Твердофазный синтез

Твердофазный синтез — это метод, при котором продукт синтезируется, связываясь с нерастворимым материалом.

Твердофазный синтез часто используется для получения биологических олигомеров и полимеров, таких как пептиды, нуклеиновые кислоты и олигосахариды. Эти молекулы состоят из цепочек более мелких молекулярных субъединиц, называемых мономерами. Синтез олигомера или полимера состоит из множества этапов, так как мономеры должны быть добавлены в правильном порядке.

Проблема с многоступенчатым синтезом заключается в том, что очистка и выделение стабильных продуктов каждой стадии, называемых промежуточными продуктами, снижает общий выход. При твердофазном синтезе промежуточный продукт остается связанным с твердой основой на протяжении всего синтеза. Это позволяет смывать реагенты в растворной фазе, растворители и побочные продукты, устраняя необходимость в очистке и изоляции каждого промежуточного продукта между этапами.

В этом видео будет показана процедура синтеза твердофазных пептидов и представлены некоторые области применения твердофазного синтеза в химии.

При твердофазном синтезе молекула синтезируется на твердой основе в последовательности реакций. Например, олигомер или полимер будет синтезирован по одному мономеру за раз для получения конечного продукта. Растущий олигомер или полимер остается прочно связанным с твердой подложкой до тех пор, пока он не будет отделен или расщеплен от подложки с помощью реагентов.

Каждый мономер должен иметь, по крайней мере, два сайта связывания, чтобы быть частью полимерной цепи, но только один сайт связывания может быть доступен одновременно, чтобы гарантировать, что мономер связывается с правильным атомом. Это достигается с помощью защитных групп, которые являются функциональными группами, не реагирующими на одной или нескольких стадиях синтеза. Сайт связывания восстанавливают или снимают защиту путем обработки молекулы специальными реагентами для преобразования защитной группы в реактивную функциональную группу.

Чтобы начать твердофазный синтез, исходный материал связывают со специально разработанной смолой или нерастворимым полимером в единственном доступном месте связывания. Затем связанный исходный материал снимается с защиты, чтобы обеспечить связывание второго мономера в цепи. Затем добавляется раствор второго мономера в цепи, а также связующий агент для облегчения связи между мономерами.

Как только второй мономер связывается с исходным материалом, полученный димерный промежуточный продукт снимается с защиты. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не образуется целевой олигомер или полимер. Продукт расщепляется от твердой основы в раствор, из которого его можно очистить, изолировать и проанализировать.

Твердофазный синтез часто используется для синтеза пептидов, которые представляют собой цепочки аминокислот. Аминокислоты имеют аминную группу, карбоксильную группу и заместитель, или «боковую цепь». Амин изначально защищен. После снятия защиты амин образует пептидную связь с карбоксильной группой следующей аминокислоты.

Теперь, когда вы понимаете принципы твердофазного синтеза, давайте пройдемся по процедуре синтеза твердофазных пептидов, в которой мы продемонстрируем добавление первых двух аминокислот.

Чтобы начать процедуру, подсоедините приемную колбу для отходов к 100-мл емкости для ручного синтеза пептидов. Затем поместите в сосуд 0,360 г смолы 2-хлортритилхлорида. Подсоедините газообразный трубопровод азота к пистолету сосуда и вакуумный трубопровод к адаптеру шланга с зазубринами.

Добавьте в смолу 20 мл диметилформамида и дайте шарикам смолы набухнуть в течение 30 минут под потоком газообразного азота. Затем примените вакуум, чтобы слить растворитель.

Добавьте в сосуд 10 мл ДМФА, 1,6 ммоль аминокислоты, защищенной Fmoc, и 2,5 мл N,N-диизопропилэтиламина. Пузыри под газообразным азотом, который перемешивает раствор, в течение 15 мин для загрузки защищенной аминокислоты на смолу.

Удалите растворитель под вакуумом и выполните повторную загрузку. После удаления растворителя трижды перемешайте загруженные гранулы смолы в порциях DMF по 10 мл, сливая каждую промывку в приемную колбу.

Далее добавьте к загруженным шарикам 10 мл 20% раствора 4-метилпиперидина в ДМФА. Пузырчате смесь в течение 15 минут, чтобы удалить группу Fmoc.

Слейте растворитель и повторите процедуру снятия защиты. Промойте и слейте загруженную смолу три раза, как и раньше. Храните бусины под растворителем до тех пор, пока они не будут готовы к следующему этапу.

Чтобы убедиться, что с загруженного соединения полностью снята защита, сначала поместите по 1–2 капли каждого тестового раствора Kaiser в две пробирки.

Поместите несколько загруженных шариков в пробирку и нагрейте обе пробирки до 110 градусов в масляной бане. Снятие защиты считается полным, если смоляная смесь становится от темно-синей до фиолетовой, что свидетельствует о наличии в смеси аминных групп.

Чтобы начать этап соединения, сначала промойте шарики 10 мл NMP под потоком газа N2.

Затем добавьте в загруженную смолу 10 мл NMP, 1,6 ммоль следующей аминокислоты, защищенной Fmoc, 1,6 ммоль связующего агента HBTU и 2,5 мл DIPEA.

Проведите газ N2 через смесь смолы в течение 30 минут, а затем слейте растворитель. Промойте и слейте воду с шариков порциями по 10 мл ДМФА три раза, как и раньше.

Повторите тест Кайзера. Соединение происходит успешно, если гранулы и раствор становятся желтыми, что указывает на отсутствие аминных групп.

Затем расщепите новую группу Fmoc с 20% 4-метилпиперидином в ДМФА и промойте шарики 10-мл порций ДМФА. Повторите связывание и снятие защиты для каждой оставшейся аминокислоты в целевом пептиде.

После того, как последняя аминокислота была снята с защиты и гранулы смолы промыты, добавьте 40 мл раствора пептидного расщепления, чтобы отделить пептидный продукт от смолы.

Пузырьковый газообразный азот пропустить через смоляную смесь в течение 3 ч, а затем заменить приемную колбу. Перелейте раствор из смоляной смеси в новую приемную колбу под вакуумом.

Чтобы получить конечный продукт, удалите растворитель с помощью ротационного испарителя.

Твердофазный синтез широко используется в биологии и химии. Давайте рассмотрим несколько примеров.

Твердофазный синтез открыл много новых синтетических путей к олигосахаридам, которые представляют собой короткие цепи простых мономеров сахара с важными биологическими ролями, такими как накопление энергии. В отличие от пептидных связей, каждая связь между сахарами содержит стереоцентр. Чтобы синтезировать олигосахарид, не только мономеры должны быть расположены в правильном порядке, но и связи должны иметь правильную стереохимию. Методы твердофазного синтеза были разработаны для связывания каждого мономера с помощью высокостереоселективного процесса, который на сегодняшний день достаточно усовершенствован для автоматизации.

Твердофазный синтез — это распространенный подход к комбинаторной химии, который представляет собой практику синтеза множества вариантов соединения в одном синтетическом процессе. Загруженная смола может быть легко разделена на порции для реакции с различными мономерами или молекулами. После каждой реакции порции промывают и снова соединяют. Это повторяется до тех пор, пока не будет сгенерировано желаемое количество продуктов. Этот метод особенно полезен в фармацевтических исследованиях, поскольку его можно использовать для получения новых соединений или для оценки реакционной способности соединения с широким спектром молекул.

Вы только что посмотрели введение JoVE в твердофазный синтез. Теперь вы должны понять основные принципы твердофазного синтеза, процедуру синтеза твердофазных пептидов и несколько примеров того, как твердофазный синтез используется в органической химии. Спасибо за просмотр!