Approaches to the Total Synthesis of Calycotomine, a Widespread 1-Hydroxymethyl-Substituted Simple Tetrahydroisoquinoline

Abstract

1-Hydroxymethyl-substituted tetrahydroisoquinolines are scarce in nature; the widespread alkaloid calycotomine is its most prominent example. The different total syntheses of this natural product, used as test ground for the development of novel synthetic methodologies during the last forty years, and those of some structurally related precursors, are reviewed.

• 1 Introduction

• 2 Bischler-Napieralski Cyclization

• 3 Pictet-Spengler Condensation

• 4 Asymmetric Intramolecular Allylic Amination

• 5 Bobbitt Isoquinoline Synthesis

• 6 Syntheses of Calycotomine from Preformed Isoquinolines

• 7 Intramolecular Ring-Opening of a Chiral 1,3-Perhydrobenzoxazine

• 8 Conclusions

Key words

natural products - total synthesis - alkaloids - cyclizations - calycotomine

References

• 1a Shamma M. The Isoquinoline Alkaloids Chemistry and Pharmacology   Academic Press; New York: 1972. 
• 1b Shamma M. Moniot JL. Isoquinoline Alkaloid Research 1972-1977   Plenum Press; New York: 1978. 
• 1c Bentley KW. The Isoquinoline Alkaloids   Harwood Academic Publishers; Amsterdam, The Netherlands: 1998. 
• 1d Kathawala FG. Coppola GM. Schuster HF. The Chemistry of Heterocyclic Compounds, The Isoquinolines   Vol. 38, Parts 2 and 3:  Wiley; New York: 1990 and 1995. 
• 2a Lundström J. In The Alkaloids   Brossi A. Academic Press; New York: 1983.  Chapt. 6. p.256-321  
• 2b Southon IW. Buckingham J. Dictionary of Alkaloids   Chapman and London; Hall: 1989. 
• 3 Gupta GL. Nigam SS. Planta Med.  1971,  19:  55 
• 4 Menachery MD. Lavanier GL. Wetherly ML. Guinaudeau H. Shamma M. J. Nat. Prod.  1986,  49:  745 
• 5 Suau R. Posadas N. Silva MV. Valpuesta M. Phytochemistry  1998,  49:  2551 
• 6 Mohamed YAH. Chang CJ. McLaughlin JL. J. Nat. Prod.  1979,  42:  197 
• 7 Pummangura S. Mohamed YAH. Chang C.-J. McLaughlin JL. Phytochemistry  1982,  21:  2375 
• 8a Kase H. Fujita H. Nakamura J. Hashizume K. Goto J. Kubo K. Shutto K. J. Antibiot.  1986,  39:  354 
• 8b Hirayama N. Iida T. Shirahata K. Acta Crystallogr., Sect. C  1990,  46:  86 
• 8c Rashid MA. Gustafson KR. Boyd MR. J. Nat. Prod.  2001,  64:  1249 
• 9a Ishii H. Ishikawa T. Hosoya K. Takao N. Chem. Pharm. Bull.  1978,  26:  166 
• 9b Wu S.-J. Chen IS. Phytochemistry  1993,  34:  1659 
• 9c Yang Y.-P. Cheng M.-J. Teng C.-M. Chang Y.-L. Tsai I.-L. Chen IS. Phytochemistry  2002,  61:  567 
• 9d Chen I.-S. Wu S.-J. Lin Y.-C. Tsai I.-L. Seki H. Ko F.-N. Teng C.-M. Phytochemistry  1994,  36:  237 
• 9e Ishii H. Hosoya K. Takao N. Tetrahedron Lett.  1971,  2429 
• 9f Tani C. Takao N. Yakugaku Zasshi  1962,  82:  755 
