A new epothilone-analogue with high biological activity on MDR cell lines and the ability to pass the blood-brain- barrier

Abstract

Epothilone and its derivatives, a class of novel natural products, were first isolated by Höfle from a strain of the Sorangium genus. Owing to their antifungal and antitumor activities, as well as their microtubule-binding properties, particularly their cytotoxic effects against drug-resistant tumor cell lines, epothilones have garnered significant interest in the fields of chemistry, biology, and medicine. Accordingly, our project aims to develop the synthesis of a new epothilone derivative 170 with superior behavior over known tubulin blinders, while also overcoming resistance issues and improving physical characteristics for crossing the blood-brain barrier. The retrosynthetic synthesis of the fragment 170 identified three key intermediates fragments 173, 175 and 176. Initially, we tested the strategy outlined in Schinzer’s method, however, the Reformatsky reaction was found to be incompatible with our system. As an alternative, we applied the approach reported by Schering AG published in 2005 to synthesize key intermediate 176. Starting from (D)-pantolactone, aldehyde 72 was synthesized on a multigram scale. To construct the side chain at C6, aldehyde 72 took part in a Grignard reaction. Notably, the availability of various Grignard reagents offers a wide range of possibilities for modifying biological activity by introducing different functional groups. Consequently, ketone 176 was synthesized using 72 and benzylbromomagnesium followed by an oxidation step. Over the course of the 12-step synthesis, the overall yield for this component exceeded 12%. The secondary fragment 210, subsequently oxidized to the corresponding aldehyde 175, was synthesized from cyclohexanone 204. Through a four-step process, 6- phenylhept-6-enotic acid 202 was prepared and utilized for the synthesis of acyl chloride 195. This intermediate was then reacted with oxazolidinone auxiliary 194 to yield amide 193 with 81% yield. The steric hindrance provided by the auxiliary was utilized to control the orientation of new substituents, successfully establishing the chiral center at C8. Following the removal of the oxazolidinone auxiliary, segment 210 was obtained with a total yield of 17%. Utilizing existing fragment 213, we tested two methods to incorporate fragment 210 to achieve E-alkene configuration at C12-C13. The first method involved a Wittig reaction, in which the thiazole segment 213 was converted into Wittig salts over two steps as the starting materials. Meanwhile, alcohol 210 was protected with a TBS group to yield intermediate 221, which was subsequently oxidized to form ketone 222. The Wittig salts were treated with NaHMDS to generate the ylid, and ketone 222 was added to ylid solution at -78 °C for several hours. However, none of the attempted reactions successfully yielded the desired alkene. The second approach employed the Julia-Kocienski olefination. After evaluating a series of precursor alkyl sulfones, which are critical for controlling selectivity, we selected 1-tert-butyl-5- mercaptotetrazole 233 as the starting material for the preparation of sulfone 239. A mixture of 1 equiv. ketone 222, 1 equiv. sulfone 239 and 1.1 equiv. LiHMDS (1 mol/L in THF) was stirred at -78 °C for 3 h, resulting in the desired alkene 225b with a 68% yield. Additionally, stereochemical analysis of the alkene product showed a Z/E selectivity ratio of 2:98. In order to synthesis the desired molecule, we attempted a one-pot aldol reaction to couple 225b with ketone 176. The intermediate 239 was synthesized from 225b in two steps. However, the coupling of fragments 239 and 176 proved unsuccessful, despite exploring several strategies, including the aldol reaction, Reformatsky reaction, and Mukaiyama reaction. This unresolved challenge presents a major barrier to completing the total synthesis of the macromolecule, highlighting the necessity for innovative strategies to address this critical limitation.

