311178 Catuabin A, B und C 139

Arch. Pharm. (Weinheim) 311,139-152 (1978)

Engelbert Graf und Waltraud Lude*

Alkaloide aus Erythroxylum vacciniifolium MARTIUS, 2. Mitt.')

Strukturaufklikung von Catuabin A, B und C

Pharmazeutisches Institut der Universitat Tubingen, Lehrstuhl fih Pharmazeutische Technologie (Eingegangen am 14. M%rz 1977)

Die Alkaloide Catuabin A (1) (0,Ol %) Catuabin B (2) (0,0005 %) und Catuabin C (3) (0,00064 %) werden anhand der spektroskopischen Daten, Elementaranalysen und Molekularmassen sowie durch Vergleich mit bekannten Strukturen als bisher unbekannte Diester des Tropan-3,7diols identifiziert. b u t 'H-NMR-Spektroskopie haben alle drei Ester an C-3 a-Konfiguration, hut '3C-NMR-Spektroskopie an C-7 8-Konfiguration. Die Sauren sind: am C-3 3,4,5-Trimethoxy- benzoesaure (A und B) resp. Pyrrol-2-carbonsaure (C), an C-7 N-Methyl- rol-2-carbonsaure (A und C) resp. Benzoesaure (B). Fiir Catuabin A wird eine mllstindige &-NMR-Signalzuord- nung angegeben.

Alkaloids from Erythroxylum Vacciniifolium MARTIUS, 11: ') The Structures of Catuabine A, B, and C

The alkaloids Catuabine A (11, B (2 ) and C (3) are the hitherto unknown diesters of tropane- 3,7-diol. As shown by 'H-NMR spectroscopy, all three esters have a-configuration at C-3. The configurations at C-7 are 8, according to the I3C-NMR spectra. 3,4,5-Trimethoxybenzoic acid (A and B) and pyrrole-2-carboxylic acid (C) are bound at (2-3. N-Methylpyrrole-2-carboxylic acid (A and C) and benzoic acid (B) are bound at (2-7. A complete interpretation of the I3C-NMR- spectrum of Catuabine A is given.

Tropanolester sind in der Gattung Erythroxylum verbreitet, wenn auch nur in gerin- gen Mengen'). Erst Wzlich fanden Evans et al.3) in E. monogynum zwei neue Tro- pan-3-olester.

Auch unsere Catuabine zeigen im NMR-Spektrum alle charakteristischen Signale eines Tr~panesters~): scharfes Singulett bei 2,51 ppm (N-CH3), das Multiplett von

* Aus der Dissertation W. Lude, Tubingen 1976. 1 1. Mitt.: E. Graf und W. Lude, Arch. Pharm. (Weinheim) 310, 1005 (1977). 2 J. Bosser und R. Pernet, Etudes chimiques SUT quelques Erythroxylum des Madamscar,

Naturaliste Malgache 9, 195 (1957). 3 J. T. H. Agar, W. C. Evans und P. G . Teaegust, J. Pharm. PharmacoL 26, 111 (1974). 4 J. Parello et al., Bull. SOC. Chim. Fr. 1963 II, 2787.

Overlag Chemie, GmbH, Weinheim 1978

140 Graf und Lude Arch. Pharm.

H-1 und H-5 des Tropanrings bei 3,37 ppm, die Signale der 6 aliphatischen Protonen, namlich je 2 an H-2, H-4 und H-6, zwischen 1,72 und 2,60 ppm, und das Pseudotri- plett von H-3 bei 5,30 ppm. Fiir H-3 ergibt sich aus den NMR-Spektren die a-Kon- figuration (wie im Atropin): Die aquatoriale Anordnung bewirkt im Atropin ein Tri- plett bei 5,OO ppm, bei Catuabin A bei 5,30 ppm, wahrend die axiale Position ein Quintett fordern wiirde wie z. B. beim Cocain bei 5,27 ppm. Zu den gleichen Ergeb- nissen kommen Chen und Le Fore’) bei der NMR-spektroskopischen Untersuchung von Tropanolen und 3-Halogentropanen. Gleichzeitig bestatigen sie durch das Ergeb- nis ihrer Untersuchungen die von Fodor und Kovacs6) vorgeschlagene Sesselform des Piperidinringes im Tropanmolekul.

