Synthesis and transformation of cyclic nitrones: new candidates for the inhibition of α-L-fucosidases

Abstract

The main themes of this PhD thesis entailed the synthesis of new candidates for glycosidase inhibition assays. Glycosidases catalyze the degradation (i.e. hydrolytic cleavage or transfer) of glycosidic bonds. The synthesis of suitable, selective inhibitors of glycosidases may be a tool to stop detrimental or disease-related cell processes and may be of therapeutic value. In particular, this work focused on the synthesis of alpha-L-fucosidase inhibitors. We choose to synthesise a library of polyhydroxylated pyrrolidines, bearing extended aglycon side-chains and to investigate the biological properties, i.e the inhibiton against fucosidases, in a systematic manner. The route to these pyrrolidines relied on the halogen-induced cyclisation of unsaturated hydroxylamines, which in turn can be derived from simple carbohydrates, such as D-ribose. The cyclisation leads to the formation of cyclic nitrones which are a class of synthetically versatile compounds. The key nitrone compound with L-lyxo configuration can be transformed in a few steps into actual fucosidase inhibitors, through a Grignard addition (to install the side-chain) followed by a simple reduction/deprotection protocol. This rapidly provided us with a library of polyhydroxylated pyrrolidines bearing several para-substituted aromatic side-chains. Several pyrrolidines as fucosidase inhibitor candidates were active in the low-micromolar range. The best candidates showed inhibition against fucosidase even at concentrations as low as 1.2 nM, resulting in some of the most potent inhibitors in this class currently known in the literature. Further elements of the dissertation involved the synthesis of six-membered nitrones with L-fuco configuration and their elaboration into fucosidase inhibitors (one example), according to a new route developed in this Thesis. This thesis also focused on an investigation of the oxidation selectivity of tri- and tetra-substituted N-hydroxypyrrolidines and, to a lesser extent, the subsequent reactions of the new nitrones that were created. Two oxidation reagents were compared, revealing striking kinetic - though hardly any regioisomeric - differences in the reaction outcomes. Special electronic effects of neighbouring substituents were found, in specific cases, to effect a drastic change in oxidation regioselectivity to provide some surprising results.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die Entwicklung neuer Glycosidase Inhibitioren zu synthesieren. Glycosidasen katalysieren den Abbau von glycosidischen Bindungen und spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung von N-Glykoproteinen. Solche Proteine sind an einer Vielzahl biologisch relevanter Prozesse und krankhafter Veränderungen beteiligt. Aufgrund dieser Eigenschaften sind diese Verbindungen möglicherweise zur Behandlung von Krankheiten geeignet. In dieser Arbeit wurden gezielt neue Kandidaten für die Hemmung von alpha-L-Fucosidasen ins Visier genommen. Aus einer hervorgegangen Arbeit entpuppte sich bestimmte Pyrrolidine mit L-fuco-ähnlicher Konfiguration als starke Inhibitoren von alpha-L-Fucosidasen, die einen lipophilen Rest mit p-System aufweisen. In dieser Arbeit wurde den Effekt der C-2-Seitenkette systematisch untersucht. Der Weg zu diesen diastereo- und enantiomerenreinen, hochfunktionalisierten Pyrrolidinen war möglich durch brom-induzierte Cyclisierung eines Pentenoseoxims, ausgehend von D-Ribose. Die elektrophile Cyclisierung von Oximen stellte den Schlüsselschritt dar und führte zu den cyclischen Nitronen, bei denen das Pyrrol-1-oxid als Synthesebaustein mit L-lyxo-Konfiguration bevorzugt gebildet wurde. Die Addition von Grignard-Reagenzien an dieses Nitron verlief hoch-diastereoselektiv und lieferte die tetrasubstituierten N-Hydroxypyrrolidine. Durch einfache zweistufige Reduktion und Schutzgruppen-Abspaltung konnten die neuen Pyrrolidin-Polyole erhalten werden, deren biologische Aktivität in Enzymtests evaluiert werden sollte. Auf Grund dieser Ergebnisse sollten Struktur-Wirkungsbeziehungen insbesondere im Hinblick auf Fucosidase-Inhibition formuliert werden. Alle untersuchten Pyrrolidin-Polyole mit para-Substituenten am Phenyl-Ring besaßen starke Aktivität gegenüber alpha-L-Fucosidasen. Für die Stärke der Inhibition ist der Charakter des para-Substituenten von großer Bedeutung. Die stärkste Inhibition im Nanomolar-Bereich wurde mit dem Biphenyl-substituierten Pyrrolidin (Ki = 1.2 nM) erzielt. Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasst sich mit der stereoselektiven Synthese von substituierten Piperidinen. In folgenden wurde das benötigte L-fuco-konfigurierte Nitron über eine Bromcyclisierung des Triisopropylsilyl-geschützten Hexenoseoxims dargestellt. Das ungesättigte Oxim war aus D-Lyxose in 8 Schritten gut zugänglich. Die biologische Aktivität dieses Piperdines wurde ebenefalls untersucht. Die Oxidation von tri- bzw. tetra-substituierten N-Hydroxypyrrolidinen wurde mit Mangan(IV)-oxid und Quecksilber(I)-oxid als Oxidations-Reagenzien untersucht. Daraus ist eine neue Klasse von Brommethyl-ketonitronen entstanden, die sich vermutlich als Synthesebausteine verwenden lassen.