Enantioselektive Organokatalyse in Epoxidierungen und Cyanhydrinbildungen

In der vorliegenden Arbeit mit dem Titel „Enantioselektive Organokatalyse in Epoxidierungen und Cyanhydrinbildungen“ wurde die Synthese zweier Cyclophan-carbaldimine durchgeführt. Beide Verbindungen bestehen aus einem Glykosyl-Baustein und einem Paracyclophan-Baustein, die über eine Imin-Bindung verbrückt sind. Die Cyclophan-carbaldimine wurden dann als Katalysatoren in einer Reihe von enantioselektiven Reaktionen verwendet. Enantioselektive Reaktionen bilden von zwei spiegelbildlichen Produkten stets eines im Überschuss. Zu diesen Reaktionen zählen die in dieser Arbeit durchgeführten enantioselektiven Epoxidierungen und enantioselektiven Cyanhydrinsynthesen. Die enantioselektiven Epoxidierungen waren dabei als Teil der Totalsynthesen der Naturstoffe Dasyscyphin D und Caripyrin geplant. Diese beiden Naturstoffe zeigten in biologischen Tests am Institut für Biotechnologie und Wirkstoffforschung (IBWF) in Kaiserslautern Aktivität gegen den Reisbrand-Pilz Magnaporthe grisea, der für Ernteverluste in beträchtlichem Ausmaß verantwortlich ist. Das Caripyrin selbst beinhaltet eine Epoxidstruktur. Mittels der oben angeführten Katalysatoren wurde versucht, diese Epoxidstruktur selektiv einzuführen. Dies gelang nicht, aber der Naturstoff konnte mittels Epoxidierung durch m-Chlorperbenzoesäure erstmals dargestellt werden. In mehreren biologischen Vergleichstests am IBWF Kaiserslautern zeigte auch das synthetische Caripyrin mit dem natürlichen Caripyrin vergleichbare biologische Aktivität.rnDas Dasyscyphin D an sich trägt keine Epoxidfunktion. Dennoch spielt sie auch hier eine wichtige Rolle. Innerhalb der geplanten Totalsynthese von Dasyscyphin D sollte die Farnesylseitenkette eines aromatischen Ringes selektiv epoxidiert werden. Durch einen elektrophilen Angriff an dieses Epoxid sollte im Anschluss eine Cyclisierung zum Dasyscyphin-Grundgerüst eingeleitet werden, aus dem dann Dasyscyphin D dargestellt werden sollte. Im Gegensatz zur Caripyrin-Synthese, bei der die selektive Epoxidierung nicht gelang, scheint sie in der Synthese von Dasyscyphin D sattgefunden zu haben, allerdings ist eine Isolierung des Reaktionsproduktes noch nicht gelungen. Folglich konnte das Dasyscyphin D noch nicht erfolgreich synthetisiert werden.rnDie Versuche zur enantioselektiven Cyanhydrin-Synthese waren nicht Bestandteil einer Totalsynthese. Die Cyanhydrine wurden zuerst als Racemate synthetisiert und gaschromatographisch vermessen, um auf diese Weise die exakten Retentionszeiten der einzelnen Enantiomere zu ermitteln. Anschließend wurden die Cyanhydrine dann enantioselektiv dargestellt und ebenfalls gaschromatographisch vermessen. Durch den Vergleich mit den racemischen Cyanhydrinen konnte dabei direkt aus der Reaktionslösung gemessen werden, was erforderlich war, da eine Isolierung der Cyanhydrine unter den gewählten Reaktionsbedingen nicht gelang. Aus den gaschromatographischen Messungen konnten Enantiomerenüberschüsse von bis zu 95 % ermittelt werden. Weiterhin ergaben die Messungen, dass der Arabinosyl-Katalysator im Vergleich mit dem Galactosyl-Katalysator eine geringere Enantioselektivität induziert, was vermutlich auf leichte räumliche Differenzen der beiden Katalysatoren zurückzuführen ist. Ein weiteres wichtiges Ergebnis war, dass beide Katalysatoren, wie geplant, unterschiedliche Enantiomere im Überschuss bilden. Die Glykosyl- und Paracyclophan-Bausteine der beiden Katalysatoren waren so gewählt worden, dass beide Katalysatoren pseudo-Enantiomere bilden. Auf diese Weise sollte eine Einflussnahme auf das gebildete Enantiomer durch die Wahl des entsprechenden Cyclophan-carbaldimin-Katalysators möglich gemacht werden, was, wie bereits erwähnt, gelang.rn

