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Künstliche Peptide aus beta-Aminosäuren welsch.pdf · Seminar zum OCF-Praktikum WS 03/04 Frank...

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Künstliche Peptide aus b -Aminosäuren Seminar zum OCF-Praktikum WS 03/04 Frank Welsch
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Künstliche Peptide aus β-Aminosäuren

Seminar zum OCF-PraktikumWS 03/04

Frank Welsch

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07.01.2004 Künstliche Peptide aus ß-Aminosäuren Frank Welsch

2

Übersicht

• Struktur und Nomenklatur von ß-Aminosäuren• Synthese von ß-Aminosäuren• Methoden zur Peptidsynthese

– Schutzgruppen– Aktivierung– Strategien in der SyntheseSynthese eines β2 / β3-Peptides– Mechanismen während der Synthese

• Struktur von ß-Peptiden• Anwendungen• Literatur

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3

Struktur und Nomenklatur von Aminosäuren α-Aminosäuren

• Drehbarkeit um zwei Bindungen• Variation von zwei Substituenten

β-Aminosäuren

• Drehbarkeit um drei Bindungen • Variation von vier Substituenten• ⇒ größere Vielfalt an Konstitutions-

und Konfigurationsisomeren

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07.01.2004 Künstliche Peptide aus ß-Aminosäuren Frank Welsch

4

Synthese von ß-Aminosäuren - β3 -AminosäurenHomologisierung von α-Aminosäuren mit Hilfe der Arndt-Eistert Reaktion

XNH

O

OH Boc2O

Py, DMPA0°C

XNH

O OtBuR1 H

O

HR1

O

CH2N2/Et2O

-CO2 / tBuOHX

NH

O

CHN2

HR1 C6H5COOAg

1,4-Dioxan / H2Orefl. 70°C

-N2

XNH

R1 H

OH

O

NNN+N

OtBu

O

O

OOtBu

O

OOtBu

OOtBu

I

tert. Butoxycarbonyl-4-dimethyl-amoniumpyridinium-tert. -butyl-carbonat

XNH O

O-HR1

XNH O

OHHR1Py

XNH O

OHR1

O

O

CH2IN2

-CO2 / tBuOHXNH O

HR1

NN

H

Diazoketon

XNH

O

HR1H

-N2

C6H5COOAg

Acylcarben

Wolff-Umlagerung

XNH

HR1 O

Keten

(HNu)

H2O

Alkohol (Y-OH)

XNH

HR1O

OH

XNH

HR1O

OY

89 - 95%

Vasanthakumar, 2002

Seebach, 2003

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5

Synthese von ß-Aminosäuren - β2 -Aminosäuren

R

O

Cl

R = Me2CHCH2

OHN

O

PhPh

nBuLi

THF/0°C/ -Cl-ON

O

PhPh

O

RON

O

PhPh

OH

R

NEt3/TiCl4CH2Cl2 0°C

ON

O

PhPh

O

R

Ti

ClNH

O

OPhON

O

PhPh

O

R

NH

Z

Z alt. Boc

H2O2/LiOH

THF/H2ONH

Z

O

OH

R

Diastereoselektive Amidomethylation eines Ti-Enolates gebildet aus einem acyliertenOxazolidinon-Auxiliar

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6

Peptidsynthesen – Schema

Carbonylkomponente Aminokomponente

Schutz am C-Terminus

Schutz am N-Terminus

Aktivierung am C-Terminus

H2N

O

OH

R1 R2

R3 R4H2N

O

OH

R1 R2

R3 R4

Kupplung am N-Terminus

Zusätzlich evtl. Schutz von funktionellen Gruppen in der Seitenkette

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7

Peptidsynthese - Synthesemethoden

Flüssigphasensynthese (SPS)• Synthese in Lösung• Variable Wahl der Schutzgruppen• Aufbau des Peptides vom N- zum

C-Terminus• Vorteile:

– eindeutiger Verlauf der Synthese– Möglichkeit der Reinigung nach

jedem Kupplungsschritt(Umkristallisation)

– Reaktionskontrolle (NMR)• Nachteile:

– geringe Ausbeute– hoher zeitlicher Aufwand– Nicht automatisierbar

Festphasensynthese (SPPS)• Synthese an suspendierten PS-Kugeln• Boc- und Fmoc-Variante• Aufbau des Peptides vom C- zum

