Chemische Synthesen komplexer Oligosaccharide - Dr. Daniel B ...

Chemische Synthesen komplexer Oligosaccharide
Vortrag im Rahmen des OC – F Seminars WS 2007/08 von Diana Petersen und
Markus Kilisch
1. Aufbau eines O-Glycosides
2. Schutzgruppen
Die Aufgabe einer Schutzgruppe ist es eine funktionelle Gruppe während einer Umsetzung an anderer
Stelle im Molekül zu blockieren und unerwünschte Reaktionen zu vermeiden.
Eigenschaften der einzuführenden Schutzgruppen:
- sollte leicht einzuführen sein
- eine gute Ausbeute bei der Einführung sollte erzielt werden
- sollten bestimmte Selektivitäten für eine Gruppe haben
- die Schutzgruppe sollte unter den Bedingungen der Reaktion stabil sein
- schonende und leichte Abspaltung mit guten Ausbeuten, ohne andere funktionelle Gruppen zu
beeinflussen
2.1. Acyl-Schutzgruppen
Acetyl-Schutzgruppen sind sehr häufig genutzt und leicht einzuführen. Die vollständige Schützung des
Zuckers erfolgt mit Acetanhydrid (Acetylierung) oder Benzoylchlorid (Benzoylierung). Eine schnelle
und einfache Abspaltung gelingt durch Umesterung mit NaOMe und MeOH. Benzoylgruppen sind
leichter abspaltbar als Acetylgruppen.
Acylierungen werden genutzt um selektiv Schutzgruppen einzuführen. Eine regioselektive
Benzoylierung ist einfacher als die selektive Acetylierung. Äquatoriale Hydroxylgruppen werden
schneller als axialen benzoyliert (mit Benzylchlorid in CH2Cl2 und Pyridin bei –40°C). Eine selektive
Deacetylierung am anomeren Zentrum ist in hohen Ausbeuten durch eine Vielzahl an Reagenzien
möglich (1. 1 eq. Hydrazinacetat oder Hydrazinhydrat in DMF oder 2. Piperidin und 2-Aminoethanol).
Acylgruppen tendieren stark dazu ihre Position im Ring zu ändern (Acetylgruppen eher als
Benzoylgruppen). Diese Wanderung wird durch Basen oder Säuren katalysiert und kann durch die
1

Verwendung von Pivaloaten komplett unterbunden werden. Die Acylgruppenwanderung wird jedoch
auch genutzt, um anderweitig schwer herzustellende Schutzgruppen zu erhalten.
2.2. Ether-Schutzgruppen
Alkylether sind besonders stabile Schutzgruppen, da sie gegen stark basisch und saure Bedingungen
resistent sind. Ether werden durch die klassische Williamson Synthese mit NaH oder NaOH als Base
in einem polar aprotischen Lösungsmittel (z.B. DMF) und dem jeweiligen Alkylbromid oder –chlorid
erzeugt. Basenlabile Schutzgruppen wie Acetale können bei der Ethersynthese zerstört werden.
Die Abspaltung von Benzylether erfolgt durch eine katalytische Hydrogenierung (Palladium auf
Aktivkohle). Oft ist dies jedoch schwierig, weshalb p-Methoxybenzyl (PMB) verwendet wird, welches
leicht durch oxidative Bedingungen und Verwendung von DDQ gespalten werden kann (Benzylether
bleiben unberührt).
Allylether sind attraktive Schutzgruppen, da sie unter sehr milden Bedingungen wieder gespalten
werden können. Es erfolgt eine Isomerisierung durch Metallkatalyse zum instabilen Vinyl, welches
unter milden Bedingungen abspaltbar ist.
Eine selektive Veretherung ist sehr schwierig und wird oft durch Öffnung eines
Dibutylstannylenacetats erreicht.
Eine selektive Schützung der primären Hydroxylgruppe ist durch eine Reaktion von
t-Butyldimethylsilylchlorid in Pyridin möglich (eine Weiterreaktion zum 2,6-di-O-silylierten Glycosid ist
möglich).
Die selektive Silylierung der primären Hydroxylgruppe kann genutzt werden, um die reduzierte
Pentose in eine Furanose zu überführen.
Silylether können unter sauren Bedingungen abgespalten werden oder durch Fluorid-Ionen
(Tertbutylammoniumfluorid). Säurebeständigkeit von Silylethern: TMS < TES < TBDMS < TIPS <
TBDPS.
2.3. Acetal-Schutzgruppen
Cyclische Acetale werden zur gleichzeitigen Schützung von 2 Hydroxylgruppen verwendet und
können durch eine säure-katalysierte Reaktion mit Ketonen oder Aldehyden hergestellt werden.
Wichtige cyclische Acetale:
2

