Synthesis of 5-(7-hydroxyhept-3-enyl)-1, 2-dithiolan-3-one 1-oxide, a core functio nality of antibiotic leinamycin Tetrahedron 59 (2003) 833-839 분분분분분분분 분분분분 분분 : 022LBG15 분분 : 분분분
Jan 17, 2016
Synthesis of 5-(7-hydroxyhept-3-enyl)-1,2-dithiolan-3-one 1-oxide, a core functionality of antibiotic leinamycin
Tetrahedron 59 (2003) 833-839
분자생명과학부 화학전공학번 : 022LBG15
성명 : 민혜정
Introduction Antibiotic leinamycin 은 Kyowa Hakko Kogyo Ltd 가 streptomyces sp. 에서 추출되었다 . 그 후에 streptroscopic analysis 와 X-ray
crystallography 로 정확한 분자구조를 알아내게 되었다 . (Figure 1.)
SS
O
O OH
NHO
OH
S
N
H
OH
Leinamycin
1'2'
1
36
78
13
또한 bioassay 는 이 natural product 가 쥐에 대해 실험적으로 tumer leukemia P388 과 sarcoma 180 에 대해 gram-positive bacteria
에서와 같이 강한 activity 를 보이는 것을 증명하였다 .
게다가 leinamycin 은 activating agents 로써 thiol 을 가지고 상태에서 생체 밖에서의 single strand DNA cleavage 를 하도록 만들 수 있다 . (mechanism: cytotoxic properties of this antibiotic) 이러한 생물학적인 특성에 기초하여 , 제약 회사들은 anticancer drug
candidate 로써 leinamycin 에 대한 관심을 갖고 있다 .
화학적인 관점에서 볼 때 , leinamycin 의 구조에 있어서 두드러진 특성은 18-membered lactam ring 에 연결된 1,3-dioxo-1,2-
dithiolane moiety 를 갖고 있는 점이다 . 게다가 , mechanistic 연구 보고들은 heterocycle 의 gamma position 에 있는 double bond 가 leinamycin 에 의해 유도된 DNA-cleavaging process 에 중요한 역할을 한다는 것을 증명했다 .
Thiol-Triggered Oxidative DNA Damage by Leinamycin 에 대해 알아보면 다음과 같다 .
우선 간단하게 합성된 leinamycin analogues 는 thiol-triggered DNA-cleaving agents 라고 볼 수 있다 .
SS
O
OS
S
O
O
SS
O
OHO
위의 agents 에 의해 일어나는 strand cleavage 는 molecular oxygen 에서 DNA-cleaving oxygen 으로 바뀌는 과정을 포함하는 mechanism 을 보인다 .
O2 Mn+ HO M(n+1)+O2 + +H2O2
S
NNH
S
OH
OH
H
HS
O
O
O
O
S
NNH
OHH
H
O
O
SOHSSR
OOHH
S
NNH
OHH
H
O
O
S O
O
OHH
S
NNH
H
O
O
S+OHH OH
CH3CO2-
H
S
NNH
H
O
O
CH3CO2-
OHH
R'
OH H
RSH
Leinamycin
+RSSH
RSSxSR
RSSH
RSH
O2
O2-
H2O2HOOxidativeDNADamage
S
N NH
H
S
O
H
CH3
CO2-OH
O
O
(1)15
1112 13
14 a: R'=N-7-Guanine, b: R'=OH
6
7
DNA Alkylation
Chem. Res. Toxicol. 2000, 13, 953-956
Leinamycin 도 유사하게 thiol-mediated
oxidative DNA damage 를 일으키는 것을 보여준다 . leinamycin 과 간단한 analogues 에서의thiol-dependent production of DNA-cleaving
oxygen radicals 는 불안정한 hydrosulfide
intermediate (RSSH, 6) 의 O2-mediated oxidation
단계를 가지게 된다 .(hydrosulfide intermediate
는 thiol 과 1,2-dithiolane-3-one-1-oxide 의 첫 단계에서 만들어진다 .) 중요한 것은 , resulting
polysulfides (7) 는 과량의 thiol 과의 반응을 통해 thiol-dependent oxidative DNA damage 를 야기하는 것을 보여준다 . 여기서 thiol 은 쉽게 산화된 RSxSH intermediate 를 재생산한다 .
