Anwendungen von Rezeptoren auf Triphenylenketal-Basis

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bindung von Koffein und verwandten Oxopurinen in C¬3-symmetrischen Rezeptoren auf der Basis von Triphenylenketalen untersucht. Dabei stand vor allem die Evaluierung für eine spätere Anwendung im Vordergrund. Für die Anwendung als Chemosensor wurden mehrere optische Verfahren getestet. Die Verwendung von UV/Vis-Spektroskopie gelingt nur unter Einsatz eines elektronenarmen Konkurrenzgastes, welcher durch das stärker bindende Koffein unter Entfärbung verdrängt wird. Obwohl dieser Effekt sogar mit bloßem Auge zu erkennen ist und somit eine einfache Untersuchung ermöglichen würde, machen die besondere Reaktivität des Konkurrenzgastes und dessen geringe Affinität zum Rezeptor eine weitere Anwendung als Chemosensor für Koffein unwahrscheinlich. Den entscheidenden Durchbruch lieferte der Wechsel auf Fluoreszenzspektroskopie. Die Bindung von Gästen lässt sich mit dieser Methode direkt beobachten und für quantitative Studien nutzen. Die Signalzunahme bei Zugabe von Koffein liegt bei maximal 30%. Durch Verwendung eines vom Koffein abgeleiteten Konkurrenzgastes können weitere Verbesserungen erzielt werden. So konnte eine maximale Signaldynamik von fast 400% erzielt werden. Durch die Entwicklung eines geeigneten Probenvorbereitungsprotokolls war es möglich, mit dem fluoreszenzbasierten System einen Nachweis von Koffein an kommerziell verfügbaren Getränkeproben durchzuführen. Die Ergebnisse waren in guter Übereinstimmung mit HPLC-Kontrollexperimenten. Die Eignung von Rezeptoren auf Triphenylenketalbasis für die enantiofaciale Differenzierung an Heteroaromaten wurde durch Untersuchung verschiedener Wirt-Gast-Komplexe mittels CD-Spektroskopie und Tieftemperatur-NMR systematisch demonstriert. Rezeptoren mit Menthyl-Substituenten liefern laut NMR die stärkste Seitendifferenzierung. Anhand des CD wird ein vollständiges und schlüssiges Bild über den Zusammenhang zwischen dem Raumbedarf am Gast, der Ausrichtung der chiralen Gruppen am Wirt und dem erhaltenen CD hergestellt. Durch umfangreiche molekulardynamische Simulationen und nachfolgende semiempirische Berechnungen wurden Referenzspektren berechnet, welche die Zuordnung der Stereochemie anhand des CD eindeutig belegen. Die Ergebnisse sind zudem in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus röntgenkristallographischen Untersuchungen. (Diese Methode ließ sich erfolgreich auf die helicale Faltung von Alkanen in Kapseln von Rebek, jr. umsetzen.) Obwohl die Energieunterschiede zwischen den diastereomeren Komplexen klein sind, konnte anhand der CD-Spektroskopie somit erstmalig die enantiofaciale Differenzierung an einem heterocyclischen System bei Raumtemperatur beobachtet werden. Die beste enantiofaciale Differenzierung erzielen die Menthyl-abgeleiteten Rezeptoren. Diese sind hinsichtlich einer möglichen Anwendung als chirales „Auxiliar“ ungeeignet, da sie mit den sperrigen Cyclohexylgruppen auch den Raum oberhalb des gebundenen Gastes blockieren. Daher wird für die weitere Entwicklung auf die praktische Einführung chiraler Information in Form des Isocyanats verzichten werden müssen. Stattdessen zielen aktuelle Bemühungen auf den Aufbau chiraler Rückgrate, welche den Raum in der unteren Peripherie des Gastes beeinflussen.

