Cukor-szulfonsavak előállítása és szerkezetvizsgálata. Sajtos Ferenc

Átírás

1 Cukor-szulfonsvk előállítás és szerkezetvizsgált Doktori (D) értekezés tézisei Sjtos Ferenc Témvezető: Dr. Lipták András Debreceni Egyetem, Természettudományi Kr Debrecen, 2005.

2 1. Az értekezés előzményei és célkitűzései Az értekezés célkitűzése áltlános módszerek kidolgozás szulfonsv funkció kilkításár szénhidrátok különböző pozícióibn. A szulfonált cukor szármzékok természetes és mesterséges nionos szénhidrátok mimetikumi lehetnek. Ezekben ugynúgy dott z erős ionos krkter, így biztosítni tudják fehérje szénhidrát közötti ionos kötés kilkulását. Ugynkkor, szulftált szármzékokhoz képest, hosszbb ideig képesek keringésben mrdni, mert ellenállnk z észterázok hidrolitikus htásánk. További motivációt jelentett munkánk során, hogy szekunder cukor-szulfonsvk szintézisére, egy nem igzolt szerkezetű szármzéktól eltekintve, nem tláltunk példát. Cukor 2-szulfonsvt előállíthtunk intrmolekuláris nukleofil szubsztitúciós (vándorlási) rekció segítségével, melynek során megfelelő tioglikozidból kiindulv, nukleofil htásár z lkil-/ril-/rlkiltiocsoport kettes pozíciób vándorol. Az így nyert 2-tioéterből z SH-csoport felszbdíthtó, mjd célvegyületté oxidálhtó. Ehhez először külső nukleofilek htásár végbemenő vándorlási rekciót tnulmányoztuk különböző modellvegyületeken, különböző regensekkel. Ezen modellrekciók segítségével krtunk képet kpni rról, hogy z egyes nukleofilek esetén milyen termékek képződésére számíthtunk, s ezen eredmények felhsználásávl terveztük cukor 2-szulfonsvk szintézisét. Hogy egyéb pozíciókbn szulfonált szénhidrátokt is előállíthssunk, intermolekuláris nukleofil szubsztitúciós rekciókt is vizsgáltunk. Az irodlomból ismert, hogy egy primer helyzetben jól távozó csoportot (toziloxit) trtlmzó cukor káliumtiocetáttl nukleofil szubsztitúciós rekciób vihető, mjd szulfonsvvá oxidálhtó. Ezt felhsználv, elvileg szekunder helyzetben is kilkíthtjuk z cetiltiocsoportot, s nyerhetjük belőle megfelelő szulfonsvt. Miután monoszchridok esetében már sikerült módszereket kidolgozni, melyekkel szulfonsvt vezethetünk be z egyes pozíciókb, célul tűztük ki, hogy ezeket diszchridokr is kiterjesszük; s közben tpsztltokt gyűjtsünk különböző eljárásokról. E munk első lépéseként állítottunk elő egy szulfonált diszchridot, mely hiluronsv ismétlődő diszchrid egységének szulfonsv nlogonj.

3 2. Az lklmzott vizsgálti módszerek Szintetikus munkánk során modern preprtív szerves kémi mkro-, félmikroés mikromódszereit egyránt lklmztuk. A rekciók követésére, z nygok tisztságánk ellenőrzésére vékonyrétegkromtográfiát, míg rekcióelegyek tisztításár kristályosítást és oszlopkromtográfiát hsználtunk. Az előállított vegyületek jellemzésére, zonosításár és szerkezetük igzolásár klsszikus nlitiki eljárások (elemnlízis, olvdáspont és fjlgos forgtóképesség meghtározás) mellett modern MALDI TF MS tömegspektrometriát, vlmint 1 H- és 1 C-NMR spektroszkópii módszereket lklmztuk. Az NMR vizsgáltok során termékek teljes 1 H- és 1 C-NMR hozzárendelését kétdimenziós technikák lklmzásávl ( 1 H- 1 H CSY, TCSY és 1 C- 1 H HSQC) végeztük el.. Az értekezés új tudományos eredményei.1. Tiofenil-glikozidok vándorlási rekciói A célkitűzésben megfoglmzottk elérése érdekében először külső nukleofilek htásár végbemenő vándorlási rekciót tnulmányoztuk, hexopirnozidok esetében. lyn modellvegyületeket krtunk vizsgálni, melyekhez hsonlók szolgálhtják eredeti céljinkt; egyben felmérni zok, vlmint nukleofil prtnerek lklmzhtóságánk lehetőségeit. Ezért először kettes helyzetben jó leváló csoportot trtlmzó 1,2-trnsz-tiofenil-glikozidokt szintetizáltunk, mégpedig egy β-glüko és egy α-mnno szármzékot. Az előbbinél feniltio- és leváló csoport egymáshoz képest diekvtoriális, míg z utóbbinál dixiális helyzetben vn. Miután előállítottuk kettes helyzetben toziloxicsoportot trtlmzó tiofenilβ-d-glüko- (180 * ) és α-d-mnnopirnozidot (181), regáltttunk zokt 5 ekv. nátriummetiláttl, metnolbn, reflux hőmérsékleten. A 180 szármzékból 4 ór leforgás ltt, * A vegyületek számozás megegyezik z értekezésben hsználttl. 2

