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Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16838 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Hier stellen wir die Anwendung von 2-Desoxy-d-glucose-Derivaten als chirale Sonden zur Aufklärung der absoluten Konfiguration chiraler sekundärer Alkohole vor. Die Sonden werden über eine Glykosylierungsreaktion an die untersuchten Moleküle gebunden und die resultierenden Produkte werden durch eine Reihe standardmäßiger 2D-NMR-Experimente untersucht. Die absolute Konfiguration eines Oxymethin-Kohlenstoffatoms, das die Sonde bindet, wird auf der Grundlage einer Reihe diagnostischer dipolarer Kopplungen (NOEs/ROEs) ermittelt. Diese Korrelationen können aufgrund eines ausgeprägten Mangels an Konformationsfreiheit der gebildeten glykosidischen Bindung als diagnostisch angesehen werden. Während die Chance für eine Beobachtung der diagnostischen Signale am höchsten ist, wenn das resultierende Glykosid in einem α-Anomer vorliegt. Als Sonde der Wahl wurde 2-Desoxy-d-glucose ausgewählt, da bekannt ist, dass sie die Bildung von α-Glykosiden stark bevorzugt

Die sekundäre Hydroxylgruppe ist eine der häufigsten und dennoch entscheidenden Funktionen in natürlichen und synthetischen organischen Verbindungen, die dem Molekül in den meisten Fällen Chiralität verleihen. Vor einigen Jahrzehnten schlugen Mosher und Mitarbeiter eine Methode zur Aufklärung der absoluten Konfiguration sekundärer Alkohole vor, die auf den Reaktionen beider Enantiomere von MTPA mit einem untersuchten Molekül und der sorgfältigen Beobachtung von Abschirmungs-/Entschirmungseffekten in NMR-Spektren1 basierte. Diese Methode mit Dutzenden ihrer Modifikationen wurde in Studien an sekundären Alkoholen und anderen Klassen chiraler Moleküle mit begrenztem Erfolg2,3,4,5,6,7 eingesetzt. Obwohl dieser Ansatz immer noch als Standard gilt, garantiert er kein eindeutiges Ergebnis und ist daher oft mit gefährlichen Annahmen belastet, die zu falschen Schlussfolgerungen führen können8,9.

Vor einiger Zeit schlug unsere Gruppe eine neuartige Methode zur Zuordnung der Stereochemie sekundärer Alkohole vor, die bereits in der Weltliteratur Anklang fand10,11,12,13,14. Es ist aus den Modellstudien zu Amphotericin B entstanden; Sein vollständiger historischer Hintergrund wurde in unserem vorherigen vorgestellt. Um es kurz zu machen: Dieser Ansatz basiert auf der Beobachtung, dass eine glykosidische Bindung, die zwischen einer Pyranose und praktisch jedem chiralen Aglykon gebildet wird, nahezu nichtkonformative Freiheit aufweist. Während dies sowohl für Alpha- als auch Beta-Anomere der resultierenden Glykoside gilt, setzt sich die Pyranosesonde in Alpha-Anomeren näher am Aglycon ab, was die Beobachtung diagnostischer dipolarer Kopplungen in Protonen-NMR-Spektren ermöglicht.

Bis heute hat unsere Gruppe die Anwendbarkeit von unmodifizierter D-Glucose, D-Mannose und L-Rhamnose zur Aufklärung der absoluten Konfiguration von 2-Butanol15 nachgewiesen. In diesen Studien erwiesen sich nur die Alpha-Anomere als nützlich. Später führte das Tetra-O-benzyl-Derivat von D-Mannose zu einer erfolgreichen stereochemischen Untersuchung mehrerer natürlicher Verbindungen16. Während im Fall von (+)-Menthol sowohl Alpha- als auch Beta-Anomere diagnostische dipolare Kopplungen aufwiesen, wird die Bildung von Beta-Glykosiden im Allgemeinen als Komplikation betrachtet, die den Prozess der Synthese, Isolierung und NMR-Studien vereinfacht.

Auf der ständigen Suche nach der bestmöglichen Zuckersonde wurde unsere Aufmerksamkeit auf 2-Desoxyglucose gelenkt. Während die allgemeine Chemie dieser Hexose sowohl überzeugend als auch nicht vollständig verstanden ist, ist bekannt, dass die Synthese von Beta-Glykosiden dieses Monosaccharids eine ziemliche Herausforderung darstellt17,18, weshalb Beta-Anomere keineswegs als signifikante Nebenprodukte der Glykosidierung auftreten Verfahren. Daher haben wir in dieser Studie den Prozess der Bildung von Tri-O-benzyl- und Tri-O-benzoil-Derivaten von 2-Desoxyglucose und ihre Anwendung als chirale Sonden zur Aufklärung der absoluten Konfiguration chiraler sekundärer Alkohole untersucht.

