Title:
Preparing carbohydrate-analogs from five- or six-membered ring glycals, comprises reacting glycal by addition of ketene to corresponding cycloketone, converting cycloketonic to ketoxime, and converting ketoxime in lactam by rearrangement
Kind Code:
A1
Abstract:
Preparing carbohydrate-analogs from five- or six-membered ring glycals, comprises: (a) reacting the glycal by the addition of ketene to the corresponding cycloketone; (b) converting cycloketonic to ketoxime; and converting the ketoxime in a lactam by rearrangement. An independent claim is included for substituted hexahydro-pyrano[3,2-b]pyrrol-2-one compounds of formula (I). R1 : H (preferred), protecting group, preferably acetyl, benzyl or benzoyl, saccharide or polysaccharide; R2-R4 : H (preferred), alkyl, aryl, cycloalkyl, silyl, or halo; and R5 : H, methyl, CH 2OH (preferred), or CH 2 O-protecting group, provided that (I) exclude a compound in which R3 and/or R4 is CO 2CH 3. [Image].


Inventors:
Linker, Torsten, Prof. Dr. (14469, Potsdam, DE)
Umbreen, Sumaira, Dr. (14473, Potsdam, DE)
Application Number:
DE102012110740A
Publication Date:
05/15/2014
Filing Date:
11/09/2012
Assignee:
Universität Potsdam, 14469 (DE)
International Classes:
Other References:
Eur. J. Org. Chem. 2002, 1479-1483
Organic Letters 2008, 10(7), 1361-1364
Attorney, Agent or Firm:
Müller & Schubert Patentanwälte, 10629, Berlin, DE
Claims:
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenhydrat-Analoga aus Fünf- oder Sechsringglycalen, wobei man
a) in einem ersten Schritt das Glycal durch Addition mit einem Keten zum entsprechenden Cycloketon umsetzt,
b) in einem zweiten Schritt das Cycloketon zum Ketoxim umsetzt, und
c) in einem dritten Schritt durch eine Umlagerung das Ketoxim in ein Lactam umwandelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man im ersten Schritt als Keten Dichlorketen verwendet.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt die Umsetzung mit Hydroxylamin erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Schritt die Umlagerung unter Einwirkung von konzentrierten Mineralsäuren oder von Säurechloriden wie SOCl2 oder PCl5 erfolgt.

5. Verbindung der allgemeinen Formel I wobei die Reste R1 bis R5 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus
R1 = H, einer Schutzgruppe, einem Saccharid oder einem Polysaccharid
R2 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen
R3 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen
R4 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen
R5 = H, Methyl, CH2OH, CH2O-Schutzgruppe,
mit Ausnahme von Verbindungen, in denen R3 und/oder R4 = CO2CH3 ist.

6. Verbindung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgruppe ausgewählt ist aus Acetyl, Benzyl und Benzoyl.

7. Verbindung, gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass R1, R2, R3, R4 = H und R5 = CH2OH ist.

8. Verbindung, gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, ausgewählt aus

9. Pharmazeutische Zusammensetzung, enthaltend eine Verbindung der allgemeinen Formel I wobei die Reste R1 bis R5 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus
R1 = H, einer Schutzgruppe, einem Saccharid oder einem Polysaccharid,
R2 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen,
R3 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen,
R4 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen,
R5 = H, Methyl, CH2OH, CH2O-Schutzgruppe;
sowie ein oder mehrere pharmazeutische Hilfsstoffe.

10. Verbindung der allgemeinen Formel I gemäß Anspruch 9 zur Verwendung als Arzneimittel.

Description:

Die Erfindung betrifft eine einfache Synthese von C-Glycosamin-Derivaten mit wenigen Reaktionsstufen sowie dadurch hergestellte C-Glycosamin-Derivate.

Ein natürlich vorkommendes Kohlenhydrat-Derivat, welches bei vielen biochemischen Prozessen eine bedeutende Rolle spielt, ist N-Acetylglucosamin (O-GlcNAc)(1). Es ist beispielsweise über Serin ß-glycosidisch an Proteine gebunden und stellt daher eine wichtige Verbindung bei der Herstellung von Glycoproteinen dar.

