Einführung und Entfernung von Alkylschutzgruppen mehrerer häufiger Aminogruppen

Die Alkoxycarbonyl-Schutzgruppe ist die am häufigsten verwendete Amino-Schutzgruppe. Dieser Artikel stellt kurz die Schutz- und Entschützungsmethoden der folgenden gängigen Alkoxycarbonyl-Amino-Schutzgruppen vor. Zu diesen gängigen Schutzgruppen gehören: Benzyloxycarbonyl (Cbz), tert-Butoxycarbonyl (Boc), Methoxycarbonyl (Fmoc), Allyloxycarbonyl (Alloc), Trimethylsilylethoxycarbonyl (Teoc) und 2,2,2-Trichlorethoxycarbonyl (Troc).

1. Benzyloxycarbonyl (Cbz)-Schutzgruppe

1.1 Einführung von Benzyloxycarbonyl (Cbz)

N-Benzyloxycarbonylaminoverbindungen lassen sich unter basischen Bedingungen wie Triethylamin, Pyridin und Natriumbicarbonat leicht mit Cbz-Cl oder Cbz-OSu und freien Aminogruppen reagieren. Cbz-Cl ist reaktiver als Cbz-OSu, und die Reaktion wird üblicherweise in aprotischen organischen Lösungsmitteln wie Dichlormethan durchgeführt. Da Aminogruppen eine höhere Nukleophilie als Hydroxygruppen aufweisen, ist manchmal die Verwendung protischer Lösungsmittel erforderlich. Darüber hinaus können Cbz-ONB (4-O2NC6H4OCOOBn) und andere schwach aktive aktivierte Benzyloxycarbonylester als Einführungsreagenz für Benzyloxycarbonyl verwendet werden. Mit diesem Reagenz lässt sich primäres Amin leichter schützen als sekundäres Amin. Aufgrund der fehlenden Nukleophilie von Anilin reagiert es nicht mit diesem Reagenz.

Einführung einer geschützten Basisinstanz:

1.2 Entfernung von Benzyloxycarbonyl (Cbz)

Es gibt verschiedene Methoden zur Entfernung von Benzyloxycarbonyl: 1) katalytische Hydrogenolyse; 2) Spaltung mit starker Säure (HBr, TMSI); 3) Na/NH3-Reduktion (flüssig). Eine gängige und einfache Methode im Labor ist die katalytische Hydrogenolyse. Wenn das Molekül Gruppen enthält, die empfindlich auf katalytische Hydrogenolyse reagieren (Benzylether, Olefin usw.) oder den Katalysator passivieren (Thioether usw.), müssen wir chemische Methoden wie die Säurespaltung von HBr oder die Na/NH3-Reduktion (flüssig) usw. anwenden.

Die katalytische Hydrogenolyse ist die am häufigsten verwendete und schonendste Methode zur Entschützung. Sie kann durch Hydrierung bei normaler Temperatur und normalem Druck abgeschlossen werden. Als Wasserstoffdonoren der Reaktion können Wasserstoff, Cyclohexadien, 1,4-Cyclohexadien, Ammoniumformiat, Ameisensäure usw. dienen. Die Reaktion der vier letztgenannten Reagenzien als Wasserstoffdonoren wird auch als katalytische Hydrierungsreaktion bezeichnet. Wird die Hydrierung mit Pd/C in Gegenwart von Boc2O durchgeführt, werden die freigesetzten Amine direkt in Boc-Derivate umgewandelt. Zudem ist dieser Reaktionstyp häufig schneller als ohne Boc2O, hauptsächlich weil das durch Hydrogenolyse entstehende Amin häufig eine gewisse Komplexierung mit dem Edelmetallkatalysator eingeht, wodurch die Aktivität des Katalysators verringert wird. Die Reaktion mit Boc2O als Amid hebt diesen Effekt auf. Außerdem kann manchmal die Zugabe einer geeigneten Säure während der Hydrogenolyse die Reaktion aus demselben Grund fördern. Das protonierte Amin kann die Komplexierung mit dem Katalysator vermeiden und so die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.