Im vorgeschlagenen Konzept spielt das Zuckermotiv – im Fall von 2-Desoxyglucose – die Rolle einer stereochemisch definierten molekularen Sonde, die durch Bildung einer Bindung in einen ausgewählten, chiralen sekundären Alkohol eingeführt wird. Eine der Komponenten dieser Bindung ist der getestete asymmetrische Kohlenstoff. Die Nützlichkeit der Methode kann anhand der vorgeschlagenen Modelle chiraler sekundärer Alkohole wie den Isomeren (1S,2R,5S)-( +)-Menthol, (-)-Borneol und (S)-2-Butanol überprüft werden. Das Konzept der vorgeschlagenen Methode geht von einer chemischen Synthese im Zusammenhang mit der Bildung einer O-glykosidischen Bindung zwischen der Sonde und dem Aglykon aus, gefolgt von einer Reihe von 2D-NMR-spektroskopischen Untersuchungen – einschließlich der Beobachtung von Overhauser-Effekten zwischen den Protonen der Kohlenhydrateinheiten , Alkoholeinheiten und der Einsatz molekularer Modellierungstechniken zur Simulation der Wechselwirkungen der erstellten Systeme. Nachfolgend haben wir das allgemeine Konzept der vorgeschlagenen Methode demonstriert (Abb. 1):

Die Abbildung stellt das allgemeine Konzept der Methode vor: (a) Synthese der vorgeschlagenen Sonde und ihre Reaktion mit einem ausgewählten chiralen sekundären Alkohol; (b) NMR-Experimente und Analyse ein- und zweidimensionaler Spektren; (c) Computersimulation des Sonden-Aglycon-Systems mit ausgewählten Daten zu Dipolverbindungen und Definition der Doppelwandwinkel Φ und Ψ; (d) Vergleich der NMR-Ergebnisse mit MD.

Frühere Studien zu Polyenmakroliden und chiralen Sonden unter Verwendung des D-Mannose-Gerüsts ermöglichten die Registrierung von Dipolkopplungen, die am häufigsten zwischen Monosacchariden und Aglykonen auftreten15,16. Die allgemeine Methode zur Bestimmung der Konfiguration sekundärer Alkohole umfasst die Suche nach mindestens zwei diagnostischen Signalen – homonuklearen dipolaren Kopplungen. Das erste diagnostische Signal, das im ROESY-Spektrum erscheinen sollte, bezieht sich auf die Wechselwirkung im 1'H/1H-Protonenraum. Das Vorhandensein dieser Verbindung weist auf eine Hemmung der Rotationsfreiheit der Verbindungen um die glykosidische Bindung hin (Abb. 2a). Die Beobachtung der oben erwähnten Dipolkopplung hat zur Folge, dass nach weiteren Overhauser-Effekten gesucht wird. Mögliche räumliche Wechselwirkungen zwischen den Protonen der L1- und L2-Liganden und dem Monosaccharid sind in (Abb. 1d) dargestellt. Auf der linken Seite des getesteten Moleküls können Protonen auf 2'H und 3'H nur mit L1 koppeln, während auf der rechten Seite die Protonen 5'H und möglicherweise 6'H in einem Dipol mit L2 interagieren können. Die oben dargestellten möglichen ROE-Effekte werden in ROESY-Experimenten niemals alle auftreten, obwohl einer von ihnen ausreicht, um eine gegenseitige Orientierung herzustellen. Am häufigsten werden dipolare Kopplungen von 2'H- und 5'H-Protonen mit Liganden des restlichen Alkohols beobachtet (Abb. 2b). Als Ergebnis der Bestätigung einer spezifischen Glykosidprojektion hängen die anschließend gesuchten interprotonischen Wechselbeziehungen mit der Bestimmung der Position bestimmter Liganden zusammen. Später in diesem Artikel stellen wir Studien vor, in denen interprotonische Wechselwirkungen zwischen Sonde und Aglycon mithilfe des 2-Desoxy-d-glucose-Gerüsts beobachtet wurden.

Bestimmung der absoluten Konfiguration sekundärer Alkohole mithilfe von Dipolkopplungen: (a) erstes diagnostisches Signal; (b) zweites Diagnosesignal.

