HIGHLIGHTS

Angew. Chem. 2002, 114, Nr. 22 ¹ 2002 WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim 0044-8249/02/11422-4391 $ 20.00+.50/0 4391

Erste De-novo-Synthese des Bisindolalkaloids Vinblastin

Christoph Schneider*

Die Bisindolalkaloide Vinblastin 1a und Vincristin 1b(siehe Schema 1), Ende der f¸nfziger Jahre unabh‰ngigvoneinander von den Gruppen um Noble und Svobodaisoliert,[1a] haben sich in der Folge aufgrund ihrer ‰u˚erstpotenten cytotoxischen Aktivit‰t zu begehrten Forschungs-zielen in Medizin, Biologie und Chemie entwickelt[2] undwerden gegenw‰rtig bei der Therapie insbesondere schnellwachsender Tumorarten (Leuk‰mie, Lymphome) eingesetzt.Die chemische Struktur von 1b konnte schon fr¸h vollst‰ndigvon Lipscomb und Moncrief durch Kristallstrukturanalysedes Methiodids gelˆst[1b] und aufgrund der bekannten Ver-wandtschaft beider Naturstoffe auf 1a ¸bertragen werden.Ein pentacyclisches, relativ starres Vindolin-Alkaloid ist ¸bereine zentrale, imMolek¸linnern verborgene C-C-Bindungmiteinem tetracyclischen, konformativ flexiblen Velbanamin-Fragment verbunden.

Extensive Biosyntheseuntersuchungen legen die monome-ren Indolalkaloide Catharanthin 2 und Vindolin 3 als direktebiogenetische Vorl‰ufer nahe (Schema 1),[2] die nach oxida-tiver Aktivierung des Catharanthins ± mˆglicherweise als

NH

N

N

N

MeO2C

H

OHOAc

CO2Me

H

OH

MeO

NH N

N

H

OHOAc

CO2Me

H

MeO

N

CO2MeCH3

R

18'15

Catharanthin 2 Vindolin 3

6'

3

1

1'

1

1a: R = CH3

1b: R= CHO

Schema 1. Vinblastin 1a und Vincristin 1b sowie die biogenetischenVorl‰ufer von 1a.

7-Hydroperoxyindolenin ± zum Anhydrovinblastin gekuppeltund schlie˚lich in Vinblastin umgewandelt werden. Diepotente cytotoxische Wirkung beruht auf einer antimitoti-schen Aktivit‰t, die in einer Inhibierung der Tubulinpolyme-risation besteht und damit die Zellteilung verhindert.[2] Pro-blematisch und letztlich auch dosislimitierend sind Neben-wirkungen auf das blutbildende (Vinblastin) bzw. dasNervensystem (Vincristin).

W‰hrend die Monomere Catharanthin 2 und Vindolin 3 ingrˆ˚eren Mengen aus Catharanthus roseus gewonnen werdenkˆnnen, sind Vinblastin und Vincristin selbst dort nur inSpuren vorhanden, weshalb schon fr¸h semisynthetischeStrategien zu ihrem Aufbau verfolgt worden sind, die in allerRegel zumindest aus nat¸rlichen Ressourcen gewonnenesVindolin als Ausgangssubstrat verwendeten. Dabei zeigtensich bald Schwierigkeiten, das f¸r die biologische Aktivit‰tessenziell wichtige quart‰re C(18�)-Chiralit‰tszentrum stereo-chemisch korrekt aufzubauen. Die Gruppen um Potier undLanglois,[3] Kutney,[4] Kuehne[5] und Magnus[6] konnten diesesProblem in ihren jeweiligen Vinblastin-Synthesen elegantlˆsen, jedoch bedienten sie sich alle nat¸rlichen Vindolins alsAusgangsmaterial f¸r ihre Synthesen.

