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Träger für die Festphasensynthese
Vortrag im Rahmen des Seminarszum organisch-chemischen Fortgeschrittenenpraktikum
5.2.2007
Matthias Ernst
Gliederung
1. FestphasensyntheseKonzepte, Schema, Vor- und Nachteile
2. TrägerGängige Harze und Linker
3. Spezielle Harze
4. Spezielle Linker
5. Zusammenfassung
6.Literatur
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Konzepte der Festphasensynthese
● Edukt kovalent an polymeres Trägermaterial („resin“) gebunden
● Bindung direkt oder über sog. „linker“
● Reaktion erfolgt durch Zugabe weiterer Reagenzien in Lösung
● Reinigung: Spülen, Waschen und Filtrieren
● Abspaltung des Produkts vom Träger
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Schema
Y HY SG
XH Support
KupplungX Y SG
Ent-schützung X
n
X Y Hn
Abspaltungggf. Entschützenvon Seitenketten
HX Y Hn
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Vergleich mit Synthese in Lösung
Synthese in Lösung:
Aufarbeitung Abtrennung der Reagenzien Reinigung
✔ Charakterisierung leichter
➔ Mehrstufen: Wiederholung aller Schritte (va. Reinigung)➔ Zeitaufwendig
„Festphasensynthese“
Produkt bleibt an Träger gebunden Reaktion in Filtergefäß Reinigung durch Waschen
✔ Charakterisierung schwieriger
➔ Wiederholung leicht möglich
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Vorteile der Festphasensynthese
● Produkt einfach zu isolieren● Geringe Verluste● Überschuss verwendbar● Dadurch höhere Ausbeute● Keine aufwendige Reinigung● Wenig(er) intermolekulare Reaktionen● Mehrstufige Synthesen einfach durchzuführen● automatisierbar
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Nachteile der Festphasensynthese● Geringe abs. Mengen an Produkt● Hoher Chemikalienverbrauch● Spezielle inerte Träger nötig● Hohe Kosten
● Sehr hohe Ausbeuten bei jedem Schritt nötig● Optimierung notwendig● Reaktionskinetik
● Charakterisierung schwierig● Nicht alle Reaktionen aus Lösung übertragbar● Evtl. zusätzliche Reaktionsschritte durch Spaltung
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Polystyrol-Harz nach Merrifield● Chlormethyliertes Copolymer aus Styrol und 1-2% Divinylbenzol
● Grundlage weiterer Harze (versch. Linker)● Gute Quellfähigkeit in Dichlormethan, DMF, THF, Pyridin● Nicht quellbar in Diethylether, Methanol, Wasser
Ph
CH3 CH3
CH3
PhPh
CH3
Cl
Cl
=Cl
CH3
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Polystyrol-Harz nach Merrifield● Verknüpfung Monomer-Harz via Veresterung● Abspaltung mit mittelstarken Säuren (z.B. wasserfreie HF)
+ O
O
NHBoc
R1
Cs+
NHBocO
O
R1
Cl-CsCl
NHBocO
O
R2
NH2OH
O
R2
HF
-CO2CH2
+F
-+ +
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Polyacrylamidharze● Gute Quellfähigkeit in polaren Lösungsmitteln, schlechte in unpolaren
N
O
N
O
O
O
Me
O
NH
NH
O
+
+
80-90%
5-15%
6-7%
radikalische
Polymerisation
O N O NO NH
O N
O
O
O N O NNHO
NO
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TentaGel● Pfropfpolymer: Polyethylenglycol an Polystyrol verankert● Quellbar in protischen LM, ähnelt THF/Ether als Lösungsmittel● Hohe Flexibilität durch PEG-“Tentakel“● Direkte Reaktionskontrolle: NMR in Gelphase● Geringe Beladbarkeit
n
Ph
OO
X
z.B. mit X = OHBrNH2
O
O
H
O
O
R
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Wang-Harz● Quervernetzes Polystyrol, ähnlich dem Merrifield-Harz● Auch als HMP-Harz bekannt● Auch Varianten auf Basis von Polyacrylamid und TentaGel
● Bei Peptidsynthese Schutz von Seitenketten per Fmoc● Kupplung als Ester● Abspaltung mit mittelstarken Säuren (z. B. 50% TFA in Dichlormethan):
CH3
OOH
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O
O
R
O+H
O
O
R
O
H+
O
CH2+
O R
OH
+TFA
-TFA
- TFA-
Rink-Amid-Linker
