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 .