N-Terminus• Vorteile:

– höhere Ausbeuten ( wegen quantitativenÜberschuß)

– Abtrennung der Edukte durch Filtration und Auswaschen des Harzes

– automatisierbar• Nachteile:

– Umsetzung nicht quantitativ⇒ Bildung von Fehlsequenzen⇒ Aufreinigung durch aufwendige

Analytik

⇒ Kombination beider Synthesemöglichkeiten zum Erreichen optimaler Ergebnisse

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8

Peptidsynthese - Schutzgruppen

N-Terminale Schutzgruppen C-Terminale Schutzgruppen

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9

Peptidsynthese – Aktivierungsmethoden am C-Terminus

Carbodiimid-Methode (Sheehan,Hess 1955)

R

O

OH

NCN

R1

R2 R

O

O

N R1

NHR2

NH2R

O

R1HN NHR2

R1;R2=

Nachteil: - Racemisierung

- wenn ist das Produkt der Umlagerung Dicylohexylharnstoff⇒ wasserunlöslich

Lösung: R1=

R2= (CH2)3 N(CH3)2 HCl

⇒ Produkt wasserlöslich

DCC

EDC

Kupplungsprodukt

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Peptidsynthese – Probleme bei der Aktivierung

Retention Epimerisation

Bei zu starker Aktivierung am C-Terminus einer an der ß-Position einfach substituierten Carbonylkomponente

⇒ Bildung von Dihydrooxazonen ⇒ Racemisierung

Racematß3-Aminosäure: R‘ = Hß2-Aminosäure: R = H

Y = Peptidrest bzw. Rest der jeweiligenSchutzgruppe

Bsp.: Boc-Schutzgruppe: Y= tBu-O

NH

X

O

Y

O R

R'

N X

O

Y

O R

R'

N

OY

R

R'

O

N

OY

R

R'

O

N

OY

R

R'

O

IB IB HB

H2N-AAH2N-AA

NH

NH

OO R

R'

NH

NH

O

Y

O R

R'

Dihydrooxazinon

AA AAY

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11

Peptidsynthese – Verhinderung der Racematbildung

1. Zusatz von HOBt, HOOBt oder HOSu zu den Aktivierungsreagenzien ⇒ Bildung von Aktivestern mit geringer aktivierender Wirkung auf das Carbonyl C-Atom

NN

N

OHN

NN

OHO

N

O

O

OH

HOBt HOOBt HOSu

2. Aktivierung nach der HBTU/ HOBt/ DIPEA-Methode

R O-

O

N

N

N

NMe2Me2N

O-

NN

N

O-

R O

O

Me2N NMe2

HOBt (Überschuß)

R

OO

N

NN

O

NMe2Me2N

PF6-

Racemisierung

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Allgemeine Vorgehensweise und Strategien bei der SPPS

Boc-Strategie

• Entfernung der Boc-Schutzgruppe nach jedem Kupplungsschritt mit Trifluoressigsäure

• Abspaltung des Peptides und der Seitengruppen mit HF (gasförmig)

⇒ Prinzip: Wechsel zwischen verschiedenen Säurestärken

⇒ Problem: Verwendung spezieller Geräte

Fmoc-Strategie

• Entfernung der Fmoc-Schutzgruppe nach jedem Kupplungsschritt mit Piperidin

• Abspaltung des Peptides und der Seitengruppen mit Trifluoressigsäure

⇒ Prinzip: Mehrmaliger Wechsel zwischen saurem und basischen Milieu während der Synthese

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Peptidsynthese – Synthese eines β2 / β3-Peptides

H2N NH

NH

NH

NH

NH

NH

NH

NH

OH

O O O O O O O O OPh Ph

NH2 NH2

Ph

All-(S)-H-β3-HPhe-β2-HVal-β3-HPhe-β2-HLeu-β3-HLys -β2-HLeu-β3-HLys-β2-HLeu-β3-HPhe-OHD C B B A

D: β3-Phe C: H-β2-HVal-β3-HPhe-OH B: H-β2-HLeu-β3-HLys-OH A: H-β2-HLeu-β3-H Phe-OH