Synthese cyclischer Peptide und von Kohlenhydraten abgeleitete Katalysatoren zur enantioselektiven Darstellung von Cyanhydrinen

Der Suche nach neuen Wirkstoffen für den chemischen Pflanzenschutz kommt insbesondere vor dem Hintergrund der steigenden Weltbevölkerung und weniger zur Verfügung stehenden kulturfähigen Ackerflächen eine stetig wachsende Bedeutung zu. Ziel dieser Arbeit war die Synthese von cyclischen Peptiden und Depsipeptiden, die aufgrund ihrer biologischen Aktivität als potentielle Insektizide für den chemischen Pflanzenschutz in Frage kommen. Darüber hinaus sollten von Kohlenhydraten abgeleitete Katalysatoren zur enantioselektiven Cyanhydrinsynthese entwickelt werden, um einen leichten Zugang zu den Bausteinen der Depsipeptide zu ermöglichen. Als vielversprechender Naturstoff mit insektiziden Eigenschaften gilt das cyclische Pentapeptid Cycloaspeptid E, dessen Totalsynthese in 10 Stufen mit einer Gesamtausbeute von 25% erreicht wurde, sodass die Verbindung für biologische Tests bereitgestellt werden konnte. Zusätzlich gelang die Kristallisation der Verbindung, was eine Röntgenstrukturanalyse ermöglichte. Ein Derivat von Cycloaspeptid E sollte 2-Aminonicotinsäure anstelle von Anthranilsäure enthalten. Die Synthese dieser Verbindung wurde auf drei Wegen versucht. Dabei zeigte sich, dass es bei einer zur Totalsynthese des Naturstoffs analogen Strategie zur quantitativen Bildung eines Diketopiperazins kommt. Auf den anderen Routen ließ sich entweder ein Kupplungsschritt nicht realisieren, oder die Verbindung erwies sich unter den gewählten Bedingungen als instabil. Die Darstellung eines 2-Aminonicotinsäure-Derivats von Cycloaspeptid E bleibt daher weiterhin ein ungelöstes Problem, das weiterer Forschung bedarf. Verticilid A1 ist ein cyclisches Depsipeptid, das aufgrund seiner Bindungsfähigkeit an den Ryanodinrezeptor von Insekten, als Leitstruktur für die Suche nach neuen Insektiziden von Interesse ist. Um zu untersuchen, wie wichtig die Esterbindungen im Molekül für die biologische Aktivität sind, sollte das entsprechende Amid-Derivat und das Cyclodepsipeptid mit nur zwei statt vier Esterbindungen hergestellt werden. Hierbei zeigte sich, dass eine zur Darstellung von Verticilid A1 analoge Syntheseroute zu einer ausgeprägten Epimerisierung führt. Eine lineare Synthese der Derivate endet in der Bildung des Diketopiperazins. Weiterhin wurden zwei neue, zueinander pseudoenantiomere Vanadium(IV)-Katalysatoren auf Basis von D-Glucose einerseits und L-Xylose andererseits dargestellt. Diese lassen sich in fünf bzw. 14 Stufen synthetisieren und liefern in der enantioselektiven Katalyse von Mandelsäurenitril Enantiomerenüberschüsse von 89% bzw. 91% bei hohen Ausbeuten. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass im Rahmen dieser Arbeit die Totalsynthese von Cycloaspeptid E erfolgreich durchgeführt wurde, und die Syntheseversuche von weiteren cyclischen Peptiden wichtige Erkenntnisse für weitere Synthesen lieferten. Mit den beiden hergestellten Vanadium(IV)-Komplexen wurden zwei potente, auf Kohlenhydraten basierende Katalysatoren für die enantioselektive Synthese von Cyanhydrinen entwickelt.

