Neue Isochromanchinon-Antibiotica der Naphthocyclinon-Reihe

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  • B. Krone und A . Zeeck 47 1 Liebigs Ann. Chem. 1983, 471 - 502

    Neue Isochromanchinon-Antibiotica der Naphthocyclinon-Reihe

    Bernd Krone und Axel Zeeck*

    lnstitut fur Organische Chemie der Universital Gottingen, TammannstraRe 2 , D-3400 Gottingen

    Eingegangen am 12. Juli 1982

    Aus dem Mycel von Streptomyces arenae werden funf neue Naphthocyclinone isoliert. Von die- sen enthalten Sa, 19a und 20a das Molekulgerust des P-Naphthocyclinons (2a), der Chromophor- teil ist durch Addition von OH/Acetonyl oder OH/CI bzw. durch Epoxidierung an der 4a/10a- Doppelbindung verandert. Zwischen moglichen Regio- und Stereoisomeren wird mit spektrosko- pischen und chemischen Methoden entschieden. Im y-iso-Naphihocyclinon (29a) sind, biogene- tisch bemerkenswert, die Molekulhalften unsyrnmetrisch verkniipft. Durch die chemische Um- wandlung der Naphthocyclinone ineinander gelingt es, ihre Stereochemie aufzukllren. Hervorzu- heben ist die Photolyse des Epoxids 20a zum a-Naphthocyclinon (1 a). Uber die biologische Akti- vitat der Naphthocyclinone wird berichtet.

    New Isochromanquinone Antibiotics of the Naphthocyclinone Series

    Five new naphthocyclinones are isolated from the mycelium of Streptomyces arenae. From these, Sa, 19a, and 2Oa contain the molecular skeleton of 0-naphthocyclinone (2a), the chromophore part is changed at the 4a/lOa-double bond by addition of OH/acetonyl or OH/CI and by epoxid- ation, respectively. It will be decided between possible regio- and stereoisomers by spectroscopic and chemical methods. The halves of the molecule of y-iso-naphthocyclinone (2Ya) are connected unsymmetrically, this is remarkable with regard to the biosynthesis. The corresponding stereo- chemistry of the naphthocyclinones is confirmed by chemical transformations. The photolysis of the epoxide 20a into a-naphthocyclinone ( la) is to be emphasized. Furthermore, it will be reported on the biological activity of the naphthocyclinones.

    Die Naphthocyclinone sind Farbstoffe, die von Sireptornyces arenae (Stamm Tii 495) produziert und im Mycel angereichert werden. Bislang beschrieben wurden a-Naphtho- cyclinon) ( la) und a-Naphthocyclinon-saure) ( lb) sowie die Isochromanchinon-Anti- biotica S-Naphthocyclinon*) (2a) und y-Naphthocyclinon* (3a). Die Molekiile setzen sich aus einem Chromophor, der sich vom 5,8-Dihydroxy-l,4-naphthochinon ableitet, und einem Bicyclus/Arylketonteil zusammen. Biogenetisch gesehen werden vermutlich zwei aus Acetat aufgebaute Molekiilhalften iiber zwei C - C-Bindungen verknupft. Dabei bildet sich das Bicyclo[3.2.l]octadienon-System, das die Naphthocyclinone unter den bisher bekannten I sochrornanchin~nen~~~ auszeichnet.

    Neben den roten und gelbroten Komponenten produziert der Stamm eine Reihe von gelben Verbindungen, die im UV-Licht intensiv gelbgriin fluoreszieren und zum Teil wie 2a und 3a antibakteriell wirksam sind. Auffallig ist, dafi der Anteil der gelben Na- turstoffe im Rohprodukt von den Kulturbedingungen abhangt und den der bekannten Antibiotika 2a und 3a zuweilen deutlich iibersteigt. Im folgenden beschreiben wir die

    0 Verlag Chemie GmbH, D-6940 Weinheim, 1983 0170-2041/83/0303-0471 $ 02.5010

  • 472 8. Krone und A . Zeeck

    a

    c

    d

    Isolierung und Strukturaufklarung der neuen Naphthocyclinone. Da sich alle Naphtho- cyclinone vorwiegend im Chromophor voneinander unterscheiden, verwenden wir hau- fig Partialformeln, der abgebildete Chromophor ist durch den gleichbleibenden Struk- turteil 4a oder 4b zu erganzen.

