Фосфорилированные производные N-ацетилфукозамина тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.10 ВАК РФ

Список условных сокращений и обозначений Введение

Часть 1. Обзор химической литературы: Синтез гликозилфосфатов и нуклеозиддифосфатсахаров.

1.1 Введение

1.2 Химические методы синтеза гликозилфосфатов

1.2.1 Реакции замещения при аномерном центре с образованием новой С-О связи

Реакции с

1.2.1.1 Гликозилацетатами

1.2.1.2 1,2-циклическими производными Сахаров

1.2.1.3 гликозилгалогенидами

1.2.1.4 тиогликозидами

1.2.1.5 трихлорацетимидатами

1.2.1.6 производными фосфитов и тиофосфатов

1.2.1.7 углеводами, содержащими иные уходящие группы 26 4^4^8^ликалями

1.2.1 Реакции с образованием Р-О связи

1.2.2.1 Фосфорилирование производными фосфитов

1.2.2.2 фосфорилирование производными фосфатов

1.3 Химические методы синтеза нуклеозиддифосфатсахаров

1.3.1 Синтез нуклеозиддифосфатсахаров из гликозилфосфата и нуклеозид-5'-монофосфата

1.3.2 Синтез нуклеозиддифосфатсахаров из активированного производного сахара и нуклеозид-5'-дифосфата

Часть 2. Обсуждение результатов

2.1 Химический синтез фосфорилированных производных

Л'-ацетил-фукозамина

2.1.1 Синтез 7У-ацетил-Р-Ь-фукозамин-1 -фосфата

2.1.2 Синтез уридин-5'-дифосфат-7У-ацетил-Р-Ь-фукозамина

2.2.1 Синтез А^-ацетил-а-Б-фукозамин-1 -фосфата

2.2.2. Синтез уридин-5'-дифосфат-Л^ацетил-а-Б-фукозамина 66 2.3 Изучение реакции образования гликозилфосфатов из ацетилированных гликозилнитратов

2.3.1 Синтез а-гликозилнитратов, имеющих гала/с/ио-конфигурацию

2.3.2 Взаимодействие дибензилфосфата цезия с гликозилнитратами

2.3.3 Взаимодействие дифенилфосфата цезия с гликозилнитратами

Часть 3. Экспериментальная часть

3.1 Общие методы

3.2 Эксперимент к главе 2.

3.3 Эксперимент к главе 2.

3.4 Эксперимент к главе 2.3 86 Выводы

Полисахариды, построенные из повторяющихся звеньев, входят в состав клеточной стенки и капсулы микроорганизмов и часто являются характерными антигенами клеточной поверхности бактерий. Изучение механизма биосинтеза таких полимеров представляет значительный интерес для выявления новых подходов в борьбе с патогенными микроорганизмами, количество штаммов которых, устойчивых к действию широкого спектра антибиотиков, неуклонно увеличивается. Проведение биосинтетических исследований невозможно без получения производных углеводов, участвующих в этих процессах, и химический синтез таких соединений является одной из актуальных задач современной биоорганической химии.

Современные данные о путях биосинтеза гетерополисахаридов клеточной поверхности бактерий показывают, что в биосинтетических процессах, как правило, принимают участие фосфорилированные производные Сахаров трех типов - нуклеозиддифосфатсахара (А), полипренилдифосфатсахара (Б) и, в некоторых случаях, полипренилмонофосфатсахара (В).

0 0 „ о ,

Sug-O-ILo-iLo-, 0J SugL-Mo

ONa ONa Г 7 \ №(> /„

А) (Б) n=2; (B)n=l

B=Ura, R=OH

B=Gua, R=OH

B=Thy, R=H

B=Cyt, R=OH

Нуклеозиддифосфатсахара служат донорами моносахаридных остатков при росте углеводной цепи полисахарида в процессе биосинтеза. Они участвуют также во взаимных превращениях моносахаридных остатков, итогом которых является возникновение большого структурного разнообразия углеводных компонентов бактериальных полисахаридов. Полипренилдифосфатсахара выступают обычно как акцепторы, закрепленные в бактериальной мембране, углеводных остатков при биосинтезе, а полипренилмонофосфатсахара служат донорами гликозильных остатков в некоторых биохимических реакциях гликозилирования, происходящих на наружной стороне бактериальной мембраны. Ключевыми соединениями при химическом синтезе указанных производных являются гликозилфосфаты.

