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Structural determination of lysophosphatidylcholine from deer antlers and synthesis of its analogs total synthesis of mauritine D, amphibine E, and their epimers progress toward a synthesis of a half chloptosin cyclohexapeptide

Title
Structural determination of lysophosphatidylcholine from deer antlers and synthesis of its analogs total synthesis of mauritine D, amphibine E, and their epimers progress toward a synthesis of a half chloptosin cyclohexapeptide
Authors
김영아
Issue Date
2003
Department/Major
대학원 분자생명과학부
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Abstract
본 논문은 총 세개의 장으로 구성되어 있다. 첫번째 장에서는 녹용에서 추출되어진 항진균 활성성분의 구조분석 및 유도체 합성에 관하여 연구하였다. 예로부터 녹용은 전통약제로 널리 사용되어져 왔으므로 활성성분으로 밝혀진 물질을 정밀하게 구조분석하고 합성하고자 하였다. IR, `^1 H NMR, `^13 C NMR, 2D COSY NMR, FAB-MS, MS/MS 등의 분광학적 방법을 이용하여 구조분석 한 결과 글리세롤 골격구조에서 sn-1 위치에는 지방산, sn-2 위치에는 히드록실기, sn-3 위치에는 포스파티딜콜린 유닛으로 구성되어진 라이소포스파티딜콜린임을 밝혔다. 특히, sn-1 위치의 지방산은 스테아르산(C18:0), 팔미트산(C16:0), 올레산(C18:1), 리놀레산(C18:2)으로 이루어져 있음을 확인하였다. 이 연구 결과를 바탕으로 라이소포스파티딜콜린의 위치이성질체인 세개의 화합물 1-lyso-2-palmitoyl-rac-glycero-3-phosphocholine, 1-palmitoyl-2-lyso-rac-glycero-3-phosphocholine과 1-lyso-3-palmitoyl-rac-glycero-2-phosphocholine을 글리세롤을 출발물질로 하여 합성하였다. 포스파티딜콜린 유닛은 에틸린클로로포스파이트-트리메틸아민 연속반응을 이용하여 도입하였다. 특히, 히드록실기의 보호화 그룹인 TBDPS기를 DMSO/H₂O 용매상에서 NBS로 탈보호화하므로서 1-라이소포스파티딜콜린을 합성하는 결과를 얻을 수 있었다. 합성한 세개의 위치이성질체는 NMR과 FAB-MS/MS를 이용한 구조분석 방법을 확립하였다. 또한, 녹용에서 추출되어진 라이소포스파티딜콜린의 항진균 활성이 기존의 항진균제에 미치지 못함을 감안하여 더 나은 항진균 치료제 개발을 위하여 새로운 라이소포스파티딜콜린 유도체를 합성하였다. 전체적인 반응은 세린을 출발물질로 하여 에스테르화 반응, 아미드 결합 반응, 포스포콜린화 반응, 환원반응으로 이루어지며, 지방산은 녹용에서 추출되어진 활성형 천연물에서 가장 많은 비율을 보였던 스테아르산을 사용하였다. 따라서, N-stearoyl-O-phosphocholine-L-serine methyl ester (6 단계, 11%), N-stearoyl-O-phosphocholine-D-serine methyl ester (6 단계, 10%), (R)-1-lyso-2-stearoylamino-2-deoxy-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (7 단계 6%), (S)-1-lyso-2-stearoylamino-2-deoxy-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (7 단계 6%)를 합성하였으며 천연물에 비해 더 나은 항진균 활성을 나타내었다. 두번째 장에서는 사이클로 펩티드 알칼로이드의 일종인 모리틴 D, 앰피빈 E, 그리고 이러한 천연물에서 C3 위치의 키랄성이 반전되어진 에피머들의 전합성에 관하여 연구하였다. 이는 거대고리의 공간적 구조변환을 가져오므로 합성적 성향 비교뿐만 아니라 더 나아가 구조-활성간의 메커니즘을 규명하는데 도움이 될 수 있다. 사이클로펩타이드 알칼로이드는 자연계 식물체에서 얻어지는 고리형 폴리아마이드 일종으로 예로부터 민간요법 등에서 쓰이는 많은 식물체로부터 얻어졌으며 유용한 생리활성을 나타낸다. 예로, 신경안정 및 최면 효과, 항생 효과, 이온투과담체 효과, 광인산화 반응에 있어서 에너지 전달 억제 효과 등이 있다. 본 연구에서 전합성 한 모리틴 D는 Zizyphus nummularia Lam에서 앰피빈 E는 Ziziphus amphibia A. Cheval에서 추출되어졌다. 주요 중간체인 시스-피롤리디논과 트란스-피롤리디논 유도체는 출발물질인 D-세린을 이용하여 입체 선택적으로 합성하였다. 시스-피롤리디논(6 in Scheme 2.1)은 D-세린과 Meldrum’s acid를 BOP-Cl를 이용하여 결합하면 β-옥소 에스터 중간물질이 형성되며 이를 분자 내 고리화 반응을 유도하므로서 총 5 단계를 거쳐 53%의 수득률로 합성할 수 있다.트란스-피롤리디논(12b in Scheme 2.3)은 먼저 D-세린을 β-케토 에스터 중간물질을 형성한 후 케톤 그룹만 선택적으로 하이드록실 그룹으로 환원하였다. BOP-Cl를 이용하여 분자 내 고리화 반응을 유도하므로서 시스와 트란스-피롤리디논을 각각 3:1의 비율로 합성 할 수 있었으며, 총 5 단계, 27%의 수득률로 합성하였다. 합성한 시스-피롤리디논에 아릴-알킬 에테르 결합을 도입하는 과정은 천연물과 에피머를 구분짓는 중요한 단계라고 볼 수 있다. 천연물은 mitsunobu 반응을 이용하여 반전을 통한 트란스 형태를 도입하였으며, 반면에 에피머는 SNAr 반응을 이용하므로서 키랄성이 고정되어진 시스 형태를 유지할 수 있었다. 거대고리화 반응은 크게 두 가지 경로로 연구되어졌다. Route A에서는 선형전구체 중 피롤리딘의 카르복실 그룹에서 거대고리화 반응을 시도하였다. 