Neue Synthese von Nucleosiddiphosphatpyranosen mit Hilfe von cycloSal-aktivierten Phosphatdonatoren (2008)

Nucleosiddiphosphatpyranosen erfullen in nahezu allen Stoffwechselvorgangen, die den Aufbau einer glycosidischen Bindung zur Folge haben, eine essentielle Funktion. Als Substrate der Glycosyltransferasen stellen sie die aktivierten Vorstufen zur Biosynthese von Oligo- und Polysacchariden sowie von Glycokonjugaten dar. Mit der Entdeckung des grosen pharmakologischen Potentials von Oligosacchariden wurden die Bemuhungen um einen effizienten synthetischen Zugang zu NDP-Pyranosen intensiviert. Dennoch ist es bislang nicht gelungen, diese Verbindungen mit guten, reproduzierbaren Ausbeuten chemisch zu synthetisieren. In der vorliegenden Arbeit erfolgte die Darstellung von NDP-Pyranosen erstmals erfolgreich ausgehend von cycloSal-aktivierten Nucleotiden. Die cycloSal-Nucleotide haben sich als Prodrugs im therapeutischen Einsatz von biologisch aktiven Nucleotiden etabliert. Die Salicyl-Funktion dient hier als lipophile Maske zur Erhohung der Membrangangigkeit der phosphorylierten Wirkstoffe. In der Zelle wird der Salicylalkohol durch den nucleophilen Angriff von Hydroxidionen auf das Phosphoratom abgespalten und das Nucleotid somit freigesetzt. Es galt nun zu uberprufen, ob cycloSal-Nucleotide als aktivierte Phosphatester auch synthetisch genutzt werden konnen. Als Nucleophile kamen verschiedene Pyranosyl-1-phosphate zum Einsatz, deren Angriff auf das Phosphoratom des cycloSal-Nucleotids in diesem Fall die Bildung der Pyrophosphatbrucke der NDP-Pyranosen bewirkte. Die eingeschlagene Synthesestrategie zur Darstellung der NDP-Pyranosen gliederte sich in drei separate Reaktionssequenzen, bestehend aus der Generierung der cycloSal-Nucleotide aus den jeweiligen Nucleosiden, der Synthese der Pyranosyl-1-phosphate und der anschliesenden Kupplung zu den jeweiligen Zuckernucleotiden. Um eine effiziente Kupplung zu gewahrleisten, wurden acceptorsubstituierte cycloSal-Nucleotide eingesetzt, da elektronenziehende Substituenten die Elektrophilie des Phosphoratoms erhohen und folglich die Abspaltung des Salicylalkohols erleichtert werden sollte. Hierbei stellte sich besonders der 5-Nitro-cycloSal-Triester hinsichtlich der Reaktionszeit und der Ausbeute als geeignetes Elektrophil heraus. Die in der Zuckernucleotidsynthese als Nucleophile eingesetzten Pyranosyl-1-phosphate wurden anomerenrein dargestellt. Zudem wurden sie als vollgeschutzte Derivate eingesetzt, um die Loslichkeit zu erhohen und die moglichen Nebenreaktionen der verschiedenen alkoholischen Funktionen zu verhindern. Die Synthese der NDP-Pyranosen erfolgte in DMF bei 50 °C innerhalb von nur 3-5 Stunden. Zunachst waren die Kupplungen aufgrund der guten Loslichkeit der Edukte in Pyridin durchgefuhrt worden. Allerdings wurde, neben sehr langen Reaktionszeiten, die Entstehung eines Nebenproduktes beobachtet, dass eindeutig durch Pyridin verursacht wird. Neben der Synthese stellte vor allem die Isolierung der Zuckernucleotide einen Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Das anfanglich in der Kupplungsreaktion verwendete Losungsmittel Pyridin bereitete auch hier enorme Probleme. Zudem fuhrten viele literaturbekannte Reinigungsverfahren zur Trennung polarer Verbindungen nicht zu reinen Produkten. Im Anschluss an die Kupplung in DMF und die Abspaltung der Acetylgruppen erfolgte die Isolierung schlieslich saulenchromatographisch an RP-18 Kieselgel mit reinem Wasser als Eluent. Die Charakterisierung der reinen Zuckernucleotide erfolgte mittels NMR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie. Wie erwartet blieb die anomere Konfiguration des eingesetzten Pyranosyl-1-phosphates im Zuckernucleotid bestehen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde Cytidindiphosphat-6d-D-Gulose synthetisiert, die fur Biosynthesestudien von Lipopolysacchariden benotigt wird. In dieser Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, dass cycloSal-Nucleotide als aktivierte Phosphatester zur Synthese von Nucleosiddiphosphatpyranose eingesetzt werden konnen. Die verschiedenen NDP-Zucker wurden hierbei in guten Ausbeuten und kurzen Reaktionszeiten im Labormasstab erhalten, die Zielverbindungen konnten als reine Anomere synthetisiert werden. Diese neue Methode kann zudem auf NDP-Zucker mit einer modifizierten Pyranose- oder Nucleosid-Einheit angewendet werden. 
