase der Maillard-Reaktion am N-Terminus von Peptiden oder Proteinen. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Bildung von 2-(1H)-Pyrazinonen im komplexen trockenen Lebensmittel und in vivo.

Sowohl bei der Forschung der Maillard-Reaktion in Lebensmitteln als auch im menschlichen Körper lag das Hauptaugenmerk bislang auf der Reaktion der Carbonylfunktion mit den Aminofunktionen der Seitenketten wie Lysin oder Arginin, da sie in vielen Lebensmitteln oder physiologischen Proteinen die größte Quelle an Aminofunktionen darstellen. Dagegen wurde eine vergleichbare Reaktion mit dem N-Terminus von Aminosäuren, Peptiden oder Proteinen weniger beachtet, obgleich in lysinarmen oder peptidhaltigen Lebensmitteln die N-terminalen Aminofunktionen dominieren und die Seitenketten körpereigener Proteine räumlich für einen Angriff der Carbonylfunktion unzugänglich sein können. Da in den HA-Nahrungen die allergieauslösenden Proteine hydrolytisch gespalten vorliegen, stehen für eine mögliche Amadori-Produktbildung gegenüber den konventionellen Säuglingsnahrungen quantitativ mehr alpha-Aminogruppen als epsilon-Aminogruppen zur Verfügung. Demzufolge sollte für die Beurteilung von HA-Nahrungen eine Methode entwickelt werden, mit deren Hilfe eine Aussage über die Amadori-Produktbildung auch am N-Terminus getroffen werden kann. Aufbauend auf den Ergebnissen der Furoylmethylderivate-Bestimmung (FMAA-Bestimmung) in peptidhaltigen Lebensmitteln, war es ein weiteres Ziel der vorliegenden Dissertation die entwickelte Methode auch auf ihre Anwendbarkeit auf die Beurteilung des Glykierungsstatus des Hämoglobin in vivo zu testen. Nach der N-terminalen Amadori-Produktbildung im Zuge der frühen Phase der Maillard-Reaktion lag im zweiten Teil der Dissertation das Hauptaugenmerk auf die fortgeschrittene Phase der Maillard-Reaktion am N-Terminus von Peptiden oder Proteinen. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Bildung von 2-(1H)-Pyrazinonen im komplexen trockenen Lebensmittel und in vivo.

Infection by the hepatitis C virus (HCV) leads to inflammation of the liver, i.e. hepatitis. The acute infection often progresses to a chronic phase during which the liver function is gradually impaired. Approximately 20% of these chronic cases develop liver cirrhosis, with an ensuing increased risk of liver cancer. Global estimates of the total number of chronic cases range from 123–170 million. Yet, neither specific anti-HCV drugs nor vaccines are available. When drugs become available for daily clinical use, rapid development of drug-resistant strains is expected, making resistance an important issue. One of the most studied targets for specific anti-HCV drugs is the NS3 protease. The main objectives of the work presented in this thesis were to design and synthesise peptidomimetic inhibitors of this enzyme, and to establish the structure–activity relationships (SARs) regarding the inhibition of the wild type as well as of the known resistant variants A156T and D168V. Substituted prolines are common P2 residues in HCV NS3 protease inhibitors. To decrease the peptide character of the inhibitors, the non-coded phenylglycine was evaluated as a proline replacement in combination with known and novel P3 and P1 residues and P2 substituents. The results confirmed that phenylglycine is a promising P2 scaffold, with a possible π-stacking interaction with histidine 57 of the active site. However, to benefit from its full potential, additional optimisation is required. A 2(1H)-pyrazinone-based scaffold was introduced as P3 residue. Utilising the scope of the method developed for the pyrazinone scaffold synthesis, the phenylglycine side-chain was transferred to the scaffold. In combination with an aromatic P1 building-block, this design yielded achiral, peptidomimetic inhibitors, three times more potent than the tripeptide lead. The SARs for the inhibition of the resistant variants A156T and D168V were investigated for compounds based on either P2 proline or phenyl­glycine. It was concluded that the vulnerability of the inhibitors to alterations in the enzyme depends on the P2 and the P1 residue, not only on the P2 as previously suggested. These results provide important information for the design of a new generation of inhibitors with improved properties.

