Hypothèses d’oxydations tardives des chalasines

4. Stratégie de fonctionnalisation tardive par oxygénation des chalasines

4.1. Origine de la diversité des chalasines oxygénées

Le peu de chalasines déjà représentées dans ce manuscrit illustre la grande diversité associée à ces squelettes polycycliques. Notamment, la complexité générée par les fonctions oxygénées suggère l’existence de précurseurs biomimétiques communs (squelettes carbonés) subissant des oxydations tardives. En se basant sur les fonctions oxygénées rencontrées, il est possible d’établir un noyau général regroupant l’isoindolone, fusionné à un macrocycle. Les chalasines peuvent être ensuite distinguées par leurs fonctions oxygénées respectives, comme les α-hydroxycétones et diols, les hydroxyles allyliques et les cétones α,β-insaturées, les macrolactones et les carbonates macrocycliques, ainsi que les époxydes. Toutes ces entités oxygénées pourraient provenir d’oxydations tardives enzymatiques ou même spontanées, transposables à des réactions chimiques biomimétiques comme les photo-oxygénations et les réarrangements associés discutés précédemment, ainsi que l’oxydation de Baeyer-Villiger. La suite de ce chapitre donnera donc un point de vue chimique sur la formation tardive hypothétique de ces fonctions oxygénées sur les chalasines, en se basant sur des hypothèses de biosynthèse, sur la réactivité des produits naturels et la littérature associée.

4.2. Hypothèses d’oxydations tardives des chalasines

4.2.1. Hypothèse d’hydroxylation et d’époxydation tardives des chalasines

De nombreuses chalasines isolées comportent les fonctions hydroxyles et époxydes. Ces fonctions oxygénées peuvent provenir de processus enzymatiques ou auto-oxydants sur le motif commun isoindolone-macrocycle (Schéma 23). Par exemple, la cytochalasine Z2 (11) pourrait provenir de l’hydroxylation tardive du méthyle en position 6 de l’isoindolone. La cytochalasine E (119) et la chaetoglobosine C (120) pourraient provenir d’une époxydation tardive de la double liaison du cyclohexène, alors que les fonctions diols de la scoparasine B (121) proviendraient soit d’une dihydroxylation, soit d’une ouverture d’époxyde tardive. La plupart des réactions seraient enzymatiques, faisant intervenir des oxydases. En effet, plusieurs analyses génétiques des clusters de gènes fongiques liés à la biosynthèse des chalasines, et plus généralement des métabolites PKS-NRPS, ont montré la présence de gènes associés à des enzymes d’oxydation, par exemples à cytochrome P450.99

99 (a) T. L. Schneider, B. Shen, C. T. Walsh, Biochemistry 2003, 42, 9722-9730; (b) A. Koglin, C. T. Walsh, Nat. Prod. Rep. 2009, 26(8), 987-1000; (c) T. Ugai, A. Minami, R. Fujii, M. Tanaka, H. Oguri, K. Gomi, H. Oikawa,

44 Schéma 23. Hypothèse d’époxydation et d’hydroxylation tardives chez les chalasines

4.2.2. Hypothèse de formation des alcools allyliques chez les chalasines

La fonction alcool allylique est très présente chez les chalasines (Schéma 24). Elle pourrait provenir d’une réaction de Schenk-ène (catalysée ou non) sur le cyclohexène fusionné au lactame, pour donner l’hydropéroxyde allylique. Ce dernier peut être réduit pour donner les chalasines naturelles (encadré).

Chem. Commun. 2015, 51, 1878;(d) Y. Ye, A. Minami, Y. Igarashi, M. Izumikawa, M. Umemura, N. Nagano, M. Machida, T. Kawahara, K. Shin-ya, K. Gomi, H. Oikawa, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55 (28), 8072-8075.

45 Schéma 24. Hypothèse de formation tardive des fonctions alcools allyliques chez les chalasines

La réduction de la fonction hydroperoxyde est une réaction pouvant être catalysée par des enzymes, les peroxydases, et qui est également réalisable en synthèse organique par l’utilisation de PPh3 ou encore Me2S pour capter l’oxygène partant. Cette réaction peut donc avoir lieu in

vivo, pouvant peut-être expliquer la formation de certaines chalasines polycycliques comme

l’alachalasine F (122),100 l’aspochalasine L (123),101 la chaetoglobosine E (124),102 ou encore la déoxaphomine (125),29 la cytochalasine A (11)27 ou encore la scoparasine A (12).107 On peut noter que ce mécanisme n’est qu’une hypothèse de travail et n’exclut pas d’autres possibilités

100 Y. Zhang, R. Tian, S. Liu, X. Chen, X. Liu, Y. Che, Bioorg. Med. Chem. 2008, 16 (5), 2627-2634.

101 S. Rochfort, J. Ford, S. Ovenden, S. S. Wan, S. George, J. Antibiot. 2005, 58 (4), 279-283.

102 S. Udagawa, T. Muroi, H. Kurata, S. Sekita, K. Yoshihira, S. Natori, M. Umeda, Can. J. Microbiol. 1979, 25, 170-177.

46 comme, par exemple, l’époxydation de la double liaison suivie d’un réarrangement par ouverture d’époxyde pour former un alcool allylique.

