Réz-katalizált azid-alkin cikloaddíciók folyamatos áramú technikával

Amint arról már korábban szó volt, az áramlásos kémia alkalmazása számos előnyt jelenthet a kémiai szintézisek terén. A réz-katalizált azid-alkin cikloaddíciók folyamatos áramú megvalósítása első sorban az azidok, mint robbanásveszélyes reakciópartnerek biztonságosabb kezelése miatt célszerű, azonban emellett a kézenfekvő méretnövelhetőség és potenciális automatizálási lehetőségek is a folyamatos üzemmód mellett szólnak. Ezért a mai írásban a réz-katalizált azid-alkin cikloaddíciók áramlásos megvalósításának legfontosabb irodalmi példáit fogom áttekinteni, megemlítve kutatócsoportunk hozzájárulásait is. 

A reakció áramlásos technikával történő kivitelezését először 2007-ben Ley és mtsai. oldották meg,. Ehhez a CuI sót egy polimer alapú szilárd hordozón komplex formában kötötték meg. Magas termeléseket értek el, azonban a réz komplexből való kioldódása miatt szükségük volt tisztító töltetes oszlop alkalmazására is, hogy az oldatfázisból eltávolítsák a rézszennyezést. A feleslegben használt azid megkötését is in line oldották meg, így a reaktorból kicsöpögő termék gyakorlatilag a tiszta triazol oldatát jelentette. Az áramlásos módszert később sikerrel kombinálták az alkin komponens in situ előállításával, így több lépéses áramlásos szintézis sort hozva létre.

Bogdan és Sach praktikusan réz vezetékekből álló reaktorban hajtott végre 1,3-dipoláris cikloaddíciókat. A réz felülete különböző oxidok rétegeiből áll, így biztosítva a folyamatos Cu(I) forrást. A szerves azidokat in situ állították elő alkil-halogenidek és NaN3 reakciójával, így akár fokozottan robbanásveszélyes alacsony molekulatömegű azidok reakcióit is vizsgálhatták, noha a rendszer fűtése elengedhetetlen volt a megfelelő reaktivitás eléréséhez. A réz reaktort később sikeresen alkalmazták különböző gyógyszer-szerű makrociklusos anyagok előállítására is. A módszer korlátja első sorban a szükséges magas hőmérséklet, Ezért tekinthető jelentősnek Tu és mtsai. módosítása, melyben a magas hőmérséklet részben ultrahang alkalmazásával váltják ki, ezáltal fokozva az üzembiztonságot.

Kappe és mtsai. a reakciót Cu/C katalizátorral töltött oszlopon valósította meg egy kereskedelmi forgalomban kapható nagy nyomású áramlásos készülékkel (X-Cube, ThalesNano). Magas hőmérsékleten meglehetősen rövid tartózkodási idő mellett hajtották végre a reakciót, megfigyelték azonban, hogy valójában a hordozóról leváló réz az, ami a cikloaddíciót katalizálja, tehát igazából egy homogén katalitikus rendszerről van szó. A folyadék fázisba jutó rezet in line scavanger-rel vagy  off line extrakcióval távolították el. 

Kirschning és mtsai. induktív fűtésű áramlásos berendezésben hajtott végre azid-alkin cikloaddíciókat. Egy üveg kolonnát rézdarabokkal töltöttek meg, amelyet közvetlen elektromágneses indukcióval fűtöttek a megfelelő hőmérsékletre. 100 °C feletti hőmérsékleten és rendkívül alacsony áramlási sebesség mellett a legtöbb esetben magas hozamokat értek el. A módszere lényege az, hogy az elektromágneses tér hatására a réz darabok belsejében nagyon magas hőmérséklet érhető el, ami a katalitikusan aktív Cu(I) helyben történő képződésre jótékony hatással van. 

Noha a legtöbb áramlásos módszer, melyet azid-alkin cikloaddíciókhoz dolgoztak ki heterogén katalitikus, található az irodalomban néhány homogén katalitikus eljárás is. Ezek közül a legelegánsabb Hessel és mtsai. megoldása. Katalitikus Cu(I) forrásként homogén réz-komplexet alkalmaztak mikrokapilláris reaktorban, és katalizátor eltávolítását praktikusan in line extrakcióval oldották meg, etil-acetátot és etilén-diamin-tetraecetsav (EDTA) vizes oldatát adva a rendszerhez. Alacsony katalizátor töltöttség és alacsony tartózkodási idő mellett jó eredményeket értek el, viszont a komplex katalizátor ára a módszer széleskörű alkalmazhatóságnak gátat szab.

A bemutatott irodalmi példákban alapvetően működőképes és hatékony eljárásokat ismerhettünk meg. Azonban megállapítható, hogy mindegyik megközelítésnek megvannak a korlátai, ugyanis közös bennük, hogy drága berendezésekre és/vagy katalizátorokra támaszkodnak, továbbá az erőteljes reakciókörülmények alkalmazása biztonságtechnikai megkötéseket is jelenthet, ezért széles körű alkalmazhatóságuk  korlátozott. Evvel szemben kutatócsoportunk a lehető legegyszerűbb és legolcsóbb 'hordozós' Cu(I) katalizátort, vagyis réz port alkalmazott acél oszlopokba töltve áramlásos berendezésben. Továbbá bizonyos adalékanyagok hozzáadásával a magas hőmérséklet is sikerült kiváltanunk, és biztonságosan szobahőmérsékleten hajtottuk végre a reakciókat. Erről részletesebben a www.nemzetikivalosag.hu hasábjain található Kutatói blogomban lehet olvasni.