4 kiváló hozmml egy termék keletkezett: metil---benzil-4,6--benzilidén-2-s-fenil- 2-tio-α-D-mnnopirnozid (182). Ezzel ellentétben, 181 tozilátból, egy éjszk elteltével két nomer képződött: metil---benzil-4,6--benzilidén-2-s-fenil-2-tio-α-d- (18) és β-d-glükopirnozid (184) (1. ábr). S Bn S 97% Bn Ts CH Bn 181 Ts S Bn % S CH Bn CH % S () NCH, CH H, reflux. 1. ábr Az zid nukleofilek htásár bekövetkező vándorlási rekciókt is tnulmányoztuk. A már bemuttott tioglikozidokt (180 és 181) regáltttuk nátrium-ziddl 80 ºC-on, N,N-dimetilformmidbn egy éjszkán át. A végrehjtott rekciók mindkét esetben 1:1 ránybn eredményezték z 1,2-trnsz (185 és 187) és z 1,2-cisz szármzékokt (186 és 188) (2. ábr). Ezzel szemben trimetilszilil-zidot lklmzv egyáltlán nem képződtek 1,2-cisz vegyületek. A 180 glükozidból kiindulv z 1,2-trnsz terméket (185) csk 28%-bn izoláltuk, s 191 glikál szármzék volt főtermék (55%). A 181 mnnozidból viszont csk 187 1,2-trnsz vegyület (72%) képződött (. ábr). S S 180 Bn + Bn N N % 5% 181 Bn N + S 187 % () NN, DMF, 80 o C, 1 éjszk. Bn 188 5% S N 2. ábr

5 180 Bn % 72% 191 S 55% () (CH ) SiN, DMF, 80 o C, 1 éjszk.. ábr Azokbn z esetekben, hol csk 1,2-trnsz termék képződött, rekciók lejátszódását episzulfóniumion intermedieren keresztül trtjuk elképzelhetőnek. Ekkor z ion lefedi megfelelő oldlt, így nukleofil már csk másik irányból támdht. H viszont felnyílik z episzulfónium gyűrű, kkor kilkul megfelelő oxokrbéniumion, s zt már mindkét irányból támdhtj nukleofil. Ez lehet mgyrázt z 1,2-cisz termékek képződésének. Az eliminációs termék is z episzulfóniumionból lkulhtott ki, z nomer szén és kén, vlmint H-2 proton és kettes széntom közötti kötések hsdásávl (4. ábr). Ts Nu Nu S S S Nu 1,2-trnsz episzulfóniumion oxokrbéniumion Nu S 1,2-trnsz 4. ábr S Nu 1,2-cisz.2. Cukor 2-szulfonsvk szintézise A tiofenil-glikozidokon végrehjtott tnulmányrekciók tpsztltit felhsználv nátrium-metiláttl váltottunk ki vándorlási rekciókt olyn glikozidok esetében, melyekből később kilkíthtó szulfonsv. Ezért kettes helyzetben leváló csoportot 4

