Oxacarbenium ion intermediates in the stereoselective synthesis of anionic oligosaccharides
Dinkelaar, J.
Citation
Dinkelaar, J. (2009, May 13). Oxacarbenium ion intermediates in the stereoselective synthesis of anionic oligosaccharides. Retrieved from https://hdl.handle.net/1887/13791
Version: Corrected Publisher’s Version
License: Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the Institutional Repository of the University of Leiden
Downloaded from: https://hdl.handle.net/1887/13791
Note: To cite this publication please use the final published version (if applicable).
137
Samenvatting
De synthetische koolhydraatchemie houdt zich bezig met het ontwikkelen van nieuwe methoden en technieken om in de natuur voorkomende koolhydraten en derivaten daarvan te bereiden. Dit levert niet alleen nieuwe fundamentele organische chemische kennis op maar maakt het ook mogelijk de gesynthetiseerde koolhydraatstructuren te gebruiken om biologische processen, waar koolhydraten bij betrokken zijn te analyseren en te beïnvloeden. Om de synthese van fragmenten van koolhydraatpolymeren of oligosacchariden te verbeteren richt het onderzoek zich niet alleen op de ontwikkeling van nieuwe methoden om beschermgroepen in te voeren en te verwijderen maar ook op nieuwe glycosyleringsmethoden en strategieën. Vaste-drager synthese en één-pots procedures zijn veelbelovende nieuwe glycosyleringsstrategieën. Van het allergrootste belang bij alle strategieën is de opbrengst en de stereoselectiviteit van de glycosyleringsreactie. Bij een glycosyleringsreactie wordt een donor suiker molecuul stereoselectief, dat wil zeggen 1,2- trans of 1,2-cis gekoppeld aan een hydroxyl groep van een acceptor suiker molecuul.
Terwijl 1,2-trans glycosidische bindingen op relatief betrouwbare wijze stereoselectief kunnen worden ingevoerd, leidt de invoering van 1,2-cis glycosidische bindingen veelal tot mengsels. Onderzoek naar het mechanisme van glycosyleringen is noodzakelijk om betere stereoselectieve reacties te ontwikkelen. In Hoofdstuk 1 wordt een overzicht gegeven van de verschillende mechanismen van glycosyleringsreacties, waarbij een onderscheid gemaakt kan worden tussen een SN1 en een SN2 type reactie. Door het installeren van een ester beschermende groep op de C2-OH functie van een donor glycoside vindt er bij activatie zogenoemde anchimere hulp plaats en verloopt de reactie via een SN2 type mechanisme. Bij dergelijke reacties wordt gewoonlijk het 1,2-trans product gevormd.
Zonder een sturende ester functie op de 2 positie moeten andere middelen worden aangewend om SN2 type reacties te bewerkstelligen. Onderzoeksresultaten waarbij bijvoorbeeld anomere halides en verschillende oplosmiddelen worden toegepast om SN2 type reacties te induceren worden kort besproken. Glycosyleringen die een SN1 type
138
mechanisme volgen, en het gevolg daarvan op de stereochemische uitkomst, zijn onderwerp van toenemende discussie. Enerzijds zou een glycosylering via een SN1 type mechanisme een late overgang toestand hebben waardoor de stereochemie van het product gestuurd wordt door het anomere effect. Anderzijds zijn er voorbeelden van C- en O-glycosyleringen waar de selectiviteit verklaard wordt door een aanval van het nucleofiel op de meest stabiele halve stoel conformatie van het intermediaire oxacarbenium ion.
Thioglycosides worden in de koolhydraatchemie veel gebruikt als uitgangsstoffen vanwege hun stabiliteit tijdens beschermende groep manipulaties en het scala aan mogelijkheden om deze verbindingen te activeren. Er is echter geen standaard protocol om deze thioglycosides the hydrolyseren. In Hoofdstuk 2 wordt een nieuwe en algemene methode beschreven om deze transformatie uit te voeren. De combinatie van N-iodosuccinimide (NIS) en trifluoro azijnzuur (TFA) bleek een geschikte methode om een grote variëteit aan 1-thioglycosides te hydrolyseren. De reactie verloopt voorspoedig met zowel reactieve als inreactieve thioglycosides en is dusdanig mild dat de meeste zuur labiele beschermende groepen onder de gebruikte condities stabiel zijn. De NIS/TFA methode werd gebruikt om één van de intermediaire bouwstenen in de synthese van hyaluronan (HA) te vervaardigen.