Nach ¸ber 40 Jahren intensiver Vinblastin-Forschung istnun Fukuyama et al. die erste vollst‰ndige Totalsynthesegelungen, die den Naturstoff aus einfachen Edukten in einerGesamtausbeute von 1% zug‰nglich macht[7] und damiterstmals die Mˆglichkeit bietet, breiter angelegte Struktur-Aktivit‰ts-Studien durchzuf¸hren, die auch das Vindolin-Fragment des Naturstoffs mit einschlie˚en.

AusreichendeMengen an synthetischemVindolin 3wurdenmithilfe einer neuen Indolsynthese erhalten, die Chinoline alsEdukte verwendet (Schema 2).[8] Die Reaktion von 7-(Me-thylsulfonyloxy)chinolin 4 mit Thiophosgen/NaBH4 f¸hrte zueiner reduktiven ÷ffnung des Heterocyclus zum Isothiocya-nat 5, an das ein unsymmetrischer Malonester addiert wurde,wodurch das Thioanilid 6, das eigentliche Substrat f¸r dieIndolsynthese, erhalten wurde. Die bekannte Thiophilie desTributylzinn-Radikals wurde nun genutzt, um unter klassi-schen Bu3SnH/AIBN-Bedingungen aus 6 ein N,S-substituier-tes C-Radikal zu erzeugen, das in einer 5-exo-Cyclisierung mitder benachbarten Doppelbindung reagierte und nach In-situ-Eliminierung von BuSnSH das fertige Indolger¸st 7 vonVindolin ergab.

Die selektive Spaltung des Malonesters ebnete denWeg f¸reine decarboxylierende Mannich-Reaktion zum konjugierten

[*] Priv.-Doz. Dr. C. SchneiderInstitut f¸r Organische ChemieGeorg-August-Universit‰tTammannstra˚e 2, 37077 Gˆttingen (Deutschland)Fax: (�49)551-399660E-mail : cschnei1@gwdg.de

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4392 ¹ 2002 WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim 0044-8249/02/11422-4392 $ 20.00+.50/0 Angew. Chem. 2002, 114, Nr. 22

Ester 8, der ¸ber die anschlie˚end freigesetzte OH-Funktionunter Mitsunobu-Bedingungen mit dem enantiomerenreinenSulfonamid 9 (Synthese hier nicht gezeigt) zu 10 gekuppeltwurde. Die Dinitrosulfonyl(DNs)-Schutzgruppe f¸r N(6)wurde aus zwei Gr¸nden gew‰hlt: Sie ermˆglicht eine leichteN-Alkylierung durch Mitsunobu-Reaktion, und sie l‰sst sichdurch Nucleophile unter extrem milden Bedingungen ab-spalten. Ihre Verwendung wurde im Kontext dieser Natur-stoffsynthese eigens entwickelt.[9]

In der Form von Verbindung 10 ist bereits das vollst‰ndigeVindolin-Kohlenstoffger¸st in teilweise acyclischer Form auf-gebaut. Sehr elegant folgte nun in lediglich zwei einfachenSyntheseoperationen der sterochemisch korrekte Aufbau desABCDE-Ringsystems. Unter sauren Bedingungen wurdezun‰chst der Enolether zum Lactol 11 hydratisiert, anschlie-˚end das zentrale N(6) durch Reaktion mit Pyrrolidin ent-sch¸tzt, wobei sich das Aminolactol in das cyclische Hydroxy-enamin 12 (E-Ring) umwandelte. Dieses ging beim Erhitzeneine intramolekulare Diels-Alder-Reaktion mit inversemElektronenbedarf mit der gegen¸berliegenden Dieneinheitein und lieferte stereoselektiv das pentacyclische Vindolin-Ringsystem 13 in 73% Ausbeute. Damit folgten die Autorenin ihrer Synthese des CD-Ringsystems dem von Wenkert undScott vorgeschlagenen Biogeneseweg[10] sowie biomimeti-schen Synthesen einer ganzen Reihe von Indolalkaloidendurch Kuehne et al.[11]