6 (meziloxit) trtlmzó p-metoxibenziltio- (197), (2-nftil)metiltio- (200) és tritiltioglükozidot (204) állítottunk elő, mjd végrehjtottuk velük vándorlási rekciókt. Az előzetes kísérletek eredményeinek megfelelően, kiváló hozmml és sztereoszelektivitássl nyertük megfelelő metil-2-s-rlkil-2-tio-α-d-mnnopirnozidokt ( ), melyek már szulfonsvvá konvertálhtók (5. ábr). Bn Bn Bn Ms 197 Bn SPMBn Bn SPMBn 90% Bn 205 CH Bn Bn Bn Bn Ms 200 SNAP 91% Bn Bn SNAP 206 CH Bn 204 Ms STr 9% Bn 207 STr CH () NCH, CH H, reflux, 4 ór. 5. ábr Különböző módszerekkel végrehjtv z SH-csoportok felszbdítását, mjd zt követő oxidációját, mindhárom szármzékból megkptuk megfelelő védett szulfonsvkt. Ezek z átlkítások 2-S-tritil szármzék (207) esetében voltk legjobb ho % Bn S N b 76% H H H S N CH CH () xon, KAc, AcH, szobhő, 5 ór; (b) H 2 -Pd(C), AcH, EtH, szobhő, 24 ór. 6. ábr zmúk, mikor tiol kilkítását és oxidációját egy lépésben, xonnl, ecetsvbn, KAc jelenlétében vlósítottuk meg ( 21). A védőcsoportokt ktlitikus 5

7 hidrogénezéssel távolítottuk el, s nyertük metil-2-dezoxi-2-nátriumszulfonáto-α-dmnnopirnozidot (210) (6. ábr). Bn 221 Ms STr 59% Bn 222 STr CH b 70% H Bn CH S N 22 c, d 61% H H S N 224 CH () NCH, CH 2 Cl 2 -CH H (1:1), reflux, 1 éjszk; (b) xon, KAc, AcH, szobhő, 5 ór; (c) TFA, H 2, CH 2 Cl 2, szobhő, ór; (d) H 2 -Pd(C), AcH, EtH, szobhő, 24 ór. 7. ábr Ezeket z eredményeket felhsználv glükóz 2-szulfonsvt is szintetizáltunk. Ekkor már csk tritil---benzil-4,6--izopropilidén-2--mezil-1-tio-α-d-mnnopirnozidot (221) készítettünk, s ezzel végeztük el vándorlási rekciót. Egy éjszk elteltével, CH 2 Cl 2 CH H (1:1) oldószerelegyben, tiofenil-mnnozidnál tpsztlt eredménnyel ellentétben, itt csk 1,2-trnsz termék (222) keletkezett. Ebből közvetlenül képeztük 22 szulfonsvt, mjd z izopropilidén-csoportot trifluor-ecetsvs kezeléssel, benzilcsoportot pedig hidrogenolízissel eltávolítv, izoláltuk metil- 2-dezoxi-2-nátriumszulfonáto-α-D-glükopirnozidot (224) (7. ábr)... Cukor 4- és 6-szulfonsvk előállítás intermolekuláris nukleofil szubsztitúciós rekciók segítségével Hogy ne csk kettes helyzetben lkíthssunk ki szulfonsvt, intermolekuláris nukleofil szubsztitúciós rekciókt is lklmztunk. Figyelembe kell zonbn venni, hogy h szekunder széntomon kívánjuk ezeket rekciókt megvlósítni, kkor inverzió következik be. Négyes és htos pozícióbn szbd hidroxilcsoportot trtlmzó glükóz (149, 24) és glktóz (227, 27) szármzékokból triflátésztereket képeztünk, 6

