Benutzer:LittleBigCube/Pasteurestin A

Pasteurestin A ist ein Sesquiterpen und gehört zu den Terpenoiden. Dieses wird durch Fermentation des Basidiomyceten Agrocybe aegeritta erhalten. Dabei handelt es sich um einen Pilz^[1] . Die Gattung Agrocybe gehört zur Familie der Strophariaceae, der Klasse Agaricomycetes und zum Stamm der Basidiomycota^[2] . Basidiomyceten sind sogenannte Hutpilze / Samthaube /Ständerpilz (Unterklasse der Basidiomycota).  Da Pilze in der Natur kontinuierlich verschiedensten Gegenspielern ausgeliefert sind, haben diese fruchtkörperbildenden Vertreter der Basidiomyceten mitunter chemische Abwehrmechanismen evolviert, die ihnen helfen ihre ökologische Fitness aufrecht zu erhalten^[3]. Agrocybe enthalten sekundären Metabolite. Diese haben ein vielfältiges Spektrum biologischer Makromoleküle sowie kleinen molekularen chemischen Bestandteilen wie bspw. Sesquiterpene^[4]. Sie zeigen entzündungshemmende, krebshemmende, antioxidative, leberschützende, antimikrobielle und antidiabetische Aktivitäten und sind deshalb bedeutende Quellen für Naturprodukte mit biologischer und pharmakologischer Wirkung^[5]. Er kommt zudem in Gebieten mit wärmeren Temperaturen, wie Südeuropa, Süden der USA, Mexiko und Asien vor^[5]. Der Cyclocybe aegerita (syn. Agrocybe aegerita) ist zudem ein essbaren Edelzuchtspeisepilz^[6].

Von Isopren abgeleitete organische Verbindungen sind die Isoprenoide. Zu den wichtigen Untergruppen der Isoprenoide gehören die Terpene, Terpenoide und die Steroide^[7]. Terpene bilden eine große Gruppe an chemischen Verbindungen mit vielfältigen Kohlenstoffgerüsten, die aus Isopren-Einheiten bestehen. Im Allgemeinen handelt es sich bei Terpenen um reine Kohlenwasserstoffe, die aufgrund ihrer langen Kohlenstoffkette unpolar sind. Terpenoide bilden eine Ausnahme, da diese polaren funktionellen Gruppen wie Hydroxygruppen enthalten können^[8]. In der organischen Chemie werden Terpene zu den Lipiden gezählt.  Eine Einteilung der Terpene ist durch eine Vielzahl von Eigenschaften im Aufbau der Stoffe möglich. Einerseits durch die Anzahl an Isopren-Einheit, bei der eine vollständige Einheit 5 Kohlenstoffatome (C5-Regel) umfasst. Andererseits durch die Zahl an Ringen (mono-, bi-, tri-, tetra-, penta- bzw. polycyclischen). Der Länge nach werden sie wie folgt benannt: Hemiterpene (C5), Monoterpene (C10), Sesquiterpene (C15), Diterpene (C20), Sesterterpene (C25), Triterpene (C30), Tetraterpene (C40). Zudem spielt die Verknüpfung der Isopreneinheiten einen Unterschied. Je nach verknüpten Ende liegt eine Kopf-Schwanz, Kopf-Kopf oder - Schwanz-Schwanz Bindung vor^[9]. Pasteurestin A gehört zur Molekülklasse der Protoilludene. Dabei handelt es sich um ein tricyclisches Sesquiterpen mit einem 5/6/4-Ring-System. Das 5/6 Ring-System befindet sich an den Kohlenstoffatomen C2 und C9. Die Kohlenstoffatome C5 und C8 bilden das 6/4 Ring-System. Die Doppelbindung ist am C4 Atom. Die H-Atome am C2 und C9, sowie die Methylgruppe an C11 und die Hydroxygruppe an C3 stehen trans zur Methylgruppe am C8 Kohlenstoffatom. Am C4 Kohlenstoffatom befindet sich zudem eine Carboxylgruppe.