1. Catuabin A (1)

Die Verschiebung des Resonanzsignals von H-2 in 1 nach tieferem Feld gegenuber Atropin wird durch die Veresterung mit 3,4,5-Trimethoxybenzoesaure erklart. Fur H-7 ergeben sich Dubletts vom Dublett bei 5,82 ppm. Diese Aufspaltung ist charak- teristisch fa eine Kopplung von H-7 mit H-1 (J1.7 = 8Hz) zu einem Dublett und mit 2 H-6 (J6,-,trans = 4-5 Hz, J6,7 gauche <1Hz) in zwei Dubletts, wobeiJ,,, nicht mehr auflosbar ist.

Die 3,4,5-Trimethoxybenzoesaure wird charakterisiert durch ihre drei OCH3- Gruppen, ein Singulett bei 3,97 ppm fur die beiden aquivalenten OCHJ-Gruppen in m-Stellung (doppelte Intensitat) und ein Singulett bei 3,92 ppm fur die OCH3-Gruppe in p-Stellung. Fiir die beiden aquivalenten aromatischen Protonen findet man ein Singulett bei 7,38 ppm. Die restlichen Resonanzen von Catuabin A finden sich samt- lich im NMR-Spektrum von synthetischer N-Methyl-pyrrol-2-carbonsaure. Der Elek- tronenzug des Pyrrol-N bewirkt eine Verschiebung des Resonanzsignals der NCH3 - Gruppe nach tiefem Feld, 3,90 ppm. H-12 spaltet in zwei Dubletts bei 6 , l l ppm durch Kopplung mit H-11 (J11,12 = 7 Hz) und mit H-13 (J12.13 = 3 Hz). H-13 ergibt ein Pseudotriplett bei 6,77 ppm mit den Kopplungskonstanten J12,13 = 4 Hz und J11,13 = 2 Hz. Das mittlere Signal des Tripletts weist infolge Kopplung von H-13 mit dem benachbarten N eine Verdoppelung und Verbreiterung der Intensitat auf.

Im Verein mit den IR-Daten und der Elementaranalyse ergibt sich daraus die fol- gende Formel fiir Catuabin A (l), die durch das MS bestatigt wird.

5 D. Y . Chen et al., J. Chem. SOC. 1965, 3473. 6 G. Fodor und 0. Kovacs, J. Chem. Soc., I953 11,2341.

311178 Catuabin A , B und C 141

CZ4H30N207 0 0

Das MS mit den relativen Intensitaten zeigt die Abb. 1.

100

ZL?

I

LOO

M +

b;p 500 rn /e Abb. 1: MS von 1

Die Zuordnung der Fragmente konnte sich besonders an Untersuchungen von Purel- lo4) und Blossey et al.7) anlehnen. Das Molekulion erscheint bei m/e 458. Die Spal- tung der Estergruppen ist aus der Abb.2, die des Tropanrings aus der Abb. 3 ersicht- lich.

Die Fragmentierung des Tropanrings verlauft wahrscheinlich analog der von BIossey u. a.7) an C-3- und C-GAcetylderivaten des Tropins untersuchten Fragmentierung, un ta Bruch der C-l/ -7 und C-S/Cd-Bindung, bei gleichzeitiga Wassastoffumlagerung und Bildung eines Ole-

C-7 substituierten Tropanderivate und kann mit Sicherheit dem N-Methylpyridiniumkation zuge- ordnet werden, das aus m/e 95 durch Verlust eines H-Atoms entsteht.

Folgende Peaks lassen sich auf das Vorliegen eines N-Methyl-2-pyrrol-deri~tes~) zuruckfiih- ren: m/e 108, m/e 80, m/e 53, m/e 42, m/e 39, m/e 28.

fins 87 (Tropidin, Abb. 3). Der Basispeak m/e 94 ist Basispeak aller bisher bekannten an C-6 bzw.

