Total synthesis and semi-synthetic derivatization of complex Cytochalasans and Nitraria alkaloids
The general aim of this research was to investigate the total and semi-synthesis of bioactive naturally occurring alkaloids, the translation of their bioactivities into drug development, and the design of tailormade tool compounds for target identification and cell imaging purpose. In the first part of these works, the racemic total synthesis of nitrabirine together with its previously undescribed epimer 2-epi-nitrabirine was accomplished via a six-step route based on a biomimetic late-stage heterocyclization. This allowed the assignment of their relative configuration by the lanthanide-induced shifts (LIS) experiment, which was later on confirmed by X-ray diffraction of nitrabirine single crystals. Furthermore, a Fischer indole reaction gave access to novel tetracyclic nitrabirine-indol hybrid derivatives. Finally, the biological evaluation of nitrabirine, 2-epi-nitrabirine, and all derivatives synthesized in this study revealed general biofilm dispersal effects against Candida albicans. Moreover, specific compounds showed moderate antibacterial activities as well as potent cytotoxic activities. In the second part of these works, a docking study of selected cytochalasans (from natural or commercial sources including cytochalasin B, pyrichalasin H, 4’-azidocytochalasin H, and 19,20-epoxycytochalasin C on monomeric G-actin led to the selection of specific positions in their structure for chemical modifications. First, the effect in vivo and in vitro of cytochalasin B derivatives on the actin polymerization revealed that chemical modification of the 2-position of the 5-membered ring reduces drastically the actin disruption activity. This constitutes a significant step towards understanding the SAR of cytochalasin B derivatives on actin polymerization. Furthermore, fluorescent and photoactivatable derivatives based on BDPFL or Cy-3 dyes and photoremovable protecting groups (PRPGs) respectively were synthesized from pyrichalasin H and 4’-azidocytochalasin H. These derivatives are currently biologically evaluated in actin-associated assays. In addition, the nitroreductase-catalyzed hydrolysis of an artificial glucosinolate (GSL) based on 4’-azidocytochalasin H in the presence of purified chicken G-actin revealed labeling of the latter at two positions of the amino acid sequence. Further studies are currently under investigation to localize the modified amino acids of the sequence. The success of the actin labeling experiment led to the development of a target identification approach with dyes-based artificial GSLs applicable not only for the cytochalasans family but also for other natural products with unknown inhibitable targets. In the third and last part, a preliminary study towards the synthesis of an isoindolone building block for the total synthesis of chaetoglobosin D was investigated. Several attempts to the intermolecular Diels-Alder cycloaddition of a pre-made diene and dienophiles did not lead to the desired isoindolone building block but resulted in the decomposition of the diene and the dienophiles even under acidic conditions between –40°C and –78°C. New alternatives involving intramolecular Diels-Alder precursors to ease the cycloaddition are currently under investigation.
Das allgemeine Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Untersuchung der Total- und Semisynthese von bioaktiven, natürlich vorkommenden Alkaloiden, die Übertragung ihrer Bioaktivitäten in die Medikamentenentwicklung und das Design maßgeschneiderter Werkzeugverbindungen für die Identifizierung biologischer Wirkstrukturen und Bildgebung in Zellen. Im ersten Teil dieser Arbeiten wurde die racemische Totalsynthese von Nitrabirin zusammen mit seinem zuvor unbeschriebenen Epimer 2-epi-Nitrabirin über einen sechsstufigen Weg basierend auf einer biomimetischen Heterocyclisierung im späten Stadium erreicht. Dies ermöglichte die Zuordnung ihrer relativen Konfiguration durch das Lanthanoid-induzierte Verschiebungs- Experiment (LIS), was später durch Röntgenbeugung von Nitrabirin-Einkristallen bestätigt wurde. Darüber hinaus ermöglichte eine Fischer-Indol-Reaktion den Zugang zu neuartigen tetracyclischen Nitrabirin-Indol-Hybridderivaten. Schließlich zeigte die biologische Bewertung von Nitrabirin, 2-epi-Nitrabirin und allen in dieser Studie synthetisierten Derivaten allgemeine Biofilm-Dispersion gegen Candida albicans. Darüber hinaus zeigten spezifische Verbindungen moderate antibakterielle Aktivitäten sowie starke zytotoxische Aktivitäten. Im zweiten Teil dieser Arbeiten führte eine Docking-Studie ausgewählter Cytochalasane (aus natürlichen oder kommerziellen Quellen, einschließlich Cytochalasin B, Pyrichalasin H, 4'-Azidocytochalasin H und 19,20-Epoxycytochalasin C, an monomerem G-Aktin zur Auswahl bestimmter Positionen in ihrer Struktur für chemische Modifikationen. Erstens zeigte die Wirkung von Cytochalasin-B-Derivaten in vivo und in vitro auf die Aktin-Polymerisation, dass eine chemische Modifikation der 2-Position des 5-gliedrigen Rings die Aktin-Zerstörungsaktivität drastisch verringert. Dies stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung der SAR von Cytochalasin-B-Derivaten bei der Aktin-Polymerisation dar. Darüber hinaus wurden fluoreszierende und photoaktivierbare Derivate basierend auf BDPFL- oder Cy-3-Farbstoffen bzw. photospaltbaren Schutzgruppen (PRPGs) aus Pyrichalasin H und 4’-Azidocytochalasin H synthetisiert. Diese Derivate werden derzeit in Aktin-assoziierten Assays biologisch evaluiert. Danach zeigte die Nitroreduktase-katalysierte Hydrolyse eines künstlichen Glucosinolats (GSL) auf der Basis von 4’-Azidocytochalasin H in Gegenwart von gereinigtem Hühner-G-Aktin die Markierung des letzteren an zwei Positionen der Aminosäuresequenz. Weitere Studien werden derzeit untersucht, um die modifizierten Aminosäuren der Sequenz zu lokalisieren. Der Erfolg des Aktin-Markierungsexperiments führte zur Entwicklung eines Zielidentifizierungsansatzes mit farbstoffbasierten künstlichen GSLs, der nicht nur für die Familie der Cytochalasane, sondern auch für andere Naturstoffe mit unbekannten inhibierbaren Zielen anwendbar ist. Im dritten und letzten Teil wurde eine Vorstudie zur Synthese eines Isoindolon-Bausteins für die Totalsynthese von Chaetoglobosin D untersucht. Mehrere Versuche zur intermolekularen Diels-Alder-Cycloaddition eines vorgefertigten Diens und Dienophilen führten nicht zum gewünschten Isoindolon-Baustein, sondern zur Zersetzung des Diens und der Dienophile selbst unter sauren Bedingungen zwischen –40 °C und –78 °C. Neue Alternativen mit intramolekularen Diels-Alder-Vorstufen zur Erleichterung der Cycloaddition werden derzeit untersucht.
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