Metodologie sintetiche

Metodologie sintetiche ed analitiche

Le reazioni di laboratorio non sono quasi mai quantitative, con resa del 100%, e spesso i reagenti sono usati in grande eccesso o comunque con una certa percentuale in più per migliorare la resa. Bisogna fare attenzione alle reazioni indesiderate o ai prodotti secondari, ad esempio nella sintesi dell’aspirina si può formare un polimero indesiderato nella reazione di acetilazione dell’acido salicilico, si deve infatti avere attenzione per le condizioni di reazione, altrimenti l’acido salicilico si esterifica da solo, si abbassa la resa e per questo lo si deve eliminare prima di purificare il prodotto.

Metodologie di separazione e purificazione

• Filtrazione: per gravità o a vuoto
• Cristallizzazione
• Sublimazione
• Distillazione per miscele binarie
• Estrazione liquido-liquido
• Cromatografia, TLC o colonna

Sintesi asimmetrica

L’attività dei composti organici deriva dall’interazione con biomolecole che sono i siti di azione che sono costituiti da building blocks, cioè dei mattoni di formazione chirali, fatti da amminoacidi o carboidrati. Ad esempio la vancomicina è un eptapeptide con numerosi centri chirali, è attivo contro i Gram + inibendo la polimerizzazione del peptidoglicano della parete cellulare, se uno dei centri chirali si modifica anche l’attività cambia. La molecola lega i precursori del peptidoglicano che termina con la sequenza D-Ala-D-Ala, ma cambiando la stereochimica del target facendolo diventare L-Ala, ciò implica una diminuzione dell’energia di binding, dunque indica che la vancomicina discrimina tra i due siti, ossia tra D e L.

Me OMe O HHO C NH 2HO C N2 N PhHN PhH OO MeMe Modello D-Ala-D-Ala Modello L-Ala-D-Ala

La talidomide invece era un farmaco usato come antinausea e sedativo per le donne in gravidanza, rivelandosi teratogeno come racemo.

Un composto chirale biologicamente attivo può prevedere più situazioni:

• Solo un enantiomero è attivo
• Un enantiomero ha maggiore attività dell’altro
• Gli enantiomeri hanno attività uguale o simile
• Gli enantiomeri sono entrambi attivi, ma con attività diverse

PhPh PhPh PhPh OCOEt NMeNMe OCOEt 22

Nel caso di queste due molecole, che sono enantiomeri, entrambe sono attive, la prima, in commercio come Darvon, è un oppiaceo analgesico studiato per evitare gli effetti collaterali degli oppioidi come l’arresto respiratorio, mentre il suo enantiomero, in commercio come Novrad, ha anche attività, ma antitussiva e scarsa attività analgesica.

Dagli anni 90 in poi in commercio sono aumentati i farmaci enantiomerici, in particolare venduti come singoli enantiomeri invece che come racemi, ciò deriva dallo studio delle tecniche di risoluzione e delle reazioni enantioselettive.

Isomeri, stereoisomeri e prochiralità

Gli isomeri sono composti diversi con la stessa formula bruta, all’interno si dividono gli isomeri strutturali che hanno gli stessi atomi ma in posizioni differenti, mentre gli stereoisomeri hanno gli stessi atomi, gli stessi legami, ma disposizione spaziale diversa. Tra gli stereoisomeri poi si distinguono diastereoisomeri che sono molecole sovrapponibili, ma non speculari, mentre gli enantiomeri sono molecole non sovrapponibili ma speculari, negli enantiomeri poi ci possono essere gli enantiomeri puri o la miscela racemica. La prochiralità è una molecola di per sé achirale, ma che può diventare chirale in un unico passaggio.

Per avere una sintesi asimmetrica la condizione necessaria e sufficiente è che almeno uno dei componenti sia chirale e non racemico, se nella reazione non c’è alcun componente asimmetrico, gli stati di transizione che portano agli enantiomeri saranno di uguale energia e quindi si formerà un racemo. Se invece una caratteristica della reazione porta a stati di transizione diastereoisomerici, allora si potrebbe formare preferenzialmente un diastereoisomero o un enantiomero.

Se il substrato è chirale, allora si avrà la formazione di un nuovo stereocentro, gli stati di transizione saranno diastereoisomerici e quindi si formerà uno dei diastereoisomeri prevalentemente.

