Capitolo3. Introduzione alla Parte Sperimentale.
3.1. Sintesi stereoselettiva di 1,6- Oligosaccaridi-2,3-insaturi mediante glicosilazione reiterativa di vinil epossidi e N-nosil aziridine.
Sulla base dello stato dell'arte relativamente alla chimica dei sistemi vinil ossiranici ed aziridinici derivati da glicali sviluppata nel laboratorio presso cui ho svolto la tesi sperimentale, era stata considerata la possibilità di adattare il nuovo processo di glicosilazione degli epossidi 2.1α e 2.1β ed N-nosil aziridine 2.3α e 2.3β, in una versione reiterativa per la sintesi stereoselettiva di 1,6-oligosaccaridi-2,3-insaturi di tipo-A, usando epossidi di tipo 1, e i corrispondenti 4-desossi-4-amino-1,6-oligosaccaridi di tipo-B, usando aziridine di tipo 2 (Schema 3.1).21
Schema 3.1. 1,6-oligosaccharidi-2,3-insaturi (A and B).
Questa possibilità è stata inizialmente verificata preparando l’1,6-trisaccaride 3.1 contenente legami β-glicosidici, facendo uso dell’epossido 2.1β, e l’1,6-trisaccaride-4-amino sostituito 3.2, contenente legami α-glicosidici, facendo uso delle aziridine 2.5α.
3.2. Sintesi del trisaccaride di tipo-A 3.1.
Per la sintesi del trisaccaride 3.1, l'epossido 2.1β costituiva il nostro punto di partenza comportandosi come glicosil-donatore iniziale, e l'alcol primario 3.3 come glicosil-accettore (Schema 3.2). O OBn O 2.1β (glicosil donatore)
Schema 3.2. Glicosil donatore e glicosil-accettore per la sintesi del trisaccaride 3.1.
Il glicosil accettore, inizialmente preparato da altri nel nostro laboratorio attraverso la procedura mostrata nello Schema 3.3, è stato preparato da me, in modo più vantaggioso, tramite un protocollo che procede attraverso un intermedio sintetico che sembrava essere utile anche per la sintesi del glicosil accettore necessario alla formazione dell’oligosaccaride di tipo
B (vedi in seguito).
Schema 3.3. Precedente sintesi del glicosil accettore 3.3.
La nuova procedura sintetica inizia dal tri-O-acetil-D-glucale 3.8, come mostrato nello Schema 3.4. Il primo step è la deprotezione regioselettiva della funzione ossidrilica primaria del tri-O-acetil-D-glucale 3.8 con la lipasi da Candida Cylindracea.22 L'alcool primario 3.9, facilmente ottenuto con buona resa mediante questa procedura, è stato selettivamente protetto mediante trattamento con 3,4-diidro-2H-pirano in presenza di piridinio p-toluensolfonato
O OAc AcO AcO 92% O OAc AcO HO DHP PPTS CH2Cl2 77% O OAc AcO THPO MeONa MeOH 90% O OH HO THPO DMF 95% O OTBS HO THPO MsCl Py 95% O OTBS MsO THPO EtOH HO O 3.3 3.13 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 CCL lipasi MsO OTBS PPTS 71% TBSCl imidazolo
Schema 3.4. Sintesi del glicosil accettore 3.3.
(PPTS) per dare il THP-derivato 3.10. Dalla successiva saponificazione del 3.10 con NaOMe in MeOH, viene ottenuto il diolo trans 3.11, che è stato inizialmente protetto sull’ossidrile allilico mediante TBS-Cl a dare il corrispondente silil derivato 3.12, poi successivamnte mesilato con formazione del composto completamente protetto 3.13. Questo composto costituisce l’intermedio chiave per la sintesi di entrambi i glicosil accettori, cui accennavo sopra. La deprotezione del gruppo acetale in C(6) è stata ottenuta mediante trattamento di
3.13 con EtOH in condizioni moderatamente acide (PPTS) a 35° C con ottenimento, dopo
cromatografia flash, del glicosil-accettore desiderato 3.3. Questa reazione di deprotezione è molto sensibile alla temperatura di reazione e che non può superare i 35°C. Infatti, quando la temperatura va oltre questo limite, si ottiene una miscela 1:1 di alcool 3.3 e dell’etil glicoside
3.15. Questo composto indesiderato deriva dalla reazione di addizione, in ambiente acido, di
EtOH al glicale 3.14 (Schema 3.5).
