Lincomycin Analogues: New Applications of 1 - ETH E

Diss. ETH. 18012
Lincomycin Analogues:
New Applications of 1-Nitropyranoses
and
The Search For 1-Nitropiperidinoses
Submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZÜRICH
for the degree of
Doctor of Sciences
Presented by
Marie-Pierre Collin
Diplôme d’ingénieur – Master of Sciences
Ecole Nationale Supérieure de Chimie, Montpellier, France
born November 26th, 1979
citizen of France
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Andrea Vasella, Examiner
Prof. Dr. Peter Seeberger, Co-examiner
Zürich, 2008
Abstract
The aim of this thesis is to develop new methods related to anomeric C-nitro derivatives, and
to apply them to the synthesis of novel analogues of lincomycin. Lincomycin and
clindamycin are antibiotics used for the treatment of infections caused by Gram-positive
bacteria.
The cavity around C(1) of clindamycin seen in the crystal structure of its complex with the
50S ribosomal subunit of Deinococcus radiodurans suggests that substitutions at C(1) and the
introduction of groups larger than the C(1)–SMe group may add favourable interactions with
the nucleobases of the bacterial ribosome. To obtain such analogues, I intended to develop the
chemistry of nitroethers, to elaborate a method to prepare 1-nitropiperidinoses, and to apply
the results to the synthesis of C(1) mono- or di-C-substituted pyranose and piperidinose
analogues of lincomycin.
S-Aryl and S-arylalkyl analogues of lincomycin were obtained by S-glycosylation of the
lincosamine-derived sulfoxides with arylthiols, or by S-alkylation of the glycosyl thiol with
alkyl bromides. A protected 1-C-nitro-1-deoxy lincosamine was synthesized, and C(1)–
alkylated lincomycin derivatives (ulosides) were obtained by Henry reaction or Michael
addition of these 1-deoxy-1-nitropyranoses, followed by solvolytic substitution of the tertiary
nitro group by SMe. These lincosamine derivatives were coupled to propylhygric acid, and
deprotected to afford C(1)-substituted lincomycins.
These lincomycin analogues (as well as the other analogues described below) were tested
against both lincomycin-sensitive and lincomycin-resistant Mycobacterium smegmatis strains,
relying on the genetic model developed by Böttger et al. which allows to assess the activity
and the specificity (and thus the toxicity) of any new antibiotics. The S-alkyl derivatives were
found to be as active and selective as lincomycin. The lipophilic uloside analogues of
lincomycin were 2 to 4 times less active than lincomycin, whilst the hydrophilic analogues
turned out to be inactive.
To establish a method to obtain 1-deoxy-1-nitro-piperidinoses and to use them for the
synthesis of C(1)-substituted, chain-elongated piperidinose analogues of lincomycin, I first
developed a route to glucose-derived 1-deoxy-1-nitropiperidinoses and then applied the
method to the synthesis of a 1-nitropiperidinose derived from lincosamine.
To disfavour elimination of the anomeric nitro group in 2-nitropiperidine, both N-(tertbutyloxy)carbonylated1 and N-tosylated piperidinose-derivatives were synthesized. After
several attempts to prepare the desired compounds via the lactam-oxime 217, or the N–
bocylated amino-oximes 223, or by oxidation of anomeric azides 228 with HOF (hypofluorus
acid) or of anomeric phosphimines 230 by ozone, I obtained the 1-nitropiperidinoses 220, 237
and 245 by ozonolysis of anomeric piperidinose-derived nitrones, as evidenced by IR and
NMR
spectroscopy.
The
nitrones
were
obtained
by
oxidising
the
cyclic
N-
benzylhydroxylamines that were formed upon treatment of protected N,O-hemiacetals with Nbenzylhydroxylamine in 58 to 78% yield from the corresponding N,O-hemiacetals. However,
cleavage of the anomeric C,N-bond of the N-bocylated 1-nitropiperidinose 237 occurred
readily upon warming to ambient temperature and/or upon removing the solvent. The
similarly synthesized N-tosylated 1-nitropiperidinose 245 was stable up to temperatures of ca.
–10°; above this temperature, the anomeric nitro group was replaced by a hydroxy group.
All attempts to study the reactivity of the highly reactive, protected nitropiperidinoses towards
aldehydes and Michael acceptors failed to lead to the expected products.
Finally, the amide moiety of lincomycin was replaced by a 1,2,3-triazole ring, since 1,2,3triazoles are known peptide analogues resistant to hydrolytic cleavage and oxidative
transformations. The 1,2,3-triazoles were readily prepared by [3+2] cycloaddition of the
C(6)–azide derived from lincosamine and the C(2)–alkyne derived from propylhygric acid. A
small library of 1,2,3-triazole analogues of lincomycin was synthesized, substituting the
proline ring by acyclic substituents, cycloalkyl groups, or by an aromatic ring. These
analogues were inactive towards wild type ribosomes and mutants.