• 10 Itokawa H. Ikuta A. Tsutsui N. Ishiguro I. Phytochemistry  1978,  17:  839 
• 11 Khalid SA. Waterman PG. J. Nat. Prod.  1985,  48:  118 
• 12 Takao N. Iwasa K. Chem. Pharm. Bull.  1979,  27:  2194 
• 13a Manske RHF. Rodrigo R. Holland HL. Hughes DW. MacLean DB. Saunders J. Can. J. Chem.  1978,  56:  383 
• 13b Suau R. Nájera F. Rico R. Tetrahedron Lett.  1996,  37:  3575 
• 13c Suau R. Nájera F. Rico R. Tetrahedron  1999,  55:  4019 
• 14 Suau R. Silva MV. Valpuesta M. Tetrahedron  1990,  46:  4421 
• 15 Zhang GL. Pan WE. Peng SL. Chen L. Chen WX. Yaoxue Huebao  1990,  25:  604 ; Chem. Abstr. 1991, 114, 160667y
• 16 Botcher CWW. Kelleher WJ. Protoberberine Alkaloids, In Alkaloids: Chemical and Biological Perspectives   Vol. 6:  Pelletier SW. Wiley-Interscience; New York: 1988.  p.297 
• 17 Lundström J. In The Alkaloids   Brossi A. Academic Press; New York: 1983.  Chapt. 6. p.312-317  
• 18a Tomita F. Takahashi K. Shimitzu K. J. Antibiot.  1983,  36:  463 
• 18b Williams RM. Scott JD. Angew. Chem. Int. Ed.  2001,  40:  1461 
• 18c Williams RM. Scott JD. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  2951 
• 19a Rinehart KL. Holt TG. Fregeau NL. Stroh JG. Keifer PA. Sun F. Li LH. Martin DG. J. Org. Chem.  1990,  55:  4512 
• 19b Corey EJ. Gin DY. Kania RS. J. Am. Chem. Soc.  1996,  118:  9202 
• 19c Endo A. Yanagisawa A. Abe M. Tohma S. Kan T. Fukuyama T. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  6552 
• 20a White EP. N. Z. J. Sci. Technol., Sect. B  1944,  25:  149 
• 20b White EP. N. Z. J. Sci. Technol., Sect. B  1944,  25:  152 
• 20c Manske RHF. In The Alkaloids   Vol. 5:  Academic Press; New York: 1955.  p.303 
• 20d Leonard NJ. In The Alkaloids   Vol. 3:  Academic Press; New York: 1953.  p.189 
• 21a White EP. N. Z. J. Sci. Technol., Sect. B  1951,  33:  833 
• 21b Willaman J. Schubert B. Alkaloid-bearing plants and their contained alkaloids, USDA Agricultural Research Service Technical Bulletin No. 1234  Supporting Documents Government Printing Office; Washington DC: 1961. 
• 22 Tosun F. Tanker M. Ozden T. Tosun A. Planta Med.  1986,  52:  242 
• 23 Tosun F. Tanker M. Ozden T. Tosun A. Planta Med.  1987,  53:  499 
• 24 Gupta GL. Satgur S. Planta Med.  1971,  19:  55 
• 25 Tosun F. Tosun A. Tanker M. Ozden T. Planta Med.  1987,  53:  119 
• 26a Tosun F. Tosun A. Tanker M. Ozden T. Fabad. Farm. Bilimler Derg.  1993,  18:  7 ; Chem. Abstr. 1993, 119, 135607z
• 26b For a list of natural sources of calycotomine, see: Shulgin AT. Perry WE. The Simple Plant Isoquinolines   Transform Press; Berkeley CA, USA: 2002.  p.164 
• 26c

  For a list of natural sources of calycotomine and its physical data, see ref. 4.