Chirale Glykosidsonden wurden in zwei Versionen hergestellt, die erste klassisch mit Benzylschutz der Hydroxylgruppen von 2-Desoxyglucose und die zweite mit weniger typischen Benzoylschutzgruppen (Abb. 3). Sonden mit Benzylschutz wurden auf übliche Weise hergestellt. Im ersten Schritt wurde Methyl-2-desoxyglucosid hergestellt, das anschließend mit Benzylbromid alkyliert wurde. Die anomere Methylgruppe wurde unter milden sauren Bedingungen entfernt, um Verbindung 5a zu erhalten, die für die endgültige Kupplung mit chiralem sekundären Alkohol bereit war. Im Fall benzoylierter Zucker verwendeten wir einen zweistufigen Ansatz, wobei im ersten Schritt alle Hydroxylgruppen benzoyliert und anschließend die anomere Position selektiv entschützt wurde. In diesem Schritt haben wir versucht, die Schutzgruppe mit Benzylamin oder Ethanolamin zu entschützen, was sich jedoch als erfolglos erwies. Dies erwies sich als die Methode der Wahl für die zweistufige, aber eintopfige Entschützung mit Umwandlung in Glycosylbromid und anschließender Hydrolyse mit Unterstützung von Silberkationen, die zur Bildung von 5b führte. Im letzten Schritt haben wir die Schmidt-Methode angewendet. Der erste Schritt war die O-Aktivierung des Monosaccharidderivats mit Trichloracetonitril in Gegenwart katalytischer Mengen einer starken Base. Der zweite Schritt der Schmidt-Reaktion war die Bildung einer O-glykosidischen Bindung. Zu diesem Zweck verwendeten wir kommerziell erhältliche optisch aktive sekundäre Alkohole wie (1S,2R,5S)-( +)-Menthol, (-)-Borneol und (S)-2-Butanol. Die Reaktionen wurden in Gegenwart katalytischer Mengen Säure durchgeführt. Aufgrund der erheblichen sterischen Hinderung der verwendeten Alkohole verzeichneten wir eine geringe Ausbeute an vorbereiteten Sonden. Darüber hinaus isolierten wir in einem Fall das dehydrierte Glykosid 2B, das sich ebenfalls für spektroskopische Untersuchungen als nützlich erwies. Als Ergebnis chemischer Synthesen wurden 1A, 1B, 1C, 2A, 2B und 2C erhalten (Abb. 4).

Allgemeine Verfahren zur Synthese chiraler Sonden: (Weg A) Bildung von o-Methylglycosid: MeOH, 1 % AcCl / 24 h, RT; (Weg B) Benzylierung: BnBr, DMF, NaH / atm Ar, 18 h, 0 °C; (Weg D) Benzoylierung: BzCl, DMAP, Py/atm Ar, 72 h, RT; (Pfad C/E) Entfernung der Gruppe vom anomeren Kohlenstoff: C AcOH, HCl / 1 h, 55 °C; E 1. 45 % HBr/NOAc / atm Ar, 2,5 h, RT 2. Ag2CO3, Aceton, H2O / 1 h, RT; Schmidt-Methode: (Weg F) Trichloracetonitril O-Aktivierung: Cl3CCN / Base, (Weg G) O-Glykosidierung mit chiralem sekundären Alkohol R3OH / Säure.

Erhaltene O-Glykoside 1A, 1B, 1C, 2A, 2B und 2C.

Die Verbindungen 1A, 1B, 1C, 2A, 2B und 2C wurden NMR-Untersuchungen in Aceton-d6 oder Benzol-d6 unterzogen. Unter Verwendung von Standard-DQF-COSY-, TOCSY-, HSQC-, nd-HSQC-, HMBC- und ROESY-Experimenten konnten alle Verbindungen in jedem isolierten Spinsystem der resultierenden Glykoside auf unkomplizierte Weise verfolgt werden. Das detaillierte Verfahren der absoluten Konfigurationszuordnung durch NMR wird beschrieben auf der Instanz des Moleküls 1A dargestellt werden.

Im nd-HSQC-Spektrum beträgt die Kopplungskonstante 1J CH des 1A-Moleküls 171,1 Hz (Abb. 5a und Abb. S6), was gleichbedeutend mit dem Erhalt des Alpha-Anomers ist. Für das Beta-Anomer 1B wird ein 1 J CH-Wert von 158,1 Hz beobachtet (Abb. 5b und Abb. S15)19. Ein zusätzlicher Faktor, der die Glykosidkonformation bestätigt, ist die hohe chemische Verschiebung des C1'-Signals (Tabelle 1) in eindimensionalen Spektren. Die 1'H-Protonenverschiebung (Tabelle 2) ist auf den Effekt der Abschirmung der Estergruppe -COPh zurückzuführen.

nd-HSQC-Spektren mit dem Wert der 1J-CH-Kopplungskonstante für: (a) Molekül 1A – Alpha-Anomer; (b) 1B-Molekül – Beta-Anomer.

Die Analyse des 1A-Moleküls bestätigte, dass sich die Substituenten des Cyclohexanrings (Aglycon) in äquatorialen Positionen befinden. Die Interpretation der vicinalen Konstanten der Kopplung und der dipolaren Kopplungen ermöglichte die Definition der absoluten Konfiguration (C1-(S*), C3-(R*), C5-(S*)).

Die Sonde – Aglycon-ROEs – lieferte das erste diagnostische Signal – H'1/H1. Diese dipolare Kopplung zwischen dem anomeren Proton und dem Proton von Oximetin muss auftreten, da sie auf die teilweise Hemmung um die O-glykosidische Bindung hinweist. Darüber hinaus wurden für 1A zwei weitere ROEs zwischen den Protonen der Aglycon-Einheit und den Protonen der chiralen Sonde beobachtet, nämlich 5'H/7H und 5'H/8H – diagnostisches Signal (Tabelle 3). Das ROESY-NMR-Experiment bestätigte die beobachteten Korrelationen im Raum, die mit MD-Techniken simuliert wurden (Abb. S49). Diese genannten ROEs ermöglichten die Bestimmung der absoluten Konfiguration von 1A (Abb. 6a). Alle dipolaren Kopplungen für das 1A-Molekül können im ROESY-Spektrum beobachtet werden (Abb. 7).

