生物活性を有するポリケチド型天然有機化合物の全合成研究
概要
生物活性を有するポリケチド型
天然有機化合物の全合成研究
東北大学大学院農学研究科
生物産業創成科学専攻
生物有機化学分野
武田 圭太
指導教員: 桑原 重文 教授
目次
緒言
1
本論
3
第一章
計算化学支援による cremenolide の合成と構造改訂
1.1
序文
3
1.2
Cremenolide の構造
6
1.3
Cremenolide の合成
11
1.4
Cremenolode の構造改訂
18
1.5
総括
21
1.6
参考文献
22
1.7
Experimental section
23
第二章
多様な薬理活性を有する nonthmicin の合成研究
2.1
序文
47
2.2
Nonthmicin の合成戦略
49
2.3
南東部位 28 の合成
50
2.4.
西部位 26 の合成
61
2.5.
総括
63
2.6.
参考文献
64
2.7.
Experimental section
65
結言
74
謝辞
75
附表
略語一覧
本論文中では簡単のため以下に示す略語を用いた。
Ac
acetyl
Bu
butyl
COSY
correlation spectroscopy
d
doublet
DCC
N,N’-dicyclohexylcarbodiimide
DCE
1,2-dichloroethane
DFT
density functional theory
DIAD
diisopropylazodicarboxylate
DIBAL
diisobutylaluminium hydride
DMAP
4-dimethylaminopyridine
DMEAD
bis(2-methoxyethyl)azodicarboxylate
DMF
dimethylformamide
DMSO
dimethyl sulfoxide
Et
ethyl
HMBC
heteronuclear multiple bond correlation
HMDS
hexamethyldisilazanide
HMPA
hexamethylphosphoramide
HWE
Horner-Wadsworth-Emmons
i
iso
LG
leaving group
m
multiplet
n
normal
nr
no reaction
Me
methyl
MS
mass spectrum
Ms
mesyl
NMR
nuclear magnetic resonance
Ph
phenyl
Pr
propyl
PTLC
preparative thin layer chromatography
q
quartet
RMS
root mean square
s
singlet
t
triplet
TBAF
tetra-n-butylammonium fluoride
TBS
tert-butyldimethylsilyl
THF
tetrahydrofuran
THP
tetrahydropyran/tetrahydropyranyl
TLC
thin layer chromatography
TMEDA
tetramethylethylenediamine
TMS
trimethylsilyl
Tris
2,4,6-triisopropylbenzenesulfonyl
Ts
tosyl
緒言
天然物化学は天然物の構造、生合成、生理、化学合成などについて探求する研
究領域であり、その領域における天然物とは生物が生産する生体分子のうち、特
に二次代謝産物を指すことが多い。古くから医薬や農薬などの形で人類の生活に
関わってきた天然物を含め有機化合物は、生物の体内でのみ生産可能なものであ
るという学説が 18 世紀以前には信じられていたが、1828 年、フリードリヒ·ヴェ
ーラーによって有機化合物の人工合成がなされたことを皮切りに天然物の化学合
成が盛んに行われるようになり、それに伴い天然物の利用も拡大していくことと
なった。
天然物が実際に利用されるに至るまでには複数の段階を経ることとなる。ま
ず、天然物化学者によって物質が単離、構造決定がされる。その後、順番が前後
することもあるが、多くの場合、単離された化合物の生物活性試験が行われ、有
用なものは合成化学者によって全合成がなされる。合成された化合物はさらなる
発展的研究に供され、医薬や農薬など幅広い分野で利用されることとなる。この