• 27a Loy G. Cottiglia F. Garau D. Deidda D. Pompei R. Bonsignore L. Il Farmaco  2001,  56:  433 
• 27b El Antri A. Messouri I. Bouktaib M. El Alami R. Bolte M. El Bali B. Lachkar M. Molecules  2004,  9:  650 
• 28 White EP. N. Z. J. Sci. Technol., Sect. B  1944,  25:  93 
• 29 Muzquiz M. Robredo LM. Burbano C. Cuadrado C. Ayet G. Mendez P. J. Chromatogr., A  1996,  719:  237 
• 30a Battersby AR. Edwards TP. J. Chem. Soc.  1960,  1214 
• 30b Dubravkova L. Jezo I. Sefcovic P. Voticky Z. Chem. Zvesti  1958,  8:  459 ; Chem. Abstr. 1959, 53, 17162e
• 30c Battersby AR. Edwards TD. J. Chem. Soc.  1959,  1909 
• 31a Kametani T. Shibuya S. Yakugaku Zasshi  1967,  87:  1028 
• 31b Kametani T. The Total Syntheses of Isoquinoline Alkaloids, In The Total Synthesis of Natural Products   Vol. 3:  ApSimon J. Wiley-Interscience; New York: 1977.  p.3-4  
• 31c Kametani T. Fukumoto K. Synthetic and Natural Sources of the Isoquinoline Alkaloids, In The Chemistry of Heterocyclic Compounds: Isoquinolines Part 1- The Isoquinolines   Vol. 38:  Grethe G. Wiley; New York: 1981.  p.139-274  
• 32a Child R. Pyman FL. J. Chem. Soc.  1929,  2010 
• 32b Kapadia GJ. Rao GS. Hussain MH. Choudhury BK. J. Heterocycl. Chem.  1973,  10:  135 
• 33 Matsuo I. Takahashi T. Ohki S. Yakugaku Zasshi  1963,  83:  518 ; Chem. Abstr. 1963, 59, 7483
• 34a Schneider W. Schilken K. Arch. Pharm. (Weinheim, Ger.)  1963,  296:  389 
• 34b Fülöp F. El-Gharib MS. Sohajda A. Bernáth G. Kobor J. Dombi G. Heterocycles  1983,  20:  1325 
• 35 Czarnocki Z. MacLean DB. Szarek WA. Bull. Soc. Chim. Belg.  1986,  95:  749 
• 36 Grüssner A. Jaeger G. Hellerbach J. Schnider O. Helv. Chim. Acta  1959,  42:  2431 
• 37 Brossi A. Burkhardt F. Helv. Chim. Acta  1961,  44:  1558 
• 38 Benington F. Morin RD. J. Org. Chem.  1961,  26:  194 
• 39 Zolyomi G. Koltai E. Banfi D. Harsenyi K. J. Labelled Compd. Radiopharm.  1981,  18:  813 
• 40 Morimoto T. Suzuki N. Achiwa K. Tetrahedron: Asymmetry  1998,  9:  183 
• For reviews on the enantioselective; Synthesis; of tetrahydroisoquinolines, see:
• 41a Rozwadowska MD. Heterocycles  1994,  39:  903 
• 41b Chrzarnowska M. Rozwadowska MD. Chem. Rev.  2004,  104:  3341 
• 42a Morimoto T. Achiwa K. Tetrahedron: Asymmetry  1995,  6:  2661 
• 42b Morimoto T. Suzuki N. Achiwa K. Heterocycles  1996,  43:  2557 
• 43 Dörnyei G. Szántay Cs. Acta Chim. Acad. Sci. Hung.  1976,  89:  161 
• For the use of tartaric acid as chiral auxiliary, see:
• 44a Eliel EL. Wilen SH. Mander LN. Stereochemistry of Organic Compounds   Wiley-Interscience; New York: 1995.  p.940 
• 44b Inomata K. Ukaji Y. Rev. Heteroat. Chem.  1998,  18:  119 
• 44c For other uses of tartaric acid in isoquinoline synthesis, see: Lee JY. Lee YS. Chung BY. Park H. Tetrahedron  1997,  53:  2449 
• 45a Czarnocki Z. Suh D. MacLean DB. Hultin PG. Szarek WA. Can. J. Chem.  1991,  71:  1555 , and references cited therein