Polysulfides 에 의한 thiol-dependent DNA
cleavage 의 mechanism 와 효율성은 위의 heterocycle (leinamycin simple analogues) 와 비교해 볼 수 있다 .
Hydrosulfides 의 oxidation 은 물리학적 pH 에서 RSSH group (pKa ~ 6.2) 이 대부분 deprotected form (RSS-) 으로 존재하므로
손쉽게 되어진다 .
Thiol 의 autooxidation 이 된 analogues 인 음이온 (RSS-) 은 tracemetal 과 oxygen-mediated oxidation 의 active substrate 로 사용될 수 있다 . 게다가 RSS- 의 one-electron oxidation 은 열역학적으로 thiolate (RS-) 로의 oxidation 이 잘 일어나게 된다 . 여기서 poly
sulfides 는 thiol 에서부터 molecular oxygen 으로의 전자들의 net transfer catalysts 로 작용하게 될 것이라는 점이 주목된다 .
이러한 process 는 reactive oxygen species (O2.-, H2O2, HO.) 의 생성과 celluar thiols 의 감소를 통해서 oxidative stress 를 유도하게
될 수 있다 . 또한 hydrodisulfide intermediate 6 와 thiol 과의 반응에서 만들어진 hydrogen sulfide 는 oxygen radical 을 만드는 데 기여한다 .
이러한 화학 . 생물학적인 antibiotic properties 를 알고자 하는 목적으로 , 이 논문에서는 5-(7-hydroxyhept-3-enyl)-1,2-dithiolan-
3-one 1-oxide 1 과 , 1,3-dioxo-1,2-dithiolane heterocycle 과 heterocycle 의 gamma 위치에 이중결합을 모두 갖는 ester 2 를 합성하였다 . 2 는 antisense oligonucleotide 또는 peptide 와 같은 DNA bonding reagent 에 연결될 수 있다 .
SS
OH
O
O 1
SS
O
O
O
O
O
O
N
O
O
2
1'
2'3 6
7
Scheme & Machanism 위의 1 과 2 를 합성하는 방법을 보기 전에 전체적인 맥락으로 leinamycin 의 합성부터 알아보기로 하겠다 .
Total synthesis of (+)-Leinamycin
O O
O Me
t-Bu
O O
O
t-Bu
O
Me
O O
O
t-Bu
O
Me
OH
O O
O
t-Bu
Me
CO2R
CO2H
R=CH2CH2CO2Me2 3 4 5
a b c
Scheme I
Reagent and conditions:(a) LDA, THF, 3-ethoxy 2-cyclohexene-1-one, -78℃ , then 3 N HCl, 23℃ ,1h (69%)(b) TMSOTf, Et3N, Et2O, 0℃ , 10min : m-CPBA, NaHCO3, CH2Cl2/H2O, 0℃ , 20min :3 N HCl, THF, 23℃ , 15min (91%)
(c) H5IO6, THF, 23℃, 1.5h : 2,4,6-trichlorobenzoyl chloride, Et3N, THF, 23℃, 2h, thenHO(CH2)2CO2Me, DMAP, 23℃, 1h (59%) : Jone’s Reagent, Acetone, 0℃, 10min (99%)
dioxolane 2 를 LDA 와 반응시키고 3-ethoxy-2-cyclohexen-1one 을 넣고 , acidic work-up 을 하면 single isomer 인 3 이 된다 . ketone 3 을 α-ketol 4 의 epimeric mixture 로 변하고 , periodic acid 와 함께 분해된다 . 이 resultant acid 와 methyl-3-hydroxy propionate 의 Esterification 과 Jones oxidation 은 acid 5 를 만든다 . 그리고 , acid 5 는 Ph3P=CHCOSEt 와 acid chloride 의 Wittig reaction 에 의해 allenic thiol ester 6 의 1:1 diastereomeric mixture 로 된다 .
