Synthese hochfunktionalisierter, bioaktiver Tetramsäuren mit Macrocidin-Motiv

Titelangaben

Pezolt, Christine:
Synthese hochfunktionalisierter, bioaktiver Tetramsäuren mit Macrocidin-Motiv.
Bayreuth , 2023 . - VIII, 105, XXXIII S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006991

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Abstract

Sekundärmetabolite dienen aufgrund ihrer biologischen Aktivität häufig als Vorbild für die Ent-wicklung neuer Wirkstoffe und werden daher gezielt extrahiert und hinsichtlich ihrer Struktur und Wirkung untersucht.[21] Sie gewinnen dabei auch im Hinblick auf den Pflanzenschutz im-mer mehr an Bedeutung.[27] Zwar ist derzeit der überwiegende Anteil an eingesetzten Herbizi-den rein synthetischen Ursprungs.[28] Jedoch stehen diese auf Grund ihrer Toxizität gegenüber anderen Organismen immer wieder in der Kritik.[29],[30] Aus diesem Grund wird vermehrt ver-sucht auf Naturstoffe als Bioherbizide zurückzugreifen.
Eine für die Entwicklung neuer Bioherbizide vielversprechende Naturstoffgruppe sind die Macrocidine.[36],[37] Diese zeichnen sich durch ihre selektive Wirkung gegenüber breitblättrigen Unkräutern, sowie ihre multimodale Wirkungsweise aus.[38],[39] Während sich die natürlichen Macrocidine von der Aminosäure L-Tyrosin ableiten, war Ziel dieser Arbeit, neben der Darstel-lung der vereinfachten Strukturen 15 und 20 ohne Methylverzweigung, Derivate mit Catechol-Strukturmotiv zu synthetisieren. Dazu sollte sich die verwendete Tetramsäure nicht von L-Tyrosin sondern von L Dopa, einer nicht proteinogenen Aminosäure mit hohem pharmakologi-schen Wert[46], ableiten. Da die zweite Hydroxygruppe des Dopa-Motivs eine weitere Verethe-rungsmöglichkeit bietet, sollten zudem Derivate mit einem, sich von den natürlichen Macroci-din-Vertretern unterscheidenden, Verknüpfungsmuster synthetisiert werden. Die Derivate sollten ähnlich zu den Synthesen von Macrocidine A und Z nach SCHOBERT et al. aus einem Tetramsäurebaustein, der durch Acylierung mit einer Carbonsäure verbunden wird, aufgebaut werden. Der jeweilige Ringschluss sollte immer erst zum Schluss der Synthese vor finaler, globaler Entschützung erfolgen.
Für die Synthese aller Macrocidin Z abgeleiteten Derivate (20/21/22) wurde die käuflich erwerbbare 6-Heptensäure 158 verwendet und der Makrozyklus via GRUBBS-Metathese ge-schlossen. Die Macrocidin A abgeleiteten Derivate (15/18/19) wurden durch Acylierung mit der ω-Bromcarbonsäure 180 aufgebaut und der Makrozyklus mittels WILLAMSON-Veretherung ge-schlossen. 180 konnte dazu ausgehend von 3-Buten-1,2-diol über 8 Stufen mit einer Ausbeute von 27% dargestellt werden.
Auf die beschriebene Art und Weise konnte das nicht-methylverzweigte Nor-Macrocidin Z (20) in 53% Ausbeute über 5 Stufen synthetisiert werden. Das ebenfalls vereinfachte Nor-Macrocidin A (15) wurde über 13 Stufen in einer Gesamtausbeute von 4% erhalten.
