Защитные группы. Защита тиольной группы Защитные группы в органическом синтезе

Эта глава (посвящена рассмотрению основных особенностей шспользования защитных групп в синтезе. Она не претендует на исчерпывающее раскрытие этой темы, и будут приведены лишь некоторые (примеры.

10.1. Стратегия

В ходе синтеза часто необходимо провести превращение в одном месте, в то время как другой реакционноспособный участок должен остаться неизмененным. Для «выполнения этого используются два основных метода. Один из них, на который мы в основном, если не всегда, ссылались в предыдущих главах, состоит в тщательном выборе селективного реагента и (или) условий проведения реакции. Другой способ, который мы рассмотрим теперь подробно, предполагает такую временную модификацию участка, на котором реакция нежелательна, что он остается неизмененным в течение реакции на другом участке молекулы. В конце же реакции можно легко регенерировать лервоначальную группу. Группа, модифицирующая функцию, известна иод названием защитной группы.

Таким образом, черты, которые должны быть присущи идеальной защитной группе, следующие: 1) труппа вводится в мягких условиях; 2) группа стабильна в условиях проведения реакции, необходимой для проведения трансформации на других центрах; 3) труппа удаляется в мягких условиях. В некоторых случаях можно смягчить последнее условие и допустить возможность превращения защитной группы непосредственно в другую функциональную группу. Рассмотрим теперь, как можно удовлетворить эти условия на примере защиты гидроксильных групп. Коснемся также вопроса защиты амино- и карбонильных групп. Дополнительные примеры будут приведены в гл. 14.

Сама по себе идея применения защитных групп известна в общей орга­нической химии. Вот классический пример. Нужно пронитровать анилин и получить n-нитроанилин. Азотная кислота - сильный окислитель, а анилин легко окисляется. Следовательно, нитровать его непосредственно нельзя. По­этому аминогруппу анилина предварительно защищают: превращают в аце­тат, гораздо более устойчивый к окислителям, затем нитруют и в заключение удаляют защиту с аминогруппы щелочным гидролизом:

Здесь все просто. Анилин содержит два весьма различных по характеру реакционных центра - аминогруппу и ароматическое ядро. Поэтому избира­тельно защитить один из них не составляет проблемы. Продукт реакции - п-нитроанилин – весьма устойчивое соединение и легко переживает условия достаточно жесткого щелочного гидролиза. Следовательно, удаление защиты также не вызывает затруднений. В химии углеводов дело обстоит несравнен­но сложнее. Прежде всего, здесь функциональные группы весьма сходны, так что ввести защиту избирательно - а в этом весь смысл такой операции -весьма непросто. Таких групп в молекуле несколько (чтобы не сказать мно­го), а защитить нужно все, кроме одной двух. Понятно, что это обстоятельст­во, вообще говоря, не упрощает задачу. Наконец, сами углеводы и практиче­ски все их производные - соединения достаточно высоко реакционноспособные. Из-за этого возможности воздействий, пригодных для удаления защит на заключительных стадиях, а следовательно, типы применяемых защитных групп жестко ограничены.

Основные требования к защитным группам достаточно очевидны. Во-первых, они должны допускать избирательное введение. Во-вторых, сами защиты должны быть вполне устойчивы в условиях основной реакции. В-третьих, защиты должны допускать удаление в условиях, обеспечивающих сохранность как самой углеводной структуры, так и, разумеется, результатов главной реакции, ради осуществления которой и возводились защитные со­оружения. Наконец, не столь принципиально, но весьма немаловажно, чтобы реакции введения и удаления защитных групп проходили с высокими выхо­дами: иначе весь многостадийный синтез будет сопряжен со слишком значи­тельными потерями.

Из всего перечисленного наибольшие затруднения вызывает избира­тельное введение. Здесь нет каких-то разработанных правил, следуя которым можно механически выбрать необходимую последовательность превращений и типы защитных групп. Тем не менее есть ряд хорошо разработанных реак­ций, ведущих к образованию защит, и ряд принципов обеспечения их региоспецифичности. Так что сейчас грамотный синтетик может составить реаль­ный план синтеза, ведущего к избирательному освобождению любой функ­циональной группы в любом моносахариде. Но, подчеркнем еще раз, это не механическое применение готовых правил, а творческий процесс, требую­щий тщательного учета задач конкретного синтеза и выбора оптимальной схемы из ряда возможных. Поэтому не будем пытаться дать, так сказать, ал­горитм для избирательной защиты функций, а опишем лишь некоторые эле­ментарные приемы, применяемые в химии углеводов для этой цели.