Nucleoside diphosphate sugars (NDP-sugars) are key intermediates in various biochemical processes. They serve as substrates of glycosyltransferases in the biosynthesis of almost all oligosaccharides, polysaccharides and glycoconjugates. As a result, a number of methods have been developed for the preparation of naturally occurring NDP-sugars as well as for their analogues. However, literature-known procedures for this important class of compounds proceed with long reaction times and very low yields. The thesis on hand describes a novel access to NDP-sugars by using cycloSal-nucleotides as active esters of the nucleotide part. Originally, cycloSal-Nucleotides were used as prodrugs to deliver antiviral active nucleotides into cells. In this prodrug concept, the salicylalcohol serves as a lipophilic masking unit to ensure the membrane-permeability of phosphorylated drugs. The cleavage is initialized by a nucleophilic attack of water or hydroxide ions on the phosphate triester. A subsequent selective hydrolysis pathway yields the nucleotide and the salicylalcohol. For synthetic application, the cycloSal-nucleotide is cleaved by an initial nucleophilic attack of a glycosyl monophosphate on the phosphorus center, leading to the desired NDP-sugar in a tandem reaction. As starting material several cycloSal-nucleotides and glycosyl monophosphates were prepared. Electron-withdrawing groups were attached to the aromatic moiety of the cycloSal-nucleotides in order to increase the electrophilic properties of the phosphorus atom. The pyranoses were peracetylated by standard conditions to increase the solubility and to minimize side reactions at the different hydroxy functions. For the synthesis of the target NDP-sugars, several cycloSal-nucleotides with different substitution pattern were investigated and the reaction conditions were optimized. With regard to the reaction time and the yield, best results for the coupling were obtained with 5-nitro-cycloSal-triester. The reaction of this triester with the glycosyl monophosphates led to the formation of the NDP-sugars in good yields. The coupling was completed in DMF at 50 °C within 3-5 hours. In contrast, pyridine led to very long reaction times and the cycloSal-nucleotide slowly decomposed. The NDP-sugars were purified on a glass column filled with RP-18 silica gel, water was used as eluent. The isolation of the polar products was a main challenge of this thesis since literature-known purification procedures for NDP-sugars could not be reproduced. The compounds were characterized by spectroscopy and mass spectrometry. The unchanged anomeric configuration of the NDP-sugar, derived from the initial pyranosyl-phosphate, could be determined. Using this new method, CDP-6d-D-gulose was synthesized and can now be used for biosynthetic studies of lipopolysaccharides. The results of this thesis demonstrate that cycloSal-nucleotides can be used as activated phosphate esters for the synthesis of nucleoside diphosphate sugars. The different NDP-sugars were synthesized in short reaction times and with good yields. Moreover, the new method allows the synthesis of NDP-sugars with a defined anomeric configuration. We optimized the reaction with regard to the solvent, the reaction temperature and the substituents at the cyclosaligenyl moiety. The method can also be applied to the synthesis of nucleoside diphosphate sugars with a modified sugar moiety or a modified nucleoside moiety.