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

Concise Synthesis of Pyrrolidine and Indolizidine Alkaloids by a Highly Convergent Three-Component Reaction

The synthesis of pyrrolidine and indolizidine derivatives through radical carboazidation of alkenes with alpha-iodoketones, followed by reductive amination, is described. When properly substituted, further lactamization afforded pyrrolizidinones in good yield. This carboazidation/reductive amination sequence was efficiently applied to the total synthesis of three different simple alkaloids, including (+/-)-monomorine I.

(-)-echinobetaine A: Isolation, structure elucidation, synthesis, and SAR studies on a new nematocide from a southern Australian marine sponge, Echinodictyum sp.

A nematocidal agent present in a southern Australian marine sponge of the genus Echinodictyum has been isolated and identified by detailed spectroscopic analysis and total synthesis as the novel betaine (-)-echinobetaine A (6). Preliminary SAR investigations have been undertaken.

(+)-Echinobetaine B: isolation, structure elucidation, synthesis and preliminary SAR studies on a new nematocidal betaine from a southern Australian marine sponge, Echinodictyum sp.

The principle nematocidal agent present in a southern Australian marine sponge of the genus Echinodictyum has been isolated and identfied as the novel betaine (+)-echinobetaine B (6), and the structure assigned by spectroscopic analysis has been confirmed by total synthesis. Preliminary SAR conclusions are drawn from analysis of synthetic intermediates and the known marine metabolites zooanemonin (12) and norzooanemonin (13), and the new sponge metabolite norzooanemonin methyl ester (14). The latter compound is reported for the first time from a selection of Australian sponges, including an Axinyssa sp., a Niphates sp., an Axinella sp. and a Ptilocaulis sp.

New methods for the asymmetric synthesis of α-alkylated ketones and 1,3-amino alcohols

A large number of optically active drugs and natural products contain α-functionalised ketones or simple derivatives thereof. Furthermore, chiral α-alkylated ketones are useful synthons and have found widespread use in total synthesis. The asymmetric alkylation of ketones represents one of the most powerful and longstanding procedures in organic chemistry. Surprisingly, however, only one effective methodology is available, and this involves the use of chiral auxiliaries. This is discussed in Chapter 1, which also provides a background of other key topics discussed throughout the thesis. Expanding on the existing methodology of chiral auxiliaries, Chapter 2 details the synthesis of a novel chiral auxiliary containing a pyrrolidine ring and its use in the asymmetric preparation of α-alkylated ketones with good enantioselectivity. The synthesis of racemic α-alkylated ketones as reference standards for GC chromatography is also reported in this chapter. Chapter 3 details a new approach to chiral α-alkylated ketones using an intermolecular chirality transfer methodology. This approach employs the use of simple non-chiral dimethylhydrazones and their asymmetric alkylation using the chiral diamine ligands, (+)- and (-)-sparteine. The methodology described represents the first example of an asymmetric alkylation of non-chiral azaenolates. Enantiomeric ratios up to 83 : 17 are observed. Chapter 4 introduces the first aldol-Tishchenko reaction of an imine derivative for the preparation of 1,3-aminoalcohol precursors. 1,3-Aminoalcohols can be synthesised via indirect routes involving various permutations of stepwise construction with asymmetric induction. Our approach offers an alternative highly diastereomeric route to the synthesis of this important moiety utilising N-tert-butanesulfinyl imines in an aldol-Tishchenko-type reaction. Chapter 5 details the experimental procedures for all of the above work. Chapter 6 discusses the results of a separate research project undertaken during this PhD. 2-alkyl-quinolin-4-ones and their N-substituted derivatives have several important biological functions such as the role of Pseudomonas quinolone signal (PQS) in quorum sensing. Herein, we report the synthesis of its biological precursor, 2-heptyl-4-hydroxy-quinoline (HHQ) and possible isosteres of PQS; the C-3 Cl, Br and I analogues. N-Methylation of the iodide was also feasible and the usefulness of this compound showcased in Pd-catalysed cross-coupling reactions, thus allowing access to a diverse set of biologically important molecules.