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• Barry M. Trost és Chao-Jun Li: Modern Alkyne Chemistry;. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2014.
• Georgiádes Ádám, 1,2,3-Triazolok hatékony és szelektív szintézise folyamatos áramú technikával, diplomamunka, 2014 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)

ö.s.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Bioaktív 1,2,3-triazolok

Az előző havi írásomban az 1,2,3-triazolok szintézisének legelterjedtebb módjáról, vagyis az 1,3-dipoláris azid-alkin cikloaddíciókról volt szó, ma pedig e vegyület csoport gyógyszerkémiai, biológiai jelentőségéről fogok értekezni.

Az utóbbi években a réz-katalizált azid-alkin cikloaddíciók alkalmazása a kémia számos modern területén elterjedt (pl.: biokonjugáció, polimerkémia, peptidkémia, radionuklidos nyomjelzés, stb.), azonban mindezek közül talán a legfontosabb, hogy a gyógyszerkutatás figyelme is egyre inkább a triazol-vegyületekre irányult. Számos olyan 1,2,3-triazol vázat tartalmazó szintetikus és félszintetikus molekulát írtak le, amelyek a különféle farmakológiai hatással rendelkeznek (1. ábra). Az 1,2,3-triazol gyűrű ezen vegyületekben farmakofór, azaz olyan szerkezeti elem, amely lehetővé teszi a ligand biológiai makromolekula által történő felismerését, és kapcsolódását. Jelenléte az adott hatóanyagban tehát a célmolekulához való kötődés és a hatás kialakulásának feltétele. 1,2,3-Triazol vegyületek számos hatástani csoportban megtalálhatók, ami nem meglepő, hiszen a három nitrogént tartalmazó öttagú heterociklusos váz síkalkatú, meghatározott méretű, így nem csupán mint a biológiai molekulával való kapcsolódásban részt vevő molekularész, hanem mint összekötő híd-elem is funkcionál, a többi farmakofórt egymástól jól meghatározott távolságban rögzíti. Az 1,2,3-triazol gyűrű struktúráját tekintve savamid analóg, így például kiválóan alkalmazható peptidek szerkezetének módosítására.

1. Ábra: Bioaktív triazolok (M= radioaktív fémizotóp).

Maga az 1,2,3-triazol gyűrű tautomériára képes, így a hidrogén helyzete alapján megkülönböztetünk 1H-és 2H-1,2,3-triazol izomert. Vegyületeiben azonban a kialakult kötések következtében a leggyakrabban nincs erre lehetőség, amely tovább növeli a szerkezet rigiditását. Ez a fajta szerkezeti merevség előnyös, ugyanis csökkenti a lehetséges konformációs izomerek számát, ami például szerkezet-hatás összefüggés vizsgálatoknál előnyös lehet. A legtöbb esetben az 1,4-diszubsztituált 1,2,3-triazol származékok biológiai hatásait vizsgálják, azonban említésre méltó, hogy monoszubsztituált gyűrűt tartalmazó hatóanyagok is léteznek, mint például a β-laktamáz gátló tazobaktám (1) és az I. generációs cefalosporin antibiotikumok közé sorolható cefatrizin is (2). Az 1,4-dibusztituált 1,2,3-triazolszármazékok jellemzően antibakteriális (3), antivirális (4, 5) és antifungális tulajdonságúak, de antitumor (6), antihiperkoleszterinémiás (7), β3-antagonista (8), antipszichotikus (9) és más, egyéb hatású farmakonok struktúrájában is megtalálhatók. Népszerűségüket azon előnyös tulajdonságok is növelik, mint a biológiai lebontó folyamatokkal szembeni stabilitás, valamint hidrogénkötés létesítésére való hajlam, amely a vegyületek vízoldhatóságát befolyásolja.

A triazol gyűrű kialakításával tehát könnyen megoldható különböző molekulák összekapcsolása, komplex hatóanyagok, polimerek vagy akár radioaktívan jelzett vegyületek (10) egyszerű és gyors előállítása. Továbbá, a triazolgyűrűt alkalmazzák már forgalomban lévő készítmények hatóanyagainak szerkezeti módosítására is, amely a hatóanyag effektivitását, hatásspektrumát befolyásolhatja és esetleges alternatív szintézis utakat nyithat.

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• S. G. Agalave, S. R. Maujan, V. S. Pore, Chem. Asian J. (2011), 6, 2696
• Georgiádes Ádám, 1,2,3-Triazolok hatékony és szelektív szintézise folyamatos áramú technikával, diplomamunka, 2014 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)

ö.s.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Réz-katalizált azid-alkin cikloaddíciók, avagy 1,2,3-triazolok szintézise

A mai bejegyzésben az egyik legelterjedtebb réz-katalizált reakcióról, az 1,3-dipoláris azid-alkin cikloaddíciókról lesz szó. Az elmúlt évek során kutatócsoportunk meglehetősen sokat foglalkozott e reakció folyamatos áramú megvalósításán és szintetikus alkalmazásain, és az ide kapcsolódó eredményeink egy részéről a www.nemzetikivalosag.hu hasábjain található Kutatói blogomban már részletesen beszámoltam.

Szerves azidok alkinekre történő 1,3-dipoláris cikloaddíciója (Huisgen-reakció) egy dipolarofil alkin és egy 1,3-dipól tulajdonságú szerves azid között játszódik le, amely eredményeképp egy öttagú, három nitrogént tartalmazó heterociklusos vegyület jön létre. A reakció az 1,2,3-triazolgyűrű kialakításának legelterjedtebb módja. Az átalakulás termikusan 1,4-, illetve 1,5-diszubsztituált termékek közel 1:1 arányú elegyét eredményezi, azonban réz(I) katalizátor alkalmazásával 1,4-regioszelektívvé tehető (1. ábra). A réz(I)-katalizált reakciót 2002-ben két kutató csoport (Karl Barry Sharpless és Morten Meldal az említett csoportok vezetői) egymástól függetlenül fedezték fel. 