Katalysatoren für die katalytische Hydrierung bestehen hauptsächlich aus 5–10 % Palladium-Kohlenstoff, 10–20 % Palladiumhydroxid-Kohlenstoff oder Palladium-Polyethylenimin. Palladium-Polyethylenimin/Ameisensäure eignet sich besser zur Entfernung von Cbz als die beiden erstgenannten. Enthält das Molekül zudem Halogenatome (Cl, Br, I), führt die direkte Verwendung von Pd/C in der Regel zur Dehalogenierung. In diesem Fall wird PdCl₂ als Katalysator und Ethylacetat oder Dichlormethan als Lösungsmittel verwendet. Dehalogenierung kann so besser vermieden werden.

Wenn HBr/HOAc die Cbz-Gruppe entschützt, entsteht durch die Zersetzung das Carbokation der Benzylgruppe. Befindet sich im Molekül eine Carbokation-abfangende Gruppe (aktivierter Benzolring usw.), entsteht das entsprechende Nebenprodukt.

Beispiel für die Entschützung:

Katalytische Entschützung von PdCl2 in Gegenwart von Halogeniden

Zu einer Lösung von Verbindung 1 (900 mg) in Methylenchlorid (16,5 ml) wurden 30 mg PdCl₂ und 0,229 ml Triethylamin gegeben. Triethylsilan (2 x 0,395 ml) wurde innerhalb von 2 Stunden zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde 1 Stunde gerührt, und 2 ml Trifluoressigsäure wurden zugegeben. Nach 30 Minuten wurde die Reaktion mit 2 N NaOH basisch gemacht, mit Methylenchlorid extrahiert, über MgSO₄ getrocknet, filtriert und eingeengt. Die Chromatographie erfolgte mit 3–5 % MeOH/CH₂Cl₂ und 0,5 % NH₄OH. Verbindung 2 wurde als Öl erhalten (501 mg, 74 %).

2. tert-Butoxycarbonyl (Boc)-Schutzgruppe

Neben der Cbz-Schutzgruppe ist tert-Butoxycarbonyl (Boc) eine ebenfalls weit verbreitete Amino-Schutzgruppe in der Peptidsynthese. Insbesondere in der Festphasensynthese wird Boc häufig anstelle von Cbz zum Schutz von Aminogruppen verwendet. Boc hat folgende Vorteile: Es lässt sich leicht durch Acidolyse entfernen, ist aber auch bei schwacher Acidität stabil; bei der Acidolyse wird das tert-Butylkation zu Isobutylen zersetzt, was im Allgemeinen keine Nebenreaktionen verursacht; Boc ist stabil gegenüber Hydrazinolyse und vielen Nukleophilen; Boc ist stabil gegenüber katalytischer Hydrogenolyse, aber deutlich säureempfindlicher als Cbz. Wenn Boc und Cbz gleichzeitig vorliegen, kann Cbz durch katalytische Hydrogenolyse entfernt werden, Boc bleibt unverändert oder Boc kann durch eine Säurelösung entfernt werden, ohne dass Cbz beeinträchtigt wird, sodass beide gut zusammen verwendet werden können.

2.1 Einführung von tert-Butoxycarbonyl (Boc)

Freie Aminogruppen reagieren unter basischen Bedingungen (NaOH oder NaHCO3) in einem Lösungsmittelgemisch aus Dioxan und Wasser leicht mit Boc₂O zu Boc-geschützten Aminen. Dies ist eine gängige Methode zur Einführung von Boc. Ihr Vorteil: Die Nebenprodukte sind nicht störend und leicht zu entfernen. Manche Amine mit hoher Nukleophilie können direkt und ohne weitere Basen mit Boc-Anhydrid in Methanol umgesetzt werden. Die Reaktion ist komfortabel. Für wasserempfindliche Aminoderivate empfiehlt sich die Verwendung von Boc₂O/TEA/MeOH oder DMF bei 40–50 °C. Bei schwächer aktiven Aminogruppen kann DMAP zur Beschleunigung der Reaktion zugegeben werden.

