REZERPIN-TIPUSU ALKALOIDOK ÉS SZTEREÓIZOMERJEIK SZINTÉZISE Kandidátusi értekezés tézisei Irta: dr.blaskó Gábor Budapesti Műszaki Egyetem Szerves Kémiai Tanszéke MTA Alkaloidkémiai Tanszéki Kutatócsoport Magyar Tudományos Akadémia Központi Kémiai Kutató Intézete 1 9 7 9.
REZERPIN-TIPUSU ALKALOIDOK ÉS SZTEREOIZOMERJEIK SZINTÉZISE Kandidátusi értekezés tézisei Irta: dr. B l a s k ó G á b o r Budapesti Műszaki Egyetem Szerves Kémiai Tanszéke MTA Alkaloidkémiai Tanszéki Kutatócsoport Magyar Tudományos Akadémia Központi Kémiai Kutató Intézete 1 9 7 9.
T é z i s e k I. Az értekezés előzményei és kutatási célkitűzései Napjainkban a szerves kémia tudományterületén belül a természetes szerves anyagok kémiája áll az érdeklődés egyik középpontjában. Különösen jelentős helyet foglalnak el az alkaloidok, elsősorban régóta ismert gyógyászati jelentőségük miatt. A Rauwolfia növénycsalád hat aszimmetriacentrumos jo- himbánvázas alkaloidjainak egyikét, az antihypertoniás hatásáról közismert rezerpint (lg), Woodward szintetizálta elsőként. A legtöbb rezerpin-tipusu alkaloid, igy a rezerpin (i ), dezerpidin (Ife), rauneszcin (g) E-gyürüje a kiralitáscentrumok szokatlanul nagy koncentrációját mutatja, minthogy a molekula hat aszimmetriacentruma közül ötöt itt találunk. Figyelembevéve ezt a sajátosságot, Woodward elképzelése az volt, hogy szintézisük első szakaszában egy, a helyettesitő- ket már a megfelelő térállásban tartalmazó ciklohexán-szárma- zékot (E-gyürü szinton) állit elő, majd a kapott intermediert 6-metoxi-triptaminnal kondenzáltatva alakitja ki a kivánt jo- himbán gyürürendszert. OCH, O C ^ W OCH3 a b O CR, re z e rp in H dezerp idin Woodward brilliáns szintézise azonban csak egyetlen, D/E-cisz anellált vázat tartalmazó sztereoizomer célirányos előáliitá-
2 sát teszi lehetővé. Korlátozó körülmény továbbá az is, hogy az E-gyürü szubsztituenseinek térállásai már a kezdeti lépésben adottak, igy a szintézis alkaloid sztereoizomerek előállítására nem nyújt elég lehetőséget. Ehhez olyan szintézisutat kellett kidolgozni, amely a gyürürendszer D/E-anellációjának, illetve az E-gyürü aszimmetriacentrumai relativ konfigurációinak tágabb módosításait teszi lehetővé. E kutatási feladatra vállalkozott az MTA Alkaloidkémiai Tanszéki Kutatócsoportja. A Budapesti Műszaki Egyetem Szerves Kémia Tanszékén működő MTA Alkaloidkémiai Kutatócsoport Szántay Csaba akadémikus vezetésével közel két évtizede foglalkozik gyógyászatilag is jelentős alkaloidok szintézisével. Ennek a kutatómunkának legjelentősebb eredményei az emetin, a korinanteidin, az ankorin és a vinkamin előállítása. A felsoroltak közül az emetin és a vinkamin ipari szintézise is megvalósult. A Kutatócsoport az 1960-as évek közepén kezdett johimbánvázas alkaloidokkal foglalkozni. Az öt aszimmetriacentrumos johimbinalkaloidok sikeres sztereoszelektiv totálszintéziseiből nyert tapasztalatok birtokában célul tüztük ki a hat aszimmetriacentrumos rezerpinalkaloidok totálszintézisét. Tervünket - korábbi kutatási hagyományainknak megfelelően - lineáris tipusu szintézissel kivántuk megvalósitani. Ezért alapvető célul egy olyan univerzális kiindulási anyag előállítását tüztük ki, mely reaktivitás és sztereokémia szempontjából egyaránt alkalmas arra, hogy belőle az E-gyürün kivánt módon szubsztitutált johimbánváz valamennyi képviselőjét előállíthassuk. A szintézis során néhány elméleti kérdés vizsgálatára is lehetőségünk nyilt, igy például a sztereokémia és a reaktivitás összefüggéseinek, valamint a konformációs analízis egyes kérdéseinek tanulmányozására.
