TỔNG HỢP HỮU CƠ PHA RẮN TIỂU LUẬN CẦU NỐI BỊ CẮT ĐỨT BẰNG ACID YẾU

Các phản ứng ở đây tương tự như các phản ứng được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ bình thường nhưng điểm đặc biệt là một đầu của chất phản ứng được gắn lên bề mặt của một polymer rắn và bề

MỞ ĐẦU

Tổng hợp hữu cơ pha rắn là kỹ thuật tổng hợp theo đó chất cần tổng hợp

được tổng hợp trên một chất mang rắn (polymeric resin) Các phản ứng ở đây

tương tự như các phản ứng được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ bình thường nhưng điểm đặc biệt là một đầu của chất phản ứng được gắn lên bề mặt của một polymer rắn và bề mặt này dễ dàng bị loại đi ở giai đoạn cuối của sơ đồ tổng hợp

để cho ra chất cần tổng hợp

Ba yếu tố góp phần làm nên sự thành công của tổng hợp hữu cơ pha rắn là: resin, linker, sản phẩm

Kỹ thuật tổng hợp trên pha rắn đòi hỏi một phần của phân tử cần tổng hợp phải được gắn tạm thời trên chất mang thông qua một cầu nối thích hợp Khi việc tổng hợp hoàn tất, việc thử hoạt tính của phân tử hóa chất tổng hợp được nói chung có thể tiến hành khi phân tử vẫn gắn trên chất mang rắn Tuy nhiên, trong

đa số trường hợp, phân tử hóa chất sẽ được cắt đứt khỏi chất mang bằng phương pháp hóa học thích hợp và việc thử nghiệm hoạt tính của hóa chất sẽ được tiến hành trong dung dịch Vì vậy, hóa tính của cầu nối (linker) đóng vai trò trung tâm trong phác thảo kế hoạch tổng hợp

Do đó việc chọn lựa cầu nối phù hợp với quá trình tổng hợp là rất quan

trọng Đề tài này sẽ trình bày về cấu trúc, đặc tính sử dụng và ý nghĩa của các dạng cầu nối bị cắt đứt bằng acid yếu (Mild Acid Cleavable Linkers).

NỘI DUNG

1 Khái quát về linker:

Linker (cầu nối) là một cấu trúc mang hai nhóm chức: một đầu nối bất thuận nghịch với resin, đầu còn lại nối thuận nghịch với phân tử tổng hợp Sự lựa chọn cẩn thận linker cho phép cắt đứt dưới điều kiện thích hợp với độ bền của hợp chất trong thí nghiệm

Tính chất của linker

 Liên kết cộng hóa trị với chất mang rắn

 Độ bền linker ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình tổng hợp

 Nhiều linker là nhóm bảo vệ bắt chước

 Linker được tổng hợp theo nhóm chức mà kết quả theo sự cắt đứt từ chất mang

Cầu nối có thể được xem như nhóm bảo vệ của một trong những nhóm chức của phân tử chất cần tổng hợp Bên cạnh các loại cầu nối cổ điển có thể bị cắt đứt trong môi trường acid hoặc base hoặc dựa trên phản ứng thân hạch, các loại cầu nối mới ngày nay có thể được cắt đứt bằng phản ứng quang hóa, bằng enzime,

hydrogen giải (hydrogenolysis) hoặc bằng kim loại chuyển tiếp.

2 Các dạng cầu nối bị cắt đứt bằng acid yếu (Mild Acid Cleavable Linkers)

Phương pháp cắt đứt cầu nối dùng HF và các acid mạnh khác gây nên hạn chế khi sử dụng, vì: chúng khá nguy hiểm và không thể áp dụng cùng lúc cho quá trình tổng hợp Dù thế, chúng vẫn được chấp nhận sử dụng một cách rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu peptide bởi hiệu suất và tính tinh khiết vượt hơn so với các phương pháp thông thường Vì độ nhạy của cầu nối với việc cắt đứt bằng acid

có liên quan đến tính ổn định của carbocation, do đó việc thêm vào nhóm đẩy điện

tử sẽ làm giảm độ mạnh của acid để cắt đứt cầu nối Chúng ta thấy rằng việc thêm

2.1 Wang Linker

Năm 1973, Wang thiết kế ra cầu nối p-alkoxybenzyl alcohol cho phép cắt đứt

acid peptide khỏi chất mang rắn trong điều kiện dùng acid tương đối nhẹ (ít nhất là