Стафилококковые инфекции остаются серьезной медицинской проблемой, и настоящая работа является частью международного проекта по изучению биосинтеза капсульных полисахаридов Staphylococcus aureus серотипов 5 и 8, который выполняется в последние годы в Лаборатории химии углеводов ИОХ РАН им. Н.Д. Зелинского. Более 70% штаммов микроорганизмов, выделяемых при стафилококковых инфекциях обладают капсулами этих типов. Соответствующие капсульные полисахариды построены из трисахаридных повторяющихся звеньев, в состав которых входят остатки //-ацетил-D-маннозаминуроновой кислоты, 2-ацетамидо-2,6-дидезокси-Ь-галактозы (N-ацетил- l -фукозамина) и 2-ацетамидо-2,6-дидезокси-0-галактозы (//-ацетил-d-фукозамина) [1]: соон me тип 5

СООН Me тип 8

Анализ генетических данных [2а] позволяет предположить, что биосинтез этих полисахаридов протекает через сборку повторяющихся звеньев на полипренилфосфатном акцепторе и их последующую полимеризацию под действием ферментов, локализованных в бактериальной мембране. Более того, по этим данным, предшественником всех полисахаридов, входящих в состав полимеров, служит уридин-б'-дифосфат-уУ-ацетил-а-О-глюкозамин (Г) и, следовательно, активированными формами //-ацетил- d -фукозамина и Nацетил-Ь-фукозамина служат уридин-5'-дифосфатные производные (Д) и (Е) соответственно, с а-конфигурацией у гликозидного центра в соединении (Д) и (5- конфигурации - в соединении (Е).

Эти выводы основаны исключительно на данных о гомологии структуры белков которые, как предпологается, являются гликозилтрансферазами или ферментами, участвующими в модификации углеводного остатка уридин-5'-дифосфат-/У-ацетил-а-В-глюкозамина (Г). Следует однако заметить, что биохимическое подтверждение этих предположений пока не получено.

Для проведения биохимических исследований по биосинтезу капсульных полисахаридов Staphylococcus aureus необходимы нуклеозиддифосфатсахара (Д) и (Е), и настоящая работа посвящена химическому синтезу этих соединений. При разработке синтетических схем было существенно предусмотреть возможность введения радиоактивной метки в получаемые субстраты ферментативных реакций. Наиболее удобный путь введения радиоактивной метки - это проведение специфического iV-ацетилирования под действием производного [14С] ацетата на одной из последних стадиях химического синтеза. В связи с этим, в настоящем исследовании в качестве ключевых промежуточных соединений были избраны гликозилфосфаты - производные 2-азидо-2,6-дидезоксигексоз, о получении которых к моменту начала нашей работы в литературе имелись весьма скудные сведения. При разработке методов их синтеза была открыта неизвестная ранее реакция образования гликозилфосфатов из ацетилированных гликозилнитратов и цезиевых солей фосфодиэфиров, и вторая часть диссертационной работы посвящена изучению возможностей использования этой реакции для синтеза гликозилфосфатов иной структуры.

Следует отметить, что //-ацетил- d -фукозамин и //-ацетил- l -фукозамин являются компонентами многих бактериальных полисахаридов [2Ь] и

Д)

Г)

R= остаток уридин-5'-дифосфата

Е) осуществление синтеза нуклеозиддифосфатсахаров (Д) и (Е) делает возможным также исследования биосинтеза капсульных полисахаридов и других не менее важных бактерий.