Si strappa il protone in α al carbonile formando l’enolato, il litio andrà a chelare il sistema formando il chelato come intermedio, per cui si forma una struttura rigida, quando arriva l’elettrofilo esso si attacca al doppio legame, potenzialmente può attaccare sia sopra che sotto il piano, ma con un ausiliario chirale che presenta un ingombro sterico sotto il piano, il gruppo isopropilico, il composto attaccherà preferenzialmente sopra il piano e sarà possibile separarlo. La reazione dà infatti un eccesso diastereoisomerico del 98%.

Il chetone è un agente prochirale, in quanto se ridotto può diventare chirale, quindi il chetone viene posto con LiAlH4 che è achirale, esso può attaccare da due direzioni diverse, come indicato sopra, e si hanno così due stati di transizione che hanno stessa energia, ciò vuol dire che c’è la stessa probabilità di attacco da un lato e dall’altro e che procedono alla stessa velocità, si otterrà quindi un racemo perché si formano in eguale quantità.

Gli stati di transizione enantiomerici sono quelli che si hanno tra reagenti achirali e che portano alla formazione di racemi perché gli stati di transizione hanno stessa energia.

Il reagente è l’alcol di Darvon, è chirale ed è enantiomericamente puro, questo forma un complesso con LiAlH4 che si indica con L*. La reazione con un chetone prochirale si ha l’attacco da entrambi i lati, quindi si possono formare i due enantiomeri, ma gli stati di transizione sono diastereomerici, cioè hanno energia diversa, procedono a diversa velocità e allora si avrà la formazione in eccesso dell’enantiomero che ha lo stato di transizione a energia più bassa.

Nel caso dell’uso di un agente chirale, gli stati di transizione saranno tra loro diastereomerici, cioè hanno energia diversa e porteranno alla formazione preferenziale dell’enantiomero con lo stato di transizione a minore energia, ciò quindi è una reazione di sintesi asimmetrica.

Solventi, catalizzatori e ausiliari chirali

Nella reazione si deve usare un solvente che sia compatibile con i reagenti utilizzati, così prendendo un solvente chirale, esso può solvatare le specie ed entra negli stati di transizione, per cui è più probabile avere stati di transizione diastereomerici e quindi una sintesi asimmetrica. Questo approccio però non ha avuto grande sviluppo perché è difficile aver solventi di uso generale con una buona stereoselettività. Si sono sviluppati anche i cosiddetti agenti solvatanti chirali che solvatano alcune specie in particolare favorendo il proseguire di una reazione in una certa direzione.

L’uso di un catalizzatore chirale può dare stati di transizione diastereomerici e quindi una sintesi asimmetrica. Se si mette un substrato prochirale con un catalizzatore chirale si ha un complesso, il catalizzatore interviene modificando il substrato che una volta trasformato si stacca dal complesso, così è possibile recuperare il catalizzatore per un altro ciclo di catalisi.

Gli ausiliari chirali formano col substrato non un complesso ma un legame covalente, si ottiene così una unione tramite una reazione che avviene sul substrato prochirale, si crea il nuovo stereocentro, si può avere anche più di un diastereoisomero, ma una volta che la reazione è terminata si deve staccare il substrato modificato con un’altra reazione, così si può recuperare l’ausiliario chirale per un nuovo ciclo. Gli ausiliari devono essere enantiomericamente puri, non troppo costosi e disponibili in grandi quantità, devono avere un alto controllo della stereoselettività, devono essere purificabili e separabili facilmente generalmente per cromatografia e senza epimerizzazione.

Si parte dall’ausiliario chirale con il sostituente che dà già l’ingombro su uno dei piani. Si lega il carbonile in presenza di una base che strappa il protone in α. Si utilizza il cloruro acilico invece che l’acido carbossilico perché è più reattivo e dà una resa maggiore. Il BuLi reagisce violentemente con l’acqua quindi l’ambiente deve essere anidro. L’LDA è la base che strappa il protone acido a formare l’enolato che dà il sistema di chelazione del Li che è rigido, quindi quando si mette l’elettrofilo si ha l’attacco preferenzialmente sulla faccia superiore perché l’inferiore è bloccata dal sostituente isopropilico. Per staccare il prodotto dall’ausiliario si usa LiOH, quindi condizioni basiche, recuperando così l‘ausiliario e ottenendo l’acido carbossilico come prodotto chirale non racemico.