so với acid HF) Peptide cuối cùng được cắt đứt bằng acid trifluoroacetic với điều kiện các vị trí ổn định của chuỗi được các nhóm (Tos, Bn, NO2) bảo vệ Các nhóm

acid kém bền như 2-(p-biphenyl)-2-propyloxy-carbonyl (Bpoc) tiếp sau được dùng

để bảo vệ nhóm amino (được cắt bằng TFA 0.5% trong CH2Cl2), cho phép dùng TFA 50% để cắt đứt chuỗi peptide khỏi cầu nối ở giai đoạn tổng hợp peptide cuối Cùng với sự phát triển hóa học tổng hợp peptide, khuynh hướng nhóm nhạy base như 9-fluore-nylmethyloxycarbonyl (Fmoc) sẽ được thay thế bằng các nhóm Bpoc

mà chỉ cần aicd yếu để cắt đứt, cầu nối 2.1 hiện là chất mang chuẩn trong tổng hợp

acid peptide dùng base yếu Fmoc-amino bảo vệ (Sơ đồ 1) Các ester bị tấn công có

thể bị cắt đứt bằng việc sử dụng TFA 50% trong 30 phút Những điều kiện cắt đứt yếu hiệu quả như thế đã làm cho loại cầu nối này trở nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong SPPS và SPOS

Các nhóm acid carboxylic thường được gắn trên cầu nối Wang bằng các tác nhân ghép cặp như DIC/DMAP, mặc dù phản ứng Mitsunobu cũng đã tham gia

vào một số trường hợp của dạng cầu nối Wang ester 2.2 Cầu nối Wang cũng có thể đơn giản bị chuyển thành chloro 2.3a,79-82 bromo 2.3b, hoặc iodo 2.3c cũng như mesyl 2.3d, tosyl 2.3e, hoặc các dẫn xuất nosyl 2.3f, chủ yếu là các dạng

Merrifield khác nhau (chloromethylpolystyrene resin) của cầu nối Wang (Sơ đồ

2), theo cách này các cầu nối có thể được dùng để gắn các amine Các amine cũng

được gắn lên qua các cầu nối Wang aldehyde 2.4 bằng cách khử amine – một

phương pháp thú vị để điều chế amide bậc 2 sau khi acyl hóa và cắt đứt cầu nối Hanessian đã nghĩ ra một phương pháp thay thế để gắn các alcohol Tác giả này

dùng cầu nối trichlo-roacetimidate được kích hoạt Wang linker 2.5 và xuất alcohol

ra khỏi cầu nối bằng cách dùng TFA 1-10% trong CH2Cl2 Một cách thú vị, thời

gian liên kết của thioether 2.6 được thấy là bền với TFA trong 60h.

Nếu việc gắn các amine là có thể để tạo ra dẫn xuất chất mang 2.3 và 2.4, thì

việc chuyển thành các amides, ureas, carbamates, hoặc sulfonamdne tương ứng cần phải dùng TFA để cắt đứt Kobayashi quan sát việc cắt đứt xảy ra trên

phenylbenzyl ether khi dùng amine 3.1 với acid mạnh như TFMSA, TMSOTf, hay

TFA ở 60 °C (Sơ đồ 3) Tuy nhiên, việc chuẩn bị các amine được thực hiện bằng

cách dùng cầu nối carbamate Carbonylimidazole hoặc p-nitrophenyl carbonate có

thể được dùng như các carbamate trước 2.7 để chuẩn bị cho các amine khác nhau

(Sơ đồ 2) Sự hiện diện của nhóm cho điện tử p-alkoxy có thể sử dụng chỉ với

TFA loãng trong CH2Cl2 cho việc cắt đứt cầu nối

Khi những ester bị kích hoạt như -ketoesters hoặc malonates bị tấn công đến cầu nối Wang và chuyển thành dạng dị vòng, kết quả thấy có các sản phẩm decarboxylation là do sự xuất hiện của acid trong dung dịch và trong quá trình

decarboxylation Vì vậy, xử lí 4.1 bằng TFA và sau đó tăng nồng độ của pyrimidinones và dihydropyrimidinones thu được sản phẩm decarboxylation 4.2 Pyrimidinones 4.4 được nhận thấy là bền hơn và không xảy ra decarboxylation

(Sơ đồ 4).

