Nye metalorganiske reaktioner på kulhydrater har gjort det muligt at udvikle mere effektive synteser af en række biologisk aktive forbindelser.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2005 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Robert Madsen, Center for Sustainable and Green Chemistry, Kemisk Institut, DTU
Kulhydrater er relativt komplicerede organiske molekyler, der indeholder mange funktionelle grupper og chirale centre. I naturen fremstilles der hvert år ca. 400 mia. tons kulhydrater ved fotosyntese i planter [1]. I modsætning til de fossile brændstoffer er kulhydrater en fornyelig ressource, som fremover må forventes at få større betydning som råmateriale til den kemiske industri. Kulhydrater spiller også en central rolle i mange biologiske processer og indgår i strukturen af en lang række biologisk vigtige naturstoffer. Derfor er der stor interesse for at udnytte kulhydrater i organisk syntesekemi. Den store udfordring er at kunne håndtere de forskellige funktionelle grupper på en effektiv måde, herunder især de mange hydroxygrupper.
I klassisk kulhydratkemi bruges der en del beskyttelsesgrupper til at blokere de funktionelle grupper [1]. Beskyttelsesgrupperne bruges til at kontrollere hvor og hvordan, de kemiske reaktioner foregår. Det er dog en meget ressourcekrævende strategi, som involverer mange reaktionstrin, da det hele tiden er nødvendigt at ændre beskyttelsesgruppernes placering. For at opnå færre reaktionstrin er det nødvendigt at udvikle mere selektive reaktioner. I denne sammenhæng er metalorganiske reaktioner et meget nyttigt værktøj. Mange metaller og metalorganiske reagenser er meget specifikke over for bestemte funktionelle grupper, mens de ikke reagerer med andre grupper. På Kemisk Institut, DTU har arbejdet især fokuseret på at udnytte metalorganiske reaktioner til at omdanne kulhydrater til carbocykliske forbindelser i få syntesetrin. Arbejdet har omfattet udvikling af nye metoder til at lave carbocykliske ringe og anvendelse af disse metoder til at fremstille biologisk vigtige molekyler med en kulhydratlignende struktur.
Nye syntesemetoder
En af de væsentligste nye reaktioner inden for organisk syntesekemi i de seneste 10 år er dobbeltbindingsmetatese [2]. Ordet metatese stammer fra græsk og betyder omstilling eller ombytning. Ved dobbeltbindingsmetatese sker der en ombytning af dobbeltbindingerne mellem to alkener. Reaktionen katalyseres af et rutheniumcarbenkompleks og er særlig nyttig til at danne cykliske alkener fra acykliske forbindelser med to dobbeltbindinger [2]. Et problem er dog at fremstille disse udgangsstoffer på en effektiv måde især fra højt funktionaliserede molekyler som kulhydrater. Her har en kombination af to metalorganiske reaktioner vist sig at være en god løsning [3]. Det er allerede kendt, at methylglycosider med et iodatom i den primære position reagerer med zinkmetal og danner et umættet aldehyd via en reduktiv fragmentering. Herved er det f.eks. muligt at omdanne methyl ribofuranosidet 1 til aldehydet 2 (skema 1). Det viser sig, at tilsættes der et allylisk bromid til denne reaktion, er det muligt at få det til at reagere med aldehydet ved tilstedeværelse af zink [3]. Hermed sker der to ting i den samme reaktionsblanding: En dobbeltbinding dannes, og et aldehyd allyleres. F.eks. bliver furanosidet 1 omdannet til dienen 3 ved denne sekvens [4]. Begge reaktioner kræver zinkmetal. Forløbet kaldes en tandemreaktion, da de to reaktioner foregår lige efter hinanden i den samme reaktionsblanding.
Der sker en interessant videreudvikling af denne tandemsekvens ved tilsætning af benzylamin til blandingen. Denne amin danner en imin med det intermediære aldehyd i reaktionen (f.eks. aldehydet 2), som derefter reagerer med den allyliske forbindelse (skema 1). Produktet er en amin, som det ses i omdannelsen af furanosidet 1 til aminodienen 4 [3].
