Author(s):
Xavier, Nuno Manuel Ribeiro Martins, 1982- 
Date: 2010
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/3474
Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
Subject(s): Lactonas; Butenolidas; Compostos carbonílicos; Reacção de Wittig; Actividade antibacteriana; Actividade antifúngica; Teses de doutoramento - 2011
Description
This PhD research work was focused on the synthesis and uses of bicyclic carbohydrate
lactones, in the context of the access to new sugar derivatives containing an α,β-
unsaturated carbonyl function. These molecular targets, chosen for the intrinsic
bioactivity associated to the conjugated carbonyl system, were synthesized and
submitted to biological evaluation, particularly their effect towards fungi and bacteria.
Moreover, the inclusion of conjugated carbonyl systems in carbohydrates provides
suitable templates for further derivatization, to which a variety of reactions may be
applied. Three types of bicyclic sugar lactones were investigated: furanose C-C-linked
butenolides (compounds type I), pyranose-fused butenolides, including S- or NHanalogues
(compounds type II-IV), and carboxymethyl glycoside-derived lactones
(CMGLs, compounds type V). The access to butenolide containing-sugars was explored. The synthetic methodology
was based on the Wittig olefination of easily prepared 3- or 5-keto sugars and
spontaneous intramolecular lactonization of the intermediate g-hydroxy α,β-unsaturated
esters. In the case of the bicyclic fused derivatives, furanos-3-uloses containing acid
labile 5-O or 5,6-di-O-protecting groups were used as precursors and converted into the
corresponding (Z)- or (E)-3-C-(ethoxycarbonyl)methylene furanoses. Further acidmediated
hydrolysis made possible their isomerization to the pyranose ring and
concomitant intramolecular transesterification leading directly to the target compounds
in good overall yields. Such bicyclic systems featured the butenolide moiety annelated
at C-2-C-3 (compounds type II) or at C-3-C-4 of the sugar backbone, depending on the
stereochemistry of the C3-C3’double bond. The introduction of a sulfur function at C-5
of the furanoid 3-C-α,β-unsaturated esters, widened the scope of this methodology to
thiosugar analogues of type III. When this approach was applied to related 5-azido furanoid esters aiming at imino sugar-based molecules of type IV, different
carbohydrate derivatives comprising both an amide functionality and an α,b-unsaturated
carbonyl system were obtained. The (E)- and (Z)-3-C-(ethoxycarbonyl)methylene 5-
amino furanoses were converted to a furanose-fused α,β-unsaturated δ-lactam and to a
butenolide-containing N-ethylformamide, respectively. Moreover, the hydrolysis of the
1,2-O-isopropylidene group of the (Z)-5-azido furanose precursor, followed by azide
reduction, provided a 2-keto iminopyranose, which led to the 1,2-dihydropyridin-3-one
system upon acetylation.
CMGLs (compounds type V) were used as precursors for 3-enopyranosid-2-uloses
(compounds type VI). The opening of the lactone moiety by amines provided tri-Oacylated
2-hydroxy pyranosides which by oxidation/elimination generated the enone
system. Further Wittig olefination afforded 2-C-branched-chain conjugated
dienepyranosides (compounds type VII). Glycosides bearing a propargyl moiety were
engaged in “click” chemistry reactions leading to the corresponding 1,2,3-triazoles
(compounds type VIII-IX). Among the molecular targets obtained, the furanose-linked butenolides, the pyranosefused
butenolides, the conjugated carbonyl sugar derivatives synthesized from CMGLs
and the triazole-containing glycosides were submitted to antimicrobial activity assays.
The butenolide-containing sugars did not show satisfactory antibacterial or antifungal
activities. Such weak effect is probably due to the presence of a quaternary β-carbon in
the conjugated system of these molecules, which is specially hindered in the fused
systems, reducing their Michael acceptor ability.
