Neue flexible Synthesestrategien für bioaktive Dihydro-3(2H)-furanone der Ophiofuranon-, Thiocarboxyl- und Gregatin-Familien

Titelangaben

Gillsch, Franziska:
Neue flexible Synthesestrategien für bioaktive Dihydro-3(2H)-furanone der Ophiofuranon-, Thiocarboxyl- und Gregatin-Familien.
Bayreuth , 2023 . - 245 S. . - X, 229
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007001

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Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung flexibler, enantioselektiver Syntheserouten für natürliche, bioaktive Dihydro-3(2H)-furanone. Die Vertreter dieser Stoffklasse wurden aus endophytischen Pilzen isoliert und weisen eine große Bandbreite an biologischen Aktivitäten auf, was sie zu interessanten Leitstrukturen in der Wirkstoffforschung macht. Im ersten Teil dieser Arbeit ging es um die Entwicklung einer Totalsynthese für die Naturstoffe Ophiofuranon A (1) und B (2), um sie das erste Mal auf ihre biologischen Aktivitäten zu untersuchen. Die für ihre Synthese benötigten Bausteine (E)-4 und (Z)-4 wurden ausgehend von β Methallylalkohol (3) in 13 Stufen hergestellt. Das Stereozentrum wurde via Sharpless-Epoxidierung und die konjugierten Doppelbindungen mittels zweier Wittig-Reaktionen (→(E)-4) bzw. einer Wittig- und einer Ando-modifizierten HWE-Reaktion (→(Z)-4) aufgebaut. Der zweite benötigte Baustein 6 wurde ausgehend von Tiglinsäure (5) in 4 Stufen dargestellt und die Stereozentren mittels Sharpless-Dihydroxylierung eingeführt. Ophiofuranon A (1) und B (2) konnten durch drei aufeinander folgende Kondensationsreaktionen (Yamaguchi-Veresterung, Knoevenagel-ähnliche Cyclisierung und Lactonisierung) zum ersten Mal totalsynthetisch dargestellt werden. Die Gesamtausbeute betrug über die längste lineare Synthese mit 16 Stufen 12% (1) bzw. 22% (2). Die synthetischen Naturstoffe 1 und 2 wurden auf ihre antimikrobielle, zytotoxische und Antibiofilm-Aktivität gegen verschiedene Bakterien, Pilze und Zelllinien in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig getestet. Ophiofuranon A (1) und B (2) wiesen dabei nur eine schwache Aktivität gegen den Pilz Mucor hiemalis mit MICs von 66.6 µg/mL auf und zeigten keine zytotoxische Aktivität gegen menschliche Tumorzelllinien und nicht bösartige Fibroblasten. Die Dispersion eines Candida albicans-Biofilms wurde von 1 zu 24% bei einer Konzentration von 250 µg/mL gehemmt. Im zweiten Projekt sollten die Thiocarboxyle A (7a), C1 (8a) und C2 (8b) und die Gregatine G1 (9a) und G2 (9b) totalsynthetisch dargestellt werden, da die Isolate gegen Escherichia coli, Staphylococcus aureus und Candida albicans gute antimikrobielle Wirkungen mit MICs im Bereich von 1.7-7.0 µg/mL aufwiesen. Dazu wurde eine flexible Synthese für Dihydro-3(2H)-furanone entwickelt, bei der sowohl die Seitenkette (grün) als auch der Rest am