Asymmetrische Synthese neuer Aminosäuren über die Bislactimethermethode

Asymmetrische Synthese neuer Aminosäuren über die Bislactimethermethode

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades des Doktors der Naturwissenschaften

vorgelegt von Carmen Bucuroaia

an der Universität Konstanz

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Sektion Fachbereich Chemie

Tag der mündlichen Prüfung: 6.06.2012 1. Referent: Prof. Dr. U. Groth 2. Referent: Prof. Dr. A. Marx

Konstanzer Online-Publikations-System (KOPS) URL: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:352-199756

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Es ist keine Schande, nichts zu wissen, wohl aber, nichts lernen zu wollen.

Sokrates

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Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Ulrich M. Groth im Fachbereich Chemie der Universität Konstanz angefertigt.

Herrn Prof. Dr. U. Groth danke ich für die herausfordende und interessante Themenstellung sowie die freundliche Betreuung und Unterstützung während dieser Arbeit.

Herrn Prof. Dr. A. Marx danke ich für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens.

Herrn Dr. Thomas Huhn, danke ich für die freundliche Unterstützung und Bereitsstellung einiger Chemikalien.

Bei allen Mitgliedern der Arbeitsgruppe möchte ich mich für das kollegiale Arbeitsklima und die gute Zusammenarbeit bedanken. Meinen Laborkollegen Dana David und Joachim Braun danke ich für die schöne gemeinsame Zeit und für die interessanten Gespräche und Anregungen.

Für das Korekturlesen dieser Arbeit danke ich Frau Dipl.-Chem. Angelika Früh und Joachim Braun.

Danke an allen meinen Mitarbeiterpraktikanten für ihre Arbeit.

Malin Bein danke ich für die Hilfe bei HPLC-Problemen.

Herrn Dipl.-Chem. Dimitri Galetskiy danke ich für die Aufnahme der EI-MS-Spektren.

Ein besonderer Dank gilt auch meiner Familie und Freunde für die moralische Unterstützung während des gesamten Studiums.

iv Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1

1.1 Aminosäuren – Bausteine des Lebens ... 1

1.2 Peptidomimetika... 3

1.3 Modifikationen an Aminosäuren ... 5

1.4 Asymmetrische Synthese von Aminosäuren ... 6

1.5 Asymmetrische C-C Verknüpfungen ... 9

1.5.1 Glycin-α-Anionenäquivalente ... 10

1.5.2 Glycin-α-Kationenäquivalente ... 16

1.6 Bislactimether Verfahren ... 18

1.6.1 Nomenklatur der Isomeren ... 18

1.6.2 Induktion der Stereoselektivität ... 18

1.6.3 Beispiele für das synthetische Potential des Bislactimetherverfahrens ... 20

1.6.4 Neue Bislactimetherauxiliare ... 24

2 Zielsetzung und Syntheseplan ... 28

2.1 Syntheseoptimierung des chiralen Bausteins von Schöllkopf ... 28

2.2 Retro-Aldol-Reaktion und diastereoselektive Protonierung ... 29

2.3 Zielaminosäuren ... 31

3 Ergebnisse und Diskussion ... 34

3.1 Vorbemerkungen ... 34

3.2 Optimierung der Bislactimethersynthese ... 35

3.3 Retro-Aldol-Reaktion und Diastereoselektive Deprotonierung ... 44

3.4 Synthese neuer Aminosäuren ... 58

3.4.1 Pyridylornithine ... 58

3.4.2 Lathyrin und Tetrahydrolathyrin ... 75

4 Zussamenfassung ... 87

5 Experimenteller Teil ... 94

5.1 Allgemeines ... 94

5.2 Synthese von Bislactimethern ... 95

5.3 Alkylierung der Bislactimetherderivate ... 111

5.4 Synthese von Pyridylornithinen ... 125

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5.6 Synthese von Lathyrin ... 155 6 Literatur... 170

vi Abkürzungsverzeichnis

abs. absolut

AIBN Azo-bis-isobutyronitril

Ala L-Alanin

Arg L-Arginin

Asn L-Asparagin

Bn Benzyl

Boc Butoxycarbonyl

BDI 2-tBu-4-OMe-2,5-dihydroimidazol-1-carboxylat

BMI Boc-2-tBu-3-methyl-4-imidazolidinon

BOX Z-2-tBu-4-oxo-oxazolidin

bzw. Beziehungsweise

CAN Cer(IV)-ammoniumnitrat

Cbz Benzyloxycarbonyl

Cys L-Cystein

DC Dünnschichchromatographie

DCM Dichlormethan

DIBAl Diisobutylaluminiumhydrid

DMAP Dimethylaminopyridin

DMEU Dimethylethylenharnstoff

DMPU Dimethylpropylenharnstoff

DNA Deoxyribonucleic Acid

L-DOPA L-3,4-Dihydroxyphenylalanin

EE Essigsäureethylester

GABA Gamma-Aminobutyric Acid

Gln L-Glutamin

GnRH Gonadotropin Releasing Hormon

Glu L-Glutaminsäure

Gly Glycin

HMPT Hexamethylphosphorsäuretriamid

Ile L-Isoleucin

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LDA Lithiumdiisopropylamid

Leu L-Leucin

LHMDS Lithiumhexamethyldisilazid

LSB Lochmann-Schlosser-Superbase

Lys L-Lysin

mCPBA meta-Chlorperbenzoesäure

Me Methyl

MeBMT (2S,3R,4R,6E)-3-OH-4-Me-2-Methylamino-8-

octansäure

MEM Methoxyethoxymethyl

Met L-Methionin

MOM Methoxymethyl

Ms Mesyl

MW Mikrowelle

NBS N-Bromsuccinimid

PE Petrolether

PG Protecting group

Phe Phenylalanin

PMB Paramethoxybenzyl

Pr Propyl

Pro Prolin

Ser Serin

SRS Selbstregeneration von Stereozentren

TBDMS tertButyldimethylsilyl

TMS Trimethylsilyl

tBuOH tertButanol

THF Tetrahydrofuran

Thr L-Threonin

Trp L-Tryptophan

Ts Tosyl

Tyr L-Tyrosin

UHP Urea-Hydrogen Peroxid Komplex

Val L-Val

1 1 Einleitung

1.1 Aminosäuren – Bausteine des Lebens

Die ersten Aminosäuren wurden bereits 1830 isoliert aber erst 1902 entdeckte der Chemiker Emil Hermann Fischer, dass sie die kleinsten Bausteine der Proteine sind. Die Aminosäuren und deren Derivate gehören zu einer der wichtigsten und meist untersuchten Substanzklassen und spielen eine zentrale Rolle in Chemie und Biologie. Aminosäuren sind am Aufbau von Enzymen, Peptiden und Proteinen beteiligt und somit praktisch in allen Organismen vertreten. Für die fundamentale Bedeutung von α-Aminosäuren und ihrer Eigenschaften in der Natur spricht die Bezeichnung Monomerbausteine des Lebens.

Man kann zwischen essentiellen und nichtessentiellen Aminosäuren unterscheiden. Im Gegensatz zu Pflanzen und einer Reihe von Mikroorganismen, die alle für den Aufbau ihrer Zellproteine notwendigen Aminosäuren selbst synthetisieren können, sind tierische Organismen nicht in der Lage, alle Aminosäuren selbst aufzubauen. Essentielle Aminosäuren sind solche, von denen der Organismus eine gewisse Menge über die Nahrung aufnehmen muss. Zu den essentiellen Aminosäuren gehören die verzweigtkettigen (Valin, Leucin, Isoleucin, Threonin) und die aromatischen Aminosäuren (Phenylalanin, Tryptophan). Die als nichtessentiell bezeichneten Aminosäuren können bei Bedarf vom Körper aus anderen Aminosäuren über Transaminierung gebildet werden. Zu den nichtessentiellen Aminosäuren zählt man z.B. Asparagin und Glutamin. Histidin und Arginin sind semiessentiell, d. h. sie müssen nur in bestimmten Situationen von außen zugeführt werden, zum Beispiel in der Wachstumsphase oder bei Mangelerscheinungen. Inzwischen hat sich gezeigt, dass diese

„klassische Einteilung“ nur eingeschränkt zutrifft, weil verschiedene nicht essentielle Aminosäuren bei bestimmten Krankheiten und in verschiedenen Lebenssituationen essentiell werden können.

Die Aminosäuren werden nicht nur als Bestandteil von Peptiden, sondern auch für eigenständige Funktionen benötigt. Viele Organismen benutzen bestimmte Aminosäuren um Stickstoff in Form von Aminogruppen zu transportieren oder als Energiequelle. Oft fungieren Aminosäuren und ihre Derivate als chemische Boten für die Kommunikation zwischen Zellen. Glycin, γ-Aminobuttersäure (GABA, ein Decarboxylierungsprodukt von Glutamat) und Dopamin (ein Tyrosinderivat) sind Neurotransmitter, die von Nervenzellen freigesetzt

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werden, um das Verhalten der umgebenden Zellen zu beeinflussen. Histamin (aus Histidin) ist ein hochwirksamer lokaler Übermittler von allergischen Reaktionen und Thyroxin (ein Tyrosinderivat) ist ein iodhaltiges Schilddrüsenhormon, das den Metabolismus von Vertebraten stimuliert¹.