Поскольку ключевыми соединениями в работе являются гликозилфосфаты, литературный обзор посвящен рассмотрению материала о методах синтеза гликозилфосфатов и нуклеозиддифосфатсахаров.

выводы

1. Впервые обнаружена возможность прямого превращения ацетилированных гликозилнитратов в производные гликозилфосфатов под действием дибензилфосфата цезия и продемонстрирована применимость этой новой реакции для синтеза ряда 1,2-/я/?аиогликозилфосфатов. Дибензилфосфат цезия может служить эффективным реагентом и при синтезе гликозилфосфатов из гликозилбромидов.

2. Показано, что взаимодействие дифенилфосфата цезия с ацетилированными гликозилнитратами приводит к 1,2-г/«с-гликозилдифелилфосфатам через промежуточное образование соответствующих 1,2-/ираис-фосфотриэфиров. Эта реакция может быть применена для эффективного получения производных а-гликозилфосфатов, особенно при использовании производных 6-дезоксигексоз.

3. С использованием предложенного метода синтеза гликозилфосфатов впервые осуществлен химический синтез А'-ацетил-р-Ь-фукозамин-!-фосфата и уридин-б'-дифосфат-А^-ацетил-Р-Ь-фукозамина, предполагаемого предшественника при биосинтезе бактериальных полисахаридов, в частности, капсульных полисахаридов стафилококков.

4. Продемонстрирована эффективность синтетической схемы для получения указанных соединений, основанной на использовании в качестве ключевого соединения 2-азидо-3,4-ди-(?-ацетил-2,6-дидезокси-а-Ь-галактопиранозил-нитрата и введении ^-ацетильной группы на последних стадиях синтеза.

5. Разработанная схема успешно использована для нового синтеза Л^-ацетил-a-D-фукозамин-1 -фосфата и уридин-5'-дифосфат-т¥-ацетил-а-В-фукозамина, предшественника биосинтеза бактериальных полисахаридов. При получении последнего гликозилфосфата подобраны условия, позволяющие осуществить эффективную аномеризацию 2-азидо-3,4-ди-0-ацетил-2,6-дидезокси-Р-Б-галактопиранозилдибензилфосфата в его а-аномер.

1. V.N. Shibaev, and L.L. Danilov, in Glycopeptides and Related Compounds, (D.G. Large, C.D. Warren, eds.), Marcel Dekker, N.Y., 1997, 427-505.

2. Э. Керби. Аномерный эффект кислородсодержащих соединенийю. (Н.С. Зефиров, ред.), М. Мир, 1985.

3. D.L. MacDonald, J.Org.Chem., 1962, 27, 1107.

4. Е. Klaps, С. Neuninger, P. Messner, and W. Shmid, Carbohydr. Lett., 1996, 2, 97.

5. J.E. Heidlas, W.J. Lees, P. Pale, and G.M. Whitesides, J.Org.Chem., 1992, 57, 146.

6. R.F. Sala, S.L. Mackinnon, M.M. Palcic, and M.E. Tanner, Carbohydr. Res., 1998, 306,127.

7. R.E. Campbell, and M.E. Tanner, Angew. Chem. Int. Ed. Eng.,1997, 36, 1520.

8. R.E. Campbell, and M.E. Tanner, J.Org.Chem., 1999, 64, 9487.

9. G.M. Watt, S.L. Elitsch, S. Fey, L. Elling, and U. Kragl, Tetrahedron: Assymmetry, 2000, 11,621.

10. C-W Chang, and H-W. Liu, Angew. Chem. Int. Ed. Eng.,2000, 40, 2160.

11. T. Yamaraki, C.D. Warren, A. Kerscovics, and J.W. Jeanlor, Can. J. Chem., 1981, 59, 22471.

12. P. Busca, and O.R. Martin, Tetrahedron lett., 1998, 39,8101.

13. C.M. Timmers, N.C.R. van Straten, G.A. van der Marel, and J.H. van Boom, J.Carbohydr. Chem., 1998,17, 471.

14. O.J. Plante, R.B. Andrade, and R.H. Seeberger, Org. Lett., 1999, 1, 211.

15. J. Posternak, J. Biol. Chem., 1949,180, 1269.

16. M.L. Wolfrom, C.S. Smith, D.L. Pletcher, and A.E. Brown, J. Am. Chem. Soc., 1942, 64, 23.

17. Т.К. Lindhorst, and J. Thiem, Carbohydr. Res., 1991, 209, 119.

