Capitolo 1. Glicali e pseudoglicali di comuni monosaccaridi:
intermedi utili per la sintesi di carboidrati bioattivi
1.1 Chimica dei glicali e pseudoglicali
I carboidrati svolgono un importante ruolo funzionale e strutturale in numerosi processi fisiologici, incluso diversi stati patologici. Il riconoscimento relativamente recente dei carboidrati come rilevante classe di biomolecole mediche ha portato all'indagine di agenti terapeutici basati su una struttura glicanica o simile. Per esempio la metastasi di cellule cancerose e l'adesione cellula-cellula nella risposta infiammatoria dipendono dalla presenza sulla superficie cellulare di specifici glicani. Vaccini per il cancro a base di carboidrati sintetici e piccole molecole inibitrici di selectina sono pertanto, rispettivamente, studiati e ricercati come potenziali agenti terapeutici. Allo stesso modo, lo stadio iniziale di una infezione batterica o virale spesso si basa sul riconoscimento da parte dell'organismo invasore di glicoconiugati presenti sulla cellula ospite. Di conseguenza gli antibiotici progettati, naturali e sintetici, spesso presentano strutture glucidiche per la distruzione di queste interazioni.1a
In aggiunta al loro ben apprezzato ruolo nel sostegno di matrici strutturali, nell'accumulo di energia, e come starting material biosintetici, i carboidrati sono espressi in un'ampia varietà di scenari interessanti, come gli antibiotici glicoconiugati, agenti antitumorali e glicosidi cardiotonici.1b Questi esempi mostrano solo alcuni dei più rilevanti processi biologici nei quali sono coinvolti i glicoconiugati. A testimonianza del loro crescente ruolo in diversi processi fisiologici, la ricerca di terapie basate sull'utilizzo di carboidrati continuerà sicuramente ad aumentare.1a La maggiore carenza incontrata nella manipolazione chimica degli zuccheri è la loro funzionalizzazione con gruppi ossidrilici dalla reattività molto simile e quindi la mancanza di versatilità nella loro funzionalizzazione, come doppi legami carbonio-carbonio. Un posto di primo piano come intermedi sintetici è quindi occupato da zuccheri insaturi ed in particolar modo da due tipi di composti derivati da uno scheletro aldopiranosidico, i glicali e gli pseudoglicali. Nei glicali, corrispondenti alla struttura generale 1.1, il doppio legame si trova tra il carbonio C(1) e C(2), mentre negli pseudoglicali, corrispondenti alla struttura generale 1.4, il doppio legame è inserito tra il carbonio C(2) e C(3). Anche se possono apparentemente sembrare regioisomeri (e spesso non lo sono), i glicali e gli pseudoglicali sono fondamentalmente diversi per i gruppi funzionali presenti sulla molecola e per la loro reattività. I glicali, come il tri-O-acetil- (1.2) o il tri-O-benzil-D-glucale (1.3), sono aldopiranosi nei quali il carbonio “anomerico” C(1) è un carbonio vinilico: di conseguenza, questi composti sono praticamente degli eteri vinilici e la loro reattività è determinata dalla particolare natura di questo gruppo funzionale. Al contrario, gli pseudoglicali, come il metil 4,6-di-O-benzil- o -D-treo-es-2-enopiranoside 1.5, sono aldopiranosidi-2,3-insaturi e il doppio legame presente è caratterizzato dalla reattività tipica di un doppio legame che porti, come più comunemente osservato, sostituenti elettron-attrattori sui corrispondenti carboni allilici.