8 mjd zokt kálium-tiocetáttl nukleofil rekciób vittük. Az S N 2 rekciók mechnizmusánk megfelelően, 227 glkto vegyületből 4-S-cetil-glükóz (228), míg 149 glükozidból 4-S-cetil-glktóz (21) szármzékot nyertük. Ezeket oxidálv, mjd védőcsoportokt eltávolítv kptuk metil-4-dezoxi-4-nátriumszulfonáto-α-d-glüko- (20) és glktopirnozidot (2) (8. ábr). Bn H Bn, b 51% AcS Bn Bn N S H Bn Bn CH CH c, d 61% H H CH Bn AcS Bn N S H H Bn, b 67% Bn c, d 86% H Bn CH 149 Bn CH 21 2 H CH () Tf 2, piridin, CH 2 Cl 2, -10 o C, 1 ór; (b) KSAc, DMF, 90 o C, ór; (c) xon, KAc, AcH, szobhő, 5 ór; (d) H 2 -Pd(C), AcH, EtH, szobhő, 24 ór. 8. ábr A primer szármzékok előállításánl nem kellett inverziótól trtnunk, ezért 6-H trtlmú glükóz szármzékból (24) kiindulv, már bemuttott rekciókt követve nyertük metil-6-dezoxi-6-nátriumszulfonáto-α-d-glükopirnozidot (8) (9. ábr). H S N Bn Bn Bn CH 24, b, c, d H H 8 H CH () Tf 2, piridin, CH 2 Cl 2, -10 o C, 1 ór; (b) KSAc, DMF, 90 o C, ór; (c) xon, KAc, AcH, szobhő, 5 ór; (d) H 2 -Pd(C), AcH, EtH, szobhő, 24 ór. 9. ábr A szintén primer hidroxilcsoportot trtlmzó glkto vegyületből (27) zonbn, triflátészter kilkítását követően, kálium-tiocetátos rekció 28,6-nhidro szármzékot eredményezte (10. ábr). Hogy konformációváltássl járó nhidro-gyűrű képződési rekciót elkerüljük, 29,4--izopropilidén szármzékot 7

9 Bn Bn H, b 45% Bn CH Bn () Tf 2, piridin, CH 2 Cl 2, -10 o C, 1 ór; (b) KSAc, DMF, 90 o C, ór. 10. ábr állítottuk elő, és ebből kiindulv hjtottuk végre rekciókt. Így már megkptuk metil-6-dezoxi-6-nátriumszulfonáto-α-d-glktopirnozidot (24). A védett szulfonsvt (241) egy másik úton is szintetizáltuk. Miután 29 vegyületből kilkítottuk trifluor-metánszulfonsv észtert, zt vizes etnolbn nátrium-szulfittl refluxáltttuk. Ennek módszernek ugyn hsonló hozm, de kevesebb lépésből áll, és z összrekcióidő is rövidebb (11. ábr). H Bn CH 29, b 55% SAc Bn Bn CH 240 CH f 41% c 8% S N H S N H S N Bn CH 241 d 98% H Bn CH 242 e 87% H H CH 24 () Tf 2, piridin, CH 2 Cl 2, -10 o C, 1 ór; (b) KSAc, DMF, 90 o C, ór; (c) xon, KAc, AcH, szobhő, 5 ór; (d) AcH, CH 2 Cl 2, H 2, szobhő, ór; (e) H 2 -Pd(C), AcH, EtH, szobhő, 24 ór; (f) N 2 S, EtH-H 2 (1:1), reflux, 45 perc. 11. ábr 8

10 .4. Szulfonsv trtlmú diszchrid szintézise Az eredeti célkitűzéseknek megfelelően egy szulfonált diszchridot (248) is előállítottunk, mely hiluronsv szulfonsv nlogonj. A htos pozícióbn cetiltiocsoportot trtlmzó donorrl (244) glikozileztük megfelelően védett, hárms helyzetben szbd hidroxilt trtlmzó glükózmint (245). A kpcsolási rekció során z AcS-csoport inert mrdt, így izolálás után diszchridot (246) H 2 2 -oldttl, ecetsvbn, 40 C-on benzilidéncsoport lehsdás közben 247 szulfonsv szármzékká lkítottuk. A védőcsoportok eltávolítás, illetve z min szelektív cetilezése után megkptuk szbd 248 szármzékot (12. ábr). SAc Ac Ac 244 Ac Br + H 245 Nth PMP X R' b c, d R" R" R' R" () AgTf, CH 2 Cl 2, toluol, -40 o C, ór; (b) 0% H 2 2, NAc, AcH, 40 o C, 1 éjszk; (c) NH 2 CH 2 CH 2 NH 2, EtH, reflux, 5 ór; (d) Ac 2, CH H, 0 o C, 1 ór. R PMP 246 R=Nth, R',R'=CH, R"=Ac, X=SAc, 0% 247 R=Nth, R'=H, R"=Ac, X=S N, 84% 248 R=NHAc; R'=R"=H, X=S N, 7% 12. ábr 4. Összefogllás Összegzésként elmondhtjuk, hogy tiofenil-glikozid modellvegyületeken tnulmányoztuk különböző nukleofilek htásár végbemenő tiocsoport-vándorlási 9

