Synthese der Uronsäurebausteine

Seit der Aufklärung der Pentasaccharidsequenz und dessen erster Synthese wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Synthese der einzelnen Bausteine zu verbessern.

Besonderes Augenmerk wurde dabei auf den Iduronsäurebaustein gelegt, der die größte

Abbildung 1-18: Eine von Wong und Polat im Jahr 2007 publizierte Synthese eines aktiven Pentasaccharides ermöglicht aufgrund sehr unterschiedlicher Reaktivitäten der Monosaccharid-bausteine eine Eintopf-Synthese des Pentasaccharides aus drei Bausteinen. Anschließend erfolgt in weiteren vier Stufen die Einführung der verschiedenen Sulfatgruppen.

Schwierigkeit bei der Synthese der für ein aktives Pentasaccharid notwendigen Monosaccharide darstellt.[34],[35],[36],[37],[38],[39],[40],[41],[42]

Iduronsäure selbst ist nicht kommerziell erhältlich, so dass die Synthese von einem anderen Startmaterial ausgehen muss. Prinzipiell ist Idose als Ausgangsmaterial denkbar, welche über eine Oxidation zur Iduronsäure und eine Funktionalisierung der Hydroxylgruppen zum gewünschte Iduronsäurederivat führen würde. Idose ist jedoch als Edukt zu teuer, weshalb viele Synthesen von preiswerteren D-gluco-konfigurierten Verbindungen ausgehen. Es ist dann ebenfalls eine Funktionalisierung der Hydroxylgruppen und bei Verwendung von Glucose eine Oxidation zur Uronsäure notwendig. Des Weiteren muss die Stereochemie an Position 5 invertiert werden, um von der D-gluco zur L-ido-Konfiguration zu gelangen (Abbildung 1-19). Dieser Schritt hat sich jedoch in vielen Synthesen als problematisch erwiesen.

Bei den Versuchen diese Inversion auf der Stufe eines gluco-konfigurierten Pyranosides, beispielsweise durch eine radikalische Bromierung und anschließender Behandlung mit Tributylzinnhydrid^[36] oder durch die Hydroborierung eines 6-deoxy-gluco-pyranosides^[43], durchzuführen, wurden stets gluco/ido-Produktgemische erhalten. Die Oxidation zum Keton und anschließende Reduktion mit NaBH4 führt zwar in guten Diastereoselektivitäten zur ido-konfigurierten Verbindung, es treten jedoch Pyranose/Furanose-Gemische auf.^[44]

Eine Möglichkeit die Inversion von C5 mit hohen Diastereoselektivitäten zu erreichen, bietet sich auf der Stufe einer gluco-Furanose anhand einer SN2-Reaktion. Dies führt allerdings zu Problemen bei der vollständigen Überführung der furanoiden in die pyranoide Form nach erfolgter Inversion (vgl. Abbildung 1-20).

Abbildung 1-19: Die Inversion der Stereochemie an C5 von D-gluco-konfigurierten Verbindungen führt zu L-ido-konfigurierten Produkten.

Diese in Abbildung 1-21 und Abbildung 1-22 gezeigte, auf einer furanoiden Glucose basierende „klassische“ Synthese geht bereits in die 1980er Jahre zurück^[45] und wurde 2003 von Seeberger et al.^[46] weiterentwickelt.

Als Startmaterial dient ein Glucosederivat, nämlich Diaceton-D-glucose. Die als Furanose vorliegende, geschützte Glucose ermöglicht die selektive Funktionalisierung der 3-Hydroxyl-Gruppe als Benzylether. Anschließend wird selektiv das 5,6-Acetal hydrolysiert und die entstehende primäre Hydroxylgruppe als Silylether geschützt. Dies führt zu einer freien 5-Hydroxylgruppe, die zunächst in das Acetat überführt wird. Die vorher TBS-geschützte primäre Hydroxylgruppe wird wieder freigesetzt und zur Carbonsäure oxidiert. Dies führt zu einem furanoiden Glucuronsäurederivat, das durch Inversion an C5 in das entsprechende Iduronsäurederivat überführt werden kann. Vor der Inversion wird noch die 5-Hydroxylgruppe entschützt und die Carbonsäure in den Methylester überführt.