Bestimmung von S*/R*, der absoluten Konfiguration von 1A, 1B, 1C, 2A, 2B und 2C. Die diagnostischen ROEs werden als bidirektionale Pfeile dargestellt (blau – erstes Diagnosesignal 1'H/1H von 1A – 2C; rot – zweites Diagnosesignal für 1A 5'H/7H, 5'H/8H; 1C 5'H/5ex; 2A 5'H/8H, 5'H/7H, 6'aH/8H; 2B 5'H/7H und 2C 5'H/4H).

ROESY-Spektrum des Moleküls 1A mit allen Dipolkopplungen (diagnostische Signale sind in einem Kreis markiert).

Im Fall des Beta-1B-Anomers zeigte das ROESY-Spektrum, dass ein 1'H/1H-Signal vorhanden ist, das auf eine teilweise Hemmung der O-glykosidischen Bindung hinweist (Tabelle S6). Das Beta-Anomer eignet sich jedoch nicht als chirale Sonde zur Bestimmung der absoluten Konfiguration für Molekül 1B, da andere diagnostische Korrelationen zwischen Sonde und Aglykon nicht beobachtbar sind (Abb. 6b und Abb. S17). Alle dipolaren Kopplungen für das 1B-Molekül können im ROESY-Spektrum beobachtet werden (Abb. 8). Für Molekül 1B wurden Computersimulationsergebnisse auch durch spektroskopische Untersuchungen bestätigt (Abb. S51).

ROESY-Spektrum des Moleküls 1B mit allen Dipolkopplungen (diagnostische Signale sind in einem Kreis markiert).

Laut nd-HSQC-Spektrum ist die erhaltene Verbindung 2C ein Alpha-Anomer. Der Wert der Kopplungskonstante 1J CH beträgt 168,3 Hz (Abb. 9 und Abb. S47). Aglyconsignale – in diesem Fall einfache, kleine 2-Butanolmoleküle – sind in einem separaten Bereich der chemischen Verschiebungsskala konzentriert, dann Protonen und Kohlenstoffsignale, die vom Benzylderivat von 2-Desoxy-d-glucose stammen (Abb. S42) (Abb . S43). Die chemische Verschiebung von C2 und 2H des Aglykons ist am höchsten, da es Bestandteil der O-glykosidischen Bindung ist (Tabellen 4, 5).

HSQC-nd-Spektren mit dem Wert der 1J-C-H-Kopplungskonstante für das Molekül 2C-Alpha-Anomer.

Im Fall des 2C-Moleküls wurde das erste diagnostische Signal beobachtet – 1'H/1H (Tabelle 6). Es wurden auch andere Dipolkopplungen festgestellt, darunter ein zweites Diagnosesignal. In diesem Fall wurde auch das zweite relativ schwache diagnostische Signal ROE – 5'H/4H – aufgezeichnet und bestätigte die absolute Konfiguration von 2-(S)-Butanol (Abb. 6f). Unter dem Gesichtspunkt dieser Überlegungen war die Beobachtung der Overhauser-Effekte für das 2C-Molekül für die Idee der vorgeschlagenen Methode sehr wichtig. Das Vorhandensein der gezeigten Dipolkopplungen weist auf die Hemmung der Rotation um die O-glykosidische Bindung für ein so kleines Aglykon hin. 2-Butanol ist einer der kleinsten optisch aktiven sekundären Alkohole. Die Ergebnisse und Analysen der NMR-Experimente bestätigen frühere Computersimulationen. Alle dipolaren Kopplungen für das 2C-Molekül können im ROESY-Spektrum beobachtet werden (Abb. 10 und Abb. S48).

ROESY-Spektrum des Moleküls 2C mit allen Dipolkopplungen (diagnostische Signale sind in einem Kreis markiert).

Dem nd-HSQC-Spektrum zufolge handelt es sich bei den erhaltenen Verbindungen 1C, 2A und 2B um Alpha-Anomere. Die Werte der Kopplungskonstanten 1J CH werden nacheinander dargestellt: 171,2 Hz, 168,4 Hz, 165,6 Hz, (Abb. S23), (Abb. S31) und (Abb. S39). Das NMR-Spektrum von Benzoylderivaten ist weniger komplex als das von Benzylderivate, da es keine –CH2-Signale (abgeleitet von –OBn) enthält, die den chemischen Protonen- oder Kohlenstoffverschiebungen der Sonde überlagert sind (Abb. S34), (Abb. S35). Andererseits sind diese Signale unterscheidbar, weil sie sich innerhalb eines bestimmten Bereichs auf der ppm-Skala konzentrieren.

