Asymmetric Syntheses of Oxindole and Indole Spirocyclic Alkaloid Natural Products

Abstract

This review highlights the advances in the literature up to May 2009 in the synthesis of spirocyclic indoline natural products. The focus is on formation of the spirocyclic chiral center, including both enantioselective and diastereoselective methods. This review is split into two main sections, the first consisting of the formation of spirooxindoles and their application towards oxindole alkaloids, and the second covering asymmetric synthesis of spiroindoline natural products.

1 Introduction

2 Spirooxindole Alkaloids

2.1 Oxidative Rearrangements

2.2 Azomethine Ylide Cycloaddition

2.3 Asymmetric Addition-Elimination

2.4 Palladium-Catalyzed Heck Reactions

2.5 Palladium-Catalyzed Allylic Alkylation

2.6 Ring Expansion

2.7 Mannich Reaction

3 Spiroindoline Alkaloids

3.1 Palladium Catalyzed Asymmetric Allylic Alkylation

3.2 [4+2] Cycloaddition

3.3 Oxidative Rearrangement

3.4 Diastereoselective Pummerer Rearrangement

3.5 Tandem Iminium Cascade

3.6 Fischer Indole Synthesis

3.6.1 Diastereoselective Ring-Closing Metathesis

3.6.2 Diastereoselective Alkylation of Chiral Lactams

3.6.3 Regioselective Schmidt Reaction

3.6.4 Diastereoselective Ketene Lactonization

3.6.5 Harley-Mason Reaction

3.6.6 S_N2-Type Indole Alkylation

3.6.7 Aza-Cope-Mannich Rearrangement

4 Conclusion

Key words

alkaloids - spiro compounds - indoles - asymmetric synthesis - natural products

References

• 1a Kama T. Chooa Y. Bisindole Alkaloids, In The Alkaloids   Vol. 63:  Cordell GA. Academic Press; New York: 2006.  p.181 
• 1b Saxton JE. Synthesis of the Aspidosperma Alkaloids, In The Alkaloids   Vol. 50:  Cordell GA. Academic Press; New York: 1998.  p.343 
• 2 Bindra JS. In The Alkaloids   Vol. 14:  Manske RHF. Academic Press; New York: 1973.  p.84-121  
• 3 Marti C. Carreira EM. Eur. J. Org. Chem.  2003,  2209 
• 4a Esmond RW. Le Quesne PW. J. Am. Chem. Soc.  1980,  102:  7117 
• 4b Takayama H. Masubuchi K. Kitajima M. Ogata K. Sakai S. Tetrahedron  1989,  45:  1327 
• 4c Takayama H. Kitajima M. Ogata K. Sakai S. J. Org. Chem.  1992,  57:  4583 
• 4d Peterson AC. Cook JM. Tetrahedron Lett.  1994,  35:  2651 
• 4e Peterson AC. Cook JM. J. Org. Chem.  1995,  60:  120 
• 5a Finch N. Gemenden CW. Hsu IH.-C. Taylor WI. J. Am. Chem. Soc.  1963,  85:  1520 
• 5b Finch N. Gemenden CW. Hsu IH.-C. Kerr A. Sim GA. Taylor WI. J. Am. Chem. Soc.  1965,  87:  2229 
• 6a Finch N. Taylor WI. J. Am. Chem. Soc.  1962,  84:  3871 
• 6b Martin SF. Mortimore M. Tetrahedron Lett.  1990,  31:  4557 
• 6c Stahl R. Borschberg HJ. Acklin P. Helv. Chim. Acta  1996,  79:  1361 
• 6d Ito M. Clark CW. Mortimore M. Goh JB. Martin SF. J. Am. Chem. Soc.  2001,  123:  8003 
• 7 Edmondson S. Danishefsky SJ. Sepp-Lorenzino L. Rosen N. J. Am. Chem. Soc.  1999,  121:  2147 
• 8a Witkop B. Patrick JB. J. Am. Chem. Soc.  1951,  2188 
• 8b Williams RM. Glinka T. Kwast E. Tetrahedron Lett.  1989,  30:  5575 
• 9a Williams RM. Glinka T. Kwast E. Coffman H. J. Am. Chem. Soc.  1990,  112:  808 
• 9b Baran PS. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  7904 
• Racemic syntheses:
• 9c Hutchison AJ. Kishi Y. J. Am. Chem. Soc.  1979,  101:  6786 
• 9d Pearson WH. Lee Y. Mi Y. Stoy P. J. Org. Chem.  2004,  69:  9109 
• 10a Wearing XZ. Cook JM. Org. Lett.  2002,  4:  4237 
• 10b Takayama H. Fujiwara R. Kasai Y. Kitajima M. Aimi N. Org. Lett.  2003,  5:  2967 