Рассмотрим D-глюкозу. Пусть нам надо защитить все гидроксильные группы, кроме гидроксила при С-6. Такая задача сравнительно проста, так как интересующий нас гидроксил первичный и заметно отличается по реак­ционной способности от остальных гидроксилов в молекуле - вторичных спиртовых и полуацетального. Эту повышенную реакционную способность и используют на ключевой стадии синтеза. Глюкозу обрабатывают трифенил- метилхлоридов (тритилхлоридом, как его часто сокращенно называют) в пи­ридине. При реакции тритилхлорида со спиртами образуются простые тритиловые эфиры. Тритильная группа весьма объемиста, поэтому тритилирование пространственно более затрудненных вторичных спиртов проходит медлен­но, тогда как первичные тритилируются легко. Благодаря этому тритилиро­вание глюкозы проходит с высокой избирательностью и ведет к образованию тритилового эфира 12. Все остальные гидроксилы можно далее защитить ацетилированием уксусным ангидридом в пиридине. В полученном произ­водном 13 все функциональные группы защищены, но защищены по-разному. Тритиловый эфир может быть разрушен кислотным гидролизом в таких условиях, которые не затрагивают сложные эфиры - ацетаты. Продук­том такого гидролиза является тетраацетат 14, в котором свободен единст­венный гидроксил - при С-6.

Обратите внимание, каким парадоксальным путем идет этот синтез: для того, чтобы избирательно освободить гидроксил при С-6, мы начинаем с того, что его защищаем. И тем не менее конечная цель достигается весьма успешно. Пример характерен в двух отношениях: во-первых, химия углево­дов в части логики введения избирательных защит полна таких парадоксов, а во-вторых, использование избирательного тритилирования является общим (что редко в этой области) методом освобождения первичного гидроксила в сахарах.

Другой участок в молекуле моносахарида, также обладающий специ­фическими свойствами,- это гликозидный центр. Для его избирательной за­щиты чаще всего применяют синтез низших гликозидов, в простейшем слу­чае путем катализируемой кислотами конденсации моносахаридов со спир­тами (синтез гликозидов по Фишеру). Наиболее распространенные произ­водные для этой цели - метилгликозиды, каковы, например а-метил-D-глюкопиранозид (15), α-метил-D-рамнопиранозид (16) или β-метил-L-арабинопиранозид (17). Для расщепления метил-гликозидов необходимо произвести достаточно жесткий кислотный гидролиз или ацетолиз, что не всегда приемлемо по условиям устойчивости основного продукта. Чтобы из­бежать этого осложнения, пользуются бензил-гликозидами (например, (β-бензил-D-галактопиранозидом (18)), в которых защита может быть удалена в специфических условиях путем гидрогенолиза над палладиевым катализато­ром (см. схему).

Наибольшие трудности возникают при необходимости избирательной защиты части вторичных Гидроксилов моносахаридов, так как эти группы обладают наиболее близкими химическими свойствами. Чаще всего ключе­вой стадией в таких синтезах является образование тех или иных ацеталей или кеталей. Как известно, альдегиды и кетоны способны легко конденсиро­ваться со спиртами в присутствии кислотных катализаторов с образованием ацеталей или кеталей 19. Если в реакцию вводят двухатомный спирт с под­ходящим расположением гидроксильных групп, то такая реакция приводит к аналогично построенным циклическим производным типа 20. Ацетали и ке-тали расщепляются кислотным гидролизом в сравнительно мягких условиях и весьма устойчивы к щелочам, что делает их пригодными в качестве защит­ных групп в многочисленных типах синтезов.

Для того, чтобы циклические производные типа 20 могли образовы­ваться достаточно легко, необходимо соблюдение определенных требований к структуре исходного двухатомного спирта. Две его гидроксильные группы не должны быть расположены слишком далеко одна от другой, так как в про­тивном случае вероятность замыкания цикла резко падает и реакция идет предпочтительно межмолекулярно с образованием линейных олигомеров. Кроме того, возникновение циклической системы не должно вызывать значительных дополнительных напряжений в остальной части молекулы.