Die ‹berf¸hrung von 13 in Vindolin 3 lehnt sich eng anArbeiten von Danieli et al.[12] zur stereoselektiven Einf¸hrungder Hydroxygruppen an C(3) und C(4) an. Nach regioselek-tiver Elimierung der sekund‰ren Hydroxyfunktion im E-Ringund Schutzgruppenaustausch an der phenolischen Hydroxy-gruppe des A-Rings erfolgte durch Benzolselenins‰ureanhy-

drid die Dehydrierung zum konjugierten Imin, das an C(4)hydratisiert wurde und 14 lieferte. Durch Behandlung mitmeta-Chlorperbenzoes‰ure wurde 14 zun‰chst an C(3) oxi-diert und anschlie˚lich durch Iminreduktion und reduktiveAminierung an N(1) methyliert. Bemerkenswerterweise fandsowohl die Einf¸hrung der Hydroxygruppen als auch dieIminreduktion stereoselektiv jeweils auf der �-Seite desVindolinger¸sts statt, vermutlich weil die benachbarte Ethyl-gruppe die �-Seite sterisch abschirmt. Vindolin 3 ist damitsehr effizient in ¸ber 6% Gesamtausbeute (ausgehend von 4)zug‰nglich.

F¸r die Ankn¸pfung des Velbanamin-Fragments wurde ein11-gliedriger N-Heterocyclus 21 ins Auge gefasst, in dem erstnach erfolgter Kupplung mit Vindolin die Cyclisierung zumPiperidinring durch intramolekulare SN-Reaktion am Tosylaterfolgen sollte (Schema 3). Umfassende Untersuchungen vonSchill et al. an ‰hnlichen Modellverbindungen hatten gezeigt,dass die aromatische Substitution an Vindolin mit einemsolchen Substrat die korrekte Konfiguration an C(18�) erge-ben sollte.[13]

F¸r die Synthese des Indolkˆrpers 21 wurde erneut diebew‰hrte Fukuyama-Methode unter radikalischen Bedingun-gen angewendet. Das erforderliche Thioanilid 17 wurde zudiesem Zweck aus dem Isothiocyanat 15 durch Addition desEsters 16 (Synthese hier nicht gezeigt) generiert, die radika-lische Cyclisierung mit Bu3SnH/Et3B lieferte dann bereits beiRaumtemperatur das Indol 18 in 67% Ausbeute. EinigeSchutzgruppenmanipulationen und erneute Mitsunobu-Re-aktion mit 4-Nitrobenzolsulfonylamid ergaben schlie˚lich dasSulfonamid 19, das durch Reaktion mit K2CO3 in refluxie-rendem DMF eine intramolekulare SN2-Reaktion am Epoxideinging und damit den 11-gliedrigen N-Heterocyclus 20 in

NMsO

THPO

NCSMsO

THPO

NH

MsO

S

CO2Me

CO2BnNH

MsOCO2Me

CO2Bn

OTHP

NMsOCO2Me

OTHP

NMsOCO2Me

NO

ODNsHN

NH

MsOCO2Me

NO OH

DNs

NH

MsOCO2Me

NOH

NH

N

CO2MeMsO

OH

NH

NH

MeO OHCO2Me

BocBoc

DNs

A B C

D E

4 5 6 7

810

9

11

6

12 13

3

14

a)-c)

65%

d) e)

f)-h) 43% (von 5)

i)-k)

79%

l)

m)

73%

(von 10)

n)-q)