• 45b Czarnocki Z. MacLean DB. Szarek WA. Can. J. Chem.  1987,  65:  2356 
• 46a Ziólkowski M. Czarnocki Z. Tetrahedron Lett.  2000,  41:  1963 
• 46b Czarnocki Z. J. Chem. Res., Synop.  1992,  11:  368 
• 47a Czarnocki Z. Ziólkowski M. Leniewski A. Maurin JK. Enantiomer  1999,  4:  71 , and references cited therein
• 47b Maurin JK. Czarnocki Z. Paluchowska B. Acta Crystallogr., Sect. C  1996,  52:  953 
• 47c Arázny Z. Czarnocki Z. Wojtasiewicz K. Maurin JK. Tetrahedron: Asymmetry  2000,  11:  2793 
• 48 Ziólkowski M. Czarnocki Z. Leniewski A. Maurin JK. Tetrahedron: Asymmetry  1999,  10:  3371 
• For examples on the use of α-phenethylamine, see:
• 49a Soe T. Fukui N. Hino T. Nakagawa M. Heterocycles  1996,  42:  347 
• 49b Xu D. Prasad K. Repic O. Blacklock TJ. Tetrahedron: Asymmetry  1997,  9:  1445 
• 49c Parrodi CA. Juaristi E. Quintero L. Clara-Sosa A. Tetrahedron: Asymmetry  1997,  7:  1072 
• 49d Zouhiri F. Desmaele D. d’Angelo J. Riche C. Gay F. Ciceron L. Eur. J. Org. Chem.  1998,  12:  2897 , and references cited therein
• 49e Daley V. d’Angelo J. Cave C. Mahuteau J. Charoni A. Riche C. Tetrahedron Lett.  1999,  9:  1657 
• 49f Thominiaux C. Rousse S. Desmaele D. d’Angelo J. Riche C. Tetrahedron: Asymmetry  1999,  10:  2015 
• 49g Alves JCF. Simas ABC. Costa PRR. Tetrahedron: Asymmetry  1999,  10:  297 
• 50a Bhat KL. Chen S.-Y. Joullie M. Heterocycles  1985,  23:  691 
• 50b Czarnocki Z. J. Chem. Res., Synop.  1992,  334 
• 50c Czarnocki Z. Maurin JK. Winnicka-Maurin M. Acta Crystallogr., Sect. C  1994,  50:  1779 
• 50d Czarnocki Z. Mieckzowski JB. Ziólkowski M. Tetrahedron: Asymmetry  1996,  7:  2711 
• 50e Vekemans JAJM. de Bruyn RGM. Carris RCHM. Kokx AJPM. Konings JJHG. Godefroi EF. Chittenden GJF. J. Org. Chem.  1987,  52:  1093 
• 50f Tanaka A. Yamashita K. Synthesis  1987,  570 
• 50g Crawford TC. Reichenbach R. Adv. Carbohydr. Chem. Biochem.  1981,  38:  287 
• 50h Andrews GC. Crawfordt TC. Bacon BE. J. Org. Chem.  1981,  46:  2976 
• 51a Cho S.-D. Kim S.-K. Chung H.-A. Kang Y.-J. Yoon Y.-J. J. Heterocycl. Chem.  1999,  36:  75 
• 51b Cho S.-D. Kim S.-K. Yoon Y.-J. J. Heterocycl. Chem.  1998,  35:  77 
• 51c Child R. Pyman FL. J. Chem. Soc.  1931,  810 
• 52a Lenz GR. Heterocycles  1987,  26:  721 
• 52b Lenz GR. Lessor RA. Rafalko PW. Kosarych Z. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1  1993,  745 
• 53a Brossi A. Dolan LA. Teitel S. Org. Synth.  1977,  56:  3 
• 53b Lenz GR. Woo CM. Hawkins BL. J. Org. Chem.  1982,  47:  3049 
• 54a Späth E. Dengel F. Ber.  1938,  71:  113 
• 54b Zero I. Karvas M. Tihlark K. Chem. Zvesti  1960,  14:  38 
• 54c Pinet S. Chavant PY. Averbuch-Pouchot M.-T. Valée Y. J. Chem. Res., Synop.  2001,  65 
• 54d Whaley WM. Govindachari TR. Org. React.  1951,  6:  74 
• 54e Itoh N. Sugasawa S. Tetrahedron  1957,  1:  45 
• 55a Frankel M. Ladkany D. Gilon C. Wolman Y. Tetrahedron Lett.  1966,  4765 
• 55b Paquet A. Can. J. Chem.  1976,  54:  733 
