NAGYHATÉKONYSÁGÚ SZINTÉZISMÓDSZEREK KÉSZÍTETTE: DR. JUHÁSZ LÁSZLÓ EGYETEMI DOCENS

Átírás

1 NAGYHATÉKONYSÁGÚ SZINTÉZISMÓDSZEREK KÉSZÍTETTE: DR. JUHÁSZ LÁSZLÓ EGYETEMI DOCENS

2 A kémiai szintézis olyan általában több lépéses folyamat, ami elvezett a kívánt molekulához. SZERVES KÉMIAI SZINTÉZISEKRŐL ÁLTALÁBAN Miért van szükség kémiai szintézisekre? Érdekes és ipari vagy gyógyászati szempontból hasznos természetes anyagok előállítása. Ipari szempontból fontos vegyületek előállítása Elméleti szempontból érdekes vegyületek előállítása Szerkezet bizonyítás Új szintézismódszerek kifejlesztése Tudományos és technológiai szempontból fontos anyagok előállítása Természetes anyagok: 15-Metil PGF 2α (prostaglandin) Epibatidine (Dél Amerikai béka méreg alkaloidja; 200 x jobb fájdalomcsillapító mint a morfin és nem lehet hozzászokni! < 15 mg izolált anyag 750 békából Ebanicline (ABT-594) Klinika II. fázis össze nem egyeztethető gyomor és bélrendszeri mellékhatások

3 Ipari szempontból fontos vegyületek: gyógyszer hatóanyagok, növényvédőszerek, íz és illatanyagok, festékek, kozmetikumok, monomerek és polimerek

4 Elméleti szerves kémiai szempontból fontos és érdekes molekulák előállítása The Cubane System; Philip E. Eaton and Thomas W. Cole, J. Am. Chem. Soc.; 86(5), (1964)

5 Szerkezet bizonyítás: jóllehet spektroszkópiai módszerekkel felderíthető a vegyületek szerkezete, azonban még napjainkban is fontos szerepe van a totálszintézisnek Rosenberg, Steven; DeVita, Vincent T.; Hellman, Samuel (2005). Cancer: Principles & Practice of Oncology (7th ed.). Hagerstwon, MD: Lippincott Williams & Wilkins.

6

7 A szintetikus problémák megoldásának lépései A célmolekula kiválasztása A szintézisút tervezése Retroszintetikus analízis A hozzáférhető szintézismódszerek összehasonlítása A szintézis megvalósítása A molekulák szintézis tervezése és a szintézis megvalósítása számos interaktív lépést tartalmaz

8 A szintézisek ciklusa Reakció végrehajtása Feldolgozás, izolálás Termék azonosítása, szerkezetvizsgálata A reakció végrehajtását és a termék izolálását, azonosítását követően optimálási lépések sorozata válhat szükségessé a kívánt termék jó hozamú, megfelelő tisztaságú előállítása miatt. Komplex molekulák esetében a célvegyület egyszerű kiindulási vegyületekből történő előállítása során a fenti lépések többször ismétlődnek.

9 Miért szükséges növelni a szerves szintézis hatékonyságát? A gyógyszeripar vegyületigénye nem elégíthető ki a klasszikus szintézis módszerek alkalmazásával azok alacsony produktivitása miatt (~ 50 molekula/év/vegyész) Új hatékony reakció végrehajtási, feldolgozási és azonosítási módszerekre volt szükség.

10 Nagyhatékonyságú szintézismódszerek Cél: növelni a szintetikus kémia teljesítő képességét, hogy kiszolgálhassa a HTS (High Throughput Screening) biológiai tesztrendszerek vegyületigényét. Lehetőségek: Mikrohullámú aktiválás Mikroreaktorok alkalmazása; flow chemistry Parallel szintézisek, automatizálás Kombinatorikus kémia vegyületkönyvtár szintézis Szilrádfázisú szintézis Speciális elválasztási és tisztítási módszerek

11 Mikrohullámú szerves szintézisek

12 Mikrohullámú aktiválás A mikrohullámú tartomány: GHz Konyhai és kémiai alkalmazás: 2.45 GHz A mikrohullámú fotonok energiája nem elegendő a kémiai kötések hasításához, így a hatás tisztán a koncentrált, gyors energiaátadásra, melegítésre vezethető vissza kcal/mol vs kcal/mol B.L. Hayes, Microvawe synthesis, Chemistry at the Speed of Light, CEM Publishing, 2002

