Convergent assembly of the tricyclic labdane core: a platform for the synthesis of forskolin analogs

Mgr. Bc. Pawel Marcin Szczepanik, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Forskolin je přírodní diterpen běžně používaný v základním biomedicinálním výzkumu. Jeho semisyntetický analog colforsin je klinicky schválen v Japonsku pro léčbu některých srdečních selhání. Forskolin alostericky ovlivňuje funkci membránově vázaných adenylylcykláz, což jsou enzymy zodpovědné za konverzi ATP (adenosintrifosfát) na cAMP (cyklický adenosinmonofosfát). Biologická aktivita forskolinu, stejně jako mnoha jiných labdanů, ovšem není specifická. Forskolin ovlivňuje funkci většiny známých izoforem adenylylcyklázy a bylo zjištěno, že interaguje i s jinými buněčnými cíli. Identifikace forskolinových analogů se zvýšenou selektivitou vůči podskupině membránově vázaných izoforem enzymu je jedním z netriviálních cílů ve výzkumu adenylylcykláz. V této disertační práci popisuji novou syntetickou strategii pro flexibilní přípravu analogů forskolinu, které není možné připravit jeho semisyntetickými modifikacemi. Popsaný přístup je zcela unikátní v porovnání se všemi dříve publikovanými syntetickými pracemi. Využívá konvergentní výstavbu tricyklického labdanového skeletu za použití vhodně substituovaných stavebních bloků (A-kruhu a C-kruhu). V práci je podrobně popsán vývoj stereoselektivní intramolekulární Michaelovy adice, která umožnila flexibilní a efektivní spojení substituovaných fragmentů A-kruhu a C-kruhu s vynikající kontrolou konfigurace na třech nově vzniklých a sousedících stereocentrech. Pro stericky bráněné substráty jsme vyvinuli alternativní verzi intramolekulární Michaelovy adice s použitím thiomočovinového katalyzátoru. V práci je následně popsán vývoj a aplikace netriviální metateze 8-oxabicyklo[3.2.1]oktenů, kde se přítomnost silylenoletheru ukázala jako nezbytný strukturní motiv pro následnou efektivní syntézu tricyklického labdanového jádra. Chemické modifikace připravených tricyklických intermediátů umožnily syntézu nových analogů forskolinu. V práci jsou popsány výsledky testování biologické aktivity těchto plně syntetických molekul vůči membránově vázaným adenylylcyklázám. Předpokládáme, že syntetický přístup popsaný v této disertaci bude sloužit jako výchozí bod pro přípravu dalších analogů forskolinu a strukturně podobných komplexních labdanů s cílenou biologickou aktivitou.

Abstract:

Forskolin is a naturally occurring diterpene commonly used as a tool in biomedical research. It is also a precursor to the semisynthetic drug colforsin, which is clinically approved in Japan for the treatment of congestive heart failure. Forskolin is known for its ability to bind and allosterically stimulate membrane-bound adenylyl cyclases, enzymes responsible for the conversion of ATP (adenosine triphosphate) to cAMP (cyclic adenosine monophosphate). However, the biological activity of forskolin, like many other labdanes, is not specific. Forskolin affects multiple isoforms of adenylyl cyclase and was reported to interact with other cellular targets as well. Identification of forskolin analogs with improved selectivity toward a subset of membrane-bound isoforms of the enzyme has been one of the non-trivial challenges in the ongoing research of adenylyl cyclases. In this dissertation, I describe a new synthetic strategy for the flexible preparation of forskolin-like molecules not accessible by semisynthesis. Our approach differs from all previously published synthetic works dealing with forskolin and employs a convergent assembly of the tricyclic labdane core from pre-functionalized A-ring and C-ring building blocks. My dissertation details the development of a stereoselective intramolecular Michael addition that enabled flexible and efficient coupling of the pre-functionalized A-ring and C-ring fragments with excellent control over three newly created contiguous stereocenters (including adjacent all-carbon quaternary centers). For the couplings of sterically hindered substrates, we developed a thiourea-catalyzed version of the intramolecular Michael addition. Reported is also the discovery and application of the silyl enol ether-promoted ring-opening olefin metathesis of reluctant 8-oxabicyclo[3.2.1]octenes. The method proved critically important for the concise construction of the tricyclic labdane core via ring-closing olefin metathesis. Late-stage functionalization sequences allowed us to transform the tricyclic intermediates into a set of new fully synthetic forskolin analogs. The stimulatory properties of all prepared molecules were examined against the membrane-bound adenylyl cyclases. We hope that the modular nature of the synthetic approach described herein could become a general platform for preparing analogs of forskolin and other complex tricyclic labdanes.

Keywords

Forskolin, analogy forskolinu, adenylyl cykláza, konvergentní syntéza, Michaelova adice, metateze olefinů, ozonolýza Forskolin, forskolin analogs, adenylyl cyclase, convergent synthesis, Michael addition, olefin metathesis, ozonolysis

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 3. 5. 2023
• Supervisor: Mgr. Jakub Švenda, PhD.
• Reader: Dr. Ullrich Jahn, Prof. Dr. Ivan Vilotijević

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Organic Chemistry