• 56 White EP. N. Z. J. Sci. Technol., Sect. B  1951,  33:  38 
• 57 For a review on recent developments in the Pictet-Spengler reaction, see: Cox AD. Cook JM. Chem. Rev.  1995,  95:  1797 
• 58 Hamlin KE. Fischer FE. J. Am. Chem. Soc.  1953,  75:  5119 
• 59 Beke D. Szántay Cs. Acta Chim. Hung.  1958,  14:  325 
• 60 Chatterjee A. Adityachaudhury N. J. Org. Chem.  1962,  27:  309 
• 61 For a list of the early syntheses of calycotomine, see: Kametani T. The Chemistry of the Isoquinoline Alkaloids   Elsevier; Amsterdam: 1969.  p.26 
• 62 Shah RJ. Vaghani DD. Merchant JR. J. Org. Chem.  1961,  26:  3533 
• 63a Singh H. Singh K. Indian J. Chem., Sect. B: Org. Chem. Incl. Med. Chem.  1989,  28:  802 
• 63b Singh H. Singh K. Tetrahedron  1988,  44:  5897 
• 64 Corey EJ. Gin DY. Tetrahedron Lett.  1996,  37:  7163 
• 65a Piper IM. MacLean DB. Fagianni R. Lock CJL. Szarek WA. Can. J. Chem.  1985,  63:  2915 
• 65b Severin T. Bräutigam K.-H. Chem. Ber.  1973,  106:  2943 
• 65c Soerens D. Sandrin J. Ungemach F. Mokry P. Yamanaka GSWE. Hutchins L. Dipierro M. Cox JM. J. Org. Chem.  1979,  44:  535 
• 65d Bieräugel H. Plemp R. Pandit UK. Tetrahedron  1983,  39:  3987 
• 66a MacLean DB. Szarek WA. Kvarnström I. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1983,  601 
• 66b Piper IM. MacLean DB. Kvarnström I. Szarek WA. Can. J. Chem.  1983,  61:  2721 
• 67a Czarnocki Z. MacLean DB. Szarek WA. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1985,  1318 
• 67b Czarnocki Z. MacLean DB. Szarek WA. Can. J. Chem.  1986,  64:  2205 
• 68 Kerekes P. Sharma PN. Brossi A. McLaughlin JL. J. Nat. Prod.  1985,  48:  152 
• 69a Kano S. Yuasa T. Yokomatsu T. Shibuya S. Chem. Lett.  1985,  1475 
• 69b Suau R. Ruiz I. Posadas N. Valpuesta M. Heterocycles  1996,  43:  545 
• 70a Morrison JD. Mosher HS. Asymmetric Organic Reactions   Prentice Hall; London: 1971.  p.140 
• 70b Eliel EL. In Asymmetric Synthesis   Vol. 2:  Morrison JD. Academic Press Inc.; New York: 1983.  Chapt. 5.
• 71a Tomaszewski MJ. Warkentin J. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1993,  966 
• 71b Tomaszewski MJ. Warkentin J. Tetrahedron Lett.  1992,  33:  2123 
• 72a Czarnocki Z. Mieczowski JB. Kiegiel J. Arazni Z. Tetrahedron: Asymmetry  1995,  6:  2899 
• 72b Czarnocki Z. Arazni Z. Heterocycles  1999,  51:  2871 
• 73a Bauer T. Chapuis C. Kozak J. Jurczak J. Helv. Chim. Acta  1989,  72:  482 
• 73b Oppolzer W. Pure Appl. Chem.  1990,  43:  1969 , and references cited therein
• 74 Silveira CC. Bernardi CR. Braga AL. Kaufman TS. Tetrahedron Lett.  1999,  40:  4969 
• 75a Bravo P. Crucianelli M. Ono T. Zanda M. J. Fluorine Chem.  1999,  97:  27 
• 75b Bravo P. Crucianelli M. Farina A. Meille SV. Volonterio A. Zanda M. Eur. J. Org. Chem.  1998,  435 
• 75c Pummerer R. Ber.  1909,  42:  2282 
• 75d de Lucchi O. Miotti U. Modena G. In Organic Reactions   Vol. 40:  Paquette LA. Wiley; New York: 1991. 
