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Titel: Selektive Funktionalisierung von Ketoheptosen zur medizinischen Anwendung sowie Neue Methoden zur Darstellung von Glucuronsäure
Sonstige Titel: Selective functionalization of ketoheptoses for medical applications as well as New methods for the snythesis of glucuronic acid
Sprache: Deutsch
Autor*in: Jacobsen, Anna
Schlagwörter: Ketoheptosen; Mannoheptulose
GND-Schlagwörter: Glucuronsäure; Kohlenhydrate
Erscheinungsdatum: 2016
Tag der mündlichen Prüfung: 2016-04-01
Zusammenfassung: 
Im ersten Teil dieser Arbeit geht es um die selektive Funktionalisierung und Möglichkeiten der medizinischen Anwendung von Ketoheptosen. Dieses sind Monosaccharide, die in der Natur nur selten vorkommen und teilweise diabetogene Eigenschaften aufweisen. Die Ketoheptosen D-manno-Heptulose (6), D-gluco-Heptulose (7) und L-galacto-Heptulose sind in der Lage die Insulinsekretion im Organismus durch Inhibition des Enzyms Glucokinase zu senken. Die selektive Aufnahme über GLUT2 in β- und Leberzellen und die Anreicherung in diesen durch eingeschränkte Metabolisierung machen aus diesen Ketoheptosen interessante mögliche Instrumente in der Diabetes-Diagnostik und -Forschung durch Visualisierung der β-Zellen in der molekularen Bildgebung.
Die Synthese von Ketoheptosen läuft günstig nach dem beschriebenen, von Waschke entwickelten Weg ab. Dieser beinhaltet die Oxidation der entsprechenden Aldohexose zum Lacton, eine anschließende Kettenverlängerung an C-1 zum Exoglycal und eine nachfolgende Bishydroxylierung des Glycals. Durch Abwandlungen dieser Syntheseroute ist es möglich die Ketoheptosen selektiv zu funktionalisieren.
Für die Einführung einer Aminofunktion an der C-3-Position der manno-Heptulose gibt es die Möglichkeit dieses vor oder nach der Methylenierung vorzunehmen. Da eine Azid- sowie eine als Sulfonamid geschützte Aminofunktion mit dem Methylenierungreagenz (21, Petasis Reagenz) reagierten, konnte auf diesem Weg keine oder eine nur in geringe Methylenierung erreicht werden. Deswegen wurde eine alternative Route entwickelt, in welcher die Einführung der Aminogruppe erst nach der Methylenierung mit einer aufwendigen Schutzgruppenchemie durchgeführt wurde. Dadurch konnte erfolgreich ein 3-Amino-Derivat (66) der D-manno-Heptulose (6) synthetisiert werden. Dieses Derivat wurde darüber hinaus mit einem Linker 68 gekoppelt um so die STZ-ähnliche Verbindung 70 erhalten, welche für eine weitere Kopplung mit einem detektierbaren Marker zur Verfügung stehen könnte.
Um die Möglichkeit einer Visualisierung von β-Zellen zu untersuchen, wurde ein manno-Heptulose-Derivat (75) mit einem Spacer dargestellt und mit dem Fluoreszenzfarbstoff ATTO 647N gekoppelt. Dieses fluoreszenzmarkierte Heptulosid (77) konnte anschließend erfolgreich β-Zellen sowohl in vitro als auch in vivo markieren und sichtbar machen.
Außerdem wurde 3-Desoxy-3-fluor-manno-heptulose (784) durch Fluorierung mit Selectfluor hergestellt und für biologische Untersuchungen Kooperationspartnern zur Verfügung gestellt.
In einem weiteren Kooperationsprojekt war eine Tosyl-manno-heptulose zu synthetisieren, deren anschließende Substitution mit radioaktivem [18F] zu PET-nachweisfähigen Derivaten führen sollte. Dazu wurde 1,7-Di-O-(4-methylbenzylsulfonyl)-D-manno-heptulose (85) dargestellt. Vor dem Versuch der radioaktiven Markierung mit [18F] (87) konnte diese erfolgreich „kalt“ mit [19F] (88) durchgeführt werden.
Einen weiteren Fluoreszenzmarker stellen Quantendots dar. Diese können mit glycofunktionalisierten Polymeren verkapselt und somit funktionalisiert werden. In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Weller wurden verschiedene glycofunktionalisierte Nanopartikel hergestellt und mit anderen Monosacchariden auf ihre Bindung an das Lectin Con A mittels SPR untersucht. Dabei konnte vor allem bei dem MH-NP (93) eine deutlich stärkere, auf Multivalenz hindeutende Bindung beobachtet werden.