Furanon (blau) auf einer späten Stufe variiert werden konnte. Dadurch war sowohl die erste Totalsynthese der Naturstoffe 7a, 8 und 9 wie auch die Darstellung der Derivate 7b und 14 möglich. Die Synthesestrategie wurde an Thiocarboxyl A (7a) bzw. seinem um 2 C-Atome längeren Derivat 7b erarbeitet. Vinylbromid 10, das über 10 Stufen ausgehend von β Methallylalkohol (3) synthetisiert wurde, stellte ein Schlüsselbaustein der flexiblen Synthese dar. Ausgehend von 10 wurden die γ-Hydroxy-β-ketoester 12a und 12b via Suzuki-Kupplung mit den Boronsäureestern 11a oder 11b und TBS-Entschützung dargestellt. Diese wurden mittels Yamaguchi-Veresterung mit 3 Methyl-2-thiophencarbonsäure (13a) und Knoevenagel-ähnlicher Cyclisierung zu den Furanonen 7a und 7b umgesetzt. Die chemischen Verschiebungen der vollständig substituierten C-Atome der Thiopheneinheit der 13C-NMR Spektren des synthetischen und isolierten Thiocarboxyls A (7a) wiesen geringe Abweichungen auf. Daraufhin wurden die Analoga 14a und 14b mit unterschiedlich substituierten Thiophenresten in jeweils 2 Stufen ausgehend von 12a synthetisiert, um die tatsächliche Struktur von 7a aufzuklären. Am Ende wurde jedoch festgestellt, dass die publizierte Struktur von 7a korrekt ist. Thiocarboxyl A (7a) wurde somit über 14 Stufen ausgehend von 3 mit einer Gesamtausbeute von 6% synthetisiert. Die etablierte Synthese wurde im Folgenden zur Darstellung der zwei Epimerenpaare Thiocarboxyl C1 (8a) und C2 (8b) und Gregatin G1 (9a) und G2 (9b) weiterentwickelt, deren Seitenketten mit einer zusätzlichen Hydroxygruppe substituiert sind. Dafür wurde eine geeignete, orthogonale Schutzgruppenstrategie erarbeitet, wobei sich TBDPS als geeignete Schutzgruppe des sekundären Alkohols der Seitenkette erwies. Allgemein wurde Vinylbromid 10 mittels Suzuki-Kupplung mit dem geschützten Boronat 15 und TBS-Entschützung in die γ Hydroxy-β-ketoester 16 überführt und diese jeweils mit 3-Methyl-2-thiophencarbonsäure (13a) bzw. Buttersäure (13d) verestert. Knoevenagel-ähnliche Kondensation und finale Entschützung führte zu den Thiocarboxylen C1 (8a) und C2 (8b) und Gregatinen G1 (9a) und G2 (9b). Die Gesamtausbeuten über die 5 Stufen ausgehend von Vinylbromid 10 betrugen 17%-24%. Da gute antimikrobielle Aktivitäten der isolierten Naturstoffe 7a, 8 und 9 gegen E. coli and S. aureus publiziert wurden, wurden die synthetischen Thiocarboxyle A (7a) und C1,2 (8a,b), Gregatine G1,2 (9a,b) und die drei hergestellten Derivate 7b, 14a und 14b gegen diese Bakterienstämme getestet. Überraschenderweise waren dabei alle acht Testverbindungen inaktiv. Nur gegen die empfindlichere E. coli ΔTolC-Mutante ohne ArcAB-TolC-Effluxsystem war 7a mit einem IC50 von 44.3 µM minimal wachstumshemmend. Ebenfalls zeigte keine der acht Verbindungen eine zytotoxische Aktivität gegen die Zelllinien A549, L929 und Huh7.

