antoni szumny synteza i właściwości biologiczne

222 Pages·2006·2.32 MB·English

A S
NTONI ZUMNY
S
YNTEZA I W(cid:14)A(cid:15)CIWO(cid:15)CI
BIOLOGICZNE (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2)-METYLENOLAKTONÓW
Praca doktorska wykonana
w Katedrze Chemii
Akademii Rolniczej we Wroc(cid:26)awiu

Promotor:
prof. dr hab. Czes(cid:26)aw Wawrze!czyk

Wroc(cid:26)aw 2006
Panu
prof. dr hab. Czes(cid:26)awowi Wawrze!czykowi za
zaproponowanie tematyki,
umo&liwienie realizacji pracy
oraz pomoc i cierpliwo’( przy interpretacji wyników,
sk(cid:26)adam wyrazy serdecznego podzi+kowania.
Pragn+równie& podzi+kowa(za wykonanie nast+puj,cych bada!:
Aktywno’( deterentna w stosunku do szkodników magazynowych zosta(cid:26)aoceniona w
Instytucie Ochrony Ro’lin w Poznaniu pod kierunkiem prof. Jana Nawrota.

Aktywno’( deterentna w stosunku do mszycy brzoskwiniowej zosta(cid:26)aoceniona w Instytucie
Biotechnologii i Ochrony ’rodowiska Uniwersytetu Zielonogórskiego przez prof. Beat+
Gabry’ oraz w Katedrze Botaniki i Ekologii Ro’lin Akademii Rolniczej we Wroc(cid:26)awiu przez
dr in&.Aleksandr+Halarewicz-Pacan.

Aktywno’( deterentna w stosunku do stonki ziemniaczanej i ple(cid:24)niakowca l’ni,cego zosta(cid:26)a
oceniona w Zak(cid:26)adzie Zoologii Bezkr+gowców Uniwersytetu Miko(cid:26)aja Kopernika w Toruniu
przez dr Maryl+Szczepanik.

Ocen(cid:26)zapachow(cid:27)otrzymanych zwi,zków przeprowadzono w polskim oddziale firmy
Firmenich w Grodzisku Mazowieckim pod kierunkiem mgr Anny Nagielskiej.