7 E. C. Blossey et al., Tetrahedron, 20, 585 (1964). 8 H. Budzikiewicz et al., Structure Elucidation of NaturalProducts by MS, Bd. 11, S. 218,

Holden-Day-Inc., San Francisco 1964. 9 H. Budzikiewicz et al., J. Chem. Soc. 1964, 1953.

142 Graf und Lu de Arch. Pharm.

m/r 80

I ' 3 3

m l r 108

m l i 211 I I

Qcao" --L I ' 3 3

/ H3CO

0 %

' O B . . , , ,o mlr 195

:'

Abb. 2: Fragmentierung der Estergruppen von 1

OCHj L

m k 2L6 OCH3

OCHj m/r 307

Abb. 3: Fragmentierung des Tropanringes

31 1/78 Catuabin A , B und C 143

AuDer den in den Abb. 2 und 3 gezeigten Fragmenten treten die in der ifbersicht 1 aufgefiihr- ten auf.

iibersicht 1: Weitere Fragmente von 1 mle rel. Intensitat % Bruchstuck

307

247

138

122

121

96

82

81

53

42

41

39

28

1,89

28,69

20,09

50,41

13,82

32,09

13,76

22,15

7,06

14,74

5,OO

3,90

9,37

C=O

0 HC=N-C H3

T 7

\o/ 7

N I

H

H 0

HCEN-H

144 Graf und Lude Arch. Pharm.

Durch Vergleich mit l3 C-NMR-Spektren der Modellsubstanzen Atropin, Tropacocain und Scopolamin l i e k n sich die Signale von 1 zuordnen, wie die Abb. 4 zeigt.

40.60

106.85 106.85

5 6 . 4 0 ~ H 3 C 0

56.40

(Ph829.41 0ch3 60.95 Abb. 4: 13C-Signalzuordnung von 1

Im breitbandentkoppelten Spektrum von 1 finden sich die fiir den Tropanring charakteristischen 13C-Verschiebungen (Tab. 1).

Tab. 1: 13C-Ver~chiebungen von 1 und ihre Zuordnung

PPm Aufspaltung Zuordnung (breitband- (off-resonance-entk.) entk.)

33.95 t = CH2 C 4 35.25 t = CH2 C-2 36.55 t = CH2 C-6 36.65 q = CH3 C-l4(NCH3) 40.60 q = CH3 C-8 (NCH3) 56.40 q = CH3 (C-22/C-24 (20CH3)) 60.40 d = CH c-5 60.95 q = CH3 C-23 (OCH3) 66.05 d = CH c-1 67.75 d = CH c- 3 78.75 d = CH c-7

106.85 d = CH c-21/c-17 107.95 d = CH c-11 117.90 d = CH c-12 122.70 s = C c-10 125.60 s = C C-16 129.65 d = CH C-13 142.50 s = C c-19 153.30 s = C C-18/C-20 160.95 s = c c-9 165.95 s = c (2-15

31 1/78 Catuabin A , B und C 145

Eine Bestatigung fiir diese Struktur liefert das off-resonanceentkoppelte Spektrum. Wahrend die aliphatischen CH-Kohlenstoffe bei 67.75, 66.05, 60.40 und 78.75 ppm Dubletts sind, spalten die Signale bei 33.95, 35.25 und 36.65 ppm in Tripletts. Sie sind demnach drei aliphatischen CHz-Kohlenstoffen zuzuordnen. Der fiir einen CH-Kohlenstoff g o b e Verschiebungswert von 78.75 ppm fiir C-7 wird durch die benachbarteCarbonylfunktionerkla. Das Quartett bei 40.60 p m pabt schlieDlich zum Methylkohlenstoff der NCHsGruppe im TIOpaNing.

C-Verschiebungen der Kohlenstoffe der Esterteile m n 1 konnen durch Vergleich mit N-Methylpyrrol-2-carbonsaure und 3,4,5-Trimethoxybenzoesaure zugeordnet werden (Tab. 1). Die 13C-Signale bei 106.85 ppm und 56.40 ppm erscheinen mit etwa doppelter Intensit l und gehoren demnach zu je zwei Ko hlenstoffen. Damit wird auch die Zahl von 24 C-Atomen be- statigt.