18. K. Adelhorst, and G.M. Whitesides, Carbohydr. Res., 1993,242, 69.

19. Y. Ichikawa, M.M. Sim, and C-H Wong, J.Org.Chem., 1992, 57, 2943.

20. H. Binch, K. Stanger, and J. Thiem, Carbohydr. Res., 1998,306,409.

21. С. Bergemann, A-J Ott, Т.К. Lindhorst, J. Thiem, W.V. Dahlhoff, C. Hollgren, M.M. Palcic, and O. Hindsgaul, Liebigs Ann. Chem., 1997, 601.

22. B.W. Murray, V. Wittmann, M.D. Durkart, S-C Hung, and C-H Wong, Biochemistry, 1997, 36, 823.

23. M.D. Durkart, S.P. Vincent, A. Duffels, B.W. Murray, S.V. Lee, and C-H Wong, Bioorg, & Med. Chem., 2000, 8, 1937.

24. G. Barsch, and R. Ohrlein, Bioorg, &Med. Chem., 1997, 5, 383.

25. Y. Zhao, and J.S. Thorson, J.Org.Chem., 1998,63, 7568.

26. J. Niggemann, J.K. Lindhorst, M. Wolfort, L. Laupichler, H. Sajus, and J. Thiem, Carbohydr. Res., 1993, 246, 173.

27. J. Niggemann, and J. Thiem, Liebigs Ann. Chem., 1992, 535.

28. H. Yuasa, O. Hindsgaul, and M.M. Palcic, J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 5891.

29. S. Liemann, W. Klaffke, Liebigs Ann. Chem., 1995, 1779.

30. O. Tsuruta, G. Shinohara, H. Yuasa, and H. Hashimoto, Bioorg, & Med. Chem. lett., 1997, 7, 2523.

31. U.B. Gokhale, and O. Hindsgaul, Can. J. Chem., 1990, 68,1063.

32. R. Roy, F.D. Tropper, and C. Grand-Mattre, Can. J. Chem., 1991, 69, 1462.

33. C. Hollgren, andO. Hindsgaul,/. Carbohydr. Chem., 1995,14, 453.

34. G.H. Veeneman, H.J.G. Broxtermann, G.A. van der Marel, and J.H. van Boom, Tetrahedron lett., 1991, 32, 6175.

35. B.M. Heskamp, H.J.G. Broxtermann, G.A. van der Marel, and J.H. van Boom, J. Carbohydr. Chem., 1996,15, 611.

36. R.R. Schmidt, and K-H Jung, in Preparative carbohydrate chemistry, (S. Hannessian, ed.), Marcel Dekker, N.Y, 1996, 283.

37. R.R. Schmidt, B. Wegmann, and K-H Jung, Liebigs Ann. Chem., 1991, 121.40. a. R.V. Lemieux, PureAppl. Chem., 1971, 25, 527; b. R.R. Schmidt, H. Braun, and K-H Jung, Tetrahedron lett., 1992, 33, 1585.