O O
O
t-Bu
Me
CO2R
COSEt
MeHO
CO2R
Me
COSEt
t-Bu
H
O O
O
t-Bu
Me
CO2R
COSEt
Me
O O
O
t-Bu
Me
CO2R
Me
H
O
OMPM
SEt
OTMS
NMe
N
MPM=p-methoxybenzyl
6 7
8 9
10
11
d e
f
g h
6 에 Me2CuLi 를 첨가하면 원하지않은 product 인 7 이 생기는데 , 이 side-reaction 은 phenol 의 존재 하에 첨가하면 억제되고 , 원하는 생성물인 8 을 얻게 된다 . 이것을 10%Pd/C 와 반응하면 thiol ester 8 은 reduction 되어서 aldehyde 를 만들고 , 이것은 DABCO
의 존재 하에 conjugated (E)-enal 9 로 isomerize 된다 .
N
NDABCO: 1,4-Diazabicyclo [2,2,2] octane
(d) (COCl)2, CH2Cl2, 23 , 1h Ph℃ 3P=CHCOSEt, Et3N, CH2Cl2, 23 , 20min (73%)℃(e) Me2CuLi, Et2O, -78℃ (f) Me2CuLi (4 equiv), PhOH (6equiv), Et2O, -78 , 20min (87%)℃ (g) Et3SiH, 10% Pd/C, acetone, 23 , 1h DABCO, CH℃ 2Cl2, 23 , 2h (92%)℃ (h) Sn(OTf)2, 11, n-Bu2Sn(OAc)2, CH2Cl2, 23 , 30min, then 10, 9, -78 , 18h (92%) ℃ ℃
O O
O
t-Bu
Me
CO2R
C
O
OH O O
O
t-Bu
Me
CO2R
COSEt
Ph3P CCOSEt
H
A
O O
O
t-Bu
Me
CO2R
C
O
OH
PPh3
C COSEt
R=CH2CH2CO2Me
56
O O
O
t-Bu
Me
CO2R
Me
COSEt
OH
OMPM
O O
O
t-Bu
Me
CO2R
Me OMOM
OMPM
I
12 13
i
O O
O
t-Bu
Me
CO2R
Me
H
O
OMPM
SEt
O Si O O
O
t-Bu
Me
CO2R
Me OH
SEt
9
OMPM
O
12
이 asymmetric aldol reaction 은 C-8 위치의 stereochemistry 를 조절하여 , 원하는 anti-aldol
product 12 를 얻게 해준다 .
(i) MeOCH2Cl, I-Pr2Net, CH2Cl2, reflux, 5h (91%) : Et2SiH, 10% Pd/C, acetone, 23 , 1h (99%) : CHI℃ 3, CrCl2, THF, 23 , 40min (66%) ℃
hydroxy group 의 protection 후 , 이 thiol ester 는 reduction condition 으로 해주면 aldehyde 로 되고 ,
이것은 바로 Takai’s procedure 에 의해 (E)-vinyl
iodide 13 으로 된다 .
Scheme 1
PhCHO
+
PhCOMe 0oC, 2h
PhCH CHI+
PhCOMe
91%
88%
CHO
O
0oC, 1h
CHI3, CrCl2, THF
CHI3, CrCl2, THFO
I 75%
I5%
I
Scheme 2
PhCHOCHI3, CrCl2,
THF
RCHO, cat.NiCl2 RPh
OH
a: R=Ph 85%
b: R=Oct 62%
Scheme 3
CrIII
CrIIICHICrCl2 CrCl2
CrIIICHI2CHI3
Path A
RCHOR CHI2
OCrIII
CrCl2 RI
Path B
1 2
1
RCHOR CHI
OCrIII
CrIII
2R
I
N
S
HO
Me H
CO2Et N
S
TMSO
Me H
Br Br
N
S
N3
Me H
Scheme II
14
15 16
a b
Reagent and conditions: (a) TBSCl, imidazole, DMF, 23 , 24h : LiAlH℃ 4, THF, 0 , 10min : DMSO, (COCl)℃ 2 CH2Cl2, -78 , 15min, then Et℃ 3N, -78 to 23 , 15min : ℃ CBr4, PPh, CH2Cl2, 0 , 10min (86%)℃ (b) n-BuLi, THF, -78 , 20min : n-Bu℃ 4NF, THF, 0 , 2h (86%)℃ (c) HN3, PPh3, DEAD, toluene, 0 , 20min (99%)℃
L-lactic acid 로부터 만들어진 hydroxy thiazole 14 는 다음과 같은 단계를 거쳐서 dibromo olefin 으로 변환된다 .