    H H CH3

    b H H H

    CH3 CH3 CH3

    CH3 H CH3

    n OH 0

    i

    :;_:: C H

    3b: R I AC 9b: R = ti

    Tab. 1 . Farbe, R,-Wert, Summenformel und Ausbeute der Naphthocyclinone aus dem Mycel von Sireptomyces arenae (Stamm Tu 495)

    Verbindung Farbe Rpa) R F h )

    Ausbeute Summen- (rng/l

    formel Kultur- Iosung)

    E-Naphthocyclinon (26aI26b) y-Naphthocyclinon (3a) y-iso-Naphthocyclinon (29a) 0-Naphthocyclinon (2a) 0-Naphthocyclinon-epoxid (2Oa) 0-Naphthocyclinon-chlorhydrin (19a) 6-Naphthocyclinon (5a) a-Naphthocyclinon (1 a) a-Naphthocyclinon-saure (1 b)

    Violett Dun kelrot Dunkelrot Rot Gclb Gelb Gelb Gelbrot Gelbrot

    0.85 0.70 0.66 0.54 0.64 0.52 0.55 0.64 0.51 0.56 0.30 0.48 0.22 0.33 0.13 0.36 0.02 0.24

    0.1 23 0.8 9

    50 18 9

    104 149

    a , b ) DC an Oxalsaure-Kieselgel: a) Chloroform/Aceton (9: 1); b, Benzol/Ether/Aceton (9: 9: 2).

    Das chloroformlosliche Rohprodukt des Mycelextraktes von Streptomyces arenue'X2) wird an Oxalsaure-Kieselgel mit Chloroform/Aceton-Systemen aufgetrennt . Nachein- ander werden die in Tab. 1 aufgefuhrten Verbindungen eluiert, die durch wiederholte

    Liebigs Ann. Chern. 1983

  • Neue Isochromanchinon-Antibiotica der Naphthocyclinon-Reihe 473

    Chromatographie, zum Teil mit anderen Laufmitteln oder durch Gelfiltration an Se- phadex LH-20 weiter gereinigt werden konnen. Die Moglichkeit, dan es sich bei einzel- nen dieser Verbindungen um Artefakte handelt, die erst wahrend der Aufarbeitung ent- stehen, liel3 sich durch Verwendung verschiedener Losungsmittel bei der Extraktion und Einhaltung unbedenklicher pH-Werte weitgehend ausschliel3en. Insbesondere b-Naphthocyclinon-chlorhydrin und 8-Naphthocyclinon erhalt man auch, wenn bei der Aufarbeitung weder Salzsaure noch Aceton Verwendung finden.

    .__

    6-Naphthocyclinon (5 a) Das gelbe 6-Naphthocyclinon, obwohl biologisch inaktiv, nimmt bei der Aufklarung

    der Stereochemie der Naphthocyclinone eine Schlusselrolle ein und wird daher zuerst beschrieben. Seine Reindarstellung aus angereicherten Fraktionen gelingt an Sephadex LH-20 mit Chloroform/l%o Eisessig.

    6-Naphthocyclinon @a, C38H38016) enthalt je eine verseifbare Methoxy- und Acet- oxygruppe und kann durch alkalische Hydrolyse in die Desacetyl-6-naphthocyclinon- saure (5 b) iibergefuhrt werden. Da 5 b besser wasserloslich ist als Desacetyl-a-naphtho- cyclinon-saure6 eroffnet sich ein Weg, aus angereicherten Rohproduktfraktionen den 8-Anteil vom a-Anteil zu trennen. Die Summenformel des 8-Naphthocyclinons (54 ist durch die Analysenwerte sowie die hochauflosende Massenspektrometrie seines Me- thylesters 5c (M+: m/e = 764) gesichert, der bei der Methylierung mit Diazomethan aus dem Naturstoff entsteht.

    Als Schlusselreaktion fur die Aufklarung des Molekulgeriistes und erster Schritt fur die Umwandlung in ein bekanntes Naphthocyclinonderivat erwies sich die Behandlung von 5b mit methanolischer Salzsaure, dabei entstehen die isomeren Methylester 6-4b

    R 2 I 1 R1 R 3 l4 1 a H H H AC CH3 C CH3 H H AC CH3 CH3 AC H AC CH3 a C H ~ H AC AC CH)

    H H H

    +$ OH 0

    6 ,v- CHZCOCH3 H 8 Liebigs Ann. Chem. 1983

  • 474 B. Krone und A . Zeeck

    und 7a-4b, die in Farbe und Fluoreszenz dem 8-Naphthocyclinon (Sa) gleichen und wie dieses einen Chrornophor enthalten, der sich vom 2,3-Dihydro-5,8-dihydroxy-l,4- naphthochinon (8) ableitet (Tab. 2). 6-4b und 7a-4b lassen sich - im Gegensatz zu 5a - rnit Kaliumiodid in Eisessig in den roten Desacetyl-P-naphthocyclinon-methylester (2b) uberfuhren, der in allen Eigenschaften rnit dem aus P-Naphthocyclinon (2a) ge- wonnenen 2b ubereinstirnmt. 6-4b und 7a-4b enthalten der Summenformel nach zwei OH-Gruppen mehr als 2b und werden abgekurzt als Diol I und I1 bezeichnet. Gegen- uber 6-Naphthocyclinon-rnethylester (5c) fehlt ihnen auner der Acetylgruppe ein Strukturelement rnit drei C-Atornen.