Widma korelacyjne NMR zosta(cid:26)ywykonane w Laboratorium Bada!Strukturalnych przez mgr
S(cid:26)awomira Palucha.
Dorocie i Jasiowi
str 1
WYKAZ STOSOWANYCH SKRÓTÓW...........................................................................................2
1. WPROWADZENIE I CEL PRACY..............................................................................................3
2. AKTYWNO(cid:23)(cid:24) BIOLOGICZNA (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-METYLENOLAKTONÓW........................................................5
2.1 Aktywno#$ przeciwtrypanosomalna.............................................................................5
2.2 Aktywno#$ przeciw Leischmanii...................................................................................6
2.3 Aktywno#$ przeciwnowotworowa i cytostatyczna......................................................7
2.4 Aktywno#$ na enzymy antyoksydacyjne....................................................................14
2.5 Aktywno#$ przeciwzapalna.........................................................................................15
2.6 Dzia5anie na dehydrogenaz8aldehydow9..................................................................19
2.7 Aktywno#$ grzybobójcza.............................................................................................20
2.8 Dzia5anie bakteriobójcze..............................................................................................25
2.9 Dzia5anie antymykobakteryjne...................................................................................26
2.10 W5a#ciwo#ci allelopatyczne (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-metylenolaktonów....................................................27
2.11 Aktywno#$ ograniczaj9ca @erowanie owadów.........................................................34
3. BIOSYNTEZA PODSTAWOWYCH SZKIELETÓW SESKWITERPENOWYCH LAKTONÓW........38
4. METODY CHEMICZNEJ SYNTEZY (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-METYLENOLAKTONÓW...............................................45
4.1. Halo- lub selenolaktonizacja (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2),,,,(cid:4)(cid:4)(cid:4)(cid:4)-nienasyconch kwasów..........................................45
4.2. Laktonizacja hydroksykwasów i hydroksyestrów...................................................49
4.3 Wprowadzanie grupy metylenowej do cz9steczki laktonu.......................................56
4.3.1 Wprowadzanie grupy karboksylowej..................................................................56
4.3.2 Wprowadzanie grupy formylowej.......................................................................59
4.3.3 Wprowadzanie grupy (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-hydroksymetylowej.....................................................60
4.3.4 Wprowadzanie grupy (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-(N,N-dimetylo)metyloaminowej.................................61
4.4 Pozosta5ereakcje prowadz9ce do syntezy metylenolaktonów..................................62
5. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAGWHASNYCH........................................................................65
5.1 Synteza laktonów i ich (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-metylenowych analogów z cytralu...................................66
5.2 Synteza (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-metylenolaktonów z dost8pnych (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-niepodstawionych laktonów...........78
5.3 Synteza (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-metylenolaktonów z alkenów z zastosowaniem kwasu Meldruma........82
5.3.1 Synteza (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-metylenolaktonów z acyklicznych alkenów.......................................84
5.3.2 Synteza (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-metylenolaktonów z cyklicznych alkenów......................................99
5.3.3 Synteza (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-metylenolaktonów z naturalnych terpenów....................................102
5.4 Synteza laktonów z tlenku mezytylu.........................................................................124
5.5 Synteza laktonów z linalolu.......................................................................................132
5.6 Synteza laktonów z 3,5-dimetylocycloheks-2-en-1-onu...........................................144
6BADANIA BIOLOGICZNE.......................................................................................................148
6.1 Testy biologiczne na aktywno#$ antyfidantn9 wobec szkodników magazynowych
............................................................................................................................................148
6.2 Testy biologiczne na aktywno#$ antyfidantn9wobec mszycy brzoskwiniowo-
ziemniaczanej (Myzus persicae Sulz)..............................................................................156
6.3 Testy biologiczne na aktywno#$ antyfidantn9wobec stonki ziemniczanej
(Leptinotarsa decemlineata Say)......................................................................................159
6.4 Testy biologiczne na aktywno#$ antyfidantn9.........................................................163
wobec ple#niakowca l#ni9cego (Alphitobius diaperinus Panzer)..................................163
7. PODSUMOWANIE................................................................................................................169
8. CZJ(cid:23)(cid:24) DO(cid:23)WIADCZALNA...................................................................................................172
SPIS LITERATURY..................................................................................................................205
str 2
WYKAZ STOSOWANYCH SKRÓTÓW
Ac- acetyl
AIBN – 2,2’-azaizobutylonitryl
Bz – benzyl
PhH-benzen
CaM - kalmodulina
CAN - azotan(V)cerowo(IV)amonowy