Schema 3.5. Meccanismo proposto per la formazione del prodotto secondario 3.15. (Stereochimica non determinata).
La sintesi dell'epossido 2.1β, il glicosil-donatore, è stata effettuata seguendo un protocollo adottato già da tempo nel nostro laboratorio che prevede l’utilizzo, quale prodotto di partenza, del tri-O-acetil-D-glucale 3.8 disponibile in commercio. (Schema 3.6).23
Schema 3.6. Sintesi stereoselettiva dell’epossido 2.1β.
Per reazione di O-alchilazione del D-glucale 3.16,24 ottenuto per saponificazione completa del tri-O-acetil-D-glucale 3.8, con benzilbromuro in presenza di una base ingombrata quale LHMDS (litio esametildisilazide) a -40°C,25 si ottiene con una resa del 32% il 6-O-benzil-D-glucale 3.17 in cui è stato introdotto il gruppo benzilico solo sulla funzionalità alcoolica primaria, stericamente meno ingombrata rispetto alle competitive funzionalità alcooliche secondarie presenti nella molecola del D-glucale. Poiché le restanti funzionalità ossidriliche secondarie di 3.17 sono anch’esse dotate di un diverso intorno, risultava possibile proteggere selettivamente la funzione alcoolica secondaria allilica presente sul C(3) senza intaccare la restante funzionalità alcoolica secondaria sul C(4) che così sarebbe rimasta disponibile per una successiva funzionalizzazione. Così per trattamento del diolo 3.17 con TBS-Cl (t-butildimetilsililcloruro) in DMF, in presenza di imidazolo, si ottiene con completa regioselettività il C(3)-O-TBS derivato 3.18 che viene quindi trattato con MsCl in piridina a dare il mesil-derivato 3.19. Lo scopo dell’iniziale processo di protezione con TBS-Cl era proprio quello di ottenere una selettiva introduzione del gruppo mesile sul C(4). Il mesilato protetto 3.19 viene quindi sottoposto a trattamento con TBAF attraverso il quale il gruppo protettivo O-TBS presente sul C(3) viene efficacemente allontanato, senza che le altre funzionalità o gruppi protettivi presenti nella molecola ne risentano, per dare il desiderato trans idrossimesilato 2.2β che viene così conservato ed utilizzato come “fonte” del corrispondente epossido.
Schema 3.7. Sintesi stereoselettiva del trisaccaride 3.1 tramite derivati acetilati.
Avendo a disposizione il glicosil-donatore 2.1β e glicosil-accettore 3.3, ipoteva essere intrapesa la sintesi del trisaccaride di tipo A 3.1. La reazione dell'epossido 2.1β (preparato in situ con una ciclizzazione in ambiente alcalino dal trans idrossimesilato 2.2β) con l'alcol 3.3 conduce, con completa β-stereoselettività, al β-O-glicoside 3.20 che viene acetilato (3.20-Ac) allo scopo di rendere più efficace la successiva reaziona di deprotezione (TBAF/THF) che conduce al trans idrossimesilato acetilato 3.21-Ac.