Alle Acetale können durch saure Bedingungen entfernt werden und sind stabil unter basischen
Bedingungen und gegen nucleophile Angriffe. Benzyliden-Acetale dienen der 4,6-O-Schützung von
Hexopyranosiden (mit Benzaldehyd und Zinkchlorid als Katalysator). Benzylidene haben den Vorteil
der regioselektiven Spaltung und bieten somit beste Voraussetzungen für weitere selektive
Reaktionen.
Isopropyliden-Acetale werden oft für eine Schützung von cis-1,2-Diolgruppen verwendet. Dies
geschieht durch die Verwendung von trockenem Aceton und einem Proton oder einer Lewis-Säure
oder den folgenden Reagenzien : 2,2-Dimethoxypropan, 2-Methoxypropen. Abhängig vom
eingesetzten Reagenz verläuft die Reaktion unter thermodynamischer oder kinetischer Kontrolle, was
Einfluss auf die Ringgröße hat, da die größtmögliche Anzahl an cis-ständigen Diolgruppierungen
umgesetzt wird.
3

2.4. Orthoester als Schutzgruppen
Orthoester können zur Blockierung von vicinalen Hydroxylgruppen in cis-Stellung verwendet werden.
Außerdem kann der Dioxolanring regioselektiv unter sauren Bedingungen abgespalten werden, was
eine selektive Bildung entschützter OH-Gruppen ermöglicht.
2.4. Orthoester als Schutzgruppen
Orthoester können zur Blockierung von vicinalen Hydroxylgruppen in cis-Stellung verwendet werden.
Außerdem kann der Dioxolanring regioselektiv unter sauren Bedingungen abgespalten werden, was
eine selektive Bildung entschützter OH-Gruppen ermöglicht.
2.5. N-Schützung von Aminozuckern
Zur Schützung kann Phtalsäureanhydrid genutzt werden und es bildet sich die 2-Phtalimido-
Schutzgruppe. Die Entfernung erfolgt mit Hydrazin oder Ethylendiamin, kann jedoch oft problematisch
sein und verläuft dann unter schlechten Ausbeuten. Deshalb wird die Labilität von Phtalimiden durch
Substituion des aromatischen Ringes mit Elektronenziehenden Substituenden gesteigert. Abspaltung
von Tetrachlorphtalimido (TCP) gelingt dann unter sehr milden Bedingungen mit Ethylendiamin oder
Natriumborhydrid.
4

3.1. 1,2-trans-Glycosidierung
Bei der 1,2-trans-Glycosidierung wird mittels eines Promotors wird die Abgangsgruppe aktiviert und
abgespalten. Man macht sich bei Glycosiden mit Acetatschutzgruppe in C-2-Position deren
Nachbargruppeneffekt zunutze. Dabei greift der Cabonylsauerstoff an der pseudoaxialen Position des
anomeren Zentrums an. Es bildet sich das Acetoxoniumion. Dieses kann vom Glycosylakzeptor an
zwei Positionen angegriffen werden. Der Angriff am C-1 führt nach einem SN2-Mechanismus zum 1,2trans-Glycosid.
Der Angriff am „Carbonylkohlenstoff“ führt zum Orthoester, dieses kann zum 1,2-trans-
Glycosid isomerisiert werden.
3.2. 1,2-cis-Glycosidierung
BnO
BnO
BnO
OBn
O
RO
OBn
Br
RO
O
O
CH +
RO
O
CH 3
BnO
OBn
O +
RO
RO
O
RO
RO
RO
RO
RO
RO
O
O
Promotor -L
O
O +
CH 3
O
RO
O
O
CH 3
O
CH 3
OR'
RO
Im Gegensatz zur 1,2-trans-Glycosidierung ist es weitaus schwieriger 1,2-cis-Glycoside darzustellen.
Die Darstellung von 1,2 – cis - Glycosiden erfolgt in situ bei Anwesenheit von
Tetraalkylammoniumhalogeniden. Duch den anomeren Effekt sind Substituenten in α-Position
begünstigt.
5
RO
L
H
RO
O
R
O
(a)
(a) (b)
Isomerisierung
O
O
C +
CH3 (b)
RO
RO
RO
RO
RO
O
O
C
H 3
Glycosid Orthoester
in Anwesenheit eines
O +
OBn
Br -
RO
O
O
O
OR'
BnO
Br Tetraalkylammoniumhalogenids
OBn
-
ROH SN2
BnO
OBn
- Typ ROH SN2 - Typ
BnO
OBn
O
OBn
OR
ROH
SN1 - Typ
BnO
BnO
OBn
O +
OBn
BnO
ROH
SN1 - Typ
BnO
BnO
BnO
O +
BnO
CH 3
OBn
O
OBn
OBn
O
Br
OBn
RO