13 Hogyan melegíti fel a reakcióelegyeket a mikrohullám A mikrohullámú hőközlés mechanizmusa teljesen más: a mikrohullám közvetlenül a molkulákkal (reaktánsok/oldószer) lép kölcsönhatásba és így közvetlenül, gyorsan emelkedik a hőmérséklet. Nem függ az edény hővezető képességétől. Azonnali ki/be kontrol: az MW kikapcsolásával azonnal megszűnik a fűtés. Az energia transzfer mechanizmusa: Dipólok forgása által Ionos vezetés Klasszikus fűtési eljárásoknál a reakcióelegy fűtése az edény falától indul. A lombik hőmérséklete magasabb mint a reakcióelegyé. Lassan áll be a termikus egyensúly az elegyben. Lassú, nem egyenletes és nem hatékony módszer. Kevertetéssel javítható, de nem orvosolható minden probléma!

14 Richard Gedeye, Tetrahedron Letters, 1986, 27, R.J. Giguere, et al; Tetrahedron Letters, 1986, 27, Normál fűtés: 1 óra, reflux, 90% MW: 10 perc, 99%, zárt nyomás álló cső

15 Hogyan növeli meg az MW a reakció sebességét? 30 mg anyag átalakulásához szükséges energia átlagos aktiválási energiával (50 kcal)) és móltömeggel (300 g/mol) számolva : 0,03 g x 1/300 g/mol x cal/mol = 5 cal 100 % hatásfokot feltételezve egy 300W-on működő MW készülék energiasűrűsége: 300 W = 300 J/s x cal/j = 72 cal/sec Rövid idő alatt nagy energia! Gyors melegítés gyorsabb reakció C-C kötés: 348 KJ/mol C-H kötés: 413 KJ/mol H-híd: 42 KJ/mol MW energiája ~ 0,001 KJ/mol NEM HASÍT KÖZVETLENÜL KÖTÉST

16

17 Kinetikus vs termodinamikus átalakulások Mikrohullámú fűtéssel a lassabb reakciók esetén érhetünk el jelentős javulást!

18 Oldószerek Oldószerek kiválasztása: Dipólus momentum ( ) Dielektromos állandó ( ) Dielektromos veszteség ( ): megadja hogy a besugárzott mikrohullámú energiának hány % szóródik szét hő formában Tan = / Oldószerek stabilitása: Halogénezett oldószerek (HCl, CO, CO 2,, COCl 2 ) DMF, DMA, TEA, acetonitril; NMP, piridin (CO, CO 2, N x O y ) DMSO (SO 2, CH 2 O, MeSH; Me 2 S, Me 2 S 2, CH 2 (MeS) 2 ) Ionos oldószerek

19 Az oldószer kiválasztásánál nagyon fontos tényező, a coupling efficiency, hogy milyen hatékonyan tudja átvinni az MW energiáját, vagyis milyen hatékony lesz a reakcióelegy fűtése. Kérdés: Mire van szükségünk: magas hőmérsékletre, nagy nyomásra, nagy energia sűrűségre? Nem csak homogén oldatfázisban, hanem inhomogén rendszerek esetében is jól alkalmazható ez a technika, ugyanis jelentősen növeli a reakciók sebességét (átmeneti fém katalizált átalakítások, oldhatatlan Lewis savak, és egyéb sók alkalmazása, gyanták, stb.) Poláris keverékre van szükség a hatékony mikrohullámú fűtéshez.

20

21 Módszer kiválasztás, optimálás Nyílt rendszer Zárt rendszer Normál üvegeszközök Nagy léptékű reakciók Forráspont alatti és forrásponti reakciók Szilárd fázisú reakciók (< 250 o C) Tükrözött körülmények: 0 4 óra = 10 perc 8 18 óra = 30 perc > 18 óra felett = 1 óra Teljesítmény Forráspont alatt max 100 watt Forrás hőmérsékleten: max watt Szilárd fázis: watt Nyomás álló üvegeszközök Kisebb léptékű reakciók Forráspont feletti reakciók Szilárd fázisú reakciók (< 250 o C) Hőmérséklet: Fp + 10 o C, 25 o C, 50 o C Idő: 5 20 perc (hőmérséklet függvénye) Teljesítmény Jó MW abszorbens: max 50 watt Közepes MW abszorbens: max 150 watt Rossz MW abszorbens: 250 watt Nyomás limit: 150 PSI gázfejlődéssel járó reakciók esetén 275 PSI gázfejlődéssel nem járó reakciók esetén