Synthesis and conformational analysis of heteroaromatic atropisomeric systems

The research work reported in this Thesis was held along two main lines of research. The first and main line of research is about the synthesis of heteroaromatic compounds with increasing steric hindrance, with the aim of preparing stable atropisomers. The main tools used for the study of these dynamic systems, as described in the Introduction, are DNMR, coupled with line shape simulation and DFT calculations, aimed to the conformational analysis for the prediction of the geometries and energy barriers to the trasition states. This techniques have been applied to the research projects about: • atropisomers of arylmaleimides; • atropisomers of 4-arylpyrazolo[3,4-b]pyridines; • study of the intramolecular NO2/CO interaction in solution; • study on 2-arylpyridines. Parallel to the main project, in collaboration with other groups, the research line about determination of the absolute configuration was followed. The products, deriving form organocatalytic reactions, in many cases couldn’t be analyzed by means of X-Ray diffraction, making necessary the development of a protocol based on spectroscopic methodologies: NMR, circular dichroism and computational tools (DFT, TD-DFT) have been implemented in this scope. In this Thesis are reported the determination of the absolute configuration of: • substituted 1,2,3,4-tetrahydroquinolines; • compounds from enantioselective Friedel-Crafts alkylation-acetalization cascade of naphthols with α,β-unsaturated cyclic ketones; • substituted 3,4-annulated indoles.

Beyond simple proton transfer processes: domino reactions between 4-substituted indoles and nitroethene as a new gateway to ergot alkaloids

The multimodal biology activity of ergot alkaloids is known by humankind since middle ages. Synthetically modified ergot alkaloids are used for the treatment of various medical conditions. Despite the great progress in organic syntheses, the total synthesis of ergot alkaloids remains a great challenge due to the complexity of their polycyclic structure with multiple stereogenic centres. This project has developed a new domino reaction between indoles bearing a Michael acceptor at the 4 position and nitroethene, leading to potential ergot alkaloid precursors in highly enantioenriched form. The reaction was optimised and applied to a large variety of substrate with good results. Even if unfortunately all attempts to further modify the obtained polycyclic structure failed, it was found a reaction able to produce the diastereoisomer of the polycyclic product in excellent yields. The compounds synthetized were characterized by NMR and ESIMS analysis confirming the structure and their enantiomeric excess was determined by chiral stationary phase HPLC. The mechanism of the reaction was evaluated by DFT calculations, showing the formation of a key bicoordinated nitronate intermediate, and fully accounting for the results observed with all substrates. The relative and absolute configuration of the adducts were determined by a combination of NMR, ECD and computational methods.

Biologisch aktive Sekundärmetabolite aus Pflanzen und Pilzen : Phenanthro-Alkaloide ; phytotoxische Dioxolanone

