Neue Synthese phosphorylierter Biokonjugate aus cycloSal-aktivierten Nucleotiden

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde eine methodisch neue Syntheseroute zur Darstellung phosphorylierter Biokonjugate ausgehend von cycloSal-aktivierten Nucleotiden beschrieben.

Nachdem sich herausgestellt hatte, dass cycloSal-Nucleotide nicht ausschließlich als maskierte Wirkstoffvorläufer mit bestimmten biologischen Aktivitäten Verwendung finden, sondern sich ebenfalls als Synthesebausteine eignen, wenn reaktive Phosphatdonatoren benötigt werden, sollte im Rahmen der vorliegenden Arbeit das Anwendungsspektrum von cycloSal-Phosphataktivestern auf die Synthese verschiedenster phosphatverbrückter Nucleosid-Biokonjugate ausgeweitet werden. Um cycloSal-Nucleotide jedoch synthetisch als Phosphorsäureaktivester nutzen zu können, müssen die Umsetzungen der verschiedenen Nucleophile mit stark Acceptor-substituierten cycloSal-Verbindungen (z.B. 5-Nitro) erfolgen. Da das in der Arbeitsgruppe etablierte Syntheseprotokoll zur Darstellung der Donor- bzw. schwach Acceptor-substituierten cycloSal-Nucleotide für die sehr reaktiven Nitrophosphattriester jedoch keinen zuverlässigen Zugang erlaubt, musste zunächst ein effizienter und reproduzierbarer Ansatz zur Synthese dieser stark Acceptor-substituierten cycloSal-Nucleotide entwickelt werden. Der Wechsel des Oxidationsmittels brachte schließlich den gewünschten Erfolg. Die Oxidation der 5 NO2-cycloSal-Phosphittriester mit Oxone® lieferte die gewünschten P(V) Verbindnungen in sehr guten Ausbeuten von durchschnittlich über 80%. Zur Darstellung der Zielverbindungen wurden die entsprechenden 5-Nitro-cycloSal-Phosphataktivester mit den jeweiligen Nucleophilen zur Reaktion gebracht. In diesem Zusammenhang erfolgte zunächst eine Ausweitung der Methode auf die Synthese verschiedener natürlicher Nucleosid-5’-di- und -triphosphate sowie einiger Analoga. Für eine ertragreichere Umsetzung wurde das ursprüngliche Syntheseprotokoll nochmals überarbeitet. Die gewünschten Produkte 1, 15, 80-86 konnten daraufhin in Ausbeuten zwischen 40% und 83% erfolgreich isoliert werden. Des Weiteren wurden erstmals ausgehend von cycloSal-Phosphataktivestern verschiedene Dinucleosid-5’,5’-di- -tri- und –tetraphosphate synthetisiert. Die Umsetzung der entsprechenden Nucleosidmono- -di- und -triphosphate mit den 5 Nitro-cycloSal-Phosphattriestern richtete sich im Wesentlichen nach den Erfahrungen, die bei den Synthesen der N(D)TPs gemacht wurden. Die gewünschten Dinucleosidoligophosphate 3, 4, 88, 89, 121 wurden auf diesem Weg in Ausbeuten zwischen 40% und 60% erhalten. In den meisten Fällen konnten die Ausbeuteverluste mit der Bildung eines unerwünschten phosphorhaltigen Nebenproduktes erklärt werden, dessen Ursprung jedoch abschließend nicht aufgeklärt werden konnte. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden zum ersten Mal verschiedene Nucleosidmonophosphat-Pyranosen durch Reaktion der entsprechenden Glycosyl-1-oxide mit cycloSal-Phosphattriestern dargestellt. Beste Ergebnisse wurden in diesem Zusammenhang durch Verwendung von Natriumhydrid als Base erzielt. Die entsprechenden Nucleosidmonophosphatglycopyranosen 135-138 wurden nach Optimierung der Reaktionsbedingungen in sehr zufriedenstellenden Ausbeuten bis zu 80% erhalten. Abschließend sollten die gewonnenen Erkenntnisse auf die Synthese des biologisch relevanten Sialinsäuredonors, CMP-N-Acetylneuraminsäure 8, übertragen werden. Da N-Acetyl-Neuraminsäure jedoch aufgrund der strukturellen Besonderheit im Vergleich zu einfacheren Zuckern ein abweichendes chemisches Verhalten sowie Unterschiede bezüglich ihrer Stabilität aufweisen, mussten die Reaktionsbedingungen zur erfolgreichen Synthese dieses Zuckernucleotids zunächst angepasst werden. Aufgrund von Schwierigkeiten bezüglich der Entschützung des gewünschten Produktes wurde auf diesem Weg letztlich lediglich CMP-N-Acetylneuraminsäureamid 147 in einer Ausbeute von 20% isoliert. Dieses Resultat kann dennoch als Erfolg gewertet werden, da es belegt, dass cycloSal-Nucleotide prinzipiell auch für die Synthese komplizierter Glycopyranosyl-Nucleotide, wie CMP-N-Acetylneuraminsäure 8, verwendet werden können.