● Säurelabiler Carbonsäureamid-Linker● Abspaltung der Fmoc-Gruppe mit
Piperidin● Abspaltung des Peptids vom
Support mit mittel starken Säuren
(z. B. 50% TFA in Dichlormethan)
O
NH OMe
OMe
O
O
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Sieber-Linker● Als säurelabiler Linker für Verwendung von Fmoc-basierter
Peptidsynthese entwickelt● Spaltung mit verd. Säure (1% TFA in Dichlormethan)● Ergibt terminales Amid
TFA-
R
OO
NH
O
+
NH
O
R
O+
O
H
O
+
ORNH2
O
HTFA
TFA-
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Controlled pore Glass CPG● Poröses Glas mit definierter Porengröße als Träger● Funktionalisiert mit langkettigen Alkylaminen● Wichtigster Träger für DNA- und RNA-Synthese
✔ Starr, schwillt nicht✔ Chemisch stabil von pH1 bis 14, thermisch stabil✔ Große unregelmäßig geformte Oberfläche
✗ Geringe Dichte an funktionellen Gruppen✗ Polare Oberfläche✗ Labil gegenüber Fluorid✗ Hohe Kosten
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„Soluble supports“● Einsatz löslicher Polymerträger -> „liquid phase synthesis“● Versuch, positive Eigenschaften der Synthese in Lösung mit denen der
Festphasensynthese zu verbinden● Abtrennung meist durch Ausfällen
Wichtigste Vertreter: unvernetztes Polystyrol (PS), Polyvinylakohol (PVA)
und Polyethylenglycol (PEG)
nOH n
PS
Wasser aus DMF
PVA
MeOH aus CH2Cl2
PEG
Diethylether aus CH2Cl2
ClH2C
m OHOOH
Abkürzung
Ausfällen mit
n
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I C H2
C N i - P r2
N E t
S
NH
O
O O
N R1
O
CNR1 NR2R3
O
HNR2R3
OHR1
OOH
-
NH
S
O
O O
NH2
F
FF
FF
O
O
R
S
O O
NH R
O
NH
O
„Safety catch linker“● Linker gegenüber breitem Spektrum an Reaktionsbedingungen inert● Nach Aktivierung ist Produkt unter milden Bedingungen abspaltbar
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„Traceless Linker“● Nach Abspaltung des Linkers kein Rest (funkt. Gruppe) im Molekül
Si
CH3 CH3
N N
N
R2 O
R3
R1Bu4NF
THFN N
N
R2 O
R3
H R1
CH3
SiCl
CH3 1) 1 Äq KH
2) 2 Äq t-BuLi
3)Si
CH3 CH3
N
NHBoc
Cl
N
NHBoc
Cl
Br
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Photolabile Linker
● Abspaltung des Linkers durch Licht ● Einfach steuerbar● Orthogonal zu vielen Schutzgruppen
O
O
O
O
NO2
Me
CH3O
O
NHCH3
CH3
O
hν
5
OH
O
NHCH3
CH3
O
5
92%
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Zusammenfassung
● „Resin“ als makromolekulare Schutzgruppe, meist in Form von „Beads“● Hohe Reinheit, gute Ausbeuten durch Überschuss● Einfache Aufarbeitung durch Waschen und Filtrieren
● Optimierte Synthesestrategien (Schutzgruppen) und Trägermaterialien erforderlich● Sehr hohe Ausbeuten in jedem Schritt nötig
● Wichtige Zielmoleküle:➔ Peptide➔ DNA/RNA (Oligonucleotide)➔ Oligosaccharide
● Grundlage für die kombinatorische Chemie
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LiteraturD. J. Hudson, J. Comb. Chem. 1999, 1, 333.
D. J. Hudson, J. Comb. Chem. 1999, 1, 403.
D. J. Gravert, K. D. Janda, Chem. Rev. 1997, 97, 489.
F. X. Woolard, J. Paetsch, J. A. Ellman, J. Org. Chem. 1997, 62, 6102.
D. L. Whitehouse, S. N. Savinov, D. J. Austin, Tetrahedron Lett. 1997, 38, 7851.
N. K. Terret, Kombinatorische Chemie, Springer, Schwabach, 1998.
G. Barany, M. Kempe in A Practical Guide to Combinatorial Chemistry (Hrsg: A. W.
Czarnik, S. H. DeWitt), American Chemical Society, Washington D.C., 1997, 51.
W. Bannwarth in Combinatorial Chemistry (Hrsg: W. Bannwarth, B. Hinzen), Wiley-VCH,
Weinheim, 2006, 33.
novabiochem Catalog, Merck, Darmstadt, 2002.
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Photolabile LinkerMechanismus der Spaltung:
O
O
N+
Me
O
O
RO
H
O-
hνO
O
N+
Me
O
O
RO
H
O-
OH
O
O
N+
Me
O
O
R
O-
OH
O
O
N+
Me
O
O
R
O-
O+
O
O
N
Me
O
O
R
O-
H
O
O
O
N
Me
O
H
O
OR
O
O
O
N
Me
O
O
OHR+
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