3.3 Koenigs-Knorr-Methode
Bei der Koenigs-Knorr-Methode handelt es sich um eine heute noch oft genutzte Methode
stereospezifisch 1,2-trans-Glycoside zu synthetisieren. Dabei werden zunächst α-Glycosylhalogenide
durch Umsetzung der geschützten Glycoside mit HBr gebildet, anschließend wird die Halofunktion
durch Silbersalze aktiviert und der Glycosiddonor zur Reaktion mit einem Alkohol gebracht.
3.4 Trichloracetimidat-Methode
Bei dieser Methode wird zunächst das anomere Zentrum selektiv entschützt (z.B. Hydrazin),
anschließend wird die freie OH-Gruppe in Anwesenheit einer Base wie K2CO3 oder DBU umgesetzt
und bildet mit Trichloracetonitril das Trichloracetimidat .
3.5 Thioglycoside
Thioglycoside können durch Reaktion einer vollständig acetalgeschützten Hexopyranose mit
Thiophenol oder Thioethanol in Anwesenheit von Lewis-Säuren wie BF3*Et2O dargestellt werden. Die
Vorteile eines Thioglycosids bestehen darin, dass verschiedenste Reaktionsbedingungen toleriert
werden.
3.6 n-Pentenylglycosidierung
Die Aktivierung des Glycosiddonoren erfolgt durch NBS/NIS in Anwesenheit einer protischen Säure.
Anschließend bildet sich der cyclische Übergangszustand (Iodoniumion) aus. Diese Zwischenstufe
6

lagert zu einer weiteren Zwischenstufe um. Durch Eliminierung erhält man das Glycosylkation und
das 2-Halomethyltetrahydrofuran.
3.7 Synthese von 2-Deoxy-2-acetimido-Glycopyranosiden
Bei Anwesenheit einer Acetamido-Gruppe in 2-Position bildet sich während der Glycosidierung ein
1,2-Oxazolring aus. Dieser begünstigt die Bildung von 1,2-trans-Glycosiden. Zur Aktivierung dieser
Funktion werden harte Reaktionsbedingungen wie Lewis- oder protische Säuren benötigt.
3.8 Synthese von β-Mannopyranosiden
β-Mannopyranoside sind vergleichsweise schwer darzustellen, da die Bildung von α-Glycosiden
sowohl durch den α-dirigierenden anomeren Effekt als auch durch die Abstoßung zwischen dem
eintretendem Nucleophil und dem axialen C-2 bevorzugt ist. Durch den Einsatz von Silbersalzen kann
via SN2-Mechanismus das β-Glycosid gebildet werden.
Desweiteren lassen sich β-Glycoside durch intramolekulare Aglyconübertragung darstellen.
Nachfolgend ist der allgemeine Mechanismus dargestellt.
7

