출처: 비 M. 동과 다이앤 르, 캘리포니아 대학, 어바인, 캘리포니아 화학학과
메리필드의 고체 상 합성은 반응성 분자가 고체 지지에 묶여 있고 원하는 화합물을 형성하기 위해 연속적인 화학 반응을 겪는 노벨상 수상 발명품입니다. 분자가 고체 지지체에 묶여있을 때, 과잉 시약 및 부산물은 불순물을 씻어서 제거 할 수 있으며, 표적 화합물은 수지에 묶여 있습니다. 구체적으로, 우리는 이 개념을 보여주기 위하여 고체 상 펩티드 합성 (SPPS)의 예를 선보일 것입니다.
고체 상 합성은 분자의 합성을 간소화하는 데 사용되는 방법입니다. 그것은 종종 결합 화학 (시간의 짧은 기간에 분자의 많은 수를 준비하는 데 사용되는 기술), 정화의 용이성으로 인해 화합물의 라이브러리를 생성하는 데 사용되는, 전반적인 화학 합성. 고체 상 합성은 전형적으로 수지의 사용을 포함; 비용해성 폴리머 계열 소재로, 사전 기능화되어 시작 건물 블록이 쉽게 결합할 수 있다. 빌딩 블록은 일반적으로 수지에 추가되면 보호되며, 용액(그림1)에서원하는 빌딩 블록으로 쉽게 보호 해제및 처리될 수 있다. 원하는 분자가 합성되면 수지에서 쉽게 갈라질 수 있습니다.
견고하기 때문에, 고체 상 합성은 핵산, 올리고당, 그리고 가장 일반적으로 펩타이드를 합성하는 데 사용되어 왔다. 1963년 로버트 브루스 메리필드에 의해 발견되고 보고된 SPPS는 펩티드 라이브러리를 생성하는 가장 널리 사용되는 방법이 되었습니다. 메리필드는 1984년 SPPS 발명으로 노벨상을 수상했다. SPPS는 쉽게 Fmoc (염기 민감성) 또는 Boc (산 에 민감한)N-아미노산에 대한 보호 그룹을 활용하여 짧은 시간에 펩티드 라이브러리를 구축할 수 있습니다. HBTU (커플링 제) 및 i-Pr2EtN(base)은 다른 아미노산과 결합하기 위한 아미노산의 C-종산을활성화한다. Fmoc 보호 그룹은 4-메틸피프리딘에 의해 제거될 수 있으며, Boc 보호 그룹은 트리플루오로아세트산과 같은 강한 산에 의해 제거될 수 있다. 이 실험에서는 디펩타이드의 합성을 통해 SPPS를 시연할 것입니다. 우리는 카이저 테스트를 사용할 것입니다, 기본 아민의 존재를 테스트하는 질적 방법, 반응의 진행 상황을 모니터링.
그림 1. 고체 상 펩티드 합성(SPPS)의 개념.
1. 수지로드
2. Fmoc 그룹의 보호 해제
3. 카이저 테스트 수행
4. 다음 빌딩 블록 커플링
5. 수지에서 펩타이드를 찢어
6. 펩타이드의 강수량과 나는 고양
고체 상 합성은 용해성 물질에 묶여있는 동안 제품을 합성하는 방법입니다.
고체 상 합성은 펩티드, 핵산 및 올리고당과 같은 생물학적 올리고머 및 폴리머를 생산하는 데 종종 사용됩니다. 이 분자는 단량제에게 불린 더 작은 분자 서브유닛의 사슬로 이루어지고 있습니다. 단량체를 올바른 순서로 추가해야 하므로 올리고머 또는 폴리머를 합성하는 데는 여러 단계가 필요합니다.