FPP wird cyclisiert durch ionisationsabhängige Klasse I Terpensynthasen, die als Sesquiterpen-Synthasen bekannt sind. Die Ringbildung entsteht durch eine elektrophilen Additionsmechanismus. Durch die Cyclisierung entsteht das Inermediat trans-humulyl Kation 60. Initiiert wird die Cyclisierung durch eine metallioneninduzierte Ionisierung und der Abspaltung anorganischem Pyrophosphat/Diphosphat (eng. PPi).  Das entstehende reaktive Carbokation unterliegt einem Ringschluss an der 1,11-Position. Durch Abspaltung eines Protons an dem C,10 Atom, kommt es zu Bildung einer Doppelbindung zwischen C9,10. Durch Protonierung der zuvor entstandenen Doppelbindung, entsteht eine Positive Ladung am C,9 Kohlenstoffatom. Eine 2,9-Cyclisierung führt zu einem 5,8-Ringsystem. Mit einer 3,6 Cyclisierung entsteht das Protoilluden Kation. Die Eliminierung des H-Atoms am sechsten Kohlenstoffatom führt zum Produkt Protoilluden^[11]. Nach weiteren Reaktionsschritten entsteht Pasteurestin A.

Für die Herstellung von Pasteurestin A orientierte man sich an der Synthese von Illudol nach Vollhardt^[12]. Dessen zentraler Syntheseschritt war eine 2+2+2 Cycloaddition. Um die notwendige Molekülstruktur zu bilden und die Stereoselektivität der Reaktion zu beeinflussen, wurde eine substrat-kontrollierte α-Alkylation ausgewählt.

Die Reaktion läuft im Grunde zwischen einem Allylbromid und einem Butyrlacton ab. Es wird LDA als starke Base verwendet und Hexamethylphosphoramid als Lösungsmittel. Ausgeführt wird die Reaktion bei einer niedrigen Temperatur von -78^o Celsius¹, um potenzielle Nebenreaktionen zu vermeiden. Der Ablauf der Reaktion ist dabei wie folgt: 1) Das Butyrlacton wird an einem - H-Atom deprotoniert durch LDA. 2) Es entsteht ein Enolat. 3) Die Doppelbindung des Enolats greift dann in einer Sn²-Reaktion das Bromid an. Schlussendlich entsteht dann folgendes Molekül: Dieses wird durch darauffolgende Reaktionen weiterverarbeitet, wodurch dann das Ausgangsmolekül für die [2+2+2]-Cycloaddition entsteht.

Die (2+2+2) Cycloaddition mit einem Übergangsmetall-Komplex als Katalysator ist,  die wichtigste Reaktion in der Herstellung der Molekülklasse der Protoilludene und damit auch für die Synthese von Pasteurestin A. Verwendet wurde bei der Synthese das Katalysatormolekül η⁵-Cyclopentadienyl)dicarbonylcobalt(I) in kurz: CpCo(CO)_2. Im Allgemeinen kann die (2+2+2) Cycloaddition mit anderen Katalysatoren ablaufen, die verschiedene Übergangsmetallen als zentrales Atom besitzen wie z.B Nickel, Paladium, Rhodium usw.^[13] Die Komplexen sind dabei fast immer ähnlich aufgebaut: Es gibt einen “Spectator-Liganden“ und einen neutralen Liganden. Diese sind alle mit dem Metallatom verbunden über kovalent koordinative Bindungen. Ein Beispiel dafür ist der Cyclopentadienyl-Ligand, der über diese Art Bindung verbunden ist mit dem Cobalt. Das Kohlenstoffmonoxid hingegen wird über eine -Bindung gebunden wie dies analog im Paper von Vollhardt zu Synthesestrategien für (2+2+2) Cycloaddition in Schemen dargestellt wird^[14]. Der Spectator-Ligand ist dabei beteiligt bei der Koordination der Bindung während einer chemischen Reaktion. Er stabilisiert den Komplex, indem er im Falle von CpCo (CO)₂ -Elektronen donor, wodurch dessen Reaktivität moduliert wird. Zudem trägt er durch seine sterischen Hinderungen zu einer erhöhten regio- und stereoselektivität des Katalysators bei. Die neutralen Liganden, welche bei CpCo-(L) (L steht für Ligand wie CO, P(OR)₂, Olefine, Nitrile etc) verschieden seinen können, haben einen ähnlichen Einfluss wie der Spectator-Ligand. So stabilisieren diese den Komplex z.B durch  -Rückbindungen, erhöhen die katalytische Aktivität des Metallkomplexes, indem diese das Metallzentrum aktivieren oder verstärken dessen Selektivität. Ein Beispiel für die unterschiedlichen Wirkungen der Liganden wurde untersucht in dem Paper von Indre Thiel, Haijun Jiao und Kollegen^[15]. Der Grund für die spezifische Verwendung von CpCo(CO)₂ in der Herstellung von Pasteurestin A wurde nicht genannt. Es lässt sich aber vermuten, dass dieser genutzt wurde, da in der Synthese von Vollhardt für andere Moleküle der Protoilluden-Molekülfamilie, der Gleiche verwendet wurde