Als Phenanthro-Alkaloide wird eine kleine Gruppe von pentacyclischen, auf dem Phenanthren-Strukturmotiv basierenden Indolizidinen sowie Chinolizidinen bezeichnet. Von Letztgenannten sind bisher fünf, von den homologen Phenanthroindolizidinen mehr als sechzig natürliche Vertreter gefunden worden. Das wohl bekannteste Alkaloid in dieser Gruppe ist das Indolizidin-Alkaloid Tylophorin, das beispielsweise aus Tylophora indica (Apocynaceae, "Hundsgiftgewächse") gewonnen werden kann. Tylophorin und verwandte Derivate besitzen potente biologische und physiologische Wirkungen. So entfalten sie sowohl antiinflammatorische als auch antineoplastische Effekte (wirksam auch bei MDR-Tumorzelllinien, MDR = "multi drug resistant").rnrnDas Ziel der vorliegenden Arbeit war es, neue Methoden zur Herstellung von Phenanthro-Alkaloiden und deren Derivaten zu entwickeln. Ausgehend von (S)-Prolin konnten sowohl (S)-(+)-Tylophorin (>99% ee) als auch ein bisher noch nicht beschriebenes Derivat, das sich durch eine deutlich geringere Lichtempfindlichkeit im Vergleich zu Tylophorin aus¬zeichnet, in 33%-iger Gesamtausbeute über neun lineare Stufen, hergestellt werden. Die Synthese von (R)-(-)-Tylophorin gelang in analoger Weise aus (R)-Prolin in 21%-iger Ausbeute (93% ee). Der Einsatz von Schutzgruppen war nicht notwendig.rnDer Schlüsselschritt ist in beiden Fällen eine Cyclisierung an eine C=N-Doppelbindung über freie Radikale, die bei der Synthese des neuen Derivats hochstereoselektiv zur Bildung des (13aS,14S) Diastereomers führt. Die Synthese von 7-Methoxycryptopleurin gelang durch eine ähnliche Synthesestrategie. rnrnZur Herstellung von Cryptopleurin ist zunächst ein neuer Syntheseweg für 9-(Hydroxymethyl)-2,3,6-trimethoxyphenanthren entwickelt worden. Dieser führt über den Aufbau eines Biphenylsystems durch palladiumkatalysierte Kreuzkupplung, eine anschließende COREY-FUCHS-Transformation und als Schlüsselschritt über eine Gold-NHC-Komplex katalysierte 6-endo-dig-Cyclisierung zum entsprechenden Phenanthren. Diese Ringschlussreaktion verläuft in gewünschter Weise regioselektiv unter Bildung des 2,3,6-trimethoxysubstituierten Phenanthrens. Die Bil¬dung des regioisomeren 2,3,8-Trimethoxyphenanthrens wird nicht beobachtet. Der Alkohol wird dann in fünf linearen Stufen (34%) in das Xanthogenat überführt, aus dem sich durch eine zweistufige Reaktionssequenz, bestehend aus einer Radikal¬cyclisierung nach ZARD und einer Reduktion mit LiAlH4 das extrem lichtempfindliche und hochtoxische Alkaloid (R)-(-)-Cryptopleurin gewinnen ließ (50%).rnNachdem beide Enantiomere und das Racemat von Tylophorin synthetisiert worden waren und zum Vergleich bereit standen, wurde Tylophorin aus Tylophora indica extrahiert. rnDie Motivation rührte unter anderem daher, dass in der bisherigen Literatur Unstimmigkeiten über das in der Natur vorkommende Enantiomer des Tylophorins herrschten. Vor Beginn dieser Arbeit ging man davon aus, dass in T. indica nur (R)-(-)-Tylophorin vorkommt und für die Diskrepanzen zwischen den berichteten Drehwerten von, aus Pflanzenmaterial isolierten und des synthetisierten Naturstoffs, dessen Zersetzung vor oder während der Messung verantwortlich ist. Dieser Effekt kann zwar auch beobachtet werden, jedoch trägt er nur in geringem Maße zur Erniederigung des Drehwertes bei. Schließlich sind Proben von synthetisiertem Tylophorin in gleichem Maße von der schnell eintretenden Oxidation des Alkaloids betroffen. Aus dem Rohextrakt ist Tylophorin durch RP-HPLC isoliert worden. Anschließend wurde die Probe mittels chiraler HPLC/MS analysiert. Durch den Vergleich mit den bereit stehenden synthetischen Proben von (R)- und (S)-Tylophorin konnte in dieser Arbeit erstmals experimentell belegt werden, dass es sich bei (−)-Tylophorin aus T. indica um ein scalemisches Gemisch im Verhältnis von 56:44 (R:S) handelt.rnrnDas Ziel dieses Teilprojektes war die Entwicklung einer Synthese für den bisher noch nicht synthetisch hergestellten phytotoxischen Sekundärmetabolit (+)-Phenguignardiasäure. Isoliert wurde diese Verbindung aus Guignardia bidwellii, dem Erreger der Schwarzfäule der Weinrebe. Die absolute Konfiguration des quartären Stereozentrums war zu Beginn dieser Arbeit nicht bekannt. Ausgehend von (R)-Phenylmilchsäure und 3-Phenylprop-2-in-1-ol gelang die Synthese beider Enantiomere des Dioxolanons in acht linearen Stufen. Sie liefert den experimentellen Beweis (ECD, Polarimetrie) für die (S)-Konfiguration von natürlicher (+)-Phenguignardiasäure.rnrn

