The synthesis and evaluation of new organometallic benzimidazole Complexes as antiplasmodials
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University, 2020
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Despite ongoing efforts to discover new antimalarial drugs, malaria remains a serious concern in
developing countries due to the widespread resistance of Plasmodium falciparum (P. falciparum) to
antimalarial drugs such as chloroquine. Organometallic complexes, particularly those containing
platinum group metals have shown great promise for the development of new antimalarial treatments.
The majority of antiplasmodial organometallic complexes reported in the literature are derived from
quinoline-containing ligands. Benzimidazole is an attractive pharmacophore as it has displayed
various pharmacological activities and can bind to a range of biological receptors. Few
organometallic complexes of benzimidazoles have been reported, and even fewer that display
antimalarial activity. In this study, two known and four new cationic iridium and rhodium complexes
were synthesised from 2-(2-pyridyl)benzimidazole and metal dimers with different η5-Cpx groups (x
= Me, ph or biph). Six new neutral cyclometallated iridium and rhodium complexes of 2-
phenylbenzimidazole were also synthesised, as several C^N cyclometallated complexes reported in
the literature have displayed improved biological activities compared to their N^N analogues. All
complexes were obtained in moderate to good yields with high purity. The complexes were
characterised using infrared and 1H and 13C NMR spectroscopy as well as mass spectrometry. The
single crystal X-ray structures of the pyridyl complexes were obtained and confirmed the expected
molecular structures.
The pyridyl (C1 – C6) and phenyl complexes (C7 – C12) all displayed moderate to good
antiplasmodial activity against the CQ-sensitive 3D7 strain of P. falciparum. The pyridyl complexes
were also evaluated against the CQ-resistant Dd2 strain and, in general, improved activities were
observed compared to 3D7. In general, the rhodium complexes out-performed the iridium complexes
in both series and an increase in activity was observed when the cyclopentadienyl group was
extended, in the order Cp* < Cpxph < Cpxbiph. This can be attributed to increased hydrophobicity. The
cyclometallated rhodium Cpxbiph complex, which is the most active of the cyclometallated complexes,
deviates from this trend. The pyridyl complexes exhibited low cytotoxicity to human embryonic
kidney (HEK) cells compared to their activity against P. falciparum strains, which is an indication of
good selectivity. Future work will involve investigating potential mechanism of action of these
complexes, performing further in vitro biological tests on the cyclometallated complexes and
potentially modifying the ligand to improve the antimalarial activities of these complexes. Overall,
the newly synthesised pyridyl and cyclometallated organometallic complexes are promising
candidates for further investigation as potential antimalarial agents.
AFRIKAANS OPSOMMING: Ten spyte van voortdurende pogings om nuwe anti-malaria middels te ontdek, veroorsaak die wydverspreide weerstand van Plasmodium falciparum (P. falciparum) teen anti-malaria middels soos chloorokien, dat malaria 'n ernstige probleem in ontwikkelende lande bly. Organometaalkomplekse, veral dié wat platinumgroepmetale bevat, het beloftes ingehou vir die ontwikkeling van nuwe antimalaria behandelings. Die meerderheid van anti-plasmodiale organometaalkomplekse wat in navorsing aangemeld is, is afgelei van kinolienbevattende ligande. Benzimidazole is 'n goeie farmakofoor, aangesien dit verskillende farmakologiese aktiwiteite vertoon het en kan verbind met verskeie biologiese reseptore. Min organometaalkomplekse van benzimidazole is gerapporteer en selfs minder is aktief teen malaria. In hierdie studie is twee bekende en vier nuwe kationiese iridiumen rodiumkomplekse gesintetiseer van 2-(2-pyridyl)benzimidazole en metaaldimere met verskillende η5-Cpx-groepe (x = Me, ph of biph). Ses nuwe neutrale siklometaalvormige iridium- en rodiumkomplekse van 2-Phenylbenzimidazole is ook gesintetiseer, aangesien verskeie gerapporteerde C^N-siklometaalkomplekse verbeterde biologiese aktiwiteite getoon het in vergelyking met hul N^N-analoë. Alle komplekse is verkry in matige tot goeie opbrengste en 'n hoë suiwerheid. Die komplekse is gekenmerk deur infrarooi en 1H en 13C KMR-spektroskopie asook massaspektrometrie. Die enkelkristal X-straalstrukture van die piridielkomplekse is verkry en bevestig die verwagte molekulêre strukture. Die piridiel (C1 – C6) en feniel (C7 – C12) komplekse het almal matige tot goeie antiplasmodiale aktiwiteit teen die CQ-sensitiewe 3D7-stam van P. falciparum vertoon. Die piridielkomplekse is ook beoordeel teen die CQ-weerstandige Dd2-stam, en meeste van die komplekse is meer aktief teen hierdie stam in vergelyking met 3D7. Oor die algemeen het die rodiumkomplekse beter as die iridiumkomplekse vir beide reekse gevaar, en 'n toename in aktiwiteit is waargeneem toe die cyclopentadienylgroep uitgebrei is, in die volgorde Cp* <Cpxph <Cpxbiph. Dit kan toegeskryf word aan verhoogde hidrofobisiteit. Die siklometaalvormige rodium Cpxbiph-kompleks, wat die mees aktief is van die siklometaalvormige komplekse, wyk af van hierdie neiging. Die piridielkomplekse het lae sitotoksisiteit vir menslike embrionale nierselle (HEK) getoon in vergelyking met hul aktiwiteit teen P. falciparum-stamme, wat 'n aanduiding is van goeie selektiwiteit. Moontlike toekomstige werk behels die ondersoek van die potensiële werkingsmeganisme van hierdie komplekse en uitvoering van verdere in vitro-biologiese toetse op die siklometaal-komplekse, en die ligand kan moontlik verander word om die anti-malaria aktiwiteite van hierdie komplekse te verbeter. Alles in ag genome, is die nuutgesintetiseerde piridiel- en siklometaal organometaalkomplekse potensiële kandidate vir verdere ondersoek as moontlike anti-malaria middels.