Der Mechanismus wird normalerweise in einem Medium mit bekannten Lösungsmitteln wie THF, Toloul oder 1,4 Dioxan durchgeführt^[16].  Der Reaktionsmechanismus wird beschrieben in dem Paper von Gandon, Agenet und Vollhardt aus dem Jahre 2007^[17]. Der Ablauf des Mechanismus ist wie folgt: Eingeleitet wird dieser durch eine thermale oder photochemische Dissoziation des Kohlenstoffdioxids 1. Es wird dadurch eine Koordinationsstelle an dem Metall-Atom frei. Diese wird genutzt von einem Alkin, welches über eine η²- Bindung angebunden wird.  Das Gleiche passiert dann mit dem zweiten CO-Liganden 1. Es entsteht somit dann ein Bis-Alkin-Komplex 2. Dieser geht dann eine spontane oxidative Addition ein, wodurch der korrespondierende Cobaltcyclopentadien-Komplex entsteht und das Cobalt-Atom eine höhere Oxidationsstufe von +3 erreicht 3. Im nächsten Schritt kommt es dann zu einer Insertionsreaktion in einer der Co-C--Bindungen 4. Es entsteht dadurch dann ein Cycloheptatrien-Komplex 5, der ein siebengliedriger Ring ist. Ein alternativer Weg ist die direkte Bildung des Benzolrings.  Schließlich tritt eine intramolekularen Umlagerungsreaktion ein, welche über eine reduktive Eliminierung abläuft. Es werden dadurch die  -Bindungen zu dem Cobalt-Atom abgetrennt bzw. ein Elektronenpaar wird genutzt, um die C-C-Bindung, welche notwendig ist für den Benzol-Ring auszubilden und das andere Bindungspaar der zweiten  -Bindung erhält das Cobalt selbst. Dadurch wird die Oxidationsstufe des Cobalts von +3 auf +1 herabgesetzt und es entsteht ein η⁴ -benzol-Komplex 6. Das CpCo wird dann schlussendlich ganz abgespalten, indem eine Dekomplexierung abläuft. Es lösen sich dabei im Allgemeinen die Koordinationsbindungen von dem Cobalt zu dem Benzol ab.

Die Synthese von Pasteurestin A besteh aus vielen Teilreaktionen, von denen besonders die Cobalt vermittelte [2+2+2] Cycloaddition wichtig ist, denn diese erstellt die zugrundeliegende Struktur. Danach werden die fehlenden funktionellen Gruppen in einzelnen Reaktionen an das Molekül gebunden.

Besonderes Interesse hat Pasteurestin A in der Veterinärmedizin. Diese zeigt eine starke selektive Aktivität gegen Mannheimia haemolytica. Dieser pathogene Erreger löst bei Mastrindern und neugeborenen Kälbern Entzündungen im Atmungstrakt inklusive der Lunge aus (bovine respiratory disease, BRD)^[18]. Es ist hierbei das wichtigste Bakterium, das bei Atemwegserkrankungen isoliert wird^[18].

