Synthese von Nucleosiddiphosphatglycosiden basierend auf acceptorsubstituierten cycloSal-Nucleosidmonophosphatestern

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war die Optimierung des Protokolls zur Darstellung der NDP-Zucker und anschlißende Synthese der NDP-Mono- und Disaccharide.

Kohlenhydrate spielen als Oligosaccharide und Glycokonjugate eine wichtige Rolle in verschiedenen biologischen Prozessen. Die Biosynthese dieser Biopolymere wird duch Glycosyltransferasen katalysiert. Diese Enzyme setzen Zuckernucleotide als Substrate um und tragen Monosaccharide stereospecifisch auf Oligosaccharide, Lipide oder Proteine über. Aufgrund der enormen Relevanz der NDP-Glycoside in der Natur und des großen pharmakologischen Potentials von Oligosacchariden ist der effiziente synthetische Zugang zu NDP-Sacchariden von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit erfolgte die Synthese verschiedener NDP-Mono- und Disaccharide ausgehend von acceptorsubstituierten cycloSal-Nucleosidmonophosphaten. Die cycloSal-Nucleotide reagieren mit Zuckerphosphaten zu NDP-Zuckern. Um das synthetische Potential dieser Phosphataktivester zu erhöhen, müssen sie mit acceptorsubstituierten Salicylalkoholen wie 5-Nitro- und 5-Methylsulfonylgruppen maskiert werden. Für Kupplungsreaktionen wurden verschiedene cycloSal-Nucleotide und Glycosylmonophosphate synthetisiert. 5-Nitrosalicylalkohol 89 wurde durch Reduktion des entsprechenden Aldehyds 90 in einer Ausbeute von 88% erhalten. 5-Methylsulfonylsalicylalkohol 96 wurde aus 5-Methylmercaptophenol 92 über ein Benzodioxoborinderivat in einer Ausbeute über zwei Stufen von 56% synthetisiert Die Synthese der cyclischen Saligenylchlorphosphite 100-101 erfolgte durch Reaktion der Salicylalkohole 89 und 96 mit Phosphortrichlorid bei tiefen Temperaturen mit Ausbeuten von 89 und 69%. Zur Vermeidung der Nebenreaktionen wurden die jeweiligen funktionellen Gruppen der eingesetzten Nucleoside 102-104 durch Acetylschutzgruppen blockiert. Die Darstellung der geschützten Nucleoside 111 und 113 erfolgte nach einer erprobten, drei Stufen umfassenden Synthese mit guten Ausbeuten. Die Synthese der Nucleoside 112 und 113 erfolgte nach einer chemoenzymatischen Methode in den Ausbeuten von 50% und 61%. Die Saligenylchlorphosphite 100-101 und die geschützten Nucleoside 111-113 wurden anschließend zu den entsprechenden cycloSal-Nucleotiden in Acetonitril bei -20 °C umgesetzt. Die intermediär gebildeten Phosphor(III)-Verbindungen wurden anschließend in situ mit Oxone® zu den entsprechenden cycloSal-Nucleosidmonophosphaten 117-122 oxidiert Die 5‘‘-Methylsulfonyl-cycloSal-Nucleotide 120-122 konnten im Gegensatz zu nitrosubstituierten Derivaten anschließend chromatographisch gereinigt werden. Die Glycoside wurden zunächst acetyliert. Die peracetylierten Dibenzylphosphate 141-142 wurden nach der Phosphoramiditmethode als alpha/beta-Gemische synthetisiert. Die beiden Anomere konnten anschließend säulenchromatographisch voneinander getrennt werden. Die Dibenzylphosphate 143-146 wurden dagegen als reine alpha-Anomere erhalten. Die anschließende hydrogenolytische Debenzylierung lieferte alpha-Glycosyl-1-phosphate 147a-151 und 67 als Triethylammoniumsalze in Ausbeuten von 80 bis 98%. Die beta-Glycosylderivate 147b und 148b wurden mittels Koenigs-Knorr-Methode generiert. Beide beta-Glycosyl-1-phosphate wurden als Triethylammoniumsalze in vier Stufen in Gesamtausbeuten von ca. 60% erhalten. Das Ziel dieser Arbeit war die Optimierung des in der Arbeitsgruppe etablierten Protokolls zur Darstellung der NDP-Zucker. Zur Darstellung der Zielverbindungen wurden die entsprechenden 5‘‘-Nitro-cycloSal-Nucleotide 117-119 mit Glycosyl-1-phosphaten gekoppelt. Ursprünglich erfolgte die Darstellung in DMF bei 50 °C. Allerdings wurde neben schlechten Ausbeuten, die Entstehung der Nucleosidmonophosphate als Nebenprodukte beobachtet. Daher wurden die Stabilität der Zielverbindungen bei den Reaktionsbedingungen getestet und die Reaktionsparameter entsprechend optimiert. Im Gegensatz zu dem ursprünglichen Syntheseprotokoll wurden Umsetzungen bei Raumtemperatur und mit zwei Äquivalenten des Nucleophils durchgeführt. Weiterhin wurden bessere Ausbeuten erzeugt, wenn die Edukte sorgfältig im Ölpumpenvakuum und über Molekularsieb vorgetrocknet wurden. Die gewünschten Produkte wurden in Ausbeuten bis zu 61% erhalten. Weiterhin konnten die Zielverbindungen problemlos in reiner Form nach nur einem Reinigungsschritt isoliert werden, indem die NMPs mit Hilfe von alkalischer Phosphatase zu Nucleosiden und Phosphat abgebaut wurden. Die gewünschten Produkte wurden in Ausbeuten bis zu 69% erhalten.Jedoch die besten Resultate wurden mit gereinigten 5‘‘-Methylsulfonyl-cycloSal-Nucleotiden 120-122 erzielt. Die während dieser Arbeit gewonnenen Erfahrungen wurden hier angewendet und die gewünschten NDP-Glycopyranosen in den Ausbeuten von 61 bis 89% synthetisiert. Neben Monosacchariden wurde auch das UDP-Disaccharid 8 mit Hilfe der cycloSal-Aktivester in 90% Ausbeute erhalten.

