Universität HeidelbergProf. Dr. Krämer

Synthese von N-(Benzyloxycarbonyl)-ethan-1,3-diamin und verschiedener Perylen-Derivate 2016

Georg-von-Langen-SchuleBerufsbildende Schulen Holzminden

Beteiligte Personen: Laura Katharina Dittrich, Jannik Wegener, Christian Koch, Simon Homölle, Tobias Feist, Marian Loges, Carina Rose, Victoria Schürmann, Maik Hünnefeld, Daniel Gebhard, Dominik Franke, Emily Strote und  Dr. Carsten Wendelstorf

Problemstellung/ Hintergründe:

N

O

O

N

O

O

NHO

O OO

Das körpereigene Polysaccharid Heparin ist in Verbindung mit Antithrombin III der wichtigste Gerinnungshemmer im Blut des Menschen. Bei Mangel kann es zu Blutverklumpungen führen und schließlich zu Infarkten im Gehirn oder Herzen. Ein Überschuss führt wiederum zu inneren Blutungen, welche ebenso wie Infarkte eine lebensbedrohliche Situation für den Menschen darstellen. Mittels eines Schnelltests soll die etwaige Heparin-konzentration im Blut ermittelt werden. Hierbei wird ein Perylenderivat als Farbindikator eingesetzt, durch den das Heparin mittels UV-Licht quantitativ detektierbar wird.

Als Grundgerüst des Farbindikators dient der polycyclische Aromat Perylen, welcher im Laufe der Projektarbeit mit Aminosäure-derivaten modifiziert wird.Durch Schutzgruppenentfernung binden sich die hergestellten Derivate des Perylens an das Heparin, wodurch dieses UV-aktiviert wird und damit quantitativ detektierbar ist.

Zucker/ Arginin - Gruppe

Zucker & DMSO & Methanol Probe mit Katalysator Natrimhydrogencarbonat:

1 Woche bei Raumtemperatur gerührt mittels UV Detektion eine Reaktion nachgewiesen. Durch den Katalysator ist das Methanol teilweise ans Perylen verestert.

Einseitige Veresterung: Zweiseitige

Veresterung:

4,10-bis(methoxycarbonyl)perylene- 4,9-bis(methoxycarbonyl)perylene 3,9-dicarboxylic acid -3,10-dicarboxylic acid

FolgerungenPerylen reagiert in Anwesenheit einer Base in Methanol zu den obenstehenden Produkten bestätigt mit Triethylamin und NaHCO3Produkte in polaren Lösungsmitteln löslich

CH3

CH3

O

O

OHOH

O

O

O

O

CH3

H

H

CH3

O

O

OO

O

O

O

O

Versuchsaufbau:Mikroversuche der Derivatbildung in DC Viales mit Verschiedenen Lösemitteln

Baukastenprinzip

Aufarbeitung der Versuche:Aufarbeitung einzelner Versuche über Watte Kieselgelfiltration

Reste des Perylens blieben im Filter hängen lösliches Produkt konnte als Filtrat abgenommen werden.

Dünnschichtchromatographie Ergebnis: Die beiden obigen Produkte A und Bkonnten über LC/MS bestätigt werden

SchlussfolgerungenIn Methanol gelöstes Perylen bleibt stabil. Wird eine Base wie NaHCO3 oder Triethylamin hinzugesetzt finden die obigen Veresterungen statt.

A B

Cbz - Gruppe

Synthese asymmetrisch geschützter DiamineDie bisher eingesetzte Alloc-Schutzgruppe ist hochtoxisch und somit schwer handhabbar. In der modernen Schutzgruppenchemie wird häufig Benzoxy-carbonyl eingesetzt. Die Cbz-Gruppe ist nicht nur günstiger und weniger giftig, sondern auch besser auftrennbar auf Säulen.

Es war nicht mehr genügend Zeit das dargestellte Cbz-Ethylendiamin mit Perylen zu testen. Jedoch liegt noch eine ausreichende Menge des Amins für weitere Eignungtests vor.

Obwohl Cbz, besser als Alloc geeignet ist, besteht das Risiko, dass sie für die spätere asymmetrische Synthese ungeignet ist. Da es durch einen aromatischen Rest, größere Ähnlichkeit zu Perylen aufweist, könnte es die asymmetrische Dirigation verlieren.

Nach dem Prinzip der pH-Wertsteuerung sollte es möglich sein, auch andere Di- oder Triamineasymmetrisch zu schützen. Bei Triaminen wäre insbesondere das Einbringen einer weiteren Schutzgruppe bei verschiedenen pH-Werten interessant, um weitere Reaktionsschritte und eine noch weitere asymmetrischen Gestaltung des Zielmoleküls zu ermöglichen.

0

2

4

6

4x10Intens.

Intens.