Risoluzione cinetica ed epossidazione asimmetrica

La risoluzione cinetica è una risoluzione che avviene in base alla differenza di reattività degli enantiomeri in presenza di un certo reagente che può essere fonte di chiralità. Per questo si usano quantità stechiometriche di reagente in modo che l’enantiomero la cui reazione è favorita reagisca in grande quantità, mentre l’altro rimane pressoché intatto.

Epossidazione asimmetrica, gli epossidi sono dei sistemi molto reattivi con i nucleofili dando l’apertura dell’anello e formazione di centri chirali. Questo tipo di epossidazione richiede per la formazione dell’epossido un alcol allilico come substrato. In questo caso si parte da un racemo, la fonte di chiralità è il dietil tartrato, questo favorisce l’aggiunta dell’ossigeno da sopra il piano quando in forma (-), per questo reagirà preferenzialmente col secondo enantiomero in quanto l’altro ha l’etile sopra il piano che crea ingombro sterico. Si ottiene così l’enantiomero principale con quantità stechiometriche dei reagenti, dunque si ha completamente la conversione di un enantiomero, mentre l’altro è recuperato praticamente inalterato.

Se si usano due composti chirali per reagire tra loro, esistono come concordi che danno quindi un aumento della formazione di uno degli enantiomeri, mentre le coppie discordi non danno fenomeni di selettività intrinseca.

Addizioni a composti carbonilici

O Nuc OHHO NucA AA Nuc R RR B C BB CC 1 2R' ZH R OHR HO OH RHO RA Z ZAA Z 2 A Z 22 211 11B H BCB R' HCR' BC R'H R'C H3 4 5 6

Attacco dalla faccia superiore del C=O Attacco dalla faccia inferiore del C=O

Si fa reagire il carbonile con un composto achirale, l’attacco dalla faccia superiore si vede perché l’OH va sopra il piano, mentre nell’altro caso va sotto il piano. Il problema sorge quando il carbonile lo si fa reagire con un nucleofilo chirale, in questo caso non si avranno due composti, ma quattro diastereoisomeri. I composti 3 e 4 derivano dall’attacco sulla faccia superiore del carbonile perché l’OH è sopra il piano, però dipende anche da quale faccia del nucleofilo reagisce con il carbonile. Lo stesso vale per l’attacco sulla faccia inferiore del carbonile.

Regola di Cram e modello di Felkin-Anh

Nell’addizione a carbonilici può esserci un percorso senza chelazione oppure uno con chelazione. La chelazione blocca il sistema, per cui è stata introdotta la regola di Cram che razionalizza l’addizione di reagenti organometallici a carbonili, in assenza di chelazione.

O O OHNucM MNucM S RR Nuc SLS LRL Modello a catena aperta di CramRM M ONuc L LNucS SO RSfavorito dall'interazione sterica Minima interazione stericafra Nuc e M di NucModello di Felkin-Anh

Si prende un sistema senza chelazione, dunque è flessibile, in questo caso il nucleofilo attacca secondo la catena aperta di Cram preferenzialmente dalla faccia inferiore e attacca nella direzione della posizione con minore ingombro sterico. Il modello a catena aperta è stato poi corretto da Felkin-Anh che conferma che il sostituente large si dispone in maniera perpendicolare al carbonile, mentre nel modello di Cram era più sfalsato. La conformazione B risulta poi sfavorita perché prevederebbe l’attacco del nucleofilo vicino il sostituente medium, dunque c’è un maggiore ingombro sterico, per questo la conformazione A è favorita dove il large è perpendicolare al carbonile, mentre il nucleofilo attacca vicino al sostituente small con un angolo di 109° rispetto al carbonile.

Modello chelato di Cram

MO Y NucO HONucY YR RS SSL LR LNucModello chelato di Cram

Sostituendo il gruppo medio con un gruppo con un doppietto elettronico, deve essere sufficientemente vicino al carbonile e quindi può chelare il controione formando il modello chelato di Cram. L’addizione avviene quindi in prossimità del sostituente small sulla faccia inferiore del carbonile.

R OHH NiRTi(OPr )3 Ph HO OHRO 2R = Me, BuH e.d. > 98%N R CHO1Ph OHH RO H NRLi Ph HOR = Me, Bue.d. - 60%

Derivato della prolina, con il reagente sopra si ha l’attacco dalla faccia superiore, mentre con i derivati del litio si ha l’attacco dalla faccia inferiore, quindi un aumento dell’eccesso enantiomerico, ancora di più con la sostituzione del magnesio con il titanio.