ような天然物研究の流れの中で、合成化学者が行う全合成には大きく分けて 3 つ
の重要な役割があると考えられる。
第一に、安定的な供給ルートの確保である。人類にとって有用であっても、天
然から得られる量が極微量である場合、利用に向けた研究すら困難となる。全合
成による量的供給はこの問題を解決する手段となりえる。
第二に化合物の構造の決定があげられる。天然物化学の歴史の中で、分析技術
が発展した今日であっても、複雑な分子構造を持つ化合物の構造決定は容易では
ない。有機合成化学的手法による推定構造の合成は化学構造の決定/確定において
1
極めて重要な役割を担っている。
第三に分子の自在なデザインが考えられる。近年では化合物の構造と生物活性
との関連性が明らかとなりつつあり、生物活性に必要な構造単位を組み込んだ合
理的背系に基づく医薬、農薬の開発研究が続けられている。
以上の観点から、有機合成化学は合成のみならず、天然物化学、生物学など隣接
分野に広範な影響を与えうる研究領域であると言えよう。
本博士論文では、生物活性を有するポリケチド型天然物に焦点を当て、第一章で
は計算化学支援による cremenolide の合成と構造改訂、第二章では多様な薬理活性
を有する nonthmicin の合成研究について述べる。いずれも農薬、医薬としての魅力
的な作用を有する化合物であり、生物学的研究展開が期待されている。
2
第一章
計算化学支援による cremenolide の合成と構造改訂
1.1. 序文
真菌の一種である Trichoderma 属子嚢菌は他の菌の増殖を阻害することが知られ
ており、実際に農業の現場では Trichoderma 属菌は植物病害菌の増殖を抑制する微
生物農薬として利用されている。
Trichoderma 属菌は比較的生育速度が速く、他の植物病害菌の生育スペースや栄養
源を占拠するほか、他の菌に寄生し、分解することで抗菌作用を示すことも知られ
ている 1)。
また、Trichoderma 属菌からは顕著な抗菌作用を示す二次代謝産物が数多く単離さ
れており、代謝生産物もまた農薬としての利用価値が注目されている(Figure 1)。微
生物の二次代謝産物に由来する農薬は人体に対する危険性や環境負荷が比較的低
いことが期待され、食の安全が叫ばれる現代においては今後ますます需要が高まる
ものと考えられる。
そのような Trichoderma 属菌の二次代謝産物について、近年興味深い研究が報告
された。
3
Figure 1. Trichoderma 属菌由来の抗菌作用を示す天然物 1)
Cremenolide は 2016 年に Francesco Vinale らによって Tricoderma cremeum から単
離された十員環ラクトンであり、トマト苗に対する生長促進作用、植物病害菌であ
る Fusarium oxysporum, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani に対する増殖阻害活性を示
すことが報告されている 2)。化学構造は MS, NMR 分析によって決定され、環内に
(Z)-二重結合、3 つの連続した不斉炭素を有する構造 6 が提唱された(Figure 2)。
Figure 2. Vinale らによる cremenolide の提唱構造(炭素番号は単離文献 2)に従っ
た)
Cremenolide は農薬として魅力的な生物活性を有していることに加え、これまでに
Trichoderma 属菌から単離報告がなされていないユニークな構造を持つことから生
物学的、合成化学的に興味が持たれるが、供給手段が確立されておらず、発展的研
4
究が停滞しているのが現状である。筆者は cremenolide のさらなる生物学的研究を
促進すべく、標品供給を目的とした合成経路の確立を目指して合成研究を行うこと
とした。
5
1.2. Cremenolide の構造
1.2.1. Cremenolide の構造と問題点
Cremenolide の合成に先立ち各種スペクトルデータを精査したところ、提唱化学構
造 6 を支持しない箇所が散見された。例えば、通常 2~3 結合を介した C と H の間
に相関が観測される HMBC 相関において、Vinale らの提唱構造では 10C/6-H に相関
が見られた。これは 5 結合を介した相関となるため Vinale らの提唱構造 6 を支持し
