EN CZ

KOCH

Syntéza na pevné fázi a kombinatoriální chemie

Syntéza na pevné fázi a kombinatoriální chemie

Cílem kombinatoriální chemie je příprava setů chemických sloučenin (tzv. chemických knihoven) z relativně malého počtu výchozích látek. Principem je vzájemná kombinace výchozích sloučenin. Jako klasický příklad lze uvést kombinatoriální přípravu knihovny tripeptidů z pěti různých aminokyselin, která poskytne 53 = 125 různých tripeptidů.

Existuje mnoho způsobů provedení kombinatoriální syntézy. Chemické knihovny lze připravovat plně automatizovaným přístupem s pomocí robotických syntetizérů, ale i manuálním způsobem s využitím jednoduchého laboratorního vybavení. Stejně tak lze k přípravě sloučenin kombinatoriálním způsobem využít jak klasickou syntézu v roztoku, tak metodiku syntézy na pevné fázi (Practical Aspects of Combinatorial Solid-Phase Synthesisbook chapter in Solid-Phase Organic Synthesis: Concepts, Strategies, and Applications, edited by Toy, P. H. and  Lam, Y.; Wiley & Sons, Inc., 95-130, 2012).

Syntéza na pevné fázi je pro přípravu chemických knihoven značně výhodná. Mezi její hlavní výhody patří jednoduchá a univerzální izolace meziproduktů z reakční směsi, která mimo jiné umožňuje snadné provedení většího počtu reakcí v krátkém časovém úseku (tzv. paralelní syntézu).

Kombinatoriální chemie ve spojení se syntézou na pevné fázi je na Katedře organické chemie rozvíjena od roku 2007 ve spolupráci s prof. Viktorem Krchňákem z University of Notre Dame (USA). Hlavním cílem je vývoj metodik použitelných pro přípravu chemických knihoven tzv. malých molekul (sloučeniny s molekulovou hmotností do cca 500 Da). Pozornost je směřována zejména na dusíkaté heterocyklické sloučeniny. Účelem chemických knihoven cílových látek je studium biologických vlastností (protinádorová, antimikrobiální, antivirální aktivita, selektivita, toxicita apod.), přičemž zjištěná data jsou dávána do souvislostí s chemickou podstatou jednotlivých derivátů (studium závislosti biologické aktivity na struktuře). Tento proces směřuje k nalezení derivátu s optimální strukturou a tedy optimálními biologickými vlastnostmi. Popsaný proces je v oblasti tzv. medicinální chemie široce používán pro výzkum a vývoj nových léčiv.

Aplikaci výše uvedeného přístupu lze demonstrovat např. na derivátech 3-hydroxychinolin-4(1H)-onu, jejichž studium patří mezi dlouhodobější výzkumné záměry řešené na KOCH. V rámci studia těchto sloučenin byly vyvinuty metodiky vedoucí k přípravě 6-nitro-7-aminoderivátů (Journal of Combinatorial Chemistry 11(6), 951-955, 2009) resp. derivátům obsahujícím v poloze 6-8 karboxamidovou skupinu (Journal of Combinatorial Chemistry  9(5),  793-796, 2007).

1

                Pomocí přípravy několika generací chemických knihoven byly posléze objasněny některé vztahy mezi biologickou aktivitou a jednotlivými substituenty a byly nalezeny deriváty s nejvyšší aktivitou a terapeutickým indexem (ACS Combinatorial Science 13 (1), 39-44, 2011). Později byla vyvinuta metodika pro přípravu bisheterocyklických sloučenin výše uvedených derivátů obsahujících ve své struktuře purinový skelet (Journal of Combinatorial Chemistry 12 (6), 890-894, 2010). Při studiu chemické knihovny těchto derivátů byly opět nalezeny sloučeniny s vysokou cytotoxickou aktivitou proti některým nádorovým buněčným liniím.

2

V rámci studia purinových derivátů jako takových byla dále vyvinuta technika pro přímou arylaci skeletu do polohy 8 pomocí syntézy na pevné fázi (ACS Combinatorial Science, 13(5), 496-500, 2011). Vyvinutá metoda představuje účinnou techniku pro kombinatoriální syntézu knihoven tetrasubstituovaných purinů z komerčně dostupných výchozích látek.