In contrast, significant efficacy was observed for 3-enopyranosid-2-uloses and
conjugated diene pyranosides. In particular, (N-dodecylcarbamoyl)methyl enulosides displayed strong and very strong activities against some of the pathogen microbes
tested, being in some cases similar to those of the standard antibiotics. The α-enuloside
exhibited very strong effect towards Bacillus cereus and Bacillus subtillis and strong
activity against Enterococcus faecalis and the fungal pathogen Penicillium
aurantiogriseum. The β-anomer presented a very strong inhibitory effect against the
fungi Aspergillus niger and Penicillium aurantiogriseum. Dienepyranosides exhibited a
strong activity selectively towards Enterococcus faecalis. Triazole derivatives were
virtually ineffective. Three of the bioactive compounds, including the most active one,
i.e. the α-(N-dodecylcarbamoyl)methyl enuloside, showed low acute toxicity in
eukaryotic hepatoma cells. O trabalho desenvolvido no âmbito deste Doutoramento centrou-se na síntese e no uso
de biciclolactonas glicídicas com o objectivo de se obterem novos derivados de açúcares
contendo um sistema carbonílico α,β-insaturado na sua estrutura. Estes alvos
moleculares foram sintetizados no sentido de se avaliarem posteriormente as suas
propriedades biológicas, nomeadamente a nível de actividade antifúngica e
antibacteriana. O sistema carbonílico α,β-insaturado é frequentemente encontrado em produtos naturais
e de síntese que possuem uma variedade de actividades biológicas. A bioactividade
exibida por estes compostos está geralmente associada à capacidade da função
conjugada para reagir segundo adição de Michael com nucleófilos existentes em
proteínas. Em particular, derivados de açúcares contendo lactonas α,β-insaturadas foram
descritos como fungicidas ou como insecticidas potentes. Por outro lado, a inclusão
destas unidades em carbo-hidratos conduz a moléculas funcionalizadas que poderão ser
úteis para posterior derivatização, devido à reactividade do sistema conjugado.
As moléculas-alvo tiveram como base três tipos de lactonas bicíclicas (Fig. 1):
butenolidas ligadas a anéis de furanose (compostos tipo I), butenolidas fundidas a anéis
de pyranose, incluindo tio- e iminoaçúcares análogos (compostos tipo II-IV), e lactonas
derivadas de glicósidos de carboximetilo (compostos tipo V). A síntese de açúcares contendo butenolidas foi desenvolvida e implementada uma
metodologia que envolveu a olefinação de Wittig de 3- ou 5-cetoaçúcares e a lactonização intramolecular expontânea de intermediários γ-hidroxiésters α,β-
insaturados formados. Os 5-cetoaçúcares precursores de butenolidas ligadas a furanoses
foram obtidos por meio de oxidação selectiva do grupo hidroxilo secundário de 5,6-
dióis derivados de 1,2-O-isopropilideno-α-D-glucofuranose e/ou -alofuranose (1-4,
Esquema 1). O oxidante utilizado foi o sistema Bu2OSn/NBS (N-bromosuccinimida),
dando origem às α-hidroxicetonas desejadas 5-8 com bons rendimentos. A
estereoselectividade da reacção de Wittig subsequente com
[(etoxicarbonil)metileno]trifenilfosforano foi influenciada pela configuração do
substituinte em C-3. Os derivados com configuração xilo 5 e 6 originaram apenas γ-
hidroxiésteres insaturados (9, 10) com estereoquímica (Z). Contudo, utilizando as α-
hidroxicetonas com configuração ribo 7 e 8, a reacção de Wittig foi estereosseletiva
para a formação dos (E)-isómeros, cuja transesterificação intramolecular espontânea deu
origem às correspondentes lactonas α,β-insaturadas 13 e 14. Os (Z)-isómeros (11 e 12)
foram neste caso produtos minoritários da reacção. A estratégia implementada para a síntese de butenolidas fundidas a piranoses
(compostos tipo II, Fig. 1) baseou-se na olefinação de Wittig de derivados 1,2-Oisopropilideno-
α-D-pento- ou-hexofuranos-3-ulose, 5-O- ou 5,6-di-O-protegidos com
grupos lábeis em meio ácido, seguida de hidrólise ácida. Nestas condições, com a
remoção dos grupos protectores, além da reacção de transesterificação intramolecular
que leva à formação da lactona, também ocorre isomerização furanose → piranose,
conduzindo à síntese das moléculas alvo num só passo. A olefinação de Wittig dos 3-cetoaçúcares 15 e 16 foi estereosselectiva para a formação
dos respectivos ésteres (Z)-α,β-insaturados 17a e 18a (Esquema 2). O tratamento de 17a
e 18a com a resina ácida Amberlite em refluxo de metanol durante 16 h levou à
formação dos compostos-alvo 19 e 21. As condições experimentais de hidrólise de 17a foram optimizadas de modo a reduzir o
tempo de reacção para a obtenção do composto bicíclico 19 e também para permitir a
formação do correspondente glicósido de metilo 20. A hidrólise de 17a com uma
solução aquosa de ácido trifluoroacético (TFA) a 60%, à temperatura ambiente,
conduziu ao composto bicíclico desejado 19 em apenas 5 min, com um rendimento de
90%. Utilizando a resina Dowex 50-W, a conversão de 17a em 19 foi completa ao fim
de 2 h e, após 16 h de reacção, obteve-se o glicósido de metilo 20.