ない。また、単離文献内で環内(Z)-二重結合、および立体化学の決定法についての記
載がなく、構造決定の過程に不明 確な箇所が多く見られた。そのため筆者は
cremenolide の合成に際してその化学構造を検証する必要があると考え、独自に NMR
スペクトルの再精査、既知の十員環ラクトン化合物のデータとの照合による構造推
定を行った。
1.2.2. 平面構造の推定
先ず NMR スペクトルの再解析によって cremenolide の平面構造の推定を試みた。
単離文献記載のデータを再解析した結果、十員環ラクトン骨格を有していることは
確かであったことから、1H NMR の化学シフト値及び HMBC 相関、COSY 相関を参
考に二重結合、置換基を再配置した。二重結合の幾何異性については、1H NMR か
らは推定が困難であったが既知の十員環ラクトン化合物のスペクトルデータを参
考にし、(E)体であると推定した 3)。その結果、平面構造は Figure 3 に示す構造であ
ると考えた。Table 1 に示すデータは Figure 3 の推定平面構造と矛盾しない。
6
δH
Vinale’s assignment
My assignment
position
position
HMBC
1
HMBC
1
2.13
2a
1, 3, 4
2a
1, 3, 4
2.46
2b
1, 4
2b
1, 2, 3, 4, 5
1.64
3a
1, 2, 4, 5
3a
1, 2, 4, 5
2.44
3c
1, 2, 4, 5
3b
4.74
4
2, 3, 5e, 1'', 2''
4
2, 3, 1''
4.5
5
3, 4, 7, 8
5
3, 4, 6, 7
4.96
6
5, 7, 8, 10, 1'
8
6, 7, 9, 10, 1'
5.62
7
5, 6, 8
6
5, 6, 7, 8
5.63
8
6, 7, 9
7
5.06
9
1, 6, 8, 10
9
1, 7, 8, 10
1.3
10
6, 9
10
8, 9
1'
5.82
2'
7, 8, 1', 3', 4'
2'
1', 4'
6.9
3'
1', 2', 4'
3'
1', 2', 4'
1.86
4'
1', 2', 3'
4'
1', 2', 3'
4, 2', 1''
2''
1''
1''
2.06
2''
Table 1. 提唱構造と推定平面構造の 1H NMR 化学シフト値のアサインと HMBC 相関
Figure 3. Vinale らによる提唱構造(左図)と筆者の推定平面構造(右図)の HMBC,
COSY 相関図
7
1.2.3. 相対立体配置の推定
推定構造には 4 つの不斉炭素が存在していることから 8 種類のジアステレオマー
が考えられる(Figure 4)。想定されうる全ジアステレオマーを化学合成し比較する手
法では、膨大な時間とコストが要求される。そこで筆者は量子計算化学による
13
C
NMR スペクトルのシミュレーションを行い、最も天然物と近い値を示すジアステ
レオマーを合成しようと考えた。
計算は 3 工程によるωB97X-D/6-31G*レベルの DFT 計算により配座探索を行い、
各異性体についてボルツマン分布に基づき 13C NMR スペクトルを算出した
4),5),6)
。
計算結果を以下に示す(Table 2)。NMR 計算によって得られた各異性体の 13C NMR の
化学シフト値の平均誤差を算出し、その結果最も良い一致を示す R*S*R*S*体を推定
構造として選出した 7)。
Figure 4. Cremenolide の全ジアステレオマー
8
Position
Natural
Calculated values for each isomer
RRRR
RRRS
RRSR
RRSS
RSRR
RSRS
RSSR
RSSS
Proposed
1
174.99
173.4
176.6
173.3
176.4
174.5
178.9
173.8
178.8
174.0
2
32.61
34.5
32.8
34.5
32.3
34.6
32.6
35.0
32.5
33.0
3
23.86
31.1
29.2
31.3
28.8
27.6
24.2
27.0
24.0
30.8
4
77.17
81.2
79.6
80.7
80.0
80.8
79.1
81.4
79.2
75.8
5
70.49
76.4