Glykoproteine haben zahlreiche Funktionen im Organismus. So gehören z.B. viele Struktur-, Serum- oder Plasmaproteine, Enzyme, Membran- oder Oberflächenproteine zu den Glykoproteinen. Daneben haben Glykoproteine auch hormonelle Wirkung. N-Acetylglucosamin wird mit Hilfe von O-GlcNAc-Transferasen an Proteine gebunden und kann mittels O-GlcNAc-Hydrolasen wieder von diesen entfernt werden. Dies erklärt das große Interesse an Enzyminhibitoren für O-GlcNAc-Transferasen Hydrolasen, mit denen der Level von N-Acetylglucosamin in der Zelle kontrolliert werden kann, womit zahlreiche vielversprechende medizinische Anwendungen denkbar sind [1a, 1b].

Als Enzyminhibitoren für O-GlcNAc-Transferasen oder Hydrolasen haben sich bisher besonders Thiazoline (2) und Acstatin (3) bewährt, die bereits im nanomolaren Bereich aktiv sind. Entscheidend ist hier die konformationelle Fixierung des Kohlenhydratringes durch den benachbarten Fünfring. Ein Nachteil an diesen Verbindungen ist allerdings, dass die glycosidische Bindung (z.B. in Thiazolinen (2) wieder hydrolysiert werden kann, weshalb C-Glycoside der generellen Struktur (4), bei denen ein Kohlenstoffrest R am anomeren Zentrum gebunden ist, eine interessante Alternative bieten und gegenwärtig auch intensiv untersucht werden [2].

Verfahren, in dem verschiedene 2-Amino-ß-C-glykoside, unter anderem solche mit einem Kohlenstoffrest am anomeren Zentrum des Glykosides hergestellt werden, sind in [3] beschrieben. Unter anderem wird darin ein Verfahren zur Herstellung eines Lactams (5) offenbart, bei dem die Konformation des Kohlenhydratringes durch einen Fünfring fixiert ist, wobei das Lactam gleichzeitig Kohlenstoffreste am anomeren Zentrum trägt.

Die Herstellung dieses Lactams ist allerdings sehr aufwendig und erfordert eine Vielzahl einzelner Reaktionsschritte. Des Weiteren werden in dieser Druckschrift keine biochemischen Wirkungen der darin beschriebenen Substanzen offenbart und insbesondere wird eine enzyminhibierende Eigenschaft dieser Verbindung nicht erwähnt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Kohlenhydrat-Analoga kostengünstig und einfach hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenhydrat-Analoga aus Fünf- oder Sechsringglycalen gelöst, wobei man

  • a) in einem ersten Schritt das Glycal durch Addition mit einem Keten zum entsprechenden Cycloketon umsetzt,
  • b) in einem zweiten Schritt das Cycloketon zum Ketoxim umsetzt, und
  • c) in einem dritten Schritt durch eine Umlagerung das Ketoxim in ein Lactam umwandelt.

Bevorzugt ist es, im ersten Schritt als Keten Dichlorketen zu verwenden.

Bevorzugt erfolgt im zweiten Schritt die Umsetzung mit Hydroxylamin.

Bevorzugt ist ferner ein Verfahren, wobei im dritten Schritt die Umlagerung unter Einwirkung von konzentrierten Mineralsäuren (Salz-, Schwefel-, Salpeter- und Phosphorsäure) oder von Säurechloriden wie SOCl2 oder PCl5 erfolgt.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch Verbindungen der allgemeinen Formel I wobei die Reste R1 bis R5 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus
R1 = H, einer Schutzgruppe, einem Saccharid oder einem Polysaccharid
R2 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen
R3 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen
R4 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen
R5 = H, Methyl, CH2OH, CH2O-Schutzgruppe,
mit Ausnahme von Verbindungen, in denen R3 und/oder R4 = CO2CH3 ist.

Bevorzugt ist eine Schutzgruppe dabei ausgewählt aus Acetyl, Benzyl und Benzoyl.

Bevorzugt sind die Reste R1, R2, R3, R4 = H und R5 = CH2OH.

Bevorzugt ist Alkyl ausgewählt aus verzweigten und unverzweigten Kohlenwasserstoffverbindungen mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen.

Aryl ist bevorzugt ausgewählt aus Phenyl und Naphtyl. Cycloalkyl ist bevorzugt ausgewählt aus Kohlenwasserstoffverbindungen mit 3 bis 7 Kohlenstoffatomen welche 1 bis 3 Heteroatome, ausgewählt aus Schwefel, Stickstoff und/oder Sauerstoff enthalten können.