4.2.3. Hypothèse de biosynthèse de la fonction cétone α,β-insaturée chez les chalasines

Certaines chalasines polycycliques comportent la fonction cétone α,β-insaturée sur le motif isoindolone, comme la protophomine 126 (Schéma 25). Curieusement, la protophomine 126 a été isolée du champignon Phoma (souche S 298) en même temps que son analogue à un degré d’oxydation inférieur, la proxiphomine 127.103 Il est donc fortement plausible que la protophomine 165 soit issue de l’oxydation de la proxiphomine 127 par un réarrangement de Kornblum-DeLaMare in vivo. D’autre part, la cytochalasine F 128 est composée d’un squelette similaire à la proxiphomine 127, à l’exception d’un groupement époxyde qui pourrait provenir de l’époxydation de la double liaison via une enzyme monooxygénase. D’autre part, l’oxygène supplémentaire au sein du macrocycle formant une lactone semble être issu d’une oxydation de type Baeyer-Villiger de la cétone macrocyclique de la proxiphomine 127. L’origine des fonctions lactones et carbonates seront développées ci-après.

Schéma 25. Rétrosynthèse de la protophomine (126) par oxydation tardive de la proxiphomine (127)

4.2.4. Hypothèses de biosynthèse de chalasines macrocycliques comportant les fonctions lactone et carbonate

Comme souligné précédemment, les fonctions lactone et carbonate sont présentes chez les chalasines et pourraient provenir d’une ou de deux oxydations successives de Baeyer-Villiger.

47 Cette réaction très utilisée en synthèse organique, consiste en une oxydation de cétone par un peracide formant un groupement ester (Schéma 26).104 L’oxydation de Baeyer-Villiger a aussi son homologue biochimique. En effet, des enzymes de type monooxygénases, dépendantes de flavine adénine dinucléotides (FAD) sont capables de transformer des cétones en esters avec l’aide d’oxygène et de NADPH.105 Dans le mécanisme classique, un peracide (par exemple m-CPBA) attaque la cétone pour donner un peracétal, qui se réarrange par la migration d’un groupement alkyle pour donner l’ester. Un mécanisme enzymatique similaire mettant en jeu un peroxyde de flavine et une « Baeyer-Villigerase » donnerait l’ester correspondant, où l’oxygène ajouté proviendrait donc du dioxygène.

Schéma 26. Mécanismes de la réaction de Baeyer-Villiger

Comme pour la cytochalasine F (128), de nombreuses chalasines comportent le motif lactone dans le macrocycle, qui pourrait provenir de l’oxydation de Baeyer-Villiger tardive de précurseurs macrocycliques carboxylés. Un autre exemple est celui de la phomacine B (129), qui, selon ce même mécanisme, devrait être biosynthétisé à partir de la phomacine C (130)106

par l’intermédiaire d’une Baeyer-Villiger monooxygènase ou « Baeyer-Villigerase » (Schéma 27).

104 A. Baeyer, V. Villiger, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1890, 33, 858-864.

105 N. M. Kamerbeek, D. B. Janssen, W. J. H. van Berkel, M. W. Fraaije, Adv. Synth. Catal. 2002, 345 (6), 667-678.

48 Schéma 28. Hypothèse de biosynthèse de la phomacine B à partir de la phomacine C

Les fonctions carbonates sont aussi présentes dans des chalasines macrocycliques lactoniques. On pourrait envisager, par le même processus, une double oxydation de Baeyer-Villiger, donnant l’accès aux chalasines porteuses de la fonction carbonates au sein du macrocycle à partir de la cétone correspondante. Les scoparasines A 12 et B 121107 ainsi que la cytochalasine E (119)108 en sont de bons exemples (Schéma 29).

Schéma 29. Hypothèses de biosynthèse du groupement carbonate des scoparasines A (12) et B (121) et de la cytochalasine E (119)

4.2.5. Hydrolyse des carbonates chez les chalasines

Une autre transformation successive à la double oxydation de Baeyer-Villiger serait l’hydrolyse de la fonction carbonate. Ceci pourrait en effet rationaliser l’existence de plusieurs chalasines dont le macrocycle laisse place à une chaîne linéaire fonctionnalisée avec des fonctions alcools et un hydroxyle en position α du lactame (Schéma 30).

107 W. Pongcharoen, V. Rukachaisirikul, S. Phongpaichit, N. Rungjindamai, J. Sakayaroj, J. Nat. Prod. 2006, 69 (5), 856-858.

49 Schéma 30. Hypothèse de biosynthèse des chalasines hydroxylées non-macrocycliques

De plus, des enzymes catalysant l’hydrolyse des carbonates cycliques ont déjà été isolées,109 ce qui renforce cette hypothèse. La famille des cytochalasines Z10-Z15 (131-136) pourrait donc être originaire biosynthétiquement de la chalasine carbonatée 137. Ainsi, l’occurrence naturelle d’une grande partie des chalasines oxygénées connues à l’heure actuelle peut être rationnalisée par des transformations oxydantes. Les fonctions hydroxyles ou époxydes pourraient faire intervenir des enzymes à CYP450. Les fonctions alcools allyliques pourraient quant à elle provenir de la réduction des hydroperoxydes allyliques issus de réactions Schenk-ène, alors que des réarrangements de Kornblum-DeLaMare pourraient expliquer l’existence des cétones α,β-insaturées. Enfin, des fonctions lactones, carbonates et seco-diols (comportant une chaîne linéaire) pourraient être issues de mono- ou de dioxydations de Baeyer-Villiger suivie d’une hydrolyse. Toutes ces transformations sont transposables à tout type de produits naturels oxygénés, rendant cette stratégie d’oxygénation tardive très polyvalente. Le réarrangement de Hock, dont on n’a pas mentionné l’utilité dans la fonctionnalisation tardive des chalasines, sera

50 développé plus en détail lors des hypothèses de biosynthèse de nos cibles de synthèse, à savoir la trichoderone A (9) et la trichodermone (10).

5. Biosynthèse des chalasines polycycliques : exemple du précurseur potentiel de