La ciclizzazione di 3.21-Ac in ambiente alcalino, seguita dalla reazione dell'intermedio allil epossido 3.22-Ac (il nuovo glicosil-donatore) con l'alcol 3.3 introduce il terzo frammento, ancora con completa β-stereoselettività, per dare il β-O-glicoside 3.23-Ac, che è stato acetilato (3.23-diAc). La deprotezione di 3.23-diAc (TBAF/THF) porta alla formazione del trans idrossimesilato 3.24-diAc e la successiva reazione con BuOH in presenza di t-BuOK, attraverso la formazione dell'intermedio allil epossido 3.25-diAc, conduce all’ottenimento del corrispondente t-butil-β-O-glicoside in modo completamente stereoselettivo. 3.1-diAc viene acetilato sulla residua funzionalità ossidrilica a dare il
trisaccaride 3.1-triAc completamente acetilato. Da parte sua, la saponificazione del derivato di-acetilico 3.1-diAc porta al trisaccharide non protetto 3.1 con una resa complessiva del 33% (7 passaggi) (Schema 3.7).
La scelta del t-butanolo come alcool da glicosilare nella formazione del glicoside finale, deriva dal fatto che, sulla base di precedenti esperienze, con questo alcool avevamo la certezza di ottenere un solo corrispondente β-O-glicoside, come effettivamente osservato.
3.2.1. Sintesi stereoselettiva del disaccaride 3.29-diAc.
In modo estremamente semplice la procedura sopra descritta è stata utilizzata anche per la sintesi di un corrispondente disaccaride. Così per trattamento del trans-idrossi mesilato
3.26 con t-BuOH/t-BuOK si ottiene, attraverso l’intermedia formazione del vinil β-epossido 3.27, il disaccaride t-butil β-O-glicoside 3.28, poi successivamente acetilato sulla rimanente
funzionalità ossidrilica con (Ac2O/Py) a dare il disaccaride completamente acetilato 3.29-diAc. (Schema 3.8)
Schema 3.8. Sintesi stereoselettiva del disaccaride 3.29-diAc.
3.3. Sintesi del trisaccaride di tipo B 3.2.
Per la sintesi del trisaccaride 3.2, è stata usata l'aziridina 2.5α come iniziale
Schema 3.9. Glicosil-donatore e glicosil-accettore per la sintesi del trisaccaride 3.2.
La sintesi del diolo 3.30 inizia dall'intermedio precedentemente preparato (Schema 3.10). Inizialmente, il composto completamente protetto 3.31 è deprotetto (TBAF/THF) per generare il trans idrossi-mesilato 3.32. Il successivo trattamento di 3.32 in condizioni basiche (t-BuOK) che sottoposto a reazione con tetrametilguanidinazide (TMGA),26 una specie fornitrice di ioni azide N3‾, non coordinante e solubile nei solventi organici, permette
l’ottenimento del trans azido alcool 3.33 in modo completamente regio- e stereoselettivo. Il trans azido alcool 3.33, per riduzione con LiAlH4 a 0°C, conduce al corrispondente trans amino alcool 3.34, regioselettivamente N-protetto mediante il protocollo NsCl/Py per dare l’N-nosil-amino derivato 3.35. La rimozione finale (EtOH/PPTS) del gruppo acetalico tetraidro piranosile (THP) conduce al 1,3-diolo desiderato 3.30 (Schema 3.10).
Per la sintesi dell' N-nosil-aziridina 2.5α, che si era già precedentemente dimostrata instabile come la corrispondente N-mesil-aziridina nota, è stato necessario preparare il suo precursore stabile, l’N-nosil-O-mesilato 2.6α.