Dit proefschrift beschrijft twee syntheseroutes naar HA oligomeren waarvan de eerste in Hoofdstuk 3 staat. Deze syntheseroute leverde een HA tri-, tetra- en pentameer op met een glucuronzuur aan het reducerende einde. Er werd gebruik gemaakt van een nieuwe glycosyleringstrategie waarbij een hemiacetaal donor glycoside met een thioglycoside accepter werd gecondenseerd. Op deze wijze werd een thio-dimeer verkregen, die geschikt is voor uitbreiding aan de reducerende en niet-reducerende kant. De opbrengsten van de glycosyleringen tot het tetra- en pentameer waren redelijk. Een voorwaarde om deze opbrengsten te bereiken was dat de hoeveelheid base, die in de koppelingsreactie werd gebruikt, werd geoptimaliseerd. De achtergrond hiervan is de zuurlabiliteit van de gebruikte benzylidene beschermende groep en de kans op ongewenste orthoester en oxazolidine vorming onder basische omstandigheden. Een tweede syntheseroute naar HA fragmenten, maar nu met een glucosamine op het reducerende einde wordt beschreven in Hoofdstuk 4.
De benzylidene beschermende groep werd vervangen door de stabielere di-tert- butylsilylidene (DTBS) groep. De glycosyleringen met DTBS beschermde glucosamine donoren en acceptoren konden inderdaad onder meer zure condities worden uitgevoerd, hetgeen resulteerde in hogere opbrengsten. Een HA tri-, penta- en heptameer werden efficiënt gesynthetiseerd met behulp van een blok-koppelings strategie. De repeterende dimeer bouwsteen werd bereid met behulp van een N-phenyltrifluoroimidaat glucosamine en een thioglucuronaat. Beide bouwstenen konden op grote schaal en in een gering aantal reactiestappen worden vervaardigd.
Hoofdstuk 5 beschrijft de synthese van een alginaat trimeer, die uit -gekoppelde L- guluronzuren bestaat. De glycosyleringsreacties met L-guluronaat donoren bleken minder
139
stereoselectief te zijn dan die met de overeenkomstige D-mannuronaat donoren. Ook werd aangetoond dat in glycosyleringsreacties gebenzyleerde L-gulose donoren -selectiever koppelden dan gebenzyleerde L-guluronaat donoren. Op grond hiervan werd een alginaat trimeer gesynthetiseerd door eerst een gulose trimeer te bereiden en deze vervolgens te oxideren. De stereochemische uitkomsten van deze glycosyleringen konden worden verklaard met de hypothese dat deze reacties via een SN1 type mechanisme verlopen en dat de acceptor de meest stabiele oxacarbenium ion conformeer aanvalt. Gesteund door publicaties over C-glycosyleringen en theoretische modellen van glycosyleringen werd gepostuleerd dat de 3H4 conformatie van het oxacarbenium ion van L-gulose het meest stabiel is. Axiale aanval op dit oxacarbenium ion conformeer leidt tot de vorming van het 1,2-cis product. Een onderzoek naar de toepasbaarheid van deze hypothese wordt beschreven in Hoofdstuk 6. Met behulp van twee acceptoren werd de stereoselectiviteit in glycosyleringsreacties van verschillende thioglycoside epimeren bepaald. In het bijzonder werd de invloed van de C-5 substituent getoetst door tetrabenzyl D-mannose en D-gulose donoren te vergelijken en tevens hun 6-deoxy en uronaat analoga. De uitkomst van deze experimenten ondersteunt de aanname dat in oxacarbenium ionen een C-5 ester een axiale positie verkiest terwijl voor de C-5 methyl (6-deoxy) een equatoriale positie het gunstigst is. Om een duidelijke voorkeur te verkrijgen voor één van de twee mogelijke reactieproducten van een glycosyleringsreactie is het nodig dat alle substituenten in één van de oxacarbonium ion conformeren een gunstige positie aannemen. De resultaten van de glycosyleringen van glucose, galactose en allose laten zijn dat de selectiviteit wegvalt wanneer één van de substituenten in een ongunstige positie zit in het oxacarbenium ion. De sterische factoren in de grondtoestand van de oxacarbenium ion conformeren, en bij de overgangstoestand van de glycosylering, worden dan beslissend voor de stereoselectiviteit.