    In den 'H-NMR-Spektren zeigen Diol I und I1 alle Signale fur den Bicyclus/Aryl- ketonteil (Partialformel 4b, Tab. 3) in Ubereinstimmung rnit anderen Desacetylnaph- thocyclinonen Der Chrornophorteil liefert neben Singuletts fur zwei chelierte phe- nolische auch solche fur zwei aliphatische OH-Gruppen (Tab. 4). Bei den Signalen fur Ring A unterscheiden sich die isomeren Diole untereinander und vom Desacetyl-P- naphthocyclinon-methylester (2 b) in der chernischen Verschiebung, nicht jedoch im Kopplungsmuster. Die gegenuber 2 b zusatzlichen OH-Gruppen stehen sornit an C-4a und C-lOa, 6-4b (Diol I) und 7a-4b (Diol 11) unterscheiden sich an diesen Zentren in der Stereochemie.

    Tab. 2. Elektronenspektren und Fluoreszenzemission (Anregung bei 250 nm) von 2.3-Dihydro- 5,8-dihydroxy-l,4-naphthochinon (S), 6-Naphthocyclinon (Sa), den isomeren Diolen 1 (6-4b) und I1 (7a-4 b), b-Naphthocyclinon-chlorhydrin (19a) und b-Naphthocyclinon-epoxid (2Oa) in Methanol

    Verbindung Elektronenspektrum h,,, in nm (Ig E) Fluoreszenzemission

    h,,, in nm -

    8 411 (3.75). 254 (4.03) 495, -, 445 5a 405 (4.08), 248 (4.50) 487, 471, 460 6-4 b 411 (3.92), 247 (4.40) 497, 415, 460 7 a-4 b 410 (3.95). 248 (4.42) 498, 415, 460 19a 420 (3.89), 252 (4.39) 491, 470, 457 20 a 423 (3.80). 252 (4.36) 483, 468, 459

    Durch den Abbau des 6-Naphthocyclinons (5a) zu 6-4b und 7a-4b und deren Um- wandlung in 2b ist bewiesen, dan Sa das Molekulgerust des 0-Naphthocyclinons (2a) enthalt und sich von diesem durch einen Rest C,H,O, unterscheidet, der an die 4a/10a- Doppelbindung von 2a addiert ist. Nach Zuordnung aller 'H-NMR-Signale, die auf den Bicyclus/Arylketonteil(4a, Tab. 3) sowie den Chromophorteil von 5a irn Vergleich zu 2a entfallen (Tab. 4), bleiben ein CH,-Singulett (6 = 2.10) sowie ein AB-System (6 = 3.05/2.62, J = 16.0 Hz) fur eine CH,-Gruppe. In Verbindung rnit der IR-Bande bei 1705 cm- ' und den MS-Daten von 5 c (Ion bei m/e = 706 durch Abspaltung von C,H,O aus dem Molekul-Ion) ist ein Acetonylrest an einem quartaren C-Atom bewie- sen. Das andere C-Atom ist rnit einer tertiaren OH-Gruppe (6 = 4.58) besetzt.

    Die Addition von OH und Acetonyl an dic 4a/lOa-Doppelbindung von 2a wird auch durch das '3C-NMR-Spektrum des 6-Naphthocyclinons bestatigt. Im Chromophorteil (Tab. 5 ) fehlen ge- geniiber 2a zwei Aromat/Olefin-C, dafiir treten rwei quartare C-Atome (6 = 68.3 und 78.0) neu

    Liebigs Ann. Chem. 1983

  • Neue Isochrornanchinon-Antibiotica der Naphthocyclinon-Reihe 475

    auf. Ferner sind die Signale der Chinon-CO-Gruppen (6 = 185.2/184.3 bei 2a) auf 6 = 201.7/200.6 verschoben und entsprechen chelierten Aryl-CO-Gruppen. Der Acetonylrest gibt Si- gnale bei 6 = 31.7 (CH,), 35.8 (CH,) und 204.9 (CO). Der Vergleich der 13C-NMR-Spektren ist trotz der GrdDe der Molekule gut mdglich, weil sich die Veranderung an der 4a/lOa-Doppelbin- dung auf die Signale des Bicyclus/Arylketonteils nicht auswirkt (Tab. 5).