La sintesi dell’N-nosil-O-mesilato 2.6α parte dal trans idrossimesilato 2.1β che fatto reagire con TMGA conduce alla formazione dell’trans azido alcool 3.36. Chiaramente l’ottenimento di 3.36 deriva dalla formazione dell’epossido 2.1β, seguito da un attacco nucleofilo della specie N3‾ sul carbonio ossiranico allilico C(3) in un classico processo
completamente anti-stereoselettivo. Il trans azido alcool 3.36 viene quindi ridotto con il protocollo LiAlH4/THF a 0°C per dare il trans amino alcool 3.37. La protezione del trans
β-amino alcool 3.37 con cloruro di nosile (NsCl) (1 equiv) conduce alla formazione dell’N-nosil derivato 3.38, poi trattato con cloruro di mesile (MsCl) (2 equiv) per dare il trans N-nosil-O-mesilato 2.6α (Schema 3.11). Seguendo un protocollo precedentemente riportato,27 per trattamento con una base (K2CO3) (3 equiv) in acetonitrile (MeCN), si assiste a un processo di
ciclizzazione estremamente veloce che conduce alla N-nosil aziridina 2.5α, che può essere comunque preparata solo in situ e fatta reagire immediatamente con il nucleofilo di volta in volta ritenuto utile ai fini sintetici.
Schema 3.11. Sintesi stereoselettiva del glicosil-donatore, l’aziridina 2.5α.
La sintesi del trisaccaride 3.2 è concettualmente simile a quella del trisaccaride 3.1. In questo caso, tutti i passaggi della glicosilazione sono α-stereosellettivi poiché sia il glicosil-donatore iniziale che quello intermedio sono α-aziridine (Schema 3.12).
La reazione dell'aziridina 2.5α (preparata in situ tramite ciclizzazione del trans N-nosil-O-mesil derivato stabile 2.6α in ambiente alcalino)28 con il diolo 3.30 porta alla formazione dell'O-glicoside 3.39, con completa regioselettività e α-stereoselettività (l'attacco avviene
O O BnO 2.1 TMGA MeCN O HO N3 BnO LiAlH4 THF; 0°C O HO NH2 BnO CH2Cl2 O HO NHNs BnO MsCl Py,0°C O MsO NHNs BnO BnO O 2.5 N Ns 2.6 K2CO3 MeCN NsCl 3.36 3.37 3.38
esclusivamente da parte della funzione alcoolica primaria del 3.30). L' α-O-glicoside 3.39 deve essere trasformato nella nuova specie glicosil-donatore. A questo scopo 3.39 viene mesilato sulla funzione alcoolica secondaria libera per dare il trans N-nosil-O-mesilato 3.40.
Schema 3.12. Sintesi stereoselettiva del trisaccaride 3.2.
La reazione del 3.41 con il diolo 3.30 introduce il terzo frammento, ancora con regio- e α-stereoselettività, per ottenere il trisaccaride 3.42, che è stato inizialmente trattato con MsCl per dare il trans N-nosil-O-mesilato 3.43. Dal trattamento di 3.43 con i-PrOH in presenza di K2CO3 si ottiene l’ α-O-glicoside 3.44, in modo completamente stereoselettivo, che dopo deprotezione con il protocollo PhSH/K2CO3 porta al trisaccaride 3.2 con una resa complessiva
La scelta dell’isopropanolo come alcool da glicosilare nella formazione del glicoside conclusivo 3.2, deriva dal fatto che con questo alcool, sulla base di precedenti esperienze, avevamo la certezza di ottenere un solo α-O-glicoside, come effettivamente poi osservato.
3.3.1. Sintesi stereoselettiva del disaccaride 3.46.
In modo estremamente semplice la procedura sopra descritta può essere utilizzata anche per la sintesi di un corrispondente disaccaride. Così dal trattamento del trans N-nosil-O-mesilato
3.40 con i-PrOH/K2CO3, si ottiene attraverso l’intermedia formazione della vinil α-aziridina 3.41, il disaccaride i-propil α-O-glicoside 3.46 (Schema 3.13)
Schema 3.13. Sintesi stereoselettiva del disaccaride 3.46
3.4. Funzionalizzazione di sistemi oligosaccaridici-2,3-insaturi.
I sistemi oligosaccaridici, che erano stati da me preparati, contenevano tutti una insaturazione in posizione 2,3- utile per ulteriori funzionalizzazioni. Nostro intento era procedere alle funzionalizzazioni del doppio legame di queste strutture facendo uso di reazioni caratterizzate da elevata, e possibilmente, completa regio- e/o stereoselettività.