H-β2-Val-OH H- β3-Phe-OH H-β2-Leu-OH H-β3-Lys-OH H-β2-Leu-OH H-β3-Phe-OH SPS

SPPS

H2N NH

O OPh

OH H2N NH

OH

O OPh

H2N NH

OH

O O

NH2

H2N OH

OPh

H2N

O

H2N

OPh

OHOH H2N

O

OH H2N OH

O

NH2

H2N

O

OH H2N

OPh

OH

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Peptidsynthese – Synthese der Dipeptide A und B (SPS)

1. Entschützen der Aminokomponente

NH

Boc

PhO

OBn

H+

NH

PhO

OBn

O+

O

H

NH

PhO

OBn

O+

O

H

NH

PhO

OBn

O

O

H

H2N

PhO

OBn

TFA / CH2Cl2

- CO2 / -H+-

A.1

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15

Peptidsynthese – Synthese der Dipeptide A und B (SPS)

2. Aktivierung der Carbonylkomponente und Kupplung

Analog: Bildung des Dipeptides B

82 %

70%NH

Boc

O

OH

N

N

R1

R2

NH

Boc

O

O

NR2

NH

R1

Acylisoharnstoff

HOBt

OR2HN NHR1

NH

O

ON

NN

PhO

OBn

A.1

A.1 EDC/HOBt/NEt3CHCl3 / 0°C N

H

Boc

O

NH

PhO

OHNH

Fmoc

O

NH

1. H2/Pd

2. Fmoc-OSn

EDC: R1= -C2H5

R2= -(CH2)3-N(CH3)2 . HCl

NN

N

-O

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Peptidsynthese – Synthese des Dipeptides C (SPS)

ZNH

OMe

O

NHBoc

H2/Pd

H2N OMe

O

NHBoc

C.1

ZNH2

OMe

OC.1/EDC/HOBt/NEt3

CHCl3/0°CZ

NH

NH

OMe

O O

NHBoc

61 %

LiOH/H2O/THF

ZNH

NH

OH

O O

NHBoc

quant.

1.H2/Pd

2. Fmoc-OSuFmoc

NH

NH

OH

O O

NHBoc

92 %

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Spezielle Vorgehensweise bei der SPPS des β2 / β3-Peptides

Unterschiede zur Synthese von α -Peptiden:

• Erhöhte Neigung der β-Peptide zur Bildung

stabiler sek. Strukturen

⇒ Einfluss auf Kupplung-/ Entschützungsreaktionen

und Verwendung von Dipeptiden als Kuplungsbau-

steine

• Aufwendig (zeitlich, finanziell) hergestellteDipeptide

⇒ Verwendung von möglichst geringen Mengen

• Unterschiedliches Racemisierungsverhaltenvon β2 / β3-Aminosäuren

⇒ Verwendung von β2 / β3-Dipeptiden; nichtβ3-/ β2 Peptiden

Ausbeute: 82%; Reinheit: 95 %

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Struktur von β- Peptiden - Substituenteneinfluß

NH

R1

R2

R3

R4

O

3 2

all-(S)-Konfiguration ⇒ linksgängige Helix ( C-Terminus → N-Terminus)all-(R)-Konfiguration ⇒ rechtsgängige Helix ( C-Terminus → N-Terminus)

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19

Struktur von β- Peptiden - Helices

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Anwendung von β-Peptiden

• Synthese von Wirkstoff-Nachahmungen aus β-Peptiden (z.B. Hormone)

⇒ Übertragung der Stabilität gegenüber protolytischem und enzymatischem Abbau der β-Peptide auf den Wirkstoff

⇒ Veränderung der Verabreichungsform des Wirkstoffs (Tablette statt Spritze)

• Synthese von antibakteriellen β-Peptiden

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07.01.2004 Künstliche Peptide aus ß-Aminosäuren Frank Welsch

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Literatur

Artikel:

• Cheng, R.P.; Gellman, S.H.;DeGrado, W.F. Chem. Rev. 2001,101, 3219 – 3232• Arvidsson, P.I.; Franckenpohl, J.; Seebach D.; Helv. Chim. Ac.; 2003; 86, 1522 – 1553• Vasanthakumar G.; Basanagoud, P.S.;J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2002, 2087 - 2089• Seebach, D.; Matthews, J.L.; Chem. Commun., 1997, 2015 – 2025

Bücher:

• Reaktionsmechanismen; R. Brückner; Spektrum Verlag; 2. Auflage 2003• Naturstoffchemie; Nuhn P. ;Wissenschaftl. Verlagsgesellschaft; 2. erw. Auflage


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