По этим причинам возможность образования циклических ацеталей или кеталей подчиняется жесткому контролю со стороны всей структуры, стереохимии и конформации субстрата. В результате реакции, ведущие к та­ким алкилиденовым производным, протекают весьма избирательно и затра­гивают не все, а лишь вполне определенные гидроксильные группы моноса­харида или его частично защищенного производного. Таким образом, введе­ние алкилиденовых группировок позволяет резко нарушить монотонность функциональных групп исходных соединений и создает основу для разнооб­разных способов избирательной защиты спиртовых гидроксилов .

ЗАЩИТНЫЕ ГРУППЫ , временно вводятся в молекулы орг. соед. для сохранения при хим. р-циях определенных реакц. центров. Защитные группы должны отвечать след. требованиям: а) избирательно защищать (блокировать) определенные функц. группы; б) быть устойчивыми к намеченным превращ. молекулы ; в) избирательно удаляться, регенерируя исходную группу в условиях, когда остальные части молекулы не изменяются. Защитные группы вводят с помощью р-ций замещения, присоединения, циклизации и др. Для осн. функц. групп (ОН, СО, СООН, NH 2 , NHR, SH) известно более 1200 защитных групп. Очень часто защитные группы используют в пептидных синтезах; благодаря их использованию осуществлен полный синтез мн. сложных орг. молекул , напр., инсулина , бычьей рибонуклеазы . Ниже приведены наиб. распространенные защитные группы. Алкильные и близкие к ним по строению группы защищают ОН, СООН, SH с образованием соотв. простых эфиров , сложных эфиров и сульфидов . Способы удаления таких защитных групп: метильной - действием ВВr 3 , Me 3 SiI с гидроксильной или щелочным гидролизом с карбоксильной группы ; аллильной - изомеризацией в виниловый эфир с послед. гидролизом ; b -метоксиэтоксиметильной СН 3 ОСН 2 СН 2 ОСН, -обработкой к-тами Льюиса, такими, как ZnBr 2 , TiCl 4 ; метилтиометильной CH 3 SCH 2 - действием солей Hg, Ag, Сu. Арилалкильные группы защищают NH 2 (NHR), ОН, СООН, SH с образованием соотв. замещенных аминов , простых и сложных эфиров , сульфидов . Примеры таких защитных групп: бензильная - легко удаляется в условиях гидрогенолиза , п-метоксибензильная селективно снимается при окислении 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохиноном, трифенилметильная - наряду с гидрогенолизом удаляется в кислой среде. Гетероциклич. группы используют для защиты ОН и SH с образованием смешанных ацеталей и тиоацеталей. Тетрагидропиранильная и тетрагидрофурильная защитные группы устойчивы к действию металлоорг. реагентов и легко удаляются при действии к-т; тетрагидротиопиранильная и тетрагидротиенильная устойчивее к к-там, однако легко гидролизуются в присут. солей Hg и Ag. Алкилиденовая и арилалкилиденовая группы защищают первичные амины , 1,2- и 1,3-диолы с образованием соотв. азометинов, циклич. ацеталей и кеталей . Такие защитные группы, напр., метиленовая, этилиденовая, изопропилиденовая, бензилиденовая и ее аналоги, легко удаляются при кислотном гидролизе . Ацильные группы защищают ОН, NH 2 (NHR), SH с образованием сложных эфиров , карбонатов , карбаматов , тиоэфиров , уреидов. Эти группы, напр., формильная, ацетильная , бензоильная, пивалоильная, 1-адамантоильная, достаточно устойчивы в кислой среде и легко снимаются действием оснований или LiAlH 4 . Адамантоильная группа, в отличие от остальных ацильных, устойчива к действию магний- и литийорг. соединений. Алкоксикарбонильные группы близки по св-вам к ацильным. N-Фенилкарбамоильная группа более устойчива к щелочному гидролизу . Силильные группы защищают ОН, SH, NH 2 (NHR), СООН, образуя силиловые эфиры и силилзамещенные амины . Триметил-, триэтил-, триизопропил-, трет-бутилметил-, трет-бутилдифенилсилильные группы (в этом ряду увеличивается устойчивость в условиях кислотного гидролиза) легко удаляются при действии фторид-аниона; последние две из перечисленных силильных групп - одни из наиб. универсальных и наиб. часто используемых защит ОН. Алкоксильные и близкие к ним по строению группы защищают карбонильную ф-цию, образуя ацетали и дитиоацетали, в т. ч. циклические. Такие защитные группы, напр., диметокси-, диэтокси-, этилендиокси- и пропилендиоксигруппы, удаляют кислотным гидролизом , причем циклич. защитные группы более устойчивы, а скорость гидролиза пропилендиоксигруппы выше, чем этилендиоксигруппы. Ди(метилтио)-, ди(бензилтио)-, этилендитио- и пропилендитиогруппы гидролизуются в нейтральных условиях в присут. солей Hg, Ag, Cu. Азотсодержащие группы защищают карбонильную ф-цию с образованием оксимов , гидразонов , азометинов, карбоксильную - с образованием гидразидов; указанные производные удаляются действием к-т.
===
Исп. литература для статьи «ЗАЩИТНЫЕ ГРУППЫ» : Защитные группы в органической химия , пер. с англ., М., 1976; Greene T.W., Protective groups in organic synthesis, N.Y., 1981, В. Г. Яшунский.