Cp – cyklopropyl
COSY – correlated spectroscopy
DBN - 1,5-diazabicyklo[4.3.0]non-5-en
DBU - 1,8-diazabicyklo[5.4.0]undec-7-en
DEPT – distortionless enhancement by polarization transfer
DHZ – dehydrozaluzalina C
DIBAL H – wodorek diizobutyloglinu
DMAPP - dimetyloallilopirofosforan
DMF - dimetyloformamid
ED – (Effective Dose 50) - ilo?@ substancji wywierajBca efekt dla 50% badanej populacji
50
Et-etyl
GPP - geranylopirofosforan
FPP - farnezylopirofosforan
GGPP - geranylogeranylopirofosforan
HEp-2 (Human Caucasian larynx carcinoma) ludzki (rasy biaFej) rak krtani
HL-60 - (Human acute promyelocytic leukemia cell line) – linia komórkowa ostrej
promielocytowej biaFaczki ludzkiej
IPP - pirofosforan izopentenylu
LDA – diizopropyloamidek litu
LTA –leukotrien A
4 4
LTC -leukotrien C
4 4
m-CPBA – kwas meta-chloronadbenzoesowy
Me – metyl
MIC – minimalne stHIenie hamujBce
MMC - nasycony dwutlenkiem wHgla roztwór wHglanu metoksymagnezometylu
MPO - mieloperoksydaza
MsCl – chlorek kwasu metylosulfonowego
NBS –N-bromoimid kwasu bursztynowego
NF-(cid:5)B–(Nuclear Factor kappa B) – czynnik jBdrowy (cid:5) B
NOBF -czterofluofoboran nitrozoniowy
4
NOESY – nuclear Overhauser effect scpectroscopy
PDC – dwuchromian pirydyny
Ph - fenyl
PPL – wieprzowa lipaza trzustkowa
p-TSA – kwas para-toluenosulfonowy
Py - pirydyna
SAM – S-adenozynometionina
TBSCl, -chlorek t-butylodimetylosililowy
TBTH – wodorek tri-n-butylocyny
TMS - tetrametylokrzem
TsCl – chlorek kwasu p-toluenosulfonowego
VD L–laktonowa forma witaminy D
3 3
str 3 RozdziaFI
1. WPROWADZENIE I CEL PRACY
(cid:1), (cid:7) Nienasycone zwiBzki karbonylowe, ze wzglHdu na wyjBtkowo wysokB
reaktywno?@ w reakcji Michaela, sB bardzo podatne na reakcje z róInymi biologicznymi
nukleofilami1 (Schemat 1). Do tej grupy zwiBzków naleIB równieI (cid:1)-metylenolaktony. SB
one szeroko rozpowszechnione w ?wiecie ro?lin i wykazujB znaczne spektrum aktywno?ci
biologicznych.
O O
O O O
O
H H
S S+
S
R R
R
Schemat 1
W literaturze opisywane jest ich róInorodna aktywno?@: antynowotworowa,
przeciwbakteryjna, przeciwgrzybiczna. (cid:1)-Metylenolaktony wykazujB równieI aktywno?@
deterentnB w stosunku do owadów i allelopatycznB. NajwiHcej badaN, co wydaje siH jak
najbardziej zrozumiaFe, dotyczy aktywno?ci przeciwnowotworowej i cytotoksycznej (cid:1)-
metylenolaktonów. Prowadzone sB one juI od koNca lat 60-tych ubiegFego wieku, kiedy to
artykuFy Kupchana i wsp.2,3,4,5 (w tym dwa publikowane w jednym numerze Science)
rozpoczHFy prawdziwe „polowanie” na (cid:1)-metylenolaktony w ro?linach. Podaje siH, iI ich
podgrupa – seskwiterpenowe (cid:1)-metylenolaktony stanowiB, niewiarygodnB wrHcz, ilo?@ 10%
wszystkich izolowanych naturalnych zwiBzków6. Potwierdzeniem tego moIe by@ fakt, Ie
wiHkszo?@ nowych wyizolowanych zwiBzków prezentowanych na International Sumposium
on Essentials Oils (ISEO 2003)7 byFa (cid:1)-metylenolaktonami. Tylko w roku 2004 zostaFo
wyizolowanych okoFo 40 nowych seskwiterpenowych (cid:1)-metylenolaktonów posiadajBcych
szkielet guajanolidowy8. W literaturze znaleR@ moIna takIe doniesienia, szacujBce
seskwiterpenowe (cid:1)-metylenolaktony, jako jednB z najliczniejszych klas zwiBzków
naturalnych9. Nie jest takIe prawdB, prezentowana szeroko do dzisiaj w polskim
pi?miennictwie informacja10, iI jest to grupa naturalnych zwiBzków, charakterystycznych
tylko dla ro?lin z rodziny Asteraceae. Ich wystHpowanie w przyrodzie jest jednak tak
szerokie, Ie obejmuje inne rodziny ro?lin okrytozalBIkowych a takIe bakterie11, grzyby12,
wBtrobowce, mchy13 czy porosty14. Tak liczna obecno?@ w przyrodzie (cid:1)-metylenolaktonów
nasuwa pytanie o przyczynH ich biosyntezy – wszak sB to zwiBzki o do?@ skomplikowanej
str 4 RozdziaFI
budowie, których synteza wymaga od ro?liny duIego nakFadu energii. By@ moIe, (cid:1)-
metylenolaktony sB wytwarzane w takiej róInorodno?ci, aby zapewni@ ro?linom przewagH
ekologicznB. Icho@nie wszystkie zwiBzki z ugrupowaniem (cid:1)-metylenolaktonowym wykazujB
aktywno?@ biologicznB (lub nie zostaFa ona jeszcze poznana), to wydaje siH, iI utlenianie
naturalnych metabolitów pierwotnych, którymi sB farnezol i jego pochodne, a nastHpnie
przeksztaFcenie ich w (cid:1),(cid:7) nienasycone seskwiterpenowe laktony, zwiHksza
prawdopodobieNstwo oddziaFywania na inne organizmy. Sama obecno?@ ugrupowania (cid:1)-
metylenolaktonu w czBsteczce zwiBzku nie przesBdza o jego wFa?ciwo?ciach biologicznych,
gdyI aktywno?@ ta jest wypadkowB wielu innych parametrów fizykochemicznych i
farmakodynamicznych. NiewBtpliwie jednak czBsteczka taka jest bardziej reaktywna
chemicznie, a co za tym idzie moIesilniej oddziaFywa@naotoczenie ro?liny.
Celem mojej pracy doktorskiej byFa synteza nowych laktonów z grupB (cid:1)-metylenowB.
PodejmujBc ten cel miaFem zamiar korzysta@ ze znanych metodologii oraz nadziejH na
opracowanie nowej, efektywnej metody syntezy tej grupy poFBczeN. Otrzymane produkty
koNcowe planowaFem podda@ testom biologicznym na aktywno?@ antyfidanta w stosunku do
szkodników magazynowych oraz upraw ro?linnych. Aktywno?@ biologicznB (cid:1)-
metylenolaktonów chciaFem porówna@ z aktywno?ciB substratów w ich syntezie: (cid:1)-
niepodstawionych laktonów oraz alkenów.
str 5 RozdziaFII
2. AKTYWNO(cid:23)(cid:24) BIOLOGICZNA (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)-METYLENOLAKTONÓW
Laktony, szczególnie te zawierajBce ugrupowanie (cid:1)-metylenowe, sB szeroko
rozpowszechnione w przyrodzie. Ich ilo?@ szacuje siH nawet na ponad 3000. WykazujB one
interesujBcB i uIytecznB aktywno?@ biologicznB. Zaprezentowany w tym rozdziale przeglBd
struktur (cid:1)-metylenolaktonów i ich wFa?ciwo?ci biologicznych ma wiHc jedynie charakter
autorski. WybraFem bowiem najwaIniejsze i najciekawsze przykFady oddziaFywaN laktonu z
enzymami, komórkami jak teI i caFymi organizmami. Oprócz zaprezentowanych, istnieje
bowiem wiele innych rodzajów oddziaFywaN czBsteczek laktonu na Iywe organizmy, które ze
wzglHdunaobjHto?@ dysertacji, znaleR@ siHwniej nie mogFy.