38. T. Muller, and R.R. Schmidt, Tetrahedron lett., 1997, 38, 5473.

39. D.R. Mootoo, V. Date, B. Fraser-Reid, J. Am. Chem. Soc., 1988,110, 2662.

40. P. Pale, and G.M. Whitesides, J.Org.Chem., 1991, 56, 4547.

41. Y.D. Vankar, P.S. Kankar, M. Behrendt, and R.R. Schmidt, Tetrahedron lett., 1991, 32, 9985.

42. G.J. Boons, and S. Isles,, Tetrahedron lett., 1994, 35, 3593.

43. G.J. Boons, A. Burton, and P. Wyatt, Synlett, 1996, 310.

44. A. Burton, P. Wyatt, and G.J. Boons, J. Chem. Soc., Perkin Trans. /., 1997, 2375.

45. S. Hannessian. in Preparative carbohydrate chemistry, (S. Hannessian, ed.), Marcel Dekker, N.Y., 1996,381.

46. S. Hannessian, P-P Lee, and H. Ishiba, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 13296.

47. S.P. Vincent, M.D.Burkart, C-Y. Tsai, Z. Zhang, and C-H Wong, J.Org.Chem., 1999, 64, 5264.

48. M.M. Sim, H. Kondo, and C-H Wong, J. Am. Chem. Soc., 1993,115, 2260.

49. T. Muller, and R.R. Schmidt, Liebigs Ann. Chem., 1997, 1907.

50. H. Chen, Z. Guo, and H-W Liu, J. Am. Chem. Soc., 1998,120, 9951.

51. C-W.J. Chang, X.H. Chen, and H-W Liu, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 9698.

52. S.A. Hitchcock, C.N. Eid, J.A. Atkins, M. Zif-Ebrahimi, and L.C. Blaszczak, J. Am. Chem. Soc., 1998,120, 1916.

53. W. Klaffke, Carbohydr. Res., 1995, 266, 285.

54. R,E, Lee, P.J. Brennan, and G.S. Besra, Bioorg, & Med. Chem. lett., 1998, 8, 951.

55. P. Westerduin, G.H. Veeneman, J.E. Marugg, van der Marel, and J.H. van Boom, Tetrahedron lett., 1986, 27,1211.

56. D.V. Yashunsky, and A.V. Nikolaev, J. Chem. Soc., Perkin Trans. /., 2000, 1195.

57. A. Naundorf, S.Natsch, and W. Klaffke, Tetrahedron lett., 2000, 41, 189.

58. S. Sabesan, and S. Neira, Carbohydr. Res., 1992, 223, 169.

59. M. Inage, H. Chaki, S. Kusumoto, and T. Shiba, Chem. Lett., 1982, 1281.

60. Y. Kajihara, T. Endo, H. Ogasawara, H. Kodama, and H. Hashimoto, Carbohydr. . Res., 1995, 269,273.

61. T. Endo, Y. Kajihara, H. Kodama, and H. Hashimoto, Bioorg, & Med. Chem., 4, 1939.

62. H. Hashimoto, T. Endo, and Y. Kajihara, J.Org.Chem., 1997, 62, 1914.

63. S. Fey, L. Elling, U. Kragl, Carbohydr. Res., 1997,305,475.

64. H. Vyplel, D. Scholz, H. Loibner, M. Kern, K. Bednarik, and H. Schaller, Tetrahedron lett., 1992, 33, 1261.

65. L.D. Gegnas, S.T. Waddell, R.M. Chadin, S. Reddy, and K.K. Wong, Bioorg, & Med. Chem. lett., 1998, 8, 1643.

66. S. Roseman, J.J. Distler, I.G. Moffat, H.G. Khorana, J. Am. Chem. Soc., 1961, 83, 653.

67. A.M. Michelson, Biochem and Biophys. Acta., 1964, 91, 1.

68. K.Eurusawa, H. Sekine, andT. Hata, J. Chem. Soc., Perkin Trans. I., 1976, 1711.

69. W. Kampe, Chem. Ber., 1966, 99, 596.

70. V. Wittmann, and C-H Wong J.Org.Chem., 1997, 62, 2144.