Since the first approved hepatitis C virus (HCV) NS3 protease inhibitors in 2011, numerous direct acting antivirals (DAAs) have reached late stages of clinical trials. Today, several combination therapies, based on different DAAs, with or without the need of pegylated interferon-α injection, are available for chronic HCV infections. The chemical foundation of the approved and late-stage HCV NS3 protease inhibitors is markedly similar. This could partly explain the cross-resistance that have emerged under the pressure of NS3 protease inhibitors. The first-generation NS3 protease inhibitors were developed to efficiently inhibit genotype 1 of the virus and were less potent against other genotypes. The main focus in this thesis was to design and synthesize a new class of 2(1H)-pyrazinone based HCV NS3 protease inhibitors, structurally dissimilar to the inhibitors evaluated in clinical trials or approved, potentially with a unique resistance profile and with a broad genotypic coverage. Successive modifications were performed around the pyrazinone core structure to clarify the structure-activity relationship; a P3 urea capping group was found valuable for inhibitory potency, as were elongated R6 residues possibly directed towards the S2 pocket. Dissimilar to previously developed inhibitors, the P1’ aryl acyl sulfonamide was not essential for inhibition as shown by equally good inhibitory potency for P1’ truncated inhibitors. In vitro pharmacokinetic (PK) evaluations disclosed a marked influence from the R6 moiety on the overall drug-properties and biochemical evaluation of the inhibitors against drug resistant enzyme variants showed retained inhibitory potency as compared to the wild-type enzyme. Initial evaluation against genotype 3a displayed micro-molar potencies. Lead optimization, with respect to improved PK properties, were also performed on an advanced class of HCV NS3 protease inhibitors, containing a P2 quinazoline substituent in combination with a macro-cyclic proline urea scaffold with nano-molar cell based activities. Moreover, an efficient Pd-catalyzed C-N urea arylation protocol, enabling high yielding introductions of advanced urea substituents to the C3 position of the pyrazinone, and a Pd-catalyzed carbonylation procedure, to obtain acyl sulfinamides, were developed. These methods can be generally applicable in the synthesis of bioactive compounds containing peptidomimetic scaffolds and carboxylic acid bioisosteres.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work describes the synthesis of a number of polyaza heterocycles and the mechanistic study to obtain these products. Furthermore, the characterization was performed by spectroscopic method and the structural study by X-ray diffraction and theoretical calculations of molecular orbitals. The synthesis of polyaza heterocyclic compounds began from the cyclocondensation reaction between a β- enaminodiketone and 2-aminopyridine, 2-aminothiazole or 2-aminobenzoimidazole in order to achieve pyrido[1,2-a]pyrimidin-4-one, thiazole[3,2-a]pyrimidin-5-one or 2- oxo-pyrimido[1,2-a]benzimidazole, respectively, with a α-keto ester substituent, in high regioselectivity. The mechanistic proposal developed in this step is based on the semi-empirical theoretical calculations by the PM3 method. From these data it was possible to say that the reaction was controlled by frontier molecular orbital, according to values of HOMO/LUMO coefficient obtained for the reactants. In the next step, the α-keto esters previously obtained, were reacted with ethylenediamine and derivatives ledding to the pyrazinones formation and the reaction with 1,2- phenylenediamine and derivatives led to the formation quinoxalinones. The same reaction of α-keto esters with amidines did not lead to the formation of imidazolonas as expected, since only the formation of the substitution product in the ester group occurred. The reaction mechanisms proposed in these steps are also based in theoretical calculations, where it was possible to infer that the reaction was thermodynamically controlled, since the reactivity sites were less important than the stability of the intermediates. The compounds were characterized by 1D nuclear magnetic