Synlett 2010(12): 1733-1745  
DOI: 10.1055/s-0030-1258123
ACCOUNT
© Georg Thieme Verlag Stuttgart ˙ New York

Two-Phase Terpene Total Synthesis: Historical Perspective and Application to the Taxol® Problem

Yoshihiro Ishihara, Phil S. Baran*
Department of Chemistry, The Scripps Research Institute, 10550 North Torrey Pines Road, La Jolla, CA 92037, USA
Fax: +1(858)7847375; e-Mail: pbaran@scripps.edu;
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Received 18 June 2010
Publication Date:
01 July 2010 (online)

Abstract

This account presents our laboratory’s latest endeavors in Csp3−H activation in the context of total synthesis, as well as a historical perspective of the field of Csp3−H activation. Our viewpoints in using a two-phase terpene synthesis strategy and how known oxidative transformations could benefit an eventual biomimetic synthesis of Taxol® are discussed.

1 Introduction

2 Csp3−H Functionalization: A Historical Perspective

3 Two-Phase Terpene Synthesis: Proof of Principle

4 A Two-Phase Approach to Taxol®: Planning Stage

5 Heuristic Value of the Oxidation Pyramid

6 Taxol®: Precedent and First Ruminations

7 Conclusions and Outlook

    References

  • Some reviews on C−H activation include:
  • 1a Stahl SS. Labinger JA. Bercaw JE. Angew. Chem. Int. Ed.  1998,  37:  2180 
  • 1b Crabtree RH. J. Chem. Soc., Dalton Trans.  2001,  2437 
  • 1c Godula K. Sames D. Science  2006,  312:  67 
  • 1d Davies HML. Manning JR. Nature  2008,  451:  417 
  • 1e Giri R. Shi B.-F. Engle KM. Maugel N. Yu J.-Q. Chem. Soc. Rev.  2009,  38:  3242 
  • Representative examples include:
  • 2a Barton DHR. Beaton JM. Geller LE. Pechet MM. J. Am. Chem. Soc.  1960,  82:  2640 
  • 2b Barton DHR. Beaton JM. J. Am. Chem. Soc.  1960,  82:  2641 
  • 2c Barton DHR. Beaton JM. Geller LE. Pechet MM. J. Am. Chem. Soc.  1961,  83:  4076 
  • 2d Akhtar M. Barton DHR. J. Am. Chem. Soc.  1964,  86:  1528 
  • Representative examples include:
  • 3a Breslow R. Baldwin SW. J. Am. Chem. Soc.  1970,  92:  732 
  • 3b Breslow R. Scholl PC. J. Am. Chem. Soc.  1971,  93:  2331 
  • 3c Breslow R. Baldwin S. Flechtner T. Kalicky P. Liu S. Washburn W. J. Am. Chem. Soc.  1973,  95:  3251 
  • 3d Breslow R. Corcoran RJ. Snider BB. Doll RJ. Khanna PL. Kaleya R. J. Am. Chem. Soc.  1977,  99:  905 
  • 4 Breslow R. Yang J. Yan J. Tetrahedron  2002,  58:  653 
  • 5 Shenvi RA. O’Malley DP. Baran PS. Acc. Chem. Res.  2009,  42:  530 
  • 6a Baran PS. Maimone TJ. Richter JM. Nature  2007,  446:  404 
  • 6b Young IS. Baran PS. Nature Chem.  2009,  1:  193 
  • 7 Burns NZ. Baran PS. Hoffmann RW. Angew. Chem. Int. Ed.  2009,  48:  2854 
  • 8 Newhouse T. Baran PS. Hoffmann RW. Chem. Soc. Rev.  2009,  38:  3010 
  • 9 Gaich T. Baran PS. J. Org. Chem.  2010,  DOI: 10.1021/jo1006812
  • 10 Maimone TJ. Baran PS. Nat. Chem. Biol.  2007,  3:  396 
  • 11 This classic reaction is present in numerous undergraduate and graduate organic textbooks for example: Smith MB. March J. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions Mechanisms and Structure   John Wiley & Sons; New York: 2001.  p.894-969  
  • 12a Hofmann AW. Ber.  1885,  18:  109 
  • 12b Löffler K. Freytag C. Ber.  1909,  42:  3427 
  • 13a Wawzonek S. Thelen PJ. J. Am. Chem. Soc.  1950,  72:  2118 