O OR RO X O OR RO RO 1.1 1.2 R=Ac 1.3 R=Bn X= CH2OR, CH3, H R= H o gruppo protettore O Nu O RO X OMe BnO BnO 1.4 1.5 X= CH2OR, CH3, H R= H o gruppo protettore Nu= O-, N-, S-, C-nucleofili
glicali 2,3-didesossi-O-glicosidi
1.1.1 Glicali
Il successo nell'utilizzo dei glicali per la preparazione di importanti carboidrati di interesse biologico è largamente dovuto al rilevante lavoro svolto da Danishefsky.2 A tal proposito, l'uso innovativo di glicali epossidati, come glicosil donatori e l'utilizzo di appropriati glicali sostituiti come glicosil accettori e l'applicazione reiterativa di questa nuova strategia, ha trovato una importante applicazione nella sintesi del braccio completamente ossigenato del glicoside desgalattotigonina,3 di determinanti di Lewis, di determinanti di gruppi sanguigni e di antigeni tumorali.4 La strategia dell'assemblaggio dei glicali sviluppata da Danishefsky5 per avere la glicosilazione con la simultanea ossidrilazione sul C(2) include: i) ossidazione del glicale 1.3 con DMDO a dare il glicale-epossido 1.6 come glicosil donatore intermedio; ii) apertura dell'anello ossiranico acido catalizzata in presenza di un glicosil accettore nucleofilo che potrebbe essere un glicale nel caso di una sequenza reiterativa, a dare di, tri ed in genere oligosaccaridi. In presenza di gruppi protettori non partecipanti, l'epossidazione di Danishefsky è influenzata unicamente da fattori sterici e, in alcuni casi in presenza di appropriati sostituenti, è altamente stereoselettiva. Il successivo processo di apertura dell'anello ossiranico procede con una elevata o completa antistereoselettività (inversione di configurazione) e con una eccellente resa. Con questa metodologia, fondamentalmente solo il legame β-glicosidico è stato ottenuto a partire dall'α-epossido, come mostrato nello Schema 1.1. Uno dei principali vantaggi del metodo di assemblaggio dei glicali è costituito dalla riduzione del numero di gruppi protettori, che altrimenti sarebbero necessari introdurre per sintetizzare target strutturalmente complessi come la porzione glucidica degli antibiotici enedinici calicheamicina e esperamicina.6 Il protocollo del glical- epossido si è rilevato utile per la costruzione di complessi glicosidi-2-β-arilramificati, caratteristica strutturale tipica del potente antibiotico vancomicina.7 L'uso dei sali di sodio di indoli, come glicosil accettori, ha portato poi ad un miglioramento della sintesi totale del β-N-indolcarbazolo, glicoside del potente antitumorale rebeccamicina,8 e alla sintesi totale della staurosporina.9
O OBn Nu OR BnO BnO -glicoside, R= Bz, Piv Nu OBnO F OR BnO BnO 1.7, R= Bn 1.8, R= Bz, Piv Nu OBnO BnO BnO BnO Nu -glicoside 1.3 DMDO ZnCl2 Nu glicosil donatore TBAF 1.6 O OBn Nu OH BnO BnO glicoside glicosil accettore O OBn O OH BnO BnO O BnO BnO OBn O BnO BnO OBn O O BnO BnO disaccaride sequenza reiterata oligosaccaride O BnO BnO OH PhSeH O OBn BnO BnO SePh H HO 1.11 EtSH or HO(PO)(OR)2 O OBn R1 OR2 BnO BnO 1.9, R1= SEt, R2=Piv 1.10, R1= OPO(OR)2 , R2= H, Piv Nu O OBn Nu OR BnO BnO -glicoside
Schema 1.1 Uso sintetico dei glicali e α-glica-epossidi nella chimica dei carboidrati.