Insgesamt konnte in dieser Arbeit anhand von verschiedenen Beispielen demonstriert werden, dass mit 5-Nitro-substituierten cycloSal-Nucleotiden ein vielseitig verwendbarer Synthesebaustein existiert, der aufgrund seiner hohen Reaktivität mit einer Reihe unterschiedlicher Nucleophile sehr schnell und effizient die jeweiligen Produkte liefert.

The thesis in hand describes a methodically new synthetic route towards phosphate bridged bioconjugates starting from 5-nitro-cycloSal-activated nucleosides.

As it turned out that cycloSal-nucleotids can not only be used as prodrugs to deliver antiviral active nucleotides into cells, but also serve as chemical synthons of active esters of nucleotides, the aim of this work was to extent the range of application of cycloSal-nucleotides towards the synthesis of various phosphate bridged nucleoside bioconjugates For a fast and efficient reaction it is important to apply strong acceptor substituted cycloSal-nucleotides (5-NO2) in order to increase the electrophilic properties of the phosphorous atom. However, the highly reactive and moisture sensitive 5-nitro-compounds could not be reliably synthesized using the standard procedure reported and always used before for donor- and weak acceptor-substituted triesters. Therefore an initial aim was to find an efficient route to these strong acceptor substituted cycloSal-nucleotides. The application of oxone® as an oxidizing agent was finally successful. Oxidation of the 5-nitro-substituted P(III)-triesters with oxone® proceeded in very good yields of more than 80%. For the preparation of the target molecules the 5-nitro-substituted cycloSal-nucleotides were reacted with the different nucleophiles. In this context the method was first expanded to the synthesis of various natural nucleoside di- and triphosphates as well as of some analogues. After reworking the primary protocol the desired products 1, 15, 80-85 were obtained with yields between 40% and 83%. Additionally, the cycloSal-approach was successfully used for the synthesis of different dinucleoside-5’,5’-di-, -tri- and –tetraphosphates for the first time. The reactions of the corresponding nucleoside mono-, di- and triphosphates with the cycloSal-nucleotides were basically complied with the experiences made during the N(D)TP syntheses. The desired dinucleoside oligophosphates 3, 4, 88, 89, 121 were successfully obtained on this way with yields between 40% and 60% In most cases losses of yield could be explained by the formation of an unknown phosphate-containing byproduct. The last part of this thesis deals with the successful preparation of nucleoside monophosphate sugars based on cycloSal-phosphate active esters. Best results were obtained using sodium hydride as a base. The corresponding NMP-glycopyranoses 135-138 were obtained in very good yields up to 80% after optimization. Ultimately, the gained insights should be transferred to the synthesis of CMP-Neu5Ac 8. Since N-acetyl neuramic acid shows different chemical behavior and stabilities compared to simpler sugars, the reaction conditions had to be adjusted first. Since problems occurred concerning the final deprotection of 8 only the acid amide of CMP-Neu5Ac was obtained in about 20% yield. Nevertheless this result can be seen as a success, because it proves that cycloSal-nucleotides can be in principle used for the synthesis of more complex sugar nucleotides, too.

In conclusion, the thesis in hand demonstrates that 5-nitro-substituated cycloSal-nucleotides are widely applicable chemical synthons that undergo effective, fast and reliable coupling with various nucleophiles yielding the corresponding phosphorylated biomolecules.