Einführung einer geschützten Basisinstanz:

2.2 Entfernung von tert-Butoxycarbonyl (Boc)

Boc ist säureempfindlicher als Cbz, und die Produkte der sauren Hydrolyse sind Isobuten und CO2 (siehe Formel unten). Bei der Synthese von Flüssigphasenpeptiden kann TFA oder 50%ige TFA (TFA:CH2Cl2 = 1:1, v/v) zum Entfernen von Boc verwendet werden. TBDPS- und TBDMS-Basen sind relativ stabil, wenn beim Prozess der Boc-Entfernung verdünnte 10 – 20%ige TFA verwendet wird. Darüber hinaus können neutrale Bedingungen, wie z. B. die Kombination aus TBSOTf/2,6-Lutidin oder ZnBr2/CH2Cl2, BOC ebenfalls sehr gut entfernen, und einige säureempfindliche funktionelle Gruppen können ebenfalls erhalten bleiben. Obwohl BOC größtenteils unter sauren Bedingungen entfernt wird, kann BOC an Aminogruppen mit geringerer Basizität auch unter alkalischen Bedingungen entfernt werden.

Wenn das Molekül einige funktionelle Gruppen enthält, die unter sauren Bedingungen mit dem Nebenprodukt tert-Butylcarbokationen reagieren können, muss Thiophenol (z. B. Thiophenol) hinzugefügt werden, um die tert-Butylcarbokationen zu entfernen. Dies kann die Bildung von Thiolen (Ethern, Phenolen) (z. B. Methionin, Tryptophan usw.) und anderen elektronenreichen aromatischen Ringen (Indol, Thiophen, Pyrazol, Furan, Polyphenol, hydroxylsubstituiertes Benzol usw.) verhindern. Andere Radikalfänger wie Anisol, Thioanisol, Thiokresol, Kresol und Dimethylsulfid können ebenfalls verwendet werden.

Beispiel für die Entschützung:

3. Wat Methoxycarbonyl (Fmoc) Schutzgruppe

Ein wesentlicher Vorteil der Fmoc-Schutzgruppe ist ihre hohe Säurestabilität und die Möglichkeit, in ihrer Gegenwart die Boc- und Benzylgruppen zu entschützen. Nach der Entschützung der Fmoc-Gruppe wird das Amin als freie Base freigesetzt. Fmoc ist grundsätzlich hydrierungsstabil, kann aber in einigen Fällen durch H2/Pd-C in AcOH und MeOH entfernt werden. In früheren Tweets des Unternehmens wurde die Einführung und Entfernung der Fmoc-Schutzgruppe detailliert beschrieben. Interessierte können die vorherigen Tweets erneut lesen.

3.1 Einführung von Wat-Methoxycarbonyl (Fmoc)

Die durch Fmoc geschützte Aminogruppe kann durch Reaktion von Fmoc-Cl und Fmoc-OSu mit einer Aminogruppe unter schwachen Basenbedingungen wie Pyridin oder NaHCO3 erhalten werden. (Verwenden Sie keine starken Basen wie Triethylamin!). Die Aktivität von Fmoc-OSu ist etwas geringer als die von Fmoc-Cl, und die durch die Reaktion entstehenden Verunreinigungen sind in der Regel geringer. Daher ist die Verwendung von Fmoc-OSu gegenüber Fmoc im Allgemeinen vorzuziehen.

Einführung einer geschützten Basisinstanz:

3.2 Entfernung von Wat Methoxycarbonyl (Fmoc)

Die Fmoc-Schutzgruppe kann im Allgemeinen durch verschiedene basische Bedingungen wie konzentriertes Ammoniakwasser, Piperidin, Ethylendiamin, Cyclohexylamin, Morpholin, DBU, Bu4N+F-/DMF usw. entfernt werden. Tertiäre Amine (wie Triethylamin) sind bei der Entfernung weniger wirksam, und sterisch stärker gehinderte Amine (wie DIEA) sind bei der Entfernung weniger wirksam.

4. Allyloxycarbonyl (Alloc)-Schutzgruppe

Im Gegensatz zu den zuvor erwähnten Cbz, Boc und Fmoc ist Alloc sehr säure- und alkalibeständig. In seiner Gegenwart können Cbz, Boc und Fmoc selektiv entschützt werden, während die Entfernung von Alloc üblicherweise in Gegenwart von Pd(0) erfolgt.