다단계 신디사이저의 문제점은 중간 제품이라고불리는 각 단계의 안정적인 제품의 정제 및 격리가 전체 수율을 감소시키는 것입니다. 고체 상 합성에서 중간 제품은 합성 을 통해 고체 지지에 묶여 있습니다. 이를 통해 솔루션 상 시약, 용매 및 부산물을 세척할 수 있으므로 각 중간 제품을 단계 간에 정화하고 격리할 필요가 없습니다.
이 비디오는 고체 상 펩티드 합성을 위한 절차를 설명하고 화학에 있는 고체 상 합성의 몇몇 응용을 소개할 것입니다.
고체 상 합성에서 분자는 반응의 순서에서 고체 지지체에 합성됩니다. 예를 들어, 올리고머 또는 폴리머는 최종 제품을 형성하기 위해 한 번에 하나의 단조량체를 합성합니다. 성장하는 올리고머 또는 폴리머는 시약과의 지지에서 분리또는 갈라지때까지고체 지지에 강하게 묶여 있습니다.
각 단조량은 폴리머 체인의 일부로 적어도 두 개의 결합 부위가 있어야 하지만 단조가 올바른 원자에 결합되도록 한 번에 하나의 바인딩 사이트만 사용할 수 있습니다. 이것은 합성의 하나 이상의 단계 도중 반응하지 않는 기능 성 단인 보호 단으로달성됩니다. 결합 부위는 분자를 특정 시약으로 처리하여 보호 그룹을 반응성 기능 그룹으로 변환함으로써 복원되거나 보호해제됩니다.
고체 상 합성을 시작하기 위해, 시작 재료는 유일하게 사용 가능한 결합 부위에 특별히 설계된 수지 또는 용해성 폴리머에 묶여 있다. 그런 다음, 바운드 시작 재료는 체인에서 두 번째 단조량의 결합을 허용하도록 보호 해제됩니다. 다음으로, 단량체 간의 결합을 용이하게 하기 위해 결합 제과 함께 체인내의 두 번째 단조량의 솔루션이 추가됩니다.
두 번째 단조량체가 시작 재료에 결합되면, 생성된 희미한 중간 생성물은 보호해제됩니다. 이 과정은 표적 올리고머 또는 폴리머가 형성될 때까지 반복된다. 이 제품은 고체 지지대에서 정제, 격리 및 분석할 수 있는 솔루션으로 갈라집니다.
고체 상 합성은 종종 아미노산의 체인인 펩티드의 합성에 사용됩니다. 아미노산은 아민 군, 카복실 그룹, 대체, 또는 ‘사이드 체인’을 가지고 있습니다. 아민은 처음에 보호됩니다. 일단 보호해제되면, 아민은 다음 아미노산의 카복틸 그룹과 펩티드 결합을 형성한다.
이제 고체 상 합성의 원리를 이해하게 되었으므로, 고체 상 펩티드 합성을 위한 절차를 거치도록 합시다.
시술을 시작하려면, 100mL 수동 펩타이드 합성 용기에 폐기물수신 플라스크를 연결한다. 그런 다음 2 클로로트리틸 염화물 수지 0.360 g을 용기에 넣습니다. 질소 가스 라인을 선박 사이드암에 연결하고 진공 선을 톱니 모양의 호스 어댑터에 연결합니다.
수지에 20mL의 디메틸포르마미드를 추가하고 수지 구슬이 질소 가스의 흐름 하에서 30분 동안 팽창할 수 있도록 합니다. 그런 다음 진공을 적용하여 용매를 배출합니다.
DMF 10mL, Fmoc 보호 아미노산 1.6mmol, N,N-이소프로틸레틸레틴 2.5mL를 용기에 넣습니다. 용액을 혼합하는 질소 가스 아래의 거품은 보호된 아미노산을 수지에 15분 동안 적재합니다.
진공 상태에서 용매를 제거하고 두 번째 로딩을 수행합니다. 용매를 제거한 후, DMF의 10mL 부분에서 적재된 수지 비드를 세 번 교반하여 각 세척을 수신 플라스크로 배출한다.