Abbildung 1: Beispiele für biologisch aktive Aminosäurederivate

Von den über 700 in der Natur entdeckten Aminosäuren gehören zu den proteinogenen (Protein bildenden) nur 20 Aminosäuren, die im genetischen Code angelegt sind². Es gibt auch Aminosäuren, die nicht am Proteinaufbau beteiligt sind, aber dennoch eine wichtige biologische Funktion im Organismus übernehmen; diese sind die nicht-proteinogenen Aminosäuren. Sie können meistens aus Pflanzen, Pilzen oder Mikroorganismen isoliert werden und sind zum Teil Bestandteile von verschiedenen Peptidwirkstoffen oder Peptidantibiotika (Abbildung 2).

Oxytocin (Wehenauslösende Wirkung)

Cyclosporin (Antibiotikum)

Leuprolid (GnRH-Analog) Abbildung 2: Peptide als Arzneistoffe³

3 1.2 Peptidomimetika

Bei dem Einsatz von Peptiden als Wirkstoffe gibt es allerdings bestimmte Hindernisse, die ihre Verwendbarkeit einschränken. Durch ein hohes Molekulargewicht und die hohe Polarität werden die Peptide bei oraler Gabe schlecht resorbiert und weisen eine geringe orale Verfügbarkeit auf. Weiterhin sind die Peptide metabolisch instabil und können nicht an ihren eigentlichen Wirkort gelangen, da sie vorher durch Proteolyse im Magen-Darm-Trakt und im Serum leicht gespalten werden. Ein anderes Problem stellt die biliäre und renale Eliminierung von Peptiden dar.Es ist also ein Ziel der Wirkstoffentwicklung, peptidähnliche Strukturen zu konstruieren, die die positiven Wirkungen der Peptide noch besitzen, aber die genannten Nachteile nicht mehr aufweisen. Die Lösung dieser Problematik verspricht man sich durch den Einsatz von Peptidomimetika.

Die grundlegenden Ansprüche an ein Peptidomimetikum (ein Wirkstoff, der kein Peptid ist aber ihre Wirkung imitiert) bestehen also darin, dass es eine metabolisch ausreichende Stabilität, ein geringes Molekulargewicht zur Erhöhung der oralen Verfügbarkeit sowie eine hohe Rezeptoraffinität besitzt, um eine feste Bindung am Target zu gewährleisten. Es bieten sich verschiedene Möglichkeiten um diese Anforderungen zu erfüllen. Die einfachsten Varianten sind der Austausch von in der Natur vorherrschenden L-Aminosäuren gegen D- Aminosäuren und die Modifizierung der Seitenkette von Aminosäuren. Diese führen zur Steigerung der metabolischen Stabilität. Eine andere Strategie ist die Konformationsstabilisierung durch die Einführung cyclischer Aminosäuren. Eine weitere Stabilisierung der Konformation erfolgt durch die Verwendung von Templaten, die bestimmte Sekundärstrukturen wie β-Schleifen erzwingen können.

Aus pharmakologischer und medizinischer Sicht ist es häufig erwünscht, nicht nur die Wirkung der Peptide auf Rezeptorebene zu imitieren (Agonismus), sondern auch bei Bedarf den Rezeptor zu blockieren (Antagonismus). Für peptidische Antagonisten gelten dieselben pharmakologischen Überlegungen, wobei hinzukommt, dass ihre Entwicklung in Ermangelung von Leitstrukturen schwieriger ist. Bis heute ist nicht eindeutig geklärt, welche Faktoren für die agonistische und welche für die antagonistische Wirkung ausschlaggebend sind. In den vergangenen Jahren wurde verstärkt versucht, Peptidomimetika zu entwickeln, die günstigere pharmakologische Eigenschaften haben als ihre Vorbilder⁴.

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Das klassische Beispiel ist Morphin 1 (Opioidalkaloid), ein nichtpeptidisches Mimetikum des körpereigenen aus 31 Aminosäuren bestehenden β-Endorphins 3. Es bindet als Agonist an den Opiatrezeptor. Es ist also möglich, ein relativ großes Peptid durch eine niedermolekulare Verbindung zu ersetzen, wenn beide Verbindungen die gleiche Erkennungsstelle am Rezeptor besitzen. Eine höhere Affinität und Selektivität zum μ-Opioidrezeptor weist Dermorphin 2, ein Naturstoff isoliert aus dem in Südamerika lebenden Makifrosch, auf. Es ist ein peptidisches Mimetikum das einen D-Alaninrest enthält. Bei der synthetisch hergestellten Variante, in der das D- durch das L-Alanin ersetzt wurde, konnte interessanterweise keine biologische Aktivität mehr nachgewiesen werden⁵.

1 Tyr-D-Ala-Phe-Gly-Tyr-Pro-Ser

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Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-Thr-Ser-Glu-Lys-Ser-Gln-Thr-Pro-Leu-Val- Thr-Leu-Phe-Lys-Asn-Ala-Ile-Ile-Lys-Asn-Ala-Tyr-Lys-Lys-Gly-Glu

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Abbildung 3: Morphin 1, Dermorphin 2 und β-Endorphin 3

Peptidomimetika können entweder durch umfangreiches Screening von chemischen Verbindungen aus Probesammlungen von Bakterienkulturen oder von Pilz-Metaboliten entdeckt oder durch Design entwickelt werden. Es ist wichtig, die essentiellen Bestandteile für Rezeptorinteraktionen oder Faltung des Peptids zu identifizieren. Dies kann zum Beispiel durch einen Alanin-Scan erreicht werden. Beim Alanin-Scan wird nacheinander jede Aminosäure des Peptids durch Alanin ersetzt und überprüft, ob sich die Wirkungsweise des Peptids dadurch verändert. Verschlechtert sich diese durch Austausch einer Aminosäure durch Alanin, so bedeutet das, dass diese Aminosäure essentiell ist. Auf diese Weise kann das Peptid sequentiell getestet werden und am Ende kennt man die Bestandteile, die für die Aktivität des Peptids verantwortlich sind, und auf die sich das Peptidomimetikum in seiner

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Ausgangsform beschränken kann. Wenn die Bedeutung der einzelnen Aminosäuren bekannt ist, kann man versuchen, die biologische Aktivität des Peptids durch Modifikationen von Aminosäuren zu verbessern. Es ist beispielsweise möglich, dass eine unnatürliche Aminosäure das aktive Zentrum besser ausfüllt und somit eine verbesserte Aktivität zeigt.

1.3 Modifikationen an Aminosäuren

Die Synthese nicht natürlicher, das heißt nicht durch DNA codierter α-Aminosäuren ist in den letzten Jahren vielfältig erforscht worden, da sie häufig interessante pharmakologische Eigenschaften aufweisen. Insbesondere zeichnen sich nicht natürliche α-Aminosäuren meist durch eine höhere Stabilität gegenüber dem enzymatischen Abbau aus und sie schränken durch starre Strukturelemente die konformative Flexibilität ein.

Abbildung 4: Modifikationen der Aminosäuren in Peptidomimetika

Zahlreiche Möglichkeiten zur Synthese von konformativ eingeschränkten und/oder metabolisch stabilen Peptidomimetika bestehen auf der Ebene der Aminosäuren. So ist der systematische Austausch einzelner Aminosäuren durch α-C-alkylierte, N-alkylierte und durch D-Aminosäuren üblich. Darüber hinaus können auch α,β-ungesättigte, cyclische und β- Aminosäuren sowie Aminosäuren mit sterisch anspruchsvollen Seitenketten eingeführt werden (Abbildung 4). In Abbildung 5 werden einige metabolisch stabile Analoga von Phenylalanin dargestellt. Durch Substitution in para-Position mit Fluor oder Methoxygruppe kann eine mögliche Hydroxylierung an den Aromat unterdrückt werden. Die Stabilität kann durch Einführung zusätzlicher Substituenten (Methylgruppe oder Phenylring) in der β- Position oder durch verschiedene Cyclisierungen weiter erhöht werden³.

6 Abbildung 5: Bekannte Phenylalaninmimetika 1.4 Asymmetrische Synthese von Aminosäuren

Die Chiralität (abgeleitet von griechisch χείρ „Hand“) der Biomoleküle ist eines der wichtigsten Grundprinzipien der Natur und gleichzeitig eines der großen Geheimnisse dieser Zeit. Die Natur ist in den meisten Fällen in der Lage, von den beiden Enantiomeren (Bild und Spiegelbild) ausschließlich ein einziges hervorzubringen (zum Beispiel fast alle natürlichen Aminosäuren liegen in der L-Konfiguration vor und es gibt keine Mischung von L und D- Isomeren).

Lange bevor Enantiomere chemisch rein isoliert werden konnten, war der Mensch selbst in der Lage diese zu unterscheiden, weil die Geschmackssensoren (Rezeptoren) auch chiral sind. Die bekanntesten Beispiele hierzu sind die Terpene Limonen und Carvon (Abbildung 6). (R)-(+)-Limonen duftet süßlich und nach Orange, während das (S)-(–)-Limonen scharf und nach Limone riecht. In gleicher Weise ist es möglich zwischen dem Geruch grüner Minze und jenem von Kümmel zu unterscheiden, obgleich es sich wiederum um zwei Enantiomeren von Carvon handelt. Die Enantiomeren von Aminosäuren besitzen auch einen unterschiedlichen Geschmack, so schmecken die meisten D-Aminosäuren süß, während die L-Aminosäuren bitter oder fast geschmacklos sind.