Tandemreaktionen kan også anvendes til at indføre andre nukleofiler end allylgrupper, som f.eks. en vinylgruppe. I dette tilfælde er det dog nødvendigt først at omdanne vinylbromid til det tilsvarende Grignard-reagens med magnesiummetal. Transmetallering med zinkchlorid giver herefter en vinylzinkforbindelse, der adderer til aldehydet i tandemreaktionen. Sådan kan furanosidet 1 omdannes til dienen 5 [3].
I alle tre tandemreaktioner dannes 1–2 nye chirale centre i produkterne (skema 1). Sædvanligvis foregår reaktionerne med en god selektivitet og giver overvejende en diastereomer af produktet. Disse produkter kan i et efterfølgende reaktionstrin omdannes til carbocykliske forbindelser ved ringslutningsmetatese. Reaktionen katalyseres af et rutheniumkompleks og foregår under fraspaltning af ethylen. De acykliske diener 3–5 omdannes herved til cykloalkenerne 6–8 [3]. Rutheniumkatalysatoren tolererer en række funktionelle grupper såsom estre og alkoholer, mens aminer er problematiske. Derfor var det nødvendigt at omdanne aminen i dienen 4 til det tilsvarende acetamid inden ringslutningen med rutheniumkomplekset kunne gennemføres. Det er kombinationen af en tandemreaktion med zink og ringslutningsmetatese med ruthenium, der gør det muligt at omdanne kulhydrater til carbocykliske forbindelser.
Metoden har brede anvendelsesmuligheder i syntesekemi, da både ringstørrelse og funktionelle grupper kan varieres og i visse tilfælde også produktets stereokemi.
Syntese af biologisk vigtige molekyler
Når et bestemt molekyle skal fremstilles ved syntesekemi, udarbejdes der først en synteseplan. Her analyseres målmolekylets struktur for at fastlægge det udgangsstof og den syntesevej, der skal anvendes. Indgår der et kulhydrat i syntesen, er det vigtigt at fastlægge, hvilke af de funktionelle grupper og chirale centre der skal ændres i løbet af syntesen, og hvilke der skal indgå i det endelige målmolekyle.
Syntese af cyclophellitol
Et eksempel på et målmolekyle er naturstoffet cyclophellitol, der er en stærk inhibitor af enzymet b-glucosidase (skema 2). Cyclophellitol består af en funktionaliseret carbocyklisk ring og minder meget om et kulhydrat. Ved at udnytte ovennævnte metalorganiske metode til at omdanne kulhydrater til carbocykliske forbindelser har det været muligt at udvikle en relativ kort syntese af cyclophellitol [5]. Syntesen starter fra xylose, hvor 2- og 3-hydroxygrupperne først blokeres med benzylgrupper, da disse to hydroxygrupper ikke ændres i løbet af syntesen. Herefter omdannes kulhydratet 9 til cyclohexenforbindelsen 10 via tre metalorganiske reaktioner: Fragmentering med zink, kobling med ethylbromcrotonat og rutheniumkatalyseret metatese. Til sidst dannes cyclophellitol efter yderligere tre reaktioner: Esterreduktion, epoxidering og hydrogenering (skema 2).
I alt kræver syntesen 9 reaktionstrin fra xylose og er hermed den korteste syntese af cyclophellitol, der indtil videre er beskrevet. Tidligere synteser har anvendt fra 10 til over 20 trin for at fremstille cyclophellitol.