Sono preferiti derivati dell’ossigeno sostituiti con gruppi protettivi come MOM, MEM e BOM e l’attacco è sempre dalla faccia inferiore.

Sintesi enantioselettiva del triesifenidile

Sintesi enantioselettiva del triesifenidile:

La reazione di stacco dell’ausiliario è specifica per ognuno, in questo caso basta una colonna in silica con acqua. Al secondo passaggio c’è il coinvolgimento degli ioni silile, il magnesio attacca l’aldeide formando un βidrossisilano che in presenza dell’idruro viene strappato un protone a formare O- nell’aldeide che dà un intermedio tetraedrico che elimina l’acossido e lascia il doppio legame, olefinazione di Peterson. Il metilene terminale è reattivo, per cui si usa un derivato del boro, si ossida con acqua ossigenata in ambiente basico e si ha l’alcol primario. Si sostituisce l’alcol con TsCl e la reazione con piperidina porta al triesfenidile.

Ossitiano e mevalolattone

L’ossitiano è un ausiliario chirale sintetizzato a partire dal pulegone. Entra nella sintesi di due enantiomeri del mevalolattone in quanto si attacca all’ossitiano il composto carbonilico e ciò che viene diventa il substrato per l’addizione nucleofila al carbonilico:

La prima reazione è la sintesi dell’ossitano, poi si attacca il carbonile su cui si fa la reazione. Il nucleofilo attacca dalla faccia inferiore con un eccesso enantiomerico del 95%. Il mevalolattone è un lattone ciclico che si chiama delta valerolattone. Come sblocco dell’ossitiano si usa N-clorosuccinimmide e argento nitrato, si ottiene così un’aldeide, si usa poi NaBH4 che riduce l’aldeide ad alcol. Sull’alcol si mette il TsCl in piridina per proteggere, in quantità stechiometriche reagirà preferenzialmente con l’alcol primario invece che col terziario. La piridina viene eliminata dal sistema di reazione o facendo evaporare con toluene, oppure si estrae con solfato di rame che forma un complesso eliminandola dal sistema di reazione. Si fa una sostituzione con KCN, dai nitrili si possono avere gli acidi carbossilici tramite trattamento con acqua ossigenata in soda, in forma di pastiglie che quando si prepara la soluzione viene sciolta in acqua ed è una reazione fortemente esotermica. Si riduce l’acido carbossilico ad alcol con DMAP, dimetilamminopiridina. Il fenile è trasformato in carbossilico tramite composti del rutenio e un ambiente basico, poi passando all’ambiente acido si ha la ciclizzazione intramolecolare.

Per evitare reazioni collaterali si protegge con anidride acetica l’alcol terziario, si procede poi con il rutenio, e infine si arriva all’acido carbossilico al posto dell’alcol primario, in questo modo alla fine si ottiene l’altro enantiomero a partire da uno stesso intermedio.

Mevalolattone, colesterolo e lovastatina

Il mevalolattone è un intermedio per i terpeni, l’enantiomero levogiro è quello che si trova più frequentemente in natura. Entra nella via di biosintesi del mevalonato, importante per la sintesi del colesterolo, in questa via è importante l’HMG-CoA reduttasi che da acetoacetil-CoA, da una parte nel fegato c’è un enzima che permette di avere i corpi chetonici e acetoacetato, un’altra parte viene ridotta dall’HMG-CoA reduttasi che dà il mevalonato per la sintesi del colesterolo, per cui bloccando l’enzima si blocca la biosintesi del colesterolo. L’acido mevalonico è la forma aperta del lattone visto prima, quando è somministrato è in forma di estere ciclico e le esterasi del sangue vanno a idrolizzare e ad aprire il ciclo. Dalla struttura dell’acido mevalonico si sono progettati dei farmaci che hanno una porzione che mima l’acido mevalonico e che quindi è target dell’enzima. Il lead compound è stata la lovastatina, che è stata riconosciuta a livello naturale, possiede il deltavalerolattone che viene riconosciuto dall’enzima e permette il blocco della biosintesi del colesterolo.

Porzione idronaftalenica e sette centri chirali, da questo composto poi si può attuare una semplificazione strutturale dove la porzione idronaftalenica è sostituita da altri eterocicli come il pirrolo.

Ci sono farmaci di questa classe che sono stati ritirati dal commercio per via di problemi ai reni che ha portato anche a morti, per questo la ricerca ha continuato nell’identificare i composti di nuova ge