• 75e Solladié G. Demailly G. Greck C. Tetrahedron Lett.  1985,  26:  435 
• 75f Pyne SG. Hajipour AR. Tetrahedron  1994,  50:  13501 
• 75g Arnone A. Bravo P. Capelli S. Fronza G. Meille SV. Zanda M. Cavicchio M. Crucianelli M. J. Org. Chem.  1996,  61:  3375 
• 76a Ito K. Akashi S. Saito B. Katsuki T. Synlett  2003,  1809 
• 76b For examples of intramolecular allylic amination, see: Trost BM. Krische MJ. Radinov R. Zanoni G. J. Am. Chem. Soc.  1996,  118:  6297 
• 76c See also: Flubacher D. Helmchen G. Tetrahedron Lett.  1999,  40:  3867 
• 77a Bobbitt JM. McNew Kiely J. Khanna KL. Ebermann R. J. Org. Chem.  1965,  30:  2247 
• 77b Bobbitt JM. Winter DP. McNew Kiely J. J. Org. Chem.  1965,  30:  2459 
• 77c Bobbitt JM. Roy DN. Marchand A. Allen CW. J. Org. Chem.  1967,  32:  2225 
• 78a Merz A. Märkl G. Angew. Chem., Int. Ed. Engl.  1973,  12:  845 
• 78b Ray FE. Liszniewska Farmer J. J. Org. Chem.  1943,  8:  341 
• 79a Gorzynski Smith J. Synthesis  1984,  629 
• 79b Chini M. Crotti P. Macchia F. J. Org. Chem.  1991,  56:  5939 
• 80 Cheng YS. Liu W.-L. Chen S.-L. Synthesis  1980,  223 
• 81a Layer RW. Chem. Rev.  1963,  63:  489 
• 81b Welch JT. Seper KW. J. Org. Chem.  1988,  53:  2991 
• 82 Bobbitt JM. Sih JC. J. Org. Chem.  1968,  33:  856 
• 83a Kaufman TS. Synth. Commun.  1992,  22:  1913 
• 83b Kaufman TS. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1  1993,  403 
• 84a Williams RM. Ehrlich P. Zhai W. Hendrix J. J. Org. Chem.  1987,  52:  2615 
• 84b Ponzo VL. Kaufman TS. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1  1997,  3131 
• 84c Kaufman TS. Tetrahedron Lett.  1996,  37:  5329 
• 84d Wipf P. Hopkins CR. J. Org. Chem.  2001,  66:  3133 
• 84e Flanagan ME. Williams RM. J. Org. Chem.  1995,  60:  6791 
• 84f Williams RM. Scott JD. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  2951 
• 84g Zhou B. Edmondson S. Padron J. Danishefsky SJ. Tetrahedron Lett.  2000,  41:  2039 
• 84h Zhou B. Guo J. Danishefsky SJ. Tetrahedron Lett.  2000,  41:  2043 
• 85a Popp FD. McEwen WE. J. Am. Chem. Soc.  1957,  79:  3773 
• 85b Popp FD. McEwen WE. J. Am. Chem. Soc.  1958,  80:  1181 
• 85c Tyrell JA. McEwen WE. J. Org. Chem.  1981,  46:  2476 
• 85d Ruchirawat S. Chuankamedkam M. Heterocycles  1978,  9:  1345 
• 86a Walters LR. Iyer NT. McEwen WE. J. Am. Chem. Soc.  1958,  80:  1177 
• 86b Popp FD. Gibson HW. J. Heterocycl. Chem.  1964,  1:  51 
• 87 Gibson HW. Popp FD. Catala A. J. Heterocycl. Chem.  1964,  1:  251 
• 88 Forsyth R. Kelly C. Pyman F. J. Chem. Soc.  1925,  127:  1659 
• 89 Popp FD. Blount W. Chem. Ind. (London)  1961,  550 
• 90 Rozwadowska MD. Brózda D. Pharmazie  1984,  39:  387 
• 91 Kaufman TS. Tetrahedron: Asymmetry  2004,  15:  1203 
• 92a Pedrosa R. Andrés C. Iglesias JM. J. Org. Chem.  2001,  66:  243 
• 92b Andrés C. Nieto J. Pedrosa R. Villamañan N. J. Org. Chem.  1996,  61:  4130 
• 93 Hagen G. Mayr H. J. Am. Chem. Soc.  1991,  113:  4954