I glical-epossidi possono essere convertiti in altri agenti glicosilanti come il β-fluoroglicoside (1.7 e 1.8), utilizzato per ottenere α- o β-glicosidi a seconda della natura del gruppo vicinale OR,10 in β-tioetil glicosil donatori (1.9) che sono degli agenti glicosilanti estremamente potenti in grado di reagire anche con glicosil accettori non reattivi o poco reattivi per ragioni steriche,11 o possono essere convertiti in β-glicosil fosfati (1.10) (Schema 1.1).12 Solo con PhSeH, si ottiene un corrispondente α-glicoside (α-fenilselenoglicoside 1.11).13
I glicosidi appaiono come una delle classi più versatili di intermedi sintetici utili per ottenere 2-desossiglicosidi, una importante categoria di carboidrati a causa della loro presenza come costituenti strutturali, di sostanze bioattive naturali quali le calicheamicine, esperamicine, avermectina, antitumorali antraciciclinici e glicosidi cardiaci. L'uso di glicali come 1.12 per la sintesi di 2-desossi zuccheri richiede la loro trasformazione in intermedi cationici attivati attraverso un iniziale attacco elettrofilo: in presenza di promotori acidi, si ottiene lo ione ossonio 1.13, mentre nel caso di eteroatomi elettrofili, si ottiene una specie ciclica onio a tre termini come 1.14 (Schema 1.2). Il successivo attacco nucleofilo può coinvolgere direttamente un gruppo alcoolico dando luogo, nel primo caso, immediatamente a 2-desossi glicosidi come 1.15 o, nel secondo caso, a glicosidi portanti un eteroatomo sul C(2)
come 1.16, che, dopo riduzione sul C(2), danno luogo a 2-desossi glicosidi 1.15. In alternativa, entrambi gli intermedi cationici 1.13 e 1.14 possono essere trasformati in glicosil donatori isolabili, rispettivamente 1.17 e 1.18, semplicemente addizionando un appropriato nucleofilo che possa comportarsi da buon gruppo uscente in un successivo step di glicosilazione. O L X OP PO PO 1.16 ROH -LH riduzione al C-2 O OR OP PO PO O OP PO PO X 1.18 1.15 1.14 X=Br+, I+,PhS+,PhSe+ O OR X OP PO PO 1.16 ROH -H+ +L -riduzione al C-2 1.15 ROH -LH O OP PO PO 1.12 "X+" H+ O OP PO PO H O L OP PO PO +ROH -H+ 1.13 +L -1.17 P= gruppo protettore
Schema 1.2 Attivazione elettrofila di glicali.
Una soluzione molto importante per la sintesi di oligosaccaridi complessi contenenti diverse unità 2-deossi-piranosidiche è rappresentata dalla procedura reiterativa elaborata da Danishefsky,14 che sfrutta il concetto di glicali “armati” e “disarmati”. Il benzil glucale protetto 1.3 è molto più reattivo verso l’attivazione alla glicosilazione con la dicollidina iodonio perclorato (IDCP) di quanto non lo sia il 3,6-di-O-benzoil-D-glucale (1.19) che quindi agisce esclusivamente come glicosil accettore sulla funzionalità libera 4-OH a dare il disaccaride 1.20. La sostituzione del gruppo protettore elettron-attrattore benzoile con quello silil etereo, trasforma il “disarmato” glicale 1.20 nel corrispondente “armato” 1.21, che darà
poi una successiva iodo alcossilazione chemoselettiva con il solito “disarmato” glicale 1.19 a dare il trisaccaride 1.22. La rimozione riduttiva del sostituente 2-iodo di 1.22 o di una struttura superiore ottenuta per allungamento della sequenza reiterativa porta al desiderato 2-desossi oligosaccaride (Schema 1.3). La flessibilità di questo approccio è dimostrata dall'abilità del “disarmato” glicale 1.20 di operare un trasferimento glicosilico sotto le stesse condizioni di attivazione della IDCP, con glicosil donatori privi della funzionalità glicalica.
O BnO BnO OBn + HO O BzO OBz IDCP DCM O BnO BnO OBn I O O RO OR 1.3 "armed" 1.19 "disarmed" 1.20, R=Bz 1.21, R=TBS IDCP/DCM 1.19 O BnO BnO OBn I O O TBSO OTBS I O O BzO OBz sequenza reiterata 1.22
Schema 1.3 Approccio reiterativo di Danishefsky α 2-desossi-oligosaccaridi.