N
S
CO
OEt
AlH3
H N
S
O AlH3
COEtH
N
S
OC
H
+ EtOAlH3
N
S
OC
AlH2OEt
H
H
H2ON
S
CH2 OH
LiAlH4 reduction
CH3
CH3S O +
ClO
Cl OS O
ClO
O
Cl
-CO2
-CO
SCl
N
S
CH2 OHN
S
CHO S
H
B
N
S
CH
O
Swern oxidation
N
S
CHO CBr
BrBr
N
S
CHOHC
Br
Br Br H
N
S
CHC
Br
Br Br
N
S
CHC
Br Br
nBuLi
N
S
Dibromomethylenation
15 는 HN3 를 사용하여 Mitsunobu reaction 통해 acetylene azide 16 을 만든다 .
Me
TBSO
H Me
O
H
Si
Me
O
HN
CO2Et
HN CO2EtPh3P
Me
O
H
PPh3
N3 Me
N3
H
O
O O
CO2R
Me
N
S
N3
Me
Me
t-Bu OMOM OMPM
O
O O
Me
N
S
N3
Me
Me
t-Bu OMOM OMPM
O
O CO2Me
O
O O
Me
N
S
NH
Me
Me
t-Bu OMOM OMPM
O
Scheme III
13 + 16
17
18 19
a b
c
Reagent and conditions:
(a ) PdCl2(PPh3)2, CuBr, Et3N, THF, 23 , 30min (88%)℃
(b ) Zn, AcOH, EtOH, 23 , 30min (99%) : H2, Lindler catalyst, quinoline, MeOH, 23 , 2h (74%)℃ ℃ (c ) DBU, CH3CN, 23 , 1.5h (99%) BOP-Cl, i-Pr℃ 2Net, toluene, 60 , 20min (91%) ℃
13 과 16 의 palladium-mediated coupling
reaction 으로 ene-yne product 17 을 얻는다 .
이것은 azide 에서 amine 으로 환원되고 ,
Lindler catalyst (Pd on CaCO3 / Pb(OAc)2) 에
의해 hydrogenate 되어 (E,Z)-diene 18 이 된다 .
DBU (1,8-diazabicyclo [5,4,0]undec-7-ene) 에 노출되면 , ester 18 은 amino acid 를 만들고 ,
BOP-Cl (bis(2-oxo-3-oxazolidinyl)phosphinic
chloride) 와 i-Pr2Net 에 의해서 18-membered
lactam 19 가 형성된다 .
Me
N
S
NH
Me
OMOM OMPM
O
OHMe
Me
O
Me
N
S
NH
Me
OMOM OMPM
O
OHMe
BrH2C
O
Scheme IV
19
20 21
a b
O
Me
N
S
NH
Me
OMOM OMPM
O
S
OHMe O
Me
N
S
NH
Me
OMOM
O
S
OHO
Me
O
Me
N
S
NH
Me
OMOM
O
S
OHO
N
OH
Me O
Me
N
S
NH
Me
OMOM
O
HSEtS
OHNOMe
Me
O
Me
N
S
NH
Me
OMOM
O
SS
OHO
Me O
Me
N
S
NH
Me
OH
O
S+S
OHO
O-
Me
22 23
24 25
26 1
cd e
f g
h
dioxalanone 19 는 4-step 을 거쳐α-bromo ketone 21 이 된다 .