4.1 Einführung der Allyloxycarbonyl (Alloc)-Schutzgruppe

Normalerweise reagiert Alloc-Cl oder Alloc-OSu mit Aminoverbindungen in organischen Lösungsmitteln/Na2CO3, NaHCO3-Lösung oder Pyridin, um Alloc-geschützte Aminoderivate zu erhalten.

Einführung einer geschützten Basisinstanz:

4.2 Entfernung der Allyloxycarbonyl (Alloc)-Schutzgruppe

Die Alloc-Schutzgruppe ist sehr säure- und basenstabil und kann üblicherweise nur mit Pd(0) wie Pd(PPh3)4 oder Pd(PPh3)2Cl2 entschützt werden. Unter Pd(0)-Katalyse entsteht ein π-Allylpalladium-Intermediat, das nach der Reaktion mit einem Nukleophil wie Morpholin oder 1,3-Diketon entschützt wird. Beispielsweise können Alloc-Derivate mit Pd(PPh3)4/Me2NTMS behandelt werden, um leicht hydrolysierbares TMS-Carbamat zu erhalten [Tetrahedron Lett., 1992, 33,477]. Durch Zugabe von Boc2O, AcCl, TsCl oder Bernsteinsäureanhydrid kann Pd(PPh3)2Cl2/Bu3SnH die Alloc-Gruppe in andere Amin-Derivate umwandeln. Darüber hinaus kann Alloc auch mit Pd(PPh3)4/HCOOH/TEA entfernt werden [J.Med. Chem., 1992, 35, 2781] oder AcOH/NMO [J.Org. Chem., 1996, 61, 3983].

Beispiele für Entschützungsgruppen:

Zu einer Lösung des Alloc-geschützten Esters (140,7 mg) und 1,3-Dimethylbarbitursäure (228 mg) in THF (15 ml) wurde Tetrakis(triphenylphosphin)palladium (43,9 mg, 17 Mol-%) gegeben und die Mischung 27 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wurde die Mischung in gesättigte wässrige NaHCO₃-Lösung gegossen und viermal mit Et₂O extrahiert. Die vereinigten Extrakte wurden getrocknet (MgSO₄) und im Vakuum eingeengt. Der Rückstand wurde chromatographisch (CHCl₃/MeOH, 20 : 1 bis 2 : 1) gereinigt, wodurch der entsprechende freie Aminoester als farbloses Öl (79,5 mg, 65 %) erhalten wurde. [ Chem. Soc. Perkin Trans. 1., 2004, 7, 949]

Zu einer Lösung von 112 (0,97 g, 1,4 mmol) in CH2Cl2 (19 ml) wurden Dimethylaminotrimethylsilan (1,32 ml, 8,4 mol) und Trimethylsilyltrifluoracetat (1,45 ml, 8,4 mmol) gegeben. Die Lösung wurde 10 min bei 20 °C gerührt, dann wurde Pd(PPh3)4 (97 mg, 0,084 mmol) zugegeben und 2,5 h weitergerührt. Die Mischung wurde eingedampft und das verbleibende Öl in EtOAc (50 ml) gelöst. Die Lösung wurde mit 10 %iger wässriger NaHCO3-Lösung und Kochsalzlösung gewaschen, getrocknet und eingedampft. Der Rückstand wurde chromatographiert (SiO2; EtOAc/Hexan 1:2), wodurch 113 (0,67 g, 78 %) erhalten wurde. [J. Med. Chem., 1992, 47(6) , 1487].

5. Trimethylsilylethoxycarbonyl (Teoc)-Schutzgruppe

Trimethylsilylethoxycarbonyl (Teoc) unterscheidet sich von den zuvor genannten Verbindungen Cbz, Boc, Fmoc und Alloc. Es ist sehr stabil gegenüber Säuren, den meisten Basen und Edelmetallkatalyse. In seiner Gegenwart können Cbz, Boc, Fmoc und Alloc selektiv entschützt werden. Die Entschützung erfolgt üblicherweise in Fluoridanionen. Beispiele hierfür sind TBAF, TEAF und HF.