1. Ábra. Termikus és réz(I)-katalizált cikloaddíciók.

A réz(I)-katalizált 1,3-dipoláris azid-alkin cikloaddíció egy [2+3] típusú cikloaddíció, melynek mechanizmusa egy négylépéses katalizált körfolyamatra vezethető vissza (2. ábra). Az első lépésben az alkin deprotonálódik, és az így kialakult alkinid ion Cu(I)-acetilidet képez, majd a π-elektronok átrendeződése következményeként az aziddal lejátszódik a cikloaddíció. Egy hattagú intermedier alakul ki, amelyet az alkinil csoport két szénatomja, az azid nitrogénjei és a rézatom alkotnak. Ezután a réz kilép a gyűrűből, 1,2,3-triazol gyűrű keletkezik. Az utolsó lépésben a C-Cu kötés protonálódik, a katalizátor ismét aktívvá válik, kialakul az 1,4-diszubsztituált 1,2,3-triazol gyűrű, és a ciklus újrakezdődik. A 2. ábrán felvázolt körfolyamatban az alkin aktív hidrogénje jelentős szerepet játszik, ami azt jelenti, hogy a mechanizmus csak láncvégi hármas kötés megléte esetén érvényes maradéktalanul (terminális alkinek). Meg kell említeni, hogy bizonyos internális alkinek (nem láncvégi hármas kötés) esetén is végbemegy a reakció. Feltételezhetően a réz az alkin π-elektronjaival alakít ki egy komplexet, ezzel iniciálva a reakciót. Internális alkin esetén egyrészt magasabb hőmérséklet szükséges, másrészt pedig megfelelő szubsztituenssel ellátott kiindulási anyagként például elektronhiányos haloalkin vagy nagy feszülési energiájú, például gyűrűs molekula (ciklooktin).

2. Ábra. A réz(I)-katalizált azid-alkin cikloaddíció mechanizmusa.

Réz(I) forrásként alkalmazhatók tipikusan réztartalmú redoxi rendszerek  (pl.: réz(II)-szulfát/nátrium-aszkorbát), melyek esetén a katalitikusan aktív réz(I) helyben lejátszódó redoxi folyamatok révén alakul ki. Továbbá nagyon elterjedt katalizátorok még az egyszerű réz(I) sók (pl.: CuI, CuBr, réz(I)-acetát, stb.) és réz-komplexek is. Mivel a réz(I) ion termodinamikus stabiltása nem túl nagy (pl.: tovább oxidálódhat réz(II)-vé), illetve a különböző réz(I) sók előszeretettel vesznek fel előnytelen polimer szerkezetet oldatban, ezért a réz sókat legtöbbször különböző bázisok és vagy stabilizáló ligandumokkal kombinálva használják, ezáltal fokozva a reaktivitást. E népszerű és olcsó lehetőségek legnagyobb hátránya, hogy a katalizátor termékből való gondos eltávolítása komoly tisztítási munkálatokat igényel, sőt bizonyos szerves oldószerek alkalmazásakor még oldhatósági problémákkal is számolnunk kell. Továbbá a réz sók mellett alkalmazott bázisok bizonyos melléktermékek képződését katalizálhatják is. Az említett hátrányok nagy részére megoldást jelent a heterogén réz katalizátorok alkalmazása, és ezért nem meglepő, hogy az elmúlt évek során különböző hordozós rendszerek jelentek meg. A legnépszerűbbek a polimer mátrixhoz kötött réz katalizátorok, de  a különböző zeolitok,  az aktívszén és mágneses nanorészecskék is elterjedt hordozók. A heterogén katalizátorok térnyerése ellenére az egyszerű réz sók és redoxi rendszerek valószínűleg sokáig nem fognak teljesen kiszorulni, köszönhetően rendkívül alacsony áruknak.

Érdekességként megemlítendő, hogy az 1,3-dipoláris azid-alkin cikloaddíció katalizátoraként alkalmazhatóak különböző ruténium-komplexek is, valamint a legfrissebb eredmények közé tartozik a folyamat irídium-katalízise. A ruténium amellett, hogy sikeresen alkalmazható internális alkinek cikloaddíciós reakcióiban, elérhetővé tette 1,5-diszubsztituált 1,2,3-triazol termékek szelektív előállítását is. Az irídium-komplex alkalmazása során internális tioalkinek reaktivitását tanulmányozták, amely szobahőmérsékleten is kiváló konverziót eredményezett. Meg kell azonban említeni, hogy mind a ruténium-, mind pedig az irídium-komplexek előállítása rendkívül drága és bonyolult folyamat, amely az eljárás széles körű alkalmazhatóságának jelentős korlátja.

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• Barry M. Trost és Chao-Jun Li: Modern Alkyne Chemistry;. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2014.
• Georgiádes Ádám, 1,2,3-Triazolok hatékony és szelektív szintézise folyamatos áramú technikával, diplomamunka, 2014 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)

ö.s.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Réz, mint katalizátor

Mivel az utóbbi néhány évben a réz, mint katalizátor alkalmazása munkánk során egyre fontosabb szerepet töltött be, ezért az organokatalízis és az áramlásos kémia részletes tárgyalása után a mai írásban a réz-katalizált reakciókra fogok rátérni és egy átfogó képet szeretnék adni a réz katalizátorkémiában betöltött szerepéről.