In einem weiteren Teil der Arbeit lag der Fokus auf neuen Möglichkeiten zur Darstellung von Glucuronsäure. Sie spielt unter anderem eine wichtige Rolle im Metabolismus von Fremdstoffen. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts wurden immer wieder Versuche unternommen, Glucuronsäure durch Oxidation verschiedener Ausgangsmaterialien wie Glucose oder Stärke herzustellen. Dies ist jedoch nur bedingt gelungen, und gerade die großtechnische Herstellung stellt ein immer noch Problem dar.
Um Glucose an C-6 oxidieren zu können, muss zunächst das anomere Kohlenstoffatom vor einer Oxidation geschützt werden. Dazu wurden verschieden Vorläuferverbindungen hergestellt [Allyl (111/112)- und Thioglucoside (108)] bzw. kommerziell erworben [Glucose-1-phosphat (96)]. Zur Oxidation wurden verschiedene Möglichkeiten getestet. Die besten Resultate wurden mit den Platin-Katalysatoren ESCAT 24 und 4%Pd+1%Pt+5%Bi erzielt. Die Entschützung erfolgte entweder enzymatisch mit alkalischer Phosphatase [α D Glucopyranosuronsäure-1-phosphat (105) oder durch Deallylierung mit Palladiumchlorid in Wasser/Essigsäure [Allyl-α/β-D-glucopyranosidunronsäure (115/116)].

The first part of this work deals with the selective functionalization of ketoheptoses and their potential in medicinal application. Ketoheptoses are rare monosaccharides in Nature, and some of them have diabetogenic properties. D-manno-Heptulose (6), D-gluco-heptulose (7) and L-galacto-heptulose are able to decrease the secretion of insulin by inhibition of the enzyme glucokinase. Selective transport into hepatocytes and β-cells by GLUT2 and decreased metabolism leads to accumulation in these cells. Thus making these ketoheptoses interesting components for research and diagnosis of diabetes through visualization of β-cells in molecular imaging.
Ketoheptoses can be synthesized employing the route developed and described by Waschke. The key steps of this route are oxidation of the corresponding aldohexose to the lactone, subsequent chain elongation at C-1 to the exoglycal and bishydroxylation. Modifications of this route allow further selective functionalization.
The implementation of the aminofuntion at C-3 can be done prior or post methylenation with the Petasis reagent. Attempts of using an azido or sulfonamide-protected amino function lead to no or very little methylenation due to interactions between the nitrogen and the Petasis reagent. Therefore an alternative route with implementation of the amino function after chain elongation and complex chemistry of protecting groups was developed. This resulted in a successful synthesis of the 3-amino-derivative (66) of D-manno-heptulose (6). Furthermore, the derivative 66 was coupled to spacer 68 to obtain the STZ-analogue 70. This available material allows for additional couplings with other detectable markers for molecular imaging.
For the visualization of β-cells a manno-heptulose-derivative (75) with a spacer was synthezied and afterwards coupled with the fluorescence dye ATTO 647N. This fluorescence labelled heptuloside (77) was successfully used to mark β-cells both in vitro and in vivo.
Furthermore 3-deoxy-3-fluoro-manno-heptulose (84) was synthesized by fluorination with Selectfluor and shipped to cooperation partners for biological testings.
Another cooperative project was the synthesis of ditosyl-manno-heptulose for the following substitution with radioactive [18F]. In this case 1,7-di-O-(4-methylbenzenesulfonyl)-D-manno-heptulose (85) was prepared. Before radioactive labelling the substitution reaction was successfully carried out “cold” with [19F] to obtain 88.
Other fluorescence markers could be quantum dots. These can be encapsulated with glycofunctionalized polymers. In a collaboration with the Weller research group various glycofunctionalized QDs were prepared and among other monosaccharides tested for their binding to the lectin Con A via SPR. Especially the MH-NP (93) showed a high binding affinity which indicates multi valency interactions.
The second part of this work focuses on new pathways for the synthesis of glucuronic acid. Glucuronic acid is the uronic acid of glucose, which among other functions plays a major role in the metabolism of foreign substances. Since the middle of the twentieth century attempts have been made to prepare glucuronic acid by oxidation of several raw materials. This has only been partly successful and especially the large scale production is still difficult.
For the oxidation of glucose at C-6, the anomeric C-1 has to be protected. Several precursor compounds were produced [allyl (111/112)- and thioglucosides (108)] or purchased [glucose 1-phosphate (96)] respectively. For the oxidation different methods were tested. The best results could be achieved with the platinum catalysts ESCAT 24 and 4%Pd+1%Pt+5%Bi. The deprotection was either carried with enzymatic with alkaline phosphatase [α D glucopyranose uronic acid-1-phosphate (105)] or by deallylation with palladium chloride in water/acetic acid [allyl-α/β-D-glucopyranosidunronsäure (115/116)].
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6843
URN: urn:nbn:de:gbv:18-80313
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Thiem, Joachim (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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