Studien zur Totalsynthese von Monilicin und strukturverwandten Naturstoffen

Ziel dieser Arbeit war die Totalsynthese von Monilicin. Seine Chlor- und Brom-Derivate wurden aus Monilinia fructicola isoliert und zeigten fungizide Wirkung. Die Schlüsselschritte der Synthese sind der Aufbau des ε-Lakton, die Einführung der exozyklischen Carboxymethyl-Gruppe und der Einbau der Doppelbindung in das Lakton. Es wurden drei Synthesestrategien verfolgt, wobei die Bildung des Laktons über eine Veresterung erfolgen sollte.rnÜber enantioselektive Syntheseschritte sollten die reinen Enantiomere erhalten werden. Ausgehend vom Orcinol erfolgte auf allen Syntheserouten zuerst der Aufbau des 5-Hydroxy-7-methylchromon-Grundgerüstes, und anschließend dessen Funktionalisierung in den Positionen 2 und 3. Der Ringschluss zum ε-Lakton gelang über eine Steglich-Veresterung. Syntheseweg A lieferte nach der Oxidation der primären exozyklischen Alkoholgruppe und anschließender Methylierung das Dihydromonilicin. Auf dem Syntheseweg B gelang die Einführung der späteren exozyklischen Carboxymethyl-Gruppe vor der Laktonisierung. Aus der Dicarbonsäure konnte zum ersten Mal auch der Naturstoff Oxalicumon C totalsynthetisch dargestellt und seine absolute Konfiguration aufgeklärt werden. Nach selektiver Hydrolyse konnte aus Oxalicumon C ebenfalls das Dihydromonilicin synthetisiert werden. Die Darstellung von Monilicin durch Einführung der Doppelbindung in das Dihydromonilicin oder bereits vor der Laktonisierung (Syntheseweg C) konnte nicht erreicht werden. Einige der Chromon-Derivate zeigten fungizide und zytotoxische Aktivitäten. rn

Synthesis and dynamic study of atropisomeric compounds containing boron-carbon bond

In this thesis we studied the stereodynamic behavior of 1,2-azaborines variously substituted on boron (7a, 7b, 13). Depending on the hindrance of the asymmetric aryl substituent the resulting conformations could be stereolabile or configurationally stable. Through dynamic NMR and lineshape simulation, the energy rotational barriers of the different conformers are obtained. When the barrier is higher than 22-23 kcal/mol stable atropisomers that are fisically separable could be obtained (case of compound 13) and the free activation energy barrier is determinable by kinetic analysis. Absolute configuration of two atropisomers were assigned by comparison between computational calculations and experimental ECD. Isosteric compound 21 is then synthesized in order to compare the rotational barrier around B-Caryl with the one around Cnaphth-Caryl bond.

Total Synthesis of Aignopsanes, A Class of Sesquiterpenes: (+)-Aignopsanoic Acid A, (−)-Methyl Aignopsanoate A, and (−)-Isoaignopsanoic A

A general strategy for the synthesis of aignopsanes, a new family of sesquiterpene natural products of marine origin, is presented. The total synthesis of (+)-aignopsanoic acid A (1), (−)-methyl aignopsanoate A (2), and (−)-isoaignopsanoic A (3) has been achieved and their absolute configuration confirmed. (+)-Microcionin-1 (4), a structurally related furanosesquiterpene isolated in both enantiomeric forms from marine sponges, was also synthesized and its absolute configuration established in an unambiguous way. Interestingly, we report that (+)-microcionin-1 (4), can be converted by a simple oxidation process to aignopsanoic acid A (1). This transformation supports the hypothesis that (+)-microcionin-1 (4) may be an intermediate in the biosynthesis of aignopsanes.