Silyl ist bevorzugt ausgewählt aus Trimethylsilyl, Triethylsilyl und tert.-Butyldimethylsilyl.

Die OH-Gruppen des Saccharids, bzw. des Polysaccharids können dabei mit Schutzgruppen, die bevorzugt ausgewählt sind aus Acetyl, Benzyl und Benzoyl, versehen sein.

Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind die Verbindungen der allgemeinen Formel I, nämlich:

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine pharmazeutische Zusammensetzung, die eine Verbindung der allgemeinen Formel I enthält, wobei die Reste R1 bis R5 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus
R1 = H, einer Schutzgruppe, einem Saccharid oder einem Polysaccharid
R2 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen
R3 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen
R4 = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Silyl, Halogen
R5 = H, Methyl, CH2OH, CH2O-Schutzgruppe,
sowie ein oder mehrere pharmazeutische Hilfsstoffe.

Die Aufgabe wird ferner durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungen der allgemeinen Formel I als Arzneimittel und/oder zur Herstellung eines Arzneimittels gelöst.

Die Herstellung der Arzneimittel und hierzu geeignete pharmazeutische Hilfsstoffe sind dem Fachmann bekannt und in den dem Fachmann bekannten Handbüchern beschrieben, beispielsweise Hager’s Handbuch (5.) 2, 622–1045; List et al., Arzneiformenlehre, Stuttgart: Wiss. Verlagsges. 1985; Sucker et al., Pharmazeutische Technologie, Stuttgart: Thieme 1991; Ullmann’s Enzyklopädie (5.) A 19, 241–271; Voigt, Pharmazeutische Technologie, Berlin: Ullstein Mosby 1995.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich bicyclische Kohlenhydrat-Lactame sehr einfach in wenigen Reaktionsschritten herstellen. Ausgehend von Glycalen, die kommerziell erhältlich sind, lassen sich die bicyclischen Kohlenhydrat-Lactame mit gängigen Reagenzien mit nur zwei Eintopfreaktionen in drei Reaktionsstufen herstellen.

Es ist bekannt, dass bei komplizierten Synthesen mit vielen Reaktionsstufen die Ausbeute in der Regel mit steigender Anzahl der Reaktionsstufen abnimmt, da bei jedem Umsetzungs- und Reinigungsschritt Verluste entstehen. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht daher darin, dass sich wegen der geringen Stufenzahl vergleichsweise hohe Ausbeuten erzielen lassen. Neu an dem Verfahren ist hierbei die Beckmann-Umlagerung eines cyclischen Ketons an einem Kohlenhydratgerüst.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die generelle Anwendbarkeit in der Kohlenhydratchemie und die hohe Stereoselektivität der durch das Verfahren erhaltenen Produkte.

Ausgehend von Glycalen, die kommerziell erhältlich sind oder aus Hexosen, Pentosen oder Disacchariden relativ einfach im großen Maßstab synthetisiert werden können, erfolgt erfindungsgemäß zunächst mit Ketenen eine [2 + 2]-Cycloaddition zu den entsprechenden Cyclobutanonen. R1 steht hierbei für eine Schutzgruppe.

Die Ketene können beispielsweise in situ aus Trichloracetylchlorid und Zink generiert werden. Im darauffolgenden Schritt werden die Cyclobutanone dann in Oxime überführt. Dies kann beispielsweise mit Hydroxylamin in Anwesenheit von Säuren durchgeführt werden.

In einer letzten Stufe wird das Ketoxim schließlich über eine Umlagerung in ein Lactam überführt.

Das Lactam kann durch Tautomerisierung auch in einer Lactim-Form vorliegen, wobei das Gleichgewicht jedoch auf der Seite der Edukte liegt.

Zusammenfassend besteht der Vorteil der Erfindung in den neuartigen Strukturen konformationell fixierter C-Glycosamin-Analoga, die potentielle Enzyminhibitoren darstellen. Der Syntheseweg ist ausgehend von kommerziell erhältlichen Glycalen mit kostengünstigen Reagenzien sehr kurz (zwei Eintopfreaktionen). Beide Schritte verlaufen mit ausgezeichneten Stereoselektivitäten und guten Ausbeuten. Die Produkte werden analysenrein im Grammaßstab erhalten, das Abspalten der Schutzgruppen liefert wasserlösliche C-Glycosamin-Analoga.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1: Synthese eines gluco-Lactams([(3aR,5R,6S,7aS)-6,7- bis(acetoxy)-2-oxo-octahydropyrano[3,2-b]pyrrol-5-yl]methylacetat)a) Erste Stufe: Herstellung des Cyclobutanons

