Chartspiroton

Chartspiroton wurde erstmals im Jahr 2020 aus einem Bakterium der Gattung Streptomyces isoliert, das aus der Orchideenpflanze Dendrobium officinale gewonnen wurde. Dieses endophytische Bakterium ist nicht pflanzeneigen, sondern lebt in symbiotischer Beziehung zu Dendrobium officinale. Dabei produziert es sekundäre Metabolite, darunter Chartspiroton, die zwar nicht für das unmittelbare Überleben der Pflanze erforderlich sind, ihr jedoch ökologische Vorteile bieten können. Dendrobium officinale ist in verschiedenen Regionen Asiens, insbesondere in China, verbreitet und wird dort seit Jahrtausenden in der traditionellen chinesischen Medizin als Heilpflanze genutzt.^[2][3]

In der Publikation Chartspiroton, a Tetracyclic Spiro-naphthoquinone Derivative from a Medicinal Plant Endophytic Streptomyces aus dem Jahr 2020 wird aufgrund struktureller Ähnlichkeiten die Hypothese aufgestellt, dass Chartspiroton über einen alternativen Reaktionsweg innerhalb der Biosynthese von Chartreusin gebildet wird. Die Biosynthese von Chartreusin beginnt mit einem linearen Anthracyclin als Ausgangsstruktur, das durch eine Claisen-Kondensation aus zehn Malonyl-CoA-Bausteinen entsteht. Dieses Zwischenprodukt wird durch eine Ringcyclase in ein Anthracyclinon-Zwischenprodukt überführt, welches anschließend über mehrere enzymatischen Schritte in das tetracyclische Resomycin C (3), das Schlüsselintermediat im Chartreusin-Biosyntheseweg, umgewandelt wird.

Ausgehend von Resomycin C erfolgt eine Spaltung des B-Rings durch eine Monooxygenase im Rahmen einer Baeyer-Villiger-Oxidation. Diese Reaktion entspricht dem Einbau eines Sauerstoffatoms neben der Carbonylgruppe und führt zur Erweiterung des B-Sechsrings zu einem Siebenring. Nach anschließenden C–C-Umlagerungen entsteht das Zwischenprodukt (4), von dem aus einer Abzweigung des Chartreusin-Biosynthesewegs zur Bildung von Chartspiroton über mehrere Reaktionsschritte vermutet wird. Zunächst erfolgt eine Oxidation an der Dioneinheit unter Abspaltung von CO₂. Eine weitere Oxidation an der C6–C7-Doppelbindung sowie die nachfolgende Zyklisierung zwischen der Carbonsäurefunktion und C7 führen theoretisch über eine sogenannte Veresterungszyklisierung zur Entstehung von Chartspiroton (1).^[3]

Chartspiroton wurde durch eine elfstufige Synthese hergestellt, die über eine Indandionverbindung verläuft. Diese ist schon seit dem Jahr 1927 dafür bekannt säure- und basenkatalysierte Ringerweiterungen durchlaufen zu können. Im Jahr 2023 wurde in dem Paper ,,A Biomimetic Synthesis of des-Hydroxy Paecilospirone’’ die Synthese von 1,4-Naphthochinonen über 2-Aryl-1,3-Indandion veröffentlicht. Dies bildet die Grundlage für die folgende Synthese.^[4]

Die elfstufige Synthese beginnt mit einer basischen Kondensation von 4-Methoxyisobenzofuranon (8) und einem aromatischen Aldehyd (9). Natriummethanolat übernimmt die Funktion der Base und das durch die Reaktion entstandene Wasser wird durch Propionsäureethylester entfernt. Durch den Angriff von Methanol entsteht schließlich ein 1,3-Indandion (7).

In dem zweiten Schritt erfolgt eine Alkylierung des Carbonlysauerstoffs an dem 1,3-Indandion (7). Durch die Bildung einer starken Base aus Kaliumcarbonat und Dimethylformamid kommt es zu einer Deprotonierung des 1,3-Indandions. Aufgrund einer Mesomerieumlagerung wird das entsprechende Enolat gebildet, wobei die negative Ladung des Moleküls an dem Sauerstoffatom sitzt. Dieses greift das Allylbromid über eine nucleophile Substitution an und schließlich entsteht der Allylether (10a und 10b).

In dem nächsten Schritt erfolgt bei 130 °C eine Claisen-Umlagerung, welche eine konzertierte Reaktion ist. Die hier ablaufende aliphatische Claisen-Umlagerung bleibt auf der Stufe des Carbonyls stehen, da es keine treibende Kraft für die Enolisierung gibt.^[5]

Das alkylierte Indandion (11) wird nun mit Ozon umgesetzt, um eine Ozonolyse des terminalen Alkens mit anschließender reduktiver Aufarbeitung durch Dimethylsulfid durchzuführen. Als unerwünschte Nebenprodukte entstehen Kohlenstoffmonoxid und Dimethylsulfoxid.