Für alle Moleküle 1C, 2A und 2B bestätigte das ROESY-Spektrum das Vorhandensein des ersten diagnostischen Signals zwischen dem 1'H-Proton der Sonde und dem 1H-Proton des Aglykons (Tabelle S9), (Tabelle S12), (Tabelle S15). Zusätzlich wurde für jeden Fall ein zweites diagnostisches Signal beobachtet. Für 1C ist die nächste dipolare Kopplung zwischen der Sonde und dem Aglycon 5'H/5exH. Beide Wechselwirkungen ermöglichen die Bestimmung der Position des Aglykons im Raum und damit die Zuordnung der absoluten Konfiguration von 1C-(R*)-Borneol (Abb. 6c und Abb. S25). Für 2A wurden drei Overhauser-Effekte in der Sonde-Aglycon-Beziehung beobachtet: 5'H/7H, 5'H/8H und 6'aH/8H. Diese gegenseitigen Abhängigkeiten deuten auf das C1-(S*) des Menthol-Oxymethin-Kohlenstoffs hin (Abb. 6d und Abb. S33). Ebenso beweist das ROESY-Spektrum im Fall des 2B-Moleküls das Auftreten einer weiteren dipolaren Kopplung, die aus Sicht der vorliegenden Untersuchungen wichtig ist – 5'H/7H, die die Erkennung von C1-(S*)-Aglycon ermöglicht (Abb. 6e und Abb. S41).

Um zu beurteilen, ob eine durch 2-Desoxy-d-glucose-Derivate gebildete glykosidische Bindung tatsächlich eine eingeschränkte Konformationsfreiheit aufweist, wurde eine Reihe von Molekülmodellen von 1A, 1B, 1C, 2A, 2B und 2C molekulardynamischen Untersuchungen unterzogen. Darüber hinaus wurden auch Modelle der entgegengesetzten Enantiomere der untersuchten sekundären Alkohole mit den angeschlossenen Sonden auf 2-Desoxy-d-Glucose-Basis, nämlich 1A', 1B', 1C', 2A', 2B' und 2C', untersucht Berechnungsmethoden.

Alle 12 untersuchten Systeme zeigten einen ausgeprägten Mangel an Konformationsfreiheit der glykosidischen Bindung, was durch die Ramachandran-Diagramme belegt wurde (Abb. 11a–f und Abb. S49–S60). Die untersuchten Glykoside nahmen fast sofort die Geometrie an, in der das anomere 1'H-Proton einer Monosaccharidsonde und das Oxymethin-1H-Proton eines Aglycons in syn-Konformation vorlagen (Abb. S61). Diese Art von Geometrie wurde während der verbleibenden Simulationszeit beibehalten, da sie mit den globalen Energieminima aller untersuchten Moleküle verbunden war. Die vielleicht spektakulärsten Beispiele waren die 2C- und 2C'-Systeme, die eine relativ kleine Aglycon-, dh 2-Butanol-Einheit, enthielten. Während 2-Butanol einer der kleinstmöglichen chiralen sekundären Alkohole ist, zeigten seine Glykoside immer noch eine deutlich eingeschränkte Konformationsfreiheit der glykosidischen Bindungen, wie in (Abb. 11f und Abb. S60A) gezeigt. Dieses Ergebnis unterstützt stark die Vielseitigkeit des vorgestellten Ansatzes Die „Blockade“ der glykosidischen Bindung scheint ein immanentes Merkmal von Sonden auf 2-Desoxy-d-glucose-Basis zu sein, unabhängig von der Größe und Geometrie des Aglykons.

Ramachandran-Diagramme von 1A, 1B, 1C, 2A, 2B und 2C.

Schließlich deuten die MD-Studien darauf hin, dass die 1'H/1H-ROEs in den ROESY-Spektren aller untersuchten Systeme beobachtet werden konnten – und tatsächlich auch wurden. Da jedoch auf der Grundlage von Molecular-Modeling-Berechnungen die dipolaren 1'H/1H-Kopplungen bei allen 12 untersuchten Glykosiden zu erwarten waren, sind geometrische Anforderungen an die Moleküle erforderlich, um alle beobachteten diagnostischen dipolaren Kopplungen auf einmal aufzuweisen, d. h. diejenigen, an denen 1 beteiligt ist 'H-, 5'H- und 6'H-Protonen wurden nur von 1A, 1C, 2A, 2B und 2C getroffen. Beispielsweise haben MD-Simulationen im Fall von 1A' gezeigt, dass bei der Aufzeichnung von 1'H/1H-ROE die ROEs 5'H/7H und 5'H/8H nicht hätten aufgezeichnet werden können, da die durchschnittlichen Abstände zwischen den jeweiligen Protonen zu groß waren (Abb. S50). Andererseits stimmten die durchschnittlichen interatomaren Abstände in den Paaren 1'H/1H, 5'H/7H und 5'H/8H, die aus der MD-Simulation von 1A extrahiert wurden, perfekt mit den beobachteten ROESY-Korrelationen überein (Abb. 12). Diese Beobachtungen waren für den Rest der Paare, die auf Aglycon-Enantiomeren basieren (1C-1C', 2A-2A' usw., siehe Abb. S51-S60), identisch und untermauern stark die Anwendbarkeit des vorgestellten 2-Desoxy-d- Glucose-basierter Ansatz zur Aufklärung der absoluten Konfigurationen sekundärer Alkohole.