A síntese de um derivado bicíclico regiosselectivamente protegido no grupo hidroxilo
primário (composto 25, Esquema 3) foi realizada a partir da monoprotecção selectiva do
diol 22 com cloreto de pivaloílo seguida da hidrólise em meio ácido. Analogamente e seguindo a mesma estratégia de síntese, a partir dos ésteres (E)-
insaturados 17b e 18b, foram obtidos, com sucesso, os compostos 26-28, nos quais a
unidade butenolida está fundida ao anel de piranose nas posições 3 e 4 (Fig. 2). No entanto não se verificou lactonização após remoção do grupo 1,2-isopropilideno do
derivado 5,6-di-O-pivaloílado 24, e dos derivados pentofuranóides com configuração
erythro, possuindo um grupo pivaloilo em C-5 (29) ou desoxigenado em C-5 (30), nas
condições hidrolíticas descritas e obtiveram-se os respectivos dióis 31-33 (Esquema 4).
Estes resultados indicam que a fusão de lactonas insaturadas de cinco membros a anéis
de furanose é desfavorável, ocorrendo preferencialmente em sistemas de piranose. A eficácia e a conveniência desta metodologia para a obtenção de análogos tioaçúcares
e iminoaçúcares (compostos tipo III e IV, Fig. 1), a partir de furanos-3-uloses, foram
também investigadas. A estas duas classes de miméticos de carbo-hidratos está
frequentemente associada uma variedade de propriedades biológicas, nomeadamente a
capacidade de inibição de glicosidases. O interesse neste tipo de estruturas reside também no seu potencial sintético como precursores para novos derivados de tio- e
iminoaçúcares.
A síntese de butenolidas fundidas a tioaçúcares involveu a introdução de uma função
sulfidrílica em C-5 nos derivados (Z)-3-C-(etoxicarbonil)metileno pento- ou
hexofuranóides 34 e 35 por meio de substituição nucleófila de um grupo tosilato ou de
um triflato, respectivamente, por um grupo tioacetilo (Esquema 5). A remoção dos
grupos éster de 36, 37 seguida de hidrólise ácida deu origem aos compostos bicíclicos
desejados 38 e 39. A posterior acetilação de 38 e 39 conduziu aos derivados acetilados
40 e 41 e aos tioglicais correspondentes 42 e 43, por eliminação de ácido acético. A
acetilação de 39 conduziu maioritariamente ao tioglical 43, o que pode ser explicado
pela baixa estabilidade conformacional de 41, devido à presença de um grupo
acetoximetilo pseudoaxial. A eliminação em C-1,C-2 não só resulta num sistema
conjugado altamente estável, mas no caso de 41 permite a adopção de uma conformação
sofá relativamente estável. Para a investigação da síntese de iminoaçúcares do tipo IV foram sintetizados os
precursores 5-azido-3-C-(etoxicarbonil)metileno furanoses (44, Esquema 6). A redução
do grupo azida do éster (Z)-α,β-insaturado 44a pelo método de Staudinger resultou na respectiva amina 45. A hidrólise de 45 em meio ácido seguida de adição de base para
neutralizar o ácido em excesso, resultou no derivado da etilformamida contendo uma
butenolida 47. A formação do composto 47 involve o intermediário bicíclico 46, o qual
em meio básico é desprotonado no grupo hidroxilo anomérico. O ião resultante
rearranja para um ião enolato estabilizado por ressonância, que é protonado em C-2.
A hidrólise ácida do grupo 1,2-O-isopropilideno de 44a e posterior redução da função
azida do diol 48, de modo a permitir a isomerização 5-aminofuranose/iminopiranose em
meio neutro, resultou num 2-cetoiminoaçúcar que por acetilação originou a 1,2-dihidropiridin-
3-ona 49. A redução do grupo azida do (E)-isómero (44b) deu origem à δ-
lactama bicíclica 51 por ciclização intramolecular expontânea do δ-aminoéster α,β-
insaturado 50. Os derivados 5-aminofuranóides revelaram portanto uma reactividade distinta
relativamente aos análogos 5-O e 5-S, que em condições reaccionais semelhantes
originaram as butenolidas bicíclicas alvo. As biciclolactonas derivadas de glicósidos de carboximetilo (CMGLs, compostos tipo
V, Fig. 1), cuja preparação envolve 2-3 etapas a partir de açúcares livres, foram
utilizadas como precursores de cetonas piranóides α,β-insaturadas do tipo hex-3-
enopiranosid-2-ulose e de dienopiranósidos conjugados (compostos tipo VI-VII, Fig.
3). A inclusão de uma unidade 1,2,3-triazole, um heterociclo com potencial para
conferir bioactividade, para a obtenção de derivados do tipo VIII-IX, foi também
investigada. A preparação de cetonas α,β-insaturadas do tipo VI consistiu na abertura nucleófila de
CMGLs 52-54 com aminas primárias, seguida de oxidação dos aductos resultantes e
eliminação concomitante de ácido acético nas posições 3,4 (Esquema 7). O método de
oxidação utilizando o sistema dimetilsulfóxido (DMSO)/anidrido acético (Ac2O)
revelou ser o mais eficaz em experiências preliminares e permitiu a obtenção do sistema
enona com melhores rendimentos, em relação a outros métodos de oxidação mais
suaves.
