고체 위상 합성

고체상 합성은 불용성 물질에 결합하면서 생성물을 합성하는 방법입니다.

고체상 합성은 종종 생물학적 올리고머 및 펩타이드, 핵산 및 올리고당과 같은 폴리머를 생산하는 데 사용됩니다. 이 분자는 단량체라고 하는 더 작은 분자 소단위체의 사슬로 구성되어 있습니다. 올리고머 또는 폴리머를 합성하려면 단량체를 올바른 순서로 추가해야 하기 때문에 여러 단계를 거쳐야 합니다.

다단계 합성의 문제는 중간 산물이라고 하는 각 단계의 안정적인 산물을 정제하고 분리하면 전체 수율이 감소한다는 것입니다. 고체상 합성에서 중간 생성물은 합성 전반에 걸쳐 고체 지지체에 결합된 상태로 유지됩니다. 이를 통해 용액상 시약, 용매 및 부산물을 씻어낼 수 있으므로 단계 간에 각 중간 생성물을 정제하고 분리할 필요가 없습니다.

이 동영상은 고체상 펩타이드 합성 절차를 설명하고 화학에서 고체상 합성의 몇 가지 응용 분야를 소개합니다.

고체상 합성에서 분자는 일련의 반응에서 고체 지지체에서 합성됩니다. 예를 들어, 올리고머 또는 폴리머는 한 번에 하나의 단량체를 합성하여 최종 제품을 형성합니다. 성장하는 올리고머 또는 중합체는 시약으로 지지체로부터 분리되거나 절단될 때까지 고체 지지체에 강하게 결합된 상태를 유지합니다.

각 단량체는 폴리머 사슬의 일부가 되기 위해 최소 두 개의 결합 부위를 가져야 하지만, 단량체가 올바른 원자에 결합하도록 보장하기 위해 한 번에 하나의 결합 부위만 사용할 수 있습니다. 이는 하나 이상의 합성 단계에서 반응하지 않는 작용기인 보호기를 통해 달성됩니다. 결합 부위는 보호 그룹을 반응성 작용기로 전환하기 위해 분자를 특정 시약으로 처리함으로써 복원되거나 탈보호됩니다.

고체상 합성을 시작하기 위해 출발 물질은 유일하게 사용 가능한 결합 부위에서 특별히 설계된 수지 또는 불용성 폴리머에 결합됩니다. 그런 다음, 결합된 시작 물질은 사슬에서 두 번째 단량체의 결합을 허용하기 위해 보호가 해제됩니다. 다음으로, 사슬의 두 번째 단량체 용액을 결합제와 함께 첨가하여 단량체 간의 결합을 용이하게 합니다.

두 번째 단량체가 출발 물질에 결합하면 생성된 이합체 중간 생성물이 탈보호됩니다. 이 공정은 타겟 올리고머 또는 폴리머가 형성될 때까지 반복됩니다. 생성물은 고체 지지체에서 용액으로 절단되어 정제, 분리 및 분석될 수 있습니다.

고체상 합성은 아미노산 사슬인 펩타이드의 합성에 자주 사용됩니다. 아미노산에는 아민기, 카르복실기, 치환기 또는 '측쇄'가 있습니다. 아민은 초기에 보호됩니다. 일단 탈보호되면, 아민은 다음 아미노산의 카르복실기와 펩타이드 결합을 형성합니다.

이제 고체상 합성의 원리를 이해했으므로 고체상 펩타이드 합성을 위한 절차를 진행하여 처음 두 아미노산의 추가를 시연해 보겠습니다.

절차를 시작하려면 폐기물을 담는 수용 플라스크를 100mL 수동 펩타이드 합성 용기에 연결합니다. 그런 다음 0.360g의 2-chlorotrityl chloride resin을 용기에 넣습니다. 질소 가스 라인을 용기 사이드암에 연결하고 진공 라인을 톱니 모양의 호스 어댑터에 연결합니다.

수지에 20mL의 디메틸포름아미드를 넣고 질소 가스의 흐름에서 수지 비드가 30분 동안 팽창하도록 합니다. 그런 다음 진공을 적용하여 용매를 배출합니다.

DMF 10mL, Fmoc 보호 아미노산 1.6mmol, N,N-디이소프로필에틸아민 2.5mL를 용기에 추가합니다. 용액을 혼합하는 질소 가스 아래에서 15분 동안 기포를 일으켜 보호된 아미노산을 수지에 로드합니다.