3.9 Synthese von 2-Deoxyglycosiden
2-Deoxyglycoside sind Bestandteil vieler biologisch
wirksamer Stoffe, diese können durch eine
vorübergehende dirigierende Funktion am C-2
dargestellt werden (Aktivierung eines Glycals durch
NIS). Durch Reaktion mit einer OH-Gruppe eines
weiteren Glycosides bildet sich das 1,2-trans-2-deoxy-2iod-α-glycosid.
Dieses kann dann zum 2-deoxy-αglycosid
reduziert werden.
4.1. Totalsynthese eines Tetrasaccharid-Antigens von Bacillus anthracis
HO
OH
H3C O
OH
OH
NaOMe, MeOH, 6 h, quant.
Ac 2 O, Pyridin, 12 h, qaunt.
LevOH, DMAP, DIPC, CH 2 Cl 2 ,
0 °C, 3 h, 92 %
nBu 2 SnO, Toluol, Wasserabscheider,
Rückfluss, 2 h
HO
C
H 3
OH
H3C CH 3
AcO
O
OAc
H3C OH
MPO
O
H3C O
Bu
Bu
Sn
O
H3C O
O
8
O
OAc
OAc
MPOH, BF 3 *OEt 2 , Aceton,
0 °C -> 25 °C, 12 h, 71 %
C
H 3
2,2-Dimethoxypropan, BF 3 *OEt 2 ,
Aceton, 0 °C -> 25 °C, 12 h, 96 %
OLev
MPO
O
OLev
MPO
HCl (pH 3), MeOH, 50 °C,
18 h, 85 %
BnBr, TBAI. Toluol,
Rückfluss, 3 h, 95 %
Tf2O, Pyridin, 0 °C, 90 min
OTf
H3C BnO
O NaN3 , DMF, 25 °C, 10 h, 80 %
OLev
MPO
CH 3
HO
AcO
O
H3C O
OH
H3C N 3
BnO
BnO
OAc
H3C O
OH
MPO
O
OLev
MPO
OH
H3C H 3 C
O
O
OAc
MPO
O
OLev
MPO
OLev
MPO

CAN, H 2 O/CH 3 CN, 25 °C, 1 h
Dargestellt ist die Synthese eines Anthrose-Bausteins, der zur Darstellung eines Tetrasaccharids
verwendet wird. Dabei werden Modifikationen an einer D-Fructose durchgeführt. Bei dieser Reaktion
wird selektiv das anomere Zentrum sowie die OH-Gruppe an C3-Position geschützt. Die Inversion an
C4 wird durch Umsetzung mit Trifluormethansulfonsäureanhydrid und anschließende Substitution des
Triflats mit Natriumazid bewirkt. Mithilfe von wässriger Cerammoniumnitrat-Lösung wird die 4-
Methoxyphenylgruppe gespalten und anschließen mit Trichloracetonitril in Anwesenheit von NaH
umgesetzt. Es bildet sich das Anthrose-Trichloracetimidat.
H3C HO
OH
O
OH
OH
H3C N3 BnO
Ac 2 O, Pyridin, 12 h, quant.
HCl (pH 3), MeOH, 50 °C, 89%
AcOH/H 2 O (4:1, ν/ν), 10 °C,
10 min, 98 %
CAN, H 2 O/CH 3 CN, 25 °C,
1 h, 76 %
O
OLev
H3C HO
H3C BnO
H3C BnO
H3C BnO
H3C AcO
FmocO
OH
AcO
OH
O
OMP
2,2 H3C BnO
OH
OH
- Dimethoxypropan, BF3 *OEt2 ,
Aceton, 0 °C -> 25 °C, 12 h, 84 %
NaH, BnBr, DMF, 0 °C -> 25 °C,
4 h, qaunt.
OH
O
O
O
OAc
Cl 3 CCN, NaH, CH 2 Cl 2 , 25 °C,
45 min, 78 %
O
9
OH
OAc
OH
OAc
OMP
OMP
OAc
1,1,1-Triethoxyethan,
para - Toluolsulfonsäure (kat.),
DMF, 50 °C, 50 min
FmocCl, Pyridin. 25 °C,
2 h, 88 %
Cl 3 CCN, NaH, CH 2 Cl 2 ,
25 °C, 1 h, 94 %
N 3
BnO
MPOH, BF 3 *OEt 2 , Aceton,
0 °C -> 25 °C, 12 h, 80 %
H 3 C
H3C BnO
H3C BnO
H3C BnO
H3C AcO
O
O
O
H3C CH3 O
FmocO
FmocO
O
OLev
AcO
O
O
EtO CH 3
O
HN
O
O
OAc
OAc
O
O
OAc
CCl 3
OMP
OMP
OMP
OMP
CH 3
NH