76.5
76.5
76.7
71.4
71.4
71.7
72.0
78.1
6 (7)
130.5
135.2
133.6
131.9
132.0
132.9
134.0
128.4
132.5
131.5
7 (8)
128.56
127.5
134.0
127.2
133.2
126.7
132.0
126.6
131.1
136.0
8 (6)
78.5
76.5
78.1
77.6
73.3
75.4
78.9
78.0
74.3
73.0
9
71.63
71.5
71.7
74.8
73.0
71.3
73.8
76.8
75.5
67.7
10
16.64
14.8
16.6
18.5
14.9
14.9
16.2
18.6
15.3
20.1
1’
165.38
167.0
166.8
167.5
166.4
166.6
166.1
167.6
166.3
167.8
2’
122.01
122.2
122.6
122.9
122.6
122.8
122.8
123.1
122.6
122.7
3’
145.88
147.0
147.2
146.7
147.1
146.4
146.5
146.4
147.1
146.7
4’
17.96
18.3
18.3
18.3
18.4
18.3
18.3
18.3
18.4
18.2
1’’
169.98
171.7
172.7
172.4
172.7
171.2
171.3
171.6
171.3
174.5
2’’
21.15
20.2
20.5
20.4
20.5
20.4
20.5
20.5
20.5
20.5
RMS (δnat.-δcalc.)
3.04
2.79
2.97
2.95
1.92
1.82
2.30
2.10
3.96
RMS (C2-C10)
1.79
1.60
1.75
1.79
1.48
1.21
1.59
1.40
2.05
Table 2. NMR の計算結果と平均誤差 7)
9
1.2.4. 絶対立体配置の推定
以上の結果から、相対立体配置は 4R*,5S*,8R*,9S*であると推定した。次に、絶対
立体配置の推定を試みた。Cremennolide の単離文献に記載された化合物データから
の 絶 対 立 体 配 置 の 推 定 は 困 難 で あ る が 、 推 定 構 造 で あ る (4R*,9S*,8R*,9S*)cremenolide は既知の十員環ラクトンである aspinolide B (8)の 4 位ヒドロキシ基がア
セチル化された構造に相当する。Aspinolide B (8)は Trichoderma 属菌からの単離も報
告されていることから、筆者は生体内で生産された aspinolide B (8)がアセチル化を
受 け cremenolide へ と誘 導 さ れ た も の で あ る と 考 え た 。 こ の 仮 説 に 従 え ば 、
cremenolide の絶対立体配置は 4S,5R,8S,9R であると考えられる(Figure 5)。
これらの検証結果から cremenolide の真の構造は(4S,5R,8S,9R)-cremenolide (7)であ
ると考え、筆者は実際に cremenolide (7)を化学合成し、その各種スペクトルデータ
を cremenolide (7)のデータと比較することによる構造決定を試みた。
Figure 5. Aspinolide B (8)と cremenolide (7)
10
1.3. Cremenolide の合成
1.3.1. 逆合成解析
筆者の推定構造である cremenolide (7)の逆合成解析を行った(Scheme 1)。
Cremenolide (7)は、その前駆体であると考えられる既知の天然物、Aspinolide B (8)
の 4 位ヒドロキシ基をアセチル化することによって得られると考えた。Aspinolide
B (8)は光延反応によるラクトン化を行えば立体反転を伴う環化によって立体選択
的な合成が可能であると考え、環化前駆体としてセコ酸 9 を合成することとし、
セコ酸 9 は Horner-Wadsworth-Emmons (HWE) 反応によって(E)-二重結合を構築す
ることで高い幾何選択性で合成できると考えた。すなわち、その合成セグメント
としてはホスホネート 10、アルデヒド 11 が適切である。両セグメントはそれぞれ