    Tab. 3. 'H-NMR-Signalea) (200 MHz, CDCI,, 6-Werte) fur den Bicyclus/Arylketonteil der Naph- thocyclinone, Partialformel 4a und 4 b

    Zuordnung Au f- spaltung 4a J [HzIb) 4b J [Hz]b) ~

    10-OH 5'-H Ester-OCH, 6'-Acetoxy 6'-OH 1 '-He, l'-CH,

    4'-H,. 4'-H,, 7'-H, 7'-HB 8'-H

    3'-H,

    1 l'-HA 11 '-HB

    S

    S S

    S S

    q d mc dd dd dd d d dd dd

    11.97 6.96 3.72 2.26

    5.01 1.51 6'5 4.35 2.84 2.69 17'5

    3'76 10.5 2.91 4.39

    2'64 16.5 2.56

    12.00 6.96 3.75

    4.62 -

    5'03 6.5 1.53 4.39 2.83 2.77 17'0 3.06 3.00 lo.* 4.41 2.66 2.57 "'O

    a) Abweichungen bei verschiedenen Naphthocyclinonderivaten kleiner/gleich ? 0.03 pprn mit Ausnahme von 6'-OH. - b) J [Hz] fur 4a/4b: 3'a/4'a' = 10.0/10.0; 3'a/4'e' = 3.5/4.0; 3 ' d l l ' A = 7.5/7.0; 3'a/11'B = 5.Y6.0; 7'A/8' = 5.0/3.5; 7'B/8'

  • Tab

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    on (3-Naphthocyclinon-chlorhydrin (1

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  • Neue Isochromanchinon-Antibiotica der Naphthocyclinon-Reihe 471

    salzsaurem, wanrigem Aceton zu 5c reoxidieren, auljerdem bildet es mit Phenylborsaure den cyclischen Ester 9b-4a. Im 'H-NMR-Spektrum (Tab. 4) ist die Veranderung am Acetonylrest als Folge der Reduktion auffallig, die zugehorigen Signale sind deutlich diamagnetisch verschoben, wahrend bei den Signalen von Ring A dies nur fur I-H der Fall ist. Von den phenolischen OH-Gruppen des Chromophorteils (6 = 11.35l9.66) ist nur noch eine cheliert. In [Dd]DMSO sind aunerdem drei aliphatische OH-Gruppen als Singuletts bei 6 = 6.54, 5.78 und 5.61 (mit D 2 0 austauschbar) zu erkennen. Beim cycli- schen Phenylborsaureester 9 b-4a fehlen die unchelierte phenolische sowie eine der ali- phatischen OH-Gruppen.

    Diese Befunde sind nur in Einklang zu bringen, wenn eine Art Pinakolreduktion zwischen der Acetonyl-CO-Gruppe und einem Ring-CO erfolgt, so dafl Ring B in 5 c iiberbruckt wird. Dabei kann, wie in 9a gezeigt, ein Funfring oder unter Beteiligung von C-5 ein Vierring entstehen. Ring- spannungsgrunde und die GroBe der geminalen Kopplungskonstante ( J = 15 Hz) im neugebilde- ten Ring sprechen fur den Funfring. Aus den 'H-NMR-Spektren folgt (Tab. 4), dal3 die 10-CO- Gruppe reagiert hat, denn 1-CH, und 1-H sind betroffen. Die I3C-NMR-Daten (Tab. 5) bestati- gen die Struktur. Durch den reduktiven RingschluR liegt die Stereochemie an C-10 fest. Die starke Abschirmung von 15-CH, im 'H-NMR-Spektrum (6 = 0.98) sollte der benachbarte Aromat ver- ursachen, dies wurde fur die in 9a angenommene Konfiguration sprechen.

    Tab. 5. '3C-NMR-Signalea) (25.2 MHz, CDCI,, 6-Werte) des Bicyclus/Arylketonteils der Naph- thocyclinone (Partialformel 4a und 4b) und des Chromophorteils von 6-Naphthocyclinon @a),

    seinem Dihydroderivat 9a-4a und P-Naphthocyclinon (2a)

    Auf- zu- Auf- lunktion spal- 4a 4b ordnung 5a 9a-4a 2a

    tung

    sp3-c an Kohlen- stoff

    sp3-c an Sauer- stoff

    Aro- mat-C

    Carbo- nyl-C

    l'-CH, Acetyl-CH, c-4' c-11' c-7' c-8' Ester-OCH, c-3' c-1' C-6'

    C-9 'a c-5' C-lOa C-5'a C-4'a c-10'

    Acetyl-CO c- 12' c -9

    q q t t t d

    9 d d S

    S S S

    18.7 21.2 34.6 40.6 49.7 51.1 51.6 63.2 67.9 84.8

    108.0...