Mit Hilfe der l3 C-Verschiebung und der Vergleichssubstanzen Valeroidin und Meteloidin gelingt die noch unsichere Zuordnung des Esters an C-7 zur a- bzw. 0-Konfiguration. Die Hydroxygruppen an C-6 und C-7 der naturlich vorkommenden Alkaloide Valeroidin und Meteloidin besitzen 0-Konfiguration. Berucksichtigt man, dab eine Acylierung - zumal mit sperriger Gruppe - zu einer weiteren VergroBerung des ppm-Wertes fuhrt, so kann die fiir 1 gefundene C-7-Verschiebung von 78.75 ppm einer exostandigen Acyloxygruppe, d. h. 0-Konfiguration, zugeordnet werden.

P3 Die

2. Catuabin B (2)

Auch 2 ist ein Diester des Tropan-3,7-diols. Aufgrund der spektroskopischen, in An- lehnung an 1 ausgewerteten Daten formulieren wir die neue Base als 2.

Das H-NMR-Spektrum von 2 zeigt fiir den Tropanring vollstiindige Ubereinstimmung der Resonanzsignale mit 1. H-3 nimmt wieder die aquatoriale Stellung ein, was durch ein Triplett bei 5.36 ppm bewiesen wird. H-7 spaltet in das charakteristische Quar- tett (Dubletts von Dublett) bei 5.90 ppm und bestatigt damit die Substitution an C-7. Der 3,4,5-Trimethoxybenzoesaure lassen sich die beiden scharfen Singuletts bei 3,90 ppm f~ eine OCH3 -Gruppe in p-Stellungund bei4.0 ppm fiir zwei aquivalente OCH3 -Gruppen in m-Stellung (doppelte Intensitat) zuordnen. Fiir die beiden aro-

146 Graf und Lude Arch. Pharm.

matischen Protonen in o-Stellung, H-18 und H-22, findet man ein Singulett bei 7.40 ppm. Im Gegensatz zu 1 findet sich in dem NMR-Spektrum von 2 ein Signal bei 8.03 ppm. Dieses 1al3t sich auf Grund seines gro5en Verschiebungswertes den beiden Pro- tonen H-1 1 und H-15 der unsubstituierten Benzoesaure zuordnen. Das Aufspaltungs- muster entspricht einem sogenannten AA'BB'-System, das sehr grob vereinfacht als System zweier Dubletts gedeutet werden kann. Die Protonen H-12, H-13 und H-14 werden durch das Multiplett bei 7.53 ppm charakterisiert. Bestatigt wird diese Aus- sage durch einen Vergleich mit dem NMR-Spektrum von Cocain und die Ubereinstim- mung mit dessen Resonanzsignalen fiir den Benzoesaureester. Verschwunden sind da- fur die Resonanzsignale der N-Methyl-pyrrol-2-carbonsaure.

Man findet neben dem Molekiilpeak bei m/e 455 wieder die Fragmente der Esterspaitung. Auf die 'Ropanstruktur weisen besonders die hohen Peaks bei m/e 122, m/e 95 und m/e 94 hin, daneben finden sich die bei 1 beschriebenen Bruchstiicke fiir die Spaltung des Tropanringes. Die Peaks bei m/e 123, m/e 77 und m/e 5 1 lassen sich a d das Vorliegen eines Benzolderivates

u

Jg OCH, H3CO

r n l r 455

1

m l e 260

H3CO

rnlr 195

Abb. 5 : Fragmentierung von 2

31 1/78 Catuabin A , B und C 147

zuriickfiihren. Das Fragment m/e 123 wird der protonierten Benzoesaure zugeschieben und ent- steht durch doppelte H-Umlagerung. Es ist von besonderer Bedeutung bei Benzoesaureestern mit zweiund mehr C-Atomen irnAlkoholteil'O). Die Fragmente der 3,4,5-Trimethoxybenzoe- saure sind im Spektrum ebenfaUs zu beobachten.

95

Abb. 6: MS von 2

Die restlichen Fragmente zeigt die Ubersicht 2.