진공 상태에서 용매를 제거하고 두 번째 로딩을 수행합니다. 용매를 제거한 후 로드된 수지 비드를 DMF의 10mL 부분에 3회 교반하고 각 세척액을 수용 플라스크로 배출합니다.

다음으로, DMF에서 20% 용액 4-메틸피페리딘 10mL를 로드된 비드에 추가합니다. 혼합물을 15분 동안 거품을 일으켜 Fmoc 그룹을 제거합니다.

용매를 배출하고 보호 해제 절차를 반복합니다. 이전과 같이 적재된 수지를 세 번 세척하고 배수합니다. 다음 단계를 위해 준비될 때까지 비드를 용매에 보관하십시오.

로드된 화합물이 완전히 보호되지 않았는지 확인하려면 먼저 두 개의 시험관에 각 Kaiser 테스트 용액을 1-2방울 떨어뜨립니다.

로드된 몇 개의 비드를 테스트 튜브에 넣고 오일 배스에서 두 튜브를 모두 110도로 가열합니다. 수지 혼합물이 짙은 파란색에서 자주색으로 변하면 탈보호화가 완료된 것이며, 이는 혼합물에 아민기가 존재함을 나타냅니다.

커플링 단계를 시작하려면 먼저 N2 가스 흐름에서 10mL의 NMP로 비드를 세척합니다.

그런 다음 NMP 10mL, 다음 Fmoc-protected 아미노산 1.6mmol, 커플링제 HBTU 1.6mmol 및 DIPEA 2.5mL를 로드된 수지에 추가합니다.

수지 혼합물을 통해 N2 가스를 30 분 동안 거품을 일으킨 다음 용매를 배출합니다. 이전과 같이 DMF 10mL 부분으로 비드를 세 번 세척하고 배수합니다.

카이저 테스트를 반복합니다. 비드와 용액이 노랗게 변하면 커플링이 성공적으로 발생한 것이며, 이는 아민기가 존재하지 않음을 나타냅니다.

다음으로, DMF에서 새로운 Fmoc 그룹을 20% 4-메틸피페리딘으로 절단하고 DMF 10mL 부분으로 비드를 세척합니다. 타겟 펩타이드에 남아 있는 각 아미노산에 대해 커플링 및 탈보호를 반복합니다.

마지막 아미노산이 보호해제되고 수지 비드가 세척된 후 40mL의 펩타이드 절단 용액을 첨가하여 수지에서 펩타이드 생성물을 분리합니다.

수지 혼합물을 통해 질소 가스를 3시간 동안 거품을 일으킨 다음 수용 플라스크를 교체하십시오. 수지 혼합물의 용액을 진공 상태에서 새 수용 플라스크로 옮깁니다.

최종 생성물을 생성하려면 회전 증발기로 용매를 제거하십시오.

고체상 합성은 생물학 및 화학에서 널리 사용됩니다. 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.

고체상 합성은 에너지 저장과 같은 중요한 생물학적 역할을 하는 단순 설탕 단량체의 짧은 사슬인 올리고당에 대한 많은 새로운 합성 경로를 열었습니다. 펩타이드 결합과 달리 당 사이의 각 결합에는 입체중심이 포함되어 있습니다. 올리고당을 합성하려면 단량체의 순서가 정확해야 할 뿐만 아니라 결합도 올바른 입체화학을 가져야 합니다. 고체상 합성 기술은 고도의 입체 선택성 공정으로 각 단량체를 결합하기 위해 개발되었으며, 오늘날에는 자동화할 수 있을 만큼 충분히 정제되었습니다.

고체상 합성은 조합 화학에 대한 일반적인 접근 방식으로, 단일 합성 공정에서 화합물의 여러 변형을 합성하는 관행입니다. 적재된 수지는 다른 단량체 또는 분자와 반응하기 위해 부분으로 쉽게 분할될 수 있습니다. 각 반응 후, 부분을 세척하고 재결합합니다. 이는 원하는 수의 제품이 생성될 때까지 반복됩니다. 이 기술은 새로운 화합물을 생성하거나 다양한 분자를 가진 화합물의 반응성을 평가하는 데 사용할 수 있기 때문에 제약 연구에 특히 유용합니다.

방금 JoVE의 고체상 합성에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 고체상 합성의 기본 원리, 고체상 펩타이드 합성 절차, 유기 화학에서 고체상 합성이 어떻게 사용되는지에 대한 몇 가지 예를 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!