1.1.2 Pseudoglicali
Glicosidi 2,3-insaturi (pseudoglicali) come 1.4 sono preziosi intermedi sintetici, in quanto la presenza della insaturazione tra C(2) e C(3) permette di realizzare ulteriori funzionalizzazioni per la preparazione di unità strutturali presenti in molti composti naturali, biologicamente attivi.15 Per esempio, intermedi sintetici portanti pseudoglicali sono coinvolti nella sintesi di derivati dell’antibiotico N-acetilactinobolamina,16 di intermedi corrispondenti ad importanti frammenti dell'immunosoppressore FK-506,17 del tiozucchero dell'antibiotico Esperamicina A1,18 del segmento piranosidico dell'indanomicina15d e per la preparazione di un analogo dell'orbicuside A, un non usuale glicoside cardiaco.19
Comunemente gli pseudoglicali sono preparati attraverso il ben noto riarrangiamento allilico dei corrispondenti glicali catalizzato da acidi di Lewis, che corrisponde al così detto riarrangiamento allilico dei glicali di Ferrier.20
1.2 Trasformazione dei glicali in derivati glicosidici 2,3-insaturi (riarrangiamento allilico di Ferrier)
Aspetti generali. I glicali come 1.2 con un gruppo uscente in posizione allilica possono essere sottoposti ad addizione acido-catalizzata o a sostituzione nucleofila: gli acidi protici conducono comunemente a prodotti di addizione come 1.27, come visto nel paragrafo precedente, mentre acidi di Lewis favoriscono la formazione di prodotti di sostituzione insaturi come 1.24 e 1.25. Nei rispettivi processi di formazione di questi composti sono coinvolti intermedi ionici del tipo 1.23 e 1.26, come indicato nello Schema 1.4. Con i derivati dei glicali, la maggior parte delle reazioni di sostituzione forniscono prodotti di riarrangiamento allilico di tipo 1.24, ma in alcuni casi si ottengono isomeri del tipo 1.25, apparentemente derivati da una sostituzione diretta. Di gran lunga, il modo più semplice e più comunemente usato per effettuare questa conversione comporta la rimozione del sostituente allilico del glicale e la generazione di un intermedio ionico ossocarbenio altamente stabilizzato per risonanza. Questo può poi reagire con un nucleofilo sul centro anomerico a dare come prodotto della reazione una corrispondente miscela di diastereoisomeri (α- e β- anomeri). La trasformazione è quindi un processo di glicosilazione che permette l'unione di porzioni zuccherine insature, attraverso la posizione anomerica C(1), ad una serie di O-, S-, N- e C- sostituenti (Schema 1.4).20 O AcO OAc O AcO AcO OAC H+ (acido di Lewis) 1 2 3 1.2 1.23 Nu --H+ O AcO OAc + Nu 1.24 O AcO Nu OAc 1.25 H+ O AcO AcO OAc Nu --H+ o AcO AcO OAc Nu 1.26 -AcOH 1.27
Schema 1.4 Competizione tra l'addizione 1,2 e il riarrangiamento di Ferrier in sintesi glicalica. In presenza di acidi di Lewis, gli enol eteri ciclici, aventi gruppi uscenti sul sito allilico, prontamente subiscono reazioni di sostituzione nucleofile con riarrangiamento allilico (Schema 1.5).
per facilitare lo spostamento del gruppo uscente con formazione di ioni ossocarbenio delocalizzati. Questi normalmente reagiscono con specie O-, S-, N- e C-nucleofile al centro anomerico per dare una miscela di diastereoisomeri. Comunemente l'ultimo step è reversibile ed è stata osservata una significativa regioselettività e stereoselettività ma ci sono eccezioni a queste generalizzazioni. O O AcO OMe OMe Et3SiH, BF3Et2O CH2Cl2, -20°C, 15 min
Schema 1.5 Reazione di sostituzione nucleofila con riarrangiamento allilico.
Vi è la prova che nella reazione siano coinvolti intermedi ionici almeno in alcune circostanze, dal momento che per esempio, miscele di S-glicosidi-2,3-insaturi scambiano la loro porzione agliconica (Nu) nelle condizioni di reazione. Vi è inoltre l’osservazione che data la presenza di intermedi ionici nella reazione, gli α- e β-glicosidi-2,3-insaturi ottenuti a partire dal tri-O-acetil-D-glucale si formano molto spesso in equilibrio 7:1. Tra la maggior parte dei prodotti che si formano sotto il controllo cinetico (in particolare C-glicosidi-2,3 insaturi), sono favoriti gli α-anomeri. Ci sono però fattori che complicano ulteriormente la situazione. Alcuni prodotti cinetici (prodotti primari della reazione) possono riarrangiare dando miscele all’equilibrio che comprendono alte percentuali di isomeri, che altro non sono che glicali in cui la sostituzione nucleofila è avvenuta sul C-3 (prodotti secondari della reazione). Questo avviene particolarmente, ma non esclusivamente, nel caso in cui vengano utilizzati nucleofili bidentati come ione azide o la specie tiocianato (Schema 1.6).20
O AcO AcO OAc 1 2 3 1.2 O AcO OAc X Y Z O AcO OAc Z Y X O AcO OAc X Y Z O AcO OAc Z Y X