3

V roce 2012 byly vyvinuty metodiky umožňující přípravu nových derivátů na bázi benzodiazepinového skeletu (ACS Combinatorial Science 14(12), 651-656, 2012, ACS Combinatorial Science 14(12), 645-650, 2012). Některé z cílových derivátů představují isomerní analoga léčiv s antidepresivním a sedativním účinkem a jsou v současné době předmětem studia biologických účinků.

4

V rámci vývoje nových nástrojů a přístupů pro provedení kombinatoriální syntézy na pevné fázi byly vyvinuty reakční nádoby pro polystyrenovou pryskyřici (Journal of Combinatorial Chemistry 10(5), 714-720, 2008). S pomocí jednoduchých reaktorů a instrumentálního vybavení lze tuto metodiku použít pro přípravu chemických knihoven různé velikosti.

5

Efektivita kapslí byla ověřena na kombinatoriální syntéze bisheterocyklických sloučenin obsahujících v jedné molekule skelet benzimidazolu a thiazolu (Journal of Combinatorial Chemistry 10 (6), 923-933, 2008). Připravena byla knihovna téměř 150-ti derivátů, které byly poskytnuty NIH pro biologické testování.

Jednou z variant provedení kombinatoriální syntézy je tzv. „diversity oriented synthesis“, při které je možno z jednoho typu meziproduktu připravit sérií reakcí s  různými reagenty odlišné typy organických skeletů. Příkladem z našeho výzkumu budiž syntéza variabilních dusíkatých heterocyklů s použitím 2-fluoro-4-chloro-5-nitrobenzoová kyseliny jako výchozí látky. V tomto případě lze získat ze společného imobilizovaného intermediátu na bázi o-fenylendiamu pěti- až sedmičlenné heterocykly: benzimidazoly, benzotriazoly, chinoxalinony, benzodiazepindiony (ACS Combinatorial Science, 5(1), 20–28, 2013).

6

Rozsáhlejším výzkumným záměrem řešeným na našem pracovišti je použití iminiových solí jako klíčových intermediátů pro přípravu rozmanitých heterocyklických skeletů pomocí syntézy na pevné fázi. Jako příklad zde uvádíme stereoselektivní syntézu (1S,5S)-6-oxa-3,8-diazabicyklo [3.2.1]oktanových derivátů. Tento přístup umožnil připravit menší knihovnu látek svou strukturou podobných látkám přírodním – tropanovým alkaloidům (Eur. J. Org. Chem., (15), 3158-3165, 2013).

7

Druhým příkladem iminové chemie na pevné fázi je reakční sekvence vedoucí k acyklickému meziproduktu vázanému na pevnou fázi přes Rinkův nebo Wangův linker, který byl dále stereoselektivně převeden na benzimidazoliny (Journal of Organic Chemistry 2012, 77(13), 5687-5695) a tetrahydrobenzopyrazino-thiadiazinon dioxidy.

8

 

Třetím příkladem z oblasti iminiové chemie je příprava derivátů tetrahydropyrazinopyrimidindionu či tetrahydroimidazopyrazindionu s použitím imobilizovaného N-acyl iminium dihydropyrazinonu jako výchozí látky. Vznik cílových skeletů je řízen typem substituentu na dusíku atakujícím iminiovou sůl (ACS Combinatorial Science 15(1), 59-72, 2013).

9

Použití iminiových sloučenin vedlo také k přípravě jednoduchých piperazinonů, piperazinů, tetrahydropyrazinů či sedmi-členných diazepinonů. Syntéza je založena na obdobné přípravě N-alkyl či N-acyl iminiové sloučenině a její následné stěpení z pevného nosiče v přítomnosti triethylsilanu, přičemž vzniká plně nasycený cyklický systém (Eur. J. Org. Chem. 26, 5057-5084, 2012).

10

Zajímavou chemii představuje i syntéza 2H-indazol 1-oxidů (Journal of Organic Chemistry 2008, 73 (22), 9027-9032), resp. 3,4-dihydropyrazino[1,2-b]indazol 6-oxidů (Journal of Combinatorial Chemistry 2009, 11(3), 370-374) a jejich deoxygenovaných forem. Byly připraveny knihovny derivátů, přičemž se podařilo nalézt  s významnou cytotoxickou aktivitou, které jsou v současné době předmětem dalšího zkoumání.

11

Výše uvedené oblasti výzkumu tvoří pouze ilustrativní vzorek, pro úplný a aktuální přehled v rámci této oblasti doporučujeme studium publikací sumarizovaných na webu KOCH PřF UP.