A questo scopo era stata individuata la reazione di diidrossilazione catalitica con OsO4 in
Come substrati oligosaccaridici su cui applicare la nostra reazione abbiamo ritenuto opportuno utilizzare i disaccaridi 3.29-diAc e 3.46 che erano stati considerati sufficienti allo
scopo. A questi, tra l’altro, potevamo aggiungere il disaccaride misto 3.47-Ac, che era già stato preparato da altri nel nostro laboratorio.
Il disaccaride misto era stato preparato secondo lo Schema qui sotto riportato, utilizzando l’aziridina 2.5α come glicosil donatore e l’alcool 3.30 come glicosil accettore.
Nel disaccaride 3.29-diAc, sono presenti due legami β-glicosidici, in 3.46 due legami α-glicosidici e nel disaccaride misto 3.47-Ac uno α- ed un legame β-glicosidico. La sfida era quella di ottenere una completa stereoselettività nell’addizione elettrofila a ciascun doppio legame in accordo con la configurazione del legame glicosidico e sulla base di quanto osservato con il corrispondente sistema monosaccaridico. A tal proposito, il disaccaride misto
3.47-Ac appariva particolarmente interessante, in quanto i due legami glicosidici
presentavano una opposta configurazione.
Con nostra soddisfazione, i risultati ottenuti nella reazione di diidrossilazione, con il protocollo OsO4/NMO, dei disaccaridi 3.29-diAc, 3.46 e 3.47-Ac (Schema 3.15), hanno
indicato una completa α-stereoselettività su entrambi i doppi legami nel disaccaride 3.29-Ac, una completa β-stereoselettività su entrambi i doppi legami nel disaccaride 3.46 e una
O OBn AcHN O OOAc OBut 3.47-Ac O OBn NsHN O O NsHN OPri OsO4 NMO OsO4 NMO OsO4 NMO O H1' OH H2' OH O O H1 OH H2 OH OBut BnOOAc OAc Ac2O O H1' H2' OAc O O H1 H2 OAc OBut BnOOAc OAc AcO AcO O H2' OH H3' O O OPri H2 OH H1 BnOH4 ' H4 HO H3 NsHN H1' HO NsHN Ac2O O H2' OAc H3' O O OPri H2 OAc H1 BnOH4 ' H4 AcO H3 NsHN H1' AcO NsHN 3.48 3.46 3.49 O H2' OH H3' O O H1 OH H2 OH OBut BnOH4 ' OAc H1' HO AcHN 3.50 O H2' OAc H3' O O H1 H2 OAc OBut BnOH4 ' OAc H1' AcO AcHN Ac2O AcO 3.48-Ac 3.49-Ac 3.50-Ac O OBn O OOAc OBut OAc 3.29-diAc Py Py Py
Schema 3.15. Diidrossilazione dei disaccaridi-2,3-insaturi 3.29-diAc, 3.46 e 3.47-Ac con OsO4/NMO.
selettività mista α- e β- sui due differenti doppi legami del disaccaride misto 3.47-Ac. In tutti i casi eravamo quindi in presenza di una completa selettività faciale opposta alla direzione del legame glicosidico presente, come desiderato. In questo modo sono stati ottenuti i corrispondenti disaccaridi tetraidrossilati 3.48, 3.49 e 3.50 non presenti in letteratura, poi trasformati nei corrispondenti derivati completamente acetilati 3.48-Ac, 3.49-Ac e 3.50-Ac, quali unici prodotti di ciascuna reazione (Schema 3.15).
