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Title
New methods for the synthesis of glycosylated natural products with application to masked mycotoxins / von Julia Weber
Additional Titles
Neue Methoden zur Synthese von glykosylierten Naturstoffen mit Anwendung auf maskierte Mykotoxine
AuthorWeber, Julia
CensorFröhlich, Johannes
Thesis advisorMikula, Hannes
PublishedWien, 2017
Description343 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Dissertation, 2017
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Annotation
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (EN)Mycotoxin / Glycosylation / Organic Chemistry / Carbohydrate Chemistry
Keywords (GND)Kohlenhydrate / Glykosylierung / Organische Synthese / Mykotoxin
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-102948 Persistent Identifier (URN)
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New methods for the synthesis of glycosylated natural products with application to masked mycotoxins [35.68 mb]
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Abstract (German)

Stoffwechselprodukte, die Kohlenhydrate enthalten, sind schon seit Langem bekannt, jedoch ist die Erforschung der genauen Funktion und Entstehung dieser Verbindungen oft noch sehr mangelhaft. Um die Rolle von Kohlenhydraten in biologischen Systemen, wie beispielsweise ihre Beteiligung an Krankheiten oder der Entgiftung von schädlichen Fremdstoffen, analysieren und feststellen zu können, werden reine und definierte Verbindungen in ausreichender Menge benötigt. Da es schwierig ist, homogene und chemisch definierte Kohlenhydrate aus biologischen Quellen zu erhalten, ist die chemische Synthese von Kohlenhydraten und Glykokonjugaten von großem Interesse. Daher wurden viele unterschiedliche Methoden zur Herstellung von Glykokonjugaten entwickelt, wobei unverändert an der Entwicklung neuer Strategien gearbeitet wird, mit dem Ziel allgemein anwendbarere Verfahren für die diastereoselektive Synthese von Glykosiden zu erhalten. ^Die bekanntesten und am häufigsten verwendeten Methoden für die chemische Glykosylierung sind die Königs-Knorr Methode, die Schmidt Glykosylierung und die Thioglykosid-Methode, welche Bromozucker, Glykosylacetamide bzw. Thioglykoside als Glykosylierungsreagenzien (Glykosyldonoren) verwenden. Nach wie vor ist eines der anspruchvollsten Probleme in der Synthese von Glykosiden die Notwendigkeit eine 1,2- trans oder 1,2-cis glykosidische Bindung diastereoselektiv zu bilden. Die Synthese von 1,2-trans Glykosiden unter Verwendung von Schutzgruppen, die einen Nachbargruppeneffekt ausüben, ist gut etabliert, jedoch gibt es nach wie vor Nachteile darunter Nebenreaktion wie die Orthoesterbildung und der Acyltransfer, und die limitierte Kompatibiltät von einigen Naturstoffen unter Reaktionsbedingungen, die üblicherweise zur Entschützung von den weit verbreitesten Schutzgruppen, wie zB. Ester-Funktionalitäten am O-2, verwendet werden. ^Daher war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von neuen und vielseitig einsetzbaren Glykosylierungsstrategien, die für die 1,2-trans Glykosylierung von komplexen und labilen Naturstoffen angewendet werden können mit besonderem Schwerpunkt auf die Synthese von modifizierten Mykotoxinen. Mykotoxine sind niedermolekulare sekündäre Metabolite von Schimmelpilzen. Sie treten häufig in befallenen Pflanzen wie Weizen, Mais, Gerste und Hafer auf und kontaminieren Getreide und Getreideprodukte weltweit. Da Mykotoxine akute als auch chronische Gesundheitsprobleme bei Menschen