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タイトル：Stereoselective Synthesis of Tabtoxinine-β-lactam by Using the Vinylogous Mukaiyama Aldol Reaction with Acetate-Type Vinylketene Silyl N,O‑Acetal and α‑Keto-β-lactam
著者：Hirotaka Ejima, Fumihiro Wakita, Takuya Kato, Seijiro Hosokawa* (*Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Engineering, Waseda University)
基本情報：Org. Lett., 2017, 19, 2530-2532.
出版日：2017/03/04
DOI：10.1021/acs.orglett.7b00814
概要
タブトキシニン-β-ラクタムの立体選択的全合成に成功した。ビニルケテンシリルN,O-アセタールとα-ケト-β-ラクタムとのビニロガス向山アルドール反応により、TβL骨格を有するtert-アルコール付加物を高収率かつ立体選択性で得た。イミドのα位をアジド化し、水素化分解することにより、アミノ基を立体選択的に導入することができた。このように、α-ヒドロキシ-β-ラクタム部位とα-アミノ酸部位の両方を有する強力なグルタミン合成酵素阻害剤を得るための簡便な方法が確立されました。
日本語訳
植物グルタミン合成酵素は、植物の自家増殖に必須の酵素の一つであり、様々な代謝過程に由来するアンモニアの同化・再同化に重要な役割を担っている1)。アンモニアをグルタミン酸に取り込み、グルタミンを生成する反応を触媒する2)。タブトキシン（1, Figure 1）は、タバコ萎黄病の植物病原体であるPseudomonas tabaciから植物毒性化合物として単離されたものである3)。タブトキシン (1) はそれ自身は不活性であるが、宿主植物のアミノペプチダーゼにより加水分解を受け、グルタミン合成酵素阻害剤であるタブトキシン-β-ラクタム（TβL, 2）へと変換される4)。そのため、TβLは選択的な農薬として期待されており、TβLの合成研究が報告されている5)。ここでは、遠隔不斉誘導反応による TβL の立体選択的合成を紹介する。
最近、我々は、ビニルケテンシリル N,O-アセタール 3 を用いた遠隔不斉誘導反応を開発した (Scheme 1)6)。ビニルケテン向山アルドール反応により、TBDPS付加体 4 が高い立体選択性で生成した。
TβL (2) の合成に臨むにあたり，この反応を応用してα-ヒドロキシ-β-ラクタムを構築することを計画した（Scheme 2）。TβL (2) は，α-ケト-β-ラクタム 6 とビニルケテンN,O-アセタール 3 を用いたビニロガス向山アルドール反応により合成されるα,β-不飽和イミド 5 から得られると予想される。C2位にメチル基を有するビニルケテン N,O-アセタール 7 とイサチン (8) を用いて立体選択的なビニロガス向山アルドール反応を達成したが (Scheme 3)、酢酸型ビニルケテン N,O-アセタールのC2メチル欠損ビニルケテン 10 では、7 とはジエン の安定性や伸長方向が異なるため低収量かつ立体選択性低く付加体が得られた7)。したがって、酢酸型ビニルケテン N,O-アセタール 3 とα-ケト-β-ラクタム 6 の立体選択的反応は，3 と 7 でジエンの伸長方向だけでなく立体制御の仕方も異なるため，まだ困難である6)。
これらの背景を踏まえ、ビニルケテン N,O-アセタール 3 とα-ケト-β-ラクタム 68)を用いたビニロガス向山アルドール反応を検討した (Table 1)9)。まず、TBDPS エーテル 3a を Scheme 3 の反応に用いたTiCl4の存在下、6 と反応させた。反応は進行し、高収率で付加体 12a を得たが、立体選択性は低かった (Table 1, entry 1)。ルイス酸として SnCl4 を用いた場合、3a との反応により、高い立体選択性で 12a が得られた (entry 2)。C5′位にメチル基を有するシリルジエノールエーテル 3b は，高収率で付加体を生成したが，立体選択性は中程度であった（entry 3）。一方，5′,5′-ジフェニルオキサゾリジノン誘導体 3 との反応は，SnCl4存在下で進行し，保護されていない3級アルコールを有する付加体 12 を優れた収率と立体選択性で得た（entry 4）。対応する TBSエーテル 3c も非常によく機能し、高収率で優れた選択性で 3級アルコール 12 を得た (entry 5)。したがって、TBDPS エーテル 3 を用いたentry 4 に示した条件を、TβL の合成に採用した10)。
3 を用いた立体選択的な反応は、Scheme 4に示すように進行した。SnCl4は Z-エノールエーテル 3 をより反応性の高い E-エノールエーテル 13 に異性化させることは既報の通りである6)。TBDPSのフェニル基の1つが 13a として 13 の下面を覆っているので6)、α-ケト-β-ラクタム 6 が 13 の上面から接近してきた。従って、E-異性体 13 は遷移状態 14 を介してα-ケト-β-ラクタム 6 と反応し、5S-異性体 12 が得られた。
3 と 6 の間の立体選択的な反応が確立された後、Scheme 5 に示すように、TβL (2) の立体選択的な合成が達成された。α,β-不飽和イミド 12 を水素添加し，飽和イミド 15 を得た後，tert-アルコールを保護し，ベンジルオキシメチルエーテル 16 とした。化合物 16 をカリウムビス（トリメチルシリル）アミド（KHMDS）で処理し、得られたエノラートを 2,4,6-triisopropylbenzenesulfonyl azide (trisyl azide) と反応させて、高い立体選択性を持つアジド 17 を得た11)。β-ラクタム上の p-メトキシベンジル基と不斉補助基を、それぞれベンジルアルコールとチタンテトライソプロポキシドから調製した硝酸セリウムと Ti(OBn)4 を用いて除去した12)。ベンジルエステル 19 を手に13)、ベンジルオキシメチル基、アジド、ベンジルエステルの同時水素化分解を検討した（Table 2）。