Страница «ЗАЩИТНЫЕ ГРУППЫ» подготовлена по материалам


ЗАЩИТНЫЕ ГРУППЫ , временно вводятся в орг. соед. для сохранения при хим. реакциях определенных реакц. центров. 3. г. должны отвечать след. требованиям: а) избирательно защищать (блокировать) определенные функц. группы; б) быть устойчивыми к намеченным превращ. молекулы; в) избирательно удаляться, регенерируя исходную группу в условиях, когда остальные части не изменяются. 3. г. вводят с помощью реакций замещения, присоединения, и др. Для осн. функц. групп (ОН, СО, СООН, NH 2 , NHR, SH) известно более 1200 защитные группы Очень часто защитные группы используют в пептидных синтезах; благодаря их использованию осуществлен полный синтез мн. сложных орг. молекул, например, . бычьей . Ниже приведены наиб. распространенные защитные группы Алкильные и близкие к ним по строению группы защищают ОН, СООН, SH с образованием соотв. . и сульфидов. Способы удаления таких 3. г.: метильной - действием ВВr 3 , Me 3 SiI с гидроксильной или щелочным с карбоксильной группы; аллильной - в с послед. гидролизом; b-метоксиэтоксиметильной СН 3 ОСН 2 СН 2 ОСН, -обработкой кислотами Льюиса, такими, как ZnBr 2 , TiCl 4 ; метилтиометильной CH 3 SCH 2 - действием Hg, Ag, Сu. Арилалкильные группы защищают NH 2 (NHR), ОН, СООН, SH с образованием соотв. замещенных . простых и сложных эфиров, сульфидов. Примеры таких 3. г.: бензильная - легко удаляется в условиях . п -метоксибензильная селективно снимается при 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохиноном, трифенилметильная - наряду с гидрогенолизом удаляется в кислой среде. Гетероциклич. группы используют для защиты ОН и SH с образованием смешанных ацеталей и тиоацеталей. Тетрагидропиранильная и тетрагидрофурильная 3. г. устойчивы к действию металлоорг. реагентов и легко удаляются при действии кислот; тетрагидротиопиранильная и тетрагидротиенильная устойчивее к кислотам, однако легко гидролизуются в присутствии Hg и Ag. Алкилиденовая и арилалкилиденовая группы защищают первичные амины, 1,2- и 1,3-диолы с образованием соотв. азометинов, циклич. ацеталей и кеталей. Такие защитные группы , например, метиленовая, этилиденовая, изопропилиденовая, бензилиденовая и ее аналоги, легко удаляются при кислотном гидролизе. Ацильные группы защищают ОН, NH 2 (NHR), SH с образованием сложных эфиров, карбонатов, карбаматов, тиоэфиров, уреидов. Эти группы, например, формильная, ацетильная, бензоильная, пивалоильная, 1-адамантоильная, достаточно устойчивы в кислой среде и легко снимаются действием оснований или LiAlH 4 . Адамантоильная группа, в отличие от остальных ацильных, устойчива к действию магний- и литийорг. соединений. Алкоксикарбонильные группы близки по свойствам к ацильным. N-Фенилкарбамоильная группа более устойчива к щелочному гидролизу. Силильные группы защищают ОН, SH, NH 2 (NHR), СООН, образуя силиловые эфиры и силилзамещенные амины. Триметил-, триэтил-, триизопропил-, трет -бутилметил-, трет -бутилдифенилсилильные группы (в этом ряду увеличивается устойчивость в условиях кислотного гидролиза) легко удаляются при действии фторид-аниона; последние две из перечисленных силильных групп - одни из наиб. универсальных и наиб. часто используемых защит ОН. Алкоксильные и близкие к ним по строению группы защищают карбонильную ф-цию, образуя ацетали и дитиоацетали, в т. ч. циклические. Такие защитные группы , например, диметокси-, диэтокси-, этилендиокси- и пропилендиоксигруппы, удаляют кислотным гидролизом, причем циклич. защитные группы более устойчивы, а скорость гидролиза пропилендиоксигруппы выше, чем этилендиоксигруппы. Ди(метилтио)-, ди(бензилтио)-, этилендитио- и пропилендитиогруппы гидролизуются в нейтральных условиях в присутствии Hg, Ag, Cu. Азотсодержащие группы защищают карбонильную ф-цию с образованием оксимов, гидразонов, азометинов, карбоксильную - с образованием гидразидов; указанные производные удаляются действием кислот. Лит.: Защитные группы в органической химия, пер. с англ., М., 1976; Greene T.W., Protective groups in organic synthesis, N.Y., 1981, В . Г. Яшунский.