7 Abbildung 6: Limonen, Carvon und Asparagin

Die Enzyme sind oft in der Lage nur ein bestimmtes optisches Isomer zu erkennen, zu binden und damit zu interagieren und somit ist es nicht verwunderlich, dass Enantiomerenpaare sich in biologischen Reaktionen unterschiedlich verhalten. Abbildung 7 zeigt anhand dreier Beispiele aus der pharmazeutischen Chemie die Unterschiede in der Wirkung chiraler Arzneistoffeauf den menschlichen Organismus⁶.

Abbildung 7: Chirale Pharmazeutika

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Seit der Contagan^® Tragödie ist bekannt wie drastisch solche Unterschiede sein können.

Thalidomid (Contagan®) war in den 1960ern als Mittel gegen Übelkeit in der Schwangerschaft erhältlich. Erst 20 Jahre später wurde erkannt, dass nur das (R)-(+)- Enantiomer lindernde Wirkung hat, während das (S)-(–)-Analogon allerdings schwer teratogen ist⁷.

Eine der Hauptaufgaben bei der chemischen Synthese von Wirkstoffen mit Aminosäurestrukturen ist es, Methoden zu entwickeln, die den Zugang zu den Aminosäuren in beiden enantiomeren Formen und in hohen optischen Reinheiten ermöglichen. Für die Herstellung chiraler Aminosäuren haben sich vier Strategien durchgesetzt⁸. Die biotechnologischen Methoden (durch Isolation aus dem Proteinhydrolysat, durch Fermentation oder durch mutagene Bakterien) sind eher geeignet um den Bedarf an Aminosäuren weltweit zu decken. Ca. 2,3 Millionen Tonnen Aminosäuren werden im Jahr produziert (stand November 2004⁹), davon allein ca. 1,5 Millionen Tonnen Natriumglutamat, das zum Würzen von Speisen verwendet wird. Da nur wenige Aminosäuren aufgrund ihrer ernährungsphysiologischen Eigenschaften von wirtschaftlichem Interesse sind, können nicht alle Aminosäuren großtechnisch dargestellt werden. Die Trennung von racemischen Gemischen ist entweder klassisch wie Pasteur 1844 oder kinetisch mit Enzymen oder chiralen Reagenzien möglich und ist eine kosten- und entsorgungsintensive Methode.

Zu den chemischen Synthesen zählen zwei wichtige, weitaus ökonomischere und ökologischere Verfahren: Die Synthese mit Reagenzien aus dem „chiral pool“ (meistens Aminosäuren, Kohlenhydrate, Alkaloide und Terpene)¹⁰ und die asymmetrische Synthese.

Vor allem die asymmetrische Synthese, bei der enzymatische, stöchiometrische und katalytische Methoden zu unterscheiden sind, hat inzwischen besonders große Bedeutung erlangt. Zur Synthese von geringen Mengen unnatürlicher und häufig sehr spezieller Aminosäuren kommen asymmetrische Verfahren erfolgreich zum Einsatz.

Der Begriff „Asymmetrische Synthese“ wurde erstmals 1904 von Marckwald wie folgt definiert: “Asymmetrische Synthesen sind solche, welche aus symmetrisch konstituierten Verbindungen unter intermediärer Benutzung optisch aktiver Stoffe, aber unter Vermeidung jedes analytischen Vorganges, optisch aktive Substanzen erzeugen“¹¹.

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Die Methodenfür die asymmetrische Synthese von Aminosäuren lassen sich in vier große Kategorien, die fast alleauf C-C- und C-N-Verknüpfungsreaktionen beruhen, unterteilen¹². In Abbildung 8 sind die allgemeinen stereoselektiven Synthesemöglichkeiten von α- Aminosäuren zusammengefasst:

a) asymmetrische Strecker Synthese b) Alkylierung chiraler Glycinäquivalente

c) Aminierung geeigneter Vorstufen: elektrophile Aminierung von Enolaten und nukleophile Aminierung von α–substituierten Carbonsäuren

d) asymmetrische Hydrierung von achiralen Dehydroaminosäurebausteinen in Gegenwart optisch aktiver Katalysatoren

Abbildung 8: Ansätze zur Synthese von α-Aminosäuren⁸

1.5 Asymmetrische C-C Verknüpfungen

Aus diesen bekannten Methoden der asymmetrischen α-Aminosäurensynthesen werden nur einige, die im näheren Bezug zu dieser Arbeit stehen, vorgestellt und zwar die Synthesen, bei denen in α-Position eines chiralen Glycinäquivalents entweder durch nukleophile oder elektrophile Substitution unter Bildung eines neuen Chiralitätszentrums Reste eingeführt werden (Abbildung 9). Als die einfachste Aminosäure, bietet Glycin durch eine asymmetrische Derivatisierung eine vielseitige Anwendbarkeit in der Synthese enantiomerenreiner Aminosäuren.

10 Abbildung 9: Glycinderivatisierungstypen¹³

1.5.1 Glycin-α-Anionenäquivalente

Ein sehr bekanntes und erfolgreiches Beispiel für Glycin-α-Anionenäquivalente stellt der von Schöllkopf entwickelte chirale Baustein der Bislactimether dar. Er ist der älteste und bekannteste Baustein und wurde 1981 entwickelt¹⁴. Die neue Methode für die asymmetrische Synthese von verschiedensten α-Aminosäuren wurde als Bislactimetherverfahren bekannt und galt lange Zeit bezüglich Variabilität und Steroselektivität als konkurrenzlos.

Die Bislactimether entstehen durch Kondensation zweier Aminosäuren zum Diketopiperazin und O-Alkylierung mit Trimethyloxoniumtetrafluoroborat (Methyl-Meerweinsalz). Der Schlüsselschritt in diesem Bislactimetherverfahren ist die baseninduzierte Umsetzung mit Elektrophilen. Der Angriff erfolgt auf der weniger gehinderten Oberseite, die Unterseite wird durch den Alkylsubstituenten des verbleibenden Stereozentrums abgeschirmt. Die hydrolytische Spaltung gelingt unter schonenden Bedingungen und liefert die Aminosäure in bis zu 95% optischer Reinheit. Der chirale Hilfsstoff kann destillativ oder chromatographisch entfernt werden. Die Konfiguration der gewünschten Aminosäure ist von der Stereochemie des Bislactimethers abhängig.

Als chirales Auxiliar dient eine enantiomerenreine Aminosäure, besonders erfolgreich wurden Valin und tert-Leucin verwendet¹⁴. In Abbildung 10^a ist der Syntheseweg dieser Verbindungen genauer beschrieben. Aus L-Valin wurde das L-Val-Gly-Dipeptid dargestellt, das weiter zu Diketopiperazin (oder Bislactam) kondensiert. Die O-Alkylierung liefert den Hauptbaustein.

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Nach der regiospezifischen Metallierung im Glycinteil, in der Regel mit nBuLi, reagiert das Lithiumazaenolat mit Alkyl- und Arylhalogeniden mit zum Teil > 95% Diastereoselektivität.

Der Rest tritt trans zur Isopropylgruppe an C₆ ein, d. h. an C₃ wird die (R)-Konfiguration induziert.

Abbildung 10^a: Bislactimethermethode

Abbildung 10^b: Bislactimether

Weitaus der bekannteste und am meisten untersuchte Bislactimether wurde aus cyclo-L-Val- Gly erhalten und ist in beiden Enantiomerenformen kommerziell erhältlich (Abbildung 10^b).

Eine weitere wichtige Klasse stellen die Glycinderivate, synthetisiert durch asymmetrische Enolat Alkylierungen von Schiff’schen Basen, dar. McIntosh und Mitarbeiter berichteten über die Anwendung von Campheriminderivaten¹⁵. Diese Imine werden durch Glycinesterfunktionalisierung über ihre Aminofunktion mit einer Carbonyl- oder besser Thiocarbonylgruppe von Campherderivaten dargestellt (Abbildung 11). Mit starken Basen werden die Enolate generiert und dann weiter mit Elektrophilen alkyliert. Die Nachteile dieses Systems liegen in der eingeschränkten Wahl der Elektrophile (gute Stereoselektivitäten nur für Elektrophile, die π–π Wechselwikungen mit dem Enolat eingehen) und in den

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drastischen Bedingungen bei der Hydrolysereaktion. Die Glycinderivate können auch über ihre Säurefunktion zu Amiden oder Estern mit Naturstoffen, die eine freie Amino- oder Hydroxylgruppe enthalten, funktionalisiert werden. Ein Beispiel wurde von Katsumi entwickelt^16,17 als Pyrolidinderivat (Abbildung 11).

Abbildung 11: Asymmetrische Enolat Alkylierungen von Schiff’schen Basen

Ein anderes Beispiel für chirale Glycinenolate aus Campherderivaten wurde von Lu et.al.

2003 veröffentlicht¹⁸. Das chirale Templat, ein tricyclisches Iminolacton wurde aus (R)- Campher in 5 Stufen mit 50% Gesamtausbeute synthetisiert. Durch eine selektive Reduktion des Campherchinons sind beide Aminosäurenenantiomere zugänglich¹⁹ (Abbildung 12). Die Vorteile dieser Methode sind die sehr guten Diastereoselektivitäten, die bei der Alkylierung erhalten wurden (über 98%) und die Anwendung eines einzigen Chiralausgangsstoffs für die Synthese beider Enantiomere.