• 10c Williams RM. Cao J. Tsujishima H. Angew. Chem. Int. Ed.  2000,  39:  2540 
• 11 Williams RM. Cao J. Tsujishima H. Cox RJ. J. Am. Chem. Soc.  2003,  125:  12172 
• 12a Shoop WL. Egarton JR. Eary CH. Suhayda D. J. Parasitol.  1990,  76:  349 
• 12b Ostlind DA. Mickle WG. Ewanciw DV. Andriuli WC. Campbell WC. Hernandez S. Mochales S. Munguira E. Res. Vet. Sci.  1990,  48:  260 
• 12c Shoop WL. Haines HW. Eary CH. Michael BF. Am. J. Vet. Res.  1992,  53:  2032 
• 12d Shoop WL. Haines HW. Eary CH. Vet. Parasitol.  1992,  43:  259 
• 12e Schaeffer JM. Blizzard TA. Ondeyka J. Goegelman R. Sinclair PJ. Mrozik H. Biochem. Pharmacol.  1992,  43:  679 
• 13 Cushing TD. Sanz-Cevera JF. Williams RM. J. Am. Chem. Soc.  1996,  118:  557 
• 14a Miller KA. Tsukamoto S. Williams RM. Nat. Chem.  2009,  1:  63 
• 14b Artman GD. Grubbs AW. Williams RM. J. Am. Chem. Soc.  2007,  129:  6336 
• 14c Greshock TJ. Grubbs AW. Tsukamoto S. Williams RM. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  2262 
• 15 Pellegrini C. Strassler C. Weber M. Borschberg H. Tetrahedron: Asymmetry  1994,  5:  1979 
• 16 Baran PS. Richter JM. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  15394 
• 17 Baran PS. Maimone TJ. Richter JM. Nature  2007,  446:  404 
• 18 Reisman SE. Ready JM. Weiss MW. Hasouka A. Hirata M. Tamaki K. Ovaska TV. Smith CJ. Wood JL. J. Am. Chem. Soc.  2007,  129:  2087 
• 19a Edmonson SD. Danishefsky SJ. Angew. Chem. Int. Ed.  1998,  37:  1138 
• 20 Wang HS. Ganesan A. Tetrahedron Lett.  1997,  38:  4327 
• 21 Wang HS. Ganesan A. Org. Lett.  1999,  1:  1647 
• 22 Wang HS. Ganesan A. J. Org. Chem.  2000,  65:  4685 
• 23a Miyake FY. Yakushijin K. Horne DA. Org. Lett.  2004,  6:  711 
• 23b Miyake FY. Yakushijin K. Horne DA. Angew. Chem. Int. Ed.  2004,  43:  5357 
• 24 Burke CP. Shi Y. J. Org. Chem.  2007,  72:  4093 
• 25 Pettersson M. Knueppel D. Martin SF. Org. Lett.  2007,  9:  4623 
• 26a Palmisano G. Annunziata R. Papeo G. Sisti M. Tetrahedron: Asymmetry  1996,  7:  1 
• 26b Cravatto G. Giovenzana GB. Pilati T. Sisti M. Palmisano G. J. Org. Chem.  2001,  66:  8447 
• 27a Sebahar PR. Osada H. Usui T. Williams RM. Tetrahedron  2002,  58:  6311 
• 27b Onishi T. Sebahar PR. Williams RM. Org. Lett.  2003,  5:  3135 
• 27c Onishi T. Sebahar PR. Williams RM. Tetrahedron  2004,  60:  9503 
• 27d Sebahar P. Williams RM. J. Am. Chem. Soc.  2000,  122:  5666 
• 28 Fuji K. Kawabata T. Ohmori T. Node M. Synlett  1995,  367 ; and references therein
• 29 Fuji K. Node M. Nagasawa H. Naniwa Y. Taga T. Machida K. Snatzke G. J. Am. Chem. Soc.  1989,  111:  7921 
• 30 Lakshmaiah G. Kawabata T. Fuji K. J. Org. Chem.  1999,  64:  1699 
• 31 Bagul TD. Lakshmaiah G. Kawabata T. Fuji K. Org. Lett.  2002,  4:  249 
• 32a Black TH. Arrivo SM. Schumm JS. Knobeloch JM. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1986,  1524 
• 32b Galliford CV. Martenson JS. Stern C. Scheidt KA. Chem. Commun.  2007,  631 
• 33 Hills ID. Fu GC. Angew. Chem. Int. Ed.  2003,  42:  3921 
• 34 Carpenter NE. Kucera DJ. Overman LE. J. Org. Chem.  1989,  54:  5846 
• 35a Overman LE. Peterson EA. Tetrahedron  2003,  59:  6905 
• 35b Matsuura T. Overman LE. Poon DJ. J. Am. Chem. Soc.  1998,  120:  6500 
• 35c Huang A. Kodanko JJ. Overman LE. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  14043 
• 36 Overman LE. Rosen MD. Angew. Chem. Int. Ed.  2000,  39:  4596 
