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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-36640
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2008/3664/


Diastereoselektive Synthese von cycloSal-Nucleotiden

Diastereoselective Synthesis of cycloSal-Nucleotides

Thomann, Jens Oliver

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SWD-Schlagwörter: Asymmetrische Synthese , Phosphorverbindungen , Nucleotide
Freie Schlagwörter (Englisch): asymmetric synthesis, phosphorus, nucleotides
Basisklassifikation: 35.52
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Meier, Chris (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.04.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 20.05.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer neuartigen asymmetrischen Synthese beschrieben, die zu diastereomerenreinen cycloSal-Prodrugs führt. Isomerenreine cycloSal-Triester sind besonders im Hinblick auf eine medizinische Anwendung, aber auch für sinnvolle Bestimmungen antiviraler Aktivitäten, Toxizitäten, Hydrolysehalbwertszeiten und Inhibitoreigenschaften substantiell.
Aufgrund der bisherigen Syntheserouten liegen die cycloSal-Nucleotide als Diastereomerengemische vor, die nur in wenigen Fällen durch HPLC-Reinigungen in die reinen Stereoisomere überführt werden konnten.

Als Ausgangspunkt diente die Darstellung enantiomerenreinen Salithions® 57 nach ETO und CASIDA. Nach Umstellung der zwei ersten Synthesestufen, konnten die Diastereomere (SC,SP)-61 und (SC,RP)-62 nicht nur in einer deutlich höheren Ausbeute (78% vs. 16%) sondern auch mit einem Überschuss an (SC,SP)-61 (~60% d.e.) synthetisiert werden.

Im ersten Teil dieser Arbeit konnte der Reaktionsmechanismus, der zur Induktion am Phosphoratom führt mittels Einkristallstrukturuntersuchungen, DFT-Rechnungen und 1H- sowie 31P-NMR-Studien aufgeklärt werden: Zuerst wird das Amidat (SC)-75 durch die Phenolatfunktion des Salicylalkohols 59 nucleophil (SN2) angegriffen. In diesem ersten Schritt wird die Stereoselektivität der Reaktion durch die Freie Enthalpie-Differenz G‡ der beiden konkurrierenden Übergangszustände festgelegt (Curtin-Hammett-Prinzip). Die Diastereoselektivität wird stärker durch sterische Effekte der Pyrrolidin-Seitenkette als durch Temperatur- oder Solvenseffekte beeinflusst, so dass mit Amidat (SC)-125 ein Diastereomerenüberschuss von 90% d.e. erzielt werden konnte.

Im zweiten Teil dieser Arbeit stand das Design eines geeigneten chiralen Auxiliars im Focus. Aufgrund der schlechten Abgangsgruppeneigenschaften von Pyrrolidin-Derivaten wurden Oxazolidinon-Abkömmlinge als chirale Auxiliare verwendet. Das Imid (SC)-187 führte zu den Aktivimiden (SC,SP)-190 and (SC,RP)-189 in 89%iger Ausbeute und 88%igem Diastereomerenüberschuss. Diese Verbindungen zeigten durch Methanolyse ihre generelle Eignung als Phosphorylierungsreagenzien, führten jedoch bei der Umsetzung mit komplexen Nucleosiden nicht zu den gewünschten Phosphattriestern. Um die Reaktivität dieser Aktivimide zu erhöhen wurde die Thiophosphoryl- (P=S) durch eine Phosphorylgruppe (P=O) ersetzt. Doch auch die Derivate (RP,RC)-203 / (SP,RC)-204 and (RP,RC)-207 / (SP,RC)-208 vermochten nicht Nucleoside zu phosphorylieren. Während der Synthese dieser Aktivimide durch (RC)-202 und (RC)-206 mit Salicylalkohol 59 konnte eine unerwartete Änderung der Diastereoselektivität in Abhängigkeit von der Lithiumchloridkonzentration beobachtet werden, die auf einen Chelateffekt zurückzuführen ist. Dieser Effekt kann es ermöglichen beide Stereoisomere abhängig von den Reaktionsbedingungen als Hauptprodukt zu erhalten.
Um ein geeignetes Phosphorylierungreagenz zu synthetisieren wurde 4-iso-Propyl-2-mercapto-2-thiazolin (SC)-221 als chirales Auxiliar verwendet. Die Aktivimide RP,SC)-224 und (SP,SC)-225 konnten in moderaten Ausbeuten aber mit hoher Diastereoselektivität (88% d.e.) erhalten werden. Nach chromatographischer Reinigung lagen die Stereoisomere isomerenrein (>95% d.e.) vor und konnten zu isomerenreinen cycloSal-Triestern umgesetzt werden (>95% d.e.).
Ein Vergleich der bisher verwendeten mit der in dieser Arbeit entwickelten Syntheseroute von cycloSal-Triestern legt deutlich das Potential dieser neuen asymmetrischen Synthese offen. Zuvor wurden cycloSal-Triester in zwei- bis dreistufigen Synthesen aus den zuvor derivatisierten Salicylalkoholen gewonnen. Dieses gelang in befriedigenden bis exzellenten Ausbeuten. Jedoch führte diese Reaktionsführung stets zu Diastereomerengemischen. Mit der asymmetrischen Syntheseroute ist es jetzt allerdings möglich, diastereomerenreine bzw. diastereomerenangereicherte cycloSal-Prodrugs in nur zwei Stufen ausgehend vom Salicylalkohol darzustellen. Die Ausbeuten reichen noch nicht an die auf dem etablierten Syntheseweg (18% - 81%) erzielten heran, sollten jedoch nach Optimierung dieses Niveau erreichen können.
Kurzfassung auf Englisch: cycloSal-phosphate triesters represent a particular class of pronucleotides. These lipophilic derivatives of various antiviral and antitumor active nucleoside analogues have been developed as intracellular delivery forms of the corresponding nucleotide analogues. Due to their synthesis cycloSal prodrugs are generally obtained as a mixture of diastereomers. Only in few cases a separation of the stereoisomers was possible. However, in these few cases the isomers show different behaviour in respect to antiviral activity, toxicity, stability and inhibitory activity. The use of cycloSal triesters, and generally of all chiral compounds, in clinical approach requires stereoisomerically pure molecules. Untill today there is no appropriate synthetic method leading to diastereomerically pure nucleoside containing phosphate triesters known.