  • 13b Wawzonek S. Nelson MF. Thelen PJ. J. Am. Chem. Soc.  1951,  73:  2806 
  • 13c Buchschacher P. Kalvoda J. Arigoni D. Jeger O. J. Am. Chem. Soc.  1958,  80:  2905 
  • 13d Wawzonek S. Culbertson TP. J. Am. Chem. Soc.  1959,  81:  3367 
  • 14 Corey EJ. White RW. J. Am. Chem. Soc.  1958,  80:  6686 
  • 15 Cainelli G. Mihailovic MLj. Arigoni D. Jeger O. Helv. Chim. Acta  1959,  42:  1124 
  • 16 Breslow R. Chem. Soc. Rev.  1972,  1:  553 
  • 17 Breslow R. Acc. Chem. Res.  1980,  13:  170 
  • Representative examples include:
  • 18a Barton DHR. Gastiger MJ. Motherwell WB. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1983,  41 
  • 18b Barton DHR. Bévière SD. Doller D. Tetrahedron Lett.  1991,  32:  4671 
  • 18c Barton DHR. Bévière SD. Chavasiri W. Csuhai E. Doller D. Liu WG. J. Am. Chem. Soc.  1992,  114:  2147 
  • For a review see:
  • 18d Barton DHR. Doller D. Acc. Chem. Res.  1992,  25:  504 
  • Representative examples include:
  • 19a Breslow R. Huang Y. Zhang X. Yang J. Proc. Nat. Acad. Sci.  1997,  94:  11156 
  • 19b Breslow R. Zhang X. Huang Y. J. Am. Chem. Soc.  1997,  119:  4535 
  • 19c Fang Z. Breslow R. Org. Lett.  2006,  8:  251 
  • 20a Sarneski JE. Michos D. Holden Thorp H. Didiuk M. Poon T. Blewitt J. Brudvig GW. Crabtree RH. Tetrahedron Lett.  1991,  32:  1153 
  • 20b Wessel J. Crabtree RH. J. Mol. Catal. A: Chem.  1996,  113:  13 
  • 20c Chen K. Que L. J. Am. Chem. Soc.  2001,  123:  6327 
  • 20d Chen MS. White MC. Science  2007,  318:  783 
  • 20e Barluenga J. González-Bobes F. González JM. Angew. Chem. Int. Ed.  2002,  41:  2556 
  • 20f Crabtree RH. Mihelcic JM. Quirk JM. J. Am. Chem. Soc.  1979,  101:  7738 
  • 20g Tenaglia A. Terranova E. Waegell B. Tetrahedron Lett.  1989,  30:  5271 
  • 20h Murray RW. Iyanar K. Chen J. Wearing JT. Tetrahedron Lett.  1995,  36:  6415 
  • 20i Lee S. Fuchs PL. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  13978 
  • 20j Kamata K. Yonehara K. Nakagawa Y. Uehara K. Mizuno N. Nature Chem.  2010,  2:  478 
  • 20k Mello R. Fiorentino M. Fusco C. Curci R. J. Am. Chem. Soc.  1989,  111:  6749 
  • 20l DesMarteau DD. Donadelli A. Montanari V. Petrov VA. Resnati G. J. Am. Chem. Soc.  1993,  115:  4897 
  • 20m Brodsky BH. Du Bois J. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  15391 
  • 20n Moody CJ. O’Connell JL. Chem. Commun.  2000,  1311 
  • 20o Kaufman MD. Grieco PA. Bougie DW. J. Am. Chem. Soc.  1993,  115:  11648 
  • 20p Concepción JI. Francisco CG. Hernández R. Salazar JA. Suárez E. Tetrahedron Lett.  1984,  25:  1953 
  • 20q Chen K. Richter JM. Baran PS. J. Am. Chem. Soc.  2008,  130:  7247 
  • 20r Carr K. Sutherland JK. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1984,  1227 
  • 20s Baldwin JE. Jones RH. Najera C. Yus M. Tetrahedron  1985,  41:  699 
  • 20t Kao L.-C. Sen A. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1991,  1242 
  • 20u Dangel BD. Johnson JA. Sames D. J. Am. Chem. Soc.  2001,  123:  8149 
  • 20v Desai LV. Hull KL. Sanford MS. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  9542 
  • 20w Giri R. Liang J. Lei J.-G. Li J.-J. Wang D.-H. Chen X. Naggar IC. Guo C. Foxman BM. Yu J.-Q. Angew. Chem. Int. Ed.  2005,  44:  7420 
  • 20x Wong M.-K. Chung N.-W. He L. Wang X.-C. Yan Z. Tang Y.-C. Yang D. J. Org. Chem.  2003,  68:  6321 