• 37 Beyersbergen van Henegouwen WG. Fieseler RM. Rutjes FPJT. Hiemstra H. Angew. Chem. Int. Ed.  1999,  38:  2214 
• 38 Madin A. O’Donnell CJ. Oh T. Old DW. Overman LE. Sharp MJ. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  18054 
• 39a Greshock TJ. Grubbs AW. Williams RM. Tetrahedron  2007,  63:  6124 
• 39b Trost BM. Cramer N. Bernsmann H. J. Am. Chem. Soc.  2007,  129:  3086 
• 40a Trost BM. Stambuli JP. Silverman SM. Schworer U. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  13328 
• 40b Trost BM. Cramer N. Silverman SM. J. Am. Chem. Soc.  2007,  129:  12396 
• 41 Trost BM. Brennan MK. Org. Lett.  2006,  8:  2027 
• 42 Trost BM. Stiles DT. Org. Lett.  2007,  9:  2763 
• 43 Sharpless KB. Lauer RF. J. Org. Chem.  1974,  39:  429 
• 44 Alper PB. Meyers C. Lerchner A. Siegel DR. Carreira EM. Angew. Chem.  1999,  111:  3379 
• 45 Fischer C. Meyers C. Carreira EM. Helv. Chim. Acta  2000,  83:  1175 
• 46 Lerchner A. Carriera EM. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  14826 
• 47 Meyers C. Carreira EM. Angew. Chem. Int. Ed.  2003,  42:  694 
• 48 Von Nussbaum F. Danishefsky SJ. Angew. Chem. Int. Ed.  2000,  39:  2175 
• 49 Deutsch HF. Evenson MA. Drescher P. Sparwasser C. Madsen PO. J. Pharm. Biomed. Anal.  1994,  12:  1283 
• 50a Aprison MH. In Glycine Neurotransmission   Otterson OP. Storm-Mathisen J. Wiley; New York: 1990.  p.1 
• For reviews, see:
• 50b Pearce HL. In The Alkaloids   Vol. 37:  Cordell GA. Academic Press; New York: 1990.  p.145 
• 50c Saxton JE. Nat. Prod. Rep.  1995,  12:  385 
• 51 Mori M. Nakanishi M. Kajishima D. Sato Y. Org. Lett.  2001,  3:  1913 
• 52 Trost BM. Murphy D. Organometallics  1985,  4:  1143 
• 53a Knight SD. Overman LE. Pairaudeau G. J. Am. Chem. Soc.  1993,  115:  9293 
• 53b Knight SD. Overman LE. Pairaudeau G. J. Am. Chem. Soc.  1995,  117:  5776 
• 53c Kuehne ME. Xu F. J. Org. Chem.  1998,  63:  9427 
• 53d Solé D. Bonjoch J. García-Rubio S. Peidró E. Bosch J. Angew. Chem. Int. Ed.  1999,  38:  395 
• 53e Mori M. Nakanishi M. Kajishima D. Sato Y. J. Am. Chem. Soc.  2002,  125:  9801 
• 53f Mori M. Chem. Pharm. Bull.  2005,  53:  457 
• 53g Also relay synthesis using material obtained from (-)-strychnine by: Magnus P. Giles M. Bonnet R. Kim CS. McQuire L. Merritt A. Vicker A. J. Am. Chem. Soc.  1993,  115:  8116 
• 54 Kobayashi S. Ueda T. Fukuyama T. Synlett  2000,  883 
• 55 Kuehne ME. Podhorez DE. Mulamba T. Bornmann WG. J. Org. Chem.  1987,  52:  347 
• 56 Feldman PL. Rapoport H. J. Am. Chem. Soc.  1987,  109:  1603 
• 57 Feldman PL. Rapoport H. J. Org. Chem.  1986,  51:  3882 
• 58 Cardwell K. Hewitt B. Ladlow M. Magnus P. J. Am. Chem. Soc.  1988,  110:  2242 
• 59 Desmaele D. d’Angelo J. J. Org. Chem.  1994,  59:  2292 
• 60a Suzuki H. Thiruvikraman SV. Osuka A. Synthesis  1984,  616 
• 60b Osuka A. Mori Y. Suzuki H. Chem. Lett.  1982,  2031 
• 60c For related carbazolone synthesis, see: Okamoto T. Shudo K. Tetrahedron Lett.  1973,  4533 
• 60d Iida H. Yuasa Y. Kibayashi C. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1978,  766 
• 60e Iida H. Yuasa Y. Kibayashi C. J. Org. Chem.  1980,  45:  2938 
• 60f Wender PA. White A. Tetrahedron  1983,  39:  3767 
• 60g Sakamoto T. Nagano T. Kondo Y. Yamanaka H. Synthesis  1990,  215 
• 60h Uozumi Y. Mori M. Shibasaki M. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1991,  81 
• 61 He F. Bo Y. Altom JD. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  1999,  121:  6771 