The aims of the presented thesis were an optimisation of a new route towards NDP-sugar developed in our group and synthesis of new sugar nucleotides.

Carbohydrates play as oligosaccharides and glycoconjugates important roles in a variety of biological processes. The biosynthesis of these biopolymers is catalyzed by glycosyltransferases. These enzymes require sugar nucleotides and transfer monosaccharide residue stereospecifically to acceptors such as oligosaccharides, lipids or proteins. For this reason, a chemical access to NDP-sugars is of great interest as substrates for enzymatic reactions, as enzyme inhibitors, as tools for the study of glycoconjugate biosynthesis and as pharmacological substances. The thesis in hand describes the preparation of various NDP-sugars starting from cycloSal-nucleotides as active esters. The cleavage of cycloSal-nucleotide by an initial attack of glycosyl monophosphate led to NDP-sugars. For a fast and efficient reaction it is important to apply strong acceptor substituted cycloSal-nucleotides like 5-nitro and 5-methylsulfonyl in order to increase the electrophilic properties of the phosphorous atom. As starting material for coupling several cycloSal-nucleotides and glycosyl monophosphates were prepared. Previously, 5-nitrosalicylalkohol 89 was synthesized by reduction of the corresponding aldehyde in 88% yield and 5-methylsulfonylsalicylalkohol 96 was synthesized by hydroxymethylation of p-methylmercaptophenol in 56% yield over two steps. The cyclic chlorophosphite 100-101 were achieved by a standard procedure using phosphorous trichloride at low temperature. The corresponding nucleosides 102-104 were protected with acetyl groups. The nucleosides 111 und 113 were synthesized in three steps by silylation, acetylation and subsequent desilylation. The nucleosides 112-113 were achieved by a chemoenzymatic method in two steps in 50-60% yields. The coupling of the chlorophosphites 100-101 with the acetylated nucleosides 111-113 was carried out in acetonitrile at -20 °C. The resulting phosphite triesters were oxidized in one-pot reaction with oxone®, which is a mixed salt composed of 2KHSO5∙KHSO4∙K2SO4. The 5’’-methylsulfonyl-cycloSal-nucleotides 120-122 could be purified by chromatography. These pure active triesters obtained in following coupling reactions NDP-sugars in higher yields. The glycosides were peracetylated by standard conditions. The peracetylated glycosides 128-134 were deacetylated at the anomeric center by hydrazinium acetate and treated with dibenzyl(diisopropylamino)phosphine in a presence of dicyanoimidazole to give the phosphite intermediates, which were converted into the anomeric mixture of 1-phosphates by oxidation with m-chloroperbenzoic acid. However, both anomers could be separated from each other by column chromatography. In the case of glycosides 143-146 only alpha-anomeres were obtained. For the formation of the beta-configurated glycosyl-1-phosphate, peracetylated glucose 128 and galactose 129 were converted into pyranosyl-bromides 152-153, which were treated with dibenzylphosphate. Subsequently, the phosphate moieties were debenzylated by hydrogenolysis to give anomerically pure glycosyl-1-phosphates 147-151 and 67 as their triethylammonium salts in 80-98% yield. The aims of the presented thesis were an optimisation of a new route towards NDP-sugar developed in our group and synthesis of new sugar nucleotides. The original protocol is a two-step procedure including the coupling of glycosyl-1-phosphate to the cycloSal-triester and the deacetylation to desire NDP-sugar in second step. Originally, the preparation of target molecules was carried out in DMF at 50 °C. Herein, the stability of NDP-sugars was tested at coupling and deacetylation conditions. Because of decomposition of the product at 50 °C, the 5’’-nitro-cycloSal-nucleotides and glycosyl-1-phosphates were reacted finally at room temperature. In contrast to the original protocol two equivalents of nucleophile were used. Therefore, the highly hygroscopic triethylammonium salts of sugar phosphates were exhaustively dried in vacuum and then dissolved in DMF over molecular sieve. After reworking of the original protocol yields until 61% were obtained. To facilitate the efficient purification of sugar nucleotide alkaline phosphatase was added after deacetylation. This led to dephosphorylation of the by-product nucleoside monophosphate and easier isolation of the products via reversed-phase chromatography using water as the eluting solvent. The NDP-sugars were successfully obtained on this way with yields up to 69%. However, the best results were achieved by this method using purified 5’’-methylsulfonyl-cycloSal-triester. The UDP-, GDP- and dGDP-glycosides were obtained with yields between 61% and 89%. Additionally, this method was successfully used for the prepration of NDP-disaccharide, UDP-D-LacNAc 8 in 90% yield.