Roberto Tallarita

• Pentathiepines are naturally occurring polysulfides of pharmacological relevance. Among their artificial analogues, the 1,2,3,4,5-pentathiepino[6,7-a]indolizines (iPTEs) stand out for their facile synthesis, broad functionalization potential of the indolizine core and promising biological activity. In this work, their molybdenum-mediated formation was comprehensively investigated by addressing the roles of all three reaction partners: the functionalized 2-alkynylpyridine precursors bearing a terminal 3,3-diethoxy-substituted propargyl aldehyde fragment (REPy), the tetraethylammonium oxobis(tetrasulfido)molybdate complex (MoOBTS), and elemental sulfur (S₈), to decipher their respective contributions to iPTE formation. The role of MoOBTS was established as that of a mediator in the generation of reactive sulfur species rather than a direct reactant with REPy. While the reaction can proceed with elemental sulfur alone at temperatures above 80 °C, the presence of MoOBTS remains crucial to ensure efficient conversion and satisfactory yields under mild conditions. Building on these mechanistic insights, fifteen new iPTEs were rationally designed and synthesized, featuring systematically varied substituents on both the pyridine ring and the propargylic -CH(OEt)2 position of REPys to probe the effects of electronic modulation on reactivity and applied conditions. Variation of the pyridine substituents (-H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -Me, -CN, -CHO), introduced predominantly in the para position relative to the alkynyl group, revealed correlations between substituent properties, reaction conditions, and outcomes that are yet to be fully understood. One most significant finding was the possibility of performing the reaction under ambient atmosphere, without the need for anhydrous solvents or inert gases. Computational studies and preliminary QSAR models both supported these observations and provided insight into the likely reaction outcomes. Modification at the propargylic position -CH(OEt)2, site, achieved by formally replacing one -OEt with alternative -R groups (-Me, -Ar and -O(CH2)nOH with n = 2,3) was introduced for the first time. This approach expanded the accessible chemical space of the pyrrolic ring within the indolizine scaffold and provided mechanistic evidence for a delocalized carbocation intermediate. Few selected iPTEs were evaluated for their cytotoxic activity against A549, HCT116, MCF7, and MDA-MB-231 cancer cell lines, as well as the non-malignant CR9 fibroblast line. Derivatives bearing hydrophilic substituents exhibited the most promising profiles, showing pronounced cytotoxicity, apoptosis induction, and inhibition of metastatic potential, confirming previous findings and providing additional evidence supporting their potential use as drug candidates. Preliminary assays also indicated intracellular sulfide ion (S2-) formation. This work expands the synthetic scope and mechanistic understanding of indolizine-based pentathiepines and underscores their promise for future pharmaceutical development
• Pentathiepine sind natürlich vorkommende Polysulfide von pharmakologischem Interesse. Unter ihren künstlichen Analoga zeichnen sich die 1,2,3,4,5-Pentathiepino[6,7-a]indolizine (iPTEs) durch eine unkomplizierte Synthese, eine breite Funktionalisierbarkeit des Indolizin-Kerns sowie vielversprechende biologische Aktivität aus. In der vorliegenden Arbeit wurde ihre molybdänvermittelte Synthese umfassend untersucht, wobei die Rollen aller drei Reaktionspartner – der funktionalisierten 2-Alkinylpyridin-Vorstufen mit einem terminalen, 3,3-diethoxy-substituierten Propargylaldehyd-Fragment (REPy), des Tetraethylammonium-oxobis(tetrasulfido)molybdat-Komplexes (MoOBTS) und des elementaren Schwefels (S8), im Hinblick auf ihren jeweiligen Beitrag zur iPTE-Bildung entschlüsselt wurden. MoOBTS konnte als Mediator für die Erzeugung reaktiver Schwefelspezies identifiziert werden, nicht jedoch als direkter Reaktionspartner von REPy. Obwohl die Reaktion auch allein mit elementarem Schwefel bei Temperaturen über 80 °C ablaufen kann, ist die Anwesenheit von MoOBTS entscheidend, um eine effiziente Umsetzung und zufriedenstellende Ausbeuten unter milden Bedingungen zu gewährleisten. Auf Grundlage dieser mechanistischen Erkenntnisse wurden fünfzehn neue iPTE-Derivate konzipiert und synthetisiert, wobei die Substituenten sowohl am Pyridinring als auch an der propargylischen –CH(OEt)2-Position der REPy-Vorstufe systematisch variiert wurden, um den Einfluss elektronischer Modulation auf Reaktivität und Reaktionsbedingungen zu untersuchen. Die Variation der Pyridin-Substituenten (-H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -Me, -CN, -CHO), überwiegend in para-Position zur Diethoxypropargyl-Aldehyd-Gruppe eingeführt, zeigte Korrelationen zwischen Substituenteneigenschaften, Reaktionsbedingungen und Produkten, die bislang nicht vollständig verstanden sind. Die wichtigste Erkenntnis war die Möglichkeit, die Reaktion unter Umgebungsatmosphäre durchzuführen, ohne wasserfreie Lösungsmittel oder Inertgase verwenden zu müssen. Rechenchemische Untersuchungen und vorläufige QSAR-Modelle bestätigten diese Beobachtungen und lieferten zusätzliche Einblicke in die wahrscheinlichen Reaktionsverläufe. Die erstmalige Modifikation an der propargylischen -CH(OEt)2-Position durch den formalen Austausch einer -OEt-Gruppe gegen alternative -R-Substituenten (-Me, -Ar und -O(CH2)nOH mit n = 2, 3) erweiterte den zugänglichen chemischen Spielraum um den Pyrrol-Ring innerhalb des Indolizin-Gerüsts und lieferte mechanistische Hinweise auf ein delokalisiertes Carbokation-Zwischenprodukt. Eine Auswahl der synthetisierten iPTEs wurde hinsichtlich ihrer zytotoxischen Aktivität gegenüber den Krebszelllinien A549, HCT116, MCF7 und MDA-MB-231 sowie der nicht-malignen Fibroblastenlinie CR9 untersucht. Verbindungen mit hydrophilen Substituenten zeigten die vielversprechendsten Profile mit ausgeprägter Zytotoxizität, Apoptose-Induktion und Hemmung des metastatischen Potenzials. Diese Ergebnisse bestätigen frühere Befunde und liefern zusätzliche Anhaltspunkte für das pharmakologische Potenzial dieser Verbindungen als Wirkstoffkandidaten. Erste Untersuchungen deuteten zudem auf die intrazelluläre Bildung von Sulfid-Ionen (S2⁻) hin. Diese Arbeit erweitert den synthetischen und mechanistischen Kenntnisstand über Indolizin-basierte Pentathiepine und unterstreicht deren Potenzial als schwefelreiche Gerüste für zukünftige pharmazeutische Entwicklungen