Eine Mischung aus Zink-Kupfer-Paar (3,87 g, 30 mmol) und Tri-O-acetyl-D-glucal (1,36 g, 5,0 mmol) der Formel 7a, bei der die freien OH-Gruppen mit Acetylgruppen geschützt sind, wird in trockenem Diethylether (30 mL) bei Raumtemperatur unter Argonatmosphäre stark gerührt. Bei dieser Temperatur wird eine Lösung von Trichloracetylchlorid (2,18 g, 10,0 mmol) in trockenem Diethylether (12 mL) innerhalb von 30 min zugetropft. Das Zink reduziert das Trichloracetylchlorid unter Bildung von Zinkchlorid zum Dichlorketen, welches mit der Doppelbindung des Glucals in einer Cycloaddition zum Cycloketon der Formel 8 weiterreagiert. Nach 2 h ist die Reaktion beendet und das Glucal vollständig umgesetzt.

Zur Entfernung der Chloridreste in Formel 8 wird die Mischung anschließend auf 0°C gekühlt, mit Essigsäure (13 mL) und Zinkstaub (3,27 g, 50 mmol) versetzt und noch 2 h bei 0°C gerührt.

Anschließend wird das Gemisch mit Diethylether (60 mL) verdünnt, über Celite filtriert und mit Diethylether (5 × 50 mL) und Methanol (50 mL) nachgewaschen. Das Filtrat wird dann noch mal mit Wasser (3 × 100 mL) gewaschen, die erhaltene organische Phase über Magnesiumsulfat getrocknet und im Vakuum konzentriert (Kodestillation mit 25 mL Toluol). Das Rohprodukt wird über Kieselgel 60 säulenchromatographisch (Hexan: Ethylacetat 5:1) gereinigt. Die Ausbeute an analysenreinem Cyclobutanon der Formel 9 beträgt 89% in Form farbloser Kristalle (Schmp. 82°C).

b) Zweite Stufe: Bildung des Oxims

Zu einer Lösung von Natriumacetat (245 mg, 3.0 mmol) und Hydroxylaminhydrochlorid (210 mg, 3.0 mmol) in Wasser (2 mL) wird eine Mischung von Cyclobutanon der Formel 9 aus der ersten Stufe (315 mg, 1.0 mmol) in Ethanol (2 mL) zugegeben. Die Mischung wird 2 h bei 54°C und 1 h bei Raumtemperatur gerührt. Danach wird Wasser (30 mL) hinzugefügt und die Mischung mit Dichlormethan (3 × 50 mL) extrahiert. Die organische Phase wird über Magnesiumsulfat getrocknet und im Vakuum konzentriert.

c) Dritte Stufe:

Das Rohprodukt 10 aus der zweiten Stufe wird direkt in 1,4-Dioxan (4 mL) gelöst, mit Thionylchlorid (215 µL, 3,0 mmol) bei Raumtemperatur versetzt und noch 10 min bei dieser Temperatur gerührt. Nach Hydrolyse mit gesättigter Natriumhydrogencarbonat-Lösung (50 mL) wird die Lösung mit Ethylacetat (3 × 100 mL) extrahiert, mit gesättigter Natriumchlorid-Lösung (50 mL) gewaschen und über Magnesiumsulfat getrocknet. Das Rohprodukt wird über Kieselgel 60 säulenchromatographisch gereinigt (Hexan:Ethylacetat 1:1) und liefert das Lactam 11 (Ausbeute 70%) als weiße Kristalle (Schmp. 149°C) in analysenreiner Form.

d) Entfernung der Schutzgruppen

Die O-Acetyl-Schutzgruppen können durch Lösen des Lactams 11 in Methanol (20 mL) mit katalytischen Mengen Natriummethanolat (5 mg) und anschließendem Neutralisieren mit Ionenaustauscher IR-120 in quantitativer Ausbeute abgespalten werden.