다음으로, DMF에서 4-메틸피프리딘의 20% 용액의 로드된 구슬 10mL에 추가한다. Fmoc 그룹을 제거하기 위해 15 분 동안 혼합물을 거품.
용매를 빼내고 보호 방지 절차를 반복하십시오. 전과 같이 로드된 수지세를 세 번 씻고 빼내십시오. 다음 단계에 대비할 때까지 구슬을 용매 아래에 저장합니다.
로드된 화합물이 완전히 보호 해제되었는지 확인하기 위해 두 개의 테스트 튜브에서 각 Kaiser 테스트 솔루션의 1~2방울을 제거합니다.
테스트 튜브에 적재된 구슬을 몇 개 놓고 두 튜브를 오일 욕조에 110도로 가열합니다. 수지 혼합물이 진한 파란색에서 보라색으로 변하면 보호가 완료되어 혼합물에 아민 그룹의 존재를 나타냅니다.
커플링 단계를 시작하려면 먼저 N2 가스의 흐름하에서 10mL의 NMP로 구슬을 세척하십시오.
이어서, NMP 10mL, 다음 Fmoc 보호 아미노산의 1.6mmol, 커플링 에이전트 HBTU의 1.6 mmol, 및 2.5 mL의 DIPEA를 로드된 수지에 추가한다.
30 분 동안 수지 혼합물을 통해 N2 가스를 거품 한 다음 용매를 배출하십시오. 이전과 마찬가지로 DMF의 10mL 부분으로 구슬을 세번 세척하고 배출하십시오.
카이저 테스트를 반복합니다. 구슬과 용액이 노란색으로 바뀌면 결합이 성공적으로 발생하여 아민 그룹이 존재하지 않는다는 것을 나타냅니다.
다음으로, DMF에서 20% 4메틸피프리딘으로 새로운 Fmoc 그룹을 갈라내고 DMF의 10mL 부분으로 구슬을 씻는다. 표적 펩타이드에서 남은 각 아미노산에 대한 커플링 및 보호 해제를 반복한다.
마지막 아미노산이 보호해제되고 수지 비드가 세척된 후 펩타이드 골짜기 용액40mL를 추가하여 펩티드 제품을 수지로부터 분리한다.
3 시간 동안 수지 혼합물을 통해 질소 가스를 거품한 다음 수신 플라스크를 교체하십시오. 수지 혼합물에서 진공 상태에서 새로운 수신 플라스크로 용액을 전달합니다.
최종 생성물을 생성하려면 회전 증발기로 용매를 제거합니다.
고체 상 합성은 생물학과 화학에 널리 사용됩니다. 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.
고체 상 합성은 에너지 저장과 같은 중요한 생물학적 역할을 가진 간단한 설탕 단량제의 짧은 사슬인 올리고당오리에 많은 새로운 합성 통로를 열었습니다. 펩티드 결합과는 달리 설탕 간의 각 결합에는 스테레오 센터가 포함되어 있습니다. 올리고자카라이드를 합성하려면 단조가 올바른 순서에 있어야 할 뿐만 아니라 채권도 올바른 입체화학을 가져야 합니다. 고체 상 합성 기술은 오늘날 자동화될 수 있을 정도면 충분히 정제된 매우 스테레오선택적 공정에 의해 각 단조량에 결합하도록 개발되었습니다.
고체 상 합성은 결합 화학에대한 일반적인 접근법이며, 이는 단일 합성 과정에서 화합물의 많은 변종을 합성하는 관행입니다. 로드된 수지는 다른 단량체 또는 분자와 반응하기 위해 부분으로 쉽게 분할될 수 있습니다. 각 반응 후, 부분은 세척및 재결합된다. 이는 원하는 제품 수가 생성될 때까지 반복됩니다. 이 기술은 제약 연구에서 특히 유용, 그것은 새로운 화합물을 생성 하거나 분자의 넓은 배열 화합물의 반응성을 평가 하는 데 사용할 수 있습니다.