resonance experiments of such as 1H and 13C and 2D such as COSY, HETCOR and HMBC, besides of mass spectrometry. The molecular structural studies by X-ray diffraction (for the compounds that could be measured) revealed that polyaza heterocycles pyrido[1,2-a]pyrimidin-4-one, thiazole[3,2-a]pyrimidin-5-one and 2-oxo-pyrimido[1,2-a]benzimidazole are essentially plane. All these compounds showed as pattern at least one intramolecular interaction between a carbonyl oxygen atom and a carbonyl carbon via π-hole, forming a five membered pseudo-ring, which stabilizes the position of a carbonyl group. The study revealed that all structural supramolecular compounds exhibit a large number of weak hydrogen bonds of the type CH···X (where X = O, N) and the compounds which exhibited a NH group in its structure or water in the asymmetric unit formed additionally strong hydrogen bonds of the type X-H···X (where X = O, N). Since the structures studied are aromatic heterocycles, all compounds showed interactions involving π systems in their interactions like π···π and/or lone-pair···π in their crystal packing. Only one intermolecular interaction via σ-hole (C=O···S) and another via π-hole (C=O···C=O) were found. / Neste trabalho é descrita a síntese de uma série de poliaza heterociclos e o estudo mecanístico para a obtenção destes produtos. Além disso, é realizada sua caracterização utilizando métodos espectroscópicos e o estudo estrutural por difração de Raios-X e cálculos teóricos de orbitais moleculares. A síntese dos compostos poliaza heterocíclicos teve inicio a partir de reações de ciclocondensação entre uma β-enaminodicetona e 2-aminopiridina, 2-aminotiazol ou 2-aminobenzoimidazol para obter pirido[1,2-a]pirimidin-4-ona, tiazolo[3,2-a]pirimidin-5- ona e 2-oxo-pirimido[1,2-a]benzoimidazol, respectivamente, com um substituinte α- ceto éster, de maneira altamente regiosseletiva. A proposta mecanística elaborada nesta etapa está embasada em cálculos teóricos semi-empíricos pelo método PM3. A partir destes dados é possível afirmar que a reação é controlada por orbital molecular de fronteira, conforme os valores de coeficiente de HOMO/LUMO obtidos para os reagentes. Na etapa seguinte, os α-ceto ésteres, previamente obtidos, ao reagirem com etilenodiamino e derivados levaram a formação de pirazinonas, bem como, a reação com 1,2-fenilenodiamino e derivados levou a formação de quinoxalinonas como produto. A reação dos mesmos α-ceto ésteres com amidinas não levou a formação de imidazolonas como desejado, pois ocorreu apenas a formação do produto de substituição no grupo éster. Os mecanismos de reação propostos nestas etapas também estão embasados em cálculos teóricos, onde foi possível inferir que a reação foi termodinamicamente controlada, já que, a reatividade dos sítios foi menos importante que a estabilidade dos intermediários. Os compostos foram caracterizados utilizando ressonância magnética nuclear em experimentos de 1D como 1H e 13C, e 2D como COSY, HETCOR e HMBC, além de espectrometria de massas. O estudo estrutural molecular por difração de Raios-x (referente aos compostos que puderam ser medidos) revelou que os poliaza heterociclos pirido[1,2- a]pirimidin-4-ona, tiazolo[3,2-a]pirimidin-5-ona e 2-oxo-pirimido[1,2-a]benzoimidazol são essencialmente planos. Um padrão observado nestes compostos é que todos apresentam, pelo menos, uma interação intramolecular entre um átomo de oxigênio carbonílico e um carbono carbonílico via π-hole, formando um pseudo-anel de cinco membros, que estabiliza a posição de uma carbonila. O estudo estrutural supramolecular revelou que todos os compostos apresentam um amplo número de ligações de hidrogênio fracas do tipo C-H· · ·X (quando, X = O, N) e os compostos que apresentaram um grupo N-H em sua estrutura ou água na unidade assimétrica formam, adicionalmente, ligações de hidrogênio fortes do tipo X-H···X (quando, X = O, N). Como as estruturas estudadas apresentam heterociclos aromáticos, todos os compostos mostraram interações envolvendo seus sistemas π em interações do tipo π· · ·π e/ou lone-pair· · ·π em seus empacotamentos cristalinos. Apenas uma interação intermolecular via σ-hole (C=O· · ·S) e uma via π-hole (C=O· · ·C=O) foram encontradas.