Выберите первую букву в названии статьи.

При защите каких-либо функциональных групп, которые необходимо сохранить при проведении запланированных химических реакций по другим частям молекулы, реализуется следующая цепочка химических превращений:

1) Введение защитной группы (P) в исходный субстрат S;

2) Реакция между защищенным субстратом PS и используемым реагентом Y;

3) Последующее удаление блокирующей группы P и образование продукта SY.

Сильная нуклеофильность, легкая окисляемость и кислый характер тиольной группы цистеина требуют селективного блокирования группы на всех стадиях синтеза. В 1930 г. дю Виньо впервые применил S-бензильный остаток для зашиты тиольной функции. В наше время все большее значение приобретают такие группы, которые могут приводить прямо к дисульфидному связыванию с образованием цистина без предшествующего деблокирования. Для образования дисульфидных мостиков служат методы иодолиза, роданолиза (диродановый метод или метод Хискн) или метод Камбера (посредством метоксикарбонилсульфенилхлорида Cl-S-CO-OCH3).

Наиболее употребительными тиолзащитными группами являются ациламииометилполутноацеталн (S.N-ацетали), тиоацетали, тиоэфиры, тиоуретаны и несимметричные дисульфиды.

Несмотря на значительное количество защитных групп, предложенных для блокирования тиольной функции, поиск новых реагентов продолжается, так как каждая из используемых групп имеет ряд недостатков.

Дифенилметил

пептидный защита тиольный ангидрид

Дифенилметил (или по-другому бензгидрил) является радикалом дифенилметана.

Рис. 6.

Дифенилметан может быть получен из бензола и хлористого бензила (1.1) с применением в качестве конденсирующего агента хлористого алюминия, фтористого водорода, хлористого бериллия, двойной соли хлористого алюминия и хлористого натрия, цинковой пыли, хлористого цинка или амальгамы алюминия.

Бензол и бензиловый спирт дают дифенилметан при действии фтористого бора, фтористого водорода или хлористого бериллия (1.2).

Дифенилметан был получен также из бензола, хлористого метилена и хлористого алюминия (1.3) и из бензола, формальдегида в среде концентрированной серной кислоты (1.4). Восстановление бензофенола до дифенилметана было осуществлено действием иодисто-водородной кислотой и фосфором, натрия и спирта, и сплавлением с хлористым цинком и хлористым натрием (1.5). Конденсацию хлористого бензилмагния с бензолом с образованием дифенилметана можно осуществить добавлением небольших количеств магния и воды (1.6).

S -Бензгидрильная защита

По данным классических исследований тиоэфиры - наиболее известные и широко используемые защитные группы для тиолов. Тиоэфирные производные цистеина или других тиолов обычно получают реакцией нуклеофильного замещения, в которой меркаптофункция выступает как нуклеофил. Бензгидрил используется для защиты тиолов в виде бензгидрилового эфира.