11 rekciókt. Ezek eredményeit felhsználv, nátrium-metiláttl sikeresen oldottuk meg 1,2-trnsz-2-szulfonsvk előállítását. Erre célr leginkább z 1,2-trnsz-tiotritilglikozidok feleltek meg, melyekből vándorlási rekciókt követő közvetlen oxidációvl, mjd védőcsoportok eltávolításávl nyertük célvegyületeket. Intermolekuláris nukleofil szubsztitúciós rekciókt is sikeresen lklmztunk cukor-szulfonsvk szintézise során. A módszert felhsználv glükóz és glktóz négyes, illetve htos helyzetében lkítottunk ki szulfonsvcsoportot. Egy szulfonált diszchridot is előállítottunk cetiltiocsoportot trtlmzó glikozildonor kpcsolási rekciójávl, mjd zt követő oxidációvl. Ez módszer igen ígéretesnek tűnik későbbiekben is, és kombinálv vándorlási rekcióvl további oligoszchridok szulfonsv trtlmú mimetikumit állíthtjuk elő. 5. Publikációk Az értekezés lpjául szolgáló közlemények 1. András Lipták, Ferenc Sjtos, Lóránt Jánossy, Dietmr Gehle nd László Szilágyi: A Generl Method for the Synthesis of Sugr 2-C-Sulfonic Acids by 1 2 Arylthio Group Migrtion in Acid-Sensitive Thioglycosides. Direct Trnsformtion of Thiotrityl Ethers into C-Sulfonic Acids; rg. Lett., 5 (200) András Lipták, Edit Bll, Lóránt Jánossy, Ferenc Sjtos nd László Szilágyi: The First Synthesis of Secondry Sugr Sulfonic Acids by Nucleophilic Displcement Rections; Tetrhedron Lett., 45 (2004)

12 Egyéb közlemény. Ferenc Sjtos, János Hjkó, Ktlin E. Kövér, András Lipták: Synthesis of the α-d-glcpa-(1 )-α-l-rhp-(1 2)-L-Rh triscchride isolted from the cell wll hydrolyzte of green lg Chlorell vulgris; Crbohydr. Res., 4 (2001) Az értekezés témájához kpcsolódó elődások (E) és poszterek (P) 1. Sjtos Ferenc, Lipták András: 2--Tozil csoportot trtlmzó tioglikozidok átrendeződése; XXIV. Kémii Elődói Npok, október 29-1., Szeged. (E) 2. András Lipták, Dietmr Gehle, Ferenc Sjtos nd Edit Bll: Thioglycoside rerrngement by 1 2-thiomigrtion into 2-thio sugrs nd their oxidtion to sugr 2-sulfonic cids; XXIst Interntionl Crbohydrte Symposium, 7-12 July 2002, Cirns, Austrli. (P). Anikó Borbás, Ferenc Sjtos, Gábor Májer nd András Lipták: Preprtion of C-sulfted sugr donors for the synthesis of C-sulfte contining Silyl Lewis X nlogues; Third Pn-Pcific conference on Siloglycosience nd ther Novel forms of glycosyltion, July 2002, Gold Cost, Austrli. (P) 4. András Lipták, László Lázár, Ferenc Sjtos, Edit Bll nd Anikó Borbás: Sugr C-sulfonic cids nd sugr methylene-sulfonic cids; XII. Europen Crbohydrte Symposium, 6-11 July 200, Grenoble, Frnce. (P) 11

13 5. András Lipták, Anikó Borbás, László Lázár, Mgdoln Csávás nd Ferenc Sjtos: New types of sugrs: sugr sulfonic cids nd sugr methylene sulfonic cids; 2 nd Interntionl Symposium of Rre Sugrs, My 2004, Tkmtsu, Kgv, Jpn. (E) 6. Ferenc Sjtos: Preprtion of unknown sugr sulfonic cids; Summer Course Glycosciences, 28 June - 1 July 2004, Wgeningen, The Netherlnds. (P) 7. Sjtos Ferenc, Bjz István, Lipták András: Fenil-1-tio-2--tozil-β-D-glüko- és α-d-mnnopirnozidok nukleofil szubsztitúciós rekciói; MTA Kém. Tud. szt., Szénhidrátkémii Munkbizottság Elődóülése, november 5., Debrecen. (E) 12