Fully synthetic route to forskolin and development of strategies for analog preparation

Mgr. Ondřej Hylse, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V této práci popisuji novou a dosud nejkratší plně syntetickou přípravu forskolinu, aktivátoru enzymu adenylyl cyklázy. Pomocí vyvinuté 24krokové syntetické sekvence jsme byli schopni připravit více než sto miligramů racemického forskolinu a mohli jsme tak provést separaci enantiomerů a jejich biologické testování. Syntéza zahrnuje řadu strategických transformací, jež byly klíčové pro náš úspěch, a to: oxidativní transpozici, která nám otevřela cestu k syn-diolu přítomnému ve struktuře forskolinu, tvorbu isoxazolového kruhu jakožto maskované formy 1,3-dikarbonylu, dále dihydroxylaci špatně přístupné tetrasubstituované dvojné vazby nebo 1,4-adici vinyl kuprátu na gama-pyron. Během vývoje syntetické cesty byla nezřídka pozorována zajímavá a často neočekávaná reaktivita vysoce substituovaných dekalinů, již rovněž popisuje tato práce. Naše metodologie má značný význam pro přípravu analogů forskolinu (nedostupných pomocí semisyntézy), jak bylo demonstrováno na úspěšné přípravě a testování nových plně syntetických analogů s modifikovaným A- a C-kruhem. Data a další poznatky získané na tomto projektu mají neocenitelnou hodnotu a dávají zajímavou příležitost dalšího vývoje biologicky aktivních analogů forskolinu s vylepšenou selektivitou vůči jednotlivým isoformám rodiny enzymů adenylyl cykláz.

Abstract:

In this thesis, I report on a new and concise fully synthetic route to a potent adenylyl cyclase activator forskolin. The developed 24-step sequence delivered hundred-milligram quantities of racemic forskolin and allowed for separation of enantiomers and their subsequent biological evaluation. The route includes several strategic transformations, which were key to our success: oxidative allylic transposition to unlock access to the syn-diol function of forskolin, formation of a sterically encumbered isoxazole ring as a masked 1,3-dicarbonyl, dihydroxylation of a challenging tetrasubstituted olefin and an efficient 1,4-addition of vinyl cuprate onto a gamma-pyrone. In the process, numerous interesting and often unexpected observations regarding the chemical reactivity of densely substituted decalins were made and are detailed in this thesis. Our streamlined synthetic approach has a clear value in the production of forskolin analogs inaccessible by semisynthesis, as demonstrated by successful preparation and testing of novel A-ring and C-ring-modified fully synthetic analogs. The knowledge and data collected on this project are invaluable for the future research in this area and, in combination with adenylyl cyclase activity assays, provide interesting opportunities for the development of new biologically active forskolin analogs with modified isoform-selectivity profile against this central family of enzymes.

Keywords

forskolin, diterpene, adenylyl cyclase, cyclic AMP, organic synthesis, total synthesis, forskolin analogs, enantiomers separation, biological activity, NMR spectroscopy, diterpen, adenylyl cykláza, cyklický AMP, organická syntéza, totální syntéza, analogy forskolinu, separace enantiomerů, biologická aktivita, NMR spektroskopie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 5. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 22. 6. 2018
• Supervisor: Mgr. Jakub Švenda, PhD.
• Reader: Dr. Ullrich Jahn, Ph.D., doc. RNDr. Miroslav Soural, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Organic Chemistry