A réz a természetben is előforduló átmeneti fém, amelynek három oxidációs formája van: elemi állapotú réz, egyszeresen - Cu(I) - és kétszeresen - Cu(II) - pozitív töltésű ion. A természetben e legutóbbi állapotú forma van jelen legnagyobb mennyiségben, a talajban, és vizekben. Továbbá esszenciális mikroelem, mind a prokarióták, mind az eukarióták anyagcseréjéhez nélkülözhetetlen; az emberi szervezetben is több fontos enzim, jellemzően oxidázok alkotóeleme. A réz nem rendelkezik markáns egészségkárosító tulajdonságokkal, relatív toxicitása alacsony, így alkalmazása nem rejt olyan veszélyeket magában, mint például a palládium, ólom, vagy egyéb nehézfémsók, amelyek ugyan gyakran alkalmazott katalizátorok, azonban allergizálhatnak, alacsony vérplazmakoncentráció esetén is hepato-, cito- és neurotoxikus hatással rendelkeznek, így ezek maradványait a tisztítási folyamatok során gondosan el kell távolítani a termékből. Fontos kiemelni a rézvegyületek gazdasági jelentőségét is, ugyanis nagyságrendekkel olcsóbbak, mint a legtöbb katalizátorként alkalmazható átmenetifém.

Rezet már az előző század eleje óta alkalmaznak katalizátorként a szintetikus kémiában, elsőként 1901-ben Fritz Ullmann német vegyész hajtott végre réz katalizált szintetikus reakciót, amely során o-brómnitrobenzol molekulák között alakított ki szén-szén kötést. Ennek ellenére a többi átmenetifémhez képest kevésbé elterjedt katalizátor, kémiai jelentősége főleg az elmúlt évtizedekben értékelődött fel, ami annak köszönhető, hogy egy olcsó és környezetbarát anyagról van szó. Ezen két előny önmagában természetesen még nem tenné alkalmassá kémiai szintézisekre, azonban az általa katalizált reakciók széles körben alkalmazhatónak, hatékonynak, valamint szelektívnek bizonyultak.

A réz számos kémiai átalakulást katalizál, jellemzően C-C, C-N, C-O és C-S keresztkapcsolási reakciókat, de ezen kívül alkalmazható nitro-csoport redukciójára, cikloaddíciós reakciókra, valamint alkoholok oxidációjára is (1. ábra). Mivel mind az inter-, mind az intramolekuláris keresztkapcsolási reakciókat is elősegíti, ezért a réz a gyógyszerkémiai szintézisek gyakran alkalmazott katalizátorai közé sorolható, ennek következtében pedig a rézkatalízis központi szerepet tölthet be a hatóanyagok előállításában. Ezen kívül a réz-katalízis egyik legelterjedtebb alkalmazása az 1,3-dipoláris alkin-azid cikloaddíciók során valósult meg, ugyanis a reakció Cu(I) katalízissel nemcsak gyorsabbá, hanem szelektívvé is tehető. Az elmúlt évek során a Cu(I)-katalizált azid-alkin cikloaddíciók a modern kémia számos területén pótolhatatlan alkalmazásokra tettek szert (polimerek, felület kémia, gyógyszerkutatás, peptidkémia, izotópos nyomjelzés, stb.), és kiemelkedő jelentőségük miatt egy későbbi írásban részletesen tárgyalva lesznek.

1. Ábra. Cu katalizált reakciók. A: Ullmann kondenzáció; B: C-O keresztkapcsolás;

C: N-arilálás;D: Nitro-csoport redukciója; E: C-S keresztkapcsolás; F: Oxidáció.

Amint az előző felsorolásból is látszik, kémiai tulajdonságainak köszönhetően (komplexképzés, elektrofil jelleg, fémorganikus intermedierek kialakítása) a réz a legkülönfélébb reakciókat képes katalizálni, amelyek listája folyamatosan bővül, és emiatt válnak a réz katalizált reakciók egyre közkedveltebbé a szintetikus kémiában.

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• Gwilherm Evano és Nicolas Blanchard (szerk.), Copper-Mediated Cross-Coupling Reactions, 2014, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey
• Georgiádes Ádám, 1,2,3-Triazolok hatékony és szelektív szintézise folyamatos áramú technikával, diplomamunka, 2014 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)

ö.s.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Szilárdfázisú peptidszintézis avagy katalizátor immobilizáció?

A mai bejegyzésben kicsit részletesebben fogok írni a szilárdfázisú peptidszintézisről (SPPS), és az organokatalizátor immobilizáció egy nagyon kézenfekvő módszerét fogom ismertetni.

Az előző írásomban már röviden érintettem, hogy a szilárd fázisú technika elve a következő: a peptid láncot szilárd hordozón építjük ki, az első aminosavat kovalens kötéssel a hordozóhoz kötjük, és további aminosavak egymás utáni összekapcsolásával építjük fel a molekulát, a C → N-terminális irányban. A C-terminális aminosavat a karboxil-csoportjánál fogva savamid kötéssel kapcsoljuk a hordozó polimerhez, ezután a szabad amino csoportját egy N-védett aktivált aminosavval kapcsoljuk megfelelő kapcsolószer jelenlétében. Az aktiválás során az aminosav karboxil csoportját legtöbbször aktív észterré alakítjuk, vagyis reaktívabbá tesszük a kapcsolás szempontjából. A védőcsoport eltávolítást követően a hordozó mátrixhoz kötött peptiden a kapcsolás megismételhető tetszőleges számban, tehát a lépések ciklikus ismétléséről beszélhetünk. A szintézis során szükséges az aminosavak oldallánc-funkciós csoportjainak védelme is a mellékreakciók elkerülése végett. Az eredményes kapcsolás érdekében az aminosav származékokat, és a kapcsoló reagenseket nagy feleslegben, a gyantakapacitásra nézve 3-5-szörös mennyiségben alkalmazzuk. Az egyes szintézislépések között többszöri mosással és szűréssel távolíthatjuk el ezek feleslegét a gyantaszemcsékről. Általában az utolsó lépésként a kész peptidet úgy hasítjuk le a hordozóról, hogy azzal egyidejűleg a védőcsoportok is eltávozzanak.