천연물의 경우는 형성된 전구체의 카르복실 그룹을 pentafluorophenyl ester로 활성화한 후 거대고리화 반응에 성공하였으며 에피머의 경우는 TFFH로 활성화하였다. Route B에서는 선형전구체 중 아이소루신의 카르복실 그룹에서 거대고리화 반응을 시도하였으며, 천연물 및 에피머 모두 거대고리를 형성하지 못하였다. Route A를 거쳐 합성되어진 거대고리와 디펩티드의 결합은 TFFH/HOAt를 이용하여 천연물 및 에피머를 성공적으로 전합성 하였다. 따라서 모리틴 D와 앰피빈 E는 총 26 단계를 거쳐 각각 2.3%, 2.2%의 수득률로 합성하였으며, C3-에피모리틴 D와 C3-에피앰피빈 E는 총 24 단계를 거쳐 모두 2.2%의 수득률로 합성하였다. 합성된 화합물은 `^1 H, `^13 C NMR, `^1 H-`^1 H COSY, `^1 H- `^13 C COSY NMR과 HRMS spectroscopy를 이용하여 구조분석 하였다. 세번째 장에서는 천연물 클랍토신의 독특한 이합체 구조에서 아포토시스 유도 활성의 중심역할을 하리라 기대되는 작용기들을 포함하고 있는 클랍토신의 단일체 합성을 위한 효과적인 방법을 모색하고자 하였다. 클랍토신의 단일체 합성을 위한 중요 전구체 중 하나인 L-6-클로로트립토판은 6-클로로-3-메틸인돌에 키랄성 도입 매개체인 Schollkopf chiral auxiliary를 결합하는 Fischer indole/Schollkopt protocol를 이용하여 합성하였다. 6-클로로-3-메틸인돌은 3-클로로아닐린을 출발물질로 하여 Fischer indole cyclization 방법으로 합성할 수 있다. 이 반응에서 6-클로로인돌 뿐 아니라 위치이성질체인 4-클로로인돌이 함께 형성되어졌으며 재결정을 통해 각각의 이성체들을 효과적으로 분리하였다. Schollkopf 키랄 보조제는 D-발린을 출발물질로 하여 세단계 반응을 거쳐 65%의 수득률로 합성할 수 있다. 6-클로로-3-메틸인돌에 Schollkopf 키랄 보조제를 도입하기 전 단계로 인돌 부위 NH기를 Boc 그룹으로 보호화 하였다. Boc 그룹은 위치 선택적인 브롬화 반응을 유도할 뿐만 아니라 NH가 아닌 C(2)의 메틸린 위치로 키랄 보조제가 결합할 수 있도록 하는데 필수적이다. 브롬화 인돌유도체는 Schollkopf 키랄 보조제의 음이온과 결합하면서 트란스 형태로 도입되어졌으며, 이후 피라진과 Boc 그룹을 산성 조건 하에서 제거하여 입체선택적인 방법으로 L-6-클로로트립토판을 합성하였다. L-6-클로로트립토판의 아민기는 트리틸기로, 카르복실기는 3차-부틸기로 각각 보호화 하였으며 산화제인 DMDO를 이용하여 산화적 고리화 반응을 수행하였다. 이 합성과정에서 헤테로 고리간의 접합부위가 시스 형태이면서 카르복실 에스터와는 syn 형태의 6-클로로피롤로인돌이 형성되었다. 이후 다양한 기능기들의 보호화, 비보호화 단계를 거쳐 6-클로로피롤로인돌(19 단계, 총 1.8%)을 합성하였으며 거대고리 합성 및 클랍토신 단일체 합성 연구는 현재 진행 중에 있다.;The first chapter of this dissertation describes the structural determination of lysophosphatidylcholine and synthesis of its analogs. A family of 2-lysophosphatidylcholines (lyso-PCs) was isolated from deer antler extract, guided exclusively by hyphal transition inhibitory activity in Candida albicans. Structural determination of the isolated lyso-PCs by spectroscopic methods including IR, `^1 H NMR, `^13 C NMR, 2-D COSY NMR, FAB-MS, and MS/MS confirmed that the natural products were composed of at least four different lyso-PCs varying in fatty acid moiety at the sn-1 position of the glycerol backbone. The major lyso-PCs were confirmed as 1-stearoyl-, 1-oleoyl-, 1-linoleoyl- and 1-palmitoyl-2-lyso-sn-glycero-3-phosphatidylcholines. We chemically synthesized three regioisomers (1-lyso-2-palmitoyl-rac-glycero-3-phosphocholine, 1-palmitoyl-2-lyso-rac-glycero-3-phosphocholine, and 1-lyso-3-palmitoyl-rac-glycero-2-phosphocholine) of a naturally occurring lysophosphatidylcholine from glycerol. Phosphocholine moiety of the molecule was introduced by sequentially reacting with ethylene chlorophosphite, bromine, water, and trimethyl amine. Removal of a silyl protecting group of the hydroxyl group in glycerol backbone was achieved without accompanying any acyl migration in the final stage of the synthesis by using NBS in a dimethyl sulfoxide-water cosolvent system. Structures of all regioisomers were compared by NMR spectroscopy and FAB tandem mass spectrometry. To search for new organic compounds with specific hyphal transition inhibitory