• 62 Corey EJ. Helal CJ. Angew. Chem. Int. Ed.  1998,  37:  1986 
• 63 Kaburagi Y. Tokuyama H. Fukuyama T. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  10246 
• 64 Boger DL. Patel M. Takusagawa F. J. Org. Chem.  1985,  50:  1911 
• 65a Tokuyama H. Yamashita T. Reding MT. Kaburagi Y. Fukuyama T. J. Am. Chem. Soc.  1999,  121:  791 
• 65b Yokoshima S. Ueda T. Kobayashi S. Sato S. Kuboyama T. Tokuyama H. Fukuyama T. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  2137 
• 66 Stork G. Dolfini JE. J. Am. Chem. Soc.  1963,  85:  2872 
• 67 Fukuda Y. Shindo M. Shishido K. Org. Lett.  2003,  5:  749 
• 68 Fukuda Y. Sasaki H. Shindo M. Shishido K. Tetrahedron Lett.  2002,  43:  2047 
• 69 Meyers AI. Berney D. J. Org. Chem.  1989,  54:  4673 
• 70 Meyers AI. Lefker BA. Tetrahedron  1987,  43:  5663 
• 71 Ban Y. Sato Y. Inoue I. Nagai M. Oishi T. Terashima M. Yonematsu O. Kanaoka Y. Tetrahedron Lett.  1965,  2261 
• 72 Stevens RV. Mehra RK. Zimmerman RL. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1969,  811 
• 73 Iyengar R. Schukdknegt K. Aubé J. Org. Lett.  2000,  2:  1625 
• 74 d’Angelo J. Desmaële D. Dumas F. Guingant A. Tetrahedron: Asymmetry  1992,  3:  459 
• 75 Marino JP. Rubio MB. Cao G. de Dios A. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  13398 
• 76 These N-sulfinyloxazolidinone reagents can be synthesized either by sulfinylation of the metalated oxazolidinones or by oxidation of the derived N-sulfenimides to afford the diastereomeric N-sulfinyloxazolidinones which may be readily purified by chromatography. See: Evans DA. Faul MM. Colombo L. Bisaha JJ. Clardy J. Chery D. J. Am. Chem. Soc.  1992,  114:  5977 
• 77 Harley-Mason J. Kaplan M. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1967,  915 
• 78 Heathcock CH. Norman MH. Dickman DA. J. Org. Chem.  1990,  55:  798 
• 79 Node M. Hideko N. Fuji K. J. Org. Chem.  1990,  55:  517 
• 80 Fuji does not mention how the zinc enolate was formed, but clearly states that the zinc enolate is better than the corresponding lithium enolate: Fuji K. Node M. Nagasawa H. Naniwa Y. Terada S. J. Am. Chem. Soc.  1986,  108:  3855 
• 82 Node M. Nagasawa H. Fuji K. J. Am. Chem. Soc.  1987,  109:  7901 
• 83 Schultz AG. Pettus L. J. Org. Chem.  1997,  62:  6855 
• 84 Kozmin SA. Iwama T. Huang Y. Rawal VH. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  4628 
• 85 Ziegler FE. Spitzner EB. J. Am. Chem. Soc.  1973,  95:  7146 
• 86a Natsume M. Utsunomiya I. Heterocycles  1982,  17:  111 
• 86b Ogawa M. Kitagawa Y. Natsume M. Tetrahedron Lett.  1987,  28:  3985 
• 86c Forns P. Diez A. Rubiralta M. J. Org. Chem.  1996,  61:  7882 
• 87 Martinez LE. Leighton JM. Carsten DH. Jacobsen EN. J. Am. Chem. Soc.  1995,  117:  5897 
• 88 Fu G. Nguyen ST. Grubbs RR. J. Am. Chem. Soc.  1993,  115:  9856 
• 89 Ohshima T. Xu Y. Takita R. Shimizu S. Zhong D. Shibasaki M. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  14547 
• 90 The use of DMTSF to activate thioketals or acetals towards nucleophilic addition was developed by Trost et al.: Trost BM. Sato T. J. Am. Chem. Soc.  1985,  107:  719 
• 91 Ohshima T. Xu Y. Takita R. Shibasaki M. Tetrahedron  2004,  60:  9569 
• 92 Mander LN. Sethi SP. Tetrahedron Lett.  1983,  24:  5425 

81

These compounds are easily prepared in more than 90% yield from the corresponding 1-morpholino-2-nitroolefins and (S)-2-(methoxymethyl)pyrrolidine in methanol.