Abbildung 1-20: Die Inversion von C5 führt bei gluco-Pyranosen meist zu einem Gemisch aus Glucuronsäure und Iduronsäure (oben) und bei gluco-Furanosen zu Furanose/Pyranose-Gemischen, die sich nicht vollständig in die pyranoide Form überführen lassen (unten).

Ausgehend von diesem von Sinay et al. dargestellten furanoiden Glucuronsäurebaustein hat die Gruppe um Peter H. Seeberger in weiteren neun Stufen einen Iduronsäurebaustein synthetisiert, der sowohl als Donor, als auch als Akzeptor eingesetzt werden kann und sich somit zum Einbau in Polysaccharide eignet (Abbildung 1-22).

Abbildung 1-21: Erster Teil der Synthese eines geeignet geschützten Iduronsäurebausteins.^[46] a) NaH, BnBr, THF, Bu4NI; b) aq. HOAc (66%), 40 °C; c) TBSCl, DMAP, CH2Cl2, Pyridin; d) Ac2O, DMAP, Pyridin; e) HF/Pyridin, THF; f) TEMPO (kat.), KBr, Bu4NBr, NaHCO3, NaOCl, CH2Cl2/H2O; g) 4 M NaOH, MeOH, h) MeI, KHCO3, DMF, 65%.

Dabei wird zunächst die 5-Hydroxylgruppe trifliert und anschließend mit Natriumlävulinat in einer SN2-Reaktion substituiert. Diese Inversion führt von der

D-gluco zur L-ido-Konfiguration. Die folgende Entschützung des Lävulinylesters mit Hydrazin in Essigsäure/Pyridin 2:3 und anschließende Entschützung des 1,2-Acetals mit TFA resultiert in der pyranoiden Form des Iduronsäurederivats.

Zur Verwendung dieses Iduronsäurederivates als Akzeptor wurden die 1,2-Hydroxylgruppen erneut als Acetal geschützt, was allerdings zu einem Gemisch aus Pyranose und Furanose im Verhältnis 3.4:1 führte. Die beiden Produkte konnten

Abbildung 1-22: Synthese eines Iduronsäurebausteins nach Seeberger et al.^[46] a) 1. Tf2O, Pyridin, CH2Cl2; 2. LevONa, DMF, 80 °C, 82%; b) 1. N2H4, HOAc, Pyridin, 91%, 2. TFA (90% aq.), quant.;

c) 2-Methoxypropen, DMF; CSA, 20% Furanose, 68% Pyranose; d) Monosaccharid, TBSOTf, 4 Å Molekularsieb, CH2Cl2, -30 °C RT; e) Dichloressigsäure (60% aq); f) Ac2O, CH2Cl2, DMAP, Pyridin; g) 1. BnNH2, Et2O, 0 °C; 2. NCCCl3, DBU, CH2Cl2, 0 °C.

säulenchromatographisch getrennt werden und die pyranoide Form wurde als Glycosylakzeptor eingesetzt. Nach der Kupplung mit einem zweiten Monosaccharid-baustein, auf den hier nicht näher eingegangen werden soll, wurde die Acetalgruppe des Iduronsäurebausteins hydrolysiert und die beiden Hydroxylgruppen als Acetate geschützt.

Nach selektiver Entschützung der 1-Hydroxylgruppe konnte das entsprechende Trichloracetimidat aufgebaut und somit ein Glycosyldonor erhalten werden.

Ein Vorteil dieser „klassischen“ Synthese ist die Tatsache, dass die in Abbildung 1-21 gezeigten ersten acht Stufen in einem Maßstab bis 100 g Edukt problemlos durchzuführen sind. Nachteilig wirken sich jedoch die insgesamt relativ hohe Anzahl an Synthesestufen (17 Stufen bis zum Donor), sowie das Auftreten von Produktgemischen (Furanose/Pyranose) aus, die aufwendig aufgetrennt werden müssen und zu Ausbeuteverlusten führen. Eine Verbesserung der bis dahin vorhandenen Synthesewege eines entsprechend geschütztes Iduronsäurederivats war deshalb weiterhin erstrebenswert.