당신은 단지 고체 위상 합성에 JoVE의 소개를 보았다. 이제 고체 상 합성의 기본 원리, 고체 상 펩티드 합성 절차 및 유기 화학에서 고체 상 합성이 사용되는 방법의 몇 가지 예를 이해해야합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
고체 상 펩티드 합성에 대한 대표적인 결과 3.
절차 단계 | 솔루션의 색상 |
3.1 | 컨트롤 – 클리어, 라이트 옐로우 반응 – 맑고 밝은 노란색 |
3.2 | 컨트롤 – 클리어, 라이트 옐로우 반응 – 다크 블루 |
3.3 | 다크 블루 솔루션, 구슬 블루 – 완전한 보호 또는 커플링 실패 무색, 구슬 노란색 – 보호 에 실패하거나 완료 완료 무색 솔루션, 구슬 레드 – 불완전한 커플링 또는 불완전한 보호 해제 |
표 1. P로쉐르 3의 대표적인 결과.
본 실험에서, 우리는 디펩티드의 합성을 통해 SPPS를 통한 고체상 합성의 예를 입증하였다.
고체 상 합성은 빠른 스크리닝을 위한 화합물라이브러리를 구축하기 위해 결합 화학에 널리 사용된다. 그것은 일반적으로 펩 티 드를 합성 하는 데 사용 되었습니다., 올리고당, 그리고 핵 산. 더욱이, 이 개념은 화학 합성에서 구현되었습니다. 이기때문에, 이러한 고체 지원 시약은 종종 재활용 및 후속 반응에서 재사용할 수 있습니다.
Solid phase synthesis is a method in which the product is synthesized while bound to an insoluble material.
Solid phase synthesis is often used to produce biological oligomers and polymers such as peptides, nucleic acids, and oligosaccharides. These molecules are composed of chains of smaller molecular subunits, called monomers. Synthesizing an oligomer or polymer takes many steps, as the monomers must be added in the correct order.
An issue with multi-step syntheses is that purification and isolation of the stable products of each step, called intermediate products, decreases the overall yield. In solid phase synthesis, the intermediate product remains bound to the solid support throughout synthesis. This allows solution-phase reagents, solvents, and byproducts to be washed away, eliminating the need to purify and isolate each intermediate product between steps.
This video will illustrate the procedure for solid phase peptide synthesis and introduce a few applications of solid phase synthesis in chemistry.
In solid-phase synthesis, a molecule is synthesized on a solid support in a sequence of reactions. For instance, an oligomer or polymer will be synthesized one monomer at a time to form the final product. The growing oligomer or polymer remains strongly bound to the solid support until it is separated, or cleaved, from the support with reagents.
Each monomer must have at least two binding sites to be part of the polymer chain, but only one binding site can be available at a time to ensure that the monomer binds to the correct atom. This is achieved with protecting groups, which are functional groups that are not reactive during one or more steps of the synthesis. The binding site is restored, or deprotected, by treating the molecule with specific reagents to convert the protecting group to a reactive functional group.
To begin solid-phase synthesis, the starting material is bound to a specially designed resin or insoluble polymer at its only available binding site. Then, the bound starting material is deprotected to allow binding of the second monomer in the chain. Next, a solution of the second monomer in the chain is added, along with a coupling agent to facilitate bonding between the monomers.
Once the second monomer binds to the starting material, the resulting dimeric intermediate product is deprotected. This process is repeated until the target oligomer or polymer has formed. The product is cleaved from the solid support into solution, from which it can be purified, isolated, and analyzed.
Solid phase synthesis is often used for the synthesis of peptides, which are chains of amino acids. Amino acids have an amine group, a carboxyl group, and a substituent, or ‘side chain’. The amine is initially protected. Once deprotected, the amine forms a peptide bond with the carboxyl group of the next amino acid.
Now that you understand the principles of solid phase synthesis, let’s go through a procedure for solid phase peptide synthesis, in which we will demonstrate the addition of the first two amino acids.