Abbildung 12: Synthese beider Aminosäuren möglich durch variable Regiochemie am chiralen Auxiliar

1985 berichtete Belokon²⁰ über Metalkomplexe, die auch zum Bereich der Glycinelektrophilen gehören. Die Komplexe werden unter Standard- Peptidkupplungsbedingungen aus N-Benzylprolin, ortho-Aminoacetophenon und Glycin gefolgt von Kupfer oder Nickel Komplexierung dargestellt²¹ (Abbildung 13, A). Durch milde Deprotonierung (z.B. mit Triethylamin oder Natriummethanolat) und Aldolkondensation können β-hydroxy-substituierte Aminosäuren erhalten werden. Weitere interessante

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Glycinbausteine sind von Myers^22,23, ein Pseudoephedringlycinamid B (Abbildung 13), entwickelt worden. Zunächst wird Pseudoephedrin mit Glycin acyliert und nach einer Deprotonierungs-Alkylierungs-Hydrolyse-Sequenz können die enantiomerenreinen freien Aminosäuren erhalten werden.

Abbildung 13: Glycinenolate

Ein anderes sehr effizientes Verfahren für die asymmetrische Synthese von Aminosäuren ist die von Seebach²⁴ ausgearbeitete Methode, die als „Selbstreproduktion der Chiralität“

bezeichnet wird. Im Gegensatz zu anderen Methoden wird die Chiralität des Bausteins nicht über ein chirales Auxiliar erzeugt, es wird kein anderer optisch aktiver Hilfsstoff außer Ausgangsstoff benötigt. Für die Methode wird als Ausgangsprodukt eine chirale Aminosäure wie L-Prolin verwendet (Abbildung 14). Durch Kondensation mit Pivalaldehyd wird L-Prolin in das Oxazolidinonderivat überführt, das sich dann nach Deprotonierung stereoselektiv alkylieren lässt. Der Angriff des Elektrophils am Enolat wird von der tert-Butylgruppe auf die ihr gegenüberstehende Seite dirigiert, wodurch die Konfiguration am reaktiven Zentrum festgelegt wird. Nach der Hydrolyse mit Bromwassersoff konnten Prolinderivate erhalten werden.

Abbildung 14: Selbstregeneration von Stereozentren

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Diese Methode kann nicht nur für die Synthese von Prolinderivaten sondern auch für andere, nicht cyclische Aminosäuren angewendet werden²⁵. Dafür hat Seebach einen universell einsetzbaren chiralen Glycinbaustein, Boc-BMI (Boc-2-tert-Butyl-3-methyl-4- imidazolidinon) B entwickelt^26,27 (Abbildung 15). Das ungeschützte cyclische Acetal von Glycinmethylamid und Pivalaldehyd wurde nach einer Racematspaltung über diastereomere Salze mit Mandelsäure erhalten. Die enantiomerenreinen Bausteine (R)-BMI oder (S)-BMI konnten nun zu den entsprechenden Boc-BMI derivatisiert werden. Diese Systeme erfordern relativ drastische Hydrolysebedingungen wie z.B. den Einsatz von Säuren bei hohen Temperaturen.

Um das Problem zu lösen, wurden Oxazolidinone, die viel leichter zu den Aminosäuren hydrolysiert werden können als analoge Imidazolidinone, eingeführt^28,29. Der BOX (Z-2-tert- Butyl-4-oxo-oxazolidin) Baustein C (Abbildung 15) hat zwei entscheidende Nachteile: Die freien Oxazolidinone können nicht über diastereomere Salze in die Enantiomeren getrennt werden, weil sie zu instabil sind und werden durch präparative chromatographische Enantiomerentrennung gewonnen. Bei der NO-Heterocyclusanwendung ist man bei den Deprotonierungsreagenzien und Schutztruppen wegen der Enolatlabilität eingeschränkt.

Durch Verwendung von Lithiumhexamethyldisilazid (LHMDS) als Base und durch Wahl geeigneter Acylgruppen am Stickstoffatom der Oxazolidinone können relativ stabile Enolate erzeugt werden.

Durch Abwägen dieser Vor- und Nachteile wurde ein neuer und besserer Glycinbaustein gefunden.³⁰ BDI (2-tert-Butyl-4-methoxy-2,5-dihydroimidazol-1-carboxylat) D (Abbildung 15) ist ein Hybrid aus BMI B und dem Bislactimether von Schöllkopf A (Abbildung 15). Die resultierenden Vorteile sind sehr gute Diastereoselktivitäten bei den mono- und di-alkylierten Produkten, milde Reaktionsbedingungen bei der Hydrolyse und einfache Entfernung des Nebenprodukts direkt während der Aufarbeitung (der nach Hydrolyse entstandene Pivalaldehyd ist leicht flüchtig und wird zusammen mit dem Lösungsmittel entfernt).

Abbildung 15: Wichtige Glycinbausteine

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Neben Seebachs chiralen Oxazolidinonen und Imidazolidinonen wurden noch andere ähnliche cyclische Systeme entwickelt. Die von Williams¹³ und Dellaria³¹ berichteten Diphenyloxazinone oder 5,6-Diphenylmorpholin-2-on-derivate stellen eine andere wichtige Klasse der chiralen Glycinäquivalente dar (Abbildung 16). Das Glycinenolat entsteht durch Deprotonierung nur mit Silazidbasen, wie NaN(SiMe₃)₂ oder LiN(SiMe₃)₂ und unter speziellen Bedingungen (genaue Temperaturen, bestimmte Zugabereihe von Reagenzien).

Das Enolat liegt in einer „twist-boat“ Konformation vor, der si-Seitenangriff wird bevorzugt und das Elektrophil kann mit hoher Selektivität von der nicht abgeschirmten Seite (anti zum Phenylring in der 5-Position) angreifen. Durch Auswahl geeigneter Bedingungen für die Hydrolyse können entweder die geschützten oder direkt die freien Aminosäuren erhalten werden³².

Abbildung 16: Williams Oxazinonderivate

Es wurde eine große Anzahl von vielseitig anwendbaren Glycinenolaten entwickelt aber etabliert haben sich insbesonders flexibel einsetzbare chirale Bausteine, die die Einführung unterschiedlicher Funktionalitäten und Substituenten erlauben. Immer neue Problemstellungen zeigen die Limitierungen der bestehenden Methoden auf und erfordern die Erarbeitung neuer Strategien.

16 1.5.2 Glycin-α-Kationenäquivalente

Im Glycin Fragment weist der α–Kohlenstoff die Kapazität zur Bildung von Carbanionen, Kationen und Radikalen auf (Abbildung 17), da das flankierenden Stickstoffatom und die Carbonylfunktion aufgrund der möglichen Resonanzstabilität und dipolaren Wechselwirkung stabilisierend wirken.

Abbildung 17: Glycinäquivalente

Der klassische Bislactimether von Schöllkopf tritt nicht nur als Glycinenolat auf, sondern auch als elektrophiles Glycinäquivalent, das sich mit Nukleophilen alkylieren lässt. Um die Reaktivität am Methylenkohlenstoff umzupolen, wird der Bislactimether mit Hexachlorethan chloriert und das entstandene Produkt sofort mit verschiedenen Malonsäureesterderivaten weiter umgesetzt um die Eliminierung von Salzsäure zum aromatischen 2,5- Dimethoxypiperazin zu vermeiden³³.

Abbildung 18: Bislactimether als elektrophiles Glycinäquivalent

Elektronenreiche aromatische Verbindungen können durch Friedel-Crafts Reaktionen in Gegenwart von Zinn(IV)-chlorid mit dem chlorierten Bislactimether reagieren und zu

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verschiedenen optisch-aktiven Arylglycinen führen. Sie sind wegen ihrer potentiellen biologischen Aktivität und als pharmakophor Bausteine sehr interessant Die Hauptnachteile dieser Methode sind die Instabilität des Bislactimetherchlorids und die Entstehung des aromatischen Piperazins als Nebenprodukt (Abbildung 18).

Die Glycinbausteine von Seebach können ebenfalls über eine Deprotonierungs-Alkylierungs Sequenz sowohl als Glycin-α-Anionäquivalente als auch durch Bromierung und Umsetzung mit Nukleophilen als Glycin-α-Kationäquivalente genutzt werden.

Ein anderes Beispiel für ein elektrophiles chirales Glycinäquivalent ist das Diphenyloxazinon von Williams. Weil es in allen drei Formen auftreten kann (Abbildung 17) wurde das System ausgiebig untersucht. Beide Diastereomere können ausgehend von Benzoin über sechs einfache Synthesestufen dargestellt werden. Mit NBS oder tert-Butylhypochlorit werden die entsprechenden halogenierten anti-Produkte erhalten.

Abbildung 19: Williams Oxazinon als Glycin-α-Kationäquivalent

Nach der Halogenierung und Aktivierung des Systems mit Lewissäuren, können Nukleophile mit guten Ausbeuten und sehr guten Selektivitäten eingeführt werden (Abbildung 19). Als besonders geeignet für die Reaktion erwiesen sich organometallische Verbindungen, die leicht basisch und elektronenreiche Nukleophile sind (z.B. Allylsilanderivate)^34,35.

18 1.6 Bislactimether Verfahren

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Bislactimethermethode für die asymmetrische Synthese von α-Aminosäuren näher vorgestellt.