5.1 Einführung von Trimethylsilylethoxycarbonyl (Teoc)

Im Allgemeinen reagieren Teoc-Cl, Teoc-OSu, Teoc-OBt und Teoc-Nt mit Aminoverbindungen in Gegenwart organischer Lösungsmittel und Basen zu Teoc-geschützten Aminoderivaten. Nitrotriazol, ein Nebenprodukt nach der Schützung des Sodeoka-Reagenzes (Teoc-NT), kann durch einfache Filtration entfernt werden, da es in Lösungsmitteln unlöslich ist.

Einführung eines geschützten Basisbeispiels:

5.2 Entfernung von Trimethylsilylethoxycarbonyl (Teoc)

Die Entfernung von Trimethylsilylethoxycarbonyl (Teoc) erfolgt hauptsächlich durch β-Eliminierung nach der Reaktion von Fluoridionen mit Trimethylsilan. Zu den Fluorreagenzien gehören TBAF (Tetrabutylammoniumfluorid), TEAF (Tetraethylammoniumfluorid) oder TMAF (Tetramethylammoniumfluorid). Während des Entfernungsprozesses entsteht durch TBAF ein Nebenprodukt, das Tetrabutylaminsalz, das oft schwer zu entfernen ist und die Produktqualität beeinträchtigt. Alternativ können TMAF oder TEAF verwendet werden.

Beispiel für die Entschützung:

6. 2,2,2-Trichlorethoxycarbonyl (Troc)-Schutzgruppe

6.1 Einführung der 2,2,2-Trichlorethoxycarbonyl (Troc)-Schutzgruppe

Im Allgemeinen reagieren Troc-Cl und Troc-OSu mit Aminoverbindungen in Gegenwart organischer Lösungsmittel und Basen, um Teoc-geschützte Aminoderivate zu erhalten.

6.2 Entfernung der 2,2,2-Trichlorethoxycarbonyl (Troc)-Schutzgruppe

Die Entschützung erfolgt üblicherweise unter Ein-Elektronen-Reduktionsbedingungen von Zinkessigsäure, wobei als Nebenprodukte flüchtiges 1,1-Dichlorethylen und Kohlendioxid entstehen. Unter diesen Bedingungen sind viele Gruppen wie Boc, Fmoc, Cbz, Teoc usw. stabil.

Beispiel für die Entschützung

Es gibt zahlreiche Alkoxycarbonyl-Schutzgruppen, die in diesem Artikel nicht einzeln vorgestellt werden. Bei der Auswahl einer Schutzgruppe müssen alle Reaktanten, Reaktionsbedingungen und funktionellen Gruppen in den Substraten, die an der geplanten Reaktion beteiligt sind, sorgfältig berücksichtigt werden. Versuchen Sie, die Schutzgruppe zu wählen, die am einfachsten hinzuzufügen und zu entfernen ist. Wenn mehrere Schutzgruppen gleichzeitig entfernt werden müssen, ist es sehr effektiv, dieselbe Schutzgruppe zum Schutz verschiedener funktioneller Gruppen zu verwenden. Um Schutzgruppen selektiv zu entfernen, können nur unterschiedliche Arten von Schutzgruppen verwendet werden. Darüber hinaus müssen die Selektivität hinsichtlich der Schutzgruppenerzeugung und -entfernungsraten sowohl elektronisch als auch sterisch berücksichtigt werden. Das Schützen und Entschützen von Aminogruppen ist immer die Strategie des letzten Auswegs. Wenn ein neuer Weg entwickelt werden kann oder die Verwendung von funktionellen Vorläufergruppen die Verwendung von Schutzgruppen vermeiden kann, ist dies die bessere Methode.

Haofan Biological Co., Ltd. widmet sich der Forschung, Entwicklung und Produktion synthetischer Peptidwirkstoffe. Nach über zehnjähriger Entwicklungs- und Produktionstätigkeit bietet das Unternehmen verschiedene Aminoschutzreagenzien, Peptidkondensationsreagenzien, unnatürliche Aminosäuren und weitere verwandte Produkte an. Interessierte sind herzlich willkommen!