Номер 163, страница 183 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

5.163. Какие защитные группы используют в синтезе полипептидов? Запишите уравнения реакций постановки и снятия таких защитных групп.

В синтезе полипептидов используют защитные группы для временной блокировки реакционноспособных функциональных групп (аминогрупп, карбоксильных групп и функциональных групп в боковых цепях аминокислот), чтобы предотвратить нежелательные побочные реакции и обеспечить образование пептидной связи в строго определенной последовательности. Выбор защитных групп определяется их способностью легко вводиться в молекулу, быть устойчивыми в условиях образования пептидной связи и селективно удаляться в мягких условиях, не затрагивая другие функциональные группы и саму пептидную связь.

Защита аминогруппы ($\alpha$-NH$_2$)

Наиболее распространенными защитными группами для аминогруппы являются группы уретанового типа.

1. трет-Бутоксикарбонильная группа (Boc)

Постановка: Аминогруппу ацилируют ди-трет-бутилдикарбонатом (Boc-ангидридом) в слабощелочной среде.

$$ \text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + ((CH_3)_3\text{COCO})_2\text{O} \xrightarrow{\text{Основание}} (CH_3)_3\text{C-O-CO-NH-CHR-COOH} + (CH_3)_3\text{COH} + \text{CO}_2 $$

Снятие: Boc-группа устойчива к основаниям и каталитическому гидрированию, но легко удаляется действием сильных кислот, например, трифторуксусной кислоты (TFA).

$$ (CH_3)_3\text{C-O-CO-NH-CHR-R'} \xrightarrow{\text{TFA}} \text{H}_3\text{N}^+\text{-CHR-R'} + (CH_3)_2\text{C=CH}_2 + \text{CO}_2 $$

Ответ: Boc-группа вводится с помощью Boc-ангидрида и снимается действием сильной кислоты (например, TFA).

2. 9-Флуоренилметоксикарбонильная группа (Fmoc)

Постановка: Аминокислоту обрабатывают N-(9-флуоренилметоксикарбонилокси)сукцинимидом (Fmoc-OSu) или 9-флуоренилметилхлороформатом (Fmoc-Cl).

$$ \text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + \text{Fmoc-OSu} \xrightarrow{\text{Основание}} \text{Fmoc-NH-CHR-COOH} + \text{HOSu} $$

Снятие: Fmoc-группа, в отличие от Boc, очень чувствительна к основаниям и удаляется обработкой вторичным амином, обычно 20% раствором пиперидина в диметилформамиде (ДМФА).

$$ \text{Fmoc-NH-CHR-R'} + \text{Пиперидин} \longrightarrow \text{H}_2\text{N-CHR-R'} + \text{Дибензофульвен-пиперидиновый аддукт} $$

Ответ: Fmoc-группа вводится с помощью Fmoc-OSu или Fmoc-Cl и снимается действием основания (например, пиперидина).

3. Бензилоксикарбонильная группа (Cbz или Z)

Постановка: Аминогруппу ацилируют бензилхлороформатом (карбобензоксихлоридом) в щелочной среде (реакция Шоттена-Баумана).

$$ \text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{OCOCl} \xrightarrow{\text{NaOH}} \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{O-CO-NH-CHR-COOH} + \text{HCl} $$

Снятие: Cbz-группа удаляется каталитическим гидрированием (гидрогенолизом) на палладиевом катализаторе. Этот метод не затрагивает большинство других защитных групп.

$$ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{O-CO-NH-CHR-R'} \xrightarrow{\text{H}_2, \text{Pd/C}} \text{H}_2\text{N-CHR-R'} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + \text{CO}_2 $$

Ответ: Cbz-группа вводится с помощью бензилхлороформата и снимается каталитическим гидрированием.

Защита карбоксильной группы (-COOH)

Карбоксильную группу обычно защищают путем превращения ее в сложный эфир.

1. Бензиловый эфир (-OBn)

Постановка: Реакция аминокислоты с бензиловым спиртом в присутствии кислотного катализатора (например, п-толуолсульфокислоты).

$$ \text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{OH} \xrightarrow{\text{H}^+, -\text{H}_2\text{O}} \text{H}_2\text{N-CHR-COOCH}_2\text{C}_6\text{H}_5 $$

Снятие: Как и Cbz-группа, бензильный эфир удаляется каталитическим гидрированием. Это позволяет одновременно снять защиту с N- и C-концов пептида, если они защищены Cbz и OBn соответственно.

$$ \text{R'-NH-CHR-COOCH}_2\text{C}_6\text{H}_5 \xrightarrow{\text{H}_2, \text{Pd/C}} \text{R'-NH-CHR-COOH} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 $$

Ответ: Бензиловый эфир вводится реакцией с бензиловым спиртом и снимается каталитическим гидрированием.

2. трет-Бутиловый эфир (-OtBu)

Постановка: Реакция N-защищенной аминокислоты с изобутиленом в присутствии сильной кислоты (например, серной).

$$ \text{P-NH-CHR-COOH} + \text{CH}_2\text{=C(CH}_3)_2 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{P-NH-CHR-COOC(CH}_3)_3 $$

Снятие: Аналогично Boc-группе, трет-бутиловый эфир удаляется обработкой кислотой (TFA). Это позволяет одновременно снять защиту с Boc-защищенной аминогруппы и трет-бутилового эфира.

$$ \text{R'-NH-CHR-COOC(CH}_3)_3 \xrightarrow{\text{TFA}} \text{R'-NH-CHR-COOH} + (CH_3)_2\text{C=CH}_2 $$

Ответ: трет-Бутиловый эфир вводится с помощью изобутилена и снимается действием кислоты.

Защита функциональных групп в боковых цепях

Функциональные группы в боковых радикалах аминокислот (например, -OH у серина, -SH у цистеина, -NH$_2$ у лизина, -COOH у аспарагиновой кислоты) также требуют защиты. Выбор защитной группы зависит от ее природы и должен быть ортогонален (сниматься в других условиях) защитным группам на $\alpha$-амино и $\alpha$-карбоксильной группах.

Пример: Защита гидроксильной группы серина бензильным эфиром (Bn).

Постановка:

$$ \text{P-NH-CH(CH}_2\text{OH)-COOR'} \xrightarrow{\text{NaH, C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{Br}} \text{P-NH-CH(CH}_2\text{OCH}_2\text{C}_6\text{H}_5\text{)-COOR'} $$

Снятие:

$$ \text{...-NH-CH(CH}_2\text{OCH}_2\text{C}_6\text{H}_5\text{)-CO-...} \xrightarrow{\text{H}_2, \text{Pd/C}} \text{...-NH-CH(CH}_2\text{OH)-CO-...} + \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 $$

Ответ: Функциональные группы боковых цепей защищают группами, устойчивыми к условиям синтеза пептидной цепи, но удаляемыми на конечном этапе. Например, бензильный эфир (Bn) для -OH и -SH групп (снимается гидрогенолизом) или трет-бутильные группы (Boc для -NH$_2$, OtBu для -COOH) (снимаются кислотой).