Der nächste Schritt ist in zwei Teilschritte unterteilt. Zuerst läuft eine Pinnick-Oxidation^[6] ab, bei welcher eine Carbonsäureverbindung als Zwischenprodukt entsteht. Der zweite Teilschritt, um die Methoxygruppe (6) in dem Molekül zu synthetisieren ist eine Veresterung. Die Veresterung läuft im basischen mit Kaliumcarbonat ab.

Der sechste Schritt der Synthese führt zu einem 1,4-Naphthochinon (5b). Ausgangsstoff hierfür ist der vorher synthetisierte Methylester (6). Letzterer wird mit Kaliumhexamethyldisilazid (KHMDS) in dem Lösungsmittel Tetrahydrofuran (THF)/CH₂Cl₂ bei −78 °C umgesetzt. Zu 7 % entsteht 1,4-Naphthochinon (5b), als Hauptprodukt mit 42 % entsteht die reduzierte Spezies des 1,4-Naphthochinons (5a). Letztere wird durch das Oxidationsmittel Ammoniumcer(IV)-nitrat mit einer Ausbeute von 99 % zu 1,4-Naphthochinon (5b) oxidiert.

Der darauffolgende Schritt ist eine Suzuki-Miyaura-Kupplungsreaktion. Der typische Katalysator einer Suzuki-Kupplung ist eine Palladiumverbindung in der Oxidationsstufe 0. Diese ist in dem Fall [1,1′-Bis(di-tert-butylphosphino)ferrocen]dichlorpalladium(II) (PdCl₂(dtbpf)). Das Reagenz Kaliumfuran-2-trifluorborat (14) wird durch die Anwesenheit von Wasser und Cs₂CO₃ hydrolysiert, wodurch ein Boronsäure-Derivat entsteht. Der aromatische Bromsubstituent wird durch Furan ersetzt (15).

In dem nächsten Schritt erfolgt eine Redox-Reaktion mit Ruthenium(III)-chlorid und Natriumperiodat, wobei ein Gemisch aus Produkt (16) und (17a) entsteht, welches untrennbar ist. Eine Analyse durch die Einkristall-Röntgenstrukturanalyse hat gezeigt, dass an Position 7 bei Molekül (17a) die Stereochemie genau umgekehrt zu dem gewünschten Chartspiroton liegt. Aus diesem Grund wird Molekül (16) mit Wasserstoffperoxid und Natriumcarbonat versetzt, wobei eine Mischung aus dem Produkt mit der gewünschten Stereochemie (17b) und dem Produkt mit der unerwünschten Stereochemie (17a) entsteht. Diese entstehen in einem unerwünschten Verhältnis von 1:2. Dieser Schritt läuft über einen zur Halolactonisierung ähnlichen Mechanismus ab.

Produkt (17b) wird durch Bortribromid entschützt, es entstehen zwei Hydroxylgruppen und Chartspiroton entsteht. Auch Produkt (17a) lässt sich an den identischen Positionen durch Bortribromid entschützen. Hierbei entsteht 7-epi-Chartspiroton (18). Das entstandene Phenol fördert die Isomerisierung durch eine reversible Lactonöffnung, wodurch Chartspiroton entsteht.

Das Chartspiroton mit der Summenformel C₂₀H₁₄O₉ ist ein kürzlich entdecktes Naturprodukt mit einem einzigartigen 6/6/5/6-tetracyclischen Gerüst, welches einen spirokondensierten Benzofuran-Lacton-Rest besitzt.

Es ist somit ein Naphthochinon-Derivat, welches eine benzochinonartige Struktur enthält.

Die Spiro-Struktur kann auch die mechanischen sowie elektronischen Eigenschaften im Molekül verändern, indem sie eine starre Konformation erzeugt oder die Elektronen-Verteilung reguliert. Dies könnte im mechanischen Hinblick interessante Anwendungen in Materialien und in der Polymerchemie finden. Im elektronischen Sinne könnte es von großer Bedeutung sein in der Photochemie.

Im Chartspiroton können zwei Chiralitätszentren identifiziert werden, woraufhin sich vier Isomere bilden können.

Das zum Naphthochinon-Derivat Chartspiroton strukturverwandte und aus demselben Bakterium isolierte Chartreusin zeigte eine ausgeprägte Zytotoxizität gegenüber Leberkrebszellen (hepatozelluläres Karzinom) und Lungenkrebszellen (Bronchialkarzinom) sowie eine antibakterielle Aktivität gegen Staphylococcus aureus. Analog dazu wurde Chartspiroton in vitro auf krebshemmende und antibakterielle Wirkungen untersucht. Erste Tests ergaben jedoch weder gegenüber hepatozellulärem Karzinom, Urothelkarzinom der Harnblase und Bronchialkarzinom eine relevante Zytotoxizität noch eine antibakterielle Aktivität gegen Escherichia coli und Staphylococcus aureus. Weitere klinische Daten zu Chartspiroton sind bislang nicht verfügbar.^[2]