3 - Kutatómunkánk szervesen kapcsolódik az országosan kiemelt szintű témák egyikéhez, a biológiailag aktiv vegyületek kutatásához, s ezáltal napjaink tudománypolitikai célkitűzésének alapelvéhez. II. Az alkalmazott vizsgálati módszerek Kutatómunkánk során a modern szerves kémia makro-, félmikro- és mikro-preparativ módszereit alkalmaztuk. A reakciókörülmények kialakításánál az anyagok fokozott fény-, hőés oxidációérzékenységét, a több aszimmetriacentrumos anyagok epimerizációra való hajlamát messzemenően figyelembe vettük. Az előállított anyagok elválasztására és tisztaságuk ellenőrzésére különböző kromatográfiás eljárásokat oszlop-, analitikai (VRK) és preparativ (PRK) rétegkromatográfiát használtunk. A reakciók követése, az izomerizációs, epimerizációs folyamatok megfigyelése, és nyomonkövetése ugyancsak kromatográfiás utón történt. Az uj vegyületek szerkezetbizonyitására kémiai eljárások mellett a legmodernebb fizikai módszereket alkalmaztunk (UV, IR, MS 100 MHz-es-, 250 MHz-es ^H-NMR és ^^C-NMR),Ugyanezek segítették az egyes epimerizációs és konformációs problémák megoldását is. A spektroszkópiai utón tett térszerkezeti megállapitásaink helyességét konfigurativ korrelációs vizsgálatok felhasználásával is alátámasztottuk. III/A Az értekezés uj tudományos eredményei 1. g-metoxi-propionsavészter oldalláncot tartalmazó indolo[2,3-a]kinolizin keton előállítása 1.1. A rezerpin-tipusu alkaloid sztereoizomerek szintézisének kiindulási anyagaként alkalmazni kivánt, a-metoxi-
4 -propionsavészter oldalláncot tartalmazó indolo[2, 3-a ]kinolizinvázas ketont egy alkalmasan szubsztituált a,3-telitetlen keton, vagy az ennek megfelelő Mannich-bázis kvaterner jódmetilát ( ) és 3,4-dihidro-3~karbolin (3) reakciójában állítottuk elő. 1.2. Megállapítottuk, hogy j-ben a kialakult gyürükapcsolat C/D-transz anellációju, az oldallánc pedig a-térállásu. Vizsgálataink szerint a kapott termék (5) az oldalláncban helyet foglaló aszimmetriacentrum jelenléte miatt két diasztereomer racemát elegye. 2. Hat aszimmetriacentrumot tartalmazó normál-johimbán- vázas vegyületek szintézise. 2.1. Az 5 ketonból dietil4(metoxi-karbonil)-meti]j -foszfonáttal végzett kondenzációval, egy ezt követő sztereoszelektiv redukcióval, a normál-johimbánvázas hat aszimmetriacentrumot tartalmazó alkaloid-sztereoizomerek kulcsintermedierjét, a 2 diésztert állítottuk elő. 2.2. 2 diasztereomer diészter racemát pár regioszelek- tiv Dieckmann-kondenzáclójával a 18a-metoxi-(8) és 183-metoxi- -normál-johimbinont ( ) szintetizáltuk, melyeket kristályositás
5 és oszlopkromatográfia segítségével választottunk el egymástól. COjCH j 2.3. A C^g-epimer 8 és 8 O CH5 H 8. 9 9 I H 0 C H 3 = " 9 3-ketoészterek térszerkezetét kémiai és spektroszkópiai vizsgálatokkal igazoltuk. Megállapítottuk, hogy a 18-as metoxicsoportot (3(axiális) helyzetben tartalmazó g 2N nátrium-metilátban igen enyhe körülmények között is könnyen epimerizál a 18a-metoxi-normáljo- himbinonná (8). 2.4. A következő reakciólépésben 8 ketoncsoportjának sztereoszelektiv redukciójával a 10 hidroxi-észterhez jutottunk. Ugyanakkor 9 redukciója nátrium-[tetrahidrido- -borát(iii)]-tal a és g C^-epimer vegyületeket eredményezte.