Két általánosan elterjedt protokoll szerint történhet az SPPS. Amelyben az aminosavak α-aminocsoportjának védelmét a Boc védőcsoport (terc-butiloxikarbonil) látja el és az oldallánc védelmet pedig benzil csoport jelenti (Bzl), Boc/Bzl stratégiának nevezzük. Amikor pedig Fmoc (9H-fluorén-9-ilmetoxil-karbonil) az átmeneti és terc-butil (tBu) az állandó védőcsoport, Fmoc/tBu stratégiáról beszélünk. A Boc/Bzl technika esetén savas közegben zajlik az átmeneti védőcsoport eltávolítása, valamint a végső hasítás is. Az utóbb említett stratégiában viszont az átmeneti amino védőcsoport hasítása bázisokkal történik és a befejező savas hasítás is enyhébb körülmények között kivitelezhető.

Az SPPS egyik sarkalatos pontja a gyanta, vagyis a szilárd hordozó választás. Mostanra már megannyi gyantatípust kifejlesztettek, melyeket rendszerint egy térhálósítható polimer és ehhez kapcsolódó kémiailag kötött funkciós csoport alkot. Ezekkel a gyantákkal, mint szilárd hordozókkal szemben támasztott legfőbb követelmények, hogy tartalmazzanak olyan reaktív részeket, melyekhez a peptidlánc kapcsolható; jó duzzadási tulajdonságokkal rendelkezzenek, vagyis az épülő peptidlánc az oldószerek és a reagensek számára is jól hozzáférhető legyen; továbbá fizikailag és kémiailag is stabilak maradjanak az adott reakciókörülmények között. 

Az SPPS jelentősége a katalizátorkémia szempontjából, hogy megfelelő szilárd hordozó és kapcsolási technika választásával a peptidkatalizátor szintézis és immobilizáció praktikusan egy lépésben megvalósítható. Munkánk során többször is alkalmaztuk ezt az eljárást, és az Fmoc/tBu protokoll szerint történő peptid szintézishez, olyan speciális gyantákat kerestünk hordozóként, amelyekről a védőcsoport eltávolítási lépések során nem hasad le a katalizátor. Végül két hordozóra esett a választásunk (1. ábra): (i) politelinglikol–polisztirol koplimer TentaGel-re és (ii) 4-metilbenzhidrilamin linkerrel rendelkező térhálósított polisztirol gyantára (PS-MBHA). Ez a kísérleti elrendezés meglehetősen egyszerű és praktikus, ugyanis megspórolhatók az idő- és energia-igényes peptidtisztítási és feldolgozási lépések, és az újra-immobilizáció. A hordozós katalizátort pedig közvetlenül felhasználhatjuk a peptidszintézis után. Nem mellesleg az SPPS technikailag is nagyon előnyös, ugyanis a manuális peptidszintézis csupán néhány eszközt igényel, egy üvegfrittel és csappal ellátott edényt, mely csatlakoztatható egy vákuum berendezéshez, és egy rázópadot, ami a szintézis során a megfelelő keveredést biztosítja.

1. Ábra: gyantatípusok, (a) TentaGel és (b) PS-MBHA.

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• Norbert Sewald, Hans-Dieter Jakubke, Peptides: Chemistry and Biology, 2002, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
• Szloszár Alíz, Szilárd hordozós peptid organokatalizátorok szintézise aldehidek aszimmetrikus α-aminálásához, diplomamunka, 2013 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)

ö.s.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

A peptidek szintéziséről

Korábban már volt róla szó, hogy az orgonakatalízis manapság egyik legdinamikusabban fejlődő ágazata a peptid-katalízis, ugyanis a peptidek alkalmazása számos előnyt jelent a kis méretű, prolin-szerű katalizátorokhoz képest. Ezért úgy gondoltam, hogy a mai bejegyzésben érdemes lenne  a peptidek előállítási lehetőségeivel foglalkozni. 

A peptidkémiai szintézisek már nagyon hamar az érdeklődés középpontjába kerültek. Ez eleinte annak a felismerésnek volt köszönhető, hogy a szintetikus módszerrel előállított peptidek biológiai aktivitása ekvivalensnek bizonyult a természetes eredetű megfelelővel. Először Emil Fischer állított elő szintetikus úton poliaminosavat. Ez 1901-ben a glicil-glicin volt. Egymástól teljesen függetlenül, Theodor Curtius is azon tevékenykedett, hogy kidolgozza a peptidszintézisének részleteit. Így a kettőjük munkája eredményeként megszületett a peptidszintézis oldatban kivitelezett módszere. Mivel az aminosavak bifunkciós, viszonylag reaktív vegyületek, ezért az eljárás lényege a védőcsoportok alkalmazásában rejlett. Vagyis egy N-terminálisán védett és C-terminálisan aktivált aminosavat kapcsolnak egy C-terminálisán védőcsoporttal ellátott aminosavhoz sav-amid (vagy más néven peptid-) kötéssel. A védőcsoportok alkalmazásával a mellékreakciók számának jelentős csökkentését érték el. Fischer és Curtius megközelítése csupán az aktiválás módjában tért el. Míg Fischer savkloridot, addig Curtius azidokat alkalmazott aktiválószerként. Ellenben komoly nehézséget okozott az amino csoport védelem megszüntetése (ún. deprotektálás), hiszen vele együtt a peptidkötés is felhasadt. Az 1930-as években a Bergmann és Zervas által kidolgozott benziloxi-karbonil védőcsoport szelektív hasíthatósága jelentett megoldást a problémára. A következő jelentős előrelépést a század közepén a napjainkban is kedvelt terc-butiloxi-karbonil (Boc) védőcsoport kifejlesztése jelentette.