Chất mang hydroxylamine 5.1 được đưa ra bởi Floyd, hydroxamic acids 5.3

(Sơ đồ 5) hữu ích trong tổng hợp pha rắn, được chuẩn bị bằng cách chuyển chất

mang Wang thành dẫn xuất N-hydroxyphthalimide dùng điện kiện Mitsunobu cho phép giải che nhóm hydrazine Richter đã dùng TFA/iPr3SiH/CH2Cl2 (50:5:45) và

TFA/anisole (9:1) làm điều kiện để cắt đứt cầu nối 5.2 và chú ý rằng các

hydroxamates có thể bị thủy phân thành các acid tương ứng nếu có sự tham gia của nước

Liên kết Polymer- phosphonates 6.1 được chuẩn bị trên cầu nối Wang và

dùng để tổng hợp R-aminophosphonates khác nhau và dẫn xuất phosphonic acid

6.2 bị cắt đứt bằng việc dùng TFA 10% trong CH2Cl2 trong 10 phút Chuẩn bị TLC cho ra sản phẩm có hiệu suất 46-90% Sau quá trình chuyển đổi hóa học,

phenyl phosphate 6.4 được giải phóng khỏi cầu nối được bảo vệ 6.3 bằng các xử lí

với hỗn hợp TFA/CH2Cl2/H2O (30:65:5) (Sơ đồ 6).

Hydroxymethylphenoxyacetic acid HMPA 7.1 và

hydroxymethyphenoxypropionic acid HMPP 7.2 thể hiện tính acid như nhau với cầu nối Wang, dù việc thêm nhóm methylene vào HMPP 7.2 làm thay đổi điện

tích của p-alkoxybenzyl ester nên độ acid để cắt đứt tăng lên 2-3 lần so với HMPA

(Sơ đồ 7) TFA (20%) trong CH2Cl2 trong 2h là đủ để cắt đứt 96% một peptide ester so với 42% của cầu nối HMPA Dung dịch TFA 95% được dùng để cắt đứt

polyamines khỏi carbamate 7.3 Dẫn xuất p-Nitrophe-nyl carbonate của 7.4 và succinimidyl carbonate 7.5 có thể được dùng để gắn lên chất mang rắn Một dạng aldehyde 7.6 có thể chuyển tải thành amine bằng cách acyl hóa cho phép khử

amine và tổng hợp thành amide bậc 2

Chao đã phát triển cầu nối 8.1 dựa trên tính ổn định của carbocation bằng

nhóm -trialkylsilyl (Sơ đồ 8) Phản ứng tách -Elimination trung hòa tạm thời

cation cho ra dẫn xuất styrene bền 8.3 Những cầu nối như thế gọi là cầu nối SAL 8.1 (silyl amide linkers) cho ra hiệu suất được cải thiện ở C cuối tryptophan

amides hơn các cầu nối thông thường, dù tạp chất cần phải được loại bỏ vì styrene nhạy với phản ứng proton hóa

2.2 Cầu nối SASRIN

Cầu nối SASRIN 9.1 (superacid sensitive resin) được liên kết tới chất mang

rắn qua một liên kết ether được mô tả lần đầu bởi Mergler Việc thêm một hay nhiều nhóm methoxy vào cầu nối Wang làm cho những cầu nối này kém bền hơn với acid vì cation ổn định trong suốt quá trình cắt đứt Cầu nối 2,4-dialkoxybenzyl

alcohol (Sơ đồ 9) thích hợp để gắn vào các acid mà có thể bị cắt đứt với TFA 1%.

Việc chuẩn bị các dẫn xuất chloride 9.2 đã được báo cáo Hydroxamic acids bị cắt

đứt TFA 5% trong CH2Cl2 trong 15 phút khi sử dụng chất mang 9.3.

Thực hiện thay thế o-methoxy trên cầu nối Wang thực tế được đề xướng bởi

Sheppard, ông đã phát triển cầu nối không tải 9.4 để cắt đứt các peptide acid vẫn

mang nhóm bảo vệ Boc/tBu định hướng cho sự ngưng tụ phân đoạn Việc thêm vào 3 nhóm methylene thay cho 1 nhóm methylene giữa nhóm phenoxy và chức acid cho ra cầu nối không tải hydroxymethylmethoxyphenoxy butyric acid

(HMPB) 9.5, làm tăng tính acid yếu vì được oxy bổ sung điện tử.