Zur Isolierung wurde ein Pasteurestin A und B produzierendes Bakterium in einer Kultur gezüchtet. Der verwendete Mikroorganismus stammt aus der Präfektur Kagoshima in Japan und ist mit der Stammnummer K-379 gekennzeichnet worden. Als Nährmedium für die Kultur wird eingesetzt, was normalerweise als Energiequelle für Lebewesen verwendet wird. Dazu gehören Fettsäuren, Kohlenhydrate, Proteine, sowie Nährsalze. Je nach Kulturmedium muss die Zusammensetzung des Nährmediums variiert werden und die verwendeten Nähstoffquellen vor Kultivierung steril sein. Der optimale pH-Wert liegt hierbei zwischen 5,5 und 6,5. Die Temperatur sollte konstant bei 25-30°C gehalten werden. Die Zeit zur Gewinnung der Kultur beträgt dabei zwischen 4-14 Tage, je nach Zusammensetzung der Kultur und den gegebenen Bedingungen. Nach abgeschlossener Fermentation wird die Zellkultur einem bekannten Trennverfahren unterzogen, wie einer Zentrifugation. Die Lösung wird mittels einer Lösungsmittelextraktion mit Butylacetat aufgetrennt. Mittels Chromatographie wird das Stoffgemisch aufgetrennt und nach Reinigung zusammengetragen und unter Druck getrocknet. Die Gesamtausbeute bei diesem Verfahren ergibt 3.7mg Pasteurestin A und 6,0mg Pasteurestin B. Die hierbei beschriebene Isolierung ist in einem japanischen Patent von 2002 zu finden^[10].