Az oldatfázisú szintézis felvirágzásának számos tényező szabott gátat: (i) a végrehajtandó reakciólépések sokasága, (ii) az épülő peptidfragmens oldhatóságának csökkenése, (iii) és a kapcsolásokat kísérő racemizáció jelensége. A racemizáció legfőbb magyarázata az, hogy a peptidek szintetikus előállítása kezdetben az N-terminálistól a C-terminális irányába történt, az élő rendszerek mintájára. A szintézis irányának megfordításával a racemizációt ugyan sikerült minimálisra visszaszorítani. Sőt az oldhatósági problémákat is át lehetett hidalni valamennyire az ún. fragmenskondenzációs eljárás alkalmazásával. Ez azt jelenti, hogy kisebb, még oldódó peptid láncokat kapcsolnak össze, így létrehozva a hosszabb, kevéssé oldódó terméket. Ezzel az eljárással egészen hosszú peptidek, mint pl. az inzulin is előállítható.

Mégis, a sok köztitermék, és ezek eredményeként kialakuló mellékreakciók miatt megjelent az igény újabb peptidkémiai szintézismódszer megteremtésére. A megoldást az ún. szilárdfázisú peptidszintézis és a már megismert védőcsoport technika kombinációja jelentette. A módszer alapelve Bruce Merrifield fejében született meg, aki 1963-ban egy klórmetilezett sztirol-divinil-benzol kopolimerhez kapcsolta a felépítendő peptid C-terminálisát. A peptid lánc kiépítése egy az egyben a hordozón történik, ami legtöbbször valamilyen speciális polimer gyanta. A peptidet csak az utolsó aminosav felkapcsolása és a megfelelő deprotektálási lépések után távolítják el a hordozóról. Az immobilizált szintézis során a kapcsolásoknál nagy feleslegben alkalmazhatóvá válnak a reagensek, ami a szintézis gyorsaságát jelentősen fokozza. Másrészt a szilárd fázisról könnyen lemoshatók a feleslegben alkalmazott vagy feldúsult anyagok és a kapcsolás során képződő homogén melléktermékek, így mellékreakciók lehetősége gyakorlatilag minimális lett. Így jelentősen leegyszerűsödött és gyorsabbá vált a szintetikus munka. A következő években védőcsoport technika fejlődése volt megfigyelhető. A legfontosabb előrelépés, hogy általánosan elterjedt a bázis-labilis ún. Fmoc (9-fluorenil-metiloxi-karbonil) védőcsoport alkalmazása az aminosavak N-védésére, párba állítva a sav-labilis terc-butil alapú oldallánc védelemmel. Így manapság már kellően diverz védőcsoport kémia és jól használható szilárd fázisú módszer segíti a peptid szintézist, aminek komoly szerepe volt a vegyület család széleskörű elterjedésében. 

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• Norbert Sewald, Hans-Dieter Jakubke, Peptides: Chemistry and Biology, 2002, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
• Szloszár Alíz, Szilárd hordozós peptid organokatalizátorok szintézise aldehidek aszimmetrikus α-aminálásához, diplomamunka, 2013 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)

ö.s.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Organokatalizátorok immobilizációja

A mai írásban a szilárd hordozós organokatalizátorokról és azok felhasználásának előnyeiről és hátrányairól fogok értekezni néhány példát is bemutatva.

A katalizátorok hatékonyságának  növelésére egy újszerű törekvés az organokatalizátorok különböző szilárd hordozókhoz való kötése, avagy immobilizációja. A különféle hordozós katalizátorok előnyei a hagyományos társaikkal szemben, hogy a reakció lejátszódása után gyors szeparációs művelettel, például szűréssel elválaszthatók a reakcióelegytől. Így nehézség nélkül regenerálhatók, ezáltal újrahasznosíthatók és visszaforgathatók további reakciókba. Mindezeknek köszönhetően meglehetősen leegyszerűsödik és kontrollálhatóbbá válik a katalitikus folyamat, mérsékelve a kívánt termék feldolgozáshoz szükséges időt és energiát, növelve a technológia gazdaságosságát és környezettudatosságát. A szilárd hordozóra vitt katalizátorok további figyelemreméltó sajátsága, hogy könnyűszerrel felhasználhatók folyamatos áramlású rendszerekben is. Ebben az esetben a hordozós katalizátort tölthető oszlopokba helyezzük, amelyen keresztül biztosítjuk a reagensek folyamatos áramoltatását. E megvalósítás előnye, hogy a katalizátor végig az ágyon marad, így nem szennyezi a termékelegyet, jelentősen leegyszerűsítve a tisztítási és feldolgozási lépéseket. Továbbá, az oszlopon rendkívül nagy lokális katalizátor felesleg érhető el, így csekély reagensfelesleg alkalmazásával, a reakcióidő lecsökkentése mellett, magas hozam és szelektivitásértékek érhetők el.