2.1 Aktywno#$ przeciwtrypanosomalna

ZakaIenia pierwotniakiem rodzaju Trypanosoma, wywoFujBcym ?piBczkH afrykaNskB i
chorobH Chagasa stanowi dosy@ powaIne zagroIenie w krajach afrykaNskich. Szacuje siH, iI
rocznie choruje na nie 500 000 osób a ?miertelno?@, w przypadku braku natychmiastowego
leczenia jest bliska 100%. Ze wzglHdu na duIe koszty produkcji i wprowadzania leku oraz
niskobudIetowy rynek, tylko kilka syntetycznych leków zostaFo wprowadzonych do lecznictwa.
Ich wysoka, jak na warunki afrykaNskie, cena, sFaba skuteczno?@ oraz skutki uboczne powodujB
poszukiwania tanich ro?linnych preparatów mogBcych zastBpi@ niedostHpne dla wiHkszo?ci
obywateli leki. Schmidt i wsp.15 wykazali, iI naturalne (cid:1)-metylenolaktony izolowane z ro?lin
rodzaju Arnica i Inula, szczególnie 10(cid:1)-metylopseudoguajanolid - helenalina (1) wykazujB
zbliIone dziaFanie do leków syntetycznych przeciwko bardziej niebezpiecznym odmianom T.
brucei i T. cruzi. InteresujBcym wydawa@ siH moIe takIe fakt, iI meksykanina I (2),
diastereoizomer helenaliny wykazywaF w badaniach blisko sze?ciokrotnie sFabszB aktywno?@, co
dowodzi bardzo duIego wpFywu budowy przestrzennej tych zwiBzków na ich dziaFanie.
H H
O O
O O
O OH O OH
helenalina (1)
meksykanina I (2)
str 6 RozdziaFII
Badane zwiBzki nie sB w Iaden sposób analogami melarsoprolu (3) i benznidazolu (4) -
dwóch najpopularniejszych syntetycznych leków stosowanych przeciwko infekcji
Trypanosoma.
N
H N N N
2
N O
N N S O N
2
As
N
NH S
2
melarsoprol (3) benznidazol (4)
2.2 Aktywno#$ przeciw Leischmanii
PowaIna pasoIytnicza choroba - leiszmanioza dotyka rocznie ponad 12 milionów
osób z ponad 88 krajów. Bardzo wysoka cena i toksyczno?@ dwóch gFównych syntetycznych
leków: glukantimu (9) oraz pentostamu (zwiBzki antymonu) skFania do poszukiwania nowych
naturalnych odpowiedników. Fuchino i wsp.16 wykazali, iI wyizolowane z Elephantophus
mollis (cid:1)-metylenolaktony wykazujBin vitro aktywno?@ przeciwko promastigotom Leishmania
major. Laktony typu guajanu (5, 6) oraz germakranu (7) sB gFównymi skFadnikami wyciBgu z
Elephantus mollis wykazujBcymi zbliIonB biologicznB aktywno?@ do glukantimu (9). Badacze
ci pokazali takIe, iI dla tej aktywno?ci konieczna, jest obecno?@ grupy (cid:1)-metylenowej.
Uwodornienie bowiem wiBzania podwójnego (NaBH /MeOH) (6) powoduje utratH tej
4
aktywno?ci biologicznej. Jest to, jak sugerujB autorzy zwiBzane z Fatwo?ciB, z jaka (cid:1)-
metylenowy fragment zwiBzku reaguje z tiolowBgrupBenzymów pasoIyta.