1.6.1 Nomenklatur der Isomeren

Die nach Schöllkopf synthetisierten disubstituierten 2,5-Dihydropyrazine werden nach der R/S-Nomenklatur und der cis/trans-Nomenklatur benannt (Abbildung 20).

Abbildung 20: Nomenklatur der 2,5-Dihydropyrazinisomeren (für R =Alk, Aryl)

Bei trans-Isomeren befinden sich die Isopropylgruppe und die eingeführte Gruppe auf unterschiedlichen Seiten der Ringebene. Dagegen sind bei cis-Isomeren beide Substituenten auf der gleichen Seite der Ringebene angeordnet.

1.6.2 Induktion der Stereoselektivität

Es gibt verschiedene chirale Hilfsstoffe, wie in Kapitel 1.4 beschrieben, für die Aminosäurensynthese. Die chiralen Auxiliare werden stöchiometrisch zum Edukt eingesetzt und legen den stereochemischen Verlauf der Reaktionen durch das Blockieren einer Seite des Moleküls fest. Die Synthese chiraler Auxiliare geht meist auch vom chiralen Pool aus. Die meisten chiralen Hilfsstoffe sind kleine heterocyclische Verbindungen mit sperrigen funktionellen Gruppen, die die Konformation des Ringssystems kontrollieren. Unter idealen Bedingungen sollte die Konformation des Auxiliars gezwungen sein die Reaktion eines

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Reagenzes mit seinem prochiralen Zentrum über diatereomere Übergangszustände, die so unterschiedlich in der Energie sind, dass nur ein einziges Diastereomer gebildet wird, zu gewährleisten.

Die Bislactimetheralkylierung wird über eine 1,4 asymmetrische Induktion kontrolliert. Um die sehr gute Diastereoselektivität zu erklären, wurde angenommen, dass die Lithiumverbindung ein planares Dihydropyrazinanion enthält, dessen diastereotope Seite besonders wirksam durch die vergleichsweise große Isopropylgruppe abgeschirmt ist.¹⁴ Für den Übergangszustand hat Schöllkopf eine „gefaltete“ Konformation postuliert, wobei sich der Rest R‘ über dem heterocyclischen Anion befindet und somit dem induzierenden Zentrum besonders nahe kommt¹⁴ (Abbildung 21). Es ist ein Gleichgewicht zwischen den beiden diastereomeren Ionenpaaren, das aus sterischen Gründen auf die linke Seite verschoben ist.

Abbildung 21: Asymmetrische Induktion

Die Faktoren, die die Stereoselektivität kontrollieren, sind eine komplexe Funktion der sterischen und elektronischen Wechselwirkungen, die zusammen die stereochemische Information aus dem stereogenen Zentrum übertragen.

Sobald die chirale Information auf das Molekül transferiert wurde, wird das chirale Auxiliar entfernt. Nachteil dieser Methode ist, dass die Auxiliare quantitativ zugesetzt werden müssen

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und, auch wenn einige nach der Reaktion wiedergewonnen werden können, dafür ein zusätzlicher Trennschritt notwendig ist.

1.6.3 Beispiele für das synthetische Potential des Bislactimetherverfahrens

1981 haben Schöllkopf und Mitarbeiter das Bislactimetherverfahren eingeführt. Diese Systeme bieten ein leistungsstarkes und vielseitiges Werkzeug für die Herstellung einer Vielzahl von Aminosäuren in optisch aktiver Form.

Die Bislactimether sind cyclische Derivate natürlicher Aminosäuren. Der symmetrische Lactimether aus cyclo-L-Ala-L-Ala wurde als erstes entdeckt^12,36,37 und für die asymmetrische Synthese von α-methyl-substituierten Aminosäuren erfolgreich eingesetzt (Abbildung 22). Die einzige Einschränkung dieses Verfahrens ist die Darstellung von Aminosäuren, die säurelabile Seitenketten enthalten. Die langsam ablaufenden Hydrolysereaktionen und die Trennung der Hydrolyseprodukte können sich auch als problematisch erweisen, aber durch verschiedene Konzentrationen an Säure und durch intensive chromatographische Reinigung lassen sich diese Probleme lösen.

Abbildung 22: Asymmetrische Synthese von α-Methyl-Aminosäuren aus cyclo-L-Ala-L-Ala

Nach dem beschriebenen Standardprotokoll wurde eine ganze Reihe an neuen Bislactimethern synthetisiert und untersucht. Der klassische Schöllkopf Baustein verwendet L-Valin als chirales Auxiliar, das mit Glycin kondensiert wird. Der Bislactimether aus cyclo- L-Val-Gly ist der am häufigsten verwendete chirale Baustein.Die Anzahl der möglichen

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Kombinationen von Aminosäuren um Bislactimether darzustellen ist beeindruckend. Auf der Suche nach chiralen Auxiliaren, die sowohl kostengünstig sind und höhere asymmetrische Induktion in der Alkylierung erzielen, wurden die folgenden Bausteine (Abbildung 23) verglichen.

Abbildung 23: Symmetrische und asymmetrische Bislactimethersysteme

Die Systeme abgeleitet von O,O-Dimethyl-α-methyl-DOPA und Glycin³⁸ A, L-Valin und Alanin³⁹ B, L-tert-Leucin und Glycin⁴⁰ C, L-Leucin und L-Leucin⁴¹ D und L-iso-Leucin und Glycin⁴² E haben sich als vielseitig einsetzbare Glycinbausteine in der asymmetrischen Synthese von α-Aminosäuren erwiesen. Der Baustein A erzielt bessere Ergebnisse mit einigen Alkylierungsmitteln im Vergleich zu dem klassischen L-Val-Gly Auxiliar. Der L- Val-Ala Bislactimether B ist einer der nützlichsten Reagenzien, verfügbar für die Synthese einer breiten Palette von α-methylierten Aminosäuren, die von großem aktuellem biomedizinischem Interesse sind. Die Bausteine C und D haben sich als besonders effizient erwiesen, aber die relativen Kosten und Verfügbarkeit des tert-Leucins beschränken die Nutzung dieser hervorragenden Bislactimether. Das letzte Beispiel aus iso-Leucin E gab relativ enttäuschende Ergebnisse.

Eine Vielzahl von Publikationen, die die Effizienz der Bislactimether Methodik zeigt, erschien in den letzten Jahren und wird im Folgenden kurz zusammengefasst. Als elektrophile Reagenzien werden nicht nur die klassischen Allyl-, Propargyl-, Benzyl- und Alkylhalogenide, sondern viele Carbonylverbindungen eingesetzt. Das erste Beispiel für die Synthese β-γ-ungesättigter Aminosäuren stellt die (R)-β-Methylenphenylalanin-Synthese dar⁴³ (Abbildung 24). Durch Aldoklondensation mit Acetophenon und Eliminierung mit

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Thionylchlorid in Anwesenheit von 2,6-Lutidin entsteht das gewünschte Produkt und das α- β-Dehydro-Derivat im Verhältnis 80:20. Ähnlich können auch α-substituierte-β-γ- ungesättigte Aminosäuren dargestellt werden.

Abbildung 24: Synthese von (R)-β-Methylenphenylalanin

Die Aldolkondensation zwischen verschiedenen α-β-ungesättigten Aldehyden und dem Ti- Enolat des Bislactimsethers geben die 1,2 Additionprodukte, geschützt als Acetate oder MEM-Ether. Nach der Hydrolyse entstehen je nach Schutzgruppe zwei Aminosäuren, die wichtige MeBMT Analoga für die Cyclosporinsynthese⁴⁴ sind. Cyclosporin ist ein Immunosupressivum und wird verwendet in der post-allogenen Organtransplantation um die Aktivität des Immunssystems des Patienten zu reduzieren und um so die Abstoßungsreaktionen des Organismus zu unterdrücken.

Abbildung 25: MeBMT und Synthese MeBMT Analoga

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Optisch aktives α-Methylprolin wurde von Seebach et.al.²⁶ aus natürlichem Prolin in einer asymmetrischen Synthese hergestellt. Die Synthese hat den Nachteil, dass sie nicht ohne weiteres auf Ringhomologe übertragbar ist, weil Homologe des Prolins im „chiral pool“ der Natur fehlen. Nach der Bislactimethermethode gelang Schöllkopf eine variierbare asymmetrische Synthese von Prolin-Analoga⁴⁵, die wegen ihrer potentiellen biologischen Aktivität als kompetitive Enzymhemmer interessant sind. Dabei werden die cyclischen Aminosäuren durch diastereoselektive Alkylierung aufgebaut. Die Synthese geht von dem kommerziell erhältlichen Bislactimether von cyclo-L-Val-Ala aus und führt zu 2-Methyl-1- azacycloalkan-2-carbonsäuren (Abbildung 26).