メタノール中でPd/Cを用いた水素化分解は順調に進んだが，N-メチル化副生成物 20 および 21 が生成した (Table 2, entry 1)。この条件下で、得られたアミンをベンジルオキシメチルエーテルの水素化分解で生成したホルムアルデヒドで還元的にアルキル化した。いくつかの反応条件を検討した結果、塩化ベンジルアンモニウム（BnNH2-HCl）が、得られたアミン（entry 2, 3）のN-メチル化を抑制するのに有効であることが判明した。BnNH2-HClはホルムアルデヒドと反応してN-メチル化を抑制するが、水素化分解が遅くなりベンジルオキシメチル基が一部残るため 2 の収率が低下した (entry 3, 4)。この問題は、反応時間を延長することで解決し、目的の 2 を良好な収率で得ることができた (entry 5)。BnNH2-HCl を大過剰量 (10 equiv) 用いても収率や比率は変わらなかった (entry 6)。2 のスペクトルデータは、文献で報告されている TβL のものと同じであった5f)。そこで、タブトキシニン-β-ラクタム (2) を立体選択的に合成する効率的な経路を確立することを目指した。
以上により，タブトキシニン-β-ラクタム (2) の立体選択的合成が達成された。ビニルケテンシリル N,O-アセタール 3 とα-ケト-β-ラクタム 6 を用いたビニロガス向山アルドール反応により、TβL 骨格を有する tert-アルコール付加物を高収率かつ立体選択的に得ることができた。その後，立体選択的なアジド化，アジド部，ベンジルエステル部，ベンジルオキシメチル部の同時水素化分解などの操作により TβLが得られた。水素化分解時に塩化ベンジルアンモニウムを添加すると、N-メチル化物の生成が抑制された。この方法は，α-ヒドロキシ-β-ラクタムおよびα-アミノ酸部位を有する強力なグルタミン酸合成酵素阻害剤への直接的な方法である。
注釈
1) (a) グルタミン合成酵素とグルタミン酸合成酵素（GGGAT）は、植物におけるアンモニアの一次同化の経路を提供すると考えられている。同化の産物はグルタミン酸であり、アンモニア受容体としても機能する。 (b) グルタミン・シンセターゼ（GS）は、植物の自家増殖に不可欠な酵素の一つで、アンモニアをグルタミン酸に取り込んでグルタミンを生成し、同時にATPの加水分解を触媒し、植物の成長・発達の過程で様々な代謝過程から生じるアンモニアの同化・再同化に重要な役割を担っている。
2) グルタミン酸は植物におけるアミノ酸代謝の中心的な位置を占めている。この酸性アミノ酸は、グルタミン酸合成酵素の作用により、グルタミンと2-オキソグルタル酸を利用して生成される。しかし、グルタミン酸は、グルタミン合成酵素が触媒するアンモニアからのグルタミン合成の基質にもなっている。
3) Tabtoxinineの単離文献
4) Tabtoxinineの単離文献 (a) (d) Pseudoonas syringae pv. tabaciの生産するタブトキシンの加水分解物であるタブトキシニン-f-ラクタムは，エンドウ種子グルタミン合成酵素を不活性化することが明らかとなっている。酵素の初速の阻害は、10m_mlarのグルタミン酸の存在下、0.5から5minhmmolarのタブトキシンネ/ラクタムの範囲で線形であった。乾燥エンドウ豆からグルタミン酸合成酵素を精製する方法を紹介した。高純度のタブトキシニン-f8-ラクタムおよびタブトキシンを良好な収率で得る方法についても紹介されています。タブトキシニン*ラクタムおよびタブトキシンの真正性と純度は、クロマトグラフィー、生物活性、1Hおよび13C核磁気共鳴分光法によって検証された。
参考文献
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6) Sagawa, N.; Sato, H.; Hosokawa, S., Org. Lett., 2017, 19, 198. [文献紹介]
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(b) Paquette, L. A.; Brand, S.; Behrens, C., J. Org. Chem., 1999, 64, 2010.
9) α-Keto-β-lactam 6 underwent hydration easily to afford α,α-dihydroxy-β-lactam. Therefore, a solution of 6 in CH2Cl2 was dried over molecular sieves 4A at room temperature for 4 h before use.
10) Without treatment as described in ref 9, the yield of 16 decreased to 83% under the conditions of entry 4 in Table 1.
11) Evans, D. A.; Britton, T. C.; Ellman, J. A.; Dorow, R. L., J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 4011.
12) (a) Seebach, D.; Hungerbü hler, E.; Naef, R.; Schnurrenberger, P.; Weidmann, B.; Züger, M., Synthesis, 1982, 1982, 138. (b) Evans, D. A.; Ellman, J. A.; Dorow, R. L., Tetrahedron Lett., 1987, 28, 1123.
13) The absolute configuration of azide 19 was confirmed by the
modified Mosher’s method. See the Supporting Information. (a) Kusumi, T.; Fukushima, T.; Ohtani, I.; Kakisawa, H., Tetrahedron Lett., 1991, 32, 2939. (b) Seco, J. M.; Quiñ oa, E.; Riguera, R., Chem. Rev., 2004, 104, 17.