Beispiel 2:Synthese eines N-methylierten gluco-Lactams

Eine Suspension aus NaH (80% in Öl, 0,6 mmol) in getrocknetem Tetrahydrofuran (THF) wird auf 0°C gekühlt. Zu dieser Suspension wird 5 mL (0,2 mmol) des Lactams der Formel 11 tropfenweise zugegeben und die Mischung 20 Minuten gerührt. Anschließend wird Methyliodid (0,2 mmol) langsam unter Rühren zugegeben und die Mischung für 12 h bei Raumtemperatur stehengelassen. Als Produkt erhält man ein N-methyliertes Lactam der Formel 13.

Anschließend wird die Suspension mit Celite, welches vorher mehrfach mit THF gewaschen wurde, gefiltert. Die Filtrate werden gesammelt und das Lösungsmittel abgezogen. Der Rückstand wird anschließend in einem Schütteltrichter in einer Mischung aus Chloroform und Wasser getrennt. Nach Abtrennen der wässrigen Phase wird die Chloroformphase noch dreimal mit je 15 mL Wasser gewaschen, die Chloroformphasen vereinigt und mit MgSO4 getrocknet. Nach dem Filtrieren wird das Lösemittel unter Vakuum abgezogen. Die Schutzgruppen werden dann wie in Beispiel 1 in Schritt d) beschrieben entfernt. Die Ausbeute beträgt 55%.

Beispiel 3:Synthese eines N-methylierten galacto-Lactams

Die Synthese erfolgt analog wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben, nur wird als Ausgangsverbindung anstatt des Glucals ein Galactal 14 verwendet.

Als Endprodukt wird die Verbindung 15 erhalten. Die Ausbeute beträgt 59%.

Beispiel 4:Synthese eines acetylierten N-methylierten malto-Lactams

Die Synthese erfolgt analog wie in Beispiel 2 beschrieben, nur wird als Ausgangsverbindung anstatt glyco-Lactam ein malto-Lactam verwendet. Als Produkt erhält man die Verbindung 16. Die Ausbeute beträgt 56%.

Beispiel 5:Synthese von Lactim-Ethern mit Triethyloxoniumtetrafluoroborat.

Zu 75 mg des in Dichlormethan gelösten Gluco-Lactams der Verbindung 12 wird ein Überschuss an Triethyloxoniumtetrafluoroborat zugegeben. Die Lösung wird verschlossen und unter Argon-Atmosphäre 12 h gerührt. Die Lösung wird anschließend in eine Mischung aus Eis und gesättigtem K2CO3 geschüttet, der gebildete Lactim-Ether der Formel 17 mit Dichlormethan extrahiert und das Lösungsmittel schließlich unter Vakuum abgezogen.

Zitierte Literatur

  • [1a] R. Hutardo-Guerrero, H. C. Dorfmueller, D. M. F. van Aalten, Curr. Opin. Struct. Biol. 2008, 18, 551.
  • [1b] M. S. Macauley, D. J. Vocadlo, Biochim. Biophys. Acta 2010, 1800, 107.
  • [2a] E. von Moos, R. N. Ben, Curr. Top. Med. Chem. 2005, 5, 1351.
  • [2b] X. Juan, R. J. Linhardt, Curr. Top. Med. Chem. 2005, 5, 1393.
  • [2c] D. C. Koester, A. Holkenbrink, D. B. Werz, Synthesis 2010, 3217.
  • [3] K. Pachamuthu, A. Gupta, J. Das, R. R. Schmidt, Y. D. Vankar, Eur. J. Org. Chem. 2002, 1479.
  • [4a] R. J. Ferrier, Adv. Carbohydr. Chem. 1969, 24, 199;
  • [4b] L. Somsák, Chem. Rev. 2001, 101, 81;
  • [4c] R. J. Ferrier, J. O. Hoberg, Adv. Carbohydr. Chem. Biochem. 2003, 58, 55; d) B. Fraser-Reid, J. C. López, Curr. org. Chem. 2009, 13, 532.
  • [5] a) J. Oh, Tetrahedron Lett. 1997, 38, 3249; b) J. Oh, C.-R. Lee, K. H. Chun, Synth. Commun. 2002, 32, 2349.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Hager’s Handbuch (5.) 2, 622–1045 [0022]
  • List et al., Arzneiformenlehre, Stuttgart: Wiss. Verlagsges. 1985 [0022]
  • Sucker et al., Pharmazeutische Technologie, Stuttgart: Thieme 1991 [0022]
  • Ullmann’s Enzyklopädie (5.) A 19, 241–271 [0022]
  • Voigt, Pharmazeutische Technologie, Berlin: Ullstein Mosby 1995 [0022]