Trong một báo cáo chi tiết, Albericio lưu ý sau khi giải che nhóm Fmoc và

acyl hóa cầu nối không tải 9.6, xử lí với TFA/CH2Cl2 (70:30) cho ra sản phẩm amide 24% và 80% nếu xử lí với TFMSA/TFA/CH2Cl2 (1:9:10) Tuy nhiên, các amide bậc 2, sulfonamide, urea, và dẫn xuất carbamate thu được rất êm dịu (5-30% TFA/CH2Cl2) khi sử dụng cầu nối nhạy acid methoxy benzaldehyde

(AMEBA) 9.7 Một lần nữa, những điều chỉnh nhỏ trên chuỗi phenol oxygen alkyl cho kết quả chuyển dịch quan trong sự nhạy cắt đứt Cầu nối 9.7 được chức hóa

bằng cách khử amine, cho phép sự tác kích của những amine khác nhau Việc acyl hóa/ việc kích hoạt cho phép cắt đứt Vì sự cắt đứt được chọn lọc, nên độ tinh khiết cũng cao khi các amine không phản ứng vẫn nằm trên chất mang

2.3 Cầu nối PAL

Cầu nối không tải peptide amide (PAL) 10.1 được mô tả bởi Albericio, nó cơ

bản mang hai nhóm methoxy ở vị trí ortho của cầu nối Wang và một nhóm bảo vệ

Fmoc benzylamine ở vị trí của nhóm chức hydroxymethyl Dẫn xuất formyl 10.2

được gọi là BAL có khả năng gắn với những amine khác nhau bằng cách khử amine trên chất mang và cho ra các amine sau khi acyl hóa kích hoạt và cắt đứt Điều đó cũng cho phép tổng hợp C cuối trên các peptide đã được điều chỉnh cũng như đóng vòng peptide Dù alkylamines không thường bị cắt đứt khỏi cầu nối PAL, thì aniline lại bị cắt đứt bởi TFA/H2O/DMS (90:5:5) Cầu nối peptide acid

như thế được gọi là HAL 10.3, bị cắt đứt với 0.05-0.1% TFA trong CH2Cl2 sau khi

đã lọc tạp chất Một dẫn xuất hydroxylamine được THP bảo vệ 10.4 của cầu nối

PAL được Patel sử dụng để tạo ra hydroxamic acids sau khi giải che và cắt đứt

bằng TFA 50% Tuy nhiên, từ những cầu nối (Sơ đồ 10) có thể kết luận hiệu suất

và độ tải kém vì chướng ngại lập thể do các nhóm methoxy gây ra

2.4 Cầu nối Rink

Sự giới thiệu về nhóm alkoxy trên hệ thống benzhydryl lần đầu được

Walter báo cáo, ông đã dùng cầu nối p-methoxybenzhydrylamine 11.1 và nhận

thấy hiệu suất cắt đứt với HF với C cuối của phenylalanine cao hơn so với việc dùng BHA Brown hiện tại báo cáo cùng một loại cầu nối và chỉ định nó là

MAMP (cầu nối R-methoxyphenyl) 11.2 và dùng nó để chuẩn bị amide bậc 2 sau

khi phản ứng với amine bậc 1 khác và aniline trước khi acyl hóa Tác giả sử dụng TFA loãng (CH2Cl2/TFA/H2O (75:23:2)) để cắt đứt hợp chất khỏi chất mang Việc

có nhiều nhóm alkoxy dẫn đến loại cầu nối Rink nổi tiếng 11.3 được giới thiệu vào

năm 1987 Đó là 4-(2′,4′-dimethoxyphenyl-hydroxymethyl) phenoxymethyl

polystyrene 11.3 cho phép việc chuẩn bị peptide acids dưới điều kiện cắt đứt rất

yếu (10% AcOH trong CH2Cl2 hoặc 0.2% TFA trong CH2Cl2) Tác giả chú ý với những acid nhạy như thế việc dùng các xúc tác ghép cặp như HOBt là không thể nếu không có DIPEA làm đệm Trong công trình đầu tiên, Rink đã tải cầu nối bằng cách bẫy cation gián tiếp (được tạo ra bằng cách proton hóa benzhydryl