Polyazamacrolides from ladybird beetles: Ring-size selective oligomerization

The pupal defensive secretion of the 24-pointed ladybird beetle, Subcoccinella vigintiquatuorpunctata, consists of a mixture of macrocyclic polyamines, dominated by the three dimeric, 30-membered macrocycles 11-13, derived from the two building blocks 11-(2-hydoxyethylamino)-5-tetradecenoic acid (9) and 11-(2-hydoxyethylamino)-5,8-tetradecadienoic acid (10). Smaller amounts of the four possible cyclic trimers of 9 and 10 were also detected, corresponding to 45-membered macrocycles. Structural assignments were based on NMR-spectroscopic investigations and HPLC–MS analyses. In addition, the all-S absolute configuration of the S. vigintiquatuorpunctata macrocycles was determined by comparison of derivatives of the natural material with enantiomerically pure synthetic samples. Comparing this alkaloid mixture with that of the pupal defensive secretion in related ladybird beetle species indicates that the degree of oligomerization of the 2-hydroxyethylamino carboxylic acid building blocks can be carefully controlled by the insects.

(+)-Germacrene A Biosynthesis : The Committed Step in the Biosynthesis of Bitter Sesquiterpene Lactones in Chicory

The leaves and especially the roots of chicory (Cichorium intybus L.) contain high concentrations of bitter sesquiterpene lactones such as the guianolides lactupicrin, lactucin, and 8-deoxylactucin. Eudesmanolides and germacranolides are present in smaller amounts. Their postulated biosynthesis through the mevalonate-farnesyl diphosphate-germacradiene pathway has now been confirmed by the isolation of a (+)-germacrene A synthase from chicory roots. This sesquiterpene cyclase was purified 200-fold using a combination of anion-exchange and dye-ligand chromatography. It has a Km value of 6.6 μm, an estimated molecular mass of 54 kD, and a (broad) pH optimum around 6.7. Germacrene A, the enzymatic product, proved to be much more stable than reported in literature. Its heat-induced Cope rearrangement into (−)-β-elemene was utilized to determine its absolute configuration on an enantioselective gas chromatography column. To our knowledge, until now in sesquiterpene biosynthesis, germacrene A has only been reported as an (postulated) enzyme-bound intermediate, which, instead of being released, is subjected to additional cyclization(s) by the same enzyme that generated it from farnesyl diphosphate. However, in chicory germacrene A is released from the sesquiterpene cyclase. Apparently, subsequent oxidations and/or glucosylation of the germacrane skeleton, together with a germacrene cyclase, determine whether guaiane- or eudesmane-type sesquiterpene lactones are produced.

Synthesis of γ-, δ-, and ε-Lactams by Asymmetric Transfer Hydrogenation of N-(tert-Butylsulfinyl)iminoesters

Highly enantiomerically enriched γ- and δ-lactams have been prepared by a simple and very efficient procedure that involves the asymmetric transfer hydrogenation of N-(tert-butylsulfinyl)iminoesters followed by desulfinylation of the nitrogen atom and spontaneous cyclization to the desired lactams during the basic workup procedure. Five- and six-membered ring lactams bearing aromatic, heteroaromatic, and aliphatic substituents have been obtained in very high yields and ee’s up to >99%. A slight modification of the procedure also allowed the preparation of ε-lactams in good yields and very high enantioselectivities. Both enantiomers of the final lactams could be prepared with equal efficiency by changing the absolute configuration of the sulfinyl chiral auxiliary.