Für die Synthese der Dopa-Derivate war es notwendig die entsprechenden 3-H-Tetramsäuren zu synthetisieren. Da während der Ringschlussmetathese die Allylschutzgruppe zum Teil des Makrozyklus wird, ist für das Verknüpfungsmuster der Macrocidin Z-abgeleiteten Dopa-Derivate entscheidend, welche Hydroxygruppe allylgeschützt ist. Um sowohl den para- als auch den meta verknüpften Makrozyklus darstellen zu können, mussten die zwei verschiedenen Dopa Tetramsäuren 176 und 178 synthetisiert werden. Beide konnten ausgehend von L-Tyrosin dargestellt werden. Im Fall von 176 gelang dies über 11 Stufen mit einer Ausbeute von 24%. 178 konnte über 9 Stufen in 28% Ausbeute erhalten werden.
Durch Acylierung von 176 mit 158 und späterem GRUBBS-Ringschluss konnte das para-verknüpfte Derivate 21 über 14 Stufen in 11% Gesamtausbeute synthetisiert werden. Durch analoges Vorgehen konnte 3-H-Tetramsäure 178 zum meta-verknüpften Derivat 22 umgesetzt werden. Die Gesamtausbeute dafür lag bei 4% über 13 Stufen.
Anders als bei den Synthesen der Macrocidin Z-abgeleiteten Derivate ist für das Verknüp-fungsmuster des Makrozyklus der Macrocidin A-abgeleiteten Derivate nicht die Position der Allylschutzgruppe entscheidend. Wichtig für die Synthese ist die Orthogonalität der phenoli-schen Schutzgruppen, sodass gezielt eine der Hydroxygruppen entschützt und verethert wer-den kann.
Während sich 3-H-Tetramsäure 178 nicht für die Synthese der Macrocidin A-abgeleiteten Derivate eignete, konnte 176 durch gezielte Allylentschützung im Verlauf der Synthese zum para-verknüpfte Makrozyklus 18 umgesetzt werden. Dies gelang in der längsten linearen Sequenz ausgehend von L-Tyrosin in 9% Gesamtausbeute über 15 Stufen. Auch eine gezielte PMB-Entschützung des Acylierungsprodukts von 176 und 180 war möglich. Allerdings verlief der anschließende Ringschluss zum meta-verknüpften Derivate in so schlechter Ausbeute, dass dies nicht zielführend war.
Deshalb wurde ausgehend von L-Tyrosin Tetramsäure 226 mit im Vergleich zu 176 getausch-ten Schutzgruppen synthetisiert. Dies gelang in 21% Ausbeute über 9 Stufen. Diese dritte Tet-ramsäure ermöglichte die Synthese des meta-verknüpften Derivats 19 in 4% Ausbeute über 13 Stufen.
Neben den abgebildeten zyklischen Derivaten wurden durch globale Entschützung verschie-dener Zwischenstufen zwei 3-Acyltetramsäuren mit Dopa-Motiv synthetisiert. Zudem konnte durch basische Umsetzung von 18 ein Dioxan-Derivat erhalten werden.
Verschiedene Derivate wurden im Rahmen eines ZIM-Kooperationsprojekts auf ihre herbizide Wirkung gegenüber breitblättrigen Unkräutern untersucht. Es zeigten jedoch nur die Tyrosin-abgeleiteten Derivate eine solche Wirkung. Außerdem wurden alle dargestellten Derivate auf Auswirkungen auf das Wachstum und die Persistenz von mikrobiellen Biofilmen getestet. All-gemein zeigte sich, dass diese Wirkung der ringgeschlossenen Derivate stark von der Lipophi-lie derer abhängt. Da sie jedoch keine Toxizität gegenüber Bakterien zeigten, dürfte ihre An-wendung als Biofilm-Inhibitoren keine bakterielle Resistenz hervorrufen.