L-乳酸メチル (12)、D-リボース (14)より合成可能であると考えた。
Scheme 1. Cremenolide (7)の逆合成解析
11
1.3.2. HWE セグメントの合成
始めに、HWE 反応に供するホスホネート 10 とアルデヒド 11、両セグメントの合
成を行った(Scheme 2)。
ホスホネート 10 は既知の合成法に従い、
L-乳酸メチル (12)のヒドロキシ基を TBS
基で保護し、メチルホスホン酸ジメチルの求核付加によって合成した 8)。
続いてアルデヒド 11 の合成を行った。D-リボース (14)の 2 位、3 位ヒドロキシ基
をアセトニド基で保護し、得られた保護体 17 に対して Wittig 反応によるヘミアセ
タール環の開環を伴う増炭を試みた。トルエン溶媒中加熱還流条件では目的のエス
テル 13 は得られず、環化生成物 18 のみを与える結果となった。これは、エステル
13 が生成した後、二級ヒドロキシ基のオキサマイケル付加が進行したことによるも
のであると考えられる。溶媒、温度条件の検討を行ったが加熱を含む条件では目的
のエステル 13 の合成が困難であったことから、室温での反応条件を探索した。その
結果 THF 溶媒中 3 日間撹拌する条件にて収率 82%と良好な収率で得られ、また、
後に Caizhu Chang らによって報告されたプロトン源として安息香酸を添加する条件
でも 87%と良好な収率でエステル 13 を得ることができた 9)。得られたエステル 13
に対して Pd/C を用いた接触水素添加、続く過ヨウ素酸開裂反応によってアルデヒ
ド 11 を合成した。得られた両ユニットを用いて HWE 反応を行った。カルボニル基
α 位のエピメリ化を考慮し、嵩高い弱塩基である Et3N を用いた条件 10)にて試験した
結果、目的のエノン 20 をエステル 13 から 3 工程 80%の収率で得た。
12
Scheme 2. エノン 20 の合成
Reagents and conditions: (a) TBSCl, imidazole, CH2Cl2, 97%; (b) MePO(OMe), n-BuLi, THF,
−78 °C to rt, 56%. (c) H2SO4, acetone, rt, 92%; (d) Ph3P=CCO2Et, toluene, reflux, 77%; (e)
method A: Ph3P=CCO2Et, THF, rt, 3days 82%; method B: Ph3P=CCO2Et, benzoic acid,
CH2Cl2, reflux, 87%; (f) H2, Pd/C, MeOH, EtOAc; (g) NaIO4, NaHCO3, CH2Cl2; (h) Et3N,
LiCl, MeCN, rt, 80% over 3 steps.
13
1.3.3. 環化前駆体 6 の合成
次に、得られたエノン 20 が有するケトン基の立体選択的還元反応について検討
を行った。還元剤としてはケトン基の還元に広く用いられる NaBH4 を検討した。
Entry 1 の条件ではジアステレオマー比が 3 : 1 であり、還元における立体選択性は
見られたが、さらなる選択性の向上を目指し、Entry 2, 3 は Luche 法として知られる
CeCl3 を添加する条件を試した
11)
。NaBH4 と溶媒との配位子交換が促進され、還元
剤の嵩高さが増すことで立体選択性の改善を期待したものであるがジアステレオ
マー比の向上は見られたものの、依然低比率にとどまった。Entry4は低温条件下で
行うことで配座の自由度を下げることで望みの面からの還元を増大させることを
期待して行ったものであり、その結果 16 : 1 以上のジアステレオマー比で望みのエ
ステル 21 が得られた。
Scheme 3. 立体選択的 1,2-還元
Entry
Condition
dr
1
NaBH4, MeOH, 0 °C
3:1
2
NaBH4, CeCl3, MeOH, 0 °C
5:1
3
NaBH4, CeCl3, iPrOH, 0 °C
3:1
4
NaBH4, CeCl3, MeOH, −78 °C
> 16 : 1
Table 3. 1,2-還元の条件検討
この還元反応における立体選択性は Felkin-Anh モデルに基づく繊維状態の安定配
座予測により説明できる(Figure 6)。 ...