Abbildung 26: Asymmetrische Synthese cyclischer Aminosäuren nach Schöllkopf

Das Bislactimetherverfahren hat sich als eine wertvolle Methode für die Synthese proteinogener und nichtproteinogener Aminosäuren bewiesen. Damit können neben den normalen Aminosäurederivaten auch exotischere Aminosäuren wie zum Beispiel β-fluoro-

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substituierte Aminosäuren, β-γ-epoxy-Aminosäuren, deuterierte Aminosäuren, cyclopropyl- Aminosäuren und aus Naturstoffen isolierte Verbindungen synthetisiert werden¹². Ein Beispiel für die letzte Kategorie wäre die Synthese von Clausenamid, verwendet in der traditionellen chinesischen Medizin. Clausenamid wird aus Clausena lansium (Baum aus Südasien) extrahiert und zeigt eine hohe Wirksamkeit bei der Verbesserung der LTP (long- term potentiation, Phänomen bei den Synapsen von Nervenzellen) und nootropische Aktivität im Tierversuch (die sogenannten Antidementiva oder Nootropika, für die Behandlung von Demenz). Durch Michael Addition vom Lithium-Enolat des Bislactimethers an Zimtsäuremethylester und nach der Hydrolyse erhalten Hartwig und Born⁴⁶ das Pyrrolidonderivat, das weiter zum (+)-Clausenamid umgesetzt wird, wie in Abbildung 27 dargestellt.

Abbildung 27: Clausenamidsynthese nach Hartwig und Born

Die Patentliteratur enthält eine Vielzahl von weiteren Beispielen für die Anwendbarkeit dieser Methode in der Synthese von wichtigen Aminosäuren die hier nicht mehr angesprochen werden.

1.6.4 Neue Bislactimetherauxiliare

Seit seiner Einführung im Jahr 1981, hat sich der Bislactimether von Schöllkopf als leistungsstarker chiraler Hilfsstoff für die Synthese von α-Aminosäuren bewiesen.

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Ausgehend von dem klassischen Bislactimether wurde eine Vielzahl von anderen ähnlichen Bausteinen entwickelt und für die Synthese von Aminosäuren und Dipeptiden verwendet.

1998 wurde über das Diketopiperazinderivat (S)-N,N‘-(Bis-methoxybenzyl)-3- isopropylpiperazin-2,5-dion als neues „chiral relay auxiliary“ berichtet⁴⁷.

Um die Scale-Up Probleme in der Synthese bekannter Auxiliare zu lösen, wurden mehrere modifizierte Diketopiperazine, die sich sehr einfach und im großen Maßstab synthetisieren lassen, untersucht. Der große Vorteil dieser neuen Klasse von chiralen Auxiliaren gegenüber dem Bislactimether ist, dass sie hochkristalline und sehr robuste Verbindungen sind. Die Systeme wurden mit LHMDS deprotoniert und das Lithium-Enolat mit einer Reihe von repräsentativen Elektrophilen mit unterschiedlichen Diastereoselktivitäten alkyliert. Die sorgfältige Auswahl und die Position der Stickstoffschutzgruppe (am N1 oder N4) sollten zu einem System führen, das nicht nur für die Übertragung sondern auch für die Verstärkung der chiralen Information verantwortlich ist⁴⁸.

Das beste Ergebnis lieferte das Bis-para-methoxybenzyl geschützte Derivat A (Abbildung 28). Laut vorgeschlagenem „steric chiral relay“ Mechanismus, nimmt das Enolat eine bevorzugte Konformation an, um die 1,2-sterische Wechselwirkungen zwischen der C(3)- Isopropylgruppe und der N(4)-Paramethoxybenzylgruppe zu minimieren. Die hohe Stereoselektivität leitet sich von einer sterischen Tendenz zur re-Seiten Alkylierung ab, die durch die Anwesenheit der PMB-Gruppe auf der si-Seite bevorzugt wird. Ein weiterer Grund für die beobachteten Unterschiede zwischen den beiden Bausteinen (DKP-Derivat und Bislactimether) kann durch die Unterschiede in der Reaktivität von Oxy-Enolat und Aza- Enolat erklärt werden. Diese Möglichkeit wurde durch die Alkylierung von Dimethyldiketopiperazin B (Abbildung 28) untersucht, da es erwartet wurde, dass beide Enolate elektronisch ähnlich sind. Die Methylgruppen haben im Vergleich zu den Paramethoxybenzylgruppen keinerlei Einfluß auf die Diastereoselektivität der Enolatalkylierung. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass der vorgeschlagene „steric chiral relay“ Mechanismus stimmt. Die weitere Prüfung der Gültigkeit des vorgeschlagenen Mechanismus gelang durch die Synthese und Untersuchung von weiteren zwei Bausteine C und D⁴⁹ (Abbildung 28), die eine PMB-Gruppe und eine Methylgruppe enthalten. Die PMB- Schutzgruppen dienen also zur Weiterleitung der chiralen Information des C(3) stereogenen

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Zentrums in der Nähe der Enolatalkylierung. Der Baustein E in Abbildung 28 wurde aus der Verbindung A mit nBuLi und Paraformaldehyd synthetisiert und bietet ein stereodivergentes Konzept für die Synthese von cis-Alkyldiketopiperazin durch eine konjugierte Addition von Organokuprat⁵⁰.

Abbildung 28: Diketopiperazinderivate als chirale Auxiliare

Die Diketopiperazinsysteme eignen sich sehr gut für die Synthese tertiärer Aminosäuren aber bei der zweiten Alkylierung, notwendig für die Synthese von quaternären Aminosäuren, werden schlechte Ausbeuten und mäßige Diastereoselektivitäten beobachtet.

Als Alternative wurden Monolactimethersysteme eingeführt (Abbildung 29). Die zweite Alkylierung des Bislactimethers von Schöllkopf und des N(1)-benzylgeschützen Monolactimethers läuft effizient und mit hoher trans diastereofacialer Selektivität ab⁵¹. Davies et.al untersuchten die Reaktivität und Selektivität von N(1)-Methyl- und N(1)- Paramethoxybenzyl-Bausteinen für die Synthese α-α-disubstituierter Aminosäuren⁵². Alle Alkylierungen lieferten das entsprechende trans(3R, 6S)-Produkt als Hauptdiastereomer und die Diastereoselktivität war unabhängig von der Schutzgruppenauswahl.

Abbildung 29: Schöllkopf‘s Bislactimether und Monolactimetherbausteine

Weitere Beispiele für Monolactimether für die Synthese von Aminosäuren wurden von Sandri et.al.⁵³ untersucht (Abbildung 30). Als Schutzgruppe für die Aminofunktion wurde die chirale Phenethylgruppe verwendet. Aus den erhaltenen Ergebnissen, kann man

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argumentieren, dass die diastereofaciale Tendenz in der Alkylierung vorwiegend durch das C(6) Zentrum beeinflusst wird, weniger als durch die (S)-Methylbenzylgruppe⁵⁴.

Abbildung 30: Diketopiperazinbaustein und Monolactimether mit chiraler Schutzgruppe

Die Reaktionen von Carbanionen abgeleitet vom Monolactimether haben viel weniger Aufmerksamkeit als die Bislactimether Deprotonierung bekommen. Über bi- oder tri- cyclische Lactimether ist noch weniger bekannt, obwohl sie wichtige Bausteine in der Naturstoffsynthese darstellen⁵⁵. Fukuyama beobachtete die Bildung eines einzigen trans Diastereomers⁵⁶ beim methoxysubstituierten Lactimderivat A (Abbildung 31). Um die Diastereoselektivität der Alkylierung zu untersuchen, wurde das tricyclische Monolactimsystem B (Abbildung 31) mit verschiedenen Basen deprotoniert und mit Elektrophilen weiter umgesetzt⁵⁵. Aus den Ergebnissen können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: Für die Alkylierung von tricyclischen Lactimethern sind sterische Einschränkungen, um sinnvolle Unterscheidung zwischen den diastereotopen Seiten des Carbanions zu erreichen, nicht ausreichend.

Abbildung 31: Tricyclische Bislactimether

28 2 Zielsetzung und Syntheseplan

In den letzten Jahren wurde von Schöllkopf und Groth die Bislactimethermethode zur Synthese diverser komplexer und hochfunktionalisierter Aminosäuren, bei der vor allem die Umsetzung von (2R)- oder (2S)-2-Isopropyl-3,6-dimethoxy-2,5-dihydropyrazine (der Dimethylether des cyclo-Val-Gly) im Mittelpunkt steht, erforscht. Ziel dieser Arbeit war es, das Synthesepotential bezüglich Zugang und Verwendung von neuen Bislactimethern in der Synthese spezieller Aminosäuren auszuarbeiten.

Die Aufgabenstellung wurde in drei Teilbereichen bearbeitet:

 Bislactimether Syntheseoptimierung und Variation der Ethergruppe

 Untersuchungen zur diastereoselektiven Deprotonierung am Bislactimethersystem

 Synthese spezieller Aminosäuren wie Pyridylornithine und andere Derivate, Lathyrin und Tetrahydrolathyrin

2.1 Syntheseoptimierung des chiralen Bausteins von Schöllkopf

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit sollte die bestehende Synthese des Bislactimethers, wenn möglich, vereinfacht und optimiert werden. Die erste etablierte Synthese (Abbildung 10) ging von L-Valin aus, das über N-Carboxyanhydrid mit dem Glycinethylester in das Dipeptid überführt wurde. In der Originalvorschrift von 1981 wurde für die Synthese des Val-Gly-Peptids Phosgen verwendet. Weil die Verwendung von großen Mengen Phosgen ein Gefahrenpotential darstellt, sollte versucht werden eine andere umweltfreundlichere Alternativsynthese zu entwickeln. Eine weitere Aufgabe ist die Synthese von Bislactimethern, die sowohl über eine Methoxy- und Ethoxyiminoethergruppe verfügen (Abbildung 32). Über solche Systeme und deren Reaktivität und Selektivität ist weniger untersucht. Alle bis jetzt durchgeführten Synthesen verwendeten entweder Dimethyl- oder Diethyl-Bislactimether als Ausgangsstoff.