3. Catuabin C (3)

3 ist der Diester des Tropan-3,7-diols rnit Pyrrol-2-carbonsaure und N-Methylpyrrol- 2-carbonsaure.

Das H-NMR-Spektrum von 3 weist alle charakteristischen Resonamsignale des Tro- panringes auf. Auch hier nimmt H-3 die aquatoriale Stellung ein (Triplett bei 5.26 ppm, und H-7 erscheint als Quartett bei 5.97 ppm). Die Abwesenheit der 3,4,5-Tri- methoxybenzoesaure wird durch das NMR-Spektrum insofern bestatigt, als die bei

10 G. Spiteller, Massenspektrometrische Strukturanalyse organischer Verbindungen, S. 159, Ver- lag Chemie, Weinheim/BergstraBe 1966.

148 Graf und Lude Arch. Pharm.

ubersicht 2: Weitere Fragmente von 2

m/e rel. Intensitat % Bruchstuck

244 32,3

243 10,3

212

138

123

122

121

96

95

14,7

5 8

30,9

17,6

100 ,o

94 88,O

82 8 3

81 14,7

42 5,9

[ (o> C O O H T

C g - C H 3

E N - C H ,

0 HCENCH,

c 3 Q,N-CH3

31 1/78 Catuabin A , B und C 149

1 und 2 beobachteten zwei scharfen Singuletts fiir die OCH3-Gruppen bei 3.8 ppm fehlen. Dafh finden sich die Signale fa die Ringprotonen der Pyrrol-2-carbonsaure im Bereich von 6.0-7.2 ppm, die teilweise mit den Signalen der Ringprotonen der N-Methylpyrrol-2-carbonsaure zusammenfallen. Das Signal des NH-Protons, das beim Ausschutteln mit D2 0 verschwindet, erscheint als schwaches, breites Multiplett bei 9.4 ppm.

Im MS beobachtet man den Molekiilpeak bei m/e 357, die Esterspaltprodukte (Abb. 7) und die mit erwartunggemil3 hohen Intensitaten auftretenden Fragmente des Tropans bei m/e 122, m/e 95 und m/e 94. Alle bei 1 und 2 beobachteten Fragmente fiir die Spaltung des Tropan- ringes liegen wr. Die Anwesenheit der Pyrrol-Zcarbonsaure wird durch die Fragmente m/e 93 und m/e 66 bestatigt, deren Bildung von dem Vorhandensein eines Protons am Pyrrolstickstoff abhingig ist und durch eine H-Umlagerung sinnvoll erklLt wird')").

Gleichzeitig geben diese Fragmente - neben den spektroskopischen Daten des 'H-NMR- Spektrums - einen Hinweis auf die Stellung der Esterpuppen am Pynolring. Sie sind charak- teristisch fiir die Pyrrol-2-carbonsaureesterder ivate.

m l r 263 I

Abb. 7: Fragmentierung von 3

11 H. Budzikiewicz et al., Interpretation of MS of Organic Compounds, S. 246, Holden-Day-Inc., San Francisco 1964.

150 Cra f un d L ude Arch. Pharm.

Abb. 8: MS von 3

Die weiteren Fragmente zeigt die ifbersicht 3.

Wir danken Herrn Prof. Dr. E. Breitmaier, jetzt Universitat Bonn, fiir die Aufnahme und Inter- pretation der 13C-NMR-Spektren, Herrn Prof. Dr. W. C. Evans, Univ. of Nottingham/Engl., Dept. of Pharmacy, fiir die freundliche ifberlassung von Vergleichsmustern Valeroidin und Meteloidin, dem Fonds Chemie, Frankfurt/Main, fiir Sachbeihitfen.

Experimenteller Teil

IR-Spektren : KBr-PreDlinge, Beckmari-IR-20 AX resp. IR-4250. H-NMR-Spektren: teils Varian A d 0 im Pharmazeutischen Institut, teils A-90 im Chemischen Institut der Univ. Tubingen*); Referenz- signal Tetramethylsilan. Massenspektren: im Chemischen Institut der Univ. Tubingen*), Massen- spektrometer AEI Typ MS 9 und im Pharmazeutischen Institut der Univ. Tubingen, Varian Typ CH 7 . Ionenquellentemperatur: 250°, Beschleunigungsspannung: 3,s KV, Ionisierungsenergie: 70 eV.