71% 58%1 3

4

r)-u)4

3

Schema 2. Synthese von Vindolin 3 durch eine neuartige Indolsynthese nach Fukuyama et al. a) CSCl2, Na2CO3; b) NaBH4, MeOH; c) Dihydropyran, H� ;d) Benzylmethylmalonat, NaH; e) Bu3SnH, AIBN; f) Boc2O, NEt3; g) Pd/C/H2; h) Me2NH ¥HCl, HCHO; i) MeOH, H�, k) DEAD, PPh3, 9 ; l) TFA, Me2S;m) Pyrrolidin, 0�50 �C; n) PPh3, CCl4; o) KOH,MeOH; p) KOtBu, MeI; q) (PhSeO)2O; r) mCPBA,MeOH; s) HCl, Na(CNBH3); t) HCHO, Na(CNBH3);u) Ac2O, NaOAc. AIBN�Azobisisobutyronitril, DEAD�Diethylazodicarboxylat, Boc� tert-Butoxycarbonyl, TFA�Trifluoressigs‰ure, mCPBA�meta-Chlorperbenzoes‰ure; Ms�Methylsulfonyl, THP�Tetrahydropyranyl, Bn�Benzyl.

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Angew. Chem. 2002, 114, Nr. 22 ¹ 2002 WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim 0044-8249/02/11422-4393 $ 20.00+.50/0 4393

82% Ausbeute ergab. Weitere Standardreaktionen f¸hrtenschlie˚lich zur zweiten Schl¸sselverbindung 21 (2% Gesamt-ausbeute ¸ber die l‰ngste lineare Sequenz).

F¸r die kritische Verkn¸pfung der Fragmente 3 und 21 zurBildung der zentralen C(15)-C(18�)-Bindung in Vinblastinwurde nun auf die bew‰hrte, von den Gruppen um Kutney

und Neuss eingef¸hrte Indol-Aktivierung mit tBuOCl zu-r¸ckgegriffen,[14] die aus 21 das Chlorindolenin 22 bildete, dasdurch Reaktion mit Trifluoressigs‰ure weiter zum Iminium-salz 23 aktiviert wurde (Schema 4). In einer elektrophilenaromatischen Substitutionsreaktion gelang die Kupplung mitVindolin 3 nahezu quantitativ, wobei der Vinblastin-Vorl‰ufer24 mit korrekter und einheitlicher (18�S)-Konfiguration ent-stand. Dieses stereochemische Resultat ist in Einklang mit derBildung einer E-konfigurierten C(17�)-C(18�)-Doppelbindungin 23 und der anschlie˚enden, durch die Ringkonformation des11-gliedrigen Heterocyclus gesteuerten nucleophilen Additionvon Vindolin auf der Vorderseite des Molek¸ls.[13] Entsch¸t-zung der Alkohol- und Aminogruppen im Velbanamin-Frag-ment f¸hrte dann direkt zur Cyclisierung zum Piperidinring,womit die Synthese von 1a vervollst‰ndigt wurde.

Die hier vorgestellte Synthese machte nicht nur zum erstenMal das biologisch hochaktive und pharmakologisch inte-ressante Bisindolalkaloid Vinblastin totalsynthetisch zug‰ng-lich und ebnete den Weg f¸r Synthesen von analogen undpotenziell πbesseren™ Verbindungen auf dieser Route, son-dern es wurden in ihrem Kontext auch leistungsf‰hige neueMethoden entwickelt, die bei der Lˆsung anderer Synthese-probleme ebenfalls wertvolle Dienste leisten werden.

[1] a) R. L. Noble, C. T. Beer, J. H. Cutts, Ann. N. Y. Acad. Sci. 1958, 76,882; G. H. Svoboda, N. Neuss, M. Gorman, J. Am. Pharm. Assoc. 1959,48, 659; b) J. W. Moncrief, W. N. Lipscomb, Acta Crystallogr. 1966, 21,311.

[2] Umfassende ‹bersicht ¸ber Medizin, Biologie und Chemie derBisindolalkaloide: The Alkaloids, Vol. 37 (Hrsg.: A. Brossi), Acade-mic Press, New York, 1990.

[3] P. Mangeney, R. Z. Andriamialisoa, N. Langlois, Y. Langlois, P. Potier,J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 2243.

[4] J. P. Kutney, L. S. L. Choi, J. Nakano, H. Tsukamoto, M. McHugh,C. A. Boulet, Heterocycles 1988, 27, 1845.

[5] M. E. Kuehne, P. A. Matson, W. G. Bornmann, J. Org. Chem. 1991, 56,513.