Analog zur Synthese des Antrose-Bausteins wird der Rhamnose-Baustein synthetisiert, dabei wird in
der Zwischenstufe ein Orthoester erzeugt und gespalten. Zusätzlich wird eine Fmoc-Schutzgruppe
eingeführt, um die OH-Gruppe an C3-Position zu schützen.
H3C BnO
H3C BnO
BnO
OH
O
O
OAc
OAc
OMP
O
CH 3
N 3
BnO
NH
H 3 C
CAN, H 2 O/CH 3 CN, 25 °C, 1 h
O
HN
OLev
O
TMSOTf, CH 2 Cl 2 , 0 °C,
1 h, 90 %
CCl 3
H3C BnO
H3C N O
3
BnO
H3C BnO
H3C N
O
3
BnO
OMe
O
O
OLev
OAc
OH
O
O
Die Disaccharid-Bausteine werden ausgehend von en zuvor synthetisierten Anthrose- und Rhamnose-
Bausteinen synthetisiert. Dabei werden zusätzliche Modifikationen und Schutzgruppen eingeführt, die
zur Weitersynthese benötigt werden. Durch Kupplung der beiden Disaccharid-Bausteine wird ein
Tetrasaccharid dargestellt.
H3C BnO
H3C BnO
BnO
OH
O
O
OAc
O
OPent
4-Penten-1-ol, TMSOTf, CH 2 Cl 2 ,
-20 °C, 45 min, 79 %
H3C BnO
FmocO
O
OAc
O
CH 3
NH
TMSOTf, CH 2 Cl 2 , 0 °C, 1 h, 91 %
+
H3C BnO
H3C N
O
3
BnO
OMe
O
O
OAc
O
H3C BnO
H3C BnO
H3C BnO
CCl 3
BnO
FmocO
NH
BnO
O
10
O
O
OAc
OAc
OAc
O
OMP
OPent
OPent
NaOMe, MeOH, 4 h, 96 %
Piperidin, DMF, 25 °C,
30 min, 89 %
Hyrazinacetat, CH2Cl2 , MeOH,
25 °C, 12 h, quant.
MeI, Ag2O, THF, Me2S (kat.),
25 °C, 8 h, 73 %
Cl 3 CCN, NaH, CH 2 Cl 2 ,
25 °C, 1 h, 95 %
TMSOTf, CH 2 Cl 2 , 0 °C,
70 min, 73 %
H3C BnO
H3C BnO
H3C BnO
BnO
BnO
OH
H3C BnO
H3C N
O
3
BnO
H3C BnO
H3C N O
3
BnO
H3C BnO
H3C N
O
3
BnO
OMe
OMe
O
H3C BnO
H3C BnO
O
O
OAc
O
O
O
OAc
OMe
O
BnO
OH
O
O
O
OPent
OPent
O
O
OAc
OAc
O
O
O
OAc
CCl 3
OPent
OMP
NH

Durch Entschützung und Umsetzung mit 3-Hydroxy-3-methylbutansäure wird dieses zusätzlich
modifiziert. Die während der Synthese der Disaccharid-Bausteine eingeführte n-Pentenyl-Funktion
ermöglicht die spätere Konjugation an ein Transportprotein.
3-Hydroxy-3-methylbutansäure,
HATU, DIPEA, DMF, 25 °C, 2 h, 75 %
C
H 3
HO
CH 3
O
H3C NH
HO
5. Literatur
[1] Lindhorst, T.K.; Essentials of Carbohydrate Chemistry and Biochemistry, Wiley-VCH, Weinheim,
2003.
[2] Toshima, K., Tatsuta, K., Recent Progressin O-Glycosylation Methods and its Application to
Natural Produkt Synthesis, Chem. Rev. 1993, 93, 1503-1531.
[3] Toshima, K., Novel Glycosylation Methods and their Application to Natural Product Synthesis,
Carb. Res. 2006, 341, 1282-1297.
[4] Daniel B. Werz und Peter H. Seeberger; Totalsynthese eines Tetrasaccharid-Antigens von Bacillus
anthracis – Basis für einen Impfstoff gegen Anthrax, Angew. Chem. 2005, 117, 6474-6476.
11
H3C HO
O
OMe
O
H3C HO
H3C HO
O
OH
O
OH
O
O
OH
O
OPent