activity against Candida species, we designed and synthesized novel lysophosphatidylcholine analogs. Both N-stearoyl-O-phosphocholine-L-serine methyl ester and N-stearoyl-O-phosphocholine-D-serine methyl ester were synthesized from corresponding L- and D-serine in 6 steps and overall 10%~11% yields. Ester moiety was further reduced with LAH to afford the corresponding (R)- and (S)-1-lyso-2-stearoylamino-2-deoxy-sn-glycero-3-phosphatidylcholine. These novel lysophos-phatidylcholine analogs completely suppressed a morphology change of Candida albicans to hyphae, with inhibiting the growth of yeast. This result suggested that our newly synthesized compounds could serve as new antifungal agents by suppressing the hyphal transition of the fungi species while positively reinforcing the immune system of its host cells. The second chapter describes total synthesis of mauritine D, amphibine E and their C3-epimers. We developed an efficient and stereoselective procedure toward naturally occurring cyclopeptide alkaloids as well as their epimers for the purpose of comparing their biological activity relationship and their synthetic methodology. Mauritine D and amphibine E were isolated from Zizyphus nummularia Lam, and Ziziphus amphibia A. Cheval, respectively. Mauritine D and C3-epimauritine D were synthesized in 26 steps with overall 2.3% yield and in 24 steps with overall 0.2% yield, respectively. Amphibine E (2.2%, 26 steps) and its C3-epimer (0.2%, 24 steps) were also synthesized. One of key steps was construction of aryl-alkyl ether linkage on pyrrolidine. For natural product, the trans-relationship of two stereocenters at C2 and C3 has been derived by conversion via mitsunobu reaction. Otherwise, the cis-relationship for epimer has been controlled through SNAr reaction. We attempted two strategies for constructing the macrocycle: at the C1-N14 site (route A) and at N11-C12 site (route B). For route A, macrocyclization was successfully achieved by the use of pfp ester for natural product and TFFH/HOAt for epimer. Route B was unsuccessful. Key step of the total synthesis was coupling reaction between macrocycle and dipeptide, which was successfully carried out using TFFH as the carboxyl activator. The third chapter describes synthetic studies toward a synthesis of a half chloptosin cyclohexapeptide. Chloptosin was isolated from the culture broth of Streptomyces in a screen for apoptosis-inducing agents. L-6-Chlorotryptophan was synthesized via a Fisher indole/Schollkopf protocol. The conversion of N-trityl-L-6-chlorotryptophan tert-butyl ester to hydroxypyrroloindoline tert-butyl ester was achieved by oxidative cyclization with DMDO as the oxidizing agent. Both trityl and tert-butyl group were required to synthesize the pyrroloindoline system in stereospecific form in the syn-cis series. Thus, 6-chloropyrroloindoline was synthesized from 3-chloroaniline in 19 steps, and overall 1.8%. Further, investigations toward synthesis of a half chloptosin cyclohexapeptide are now in progress.
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