Abstract in weiterer Sprache

The aim of this work was to develop flexible, enantioselective synthetic routes for natural occurring, bioactive dihydro-3(2H)-furanones. The members of this substance class have been isolated from endophytic fungi and show a wide range of biological activities, which makes them interesting lead structures in drug discovery. The first part of this work focused on the development of a total synthesis for the natural products ophiofuranone A (1) and B (2) to study their biological activities. The building blocks (E) 4 and (Z)-4 were prepared in 13 steps starting from β-methallyl alcohol (3). The stereogenic center was built via Sharpless epoxidation and the conjugated double bonds via two Wittig reactions (→(E) 4) respectively one Wittig and one Ando-modified HWE reaction (→(Z)-4). The second required building block 6 was prepared starting from tiglic acid (5) in 4 steps and the stereogenic centres were introduced by Sharpless dihydroxylation. Ophiofuranone A (1) and B (2) were synthesized for the first time by three consecutive condensation steps (Yamaguchi esterification, Knoevenagel-type cyclization, and lactonization). The overall yields over the longest linear synthesis with 16 steps were 12% (1) and 22% (2). The synthetic natural products 1 and 2 were tested for their antimicrobial, cytotoxic and antibiofilm activity against a number of bacteria, fungi and cell lines in cooperation with the Helmholtz Centre for Infection Research in Braunschweig. Thereby, ophiofuranone A (1) and B (2) had only weak activity against the fungus Mucor hiemalis with MICs of 66.6 µg/mL and showed no cytotoxicity against human tumor cell lines and nonmalignant fibroblasts. Dispersion of Candida albicans biofilm was inhibited from 1 to 24% at a concentration of 250 µg/mL. In the second project, thiocarboxylic A (7a), C1 (8a), and C2 (8a) and gregatins G1 (9a) and G2 (9b) should be synthesized because the isolates showed good antimicrobial activities against Escherichia coli, Staphylococcus aureus, and Candida albicans with MICs between 1.7-7.0 µg/mL. For this a flexible synthesis for dihydro-3(2H)-furanones was developed, in which both the side chain (green) and the residue of the furanone (blue) could be varied at a late stage. This allowed the first total synthesis of the natural products 7a, 8 and 9 as well as the preparation of the derivatives 7b and 14. The synthetic strategy was elaborated on thiocarboxylic A (7a) and its derivative 7b, featuring a 2 C atoms longer side chain. Vinyl bromide 10 synthesized via 10 steps of β-methallyl alcohol (3) represented a key building block of the flexible synthesis. Compounds 12a and 12b were synthesized via Suzuki coupling of 10 with boronates 11a or 11b and TBS deprotection. These were converted to furanones 7a and 7b by Yamaguchi esterification with 3-methyl-2-thiophenecarboxylic acid (13a) and Knoevenagel-type cyclization. The chemical shifts oft the non hydrogenated C-atoms oft he thiophene residue of the 13C-NMR spectra of the synthetic and isolated thiocarboxylic A (7a) showed minor derivations. Subsequently, analogues 14a and 14b were synthesized with differently substituted thiophene residues in 2 steps starting from 12a to elucidate the actual structure of 7a. However, the published structure of 7a was determined to be correct. Thiocarboxylic A (7a) was therefore synthesized over 14 steps with a total yield of 6%. The established synthesis was developed to synthesize the two pairs of epimers thiocarboxylic C1,2 (8a,b) and gregatin G1,2 (9a,b), whose side chains are substituted with an additional hydroxy group. For this reason, a orthogonal protecting group strategy was elaborated, and TBDPS was found to be a appropriate protecting group of the secondary alcohol of the side chain. In general, building block 10 was converted to the γ-hydroxy-β-keto esters 16 by Suzuki coupling with a protected boronate 15 and TBS deprotection. Compounds 16 were esterified with 3-methyl-2-thiophenecarboxylic acid (13a) or butyric acid (13d). Knoevenagel-type condensation and deprotection resulted in thiocarboxylics C1 (8a) and C2 (8b) and gregatins G1 (9a) and G2 (9b). The overall yields over the 5 steps starting from vinyl bromide 10 were 17% 24%. Because good antimicrobial activities of the isolated natural products 7a, 8 and 9 against E. coli and S. aureus have been published, the synthetic thiocarboxylics A (7a) and C1,2 (8a,b), gregatins G1,2 (9a,b) and the three prepared derivatives 7b, 14a and 14b were tested against those bacterial strains. Surprisingly, all eight test compounds were inactive. Only against the more sensitive E. coli ΔTolC mutant lacking the ArcAB-TolC efflux system 7a was minimally growth inhibitory, with an IC50 of 44.3 µM. Also none of the eight compounds showed cytotoxicity against the cell lines A549, L929 and Huh7.