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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-68261
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6826/


cycloSal-Glycopyranosylphosphate : Ihre Darstellung sowie Anwendung als aktivierte Synthesebausteine

Huchting, Johanna

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SWD-Schlagwörter: Kohlenhydrate , Glykokonjugate , Nucleosidtriphosphate
Freie Schlagwörter (Deutsch): cycloSal , Glycosylphosphozucker , Phosphatdiester , Pyranonucleoside
Freie Schlagwörter (Englisch): cycloSal , glycosyl phosphosugar , phosphate diester , pyranonucleosides
Basisklassifikation: 35.63 , 35.52
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Meier, Chris (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.05.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 10.07.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Die Verbrückung zweier Naturstoffe über eine Phosphateinheit bildet ein weit verbreitetes Motiv in der Gruppe der biologisch relevanten Moleküle. Nicht nur in der DNA/RNA liegen Phosphatdiester-verknüpfte Glycoside vor. Eine ähnliche Substanzklasse stellen die Glycosylphosphozucker (GPS) dar. Solche Strukturen kommen bspw. in bakteriellen Zellwänden sowie auf der Oberfläche und in Sekreten von Parasiten vor. Für die Darstellung von GPS ist eine möglichst effiziente und breit anwendbare chemische Synthesemethode von großem Interesse.
Eine Möglichkeit, Phosphat-konjugierte Biomoleküle darzustellen, bietet die cycloSal-Methode. Bei dieser wird ein Monophosphat, welches durch die cyclische Veresterung mit einem akzeptorsubstituierten Salicylalkoholderivat aktiviert ist, mit einem Nucleophil umgesetzt. Auf diese Weise wird das gewünschte Konjugat erhalten ohne nach der Kupplung eine Oxidation vornehmen zu müssen.
Das Ziel der Arbeit war die Übertragung der cycloSal-Methode, die bis dahin nur für Nucleoside angewendet wurde, auf die Darstellung von Glycopyranosyl-Phosphatkonjugaten. Dazu musste zunächst eine Synthesestrategie für die mit Acetylgruppen blockierten cycloSal-Triester entwickelt werden. Um eine regioselektive Darstellung dieser an der primären OH-Gruppe der Glycopyranosen zu gewährleisten, musste die Schutzgruppenwanderung verhindert werden. Diese findet bekanntermaßen sowohl unter leicht sauren als auch unter basischen Bedingungen statt.
Erstmalig gelang die regioselektive Darstellung von cycloSal-(Glycopyranosyl-6)-phosphaten durch die Einführung der Fmoc-Schutzgruppe, deren Abspaltung in einer one-pot-Reaktion mit unmittelbar anschließender Umsetzung zu dem cycloSal-Triester realisiert wurde. Diese neue Methode zeichnet sich durch eine sehr vielfältige Anwendbarkeit aus.
Die erfolgreiche Darstellung und Isolierung verschiedener 5-NO2-cycloSal-(Glycopyranosyl-6)-phosphate in guten Ausbeuten ermöglichte im weiteren Verlauf die Synthese von 1,6 Phosphatdiester-verknüpften Disacchariden. Nach der Optimierung der Reaktionsführung sowie der chromatographischen Reinigung der Produkte wurden diese in hohen Ausbeuten erhalten. Somit wurde eine neue Methode zur Darstellung von GPS entwickelt. Diese Methode zeichnet sich besonders dadurch aus, dass nach der Kupplung keine Oxidation vorgenommen werden muss. Dies ist ein Syntheseschritt, welcher bei den literaturbekannten Synthesen, die sich hauptsächlich der H-Phosphonatchemie bedienen, ein Problem aufgrund der Tendenz zu Nebenreaktionen darstellt. Daher bildet die hier entwickelte Methode eine wichtige Alternative zu den literaturbekannten Methoden.
Ebenfalls gelang die Übertragung der gesamten Synthesestrategie auf die Darstellung eines Phosphoglycans, in dem zwei Disaccharidbausteine über einen Phosphatdiester miteinander verknüpft sind. Diese Struktur ist besonders interessant, da sie auf der Oberfläche des Leishmania-Parasiten vorkommt. Darüber hinaus konnte auf identischem Weg die Peptid-Anknüpfungsstruktur aus dem GPI-Anker, 2-Aminoethyl-(D-mannopyranosyl-6)-phosphat, erhalten werden. Diese Beispiele verdeutlichen, dass sich die in dieser Arbeit entwickelte Syntheseroute für die Darstellung einer Vielzahl verschiedener bedeutender Glycopyranosyl-Phosphatkonjugate eignet.
Eine klassische Anwendung der cycloSal-Nucleotide ist die Synthese von Nucleosid-5‘-triphosphaten. Zur Untersuchung der antiviralen Eigenschaften von Pyranonucleosiden ist die Darstellung der entsprechenden Triphosphate grundlegend. Sehr erfolgreich konnte die für die Glycopyranosen entwickelte Synthesestrategie auf die Synthese von cycloSal-(Pyranonucleosid-6‘)-phosphaten übertragen werden und lieferte folglich die Bausteine für die Synthese der Triphosphate. Bei allen literaturbekannten Methoden zur Synthese von Nucleosidtriphosphaten muss mit einem großen Überschuss an Pyrophosphat gearbeitet werden. Selbst bei einem guten Umsatz zum Triphosphat mindert die schwierige Reinigung die Ausbeute häufig enorm. Die in dieser Arbeit entwickelte neue Synthesemethodik hebt sich durch eine Art Titration des aktivierten cycloSal-(Pyranonucleosid-6‘)-phosphats mit Pyrophosphat von den bekannten Methoden ab, sodass mit einem möglichst geringen Überschuss gearbeitet werden konnte. Dadurch wurde die anschließende chromatographische Reinigung der Triphosphate entscheidend verbessert und die Pyranonucleosid-6‘-triphosphate wurden in sehr guten Ausbeuten isoliert.