Direct catalytic macrolactonization and application of the phase separation strategy in complex molecule synthesis

Les macrolactones sont des squelettes structuraux importants dans de nombreuses sphères de l’industrie chimique, en particulier dans les marchés pharmaceutiques et cosmétiques. Toutefois, la stratégie traditionnelle pour la préparation de macrolactones demeure incommode en requérant notamment l’ajout (super)stœchiométrique d’agents activateurs. Conséquemment, des quantités stœchiométriques de sous-produits sont générées; ils sont souvent toxiques, dommageables pour l’environnement et nécessitent des méthodes de purification fastidieuses afin de les éliminer. La présente thèse décrit le développement d’une macrolactonisation efficace catalysée au hafnium directement à partir de précurseurs portant un acide carboxylique et un alcool primaire, ne générant que de l’eau comme sous-produit et ne nécessitant pas de techniques d’addition lente et/ou azéotropique. Le protocole a également été adapté à la synthèse directe de macrodiolides à partir de mélanges équimolaires de diols et de diacides carboxyliques et à la synthèse de dimères tête-à-queue de seco acides. Des muscs macrocycliques ainsi que des macrolactones pertinentes à la chimie médicinale ont pu être synthétisés avec l’approche développée. Un protocole pour l’estérification directe catalysée au hafnium entre des acides carboxyliques et des alcools primaires a aussi été développé. Différentes méthodes pour la macrolactonisation catalytique directe entre des alcools secondaires et des acides carboxyliques ont été étudiées. En outre, la stratégie de séparation de phase en macrocyclisation en débit continu a été appliquée lors de la synthèse totale formelle de la macrolactone ivorenolide A. Les étapes-clés de la synthèse incluent une macrocyclisation par le couplage d’alcynes de Glaser-Hay et une réaction de métathèse d’alcènes Z-sélective.

Direct catalytic macrolactonization and application of the phase separation strategy in complex molecule synthesis

Les macrolactones sont des squelettes structuraux importants dans de nombreuses sphères de l’industrie chimique, en particulier dans les marchés pharmaceutiques et cosmétiques. Toutefois, la stratégie traditionnelle pour la préparation de macrolactones demeure incommode en requérant notamment l’ajout (super)stœchiométrique d’agents activateurs. Conséquemment, des quantités stœchiométriques de sous-produits sont générées; ils sont souvent toxiques, dommageables pour l’environnement et nécessitent des méthodes de purification fastidieuses afin de les éliminer. La présente thèse décrit le développement d’une macrolactonisation efficace catalysée au hafnium directement à partir de précurseurs portant un acide carboxylique et un alcool primaire, ne générant que de l’eau comme sous-produit et ne nécessitant pas de techniques d’addition lente et/ou azéotropique. Le protocole a également été adapté à la synthèse directe de macrodiolides à partir de mélanges équimolaires de diols et de diacides carboxyliques et à la synthèse de dimères tête-à-queue de seco acides. Des muscs macrocycliques ainsi que des macrolactones pertinentes à la chimie médicinale ont pu être synthétisés avec l’approche développée. Un protocole pour l’estérification directe catalysée au hafnium entre des acides carboxyliques et des alcools primaires a aussi été développé. Différentes méthodes pour la macrolactonisation catalytique directe entre des alcools secondaires et des acides carboxyliques ont été étudiées. En outre, la stratégie de séparation de phase en macrocyclisation en débit continu a été appliquée lors de la synthèse totale formelle de la macrolactone ivorenolide A. Les étapes-clés de la synthèse incluent une macrocyclisation par le couplage d’alcynes de Glaser-Hay et une réaction de métathèse d’alcènes Z-sélective.

