Synthesis of Reduced Metabolites of Isoflavonoids, and their Enantiomeric Forms

Isoflavonoids are naturally occurring plant derived biochemicals, which act as phytoalexins. Isoflavonoids are of interest due to their estrogenic and other potential physiological properties, particularly in mammals that typically consume isoflavonoid rich nutrients such as soy and red clover. The literature review of this thesis mainly focuses on the reduced metabolites of hydroxy and/or methoxy substituted isoflavones with four groups: isoflavan-4-ols, isoflav-3-enes, isoflavans and α-methyldeoxybenzoins (1,2-diarylpropan-1-ones), which are all reduced metabolites of food derived isoflavones in mammals. Related isoflavan-4-ones are briefly discussed. Results of an extensive survey of the literature concerning the synthesis of polyhydroxy- or methoxysubstituted isoflavonoids and especially asymmetric approaches are discussed. The experimental section describes new synthetic methods to prepare polyphenolic reduced isoflavonoid structures such as isoflav-3-enes, isoflavan-4-ones, cis- and trans-isoflavan-4-ols, 1,2-diarylpropan-1-ones and isoflavans by various hydride reagents and hydrogenations. The specific reactivity differences of various hydride reagents toward isoflavonoids are discussed. The first enantioselective synthesis of natural (S)-(-)-equol and the opposite enantiomer (R)-(+)-equol is also described by the asymmetric iridium PHOX catalysed hydrogenation of isoflav-3-enes. Both of these equol enantiomers are found to possess biological activity in mammals due to estrogen receptor binding activity. The natural enantiomer prefers estrogen receptor β and the R-enantiomer prefers the estrogen receptor α. Also the precursor, isoflav-3-ene, is found to possess positive biological effects on mammals. In connection with the synthetic work, the (S)-(-)-equol was discovered from serum of ewes after isoflavone rich red clover feeding. The chiral HPLC method was developed to identify natural equol enantiomer for the first time in this species. The first synthesis of natural isoflavonoid (R)-(-)-angolensin and its enantiomer (S)-(+)-angolensin is desribed by the use of recyclable chiral auxiliaries (chiral pseudoephedrines). The method offers a general approach also to other natural polyphenolic 1,2-diarylpropan-1-ones and to further study isoflavonoid metabolism in human and other mammals. The absolute configurations of these new chiral isoflavonoid metabolites were determined by X-ray spectroscopy. Also thorough NMR and MS analysis of synthesised structures are presented.

Isoflavonoidit ovat kasveissa esiintyviä bioaktiivisia yhdisteitä. Kasvit tuottavat niitä vastustamaan erilaisia bakteerien ja sienten aiheuttamia tauteja ja tuhohyönteisiä vastaan. Isoflavonit ovat suurin alaryhmä kasveissa esiintyvistä isoflavonoideista. Isoflavoneja on erityisen runsaasti palkokasveissa, kuten soijassa, jota käytetään erityisen runsaasti ravintona mm. Aasian maissa. Epidemiologisten tutkimusten mukaan runsaasti soijaa syövien maiden ihmisillä onkin todettu olevan huomattavasti vähemmän hormoniperäisistä taudeista, kuten tietyistä syövistä, johtuvia kuolemantapauksia verrattuna länsimaihin. Isoflavonoideilla on epäilty olevan vaikutusta myös mm. sydän- ja verisuonitautien ja mm. vaihdevuosioireiden vähentämisessä, tarjoten luonnollisen vaihtoehdon hormonikorvaushoidolle. Isoflavonien aineenvaihduntatuotteilla, kuten isoflavaaneilla ja alfa-metyylideoksibentsoiineilla, on todettu olevan vielä enemmän biologista aktiivisuutta kuin suoraan kasveista saatavilla isoflavoneilla. Ihmisistä kuitenkin vain noin 30-50% kykenee aineenvaihdunnassaan pilkkomaan ravinnosta peräisin olevia isoflavoneja aktiivisempaan muotoon näiksi pelkistetyiksi aineenvaihduntatuotteiksi, joten suurin osa ihmisistä ei tällöin hyödy kasveista saatavista isoflavoneista. Eläimillä sitä vastoin on todettu olevan lajikohtaisesti tasaisempi kyky metaboloida ravinnon isoflavoneja. On havaittu, että mm. lehmät pystyvät muuttamaan aineenvaihdunnassaan ravinnosta peräisin olevat isoflavonit lähes täysin näiksi biologisesti aktiivisemmiksi pelkistysmetaboliiteiksi, isoflavaaniksi (equoli) ja alfa-metyylideoksibentsoiiniksi (O-demetyyliangolensiini). Nämä aineenvaihduntatuotteet erittyvät mm. lehmien maitoon ja vereen. Apilaruokitut luomulehmät tuottavatkin maitoonsa runsaasti equolia, jota nauttimalla ihmiset saavat luonnollista reittiä näitä pelkistysmetaboliitteja, keinotekoisten lisäravinteiden sijaan. Tarvitaan kuitenkin vielä paljon tutkimustyötä, jotta saataisiin selville kaikki isoflavonoidien biologiset vaikutukset ihmisillä ja muillakin isoflavonipitoista ravintoa syövillä lajeilla. Tämän väitöskirjan kirjallisuuskatsaus käsittelee isoflavonijohdannaisten, erityisesti pelkistysmetaboliittien, kuten isoflavan-4-olien, isoflav-3-eenien, isoflavaanien ja alfa-metyylideoksibentsoiinien valmistusmenetelmiä. Kirjallisuudessa ei kuitenkaan löytynyt juuri lainkaan menetelmiä luonnossa esiintyvien polyfenolisten isoflavonoidien suoraan valmistukseen. Erityisesti luonnossa tyypillisille kiraalisille pelkistysmetaboliiteille ei löytynyt valmistusreittejä. Kokeellisessa osassa esitellään uusia menetelmiä, joilla pystytään valmistamaan isoflavonien pelkistysmetaboliittejä selektiivisesti. Tuloksissa esitetään mm. ensimmäinen valmistusmenetelmä luonnolliselle soijaisoflavoni daidtseiinin metaboliitille, (S)-equolille. S-equolia ja sen kaltaisia fenolisia isoflavaaneja, voidaan valmistaa hydraamalla vastaavia isoflavan-3-eenejä käyttämällä kiraalista iridium PHOX katalyyttiä. Näiden isoflavan-3-eenien valmistus kuvataan selektiivisellä isoflavonien hydridipelkistyksellä käyttäen tiettyä boorihydridiä (9-BBN). Myös ensimmäinen asymmetrinen valmistusmenetelmä polyfenoliselle alfa-metyylideoksibentsoiinille (R- ja S-angolensiini) kuvataan käyttämällä kierrätettävää kiraalista apuainetta (pseudoefedriini). Lähtöaineina ovat kiraalinen propionihappojohdannainen ja fenolinen resorsinoli. Valmistettujen kiraalisten isoflavonoidien täsmälliset rakenteet on varmistettu röntgendifraktometrisesti. Myös perusteelliset NMR ja MS analyysit esitetään. Valmistettuja isoflavonoideja käytetään vertailuaineina selvitettäessä mm. ihmisen ja eläinten veressä, maidossa tai muissa kehonosissa esiintyviä isoflavonoideja, ja tutkitaan näiden uusien yhdisteiden biologista aktiivisuutta ja mahdollisia vaikutuksia ihmisten ja tuotantoeläinten terveyteen.