1. ↑ Manufacture of high-octane gasoline I. Suzuki; K. Hirabayashi; T. Kondo; H. Nishijima Technology Research Association for New Application Development for Light-Weight Fractions Jpn Kokai Tokkyo Koho 87,151,490, July 6, 1987; Appl. Dec. 26, 1985. In: Zeolites. Band 8, Nr. 4, Juli 1988, ISSN 0144-2449, S. 341, doi:10.1016/s0144-2449(88)80152-0 (10.1016/s0144-2449(88)80152-0 [abgerufen am 1. Juli 2024]). 
2. ↑ F. A. S., R. Singer: The Agaricales in Modern Taxonomy. In: Taxon. Band 24, Nr. 4, August 1975, ISSN 0040-0262, S. 531, doi:10.2307/1219523 (10.2307/1219523 [abgerufen am 1. Juli 2024]). 
3. ↑ https://www.epp.ruhr-uni-bochum.de/epp/forschung/hutpilze.html.de (PD Dr. Florian Hennicke – Gruppenleiter (eigene Stelle, DFG-Projekt HE 7849/3-1, Projektnummer 437330589) Hannah Elders, B.Sc.)
4. ↑ Liqiu Zhang, Meixia Yan, Chengwei Liu: A comprehensive review of secondary metabolites from the genus Agrocybe : Biological activities and pharmacological implications. In: Mycology. Band 15, Nr. 2, 2. April 2024, ISSN 2150-1203, S. 162–179, doi:10.1080/21501203.2023.2292994, PMID 38813473, PMC 11132692 (freier Volltext) – (tandfonline.com [abgerufen am 1. Juli 2024]). 
5. ↑ ^{a b} Pioppino - Agrocybe aegerita - Tyroler Glückspilze. Abgerufen am 1. Juli 2024. 
6. ↑ Rita Lüder: Grundkurs Pilzbestimmung: eine Praxisanleitung für Anfänger und Fortgeschrittene (= Quelle-&-Meyer-Bestimmungsbücher). 1. Auflage. Quelle & Meyer, Wiebelsheim 2007, ISBN 978-3-494-01341-1. Fehler in Vorlage:Literatur – *** Parameterproblem: Dateiformat/Größe/Abruf nur bei externem Link
7. ↑ Peter Nuhn: Naturstoffchemie: mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe; mit ... 106 Tab. 2., neu bearb. u. erw. Auflage. Hirzel, Stuttgart 1990, ISBN 978-3-7776-0473-2. Fehler in Vorlage:Literatur – *** Parameterproblem: Dateiformat/Größe/Abruf nur bei externem Link
8. ↑ Eberhard Breitmaier: Terpene: Aromen, Düfte, Pharmaka, Pheromone. 1. Auflage. Wiley, 2005, ISBN 978-3-527-31498-0, doi:10.1002/9783527623693 (wiley.com [abgerufen am 1. Juli 2024]). 
9. ↑ L. Růžička: Perspektiven der Biogenese und der Chemie der Terpene. In: Pure and Applied Chemistry. Band 6, Nr. 4, 1. Januar 1963, ISSN 1365-3075, S. 493–524, doi:10.1351/pac196306040493 (degruyter.com [abgerufen am 1. Juli 2024]). 
10. ↑ ^{a b} Manufacture of high-octane gasoline I. Suzuki; K. Hirabayashi; T. Kondo; H. Nishijima Technology Research Association for New Application Development for Light-Weight Fractions Jpn Kokai Tokkyo Koho 87,151,490, July 6, 1987; Appl. Dec. 26, 1985. In: Zeolites. Band 8, Nr. 4, Juli 1988, ISSN 0144-2449, S. 341, doi:10.1016/s0144-2449(88)80152-0 (10.1016/s0144-2449(88)80152-0 [abgerufen am 1. Juli 2024]). 
11. ↑ Maureen B. Quin, Christopher M. Flynn, Claudia Schmidt-Dannert: Traversing the fungal terpenome. In: Nat. Prod. Rep. Band 31, Nr. 10, 2014, ISSN 0265-0568, S. 1449–1473, doi:10.1039/C4NP00075G (rsc.org [abgerufen am 1. Juli 2024]). 
12. ↑ Marion Kögl, Lothar Brecker, Ralf Warrass, Johann Mulzer: Novel Protoilludane Lead Structure for Veterinary Antibiotics: Total Synthesis of Pasteurestins A and B and Assignment of Their Configurations. In: European Journal of Organic Chemistry. Band 2008, Nr. 16, Juni 2008, ISSN 1434-193X, S. 2714–2730, doi:10.1002/ejoc.200800074 (wiley.com [abgerufen am 2. Juli 2024]). 
13. ↑ Jesús A. Varela, Carlos Saá: Construction of Pyridine Rings by Metal-Mediated [2 + 2 + 2] Cycloaddition. In: Chemical Reviews. Band 103, Nr. 9, 1. September 2003, ISSN 0009-2665, S. 3787–3802, doi:10.1021/cr030677f (acs.org [abgerufen am 2. Juli 2024]). 
14. ↑ K. Peter C. Vollhardt: Cobalt-vermittelte [2+2+2]-Cycloadditionen: eine ausgereifte Synthesestrategie. In: Angewandte Chemie. Band 96, Nr. 8, August 1984, S. 525–541, doi:10.1002/ange.19840960804 (wiley.com [abgerufen am 2. Juli 2024]). 
15. ↑ Indre Thiel, Haijun Jiao, Anke Spannenberg, Marko Hapke: Fine‐Tuning the Reactivity and Stability by Systematic Ligand Variations in CpCo I Complexes as Catalysts for [2+2+2] Cycloaddition Reactions. In: Chemistry – A European Journal. Band 19, Nr. 7, 11. Februar 2013, ISSN 0947-6539, S. 2548–2554, doi:10.1002/chem.201202946 (wiley.com [abgerufen am 2. Juli 2024]). 
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18. ↑ ^{a b} G. C. Duff, M. L. Galyean: BOARD-INVITED REVIEW: Recent advances in management of highly stressed, newly received feedlot cattle. In: Journal of Animal Science. Band 85, Nr. 3, 1. März 2007, ISSN 0021-8812, S. 823–840, doi:10.2527/jas.2006-501, PMID 17085724, PMC 7109667 (freier Volltext) – (oup.com [abgerufen am 1. Juli 2024]).