22 MW vs. termikus fűtés

23

24 Keresztkepcsolási reakciók Példák az MW segített szintézisekre

25

26 Cikloaddíciós reakciók Heterociklusok szintézise

27 Nukleofil addíció és szubsztitúció Elektrofil szubsztitúció Ezen felül oxidációs, redukciós, kondenzációs, hidrolitikus, stb. reakciókban is sikeresen alkalmazható

28 Carbohydrate Research, 340 (2005) Cél: glikopeptidek szintézisére alkalmas módszer kidolgozása Előzmények: Fmoc-Ser-OBn reakciója 2-acetamido-2-deoxy-3,4,6-tri-O-acetil-α-Dglukopiranzoil-klorid-val. aktivátor: HgBr 2 (Carbohydr. Res. 338, (2003) ) Fmoc-Ser-OH reakciója 2,3,4,6-tetra-O-acetil-β-D-glucopiranóz-val BF 3 *OEt 2 aktivátorral. Hozam: 30% - 37%; reakcióidő: 2-18 óra (Tetrahedron, 51, (1995), ; Chem. Commun. (1996), ; Carbohydr. Res. 330 (2001), ; J. Org. Chem. 64 (1999), Probléma: többlépéses reakciók, nehézfém tartalmú reagensek (AgOTf, HgBr 2, HgCN 2 ); hosszú reakcióidő, alacsony hozam melléktermékek képződése miatt

29

30 Carbohydrate Research 342 (2007)

31

32

33 Szilárd hordozó alkalmazása oldat fázisú reakciókban Gyantához kötött reagens Védőcsoport hasítás Egyszerű tisztítás (feleslegben alkalmazott reagens lemosható) Jól automatizálható Az immobilizálással növelhető a reaktánsok stabilitása Szilárd fázisra kötött reagensek Oldatfázisú szintézisek takarító gyantákkal Oldat fázisú szintézisek halászó gyantákkal Aktiválás Kapcsolás Tisztítás Hasítás Termék

34 Hordozó gyanták típusai Oldószer hatására keresztkapcsolt polimerek. A duzzadás teszi lehetővé, hogy a reaktánsok/reagensek az aktív helyhez diffundáljanak. Ennek hiányában nem megy végbe az átalakulás. A gyanata típusa meghatározza az alkalmazható oldószer típusát Fontos a gyanta mechanikai és termikus stabilitása Szemcsemérete (8 200 m) Porozitás (Mesh): Ár Típusaik: Kereszt kapcsolt polisztirol gyanták Poliamin gyanták Tentagél gyanták Oldódó gyanták

35 Polisztirol gyanták könnyen hozzáférhető olcsó stabil JandaJel gyanta: Összekötő: Funkcióscsoportok Merrifield gyanta Alacsony és közepes polaritású oldószerekben jól dúzzad (DMF, DKM, toluol) Poláris, protikus oldószerekben nem duzzad 130 o C alatti hőmérsékleten használható Erős elektrofil reagensek esetén nem használható Kicsi a gyanta rigiditása

36 Poliamin gyanták Poliakrilamid polimerek Poláris aprotikus oldószerekben jól duzzad Peptid szintézisekben jól használható TentaGél gyanta Polietilén-glikol (PEG) kapcsolódik éter kötésen keresztül a térhálósított polisztirol gyantához Protikus és aprotikus oldószerekben is jól duzzad A funkciós csoportok a polimer váztól távol helyezkednek el. Oldatfázishoz leghasonlóbb körülmények Stabilitása a Lewis savakkal szemben alacsony Hasítás után PEG szennyezheti a terméket Oldódó gyanták Polietilénglikol-monometil-éter Jól oldódik a legtöbb oldószerben Homogén reakciókörülmények