21 의 C-3 위치로 sulfur atom 의
분자내 운반은 Et3N 의 존재아래
stereoslective 하게 얻어져 , spiro
sulfide 22 를 만든다 .
α-thioketone 22 는 DDQ 에 인한 oxidation 으로 dienone 23 이 된다 .
CN
CN
Cl
Cl
O
O
DDQ
Reagent and conditions:
(a) p-TolSO2Me, n-BuLi, -78 to 0 , 30min (94%) : Al(Hg), THF/H℃ 2O, 23 , 40min (90%) ℃
(b) TMSCl, DBU, CH2Cl2, reflux, 11h : NBS, CH3CN,.H2O, 0 , 5min : 10% HClO℃ 4,
THF, 23 , 8h (77%)℃ (c) H2S, Et3N, THF, 23 , 2h (80%)℃
(d) DDQ, CH2Cl2/H2O, 23℃, 45min (95%)
(e) i-AmONO, NaOMe, 23 , 1.5h (74%)℃ (f) MeONH2.HCl, pyridine, MeOH, 23 , 30min (94%) : 2,6-dimethylbenzoyl chloride, ℃
pyridine, CH2Cl2, 23 , 10min : EtSH, KH, THF, ℃ 23 , 30min (52%)℃
(g) NaSH, THF, 23 , 20min, then I2, 23 (82%) : 35% HCHO, 3N HCl, acetone, 23 , ℃ ℃ ℃ 77h (64%)
(h) 3N HCl, AcOH, 0 , 45min (61%) : m-CPBA, THF, 0 , 45min (84%)℃ ℃
23 은 nitrosanation 반응을 하고 oxime 24 가 된다 .
C N
O
ORC N
O
ORC N O
PhCOCH2Ph+
(CH3)2CHCH2ONO
NaOC2H5PhCOCHPh
NOPhCOCPh
NOH
oxime
24 를 Beckmann fragment reaction 시키고 , ketone 을 methoxime 으로 protection 한 후 , KSEt 를 첨가하면 thiol ester 25 가 만들어진다 ..
XH2C C
R
N OY X C + RC N + OY
Fragmentation is very likely to occur if X is N,O,S atom
methoxime 을 deprotection 시키고 25 와 NaSH, I2 가 반응하면 1,2-dithiolanone 26 을 얻을 수 있다 . 이것을 산촉매로
가수분해하면 (S)-deoxyleinamycin 이고 , 이것은 m-CPBA 로 산화되어 (+)-leinamycin 이 된다 .
J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8451-8452
Synthesis of 5-(7-hydroxyhept-3-enyl)-1,2-dithiolan-3-one 1-oxide
HOOH HO
OTBDMS OTBDMSH
O
OTBDMS
OHOTBDMS
OEt
O
TBDMSCl NaH
THF , rt 99%
PDCCH2Cl2 . rt
77%
CH2CHMgBr THF
-70 to 0oC
86%
triethyl orthoacetate reflux . 4 h
96%
3 4 5
6 7
Compound 1 은 1,4-butanediol 을 출발물질로 monosilylation 을 거친 후 PDC 를 사용한 oxidation 반응으로 aldehyde 5 가 된다 .
PDC : [C5H5NH+]2CrO72-
(Pyridium dichromate IV) R2CHOHH2CrO4 R2C O
H
Cr OH
O
O
R2CO
5 는 CH2=CHMgBr 과 반응하여 allylic alchol 6 이 된다 .
Compound 1
SS
OH
O
O
Ethyl ester 7 은 propanoic acid 가 소량 있을 때 triethyl orthoacetate 와 6 이 반응하면 생긴다 .