Verbindung 1A: Histogramme von (a) 1'H/1H (b) 1'H/6eqH (c) 1'H/9H (d) 5'H/7H (e) 5'H/8H-Abstände und (f) Struktur.

Im Handel erhältliche Reagenzien wurden von Sigma-Aldrich oder Acros bezogen. Dichlormethan (DCM) wurde über Phosphorpentoxid (P4O10) als Trockenmittel destilliert und über Molekularsieben (4 Å) gelagert. Toluol wurde unter einer Argonatmosphäre aus Kalium destilliert und über Molekularsieben (4 Å) gelagert. Die Dünnschichtchromatographie (TLC)-Analyse wurde auf gelierten Aluminiumplatten SiliaPlate SILICYCLE UltraPure durchgeführt und mit einer UV-Lampe mit einer Wellenlänge von 254 nm sichtbar gemacht. Für die DC-Analyse der Hauptprodukte wurde ein Cer-Molybdän-Entwickler verwendet. Die Reinigung wurde mit dem BÜCHI Pure C-815 Flash-Chromatographen durchgeführt. Während des Reinigungsprozesses wurden FlashPure ID-Kartuschen (Silica 40 µm unregelmäßig) verwendet.

3,4,6-Tri-O-benzoyl-2-desoxy-(α,β)-d-glucose (375 mg, 0,788 mmol) wurde in wasserfreiem DCM (3,6 ml) gelöst. 4 Å-Molekularsiebe wurden eingeführt. Dann wurde Trichloracetonitril (324 µl) zugegeben und die Temperatur der Mischung auf 0 °C gesenkt. Die Reaktionen wurden durch Zugabe einer katalytischen Menge NaH initiiert. Nach 1 Stunde wurde die resultierende Suspension durch ein dünnes Kissen aus einem Kieselgelsystem (AcOEt:Cyclohexan; 1:7) geleitet. 0,396 g Rohprodukt (Trichloracetimidat 3,4,6-tri-O-benzoyl-2-desoxy-(α,β)-d-glucose) wurden in Form eines gelben Öls (RF = 0,28) erhalten. Trichloracetoimidat 3,4,6-tri-O-benzoyl-2-desoxy-(α,β)-d-glucose (275 mg, 0,443 mmol) wurde in wasserfreiem DCM (3,3 ml) gelöst. Der Lösung wurden 4 Å-Molekularsiebe zugesetzt, gefolgt von (1S, 2R, 5S)-( +)-Menthol (65 mg, 0,415 mmol) und einer katalytischen Menge TMSOTf. Die Reaktionen wurden 24 Stunden lang bei Raumtemperatur durchgeführt. Dann wurden einige Tropfen Et3N (30 µl) hinzugefügt. Die erhaltene Mischung wurde konzentriert und durch Flash-Chromatographie (AcOEt:Hexan-System 1 % Et3N; 1:15) gereinigt. 122 mg des Produkts wurden in Form eines weißen Feststoffs (50:50 %; α:β) erhalten (RF = 0,33, für AcOEt:Hexan-System 1 % Et3N; 1:15). Anschließend wurde die erhaltene Mischung in Alpha- und Beta-Anomer getrennt (weitere Einzelheiten finden Sie auf den Seiten S6–S7 mit den Hintergrundinformationen).

3,4,6-Tri-O-benzoyl-2-desoxy-(α,β)-d-glucose (247 mg, 0,519 mmol) wurde in wasserfreiem DCM (2,4 ml) gelöst. 4 Å-Molekularsiebe wurden eingeführt. Dann wurde Trichloracetonitril (214 µl) bei Raumtemperatur zugegeben. Die Reaktionen wurden durch die Zugabe von katalytischen 0,172 g Rohprodukt (Trichloracetimidat 3,4,6-tri-O-benzoyl-2-desoxy-(α,β)-d-glucose) in Form einer gelben Substanz initiiert Öl (RF = 0,28). Trichloracetoimidat 3,4,6-tri-O-benzoyl-2-desoxy-(α,β)-d-glucose (172 mg, 0,277 mmol) wurde in wasserfreiem DCM (1,8 ml) gelöst. Der Lösung wurden 4-Å-Molekularsiebe zugesetzt, gefolgt von (-)-Borneol (39 mg, 0,252 mmol) und einer katalytischen Menge TMSOTf. Die Reaktionen wurden 24 Stunden lang bei Raumtemperatur durchgeführt. Dann wurden einige Tropfen Et3N (20 µl) hinzugefügt. Die erhaltene Mischung wurde konzentriert und durch Flashchromatographie (AcOEt:Hexan-System 1 % Et3N; 1:3) gereinigt. 28 mg des Produkts wurden in Form eines weißen Feststoffs erhalten (90:10 %; α:β) (RF = 0,31, für A:H-System 1 % Et3N; 1:3). Menge an NaH. Nach 1 Stunde wurde die resultierende Suspension durch ein dünnes Kissen aus einem Kieselgelsystem (AcOEt:Cyclohexan; 1:7) geleitet.