To begin the procedure, connect a receiving flask for waste to a 100-mL manual peptide synthesis vessel. Then place 0.360 g of 2-chlorotrityl chloride resin into the vessel. Connect a nitrogen gas line to the vessel sidearm and a vacuum line to the serrated hose adapter.
Add 20 mL of dimethylformamide to the resin and allow the resin beads to swell for 30 min under a flow of nitrogen gas. Then, apply vacuum to drain the solvent.
Add 10 mL of DMF, 1.6 mmol of an Fmoc-protected amino acid, and 2.5 mL of N,N-diisopropylethylamine to the vessel. Bubble under the nitrogen gas, which mixes the solution, for 15 min to load the protected amino acid onto the resin.
Remove the solvent under vacuum and perform a second loading. After removing the solvent, agitate the loaded resin beads three times in 10-mL portions of DMF, draining each wash into the receiving flask.
Next, add to the loaded beads 10 mL of a 20% solution of 4-methylpiperidine in DMF. Bubble the mixture for 15 min to remove the Fmoc group.
Drain the solvent and repeat the deprotection procedure. Wash and drain the loaded resin three times, as before. Store the beads under solvent until they are ready for the next step.
To verify that the loaded compound was completely deprotected, first place 1 to 2 drops of each Kaiser test solution in two test tubes.
Place a few loaded beads in a test tube and heat both tubes to 110 degrees in an oil bath. Deprotection is complete if the resin mixture turns dark blue to purple, indicating the presence of amine groups in the mixture.
To begin the coupling step, first wash the beads with 10 mL of NMP under a flow of N2 gas.
Then, add 10 mL of NMP, 1.6 mmol of the next Fmoc-protected amino acid, 1.6 mmol of the coupling agent HBTU, and 2.5 mL of DIPEA to the loaded resin.
Bubble N2 gas through the resin mixture for 30 minutes, and then drain the solvent. Wash and drain the beads with 10-mL portions of DMF three times, as before.
Repeat the Kaiser test. Coupling has occurred successfully if the beads and solution turn yellow, indicating that no amine groups are present.
Next, cleave the new Fmoc group with 20% 4-methylpiperidine in DMF and wash the beads with 10-mL portions of DMF. Repeat the coupling and deprotection for each remaining amino acid in the target peptide.
After the last amino acid has been deprotected and the resin beads have been washed, add 40 mL of peptide cleavage solution to separate the peptide product from the resin.
Bubble nitrogen gas through the resin mixture for 3 h, and then replace the receiving flask. Transfer the solution from the resin mixture to the new receiving flask under vacuum.
To generate the final product, remove the solvent with a rotary evaporator.
Solid phase synthesis is widely used in biology and chemistry. Let’s look at a few examples.
Solid-phase synthesis opened many new synthetic pathways to oligosaccharides, which are short chains of simple sugar monomers with important biological roles, such as energy storage. Unlike peptide bonds, each bond between sugars contains a stereocenter. To synthesize an oligosaccharide, not only must the monomers be in the correct order, but the bonds must also have the correct stereochemistry. Solid-phase synthesis techniques were developed to couple each monomer by a highly stereoselective process, which today is sufficiently refined to be automated.
Solid-phase synthesis is a common approach to combinatorial chemistry, which is the practice of synthesizing many variants of a compound in a single synthetic process. The loaded resin can easily be split into portions to react with different monomers or molecules. After each reaction, the portions are washed and recombined. This is repeated until the desired number of products has been generated. This technique is particularly useful in pharmaceutical research, as it can be used to generate new compounds or to evaluate the reactivity of a compound with a wide array of molecules.
You’ve just watched JoVE’s introduction to solid phase synthesis. You should now understand the underlying principles of solid phase synthesis, the procedure for solid phase peptide synthesis, and a few examples of how solid phase synthesis is used in organic chemistry. Thanks for watching!
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