Im Jahr 2005 wurde eine neue Synthesestrategie von der Gruppe um Peter H. Seeberger publiziert, die als Startmaterial kein Glucosederivat, sondern L-Arabinose verwendet.^[47],[48] Der Schlüsselschritt der in Abbildung 1-23 und Abbildung 1-24 dargestellten Synthese ist eine selektive Aldol-Reaktion nach Mukaiyama.

Abbildung 1-23: Synthese eines Thioacetal-Aldehyden, der später in einer Aldol-Reaktion zum Aufbau von Uronsäurederivaten verwendet werden kann. a) 1. EtSH, konz. HCl, 77%; 2.

2,2-Dimethoxypropan, Pyridinium-p-toluolsulfonat (kat.), Aceton, 81%; b) 1. BnBr, TBAI (kat.), NaH, DMF, 0 °C; 2. AcOH/H2O 1:1, 50 °C, 62%; c) NaIO4, H2O/THF, 0 °C, 82%.

Abbildung 1-24: Aldol-Reaktion als Schlüsselschritt in der Synthese von Uronsäuren. a) BF3*Et2O, CH2Cl2, 0 °C, 93% (1:1:1-Gemisch); b) FmocCl, Pyridin; c) 1. HF*Pyridin, THF; 2. NIS, CH2Cl2, quant.

Zunächst wird die Aldehydfunktion der L-Arabinose in ein Thioacetal überführt, das im finalen Pyranosebaustein gleichzeitig die anomere Abgangsgruppe darstellt.

Anschließend werden die 4- und 5-Hydroxylgruppen als Acetal und die 2- und 3-Hydroxylgruppen als Benzylether geschützt. Die Entschützung des zuvor gebildeten Acetals, gefolgt von einer Periodatspaltung der resultierenden vicinalen Hydroxylgruppen führt zu dem in Abbildung 1-23 gezeigten C4-Aldehyden, der dann einer Mukaiyama-artigen Aldol-Reaktion unterzogen werden kann.

Für den Schlüsselschritt der Synthese wurde der erhaltene Aldehyd mit einem Keten-Acetal nach Yamamoto zur Reaktion gebracht. Mit BF3*Et2O als Lewis-Säure wurde ein 1:1:1 Gemisch dreier Diastereomere erhalten (Abbildung 1-24). Die in dem von Heparin abgeleiteten Pentasaccharid vorkommenden Glucuronsäure- und Iduronsäurebausteine wurden ebenso gebildet wie das Altruronsäurederivat. Das vierte mögliche Diastereomer, die Galacturonsäure, konnte nicht gefunden werden, was sich über einen nicht-chelatisierenden, offenkettigen Übergangszustand erklären lässt. Der zum galacto-konfigurierten Produkt führende Si, Si-Angriff wäre dabei sterisch zu anspruchsvoll.

Das Verhältnis der Produkte konnte durch einen Wechsel der eingesetzten Lewis-Säure verändert werden. So führt zum Beispiel die Verwendung von MgBr2*Et2O ausschließlich zu dem gluco-konfigurierten Produkt. Mit dieser Strategie ist also eine Synthese eines Glucuronsäurebausteins relativ problemlos möglich, bei der Synthese des Iduronsäurebausteins wurden jedoch stets Gemische erhalten, die säulen-chromatographisch getrennt werden müssen und zu Ausbeuteverlusten führen.

Um die erhaltenen offenkettigen Uronsäuren in pyranoide Bausteine zu überführen, wurde zunächst die 4-Hydroxylgruppe Fmoc-geschützt, anschließend die TBS-Schutzgruppe der 5-Hydroxylgruppe mit HF*Pyridin entfernt und eine NIS-vermittelte Cyclisierung zum pyranoiden Uronsäuredonor durchgeführt.

Die hier gezeigten sowie die weiteren in der genannten Literatur zu findenden Iduronsäuresynthesen verdeutlichen die Notwendigkeit, neue, verbesserte Synthesestrategien für diesen Baustein zu entwickeln. Die bisher publizierten Synthesen benötigen alle eine hohe Anzahl an Synthesestufen und führen vergleichsweise häufig zu Produktgemischen, die aufwändig getrennt werden müssen und zu einer niedrigen Gesamtausbeute des gewünschten Produktes führen.