37 Szilárd hordozók alkalmazása oldatfázisú reakciókban

38 PVPDC: POLYVINYLPYRIDINIUM DICHROMATE;POLY(4-VINYLPYRIDINIUM DICHROMATE) Tetrahedron Letters, 36(9,) (1995)

39

40 Tisztítógyanták

41 Tisztítógyanták

42

43

44

45 Halászó gyanták

46 Kémiai szintézisek folyamatos áramlású rendszerekben mikroreaktorok, flash chemistry Pontosabb reakciókontroll Reakcióidő, nyomás, hőmérséklet Hatékonyabb keverés Jobb atom hatékonyság, szelektivitás, hozam és tisztaság Megnövekedett reprodukálhatóság Növekedett katalizátor élettartam és ciklus Mikroreaktor technika előnyei Növekedett biztonság Gyors hőelvezetés Alacsony reagens felesleg Valós idejű reakciókövetés Alacsonyabb költségek és rövidebb fejlesztési ciklus Jobb kémiai szelektivitás, magasabb hozam Kevesebb reagensek és a katalizátor alkalmazása Kisebb méret Gyorsabb léptéknövelés

47 Miért van szükség a méret csökkentésére? Reagens Aktiválás Aktivált részecske Mikroreaktor Szubsztrát Termék Reakcióidő: ms - s

48 Flask chemistry vs. Flash chemistry Flash chemistry: Fast organic reactions in flow/microreactor systems. A kémiai átalakulok időtartama molekuláris szinten s, míg a lombikban percek órák ( ). A molekulák mérettartománya addig a lombikok mérettartománya A mikroreaktorok mérettartománya m, és a reakcióidő másodperc!

49 Chemical Review, 107, (2007)

50 Az átmeneti állapot élettartama s. Amennyiben a reaktánsokat egyszerre sikerül az aktivált állapotba juttatni, a reakcióidő lerövidülhet. Probléma: a reakció során felszabaduló hő elvezetése, ami nagy mennyiségű oldószer használatával megoldható, azonban ez ront a hatékonyságon! Megoldás: folyamatosan juttatjuk a molekulákat aktivált állapotba, így jelentősen növelhető a reakciók sebessége, és a reakció kontrollja is biztosítható. Mikroreaktorok esetében a reakcióidő a s is lehet (az adott térfogat egységben). A reakciók hozama mg/min kg/min.

51

52

53 Mikroreaktorok és flow reaktorok Mikroreaktor Sík hordozóba vájt µm átmérőjű csatornák Kis méret miatt gyors és hatékony keveredés Hatékony szintézis Flow reaktor 300 µm nagyobb átmérő Lassabb keveredés Nagyobb áteresztőképesség Katalizátorral töltve hatékonyabb Reaktor anyaga Polimer, fém, kvarc, üveg. Üveg előnye: mechanikailag erős, kémiailag ellenálló, átlátszó

54

55 Mikroreaktorok alkalmazása Tetrahedron, 60, (2004) Journal of Fluorine Chemistry, 127, 592 (2006).

56 Lab on Chip, 2, 31, (2002) Angewandte Chemie-International Edition, 45, (2006)

57 Hozam: 80%; 10g/óra Organic Process Research and Development, 8, 477. (2004)

58 Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1, (1976)

59

60 MACOS (Microvawe Assisted Continous Flow Organic Synthesis) Beilstein Journal of Organic Chemistry, 5, No. 35. (2009)

61

62 Flow reaktorok, H-cube ThalesNano Folyamatos hidrogénező reaktor H 2 gázt elektrolízissel állítja elő Hőmérséklet tartomány: < 100 ºC Nyomás tartomány: < 100 bar

63 H-cube alkalmazása

64 Teljes flow chemistry rendszerek

65

66 Kombinatorikus kémia párhuzamos színtézisek A kombinatorikus kémia alapkoncepciója: Nagy számú, vegyület előállítása egy időben párhuzamos szintézis. Az eljárás alkalmas a gyógyszerfejlesztés/ HTS screening módszerek anyagigényének a kiszolgálására. Klasszikus eljárás Kombinatóriukus kémia Vegyülettár/kombinatórikus vegyülettár: az előállított molekulák összessége, melyek szerkezete hasonló. Mérete függ a folyamat során alkalmazott építő elemektől (building blocks) és a reakciólépések számától. Általánosan molekulát tartalmazó vegyületkönyvtárakról beszélünk.