Syntese af calystegin B2
En anden stærk b-glucosidaseinhibitor er naturstoffet calystegin B2, der består af et nortropanringsystem (skema 3). De tre sekundære hydroxygrupper i calystegin B2 er orienteret som i glucose, der hermed er et velegnet udgangsstof til syntesen. Igen indledes syntesen med at blokere de tre hydroxygrupper med benzylgrupper [6]. Herefter udføres tandemreaktionen med zink i tilstedeværelse af benzylamin, hvorved kulhydratet 11 omdannes til aminodienen 12. Aminogruppen blokeres med en benzyloxycarbonyl (Cbz)-gruppe, hvorefter metatesereaktionen gennemføres under dannelse af cycloheptenen 13. Dobbeltbindingen oxideres til den tilsvarende keton, der herefter hydrogeneres til det ønskede produkt, calystegin B2 (skema 3).
I alt involverer syntesen 8 reaktionstrin fra glucose og er hermed den korteste syntese af denne forbindelse til dato, da tidligere synteser har anvendt mellem 12 og 21 trin. Calysteginerne er en generel klasse af naturstoffer, der bl.a. findes i kartofler og tomater. Denne syntesevej er også velegnet til at fremstille andre calysteginer, f.eks. ved at starte syntesen fra andre kulhydrater.
Syntese af lysophospholipider
En meget almindelig carbocyklisk forbindelse med en kulhydratlignende struktur er myo-inositol, der i naturen især findes som en række forskellige phosphorylerede forbindelser. En af disse er phosphatidylinositol (1,2-diacyl-sn-glycero-3-phospho-1-myo-inositol). En del analoger af phosphatidylinositol virker mod kræft og undersøges i øjeblikket nærmere flere steder i verden. De tilsvarende lysophospholipider er interessante analoger og er derfor blevet fremstillet ved syntesekemi. Et eksempel er vist i skema 4, hvor den væsentligste udfordring ligger i at fremstille inositoldelen. Tre af hydroxygrupperne i myo-inositol sidder som i glucose, hvorfor dette billige kulhydrat igen er et passende udgangsstof for syntesen. Først blokeres de tre hydroxygrupper med benzylgrupper, hvorefter kulhydratet fragmenteres med zink [7]. En vinylgruppe adderes og ringslutningsmetatese udføres under dannelse af cyclohexenen 14. Dobbeltbindingen dihydroxyleres og efter yderligere et par trin fremkommer myo-inositolforbindelsen 15, der phosphoryleres og kobles til 1,2-dialkylglycerol 16. Koblingsproduktet oprenses og debeskyttes ved hydrogenering til lipidet 17, der er en analog af phosphatidylinositol [7]. Lipidet 17 hæmmer væksten hos visse kræftceller og undersøges i øjeblikket sammen med en række andre etherlipider som mulige kandidater til kræftbehandling som en del af lipidbaserede drug delivery systemer [8].
Et stærkt og nyttigt værktøj
Ved udnyttelsen af kulhydrater i syntesekemi er det væsentligt, at der udvikles særlige metoder til at håndtere disse højt funktionaliserede molekyler. Kombinationen af en tandemreaktion med zink og ringslutningsmetatese med ruthenium har vist sig at være et særdeles nyttigt værktøj, der har muliggjort udviklingen af meget korte synteser af en række biologisk vigtige molekyler.
Referencer
1. G.-J- Boons, K. J. Hale, Organic Synthesis with Carbohydrates, Sheffield Academic Press, Sheffield, 2000.
2. T. M. Trnka, R. H. Grubbs, Acc. Chem. Res., 2001, 34, 18 – 29.
3. L. Hyldtoft, R. Madsen, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 8444 – 8452.
4. L. Keinicke, R. Madsen, manuskript under udarbejdelse.
5. F. G. Hansen, E. Bundgaard, R. Madsen, manuskript under udarbejdelse.
6. P. R. Skaanderup, R. Madsen, J. Org. Chem., 2003, 68, 2115 – 2122.
7. T. L. Andresen, D. M. Skytte, R. Madsen, Org. Biomol. Chem., 2004, 2, 2951 – 2957.
8. LiPlasome Pharma A/S, Kemisk Institut, DTU.