Chemo-, Regio- And Stereoselective Heck Arylation Of Allylated Malonates: Mechanistic Insights By Esi-ms And Synthetic Application Toward 5-arylmethyl-γ-lactones.

We describe herein a general method for the controlled Heck arylation of allylated malonates. Both electron-rich and electron-poor aryldiazonium salts were readily employed as the aryl-transfer agents in good yields and in high chemo-, regio-, and stereoselectivity without formation of decarboxylated byproducts. Reaction monitoring via ESI-MS was used to support the formation of chelated Pd species through the catalytic cycle. Additionally, some Heck adducts were successfully used in the total synthesis of pharmacologically active γ-lactones.

Indução assimétrica 1,5-Anti na adição de enolatos de boro de metilcetonas beta-oxigenadas a aldeídos

High levels of substrate-based 1,5-stereoinduction are obtained in the boron-mediated aldol reactions of beta-oxygenated methyl ketones with achiral and chiral aldehydes. Remote induction from the boron enolates gives the 1,5-anti adducts, with the enolate pi-facial selectivity critically dependent upon the nature of the beta-alkoxy protecting group. This 1,5-anti aldol methodology has been strategically employed in the total synthesis of several natural products. At present, the origin of the high level of 1,5-anti induction obtained with the boron enolates is unclear, although a model based on a hydrogen bonding between the alkoxy oxygen and the formyl hydrogen has been recently proposed.

The syntheses of the marine metabolites 3-bromoverongiaquinol and 5-monobromocavernicolin

An efficient synthesis of the marine metabolite 3-bromoverongiaquinol (1) and the first total synthesis of 5-monobromocavernicolin (2), both isolated from the marine sponge Aplysina cavernicola, have been described based on the 1,2 addition of the lithium enolate of N,O-bistrimethylsilylacetamide (BSA, 4) to 1,4-benzoquinone (3). Bromination and purification of the crude product on silica gel chromatography provided 3-bromoverongiaquinol (1) in 50% overall yield. Under alkaline conditions, the crude product of the bromination reaction was converted to 5-monobromocavernicolin (2) in 20% yield which was also obtained in 13% yield (25% yield based on recovered starting material) from 3-bromoverongiaquinol (1).

Equilibrating isomers: Bromoindoles and a seco-xanthine encountered during a study of nematocides from the southern Australian marine sponge Hymeniacidon sp.

Bioassay-directed fractionation of a Hymeniacidon sp. yielded as nematocidal agents the equilibrating E/Z bromoindole ethyl esters 1 and 2 and corresponding methyl esters 3 and 4. Also isolated for the first time as a natural product was an equilibrating mixture of seco-xanthine formamides, attributed the trivial name hymeniacidin (5). The structure for 5 was assigned on the basis of detailed spectroscopic analysis and total synthesis.

Esmodil: An acetylcholine mimetic resurfaces in a southern australian marine sponge Raspailia (Raspailia) sp.

Bioassay directed fractionation of a Raspailia (Raspailia) sp. (Order Poecilosclerida; Family Raspailiidae) collected during scientific trawling operations off the Northern Rottnest Shelf yielded as nematocidal agents the known metabolites, phorboxazoles A (1) and B (2). Further examination revealed the new natural product but known synthetic compound, esmodil (3). The structure for 3 was confirmed by spectroscopic analysis and total synthesis.

Totalsynthese der Brevicomine und Studien zum Aufbau von hexacyclischen Hopan-Triterpenen

Cyclizations, Lewis acids, silicon, terpenoids, total synthesis, desymmetrization, enantiselective desymmetrization, ringclosing metathesis, asymmetric ring-closing metathesis, Brevicomin