[6] P. Magnus, J. S. Mendoza, A. Stamford, M. Ladlow, P. Willis, J. Am.Chem. Soc. 1992, 114, 10232.

[7] S. Yokoshima, T. Ueda, S. Kobayashi, A. Sato, T. Kuboyama, H.Tokuyama, T. Fukuyama, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 2137.

[8] H. Tokuyama, T. Yamashita, M. T. Reding, Y. Kaburagi, T. Fukuyama,J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 3791.

[9] T. Fukuyama, C.-K. Jow, M. Cheung,Tetrahedron Lett. 1995, 36, 6373; T.Fukuyama, M. Cheung, C.-K. Jow, Y.Hidai, T. Kan, Tetrahedron Lett. 1997,38, 5831.

[10] E. Wenkert, J. Am. Chem. Soc. 1962, 84,98; A. I. Scott, Acc. Chem. Res. 1970, 3,151.

[11] Siehe unter anderem: M. E. Kuehne,D. E. Podhorez, J. Org. Chem. 1985, 50,924; M. E. Kuehne, D. E. Podhorez, T.Mulamba, W. G. Bornmann, J. Org.Chem. 1987, 52, 347.

[12] B. Danieli, G. Lesma, G. Palmisano, R.Riva, J. Chem. Soc. Chem. Commun.1984, 909.

[13] G. Schill, C. U. Priester, U. F. Windhˆ-vel, H. Fritz, Tetrahedron 1987, 43, 3765.

[14] N. Neuss, M. Gorman, N. J. Cone, L. L.Huckstep, Tetrahedron Lett. 1968, 783;J. P. Kutney, J. Beck, F. Bylsma, W. J.Cretney, J. Am. Chem. Soc. 1968, 90,4504.

THPO

NCS

THPO

NH

S

NH

MsO

OTES

OTBDPS

OTMS

MeO2C

THPOOTES

MeO2C

OTMS

OTBDPS

OTES

OTBDPS

OTMS

MeO2C

NMsO

NsHN

OTBDPS

O

MeO2CBoc

NMsO

OTBDPSMeO2CBoc

NNs

OH

NH

MsO

OTsMeO2C

NNs

OTFA

15

17

18

16

+ a)

b)

19

20 21

76%

67%

c)-g)

41%

h) 82%

i)-l)

67%

Schema 3. Synthese des 11-gliedrigen N-Heterocyclus 21 als Velbanamin-Fragment. a) LDA; b) Bu3SnH, Et3B; c) Boc2O, NEt3; d) AcOH/H2O;e) TsCl, Bu2SnO, NEt3; f) NaHCO3, DMF; g) NsNH2, DEAD, PPh3;h) K2CO3, DMF; i) TFA; k) TsCl, Me2N(CH2)3NMe2; l) TFAA, Pyridin.LDA�Lithiumdiisopropylamid, Ts�Tolylsufonyl, DMF�Dimethylform-amid, Ns� 4-Nitrobenzolsulfonyl, TFAA�Trifluoressigs‰ureanhydrid;TES�Triethylsilyl, TMS�Trimethylsilyl, TBDPS� tert-Butyldiphenyl-silyl.

NH

MsO

NH

MsO

NNs

OCOCF3

MeO2C

N

N

CO2Me

H

MeO OAcOH

CH3H

OTsNH

N

N

N

MeO2C

H

OHOAc

CO2Me

H

OH

MeO

CH3

N

OTs

OCOCF3

NsO

OMe

Cl

NH

MsO

N

OTs

OCOCF3

NsO

OMe

21

18'

15

22 23

241a

a) b)

97% (von 21)

c)-e)

50%

+

Schema 4. Endsynthese von Vinblastin 1a. a) tBuOCl; b) TFA, Vindolin 3 ; c) NEt3, MeOH;d) HSCH2CH2OH, DBU; e) NaHCO3, iPrOH. DBU� 1,6-Diazabicycloundecen.