1
For simplification, N-(tert-butyloxy)carbonyl will be replaced by N-bocyl
Résumé
Cette thèse a pour but le développement de nouvelles méthodes associées aux dérivés
anomères C-nitro et de les appliquer à la synthèse d’analogues innovants de la lincomycin. La
lincomycin et la clindamycin sont des antibiotiques utilisés pour le traitement des infections
causées par les bactéries ‘Gram-positif’.
La structure cristallographique de la clindamycin complexée à la sous-unité 50S du ribosome
du Deinococcus radiodurans a permis de mettre en évidence une cavité autour de C(1). Cet
espace permettrait d’introduire des substituants en position anomère de la lincomycin ou de
remplacer le groupe C(1)–SMe par un groupe plus large, pouvant ainsi former de nouvelles
interactions avec l’ARN ribosomal. Les analogues envisagés ont été obtenus par l’utilisation
de C(1)–nitroéthers, par l’élaboration d’une méthode de synthèse de C(1)-nitropipéridinoses
et par l’application de ces méthodes à la synthèse de dérivés pyranoses et pipéridinoses de la
lincomycin, mono- ou di-C-substitués en position C(1).
Les dérivés S-alkylés et S-arylalkylés ont été obtenus par S-glycosylation de sulfoxides
dérivés de la lincomycin avec des arylthiols ou par S-alkylation du glycosyl thiol avec des
bromures d’alkyles. Les dérivés de la lincomycin substitués en position C(1) (ulosides) ont
été préparés à partir de 1-deoxy-1-nitropyranoses dérivés de la lincomycin, par réaction de
Henry ou par addition de Michael. Ces analogues de la lincomycin (et les analogues décrits
ci-dessous) ont été testés sur des souches de Mycobacterium smegmatis sensibles et
résistantes à la lincomycin, ces tests s’appuyant sur le modèle génétique développé par
Böttger et al., qui permet d’établir l’activité et la spécificité (et donc la toxicité) des nouveaux
antibiotiques. Les dérivés S-alkylés de la lincomycin ont montré une activité et une sélectivité
semblables à celle de la lincomycin. Les ulosides lipophiliques étaient 2 à 4 fois moins actifs
que la lincomycin, alors que les ulosides hydrophiliques étaient inactifs.
Pour établir une méthode de synthèse des 1-déoxy-1-nitropipéridinoses, utilisés pour la
synthèse de pipéridinoses à chaîne allongée, analogues de la lincomycin, substitués en C(1),
j’ai tout d’abord établi une voie permettant la synthèse de 1-nitropipéridinoses sur les derivés
du glucose et adapté celle-ci à la synthèse de 1-nitropipéridinoses, derivées de la lincosamine.
Pour défavoriser l’élimination du group nitro en position anomère, les N-bocylés et N-tosylés
1-nitropipéridinoses ont été préparées. Après plusieurs essais de préparation de ces
intermédiaires via la lactame-oxime 217, ou les amino-oximes N-bocylées 223, ou par
oxydation d’azides anomères 228 avec HOF (acide hypofluoreux), ou de phosphimines
anomères 230 par l’ozone, les 1-nitropipéridinoses 220, 237 and 245 ont été obtenues par
ozonolyse de pipéridinosyl-nitrones, caractérisées par spectroscopie IR et RMN. Ces nitrones
ont été synthétisées par oxydation de N-benzylhydroxylamines cycliques, préparées par
traitement des N,O hémiacétales correspondantes avec N-benzylhydroxylamine, avec un
rendement de 58 à 78% à partir des N,O hémiacétales respectives. Cependant, la coupure de la
liaison anomère C,N de la nitropipéridinose N-bocylées 237 se produit lorsque le milieu
réactionnel est ramené à température ambiante et/ou lorsque le solvant est évaporé. La 1nitropipéridinose N-tosylée 245 était stable jusqu’à –10°C ; au-dessus de cette température, le
groupe nitro anomère a été remplacé par un groupe hydroxy.
Tous les essais effectués afin d’étudier la réactivité de ces 1-nitropipéridinoses sur des
aldéhydes ou des accepteurs de Michael ont échoué.
Enfin, la fonction amide de la lincomycin a été remplacée par un cycle 1,2,3-triazole. Les
1,2,3-triazoles sont connus pour être des analogues de peptides résistants aux coupures
hydrolytiques et aux transformations oxydantes. Les analogues 1,2,3-triazoles ont été préparés
par des cycloadditions [3+2] du C(6)-azide dérivé de la lincosamine et du C(2)-alcyne dérivé
de l’acide propylhygrique. Une librairie d’analogues 1,2,3-triazoles de la lincomycin a été
préparée, la proline ayant été remplacée par des substituants acycliques, par des groupes
cycloalkylés ou par des cycles aromatiques. Ces nouveaux analogues de la lincomycin se sont
avérés inactifs.