Die 13C-chemischen Verschiebungen wurden gegen die Losungsmittelsignale gemessen und auf Tetramethylsihn umgerechnet (6 TMS = (6CDC13 - 79.2283 ppm)).

mit einem Bruker HFX-90-Multikern-NMR-Spektrometer gemessen (MeDkanal: 22,628 MHz fiir 13C; 13 MHz fiir 'HI. Die Impulsbreite betrug 4-5 psfiir die zur Messung notwendigen 90°-Impulse. Die MeDzeit pro Interferogramm betrug 0,4-0,8 s. Es wurden je nach Konzentra- tion zwischen 16000 und 110 000 Interferogramme zur Verbesserung der Empfindlichkeit in einen Fabritek-1074-Rechner (4 bzw. 8 K/12/9 Bit) akkumuliert. Die akkumulierten Interfero- gramme wurden mit einem DEC-PDP-8-I-Rechner (8 K, 9 Bit) zu den NMR-Spektren Fourier- transformiert. Aus den digital entnommenen Adressendifferenzen wurden die 13C-chemischen Verschiebungen maschinell auf f 0.1 ppm berechnet.

Zw Aufnahme der 13C-NMR-Spektren wurden Losungen in CDC13 verwendet (100 mp/ 1 ml).

Die Protonen-breitbandentkoppelten Impuls-Fourier-Transform-13C-NMR-Spektren wurden

* Wit danken dem Chemischen Institut der Univ. Tubingen fiir die Aufnahme.

311178 Catuabin A , B und C 15 1

aers icht 3: Weitere Fragmente von 3

mle rel. Intensitat 7’0 Bruchstiick

233

232

138

122

121

96

95

94

82

81

53

42

41

39

27,25

23,53

13,76

37,25

7,84

19,59

84,30

100,oo

9,80

11,76

7,80

11,76

5,88

5.80

aus Tropan I

H

w C H

152 Graf und Lude Arch. Pharm.

Molekulargewichtsbestimmung: Dampfdruckosmometer vOn Knauer in Chloroform. Elementaranalysen: mikroanalytisches Laboratorium Ilse Beetz, Kronach, und Alfred Bernhardt, Elbach.

Catuabin A (1)

IR (KBr): 1680 und 1690 (CO-Ester), 1300 und 1000 (Ester), 1590,1500 und 1450 (Aromat. Ring mit elektronenspendenden Substituenten wie zum Vergleich in 3,4,5-Trimethoxybenzoe- s l u e (TMB)), 2940 bis 2810 (vNCH3 und VOCH3; Vergleich: TMB und N-Methylpyrrol-2- carbonslue), 2940 (v CH2 und v CH Tropanring) cm-'.

Catuabin B ( 2 )

IR (KBr): 2940 (vCH und vCH2 aliph.), 2940-2850 (vNCH3 und vOCH3), 1710-1700 (CO), 1590,1500,1450 (aromat. Skelett) 730 (arom. CH) cm-'.

Catuabin C ( 3 ) IR (KBr): 3400 (NH), 2920 (CH2, CH), 2850 (NCH3) 1700-1670 (CO), 1550-1500 (w) (NH-Def.) cm-'.

7- Hydroxy tropino n

Synth. nach Nedenskov und Clouson-Kaas12) (55 % d. Th., Scbmp. 120-121'). 'H-NMR (CDC13): 6 (ppm) = 1.95-2.95 (m; 2 H-2, 2 H 4 , 2H-6), 2,70 (s; NCHs), 3,15 (s; OH), 3,41 (m; H-5), 3,61 (m; H-1).

12 R. Nedenskov und N. Clauson-Kaas, Acta Chem. Sand . 8, 1295 (1954).

Anschrift: Prof. Dr. E. Graf, Auf der Morgenstelle B, 7400 Tubingen [Ph 8291