  • 20y Kasuya S. Kamijo S. Inoue M. Org. Lett.  2009,  11:  3630 
  • 20z Schönecker B. Lange C. Zheldakova T. Günther W. Görls H. Vaughan G. Tetrahedron  2005,  61:  103 
  • (aa) Suzuki K. Oldenburg PD. Que L. Angew. Chem. Int. Ed.  2008,  47:  1887 
  • For selected reviews on C−C bond formation directly from C−H bonds, see:
  • 21a Davies HML. Beckwith REJ. Chem. Rev.  2003,  103:  2861 
  • 21b Chen X. Engle KM. Wang D.-H. Yu J.-Q. Angew. Chem. Int. Ed.  2009,  48:  5094 
  • For a review on C−B bond formation directly from C−H bonds, see:
  • 21c Mkhalid IAI. Barnard JH. Marder TB. Murphy JM. Hartwig JF. Chem. Rev.  2010,  110:  890 
  • 22 Davis E. Croteau R. Cyclization Enzymes in the Biosynthesis of Monoterpenes Sesquiterpenes and Diterpenes, In Topics in Current Chemistry   Vol. 209:  Leeper FJ. Vederas JC. , Eds.; Springer-Verlag; Berlin/Heidelberg: 2000.  p.53-95  
  • 23a Chen K. Baran PS. Nature  2009,  459:  824 
  • 23b Chen K. Ishihara Y. Morón Galán M. Baran PS. Tetrahedron  2010,  66:  4738 
  • 24a Wu Q.-X. Shi Y.-P. Jia Z.-J. Nat. Prod. Rep.  2006,  23:  699 
  • 24b De Marino S. Borbone N. Zollo F. Ianaro A. Di Meglio P. Iorizzi M. Planta Med.  2005,  71:  706 
  • 24c Bedrossian AG. Beauchamp PS. Bernichi B. Dev V. Kitaw KZ. Rechtshaffen H. Bottini AT. Hope H. J. Essent. Oil Res.  2001,  13:  393 
  • 24d Irwin MA. Geissman TA. Phytochemistry  1973,  12:  849 
  • 24e Paknikar SK. Dhekne VV. Joshi GD. Indian J. Chem.  1977,  15B:  86 
  • 24f Zhao P.-J. Li G.-H. Shen Y.-M. Chem. Biodiv.  2006,  3:  337 
  • 24g Kim MK. Na MS. Hong JS. Jung ST. Han"guk Nonghwa Hakhoechi  1992,  35:  59 
  • 24h Yukawa C. Iwabuchi H. Komemushi S. Sawabe A. J. Oleo. Sci.  2004,  53:  343 
  • 24i Korthals HP. Merkel D. Muehlstaedt M. Justus Liebigs Ann. Chem.  1971,  745:  39 
  • 25 Chen K. Eschenmoser A. Baran PS. Angew. Chem. Int. Ed.  2009,  48:  9705 
  • 26 For the origin of the principle of divergent synthesis; see: Boger DL. Brotherton CE. J. Org. Chem.  1984,  49:  4050 
  • 27 Wani MC. Taylor HL. Wall ME. Coggon P. McPhail AT. J. Am. Chem. Soc.  1971,  93:  2325 
  • 28a Fuchs DA. Johnson RK. Cancer Treat. Rep.  1978,  62:  1219 
  • 28b Schiff PB. Fant J. Horwitz SB. Nature  1979,  277:  665 
  • 29a Nicolaou KC. Yang Z. Liu JJ. Ueno H. Nantermet PG. Guy RK. Claiborne CF. Renaud J. Couladouros EA. Paulvannan K. Sorensen EJ. Nature  1994,  367:  630 
  • 29b Nicolaou KC. Nantermet PG. Ueno H. Guy RK. Couladouros EA. Sorensen EJ. J. Am. Chem. Soc.  1995,  117:  624 
  • 29c Nicolaou KC. Liu JJ. Yang Z. Ueno H. Sorensen EJ. Claiborne CF. Guy RK. Hwang CK. Nakada M. Nantermet PG.
    J. Am. Chem. Soc.  1995,  117:  634 
  • 29d Nicolaou KC. Yang Z. Liu JJ. Nantermet PG. Claiborne CF. Renaud J. Guy RK. Shibayama K. J. Am. Chem. Soc.  1995,  117:  645 
  • 29e Nicolaou KC. Ueno H. Liu JJ. Nantermet PG. Yang Z. Renaud J. Paulvannan K. Chadha R. J. Am. Chem. Soc.  1995,  117:  653 
  • 29f Holton RA. Somoza C. Kim HB. Liang F. Biediger RJ. Boatman PD. Shindo M. Smith CC. Kim S. J. Am. Chem. Soc.  1994,  116:  1597 
  • 29g Holton RA. Kim HB. Somoza C. Liang F. Biediger RJ. Boatman PD. Shindo M. Smith CC. Kim S. J. Am. Chem. Soc.  1994,  116:  1599 
  • 29h Masters JJ. Link JT. Snyder LB. Young WB. Danishefsky SJ. Angew. Chem. Int. Ed.  1995,  34:  1723 