Abstract in weiterer Sprache

Due to their biological activity, secondary metabolites often serve as models for the develop-ment of new drugs and are therefore specifically extracted and investigated with regard to their structure and effect.[21] They are also becoming increasingly important in relation to plant pro-tection.[27] At present, the majority of herbicides used are of synthetic origin.[28] However, as these are criticized for their cytotoxic effect on other organisms[29],[30], there are increasing at-tempts to use natural products as bioherbicides.
A promising group of natural products for the development of new bioherbicides are macroci-dins.[36],[37] These are characterized by their selective action against broadleaf weeds, as well as their multimodal mode of action.[38],[39] While natural macrocidins are derived from L-tyrosine, the aim of this work was to synthesize derivatives with a catechol moiety in addition to the syn-thesis of the simplified structures 15 and 20. For this purpose, tetramic acids used should not be derived from L-tyrosine but from L -dopa, a non-proteinogenic amino acid.[46] Furthermore, since the second hydroxy group of the dopa motif offers another etherification possibility, deri-vatives with a linkage pattern different from natural macrocidins should be synthesized. Similar to the syntheses of macrocidins A and Z according to SCHOBERT et al., the derivatives should be built up from a tetramic acid unit, which is linked to a carbon acid by acylation. The respec-tive ring closure should always take place at the end of the synthesis before final deprotection.
For the synthesis of all macrocidin Z derivatives (20/21/22), the commercially available acid 158 was used and the macrocycle was closed via GRUBBS metathesis. The macrocidin A deri-vatives (15/18/19) were constructed by acylation with acid 180 and the macrocycle was closed via WILLIAMSON etherification. 180 was prepared from 3-butene-1,2-diol over 8 steps with a yield of 27%.
In the manner described, nor-macrocidin Z (20) was synthesized in 53% yield over 5 steps. The also simplified Nor-macrocidin A (15) was obtained over 13 steps in an yield of 4%.
For the synthesis of the dopa derivatives, it was necessary to synthesize the corresponding tetramic acids. Since during metathesis the allyl protecting group becomes part of the macrocycle, it is crucial for the linkage pattern of the macrocidin Z- derivatives which hydroxyl group is allyl protected. In order to represent both the para- and meta-linked macrocycle, the two different tetramic acids 176 and 178 had to be synthesized. Both could be synthesized starting from L-tyrosine. In the case of 176, this was achieved via 11 steps with a yield of 24%. 178 could be obtained over 9 steps in 28% yield.
By acylation of 176 with 158 and later GRUBBS ring closure, the para-linked derivative 21 could be synthesized over 14 steps in 11% overall yield. By analogous procedure, acid 178 could be converted to the meta-linked 22 in a yield of 4% over 13 steps.
In contrast to the syntheses of the macrocidin Z derivatives, the position of the allyl group is not decisive for the linkage pattern of the macrocycle of the macrocidin A-derivatives. What is im-portant is the orthogonality of the phenolic protecting groups, so that one of them can be spe-cifically deprotected and etherified.
While 178 was not suitable for the synthesis of the macrocidin A-derivatives, 176 could be converted to the para-linked macrocycle 18. This was achieved starting from L-tyrosine in 9% yield over 15 steps. Targeted PMB deprotection of the acylation product of 176 and 180 was also possible. However, the subsequent ring closure was in such poor yield that this was not targeted.
Therefore, starting from L-Tyrosin 226 was synthesized with protection groups swapped in comparison to 176. This was achieved in 21% yield over 9 steps. This third tetramic acid allo-wed the synthesis of the meta-linked derivative 19 in 4% yield over 13 steps.
In addition to the cyclic derivatives shown, two 3-acyltetramic acids with a dopa motif were synthesized by global deprotection of various intermediates. Furthermore a dioxane derivative was obtained by basic reaction of 18.
Various derivatives were investigated for their herbicidal activity against broadleaf weeds. Only the tyrosine-derivatives showed such activity. Moreover, all presented derivatives were tested for effects on the growth and persistence of microbial biofilms. It was found that this effect of the ring-closed derivatives strongly depended on the lipophilicity of the latter. However, since they showed no toxicity to bacteria, their use as biofilm inhibitors is unlikely to induce bacterial resistance.