6 2.5. A sztereoizomer hidroxi-észterek (10,11,12) 18-as metoxicsoportját bór(iii )-bromiddal demetileztük, és megállapítottuk, hogy az éterhasitás reakciósebessége az illető metoxicsoport térállásától függ. Mivel az E-gyürü aszimmetriacentrumain a demetilezés epimerizációt nem okozott, a 1^, és 15 térszerkezetű diolokhoz jutottunk. 2.6. Rauneszcin sztereoizomerek előállítása céljából a fenti dialkoholokat piridinben trimetoxi-benzoil- -kloriddal acileztük. Tapasztalataink szerint a 13, 1 és 1 diolok az acilezés körülményei között - térszerkezetükkel összhangban - különbözően viselkednek. OH U C O jc H j I OH Mig 13 trimetoxi-benzoilezése regioszelektiv és csupán egy termékhez, a 1 normál-johimbánvázas rauneszcin sztereoizomerhez vezet, addig 14 esetén lassú reakcióban
7 két izomert, egy rauneszcin és egy izorauneszcin sztereoizomert (12 ü l- ) kaptunk. Az adott reakciókörülmények között ugyanakkor a diol egyáltalán nem reagált. 3. Hat aszimmetriacentrumot tartalmazó allojohimbán- vázas vegyületek szintézise 3.1. Az keton malondinitrillel ill. ciánecetsavmetilészterrel végzett Knowenagel-kondenzációjával, majd a termék exociklusos kettőskötésének telitésével olyan indolo[2,3-a] kinolizin származékokat (go) állítottunk elő, melynek 2-es és 3-as szubsztituensei relativ cisz térállásuak, és ezáltal az allo tipusu D/E-cisz gyürüanelláció kialakítását teszik lehetővé. 3.2. A 2Q dinitril báziskatalizált metanol addiciója az érdekes spektroszkópiai és kémiai sajátosságokat mutató imino-éterhez vezetett. Oldatban a 21 4 diasztereomer imin formája 4 diasztereomer enamin-formával tart egyensúlyt.
8-3.3. A gq intermedierből szelektiv reakciók sorozatával az allojohimbánvázas hat aszimmetriacentrumot tartalmazó alkaloid-sztereoizomerek kulcsintermedierjét a gg diésztert állítottunk elő. Sikerrel megvalósitottuk ez utóbbi R(S)-22 ill. S(R)-g2 diasztereomer diészter racemátokká történő szétválasztását. 3.4. Elvégezve az R(S)-2J. és S(R)-g2. diasztereomer diészterek gyürüzárását megállapítottuk, hogy S(R)-gg Dieckmann-kondenzációja regioszelektiv reakció és egységesen a 183-metoxi-allojohimbinonhoz vezet. A reakció kontrollált körülményei között a metoxicsoportot viselő aszimmetriacentrum nem epimerizálódik. OCH. S(R)-22 23 R(S)-gg diészter hasonlóan végzett gyürüzárása mintegy 70 % 18a-metoxi-allojohimbinon (24) mellett 30 %-nyi
183-metoxi-allojohimbinont (23) eredményezett. R (S) -22 23 (30%) Vizsgálataink szerint a C^g-kiralitáscentrum tapasztalt inverziója a Dieckmann-kondenzáció után, a 3-ketoészterek C..Q-epimerizációjával megy végbe. 1 ö és Részletesen tanulmányoztuk 2.2 és 24. tautomeria és epimerizációs problémáit. Megállapítottuk az egyes 3-ketoészterek enolizációjának mértékét, valamint 2 és a termodinamikailag stabilabb 2$ (18 3 ekvatoriális metoxicsoport) közötti C^g-epimerizáció egyensúlyi helyzetét. 3.5. A 183- és 18a-metoxi-allojohimbinonok (23/2.1) nátrium-[tetrahidrido-borát(iii)]-os redukciójával öt 18-metoxi-allojohimbin sztereoizomert (25./ 2.r 2Z r r.2 ) nyertünk, melyek térszerkezetét kombinált kémiai- (epimerizációs és eliminációs reakcióikkal) és spektroszkópiai vizsgálatokkal igazoltuk. Képződésük valószínű mechanizmusát a
10 - "sztérikus megközelitési kontroll" alapján értelmeztük. Az alkalmas térszerkezetű epimerekből 18 3- és 18a- -metoxi-apo-allojohimbin (3Q/3I) sztereoizomeréket állítottunk elő. j COjC H j 30 29 3.6. A és 2.1 sztereoizomer hidroxi-észterek bór ÖEIl)-bromidos demetilezésével - az E-gyürü aszimmetriacentrumainak epimerizációja nélkül - a bizonyított térszerkezetű 32/ 33 és 34 diolokhoz jutottunk, közülük 32 és 33 2N nátrium-metilátban végzett vizeliminációja a 3^ 183-hidroxi -apo-allojohimbinhez vezetett.