67 Molekulakönyvtárak Csoportosítási lehetőségek: Az alapváz azonos, azonban ennek a kiépítésében különböző típusú építőelemekből épülnek fel (Scaffold-based) Az építőelemek azonos típusúak, azonban a sorrendjükkel kapunk más molekulákat, de az alapváz nem változik (backbone-based). Elsősorban peptidek, nikleinsavak, oligiszacharidok esetén alkalmazzák.

68

69 A molekulakönyvtárak előállításának alapfeltétele, hogy az adott reakció(k) jelenlévő összes vegyülettel lehetőleg jó termeléssel menjenek végbe. Ha ez nem teljesül, akkor ez befolyásolhatja a HTS-tesztek eredményét. Megoldás: pl.: az alapvegyületet szilárd hordozóhoz kötik, és ekkor mindig nagy reagensfelesleg alkalmazható, hiszen a nem reagált anyag a szilárd gyanta mellől elmosható. Az ideális reakciók azok, amelyek: sokféle alapvegyülettel könnyen és kvantitatívan végrehajthatók, lehetővé teszik a származékok széles körének előállítását, beleértve a különböző sztereoizomereket is alkalmasak automatizált berendezésekkel történő megvalósításra, a reakciókhoz használt építőkövek könnyen hozzáférhetők, a reakciókkal a vegyületek lehető legszélesebb köre előállítható (diverzitás), azért, hogy a biológiai célmolekulával való kötődés szempontjából minél nagyobb választék álljon rendelkezésre az adott könyvtárban, a termékek szerkezete egyértelműen meghatározható.

70 A megosztásos-keveréses eljárás (szilárd fázisú) Kapcsolások száma: 9 Termékek száma: 27 Előnyei: Kevés reakcióedény szükséges. Sok vegyület egyidőben történő előállítására ad lehetőséget. Hátrányai: Nagy feleslegű szilárd hordozó szükséges. A vegyületek kis mennyiségben állíthatók elő.

71 A párhuzamos szintézis: A kombinatorikus kémiának van egy olyan ága is, amely nem a szó szerint vett és fentebb bemutatott kombinatorikus szintéziseken alapul, hanem több hagyományos kémiai szintézis párhuzamos elvégzésén. Ezek révén ugyan gyorsabban készülhetnek új vegyületek, mint a korábban szokásos egyenkénti szintézissel, de hatékonyságuk meg sem közelíti a valódi kombinatorikus szintézisekét. Előnyei: Egy edény egy vegyület. Szilárd és folyadék fázisban is megvalósítható. A vegyületek tiszták. Jól azonosítható a szerkezetük. Jól automatizálható. Hátrányai: Sok reakcióedény. Kis és közepes vegyületkönyvtárak hozhatók létre.

72

73

74 Ajánlott, felhasznált szakkönyvek: Mikrohullámú reakciók: 1. Microwave Synthesis - Chemistry at the Speed of Light, editor: B. L. Hayes; CEM Publishing, Microwave Assisted Organic Synthesis, editor: J.P. Tierney; P. Lidström; Blackwell Publishing Ltd Microwaves in Organic Synthesis, editor: A. Loupy; Wiley-VCH, 2006 Szilárd fázisú szintézisek: 1. Combinatorial Chemistry, editor: W. Bannwarth, B. Hinzen; Wiley-VCH, Solid Support Oligosaccharide Synthesis and Combinatorial Carbohydrate Libraries, editor: Peter H. Seeberger ; John Wiley & Sons, Inc.; Linker Strategies in Solid-Phase Organic Synthesis; editor: P. J. H. Scott; John Wiley & Sons, Inc Solid-Phase Organic Synthesis: Concepts, Strategies, and Applications; editor: P. H. Toy, Y. Lam; John Wiley & Sons, Inc Mikroreaktorok, flash és flow chemistry 1. Flash Chemistry. Fast Organic Synthesis in Microsystems, editor: J. Yoshida, Wiley-Blackwell, Microreactors in Organic Synthesis and Catalysis; editor: Thomas Wirth; Wiley-VCH, Microreactors in Preparative Chemistry: Practical Aspects in Bioprocessing, Nanotechnology, Catalysis and more; editor: W. Reschetilowski; Wiley-VCH 2013