In dieser Arbeit wurde erstmals erfolgreich eine Synthesestrategie für die Darstellung von cycloSal-(Glycopyranosyl)-phosphaten sowie verschiedener glycosidischer Konjugate dieser Verbindungen entwickelt. Die Beispiele für die Verwendung dieser cycloSal-Triester als Synthesebausteine für die Darstellung verschiedener Phosphatkonjugate von Glycopyranosen verdeutlichen die breite Anwendbarkeit sowie den enormen chemischen Nutzen dieser Verbindungen.
Kurzfassung auf Englisch: The linkage of two parts of a molecule via a phosphate diester is an abundant motive in nature which cannot only be found in the DNA, respectively RNA, but also in glycosyl phosphosugars for example. These structures occur in bacterial cell walls and on the surface as well as in secreted proteoglycans of parasites. There have already been first studies on the use of such structures as vaccines. For the synthesis of glycosyl phosphosugars an efficient, broadly applicable chemical method is of great interest.
The cycloSal-method has already proven to meet these requirements in the synthesis of phosphate bioconjugates such as NDPs, NTPs, NDP- and NMP-sugars. Here, the monophosphate is activated via the cyclic esterification with an acceptor-substituted saligenol derivative. This activated species can react with a nucleophile yielding the corresponding phosphate conjugate. Thus, oxidation after the coupling step is avoided.
The objective of this thesis was to transfer the cycloSal-method to the synthesis of glycopyranosyl phosphate conjugates. Since the cycloSal-method had only been applied to the conjugation of nucleotides, the successful transfer would generate new chemical findings and broaden the spectrum of possible applications of this method. First, a synthetic strategy to obtain the fully acetylated cycloSal glycopyranosyl triesters had to be developed. For the regioselective synthesis of these triesters on the primary OH-group of the glycopyranoses, a huge challenge was the literature-known acetyl group migration from the 4- to the 6-position which is known to occur under slightly acidic as well as basic conditions.
The regioselective synthesis of cycloSal-(glycopyranosyl-6)-phosphates was achieved for the first time by the introduction of the Fmoc-group which was cleaved in a one pot reaction with immediate conversion of the formed intermediate to the cycloSal triester. This new method excels by its broad applicability to various glycopyranoses and glycosides thereof.
The successful synthesis and isolation of various 5-NO2-cycloSal-(glycopyranosyl-6)-phosphates in good yields allowed for the subsequent synthesis of 1,6-phosphate diester conjugated disaccharides. After optimizing the conditions of the reaction and the chromatographic purification, the products were obtained in high yields. Hence, a new method for the synthesis of glycosyl phosphosugars has been developed. This method is especially characterized by the use of an activated P(V)-reagent, so that no oxidation is needed after the coupling step. Since most of the literature-known procedures are based on H-phosphonate chemistry, this oxidation step is necessary here and often troublesome due to side reactions. Therefore, the method developed herein represents a very good and important alternative to the literature-known methods.
In addition, the synthetic strategy was transferred to the synthesis of a phosphate diester conjugate consisting of two disaccharide blocks, as it appears on the surface of the leishmania parasite. Furthermore, 2-aminoethyl-(D-mannopyranosyl-6)-phosphate, the core structure in the GPI anchor where peptides are attached, was synthesized starting from the 5-NO2-cycloSal-(glycopyranosyl-6)-phosphate. These examples illustrate the broad applicability of the method developed in this thesis for the synthesis of various glycopyranosyl phosphate conjugates.
One of the first synthetic applications of cycloSal nucleotides was their use as activated building blocks for the synthesis of nucleoside triphosphates. The synthesis of the corresponding triphosphates is essential for studying antiviral properties of pyranonucleosides for example. The synthetic strategy, that has been developed for glycopyranoses, was transferred to the synthesis of cycloSal-(pyranonucleoside-6‘)-phosphates and thus, the activated building blocks for the reaction to the pyranonucleoside-6’-triphosphates were obtained. Then, for the synthesis of these triphosphates, fundamental changes to the standard procedure gave the triphosphates after only one RP-chromatography in very good yields and very high purities. These changes were concerning the order of addition and the use of as little pyrophosphate as possible in a “titration-like” experiment. This is a huge improvement compared to usually applied methods.
This thesis has developed a successful strategy for the synthesis of cycloSal-(glycopyranosyl-6)-phosphates as well as glycosides thereof. The described examples for their use as activated building blocks in the synthesis of various phosphate conjugates of glycopyranoses illustrate the broad applicability and their tremendous usefulness for chemical synthesis.

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