Furosin entsteht bei der Salzsäurehydrolyse aus den Amadori-Produkten des Lysins und wird als Marker für den Fortschritt der frühen Maillard-Reaktion, zur Beurteilung von lebensmitteltechnologischen Prozessen sowie zur Berechnung des verfügbaren und des nicht verfügbaren Lysins in Lebensmitteln verwendet. Für die Nutzung von Furosin als Qualitätsparameter ist die reproduzierbare und konstante Bildung während der Salzsäurehydrolyse entscheidend. Dies wird in der Literatur jedoch kontrovers diskutiert. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit galt es deshalb, die molaren Ausbeuten an Furosin und den weiteren Hydrolyseprodukten Lysin, Pyridosin und N[epsilon]-Carboxymethyl-lysin zu bestimmen und damit eine sichere Interpretation der Ergebnisse zu ermöglichen. Dazu wurden peptid-gebundene Amadori-Produkte des N[alpha]-Hippuryl-lysins in chromatographisch reiner Form dargestellt. Weiterhin wurden N[alpha]-Hippuryl-N[epsilon]-carboxymethyl-lysin und Pyridosin als Standard gewonnen. Bei den Hydrolyseexperimenten zeigten die Fructosyl-Amadori-Produkte ein ähnliches Verhalten. Nach Hydrolyse mit 6M Salzsäure wurden molare Ausbeuten an Furosin von 32% für Fructosyl-lysin und jeweils 34% für Lactulosyl- und Maltulosyl-lysin bestimmt. Signifikant höhere Ausbeuten an Furosin waren nach Hydrolyse mit 8M Salzsäure festzustellen, 46% für Fructosyl-lysin, 50% für Lactulosyl-lysin und 51% für Maltulosyl-lysin. Im Gegensatz zu den Fructosyl-Derivaten war die molare Ausbeute an Furosin bei Tagatosyl-lysin unabhängig von der verwendeten Salzsäurekonzentration (6 bis 8M) und wurde zu 42% bestimmt. Anhand der auf Basis der molaren Ausbeuten ermittelten Überführungsfaktoren kann nun erstmals die Lysin-Derivatisierung mittels der Analytik von Furosin sicher bestimmt werden. Das ermöglicht exakte Aussagen zum Fortschritt nichtenzymatischer Glykierungsreaktionen sowohl in Lebensmittel als auch in vivo. Aufgrund der Relevanz für biologische Systeme und für Lebensmittel wurden weiterhin Reaktionen von alpha-Dicarbonylverbindungen mit kurzkettigen Peptiden und dem Protein Insulin unter physiologischen Bedingungen (pH=7,4 und 37°C) untersucht. Bei der Reaktion von Glyoxal mit ausgewählten Tripeptiden wurde eine sehr schnelle Derivatisierung der Peptide und jeweils die gleichzeitige Bildung eines definierten Produktes festgestellt. Mittels nuklearmagnetischer Resonanzspektroskopie und massenspektroskopischer Analyse konnten die Produkte zweifelsfrei, jeweils als die am N-Terminus durch einen 2(1H)-Pyrazinon-Ring modifizierten Peptide, aufgeklärt werden. Das Hauptprodukt der Reaktion von Methylglyoxal mit dem Peptid Gly-Ala-Phe wurde ebenfalls als 2(1H)-Pyrazinon-Peptid aufgeklärt. Nach Inkubation von Insulin mit Glyoxal unter physiologischen Bedingungen in verdünnter Lösung konnte weiterhin gezeigt werden, dass die 2(1H)-Pyrazinon-Bildung ebenfalls an einem Protein erfolgt. Die identifizierten N-terminalen 2(1H)-Pyrazinone weisen charakteristische UV-Absorptions- sowie Fluoreszenz-Spektren auf. Um die Reaktivität des N-Terminus und damit die Bedeutung der 2(1H)-Pyrazinon-Bildung beurteilen zu können, wurden vergleichende Studien mit dem als Hauptreaktionspartner für alpha-Dicarbonylverbindungen angesehenen Arginin durchgeführt. Bei diesen Experimenten zeigte der N-Terminus und peptidgebundenes Arginin eine nahezu identische Reaktivität. Auf Grund dieser Ergebnisse ist fest davon auszugehen, dass es sich bei den identifizierten N-terminalen 2(1H)-Pyrazinonen um eine neue Klasse von sogenannten Advanced Glycation Endproducts (AGEs) mit Bedeutung in physiologischen Systemen und in Lebensmitteln handelt.