34 3.7. A diol szelektiv trimetoxi-benzoilezésével e9y uj/ természetben elő nem forduló allojohimbánvázas rauneszcin sztereoizomert a 3-epi-17-epi-rauneszcint (3.) állítottunk elő. A hidroxilcsoportokat transz diaxiális helyzetben tartalmazó 3 - a y térszerkezetű izomerhez hasonlóan - trimetoxi-benzoilkloriddal nem reagált.
12 3.8. A 183-hidroxi-apo-allojohimbin aktivált C=C kettőskötésére sztereoszelektiv reakcióban metanolt addicionáltatva a racem 3-izo-metil-dezerpáthoz ( 2) jutottunk, melyet a természetes dezerpidinből leszármaztatott mintával összehasonlitva azonosítottunk. A fentiekben ismertetett lineáris szintézisünk lehetővé teszi, hogy egyetlen kiinduló anyagból, csupán a reakciókörülmények változtatásával a normál-, allo-, és epiallo-johimbánvázas rezerpin-tipusu alkaloid sztereoizomereket állitsunk elő. Az összes ismertett termék uj, szintézisünk első szintézis.
13 Ill/g Az eredmények jelentősége és hasznositási lehetőségei. A Rauwolfia növénycsalád alkaloidjai kiemelkedő helyet foglalnak el a természetes szerves anyagok kémiájában. Közülük a rezerpin (la) mint kitűnő antihypertoniás gyógyszer hatalmas karriert futott be a világ gyógyszerpiacán. A dezerpidin (lb ) és a rauneszcin (g) hasonló szelektiv vérnyomáscsökkentő hatást mutatnak. A disszertációban leirt uj dezerpidin szintézisünk egy olyan univerzális kiindulási anyagot használ, amely alkalmas arra, hogy belőle D/E-cisz ill. D/E-transz anellált johimbánvázas alkaloid sztereoizomereket állitsunk elő, egyben lehetőség nyilik az E-gyürü szubsztituensei térállásának kivánt változtatására is. így a szintézis, a.célként kitűzött természetes szerves anyag előállításán kivül több a természetben elő nem forduló sztereoizomert is hozzáférhetővé tett, lehetőséget nyújtva a biológiai hatás és a térszerkezet közötti összefüggés tanulmányozásához. A konkrét cél; a biológiailag aktiv rezerpin-tipusu alkaloid - a dezerpidin és különböző rauneszcin sztereoizomerek szintézisén túlmenően jelentős elméleti szerves kémiai megállapitásokat tettünk a sztereokémia és a reaktivitás kapcsolata, valamint a konformációs analizis egyes témakörein belül. Összefüggéseket állapítottunk meg egyes sztereoizomer vegyületek spektroszkópiai adatai és térszerkezetük között. A megismert uj tudományos eredmények jelentősen hozzájárulnak az alkaloidkémia fejlődéséhez, igy azokat oktatási munkánkban közvetlenül felhasználtuk.