Synthesis of Nitrogenated Heterocycles by Asymmetric Transfer Hydrogenation of N-(tert-Butylsulfinyl)haloimines

Highly optically enriched, protected, nitrogenated heterocycles with different ring sizes have been synthesized by a very efficient methodology consisting of the asymmetric transfer hydrogenation of N-(tert-butylsulfinyl)haloimines followed by treatment with a base to promote an intramolecular nucleophilic substitution process. N-Protected aziridines, pyrrolidines, piperidines, and azepanes bearing aromatic, heteroaromatic, and aliphatic substituents have been obtained in very high yields and diastereomeric ratios up to >99:1. The free heterocycles can be easily obtained by a simple and mild desulfinylation procedure. Both enantiomers of the free heterocycles can be prepared with the same good results by changing the absolute configuration of the sulfur atom of the sulfinyl group.

Binap-silver-catalyzed enantioselective multicomponent 1,3-dipolar cycloaddition of azomethines ylides derived from ethyl glyoxylate

The enantioselective binap–silver catalyzed multicomponent 1,3-dipolar cycloaddition using ethyl glyoxylate, phenylalanine ethyl ester, and maleimides is described. The employment of basic silver carbonate allows the reaction to take place in the absence of an extra base giving high yields and ee. In addition, low-level calculations regarding the importance of the benzyl substituent at the α-position of the amino ester justify the expected absolute configuration of the final cycloadducts and the observed high enantiodiscrimination.

Enantioselective Synthesis of Polysubstituted Spiro-nitroprolinates Mediated by a (R,R)-Me-DuPhos·AgF-Catalyzed 1,3-Dipolar Cycloaddition

The synthesis of constrained spirocycles is achieved effectively by means of 1,3-dipolar cyclodditions employing α-imino γ-lactones as azomethine ylide precursors and nitroalkenes as dipolarophiles. The complex formed by (R,R)-Me-DuPhos 18 and AgF is the most efficient bifunctional catalyst. Final spiro-nitroprolinates cycloadducts are obtained in good to moderate yields and both high diastereo- and enantioselectivities. Density functional theory (DFT) calculations supported the expected absolute configuration as well as other stereochemical parameters.

Carbon-carbon bond cleavage by cytochrome P450Biol (CYP107H1)

Cytochrome P450(Biol) (CYP107H1) is believed to supply pimelic acid equivalents for biotin biosynthesis in Bacillus subtilis: we report here that the mechanistic pathway adopted by this multifunctional P450 for the in-chain cleavage of fatty acids is via consecutive formation of alcohol and threo-diol intermediates, with the likely absolute configuration of the intermediates also reported.

X-ray crystallographic and theoretical studies of an anticonvulsant enaminone:methyl 4-(4'-bromophenyl)amino-6-methyl-2-oxocyclohex-3-en-1-oate

Objective: The aims of this study were to establish the structure of the potent anticonvulsant enaminone methyl 4-(4′-bromophenyl)amino-6-methyl-2- oxocyclohex-3-en-1-oate (E139), and to determine the energetically preferred conformation of the molecule, which is responsible for the biological activity. Materials and Methods: The structure of the molecule was determined by X-ray crystallography. Theoretical ab initio calculations with different basis sets were used to compare the energies of the different enantiomers and to other structurally related compounds. Results: The X-ray crystal structure revealed two independent molecules of E139, both with absolute configuration C11(S), C12(R), and their inverse. Ab initio calculations with the 6-31G, 3-21G and STO-3G basis sets confirmed that the C11(S), C12(R) enantiomer with both substituents equatorial had the lowest energy. Compared to relevant crystal structures, the geometry of the theoretical structures shows a longer C-N and shorter C=O distance with more cyclohexene ring puckering in the isolated molecule. Conclusion: Based on a pharmacophoric model it is suggested that the enaminone system HN-C=C-C=O and the 4-bromophenyl group in E139 are necessary to confer anticonvulsant property that could lead to the design of new and improved anticonvulsant agents. Copyright © 2003 S. Karger AG, Basel.