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Künstliche Peptide aus β-Aminosäuren
Seminar zum OCF-PraktikumWS 03/04
Frank Welsch
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
07.01.2004 Künstliche Peptide aus ß-Aminosäuren Frank Welsch
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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
07.01.2004 Künstliche Peptide aus ß-Aminosäuren Frank Welsch
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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
07.01.2004 Künstliche Peptide aus ß-Aminosäuren Frank Welsch
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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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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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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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Peptidsynthese - Schutzgruppen
N-Terminale Schutzgruppen C-Terminale Schutzgruppen
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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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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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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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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
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