3,4,6-Tri-O-benzyl-2-desoxy-(α,β)-d-glucose (86 mg, 0,2 mmol) wurde in wasserfreiem DCM (3 ml) gelöst. 4 Å-Molekularsiebe wurden eingeführt. Dann wurde Trichloracetonitril (200 µl, 2 mmol 10 Äq.) bei Raumtemperatur zugegeben. Die Reaktionen wurden durch die Zugabe einer katalytischen Menge NaH in Öl gestartet. Nach 2 Stunden wurde die resultierende Suspension durch ein dünnes Kissen aus einem Kieselgelsystem (AcOEt:Hexan; 1:3 mit 1 % Et3N) geleitet. Das Rohprodukt (Trichloracetimidat 3,4,6-tri-O-benzyl-2-desoxy-(α,β)-d-glucose) wurde in Form eines gelben Öls erhalten und sofort für den nächsten Schritt verwendet. Rohes Trichloracetoimidat 3,4,6-tri-O-benzyl-2-desoxy-(α,β)-d-glucose wurde in wasserfreiem DCM (3 ml) gelöst. Der Lösung wurden 4-Å-Molekularsiebe zugesetzt, gefolgt von (0,6 mmol) geeignetem Alkohol (Menthol oder (S)-2-Butanol) und einer katalytischen Menge (15 µl) TMSOTf. Die Reaktionen wurden 24 Stunden lang bei Raumtemperatur durchgeführt. Dann wurden (300 µl) Et3N zugegeben. Die erhaltene Mischung wurde konzentriert und durch Flash-Chromatographie (AcOEt:Hexane; 1:10, mit 1 % Et3N) gereinigt, was geeignete sekundäre Alkyl-3,4,6-tri-O-benzyl-(α,β)-2-desoxy- D-Glucopyranoside in Form eines weißen Feststoffs.

1H- und 13C-NMR-Spektren wurden mit einem Varian INOVA 500-Spektrometer bei 500 bzw. 125 MHz aufgezeichnet. Das 1H-NMR-Spektrum wurde mit Standardparametern (bei Umgebungstemperatur, 45° Pulslänge, 2 s Erfassungszeit und Verzögerungszeit 1 s) in Aceton-d6- oder Benzol-d6-Lösung aufgenommen. Chemische Verschiebungen werden in δ-Einheiten (ppm) angegeben, wobei 1H (Rest) aus Aceton-d6 (2,05 ppm) oder Benzol-d6 (7,16 ppm) als interner Standard verwendet wird. Das 13C-NMR-Spektrum wurde mit Standardparametern (bei Umgebungstemperatur, 45° Pulslänge, 1 s Aufnahmezeit und 1 s Verzögerungszeit) in Aceton-d6- oder Benzol-d6-Lösung aufgenommen.

Zweidimensionale NMR-Spektren wurden bei Umgebungstemperatur in Aceton-d6- oder Benzol-d6-Lösung aufgenommen. Der Satz von 2D-Spektren für jede Verbindung umfasst: gDQCOSY-, zTOCSY-, ROESYAD-, gHSQCAD-, nicht entkoppelte gHSQCAD- und gHMBCAD-Experimente. Weitere experimentelle Details sind in der Datei mit den Hintergrundinformationen (Seiten S4–S64) enthalten.

Parameter für die molekularen Modelle von 1A, 1A', 1B, 1B', 1C, 1C', 2A, 2A', 2B, 2B', 2C und 2C' wurden dem kohlenhydratspezifischen Kraftfeld CHARMM20 entnommen. Partielle Atomladungen wurden mit der GAUSSIAN09-Software21 auf MP2/6-31G*-Theorieebene neu berechnet. Alle untersuchten Verbindungen wurden explizit in kubischen Aceton- oder Benzolkästen (ca. 600 Lösungsmittelmoleküle) solvatisiert, entsprechend dem in NMR-Studien verwendeten Lösungsmittel. Die Parameter für Aceton und Benzol wurden dem CHARMM36 Generalized Force Field22 entnommen. Nach der anfänglichen, 100 ns langen Äquilibrierung wurden alle 12 Systeme 200 ns langen MD-Läufen unterzogen. Alle Simulationen wurden mit der Software GROMACS 2020.423 unter Verwendung des Leapfrog-Schemas mit einem Zeitschritt von 2 fs durchgeführt. Die Partikelnetz-Ewald-Technik mit einem Cutoff von 1 nm und einem Gitterabstand von ca. Zur Bewertung der elektrostatischen Kräfte wurde 0,1 nm verwendet. Die Van-der-Waals-Wechselwirkungen wurden unter Verwendung eines Lennard-Jones-Potentials mit einem Cutoff von 1 nm berechnet. Die Simulation wurde bei einer konstanten Temperatur von 298 K und einem konstanten Druck von 1 bar unter Verwendung eines Parrinello-Rahman-Barostaten mit Relaxationszeiten von 0,1 ps bzw. 0,5 ps durchgeführt. Alle Längen der kovalenten Bindungen wurden mithilfe der P-LINCS- und SETTLE-Algorithmen eingeschränkt. Alle Ramachandran-Diagramme und Histogramme wurden mit der Programmiersprache R, Version 4.1.224, erstellt.