und Tieren verursachen können, stellen diese ein signifikantes Problem für die Lebens- und Futtermittelsicherheit dar. In Folge von Evaluierungen von internationalen Expertengremien über das Vorkommen, den Metabolismus und die Toxizität von Mykotoxinen, führten einige Länder Regulierungen ein. ^Jedoch sind Mykotoxine den lebenden Organismen fremd und werden daher wie andere Xenobiotika im Laufe von natürlichen Detoxifizierungsprozessen in Produkte, die sich strukturell von dem nativen Toxin unterscheiden, metabolisiert. Diese sogenannten modifizierten Mykotoxine werden in Routineanalysen nicht detektiert. Obwohl diese üblicherweise eine geringere Toxizität aufweisen als das ürsprüngliche Toxin, stellen sie trotzdem eine Gefahr für die Lebens- und Futtermittelsicherheit dar, da diese nach erfolgter Aufnahme hydrolysiert werden können, wodurch das eigentliche Toxin freigesetzt wird. Referenzsubstanzen werden benötigt für (i) die Entwicklung von routinemäßigen Analysenmethoden, die modifizierte Mykotoxine miteinbeziehen, (ii) die Bewertung des Vorkommens von modifizierten Mykotoxinen in Lebens- and Futtermitteln und für (iii) weiterführende biologische Untersuchungen. ^Daher wurden in dieser Arbeit verschiedene Herstellungsmethoden für die Synthese von modifizerte Mykotoxine entwickelt und einige Mykotoxinkonjugate in ausreichender Menge hergestellt. -Glykoside von komplexen und basisch labilen Mykotoxinen können nicht über traditionelle Glykosylierungsmethoden hergestellt werden, daher wurden neuartige Methoden für die Synthese von Glykosiden entwickelt. Es wurden diastereoselektive, benzyl-geschützte Glykosyldonoren hergestellt, die die Synthese von -Glykosiden und -Glykosylestern ermöglichen, ohne dass vorhandene Estergruppen bei der finalen Entschützung gespalten werden. Weiters konnten diese erfolgreich für die regio- und diastereoselektive Synthese des Mykotoxinkonjugats Culmorin-11-O-,d-glukosid eingesetzt werden. Jedoch stellen ungesättigte Naturstoffe mit Estergruppen unverändert ein Problem dar, da diese empfindlich gegenüber Hydrierungsreaktionen sind. ^Daher wurde eine weitere Glykosylierungsstrategie unter Verwendung von Schutzgruppen, welche unter milden reduktiven Bedingungen gespalten werden können, entwickelt. Diese wies zwar nur eine erhöhte -Diastereoselektivität auf, konnte aber erfolgreich für die Synthese von T-2-Toxin-O-,d-glukosid verwendet werden. Weitere Phase II Metaboliten der Mykotoxine Deoxynivalenol und Zearalenon wurden hergestellt, indem optimierte Glykosylierungsmethoden verwendet wurden, um unter anderem die Bildung von Nebenprodukten zu verhindern. Unter Anwendung von [13C6]Glykosyldonoren konnten auch 13C-isotopenmarkierte Mykotoxinkonjugate hergestellt werden, welche notwendig sind, um die exakte Quantifizierung von maskierten Mykotoxinen per LC-MS zu ermöglichen. Zusätzlich konnten mehrere Mykotoxinsulfate basierend auf der Entwicklung einer effizienten Methode zur chemischen Sulfatierung von Trichothecen-Mykotoxinen synthesiert werden. ^DON-3- und DOM-3-sulfat wurden als Referenzstandards verwendet, um die Bildung derartiger Mykotoxinsulfate in verschiedenen Geflügelarten nach dem Konsum von DON-kontaminierten Futter untersuchen zu können. Zusammengefasst konnten neue Glykosylierungsmethoden entwickelt werden, die die Synthese von komplexen und labilen glykosylierten Naturstoffen ermöglichen. Diese und weitere Methoden konnten erfolgreich für die Synthese von -Glykosiden und Mykotoxinkonjugaten im Allgemeinen eingesetzt werden.