- 14 - IV. Az értekezés témaköréhez kapcsolódó közlemények és előadások Közlemények; 1. L.Tőke, G.Blaskó, L.Szabó and Cs.Szántay; Iminoether-enamin tautomerism Tetrahedron Letters 1972 2459-2462 2. L.Tőke, G.Blaskó, L.Szabó, G.Tóth and Cs.Szántay; Iminoether-enamine tautomerism Acta Chim.Hung. 81 97-101 /1974 / 3. L.Tőke, K.Honty, L.Szabó, G.Blaskó and Cs.Szántay; Synthesis of Yohimbines. I. Total Synthesis of Alloyohimbine, a-yohimbine, and Their Epimers. Revised Structure of Natural Alloyohimbine. Journal of Organic Chemistry 38 2496-2500 /1973/' 4. L.Tőke, Zs.Gombos, G.Blaskó, K.Honty, L.Szabó, J.Tamás and Cs.Szántay; Synthesis of Yohimbines. II. An Alternative Route to Alloyohimbine Alkaloids. Journal of Organic Chemistry ^8 2501-2509 /1973/ 5. Cs.Szántay, G.Blaskó, K.Honty, L.Szabó and L.Tőke; A New Approach to the Skeleton of Rauwolfia Alkaloids. Heterocycles 1_ 155-160 /1977/ 6. Cs.Szántay, L.Tőke, G.Blaskó, K.Honty and L.Szabó; Synthesis of Benzo[a]- and Indole[2, 3-a]-quinolizidines. A New Route to the Rauwolfia Alkaloids Lectures in Heterocycles Chemistry Vol. S.25 /19 78 / A Supplementary Issue of the J.Het.Chem., Vol.15.
15-7. Cs.Szántay, G.Blaskó, K.Honty, L.Tőke and L.Szabó; Synthesis of Rauwolfia-type Indole Alkaloids Exceprta Medica 1978 28-36 8. G.Blaskó, K.Honty, L.Novák and Cs.Szántay; A symple synthesis of octahydroindolo[2,3-a] quinolizinone-2 Acta.Chim.Hung., _99 35-41 /1979 / 9. Cs.Szántay, G.Blaskó, K.Honty, L.Szabó and L.Tőke; Synthetic Studies on Indole Alkaloids Academic Press /közlésre elfogadva/ Előadások; 1. Blaskó G., Tőke L., Szabó L., Tóth G., Honty K. és 2. Blaskó G.; Szántay Cs.; Iminoéter-enamin tautoméria Vegyészkonferencia 1973 Pécs Kísérletek rezerpin tipusu alkaloidok szintézisének irányába MTA Alkaloidkémiai Munkabizottság ülése 1975 Balatonalmádi 3. Blaskó G., Tőke L., Szabó L., Honty K., Radics L. és Szántay Cs.: Kísérletek a rezerpin tipusu alkaloidok vázrendszerének kialakítására. Vegyészkonferencia 1977 Debrecen 4. Cs.Szántay, L.Tőke, G.Blaskó, K.Honty and L.Szabó; Synthesis of Benzo[a] - and Indolo[ 2,3-a ]-quino- lizidines. A New Route to the Rauwolfia Alkaloids. Plenáris előadás a IUPAC Heterociklusos Kongresszusán Teherán 1977
- 16-5. Blaskó G.; Rezerpin tipusu alkaloidok és sztereoizomerjeik szintézise, /kandidátusi munkahelyi beszámoló és vita/ MTA Alkaloidkémiai Munkabizottság ülése 1978 Balatonfüred 6. Cs.Szántay, G.Blaskó, K.Honty, L.Szabó and L.Tőke; Synthetic Studies on Indole Alkaloids Plenáris Előadás a The Phytochemical Society of Europe Kongresszusán London 1979 7. Blaskó G., Honty K., Radics L., Szántay Cs.; Normál-johimbánvázas rauneszcin sztereoizomerek szintézise Vegyészkonferencia 1979 Sopron 8. Honty K., Blaskó G., Szántay Cs.; 18a- és 183-metoxi-allojohimbinonok szelektiv előállítása, tautomeriájuk és epimerizációs viszonyaik. Vegyészkonferencia 1979 Sopron Pályázatok: Az MTA Elnöksége által a "Biológiailag aktiv vegyületek kutatása főirányban meghirdetett pályázatra benyújtott és dijazott dolgozat. 1. Blaskó G., Honty K.: Rezerpin-tipusu alkaloidok és sztereoizomerjeik szintézise. 1978.