Nyilvánvalóan az immobilizált katalizátorok hátrányos tulajdonságokkal is rendelkeznek. Bizonyos jellemzőik módosulhatnak a kémiai rögzítés következtében, a katalitikus aktivitásuk és enantioszelektivitásuk csökkenhet. A szintézis szilárd hordozóra való átültetése többlet időt és energiát követel. Továbbá duzzadó tulajdonságú hordozó esetén megjegyezhető hátrányként a felhasználható oldószerek korlátozott száma is. Ugyanis nem megfelelő közegben a gyanta összeesik, ezáltal csökken az immobilizált katalizátoron az aktív helyek hozzáférhetősége és a folyamat hatékonysága.

Kémiai összetételük szerint a polimer hordozók lehetnek gél típusú gyanták (pl. polisztirol, polietilén-glikol), felület típusú gyanták (pl. cellulóz, szilikagél), kompozit gyanták és fésű polimerek. A katalizátor szilárd hordozón történő immobilizálása alapvetően kétféle módon történhet. Az egyik esetben kovalens kötéssel kapcsoljuk a hordozóhoz, míg a másik módszer alkalmazásánál az adszorpció gyenge kölcsönhatások által valósul meg. Ez utóbbinak nincs számottevő hatása az aktivitásra, azonban kevésbé stabilak. Az erős kovalens kötések jóllehet pozitívan befolyásolják a stabilitást, de aktivitásvesztéssel járhatnak.

Az organokatalizátorok szilárd hordozóhoz kötésével számos kutatócsoport foglalkozik. Manapság az egyik legjelentősebb név e tudomány területen Miquel A. Pericàs, aki csoportjával az évek során számos organokatalizátor immobilizációját oldotta meg. Például hidroxiprolint 1,2,3-triazol gyűrűn keresztül rögzítettek polisztirol gyantához, és az így képzett immobilizált katalizátort sikeresen alkalmazták aldol és Mannich reakciók sztereoszelektív kialakításához hagyományos lombikos és áramlásos kísérletek során. Továbbá Michael addíciós reakciókhoz diarilprolinol étereket immobilizáltak polimer gyantán az előbbihez hasonló 'klikk' stratégiával, és sikeresen alkalmazták a termékeket áramlásos szintézisek során. Természetesen Pericas kutatócsoprtján kívül is nagyon sokan foglalkoznak immobilizált organokatalizátorokkal. Például, Sartori és Armstrong munkatársaikkal egyszerű alkének enantioszelektív epoxidálásához használtak organokatalizátorként hordozós királis ketonokat. Cahard és kutatócsoportja immobilizált cinkonin és cinkonidin alapú katalizátorok szintézisét tanulmányozta, ahol egy észter linkeren keresztül kapcsolódnak e vegyületek a szilárd hordozóhoz. Lemaire és társai bemutatták, hogy a szilikagélen immobilizált biszoxazolin ligandum képes hatékonyan katalizálni a ciklopentadiének Diels-Alder reakcióját.

Az imént bemutatott példák is tanúsítják, hogy az immobilizált katalizátorok a laboratóriumi kutatásokban nagy népszerűségnek örvendenek, köszönhetően a már tárgyalt előnyös tulajdonságaiknak.

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• B. List, S. Mukherjee, J. W. Yang, S. Hoffmann, Chem. Rev., (2007) 107, 5471.
• F. Cozzi, Adv. Synth. Catal., (2006), 348, 1367.
• Szloszár Alíz, Szilárd hordozós peptid organokatalizátorok szintézise aldehidek aszimmetrikus α-aminálásához, diplomamunka, 2013 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)

ö.s.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Peptid-organokatalizátorok

Miután két bejegyzéssel korábban már beszámoltam a prolin-alapú organokatalízis alapjairól, ma katalizátor fejlesztés következő hullámáról, vagyis a peptid-organokatalizátorokról lesz szó.

A peptidek aminosav monomerekből felépülő, a fehérjéknél rendszerint rövidebb lánchosszúságú kémiai struktúrák. A meghatározott sorrendet követő monomer egységek a szomszédos amino- és karboxil-csoportjuk között savamid kötést (peptidkötés) hoznak létre. Katalizátorkémiai alkalmazásuk annak a felismerésnek az eredménye, hogy a kisméretű, prolin-szerű katalizátorok továbbfejlesztése, módosítása egy adott szint elérése után korlátozott a funkciós csoportok limitált száma miatt. Ugyanakkor, ha olyan moduláris felépítésű molekulákat alkalmazunk katalizátorként, mint a peptidek, akkor az előző akadályon könnyedén túllépve, az építőelemek változtatásával (finomhangolás) kedvező tulajdonságokkal rendelkező katalizátorokat állíthatunk elő. A peptidek mellett szóló érv az is, hogy királis információ tartalmuk nem merül ki az aminosavak aszimmetriájában, hanem másodlagos és harmadlagos szerkezetükből is jelentős királis indukció adódhat. Az utóbbi években számos peptid ill. peptid-szerű organokatalizátort fejlesztettek ki, és megszületett a felismerés, miszerint egyes peptidek a prolin katalitikus tulajdonságait imitálják, sőt túl is mutatnak azon. Alkalmasan tervezett peptidek hatékony organokatalizátorrá válhatnak, egyfajta kompromisszumot jelentve a kisméretű, rigid katalizátor molekulák és az enzimek között.