AFRIKAANS OPSOMMING: Ten spyte van voortdurende pogings om nuwe anti-malaria middels te ontdek, veroorsaak die wydverspreide weerstand van Plasmodium falciparum (P. falciparum) teen anti-malaria middels soos chloorokien, dat malaria 'n ernstige probleem in ontwikkelende lande bly. Organometaalkomplekse, veral dié wat platinumgroepmetale bevat, het beloftes ingehou vir die ontwikkeling van nuwe antimalaria behandelings. Die meerderheid van anti-plasmodiale organometaalkomplekse wat in navorsing aangemeld is, is afgelei van kinolienbevattende ligande. Benzimidazole is 'n goeie farmakofoor, aangesien dit verskillende farmakologiese aktiwiteite vertoon het en kan verbind met verskeie biologiese reseptore. Min organometaalkomplekse van benzimidazole is gerapporteer en selfs minder is aktief teen malaria. In hierdie studie is twee bekende en vier nuwe kationiese iridiumen rodiumkomplekse gesintetiseer van 2-(2-pyridyl)benzimidazole en metaaldimere met verskillende η5-Cpx-groepe (x = Me, ph of biph). Ses nuwe neutrale siklometaalvormige iridium- en rodiumkomplekse van 2-Phenylbenzimidazole is ook gesintetiseer, aangesien verskeie gerapporteerde C^N-siklometaalkomplekse verbeterde biologiese aktiwiteite getoon het in vergelyking met hul N^N-analoë. Alle komplekse is verkry in matige tot goeie opbrengste en 'n hoë suiwerheid. Die komplekse is gekenmerk deur infrarooi en 1H en 13C KMR-spektroskopie asook massaspektrometrie. Die enkelkristal X-straalstrukture van die piridielkomplekse is verkry en bevestig die verwagte molekulêre strukture. Die piridiel (C1 – C6) en feniel (C7 – C12) komplekse het almal matige tot goeie antiplasmodiale aktiwiteit teen die CQ-sensitiewe 3D7-stam van P. falciparum vertoon. Die piridielkomplekse is ook beoordeel teen die CQ-weerstandige Dd2-stam, en meeste van die komplekse is meer aktief teen hierdie stam in vergelyking met 3D7. Oor die algemeen het die rodiumkomplekse beter as die iridiumkomplekse vir beide reekse gevaar, en 'n toename in aktiwiteit is waargeneem toe die cyclopentadienylgroep uitgebrei is, in die volgorde Cp* <Cpxph <Cpxbiph. Dit kan toegeskryf word aan verhoogde hidrofobisiteit. Die siklometaalvormige rodium Cpxbiph-kompleks, wat die mees aktief is van die siklometaalvormige komplekse, wyk af van hierdie neiging. Die piridielkomplekse het lae sitotoksisiteit vir menslike embrionale nierselle (HEK) getoon in vergelyking met hul aktiwiteit teen P. falciparum-stamme, wat 'n aanduiding is van goeie selektiwiteit. Moontlike toekomstige werk behels die ondersoek van die potensiële werkingsmeganisme van hierdie komplekse en uitvoering van verdere in vitro-biologiese toetse op die siklometaal-komplekse, en die ligand kan moontlik verander word om die anti-malaria aktiwiteite van hierdie komplekse te verbeter. Alles in ag genome, is die nuutgesintetiseerde piridiel- en siklometaal organometaalkomplekse potensiële kandidate vir verdere ondersoek as moontlike anti-malaria middels.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Chemistry, Malaria, Antimalarial, Antiplasmodial, Medicinal chemistry, Drug discovery, Organometallic complexes, Platinum group metals, Organic chemistry, Inorganic chemistry, UCTD