This thesis deals with the development of a new asymmetric synthesis of cycloSal prodrugs. After changing the first two steps of the literature known synthetic route leading to enantiomerically pure insecticide salithion® 57 based on the work of ETO and CASIDA a strong stereochemical induction at the phosphorus atom in the amidates (SC,SP)-61 and (SC,RP)-62 was observed.
So, in the first part of this thesis the mechanism of the diastereoselective reaction was elaborated by x-ray structures, 1H- and 31P-NMR-studies and DFT-calculations: The reaction starts with the attack of the phenolate ion of 59 at the phosphorus atom of (SP)-75 by a SN2(P)-mechanism. In this step the stereo information at the phosphorus centre is introduced. Depending on the difference in relative energies of the transition states (Curtin-Hammett-principle) diastereoselectivity of the reaction varies. The reaction ends with the cyclisation caused by the nucleophilic attack of the second oxygen atom. Stereoselectivity is mostly influenced by the steric effects of the pyrrolidine side chain and in smaller extent by temperature and solvents polarity. A diastereomerically excess up to 90% d.e. was obtained by use of amidate (SC)-125.
Because of the poor leaving group ability of pyrrolidine derivatives the aim of the second part was the design of an ideal chiral auxiliary. Based on phosphorylating agents, described by JONES, oxazolidinone derivatives were used first. Imide (SC)-187 led to active imides (SC,SP)-190 and (SC,RP)-189 in 89% yield and 88% d.e. These compounds show in reaction with methanol generally the suitability of oxazolidinones as leaving groups, but they could not be reacted with nucleosides to the desired cycloSal triesters. Therefore, the thiophosphoryl group was changed to its oxo-analogue to enhance the reactivity. However, also the active imides (RP,RC)-203 / (SP,RC)-204 and (RP,RC)-207 / (SP,RC)-208 were not suitable as phosphorylating agents for nucleosides. While synthesizing those imides from (RC)-202 or (RC)-206 and salicylic alcohol 59 an unexpected change in diastereoselectivity occurred depending on the presence of lithium ions. Due to a chelate effect it is possible to get both imides as mayor products relying on the concentration of lithium chloride.
Nevertheless a more reactive chiral auxiliary had to be found. By using (SC)-N-Dichlorphosphoryl-4-iso-propyl-2-mercapto-2-thiazoline (SC)-223 the active imides (RP,SC)-224 and (SP,SC)-225 could be synthesised in moderate yields but with high stereoselectivity (88% d.e.). After chromatography diastereomerically pure isomers were isolated (>95% d.e.). The active imide (RP,SC)-224 was suitable to phosphorylate a nucleoside to the desired isomerically pure cycloSal-prodrug (SP)-199.
In comparison to the usually used method leading to cycloSal triesters the recently developed asymmetric synthesis of cycloSal compounds demonstrated a huge potential. Although the yields of the usually cycloSal prodrug synthesis are not reached so far, it is now possible to prepare the desired diastereomerically pure compounds in only two steps. Moreover, the chiral auxiliary is recyclable.

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