Az egyik legelső példa a poliaminosavak katalizátorként való alkalmazására, Inoue munkája, aki tiolok konjugált addícióját katalizálta e vegyületekkel az 1970-es évek elején. Közel egy évtizeddel később Juliá és Colonna epoxidációs reakciókban használtak immobilizált poli-l-leucint, mint királis katalizátort. Azóta számos reakcióban sikeresen alkalmaztak peptideket és különböző származékaikat organokatalizátorként. Reymond és List alakított ki először sztereoszelektíven C-C kötéseket peptidkatalizátorokkal. A szekvenciáik közös tulajdonsága, hogy N-terminálisan prolint vagy valamilyen prolin származékot tartalmaznak. Ezekkel az egyszerű di-, tri- vagy tetrapeptidekkel jó termeléseket és közepes enatioszelektivitásokat kaptak aldol és Michael reakciók során. A későbbiekben Tsogoeva és kutatócsoportja hisztidin tartalmú dipeptid katalizátorokat alkalmazott aszimmetrikus aldol és konjugált addíciós reakciókhoz, valamivel magasabb enantioszelektivitásokat elérve, mint elődeik. Ezek az eredmények a legjobb esetben is az l-prolinnal éppen összemérhető értékeket jelentettek. 

Az igazi áttörést a Wennemers által tervezett karboxil oldalláncot is tartalmazó N-terminálisan prolint tartalmazó peptidek jelentették, amelyek eredményesen katalizálták az énamin köztiterméken keresztül lejátszódó aszimmetrikus reakciókat. Ezek a molekulák gyakorlatilag tervezett prolin-mimetikumként foghatók föl, és mind katalitikus aktivitás, mind szelektivitás terén hatékonyabbnak bizonyultak, mint a terület legelterjedtebb katalizátora, a prolin. A Wennemers által képzett Pro-Pro-Asp-NH2 peptidkatalizátor kiváló eredményeket mutatott aszimmetrikus aldol reakciókban, és a d-Pro-Pro-Glu-NH2 szekvencia pedig 1,4-addíciós átalakítások során remekelt. A katalizátorok aktivitásáért a szekunder amin rész felel, míg a szelektivitást a karboxil oldallánc és a peptid másodlagos szerkezete határozza meg. E katalizátorok áramlásos alkalmazási lehetőségeit kutatócsoportunk is vizsgálta.

1. Ábra: Wennemers által tervezett peptid-organokatlaizátorok.

Manapság a peptidkatalizátorok kémiája rohamos fejlődik, számos további szekvenciát fejlesztettek ki oxidációs reakciókhoz, szulfonilálásokhoz, reduktív átalakulásokhoz és rezolválásokhoz egyaránt.

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• B. List, S. Mukherjee, J. W. Yang, S. Hoffmann, Chem. Rev., (2007) 107, 5471.
• H. Wennemers, Chem. Commun, (2011) 47, 12036.
• Szloszár Alíz, Szilárd hordozós peptid organokatalizátorok szintézise aldehidek aszimmetrikus α-aminálásához, diplomamunka, 2013 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)

ö.s.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

A kutatás folytatódik - Erdős Pál Fiatal Kutatói Ösztöndíj

Még 2013. szeptemberében örömmel jelentettem be, hogy elindult a Jedlik Ányos Doktorjelölt Ösztöndíj  pályázat kapcsán a kutatói blogom és az 'Így kutattunk mi' blogom. Azóta eltelt jópár hónap, túl vagyok a doktori védésen, jópár tudományos konferencián, és néhány publikáción. Nem volt egy könnyű időszak, az eredmények a legtöbb esetben nem olyan könnyen jöttek, amint azt mi szerettük volna. A doktori avató után nem sokkal abban a megtiszteltetésben részesülhettem, hogy a Magyary Zoltán Kuratórium támogatásra érdemesnek találta az Erdős Pál Fiatal Kutatói Ösztöndíj a konvergencia régiókban c. pályázati felhívásra benyújtott munkámat. Mivel a Jedlik Ányos Doktorjelölt Ösztöndíj és az Erdős támogatási időszaki között némi átfedés mutatkozott, ezért a Jedlik utolsó három hónapjáról lemondtam, és aláírtam az Erdős ösztöndíj szerződését.

A doktori fokozat megszerzése után nem sok minden változott a kutatómunkám helyszínével kapcsolatban, maradtam egyetemi tanársegédként az SZTE Gyógyszerkémiai Intézetben. A felelősségem picit megnövekedett az oktatással kapcsolatban, és ugyan eddig sem kellett szégyenkeznünk a tudományos munkát végző hallgatók számának tekintetében, de úgy látszik a jövőben még több tehetséges diák fogadására lesz lehetőségünk.

Ami az Erdős pályázat során vállalt kutatás témáját illeti továbbra is az áramlásos kémia vizein fogunk evezni, részben a korábban elkezdett munkát folytatva részben pedig teljesen új perspektívákat nyitva. A szintetikus kémia modern ágazatainak ötvözésével hatékony áramlásos módszereket szeretnénk létrehozni szén-szén és szén-heteroatom kötések kialakítására, ezáltal számos biológiai és gyógyszerkémiai szempontból jelentős vegyület, intermedier és potenciálisan bioaktív anyag előállításának új és fenntartható lehetőségét kívánjuk létrehozni. Első sorban peptid-organokatalizátorokkal elősegített aszimmetrikus átalakítások és átmenetifém-katalizált reakciók (pl.: keresztkapcsolások, 'klikk' kémia) folyamatos áramban történő végrehajtására támaszkodunk, és jelentős hangsúlyt fordítunk összetett kémiai problémák (többlépéses reakciók) áramlásos megvalósításaira is.

E blog hasábjain továbbra is a kutatás módszertanáról és a kutatási területhez kapcsolódó legfontosabb ismeretekről lesz szó. Kutatói blogomat a nemzetikiválóság.hu hasábjain vezetem, ott a kutatási témához kapcsolódó jelentősebb eredményekkel bemutatása fog történni ezután is.

ö.s.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.