Abbildung 32: Bislactimether

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2.2 Retro-Aldol-Reaktion und diastereoselektive Protonierung

In der asymmetrische Synthese von Aminosäuren verknüpft man eine leicht zugängliche enantiomerenreine Verbindung mit einer achiralen, im Gesamtprozeß enantioselektiv zu modifizierenden zweiten Verbindung, führt eine möglichst hoch diastereoselektive Umsetzung durch und spaltet den Hilfsstoff wieder ab. Das Bislactimetherverfahren verwendet sehr oft eines der beiden Valinenantiomere als chirales Reagenz. Die Konfiguration der dargestellten Aminosäure ist von der Stereochemie des Bislactimethers abhängig. Die Synthese von natürlichen L-Aminosäuren erfolgt über den Bislactimether aus cyclo-D-Val-Gly, wobei die unnatürliche Aminosäure D-Valin als chirales Hilfsreagenz eingesetzt wird. Dementsprechend wurden Bislactimether aus cyclo-L-Val-Gly als Ausgangsmaterial zur Darstellung der entsprechenden D-Aminosäuren verwendet^14,36,37. Präparativ nützlich wäre eine Syntheseroute für die Darstellung von L-Aminosäuren, die als Ausgangsstoff den Bislactimether aus cyclo-L-Val-Gly verwendet. Das entspricht dem Prinzip der Selbstregeneration von Stereozentren (SRS) oder ,,Selbstreproduktion der Chiralitat", von Seebach und Mitarbeitern entdeckt und intensiv erforscht.²⁷

Für einen besseren Überblick der Methode wurden in Abbildung 33 die wichtigsten Stufen der Synthese kurz dargestellt. Der Bislactimether wird durch Kondensation zweier Aminosäuren, L-Valin und Glycin, zum Bislactam, Diketopiperazin oder cyclischen Dipeptid und O-Alkylierung mit Trimethyloxoniumtetrafluoroborat synthetisiert. Mit Basen kann man mono-deprotonieren und mit hoher Diastereoselektivität mit einem Elektrophil alkylieren.

Der Angriff erfolgt auf der weniger gehinderten Oberseite, die Unterseite wird durch den Alkylsubstituenten des verbleibenden Stereozentrums abgeschirmt. Für die gewünschte

„Inversion“ wurde ein zusätzlicher Schritt miteinbezogen. Die nächste Stufe sollte entweder durch eine Retro-Aldol-Reaktion oder eine diastereoselektive Protonierung verlaufen. Die nachfolgende Hydrolyse ergibt zwei Aminosäuren, von denen die neu gebildete formal den α- Wasserstoff der ursprünglichen Aminosäure durch einen Alkylrest ersetzt hat. Der einzige Unterschied im Vergleich zum klassischen Bislactimetherverfahren besteht darin, dass die L- Aminosäuren aus L-Valin und nicht aus D-Valin synthetisiert werden.

Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich also der Retro-Aldol-Reaktion und der diastereoselektiven Protonierung der Bislactimether.

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Abbildung 33: Selbstreproduktion stereogener Zentren an Bislactimethern

Für die Retro-Aldol-Reaktion müssen zuerst die entsprechenden Aldoledukte durch eine zweite Alkylierung mit Aceton dargestellt werden. Bei der Umsetzung mit starken Basen wie Kalium-tert-butanolat erfolgt die Retro-Aldol-Spaltung (Abbildung 34). Es sollen alle Reaktionsbedingungen untersucht und optimiert werden.

Abbildung 34: Retro-Aldol-Reaktion am Bislactimether

Die zweite Variante, die diastereoselektive Protonierung, eine bis vor kurzem im Großen und Ganzen übersehene Reaktion, hat sich in den letzten Jahren zu einem Forschungsgebiet mit intensiven Aktivitäten entwickelt⁵⁷. Das Konzept ist äußerst einfach: C-H acide Verbindungen werden mit verschiedenen Basen deprotoniert und dann mit Protonenquellen selektiv wieder reprotoniert. Das entstandene Carbanion hat zwei diastereotope Seiten und abhängig von Reaktionsmechanismus, Lösungsmittel, Zusatzstoffen und andere Faktoren,

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kann eine si- oder re-Protonierung bevorzugt werden. Durch systematische Variation von Protonenquellen und Reaktionsbedingungen sollte das Konzept näher untersucht werden. Als Modell eignet sich sehr gut das Anion vom Bislactimether, um die kinetisch bedingte Stereoselektivität der Protonierung zu bestimmen. Die Diastereomerenverhältnisse sollten auch in Abhängigkeit der Etherschutzgruppe (Methyl oder Ethyl in beiden Positionen) und des eingeführten Rests bestimmt werden.

2.3 Zielaminosäuren

Unnatürliche Aminosäurederivate als Bestandteil vieler Naturstoffe stellen eine interessante Verbindungsklasse für den synthetisch arbeitenden Chemiker dar. In meiner Diplomarbeit, wurde versucht eine Synthese für Pyridylornithine zu entwickeln. Alle erarbeiteten Strategien führten leider nicht zu den gewünschten Produkten. Durch die Bislactimethermethode sollte die Synthese von Pyridylornithinen und anderen Derivaten wie zum Beispiel Pyrimidylornithine, gelingen. In Abbildung 35 werden die Ornithinderivate dargestellt.

Abbildung 35: Pyridylornithinderivate

Wie in Kapitel 1.2 erwähnt, bedarf es einiger struktureller Veränderungen, um Aminosäuren und ihre Derivate effizient als Synthesebausteine von Wirkstoffen einzusetzen. So werden Pyridylornithinderivate mit verschiedenen Substituenten am Ring oder mit anderen Heterocyclen statt Pyridin synthetisiert. Diese Derivate spielen eine wichtige Rolle in der Synthese von peptidischen Integrininhibitoren für eine neuartige Krebstherapie. Die Blockierung von Integrinen ist wichtig auch für die Behandlung von Osteoporose, akutes Nierenversagen und Retinopathie.

32

Für die Synthese des gewünschten Produkts erschien retrosynthetisch ein Bindungsbruch zwischen der Position 5 des Bislactimringes und dem benachbarten Methylenkohlenstoff besonders günstig (Abbildung 36, Weg 1). Eine weitere Möglichkeit bietet die Einführung eines funktionalisierten Propylrestes (Amin oder Aldehyd) in den Bislactimether und die darauffolgende Kupplung mit dem entsprechenden Pyridinderivat (2-Brompyridin, Weg 2 oder 2-Aminopyridin, Weg 3). Zum besseren Überblick ist die abgebildete Retrosynthese sehr vereinfacht dargestellt. Die Schutzgruppe am Stickstoff (PG) und die Abgangsgruppe X werden abhängig von der Syntheseroute ausgewählt.

Abbildung 36: Retrosyntheseplan für Pyridylornithine

Neben der Synthese von unnatürlichen Aminosäuren, abgeleitet von Pyridylornithin, soll ein besonderes Augenmerk auf die Synthese von Lathyrin und Tetrahydrolathyrin (Abbildung 37) gerichtet werden. Diese Aminosäuren sind Analoga von Arginin und gehören zur Familie der natürlichen Aminosäuren mit endständigem Guanidinstickstoffatom gebunden an das Methylen-Backbone. Die meisten dieser Aminosäuren sind Bestandteile von Peptid- Antibiotika, die aus Extrakten von Mikroorganismen isoliert wurden.

33 Abbildung 37: Lathyrin und Tetrahydrolathyrin

Als Schlüsselschritt in der Synthese soll, wie bei denbereits erwähnten Pyridylornithinen, die Bislactimethermethode eingesetzt werden (Abbildung 38) und eventuell die freie Aminogruppe mit einer passenden Schutzgruppe geschützt werden.

Abbildung 38: Retrosyntheseplan für Lathyrin und Tetrahydrolathyrin

34 3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Vorbemerkungen

Die klassische Farbreaktion für die Charakterisierung von Aminosäuren ist die Ninhydrinreaktion zur Anfärbung von Chromatogrammen. Die Detektion der in dieser Arbeit synthetisierten Substanzen (Aminosäuren oder Aminosäurederivate) erfolgte durch Eintauchen von DC-Platten in einer ethanolischen Ninhydrinlösung (0,5 g in 100 ml EtOH) und anschließendem Entwickeln durch Erwärmen.