OTBDMS
OH
OTBDMS
H
O
OTBDMS
OEt
O
LiOH, EtOH
OTBDMS
OH
O
LiAlH4
THF. 0oC
97%
PDCCH2Cl2, rt
70%
triethyl
phosphonacetate,
NaH, THF. -70oC
75% 87%
8 9
10 11
8 은 7 이 LiAlH4 과의 reduction 반응에서 얻어지고 , 이것이 다시 oxidation 하면 aldehyde 9 를 얻을 수 있다 .
10 은 9 와 phosphonate carbanion 의 Horner-Emmon reaction 으로 만들어진다 .
+(RO)3P RHC X (RO)2P CH2R
O
(RO)2 P CH R''
R'O
base (RO)2 P C R''
R'O
C O
C CR''
R'+ (RO)2PO2
-
10 을 hydrolysis 하면 prop-2-enoic acid 11 이 만들어지고 , 11 과 toluene- α-thiol 과 반응하면 benzyl thioester 12 가 만들어진다 .
이것을 debenzylaion 시키면 mercapto acid 13 이 만들어진다 .
OTBDMS
OH
O
SCH2Ph
OTBDMS
OH
O
SH
toluene- -thiolpiperidine, reflux
¥á
72%
Li, NH3(I)
-70 to -60oC
followed by NH4Cl
96%
12 13
OTBDMS
SH
SH
O
OTBDMS
SS
O
OH
SS
O
OH
S
O
SO
OTBDMS
S
Oisobutylchloroformate Et3N, CH2Cl2
-10 to 0oC
56%
H2S(g), Et3N,
-40 to -30oC
followed by HCl(aq), rt
88%
NaIO3-Al2O3CHCl3-hexane, rt
80%
HCl(aq)-EtOH, rt
71%
mCPBA, CH2Cl2,
-50 to -40oC
46%
14 15
16 17
1
13 을 cyclization 하면 thiolactone 14 가 만들어지고 , 이것이 다시 ring-opening
하면 mercapto thiolic acid 인 15 가 생긴다 . 이것이 oxidative ring closure 를 하면 ditholane 16 이 생긴다 .
OTBDMS
OH
O
S
Et3N
HOTBDMS
OH
O
S OTBDMS
S
OHH
RSHor Fe3+
O2RS
2RS RS SR OTBDMS
SH
SH
O
OTBDMS
SS
O
16 이 desilylation 되면 alcohol 17 을 만든다 . 마지막으로 m-CPBA 를 써서 1,2-dithiolan-3-one moiety 에 S-oxidation
을 시켜서 1,2-dithiolan-3-one 1-oxide 1 을 만든다 .
또한 다음과 같이 DCC 를 사용하여 ester 2 를 만들 수 있다 .
N C N DCC
+
R C
O
OH
R C
O
OC
NHN
H+R C
O
OC
NHN
H
R' O H
R' C
O
OC
NHN
H
R'O
C
O
OR'R + C
O
NHHN
HOOH
O
O
HOO
O
O
N
O
O
OH
SS
O
HOO
O
O
N
O
O O
SS
O
O
O
O
N
O
O
O
S
O
O
O
O
N
O
O
SO
NHS, DCC,
cat. DMAP,
THF, 0oC
49%
17
+
DCC, cat.DMAP.
CH2Cl2, 0oC
18
18
19
mCPBA, CH2Cl2,
-50 to -40oC
71%
50%
2
Conclusion
5-(7-hydroxyhept-3-enyl)-1,2-dithiolan-3-one 1-oxide 1 과 , 1,3-dioxo-1,2-dithiolane heterocycle 과 heterocycle 의 gamma 위치에 이중결합을 모두 갖는 ester 2 를 합성하였다 . 2 는 antisense oligonucleotide 또는 peptide 와 같은 DNA binding reagent 에 연결될 수 있다 .
이것은 antibiotic leinamycin 의 특징이고 , leinamycin analogues 는 tiol-triggered DNA-cleaving agents 라고 볼 수 있다 .
이 논문에서는 Leinamycin 의 전체적인 합성방법과 화학적 생물학적으로의 antibiotic 특성을 알아보기 위해 , 위의 1 과 2 화합물을 만들게 되었다 .