2.2.1 Введение S -бензгидрильной защиты

S -Бензгидрильную защитную группу впервые предложили Зервас и Фотаки. Они показали, что для введения бензгидрильной защиты можно использовать не только тиоэфиры, но и хлориды. Так, например чтобы ввести бензгидрильную защиту в L-цистеин, нужно взять подходящий хлорид и подействовать им на хлоргидрат цистеина в диметилформамиде.

Рис. 7.

2.2.2 Удаление S -бензгидрильной защиты

S - Бензгидрильную защитную группу удаляют нагреванием до 70°С с трифторуксусной кислотой, содержащей фенол, или с меньшим успехом 2 н. раствором бромистого водорода в уксусной кислоте при 50-55°С. Недавно в результате детального изучения условий реакции было показано, что при использовании трифторуксусной кислоты, содержащей 2,5% фенола (16 ч, 30°С) или 15% фенола (15 мин, 70°С), тиол образуется практически с количественным выходом. При добавлении 10% воды выход тиола понижается, по-видимому, из-за снижения кислотности реакционной смеси, что приводит к уменьшению образования сопряженной кислоты из тиоэфира. По данным Кенига и др., трифторуксусная кислота при 70°С в отсутствие фенола практически не действует на S-бензгидриловый эфир.

Зервакс и Фотаки показали, что S-бензгидриловый эфир L-цистеина можно расщепить действием ионов серебра или ртути.

Сакакибара и др. предложили удалять S-бензгидрильную защитную группу фтористый водородом и анизолом. Как и следовало ожидать, расщепление сульфидов происходило быстро из-за большой устойчивости образующихся катионов.

S-Бензгидрильную защиту можно снять действием сульфенилтиоцианатов или родана в присутствии сульфидной связи используя кислые условия.

Рис. 8. Схема удаления бензгидрильной защиты

Трет-бутильная защитная группа

В пептидном синтезе для защиты тиольной группы также используют трет-бутиловые эфиры. Они имеют чрезвычайно большое значение для синтеза пептидов, т.к. трет - бутилэфирная группа очень легко отщепляется.

Рис. 9.

Трет-бутиловый эфир получают при взаимодействии спирта с избытком изобутилена в условиях кислотного катализа (конц. H2SO4) при комнатной температуре:

2.3.1 Введение трет-бутильной защитной группы

S-трет-Бутиловый эфир вводится и получаются следующим образом :

Также при обработке N - фталоил - L - цистеина изобутеленом в присутствии серной кислоты в качестве катализатора с достаточно высоким выходом получен трет-бутиловый эфир N - фталоил - S - трет - бутил - L - цистеина :

2.3.2 Удаление трет-бутильной защитной группы

Результаты исследований Ола, Кэйна и др. показали, что трет--бутильную группу можно удалить в кислой среде. Ясно, однако, что, если не применять сильные кислоты, реакция идет медленно и положение равновесия, как правило, неблагоприятно. Каллаган и сотр. изучая введение и удаление S-трет-бутильных групп в различных пептидах, пришли к аналогичному выводу.

Для гладкого удаления S-трет-бутильной группы в трет-бутиловом эфире S-трет-бутил- L-цистеина опробован целый ряд кислотных реагентов. Все они, за исключением трифторуксусной кислоты (наиболее слабой из изученных), приводят к освобождению некоторого количества цистеина; наиболее эффективными оказались сильные кислоты (хлорная кислота в уксусной), но даже в этих условиях присутствовал S-трет-бутил-L-цистеин. Однако Сакакибара и др. показали, что S -трет -бутильную группу можно гладко удалить из цистеина под действием сильной кислоты и акцептора катионов (фтористый водород - анизол).

Последнюю реакцию, протекающую при комнатной температуре, можно использовать для препаративных синтезов, так как она дает достаточно высокие выходы тиолов. Несмотря на это, получение S-трет-бутилтиоэфиров цистеина до сих пор не нашло применения для защиты.

Но Бейерман и Бонтекое показали, что S-трет-бутил-L-цистеин расщепляется при кипячении с водным раствором хлорида ртути (II ).