Ca. 92% Ausbeute

Cbz-Ethylendiamin

Lösungsstrategie

Perylen-K+- Gruppe Arginin - GruppeZucker/ Arginin-Gruppe Cbz - GruppeEinseitiges Schützen von Diaminen. Ersatz von Alloc‐Ethylendiamindurch Cbz‐Ethylendiamin

Das Reaktionsverhalten vonZucker bzw. Arginin mit Perylenin verschiedenen Lösemitteln

Zum Arginindecylestersmit TMSCL zur weiteren Reaktion mit Perylen 

AsymetrischerZugang zum Perylen als Monokaliumsalz

Literatur:1. Europäisches Patent, Veröffentlichungsnummer: 0176899 B12. Doktorarbeit- Fluoreszenzfarbstoff für Solarenergie-Anwendung, der Ludwig- Maximilian- Universität München, von Simon Poxleiter3. Doktorarbeit- Synthese und Eigenschaften neuartiger, nichtkristallinier Amphiphile als Baustein für biologische Modellmembranen, von

Chistina Benedek4. www.bbs-holzminden.de/index.php?id=190#c521 (Ergebnisse der vorangegangenen Projektgruppen)5. GIT Labor-Fachzeitschrift 3/2010, S. 194-197, GIT Verlag GmbH & Co.KG, Darmstadt („Direkte Messung des Heparinspiegels beim

Blutgerinnungsmanagement“)6. Synthesevorschrift: Veresterung der Aminosäure (2013) (Ergebnisse der vorangegangenen Projektgruppen)7. Synthesevorschriften von der Zucker-Gruppe und Arginin-Gruppe (2015) (Ergebnisse der vorangegangenen Projektgruppen)8. Synthesevorschrift Cbz: http://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/699/3/teil_03.pdf

O OO

O OO

KOH

H2O

Val-Boc

DMSO

OH

OH

NHO O

NHO O

O

O

O

O

+

O-OH OO

O OO

K+ OHOH

N OO

OO

O

O

Perylen-K+- Gruppe

Fazit:Durch ein LC/MS konnte das monosubstituierteProdukt (B) und das disubstituierte Produkt (C)nachgewiesen werden. Ebenfalls konnte das symmetrisch substituierte Val-Boc-Py-Val-Boc(D) gefunden werden, woraus geschlossen werden kann, dass die Umsetzung zum Mono-Kaliumsalz nicht vollständig war und noch Perylenreste vorhanden waren.

Durchführung:Perylen reagiert in wässriger Kaliumhydroxid-Lösung zum Mono-Kaliumsalz Aund wird dann einseitig zu Bbzw. zweiseitig zu C mit Val-Bocumgesetzt:

NO O

NO O

O

O

O

O

OHOH

N OO

OO

O

O

OH

OH

NHO O

NHO O

O

O

O

O

A B C

(B)

(C)

(D)

Arginin - Gruppe Veresterung von L- Arginin mit 1-Decanol und TMSCl als Katalysator

OH+ TMSClOH

O

NH2

NHNH2

NH

Formula Weight = 174.20096

O

O

NH2

NHNH2

NH

Formula Weight = 158.28108 Formula Weight = 314.46676

Der gewählte Reaktionsweg führt nicht zur Bildung des gewünschten Esters.

Das DC zeigt, dass das Arginin sich zu einem Polyester umgesetzt hat

Aufgrund der Klumpenbildung ist vermutlich eine Polymerisationdes Argininseingetreten.

(Laufmittel: Aceton, Wasser, Eisessig, Butanol)

Arginin Produkt Decanollösung

Die 2. Reaktions-kontrolle zeigt das gleiche Ergebnis(Gekocht bei 200°C)

Lösungsvorschlag: 1.häufig ist die säurekatalysierte Veresterung

nicht möglich2.Durch Verwendung von Sulfurylchlorid als

Dehydratisierungskatalysator kann dieseSchwierigkeit überwunden werden

3.Stickstoffatmosphäre beim Kochen

(Laufmittel: Methanol)

Geplante Alloc-Py-DecaArginin-Derivat Synthese in DMSO

O

O

O

O

O

O

+

DMSO/NaHCO3 RT/7Tage

+

NH2NH O

O

HCl

.

O

O

NH2

NHNH2

NH

N

N

O

O

O

O

NHO

O

O

O

NH2

NH

NH

Zusammenfassung:• Perylen zeigt in Methanol ein besonderes Reaktionsverhalten in Anwesenheit

von Basen wie NaHCO3 und Triethylamin. In beiden Fällen hydrolisiert die Anhydrid-Funktion schnell zur Dicarbonsäure, welche teilweise mit Methanol verestert auftritt. In DMSO wird diese Hydrolyse nur sehr schwach beobachtet.

• Das Mono-Kaliumsalz des Perylens konnte isoliert und mit Val-Boc zu einem Mono- bzw. Disubstituierten Derivat umgesetzt werden, welches jeweils noch zwei weitere Carbonsäuregruppen enthält.

• Die Veresterungen von Arginin war bisher nicht erfolgreich. • Die Cbz-Schutzgruppe konnte erfolgreich einseitig an Ethylendiamin angefügt

werden. Bei der Umsetzung des entstandenen N-(Benzyloxycarbonyl)-ethan-1,3-diamins mit Perylen zeigte das UV-Licht in DMSO eine Umsetzung an.

Schlussfolgerung / Lösungsvorschläge:I. Die Cbz-Schutzgruppe kann pH-Wert gesteuert an Mehrfachamine gezielt

addiert werden, wodurch vielfältige Möglichkeiten für Perylenderivate entstehen.II. Das Mono-Kaliumsalz des Perylens kann zur asymetrischen Derivatisierung

genutzt werden, wenn die Carbonsäurereste sinnvoll genutzt werden können.III. Methanol könnte in Kombination mit anderen Lösemitteln interessant sein.