1911 entdeckte Siegfried Ruhemann, dass Ninhydrin mit Aminosäuren und Peptiden eine blauviolette Färbung ergibt, den so genannten „Ruhemannschen Purpur". Diese Farbreaktion ist sehr empfindlich, so dass sich sehr kleine Aminosäuremengen nachweisen lassen, allerdings auch andere Amine und Ammoniak. Die Ninhydrin-Reaktion ist der klassische Nachweis von Aminosäuren und Proteinen. Nach einer Dünnschichtchromatographie können so Aminosäuren durch Besprühen oder Eintauchen der Dünnschichtplatten mit/in Ninhydrin visualisiert werden. Ninhydrin reagiert mit α-Aminosäuren nach folgender Reaktion:

Abbildung 39: Ninhydrin Reaktion

35

Die Ninhydrin-Reaktion ist ein Spezialfall des Strecker-Abbaus. Bei der Reaktion wird Ninhydrin dehydratisiert und liegt als 1,2,3-Indantrion vor. Beim Erwärmen kommt es zu einer oxidativen Desaminierung zum Ketimin und Decarboxylierung der Aminosäure. Nach der Hydrolyse des Aldimins bilden sich das Aminoketon und der Aldehyd R-CHO, der das restliche Aminosäurengerüst enthält. Lediglich das N-Atom der Aminosäure findet sich in dem intermediär gebildeten Aminoketon wieder. Das reagiert anschließend mit einem weiteren Ninhydrinmolekül unter Abspaltung von Wasser zu einem blauvioletten Farbstoff.

Die entstandene Verbindung ist wegen der Mesomerie innerhalb des Systems konjugierter Doppelbindungen blau-violett gefärbt. Der entstehende Farbstoff absorbiert bei 570 nm.

Mit einem sekundären Amin reagiert Ninhydrin zu einer gelben oder orangen Verbindung.

Prolin ist eine sekundäre Aminosäure deren sekundäre Aminogruppe nicht auf Ninhydrin übertragen werden kann. Bei der Reaktion zwischen Prolin und Ninhydrin bildet sich ein gelb gefärbtes Additionsprodukt aus je einem Molekül Ninhydrin und Prolin, welches ein Absorptionsmaximum bei 440 nm aufweist.

Abbildung 40: Ninhydrin-Reaktion mit Prolin

3.2 Optimierung der Bislactimethersynthese

Zunächst stellte sich die Aufgabe die Synthese des (S)-2-Isopropyl-3,6-dimethoxy-2,5- dihydropyrazins oder (S)-2-Isopropyl-3,6-diethoxy-2,5-dihydropyrazins im Vergleich zur Synthese von Schöllkopf und Groth¹⁴ zu vereinfachen und zu optimieren, um diese im großen Maßstab durchführen zu können.

Nach Literatur⁵⁸ lässt sich der Bislactimether 4 in einer vier Stufen Synthese meist ohne Reinigung der Zwischenprodukte aus L-Valin darstellen (Abbildung 41). Diese Methode von Chen vermeidet den Einsatz von hochgiftigem Phosgen oder Triphosgen,

36

Tieftemperaturreaktionen und instabile Zwischenprodukte, die im klassischen Syntheseweg (siehe Abbildung 10) vorkommen. Dabei wurde zunächst das Boc-Valin durch Umsetzung mit Boc₂O und Natriumhydroxid oder Natriumbicarbonat in sehr guten Ausbeuten erzeugt.

Nach Aktivierung der Carboxylgruppe mit iso-Butylchlorformiat wurde der Glycinmethylester zugegeben und das stabile Boc-geschützte Dipeptid 2 in 90% Ausbeute isoliert. Nach mehreren Versuchen wurde das Diketopiperazin 3 durch Kochen ohne Lösungsmittel bei 180 °C mit 60% Ausbeute dargestellt. Der letzte Schritt stellte die O- Alkylierung mit Trimethyl- oder Triethyloxoniumborat in Dichlormethan zum gewünschten Produkt 4 bzw. 5 dar.

Abbildung 41: Bislactimethersynthese nach Methode A

Die Synthese und die Reinigung des Diketopiperazins 3 erwiesen sich als schwierig. In Tabelle 1 wurden alle Reaktionsbedingungen und Ergebnisse für die durchgeführten Versuche zusammengefasst. Nach 72 Stunden Kochen in Toluol bei 175 °C konnte leider keine Umsetzung festgestellt werden. Nach einer neueren Vorschrift von Grøtli⁵⁹ sollte das Diketopiperazin aus dem Dipeptid 2 in Wasser bei 150 °C unter Mikrowellenbestrahlung in 15 Minuten dargestellt werden. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktbildung beobachtet aber die Menge an Verunreinigung machte die Aufreinigung unmöglich und die Reaktionsbedingungen waren somit ungeeignet für größere Ansätze. Durch 18 Stunden erhitzen in einem inerten Lösungsmittel wie 1,2-Dichlorbenzol⁵⁸ konnte das gewünschte Produkt in 50% Ausbeute hergestellt werden. Der Boc-Val-Gly-Methylester 2 kann auch in zwei Stufen in das Diketopiperazin 3 umgewandelt werden: Durch Entfernung der Schutzgruppe unter sauren Bedingungen, gefolgt von Cyclisierung zum gewünschten

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Diketopiperazin beim Erhitzen. Beim Abspalten der Boc-Gruppe mit in situ hergestellter Salzsäure (aus Acetylchlorid und Methanol) und nach Erhitzen auf 180 °C konnte leider nur das Edukt als Hydrochloridsalz zurückgewonnen werden. Mit TFA/Anisol gelang die Abspaltung der Schutzgruppe und die Synthese ergab 54% Ausbeute über 2 Stufen. Der letzte Versuch lieferte die beste Ergebnisse und die einfachste Reinigung, da kein Lösungsmittel verwendet wurde.

Reaktionsbedingungen Ergebnisse

Toluol, 175 °C, 72 h Keine Umsetzung

H2O, MW, 150 °C, 15 min. Produkt + Verunreinigung

1,2-Dichlorbenzol, 180 °C, 18 h 50%

Boc-Abspaltung mit CH3COCl/MeOH, 180 °C, 18 h Dipeptid als Hydrochlorid Boc-Abspaltung mit TFA/Anisol, Toluol, 180 °C, 18 h 54% über 2 Stufen

180 °C, ohne Lösungsmittel, 48 h 60%

Tabelle 1: Reaktionsbedingungen und Resultate der Diketopiperazinsynthese

Für die Alkylierung mit Meerweinsalz sollte lösungsmittelfreies Diketopiperazin verwendet werden. Dafür sind sehr drastische Bedingungen erforderlich: 24 Stunden bei 100 °C im Hochvakuum. Das Problem dabei ist, dass (S)-3-Isopropyl-2,5-diketopiperazin 3 (kurz DKP) sehr hygroskopisch ist und mit vielen organischen Lösungsmitteln thermisch stabile Gele bilden kann. Studien zeigen, dass weniger als 1 mg Diketopiperazin 1 ml einer Vielzahl von gängigen Lösungsmitteln wie Aceton, Acetonitril, Benzol, Chloroform, Dichlormethan, Dioxan, Ethanol, Essigsäureethylester, Tetrahydrofuran und Toluol, vollständig gelieren kann⁶⁰. Dieser Gelierungsprozess setzt voraus, dass ein einzelnes Molekül von DKP mit mindestens 3000 Molekülen des Lösungsmittels über Aggregation verbunden ist. Dabei entsteht ein dreidimensionales Netz, welches Lösungsmittelmoleküle einschließt. Das Gelatornetzwerk baut sich über Wasserstoffbrückenbindungen (Abbildung 42) und/oder van der Waals-Wechselwirkungen auf. Lösungsmittel, mit denen keine Gele gebildet werden können, sind 2-Butanon, Chlorbenzol, Cyclohexan, Dimethoxyethan, Dimethylformamid, Ether, Pentan und Wasser⁶⁰.

38

Abbildung 42: Leitern aus homochiralen Diketopiperazin Monomeren

In nachfolgender Tabelle sind die Ergebnisse der O-Alkylierungsversuche von Diketopiperazin 3 zusammengefasst. Als beste Bedingungen für die Darstellung des (S)-2- Isopropyl-3,6-dimethoxy-2,5-dihydropyrazins 4 erwies sich die Umsetzung Nr. 4 (Tabelle 2), die mit Zugabe von zusätzlichen 2 eq Methylmeerweinsalz nach 24 Stunden kräftigem Rühren eine Ausbeute von 82% ergab. Das (S)-2-Isopropyl-3,6-diethoxy-2,5-dihydropyrazin 5 wurde mit 3,3 eq Ethyl-Meerweinsalz mit 86 % Ausbeute isoliert (Umsetzung Nr. 6, Tabelle 2).

Nr. Reaktionsbedingungen Ausbeute

1 3 eq Me

3OBF

4 45%

2 1,5 eq Me

3OBF

4,nach 24 h + 1 eq, nach 48 h + 0,5 eq 66%

3 2 eq Me

3OBF

4,

nach 24 h +1 eq 70%

4 2 eq Me

3OBF

4, nach 24 h +2 eq 82%

5 2 eq Et

3OBF

4 68%

6 3,3 eq Et

3OBF

4 86%

Tabelle 2: Untersuchung der Reaktionsbedingungen und die Ausbeute der O-Alkylierungen von Diketopiperazin

Die erste Synthese des gemischten Bislactimethers 8 gelang Lange im Rahmen seiner Dissertation⁶¹ (Abbildung 43). Das (S)-2-Isopropyl-3,6-diethoxy-2,5-dihydropyrazin 5 wurde mit Dimethylamin und Borsäuretrimethylester eine Woche unter Rückfluss gekocht und das entstandene Amidin 6 selektiv unter milden Bedingungen zum Tetrahydropyrazinon 7 hydrolysiert. Anschließende Methylierung lieferte das (S)-2-Isopropyl-3-ethoxy-6-methoxy- 2,5-dihydropyrazin 8 in 55 % Ausbeute.