71. B. Leon, Т.К. Lindhorst, A. Rieks-Everdiking, and W. Klaffke, Synthesis, 1994, 689/

72. Y.E. Tsvetkov, and A.V. Nikolaev, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1., 2000, 889.

73. M. Arlt, and O. Hindsgaul, J.Org.Chem., 1995, 60, 14.

74. T. Uchiyama,, and O. Hindsgaul, J. Carbohydr. Chem., 1998, 17, 41181.

75. V.N. Shibaev, Adv. Carbohydr. Chem. Biochem., 1986, 44, 277.

76. R.U. Lemieux and R.M. Ratcliffe, Can. J. Chem., 1979, 57, 1244.

77. T. Lehmann, W. Reutter, and O. Schoening, Chem. Ber., 1979, 112, 1470.81. (a) G. Dijkstra, W.H. Kruizinga, and R.M. Kellog, J. Org. Chem., 1987, 52, 4230. (b) H. Kunz, R. Kullmann, P. Wernig, and J. Zimmer, Tetrahedron Lett., 1992, 33, 1969.

78. P.A. Illarionov, V.I. Torgov, I.C. Hancock, and V.N. Shibaev, Tetrahedron Lett., 1999,40,4247.

79. J.E. Heidlas, W.J. Lees, P. Pale, and G.M. Whitesides, J. Org. Chem., 1992, 57, 145.

80. W. Hendel and P. Pochlauer, Tetrahedron, 1998, 54, 3489.

81. П.А. Илларионов, В.И. Торгов, Й. Хэнкок, В.Н. Шибаев, Изв. АН, Сер. Хим., 1919.

82. С.Д. Мальцев, JI.JI. Данилов и В.Н. Шибаев, Биоорг. хим., 1991,17, 540.

83. Т. Faust, С. Theurer, К. Eger, W. Kreis, Bioorg. Chem., 1994, 22, 140.

84. E.W. Putman, Methods Carbohydr. Chem., 1963, 2, 261.89. a) F. Maley, G.F. Maley, and H.A. Lardy, J. Am. Chem. Soc., 1956, 78, 5303; b) F. Frigalo, D. Charon, and L, Szabo, J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1, 1988, 2243.

85. S. Liemann, and W. Klaffke, Liebigs Ann., 1995, 1779.91. a) G. Fulsch, Acta Chem. Scand., 1959,13, 1407; b) J.W. Perich, P.E. Alewood and R.B. Tohns, Tetrahedron Lett., 1986, 27, 1373.

86. B.A. Garcia, and D.Y. Gin, Org.Lett., 2000, 2, 2135.

87. П.А. Илларионов, В.И. Торгов, Й. Хэнкок, В.Н. Шибаев, Изв. АН, Сер. Хим.,в печати.

88. W. Koenigs and Е. Knorr, Ber. 1901, 34, 957.

89. R.U. Lemieux and R.M. Ratcliffe, Can. J. Chem., 1979, 57, 1244.

90. A. Marra, L.K. Shi-Shum, F. Gaffeny, and P. Sinay, Tetrahedron, 1991, 47, 5149.

91. H. Paulsen and M. Paal, Carbohydr. Res., 1984,135, 53.

92. H. Paulsen, H. von Deessen, and H. Tietz, Carbohydr. Res., 1985,137, 63.

93. G. Catelani, A. Marra, F. Paquet, and P. Sinay, Carbohydr. Res., 1986, 155, 131.

94. S.E. Zurabyan, M.M. Tikhomirov, V.A. Nesmeyanov, and A.Ya. Khorlin, Carhohydr. Res., 1973, 26, 117.

95. G. Grunder and R.R. Schmidt, Liebigs Ann. Chem., 1984, 1826.

96. F. Gaffeny, A. Marra, L.K. Shi-Shum, P. Sinay, and C. Tabeur, Carhohydr. Res., 1991, 219, 237.

97. T. Toyokuni and B. Dean, Synthesis, 1992, 1236.

98. П.А. Илларионов, В.И. Торгов, Й. Хэнкок, В.Н. Шибаев, Изв. АН, Сер. Хим., 2000, 1924.

99. C.S. Hanes and F.A. Isherwood, Nature, 1949,164, 1107.