Epothilon und seine Derivate, eine Klasse neuartiger Naturstoffe, wurden erstmals von Höfle aus einem Stamm der Gattung Sorangium isoliert. Aufgrund ihrer antimykotischen und antitumoralen Aktivitäten sowie ihrer Mikrotubuli-bindenden Eigenschaften, insbesondere ihrer zytotoxischen Wirkung gegen arzneimittelresistente Tumorzelllinien, haben Epothilone großes Interesse in den Bereichen Chemie, Biologie und Medizin geweckt. Dementsprechend zielt unser Projekt darauf ab, die Synthese eines neuen Epothilon-Derivats zu entwickeln, das ein besseres Verhalten als die bekannten Tubulin-Blinder aufweist, während es gleichzeitig Resistenzprobleme überwindet und die physikalischen Eigenschaften für die Überwindung der Blut-Hirn-Schranke verbessert. Bei der retrosynthetischen Synthese des Fragments 170 wurden drei wichtige Zwischenprodukte identifiziert: die Fragmente 173, 175 und 176. Zunächst testeten wir die in der Methode von Schinzer aus dem Jahr 1998 beschriebenen Strategie, jedoch erwies sich die Reformatsky-Reaktion als inkompatibel mit unserem System. Als Alternative wendeten wir den von der Schering AG im Jahr 2005 veröffentlichten Ansatz zur Synthese des Schlüsselintermediats 176 an. Ausgehend von (D)- Pantolacton wurden die Aldehyde 72 im Multigramm-Maßstab synthetisiert. Um die Seitenkette an C6 aufzubauen, nahmen die Aldehyde 72 an einer Grignard-Reaktion teil. Die Verfügbarkeit verschiedener Grignard-Reagenzien bietet eine breite Palette von Möglichkeiten zur Veränderung der biologisc hen Aktivität durch Einführung verschiedener funktioneller Gruppen. Folglich wurde das Keton 176 unter Verwendung von 72 und Benzylbrommagnesium synthetisiert, gefolgt von einem Oxidationsschritt. Im Verlauf der 12-stufigen Synthese lag die Gesamtausbeute für diese Komponente bei über 12 %. Das sekundäre Fragment 210, das anschließend zu dem entsprechenden Aldehyd 175 oxidiert wurde, wurde aus Cyclohexanon 204 synthetisiert. In einem vierstufigen Prozess wurde die Säure 202 hergestellt und für die Synthese von Acylchlorid 195 verwendet. Dieses Zwischenprodukt wurde dann mit dem Oxazolidinon-Hilfsstoff 194 umgesetzt, um das Amid 193 mit einer Ausbeute von 81 % zu erhalten. Die sterische Hinderung durch das Hilfsmittel wurde genutzt, um die Ausrichtung der neuen Substituenten zu kontrollieren und das chirale Zentrum an C8 erfolgreich zu etablieren. Nach der Entfernung der Oxazolidinon-Hilfsstoffe wurde das Segment 210 mit einer Gesamtausbeute von 17 % erhalten. Unter Verwendung des vorhandenen Fragments 213 testeten wir zwei Methoden zur Einbindung des Fragments 210, um eine E-Alken-Konfiguration an C12-C13 zu erreichen. Bei der ersten Methode handelte es sich um die Wittig-Reaktion, bei der das Thiazolsegment 213 in zwei Schritten in Wittig-Salze als Ausgangsstoffe umgewandelt wurde. In der Zwischenzeit wurde der Alkohol 210 mit einer TBS- Gruppe geschützt, um das Zwischenprodukt 221 zu erhalten, das anschließend zum Keton 222 oxidiert wurde. Die Wittig-Salze wurden mit NaHMDS behandelt, um jlide zu erzeugen. Keton 222 wurde der jlid-Lösung bei -78 °C für mehrere Stunden zugesetzt. Keine der versuchten Reaktionen führte jedoch zu dem gewünschten Alken. Der zweite Ansatz war die Julia-Kocienski-Olefinierung. Nach Auswertung einer Reihe von Vorläufer-Alkylsulfonen, die für die Kontrolle der Selektivität entscheidend sind, wählten wir 1-tert-Butyl-5-mercaptotetrazol 233 als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Sulfon 239. Ein Gemisch aus 1 Äquivalent Keton 222, 1 Äquivalent Sulfone 239 und 1,1 Äquivalent LiHMDS (1 mol/L in THF) wurde 3 Stunden lang bei -78 °C gerührt und ergab das gewünschte Alken 225b mit einer Ausbeute von 68 %. Die stereochemische Analyse des Alkenprodukts ergab ein Z/E-Selektivitätsverhältnis von 2:98. Um das gesamte Molekül zu synthetisieren, versuchten wir eine Ein-Topf-Aldol- Reaktion, um 225b mit dem Keton 176 zu koppeln. Das Zwischenprodukt 239 wurde aus 225b in zwei Schritten synthetisiert. Die Kopplung der Fragmente 239 und 176 erwies sich jedoch als erfolglos, obwohl verschiedene Strategien wie die Aldol- Reaktion, die Reformatsky-Reaktion und die Mukaiyama-Reaktion erprobt wurden. Diese ungelöste Aufgabe stellt ein großes Hindernis für die Vollendung der Makromolekülsynthese dar und unterstreicht die Notwendigkeit innovativer Strategien, um diese kritische Einschränkung zu überwinden.