La struttura e la configurazione di questi nuovi disaccaridi 3.48-3.50 e, di conseguenza, la selettività faciale del processo di diidrossilazione, è stata determinata mediante una opportuna analisi dello spettro 1H NMR dei corrispondenti acetil derivati 3.48-Ac, 3.49-Ac e
3.50-Ac che in particolare indica: a) nel disaccaride 3.48-Ac, i protoni H(1) e H(1’) (d, J=
8.1-8.3 Hz) sono accoppiati trans diassialmente con i corrispondenti protoni vicinali H(2) e H(2’); b) nel disaccaride 3.49-Ac, i protoni H(3) e H(3’) (dd, J= 10.6, 3.3 Hz) sono accoppiati trans diassialmente con i corrispondenti protoni vicinali H(4) e H(4’) e, infine c) nel disaccaride 3.50-Ac, il protone H(1) (d, J= 8.3 Hz) è accoppiato trans diassialmente con il vicinale protone H(2), il protone H(1’) (d, J= 1.6 Hz) è equatoriale e i protoni H(3’) (dd, J= 9.6, 3.4 Hz) e H(4’) (m, W½ =15.5 Hz) sono assiali. Tutti questi dati ricavati dagli spettri sono coerenti con la struttura e la configurazione assegnata ai disaccaridi 3.48-Ac, 3.49-Ac e 3.50-Ac e quindi di 3.48, 3.49 e 3.50.
3.5. Conclusioni
Recentemente era stato messo a punto nel nostro laboratorio un nuovo ed efficace processo non catalizzato di O-glicosilazione, stereospecifico e substrato-dipendente, che utilizza allil epossidi ed allil aziridine attivate, quali glicosil-donatori.
Ora, facendo uso di questa metodologia, è stata individuata e messa a punto una nuova procedura di sintesi di 1,6-oligosaccaridi-2,3-insaturi che si basa su una reiterazione della basilare reazione di O-glicosilazione.
La capacità di presentarsi come nuova procedura di sintesi di 1,6-oligosaccaridi-2,3-insaturi è stata sperimentata attraverso la costruzione di due trisaccaridi, il primo facendo uso dell’allil epossido derivato dal D-galattale ed il secondo facendo uso della N-nosil aziridina derivata dal D-allale. In questo secondo caso l’1,6-trisaccaride-2,3-insaturo da noi costruito presenta una funzionalità ammino sostituita in posizione 4.
In entrambi i casi il prescelto glicosil-donatore (allil epossido o allil aziridina) è stato fatto reagire con il glicosil-accettore appropriatamente individuato allo scopo di poter
realizzare il processo reiterativo da noi ritenuto necessario per la sintesi di oligosaccaridi costituiti dal ripetersi di mono unità tutte uguali tra di loro (omooligosaccaride).
Il processo da noi individuato per la costruzione dei due trisaccaridi è risultato decisamente efficace per quanto riguarda la completa regio- e stereoselettività degli stadi di O-glicosilazione coinvolti, mentre deve essere ancora ottimizzato per quanto riguarda le rese relative di alcuni stadi del processo.
Rilevante, a nostro avviso, la semplice procedura che fa uso di allil aziridine derivate dal D-allale, che permette la costruzione di oligosaccaridi 4-ammino sostituiti dei quali poco è riportato in letteratura.
È inoltre degno di nota come questi sistemi 2,3-insaturi, grazie alla presenza dell’ insaturazione, siano in grado di poter essere ulteriormente funzionalizzati (diidrossilazione, amminoidrossilazione, idroborazione-ossidazione) a dare unità monosaccaridiche di specifico interesse o anche essere semplicemente idrogenati a dare desossi oligosaccaridi che pure rivestono molta importanza in campo naturale.
Ultimo aspetto da sottolineare è che l’uso, nel nostro caso, dell’allil epossido derivato dal D-galattale ha portato ad un trisaccaride con tutti legami β-O-glicosidici, mentre l’uso della allil aziridina derivata dal D-allale ha portato ad un trisaccaride con tutti legami α-O-glicosidici in accordo con la stereospecificità delle nostre reazioni di O-glicosilazione che fanno uso di tali sistemi glicosil-donatori.