Với nồng độ TFA thấp (10%) hoặc thêm trialkylsilane đã lọc tạp chất được khuyên không nên dùng để tránh một vài trường hợp phá vỡ thời gian liên kết của

benzyl ether Cầu nối không tải hai chức Knorr 11.7 cho phép gắn vào chất mang

rắn qua một liên kết amide, làm cho cầu nối ít bị phân hủy Tuy nhiên, với TFA ở nồng độ cao hơn là điều kiện để cắt đứt amide (thường 95% trong CH2Cl2)

Bernatowicz đã so sánh phản ứng của cầu nối Rink amide AM hay RAM 11.8 (thu được bằng cách ghép cặp cầu nối không tải Knorr 11.7 trên chất mang aminomethyl polystyrene) với PAL 10.1 và nhận thấy rằng quá trình bán rã của

Fmoc-Val-NH2 trên chất mang so với TFA/phenol (95:5) là 9 và 4 phút theo thứ tự

2.5 Cầu nối indole

Estep đã thiết kế cầu nối 12.1 dựa trên 3-formylindole có sẵn Cầu nối này

cho phép các amine gắn kết bằng cách khử alkyl, có thể phản ứng với chloroformates, isocyanates, sulfonyl chlorides, hoặc acids được cắt đứt sau đó bằng TFA trong CH2Cl2 (2-5%) (Sơ đồ 12).

2.6 Cầu nối Trityl

Cầu nối trityl (Sơ đồ 13) được phát triển lần đầu bởi Leznoff và Fre´chet Cả

hai tác giả đều nhắm đến việc sử dụng cầu nối đặc biệt này tấn công chất mang

là một năm sau đó cũng cùng nhóm tác giả này đã đề ra việc điều chế các cầu nối trityl thay thế và sự gắn kết của acid amino bằng ester mà chỉ sử dụng DIPEA

Dẫn xuất 4-chloro 13.2 ít ảnh hưởng hơn một chút nếu so với 13.1, trong khi nếu nhóm chloro ở vị trí thứ 2 (cầu nối 2-chlorotrityl 13.3) thì ester sẽ bền hơn so với 13.1 Hiện tại, Barlos đã so sánh 4 loại cầu nối trityl khác nhau và xác định độ nhạy acid tăng lên theo thứ tự -chlorotrityl 13.3, trityl 13.1, 4-methyltrityl 13.4 và 4-methoxytrityl 13.5 Một hỗn hợp AcOH/TFE/CH2Cl2 (1:1:8) là đủ để cắt đứt

diễn ra cho tất cả các loại cầu nối, và hexafluoro-2-propanol trong CH2Cl2 (1:4)

cũng thấy là có hiệu quả với 2-chlorotrityl 13.3 Mặt khác, liên kết ester với trityl 13.1 hay 4-chlorotrityl 13.2 đều rất nhạy với acid phân cắt như HOBt Để tránh

mất đi chuỗi peptide, việc thêm base vào giai đoạn tiến hành ghép cặp thường là

cần thiết Vì những lí do đó, cầu nối 2-chlorotrityl 13.3 được chọn lựa vì tính ổn

định cho quá trình ghép cặp và chắc rằng nó là một chọn lựa cho việc đưa ra amine bằng cách dùng acid xử lý Nó cũng tương thích cho việc điều chế chuỗi peptide được bảo vệ một phần TFA (1-50%) trong CH2Cl2 với TIS 5% là những điều kiện thông dụng nhất cho việc cắt đứt để xuất các nhóm alcohol, acid hydroxamic, amine, thiol, và acid

Những dẫn xuất khác của cầu nối trityl cũng đã được chuẩn bị (Sơ đồ 14).

Cầu nối trityl có thể thu được như một cầu nối không tải qua dẫn xuất 4-carboxy

của nó chloro 14.1 và fluoro 14.2 được chứng minh là thuận tiện như

2-chlorotrityl thông thường với việc cắt đứt được thực hiện với AcOH/TFE/CH2Cl2

(1:1:8) hoặc 0.1% TFA trong CH2Cl2 Fukuyama đã sử dụng một liên kết ether để

tấn công vào dẫn xuất phenol 14.3 của ông trên chất mang Merrifield Cầu nối 9-phenylfluoren-9-yl-based 14.4 và 14.5 được thấy tính acid ổn định hơn trityl 13.1.

Để cắt đứt aniline và alcohol cần TFA 20%, còn với amine là 20-95% Tương tự

với cầu nối 4-carboxylic 14.6 được thấy có khả năng chống lại TFA và cần một

hỗn hợp hệ TFMSA 30% trong TFA để thực hiện cắt đứt