Abstract (English)

Carbohydrate-containing metabolites have been known for decades, but research devoted to the precise role of these compounds and their formation is often lacking. In order to be able to analyze and assess the roles of carbohydrates in biological systems, such as their precise involvement in diseases or in detoxification processes of harmful xenobiotics, there is a need for pure and defined target carbohydrates in reasonable quantities. As it is difficult to obtain homogeneous and chemically defined carbohydrates from biological sources, the chemical synthesis of carbohydrates and glycoconjugates is of high interest. Therefore, numerous glycosylation methods have been developed and the search for new glycosylation strategies is ongoing with the aim to find more generally applicable procedures for the stereoselective synthesis of glycosides. ^Most frequently used methods for chemical glycosylation include the Koenigs Knorr method, the Schmidt glycosylation and the thioglycoside method applying bromosugars, glycosyl acetimidates and thioglycosides, respectively, as glycosylation reagents (glycosyl donors). Still one of the most demanding problem in the synthesis of glycosides is the necessity to form either a 1,2-trans or 1,2-cis glycosidic bond with complete diastereoselectivity. The synthesis of 1,2-trans glycosides applying neighboring participating protective groups is well established, but there are still drawbacks including side reactions such as orthoester formation and acyl transfer, and limited compatibility of many natural products under reaction conditions usually applied for the removal of common participating groups, i.e. ester functionalities at O-2. ^Therefore, the main objective of this thesis was the development of new versatile glycosylation strategies that can be applied for 1,2-trans glycosylation of complex and labile natural products with emphasis on the synthesis of modified mycotoxins. Mycotoxins are low-molecular-weight secondary metabolites of molds. They frequently occur on infected plants such as wheat, corn, barley and oats and thus contaminate grain and cereal products worldwide. As mycotoxins can cause acute and chronic health problems in human and animals, they pose a major concern for food and feed safety. As a result of evaluations of their occurrence, metabolism and toxicity by international expert bodies, many countries introduced regulation limits. However, mycotoxins are foreign for living organisms and therefore, similarly to other xenobiotics, metabolized in the course of natural detoxification processes into products structurally different from the native toxin. ^These so called modified mycotoxins fail to be recognized in routine analysis and are thus not regulated. Even though they are usually of lower toxicity than the parent toxin, they are a concern for food and feed safety as assimilated by food they might be hydrolyzed back to their precursor toxin during digestion, contributing to the overall toxicity. Reference standards are required for (i) the development of routine analytical methods that include modified mycotoxins, (ii) the evaluation of the occurrence of modified mycotoxins in food and feed, and (iii) further biological investigations. Hence, in this thesis various procedures for the synthesis of modified mycotoxins were developed and several mycotoxin conjugates were prepared in reasonable amounts. -Glycosides of complex and base labile mycotoxins cannot be prepared by traditional glycosylation methods, therefore new methods for the synthesis of glycosides were developed. ^Diastereoselective benzyl protected glucosyl donors were prepared that enabled the synthesis of -glucosides and -glucosyl esters without affecting ester groups during final deprotection. Furthermore, such a glucosyl donor could be applied for regio- and diastereoselective synthesis of the mycotoxin conjugate culmorin-11-O-,dglucoside. However, unsaturated natural products containing ester groups still pose a problem as these are sensible to hydrogenolysis. Therefore, a further glycosylation strategy applying protecting groups that can be cleaved under mild reductive conditions was developed. This strategy demonstrated only an enhanced -diastereoselectivity but could be applied for the synthesis of T-2-toxin-O-,d-glucoside. Further phase II metabolites of the mycotoxins deoxynivalenol and zearalenone were prepared by optimizing traditional glycosylation methods to avoid formation of byproducts and other side reactions. ^Applying [13C6]glycosyl donors, also various 13C-isotope labeled mycotoxin conjugates were synthesized that are crucial to enable accurate quantification of masked mycotoxins by LC-MS. Additionally, based on the development of an efficient procedure for the sulfation of trichothecenes, various mycotoxin sulfates were prepared. These include DON-3- and DOM-3-sulfate that already served as reference standards to determine their formation in different poultry species after the consumption of DON contaminated feed. In summary, novel glycosylation strategies were developed that enabled the synthesis of complex and labile glycosylated natural products. These and further methods have already been applied to the synthesis of -glycosides and mycotoxin conjugates in general.

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