Os 2-hidroxipyranósidos tri-O-acetilados 55-57, 61 com configuração α, conduziram às
respectivas enonas 62-64 com bons rendimentos. No entanto, os rendimentos para a
oxidação/eliminação dos aductos β (58-60) foram baixos e as respectivas enonas 65-67
demonstraram a sua tendência para a decomposição. Estes resultados devem-se à
conformação adoptada por estes compostos, tal como verificado por 1H RMN. Enquanto
as enonas 62-64 adoptam uma conformação do tipo envelope
OE (sofá), os respectivos
anómeros β adoptam uma conformação EO, que é menos estável devido às interacções
1,3-diaxiais. As cetonas α,β-insaturadas foram posteriormente convertidas nos
correspondentes dienopiranósidos de cadeia ramificada em C-2 (68-70) por olefinação de Wittig com [(etoxicarbonil)metileno]trifenilfosforano. A configuração (E) da ligação
dupla exocíclica foi demonstrada através de NOESY.
As reacções de cicloadição dos glicósidos de (N-propargilcarbamoil)metilo 55, 58 e 61
com azoteto de benzilo por meio de um protocolo alternativo de ‘click’ chemistry, tendo
como base um catalisador heterogéneo de CuI suportado em Amberlist A-21, deu
origem aos triazoles correspondentes 71-73. Os derivados desprotegidos 74-76 foram
seguidamente obtidos por desacetilação com NEt3 em metanol e água. A síntese dos compostos do tipo VIII e IX, os quais associam numa molécula um
sistema carbonílico conjugado a uma unidade triazole, foi realizada posteriormente
(Esquema 8). A oxidação/eliminação de 71 conduziu à 3-enopiranosid-2-ulose 77. O
acoplamento do dieno piranósido conjugado 68 com azoteto de benzilo originou o
triazole correspondente 78. Entre os alvos moleculares obtidos, os derivados bicíclicos nos quais uma butenolida se
encontra ligada a um anel de furanose (compostos tipo I), as butenolidas fundidas a
anéis de piranose (compostos tipo II), os derivados piranóides contendo um sistema
carbonílico conjugado sintetizados a partir dos precursores CMGLs (compostos tipo
VI-VII) e os glicósidos contendo uma unidade triazole (compostos tipo VIII-IX),
foram submetidos a testes de actividade antimicrobiana. Foi investigada a inibição de
fungos fitopatogénicos e de fungos patogénicos para seres humanos e animais. Foi
também feito um estudo sobre a actividade inibidora dos compostos relativamente a
bactérias Gram-negativas e Gram-positivas.
Os derivados de açúcares contendo butenolidas apresentaram fraca actividade
antimicrobiana ou não a exibiram de modo significativo. Estes resultados sugerem uma
reduzida aptidão destas moléculas para reagir segundo a adição de Michael, o que se
explica pela presença de um C-β quaternário no sistema conjugado, que é
estereoquimicamente impedido nas estruturas fundidas.
No entanto, os resultados da avaliação biológica das 3-enopiranosid-2-uloses e dos
dienopiranósidos de cadeia ramificada revelaram actividades antimicrobianas
significativas. Os enulósidos de (N-dodecilcarbamoil)metilo 64 e 67 exibiram
actividades fortes ou muito fortes contra alguns dos micróbios testados, demonstrando
nalguns casos efeitos inibitórios comparáveis aos dos antibióticos de referência. O
enulósido-α (64) revelou actividade muito forte relativamente às bactérias Bacillus
cereus e Bacillus subtillis e actividade forte contra Enterococcus faecalis e o fungo Penicillium aurantiogriseum. O anómero-β (67) exibiu um efeito inibitório muito forte
contra os fungos Aspergillus niger e Penicillium aurantiogriseum. Os dienopiranósidos
conjugados 68-70 revelaram actividade selectiva e forte relativamente a Enterococcus
faecalis. Os derivados contendo triazole não demonstraram actividade antimicrobiana
significativa. Três dos compostos considerados bioactivos, o α-enulósido de (Ndodecilcarbamoil)
metilo 64, e os dienopiranósidos 68 e 69, mostraram ser pouco
tóxicos quando submetidos a testes de toxicidade em células eucarióticas hepáticas. Tese de doutoramento, Química (Química Orgânica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011 FCT (for the
support of the project POCI-PPCDT/QUI/59672/2004 and for the PhD grant
SFRH/BD/39251/2007), CPU/CRUP (for a joint Portuguese-French research program),
MESER and CNRS