Furosin entsteht bei der Salzsäurehydrolyse aus den Amadori-Produkten des Lysins und wird als Marker für den Fortschritt der frühen Maillard-Reaktion, zur Beurteilung von lebensmitteltechnologischen Prozessen sowie zur Berechnung des verfügbaren und des nicht verfügbaren Lysins in Lebensmitteln verwendet. Für die Nutzung von Furosin als Qualitätsparameter ist die reproduzierbare und konstante Bildung während der Salzsäurehydrolyse entscheidend. Dies wird in der Literatur jedoch kontrovers diskutiert. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit galt es deshalb, die molaren Ausbeuten an Furosin und den weiteren Hydrolyseprodukten Lysin, Pyridosin und N[epsilon]-Carboxymethyl-lysin zu bestimmen und damit eine sichere Interpretation der Ergebnisse zu ermöglichen. Dazu wurden peptid-gebundene Amadori-Produkte des N[alpha]-Hippuryl-lysins in chromatographisch reiner Form dargestellt. Weiterhin wurden N[alpha]-Hippuryl-N[epsilon]-carboxymethyl-lysin und Pyridosin als Standard gewonnen. Bei den Hydrolyseexperimenten zeigten die Fructosyl-Amadori-Produkte ein ähnliches Verhalten. Nach Hydrolyse mit 6M Salzsäure wurden molare Ausbeuten an Furosin von 32% für Fructosyl-lysin und jeweils 34% für Lactulosyl- und Maltulosyl-lysin bestimmt. Signifikant höhere Ausbeuten an Furosin waren nach Hydrolyse mit 8M Salzsäure festzustellen, 46% für Fructosyl-lysin, 50% für Lactulosyl-lysin und 51% für Maltulosyl-lysin. Im Gegensatz zu den Fructosyl-Derivaten war die molare Ausbeute an Furosin bei Tagatosyl-lysin unabhängig von der verwendeten Salzsäurekonzentration (6 bis 8M) und wurde zu 42% bestimmt. Anhand der auf Basis der molaren Ausbeuten ermittelten Überführungsfaktoren kann nun erstmals die Lysin-Derivatisierung mittels der Analytik von Furosin sicher bestimmt werden. Das ermöglicht exakte Aussagen zum Fortschritt nichtenzymatischer Glykierungsreaktionen sowohl in Lebensmittel als auch in vivo. Aufgrund der Relevanz für biologische Systeme und für Lebensmittel wurden weiterhin Reaktionen von alpha-Dicarbonylverbindungen mit kurzkettigen Peptiden und dem Protein Insulin unter physiologischen Bedingungen (pH=7,4 und 37°C) untersucht. Bei der Reaktion von Glyoxal mit ausgewählten Tripeptiden wurde eine sehr schnelle Derivatisierung der Peptide und jeweils die gleichzeitige Bildung eines definierten Produktes festgestellt. Mittels nuklearmagnetischer Resonanzspektroskopie und massenspektroskopischer Analyse konnten die Produkte zweifelsfrei, jeweils als die am N-Terminus durch einen 2(1H)-Pyrazinon-Ring modifizierten Peptide, aufgeklärt werden. Das Hauptprodukt der Reaktion von Methylglyoxal mit dem Peptid Gly-Ala-Phe wurde ebenfalls als 2(1H)-Pyrazinon-Peptid aufgeklärt. Nach Inkubation von Insulin mit Glyoxal unter physiologischen Bedingungen in verdünnter Lösung konnte weiterhin gezeigt werden, dass die 2(1H)-Pyrazinon-Bildung ebenfalls an einem Protein erfolgt. Die identifizierten N-terminalen 2(1H)-Pyrazinone weisen charakteristische UV-Absorptions- sowie Fluoreszenz-Spektren auf. Um die Reaktivität des N-Terminus und damit die Bedeutung der 2(1H)-Pyrazinon-Bildung beurteilen zu können, wurden vergleichende Studien mit dem als Hauptreaktionspartner für alpha-Dicarbonylverbindungen angesehenen Arginin durchgeführt. Bei diesen Experimenten zeigte der N-Terminus und peptidgebundenes Arginin eine nahezu identische Reaktivität. Auf Grund dieser Ergebnisse ist fest davon auszugehen, dass es sich bei den identifizierten N-terminalen 2(1H)-Pyrazinonen um eine neue Klasse von sogenannten Advanced Glycation Endproducts (AGEs) mit Bedeutung in physiologischen Systemen und in Lebensmitteln handelt.