  • 29i Danishefsky SJ. Masters JJ. Young WB. Link JT. Snyder LB. Magee TV. Jung DK. Isaacs RCA. Bornmann WG. Alaimo CA. Coburn CA. Di Grandi MJ. J. Am. Chem. Soc.  1996,  118:  2843 
  • 29j Wender PA. Badham NF. Conway SP. Floreancig PE. Glass TE. Gränicher C. Houze JB. Jänichen J. Lee D. Marquess DG. McGrane PL. Meng W. Mucciaro TP. Mühlebach M. Natchus MG. Paulsen H. Rawlins DB. Satkofsky J. Shuker AJ. Sutton JC. Taylor RE. Tomooka K. J. Am. Chem. Soc.  1997,  119:  2755 
  • 29k Wender PA. Badham NF. Conway SP. Floreancig PE. Glass TE. Houze JB. Krauss NE. Lee D. Marquess DG. McGrane PL. Meng W. Natchus MG. Shuker AJ. Sutton JC. Taylor RE.
    J. Am. Chem. Soc.  1997,  119:  2757 
  • 29l Shiina I. Saitoh K. Fréchard-Ortuno I. Mukaiyama T. Chem. Lett.  1998,  27:  3 
  • 29m Mukaiyama T. Shiina I. Iwadare H. Saitoh M. Nishimura T. Ohkawa N. Sakoh H. Nishimura K. Tani Y.-i. Hasegawa M. Yamada K. Saitoh K. Chem. Eur. J.  1999,  5:  121 
  • 29n Morihira K. Hara R. Kawahara S. Nishimori T. Nakamura N. Kusama H. Kuwajima I. J. Am. Chem. Soc.  1998,  120:  12980 
  • 29o Kusama H. Hara R. Kawahara S. Nishimori T. Kashima H. Nakamura N. Morihira K. Kuwajima I. J. Am. Chem. Soc.  2000,  122:  3811 
  • 29p Doi T. Fuse S. Miyamoto S. Nakai K. Sasuga D. Takahashi T. Chem. Asian J.  2006,  1:  370 
  • For selected reviews in taxane isolation, see:
  • 30a Baloglu E. Kingston DGI. J. Nat. Prod.  1999,  62:  1448 
  • 30b Hanson JR. Nat. Prod. Rep.  2000,  17:  165 
  • 30c Hanson JR. Nat. Prod. Rep.  1993,  10:  159 
  • 30d Miller RW. J. Nat. Prod.  1980,  43:  425 
  • 30e Guéritte-Voegelein F. Guénard D. Potier P. J. Nat. Prod.  1987,  50: 
  • 30f Shigemori H. Kobayashi J. J. Nat. Prod.  2004,  67:  245 
  • 30g Shi Q.-W. Kiyota H. Chem. Biodiv.  2005,  2:  1597 
  • 31 Koepp AE. Hezari M. Zajicek J. Vogel BS. LaFever RE. Lewis NG. Croteau R. J. Biol. Chem.  1995,  270:  8686 
  • 32 Hefner J. Rubenstein SM. Ketchum REB. Gibson DM. Williams RM. Croteau R. Chem. Biol.  1996,  3:  479 
  • 33 Li H. Horiguchi T. Croteau R. Williams RM. Tetrahedron  2008,  64:  6561 
  • 34 For a general treatment on combinatorials and permutations, see: Bóna M. Combinatorics of Permutations   Chapman & Hall/CRC; Boca Raton: 2004. 
  • 35 Compound 48 (as well as 24) has been previously obtained by total synthesis: Rubenstein SM. Williams RM. J. Org. Chem.  1995,  60:  7215 
  • 36 Corey EJ. Cheng X.-M. The Logic of Chemical Synthesis   John Wiley & Sons; New York: 1989. 
  • 37a Bruggink A. Schoevaart R. Kieboom T. Org. Proc. Res. Dev.  2003,  7:  622 
  • For a recapitulation of the concepts presented in ref. 37a in the context of Taxol®, see:
  • 37b Walji AM. MacMillan DWC. Synlett  2007,  1477 
  • 38a Vazquez A. Williams RM. J. Org. Chem.  2000,  65:  7865 
  • 38b Ahn YM. Vander Velde DG. Georg GI. J. Org. Chem.  2002,  67:  7140 
  • 38c Baldelli E. Battaglia A. Bombardelli E. Carenzi G. Fontana G. Gambini A. Gelmi ML. Guerrini A. Pocar D. J. Org. Chem.  2003,  68:  9773 
  • 38d Horiguchi T. Cheng Q. Oritani T. Tetrahedron Lett.  2000,  41:  3907 
  • 38e Horiguchi T. Nagura M. Cheng Q. Oritani T. Kudo T. Heterocycles  2000,  53:  2629 
  • 38f Hoemann MZ. Velde DV. Aube J. Georg GI. Jayasinghe LR. J. Org. Chem.  1995,  60:  2918