A New Synthesis of enantiopure C-3-substituted Glutamates by Utilization of Ortho Ester protected (S)-Pyroglutamic acid

• Main Author: Kelm, Bernd
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2002
• Subjects: Glutamate; Stereoselektive Synthese; Pyroglutaminsäure; ddc:540
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/92; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-1296; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-1296; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/92/kelm.pdf

Priority tasks of the present thesis were to generate various enantiopure C-3-substituted pyroglutamates as well as C-3-substituted glutamates, and furthermore to ameliorate the serious drawback of the bad atom-economy in the reaction sequence of previously published silylether-mediated procedures. To meet these requirements, the ortho ester functionality (OBO ester) developed by Corey was introduced. According to the plan of synthesis, the starting material, non-racemic (S)-pyroglutamic acid, was converted to the corresponding oxetane ester via a DCC-mediated esterification. The latter was N-protected to provide N-acceptor substituted pyroglutamic acid oxetane esters (Acceptor=Boc,Cbz,CO2Me). After rearrangement with boron trifluoride, the ortho ester derivatives (Acceptor=Cbz,CO2Me) were at hand and exclusively the N-Cbz derivative was converted to the corresponding alpha,beta-unsaturated lactam via a syn-elimination reaction. The formation of the C-3-substituted ortho ester compounds (R=methyl,ethyl,butyl,allyl,phenyl,4-chlorophenyl,biphenyl,naphthyl) was performed via a copper-mediated conjugate addition to the alpha,beta-enone system of the N-Cbz-alpha,beta-unsaturated lactam. The OBO functionality hence was envisaged to support perfect trans selectivity in this cuprate addition to the Michael system of the N-Cbz-alpha,beta-unsaturated lactam. Spectroscopic NMR-data, on the basis of 1H-, 13C- and DEPT spectra, proved the assumption that the C-3-substituted ortho ester derivatives exclusively are trans-configurated, i.e. the alkyl derivatives (R=methyl,ethyl,butyl,allyl) are (2S,3S)-configurated and the aryl derivatives (R=phenyl,4-chlorophenyl,biphenyl,naphthyl) are (2S,3R)-configurated). The C-3-substituted ortho ester derivatives were completely deprotected to yield the C-3-substituted pyroglutamates (R=ethyl,phenyl,4-chlorophenyl,naphthyl). Finally, ring opening reaction via route A-2 lead to the desired enantiopure C-3-substituted glutamates. Alternatively, latter preferably were reacted via route A-1 to yield the C-3-substituted glutamates (R=methyl,ethyl,butyl,phenyl,4-chlorophenyl,naphthyl). Their (2S,3R)-configuration (R=aryl) and (2S,3S)-configuration (R=alky), respectively, unambiguously was proved on the basis of available spectroscopic NMR-data. To ensure this assumption, diastereomeric (2S,3R)-3-methyl glutamic acid (i.e. cis-configurated) examplarily was synthesized via route A-3 and spectroscopic NMR-data was compared to that of (2S,3S)-3-methyl glutamic acid (i.e. trans-configurated). Conclusively, there can be recorded the fact that the serious drawback of the bad atom-economy in the reaction sequence previously used can be circumvented by the introduction of the OBO functionality, so the concept of an improved atom-economy is achieved. Additionally, in comparison to the silyl-ether-mediated synthesis, the OBO functionality provided crystalline ortho ester derivatives, which facilitated their purification as well as characterization. === Schwerpunkte dieser Arbeit lagen in der Synthese verschiedener enantiomerenreiner C-3-substituierter Pyroglutamate als auch Glutamate und desweiteren darin, die unzulängliche Wirtschaftlichkeit der bereits bekannten Silylether-vermittelten Methode zu verbessern. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde die von Corey entwickelte Orthoester-Funktionalität (OBO Ester) eingeführt. Dem Syntheseplan entsprechend wurde die Ausgangskomponente, nicht-razemische (S)-Pyroglutaminsäure, über eine DCC-vermittelteVeresterung zum entsprechenden Oxetanester umgesetzt. Dieser wurde daraufhin N-geschützt, wobei die N-Akzeptor-substituierten Pyroglutaminsäureoxetanester(Akzeptor=Boc,Cbz,CO2Me) erhalten wurden. Nach der Umlagerung dieser Ester mit Bortrifluorid wurden die Orthoester-Derivate (Akzeptor=Cbz,CO2Me) erhalten, wobei sich ausschliesslich das N-Cbz Derivat über eine syn-Eliminierungsreaktion zum entsprechenden alpha,beta-ungesättigten Lactam umsetzen liess. Die C-3-substituierten Orthoester-Derivate (R = Methyl,Ethyl,Butyl,Allyl,Phenyl,4-Chlorphenyl,Biphenyl,Naphthyl) wurden über eine kupferkatalysierte 1,4-Addition an das alpha,beta-Enon-System des alpha,beta-ungesättigten Orthoester-Derivats erhalten. Hiebei war zu erwarten, dass die OBO-Funktionalität ausschliesslich trans-Selektivität bei der Cuprat-Addition an das Michael System dieses Derivats gewährleistet. 1H-, 13C- und DEPT-Spektren und die daraus erhaltenen Daten lieferten den Beweis, dass die C-3-substituierten Orthoester-Derivate ausschliesslich trans-Konfiguration aufwiesen, d.h. die Alkylderivate (R=Methyl,Ethyl,Butyl,Allyl) sind (2S,3S)-konfiguriert bzw. die Arylderivate (R=Phenyl,4-Chlorphenyl,Biphenyl,Naphthyl) (2S,3R)-konfiguriert. Die C-3-substituierten Orthoester-Derivate wurden vollständig entschützt, um die C-3-substituierten Pyroglutamate (R=Ethyl,Phenyl,4-Chlorphenyl,Naphthyl) zu erhalten. Schliesslich führte eine Ringöffnungsreaktion über Route A-2 zu den gewünschten enantiomerenreinen C-3-substituierten Glutamaten. Alternativ wurden diese Glutamate (R=Methyl,Ethyl,Butyl, Phenyl,4-Chlorphenyl,Naphthyl) auf eine einfachere Art und Weise über Route A-1 aus den entsprechenden C-3-substituierten Orthoester-Derivaten gewonnen. Deren (2S,3R)-Konfiguration (R=aryl) bzw. (2S,3S)-Konfiguration (R=alkyl) wurde anhand verfügbarer spectroskopischer NMR-Daten überprüft. Um diese Vermutung zu untermauern, wurde beispielhaft (2S,3R)-3-Methylglutaminsäure (i.e. cis-konfiguriert) über Route A-3 synthetisiert und deren spectroskopische NMR-Daten mit denen von (2S,3S)-3-Methylglutaminsäure (i.e. trans-konfiguriert) verglichen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Nachteil der unzulänglichen Wirtschaftlichkeit früherer Synthesen durch die Einführung der OBO-Funktionalität umgangen werden kann, so dass letztendlich das Konzept einer verbesserten „atom-economy“ erreicht wurde. Zusätzlich lieferte die OBO-Funktionalität im Vergleich mit Silylether-Synthesen den Vorteil kristalliner Orthoester-Produkte, was sowohl die Aufarbeitung als auch deren Charakterisierung erleichterte.