In diesem Beitrag haben wir die Anwendbarkeit von 2-Desoxy-d-glucose-basierten Sonden zur Aufklärung der Stereochemie chiraler sekundärer Alkohole nachgewiesen. Die Grundlage einer Sonde, nämlich 2-Desoxy-d-glucose, ist relativ kostengünstig und allgemein verfügbar; Die Synthese seiner O-Benzyl- und O-Benzoyl-Derivate ist relativ einfach. Auch die Glykosylierung eines sekundären Alkohols ist recht unkompliziert, da die untersuchten Sonden nahezu selektiv α-Glykoside ergeben, die für stereochemische Studien weitaus nützlicher sind. Die absolute Konfiguration eines Oxymethin-Kohlenstoffatoms eines untersuchten Alkohols kann über eine Reihe standardmäßiger 2D-NMR-Experimente zugeordnet werden. Die Ergebnisse sind aufgrund des nachgewiesenen Mangels an Konformationsfreiheit der glykosidischen Sonden-Aglycon-Bindung eindeutig, wie sowohl durch NMR- als auch molekulare Modellierungsrechnungen belegt wird. Unsere Studien legen nahe, dass 3,4,6-Tri-O-benzoyl-2-desoxy-d-glucose im Allgemeinen eine bessere Sonde sein könnte, da sich die Protonenresonanzen der Schutzgruppen des Monosaccharids nicht mit den Signalen von 2-Desoxyglucose überlagern.

Die möglicherweise wichtigste Beobachtung, die sowohl aus NMR- als auch aus MD-Studien gewonnen wurde, war die Tatsache, dass sich die chirale Sonde auf 2-Desoxy-d-glucose-Basis im Fall von 2-Butanol als erfolgreich erwies. Dieses Molekül ist einer der kleinsten und am wenigsten sterisch gehinderten chiralen sekundären Alkohole, die möglich sind. Während sowohl das ROESY-Spektrum als auch die MD-Berechnungen eindeutig bewiesen haben, dass im Falle des 2C-Systems die Konformationsfreiheit seiner glykosidischen Bindung erheblich eingeschränkt war, könnte man vernünftigerweise den Schluss ziehen, dass jeder sekundäre Alkohol, der „sperriger“ als 2-Butanol ist, ebenfalls ein brauchbares Ziel wäre für stereochemische Studien unter Einbeziehung der besprochenen Sonden. Diese Annahme wurde durch die hier vorgestellten Studien zu Menthol- und Borneol-Modellen gestützt; Weitere Beispiele, die komplexere Aglykone berücksichtigen, sollen in naher Zukunft untersucht werden. Dennoch sollte man anerkennen, dass die in diesem Beitrag vorgeschlagene Methode von natürlichen Verbindungen inspiriert wurde, z. B. antimykotischen Heptaen-Makrolid-Antibiotika, die ein riesiges sekundäres Alkohol-Aglycon enthalten, das an eine natürlich vorkommende chirale Sonde gebunden ist – in den meisten Fällen die Mycosamin-Einheit25,26. Die Stereochemie vieler dieser Verbindungen wurde auf der Grundlage der gleichen Konzepte wie hier diskutiert27,28,29,30 aufgeklärt. Beim Einbau der 2-Desoxy-d-glucose-Derivate als chirale Sonden könnte die sterische Hinderung eines untersuchten sekundären Alkohols daher möglicherweise nur auf der Stufe der Sondenbefestigung ein Problem sein, was möglicherweise die Gesamtausbeute der organischen Synthesen verringert.

Die in der aktuellen Studie präsentierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Dale, J. A, Mosher, HS Kernspinresonanz-Enantiomer-Regenten. Konfigurationskorrelationen über chemische Verschiebungen diastereomerer Mandelat-, O-Methylmandelat- und α-Methoxy-α-trifluormethylphenylacetat-(MTPA)-Ester mittels Kernspinresonanz. Marmelade. Chem. Soc. 1973, 95, 512–519. https://doi.org/10.1021/ja00783a034.

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