Metodologie sintetiche - professoressa Cateni

Metodologie sintetiche ed analitiche in chimica farmaceutica

Francesca Cateni, esame orale e consegna del quaderno di laboratorio.

I turno: 5.11 a 20.11

II turno: 26.11 a 11.12

Quaderno di laboratorio

È necessario avere un quaderno di laboratorio dove:

• Registrare accuratamente i dati
• Descrivere le osservazioni importanti
• Sfruttare efficacemente il tempo
• Valutare l’efficacia del metodo sperimentale usato
• Pianificare l’isolamento e la purificazione delle sostanze preparate
• Lavorare in sicurezza

Al fine di controllare lo stadio e l’avanzamento della reazione uso la TLC in tempi diversi, usando i due reagenti e il prodotto nella stessa lastra: la reazione è completa quando i reagenti A e B spariscono e rimane solamente il prodotto C.

È da ricordare che:

• Le reazioni organiche sono raramente quantitative e questo crea dei problemi particolari.
• Spesso i reagenti devono essere usati in grande eccesso per aumentare la resa del prodotto.
• Alcuni reagenti sono però costosi e si richiede prudenza nel valutare le quantità di queste sostanze.
• Reazioni indesiderate o reazioni secondarie possono formare prodotti che accompagneranno il prodotto voluto. Prodotti secondari o sottoprodotti.

Sintesi asimmetrica: reazioni che portano alla formazione di un enantiomero piuttosto che un altro. È fatta con diversi metodi, con reagenti specifici, con catalizzatori ecc.

Prochiralità: substrato che inizialmente non è chirale ma che diventa chirale in un unico passaggio (i chetoni sono prochirali nella reazione di Grignard).

Sintesi asimmetrica

I composti organici hanno rilevanza nel campo farmaceutico e nell’agricoltura qualora abbiano dell’attività, interagiscono con biomolecole come enzimi o recettori. I siti dove F reagisce sono building block cioè AA o carboidrati, dove sono presenti molti centri chirali: essendo le biomolecole delle molecole chirali allora esistono in singolo enantiomeri e possono interagire con F in modi differenti.

Vancomicina: è un glicopeptide epta-peptide, è un antibiotico somministrato per os nella diarrea post-operatoria. Ha tanti centri chirali, inibisce la polimerizzazione del peptidoglicano dei Gram +. Nel meccanismo si lega a precursori di glucopeptidi che terminano con D-Ala D-Ala: se questa sequenza diventa L-Ala allora l’energia di binding dell’antibiotico diminuisce, questo significa che la vancomicina discrimina i due AA quando hanno una diversa configurazione.

• La vancomicina può discriminare fra un amminoacido D ed un amminoacido L al terminale del dipeptide a causa di questa differenza di energia di binding.
• La costante di binding del modello con la stereochimica naturale è 50 volte più grande di quella del modello con la stereochimica non naturale.

Per un composto chirale posso avere due forme enantiomeriche le quali possono avere diverse attività o attività uguale: ho questi 4 casi:

1. Solo uno degli enantiomeri è attivo, l’altro non è attivo;
2. Entrambi gli enantiomeri sono attivi ma di differente potenza;
3. Gli enantiomeri hanno attività uguale o simile;
4. Gli enantiomeri sono entrambi attivi ma con attività diverse.

Il caso più frequente è il primo quindi, in questo caso, è bene non somministrare il racemo e dare un solo enantiomero. Quello non attivo non va dato perché può avere collaterali gravi; quello attivo deve avere comunque un effetto benefico maggiore degli effetti collaterali.

Ad esempio, la warfarina (anticoagulanti) ha due enantiomeri: R è attivo, S dà interazioni con altri farmaci. È un farmaco che prevede comunque un monitoraggio.

Esempio: L metildopa, che è attiva solamente nell’enantiomero R, dà due molecole con diversa attività darvon (analgesico) e novrad (antitussivo) quindi appartiene al caso 4 P hP h P hP h P hP h O C O E t N M eN M e O C O E t 2

2Darvon Novrad

Al fine di ottenere gli enantiomeri puri posso fare:

• Risoluzione del racemo o di un intermedio della sintesi, metodo molto costoso e che deve consentire di avere un opportuno agente risolvente, l’enantiomero non reagito di solito si perde.
• Uso reagenti enantiomericamente puri: devono essere agevolmente disponibili, possedere la configurazione assoluta desiderata (sono reagenti che si comprano, sono detti ausiliari chirali) e deve esserci un metodo di sintesi pratico e conveniente.

Posso effettuare anche una semi sintesi: quando ho composto naturale (estassolo) è difficile mettere a punto una sintesi totale dati i numerosi centri chirali quindi cerco nella pianta una parte del nucleo che abbia già la stereochimica desiderata; vado quindi solamente ad arricchire la molecola che di base già c’è.

Anche per i polisaccaridi vale questo discorso.

Principi della sintesi asimmetrica

1. Per avere una sintesi asimmetrica almeno uno dei componenti della reazione deve essere chirale e non racemico.
2. Se nella reazione non vi è alcun componente asimmetrico, gli stati di transizione che portano agli enantiomeri saranno anch’essi enantiomerici, di uguale energia e si formerà un racemo.
3. Di regola l’uso di un substrato, di un reagente, di un solvente o di un catalizzatore chirale dovrebbe dar luogo ad una sintesi asimmetrica.
4. In generale, una qualsiasi caratteristica del sistema reagente che porta a stati di transizione diastereomerici (laddove normalmente sono enantiomerici) potrebbe portare alla formazione preferenziale di un diastereoisomero o di un enantiomero.
5. Ciò è dovuto al fatto che stati di transizione diastereomerici non necessariamente sono della stessa energia e come conseguenza uno dei possibili prodotti può formarsi più rapidamente.

Se il substrato è chirale e non racemico, la creazione di un altro stereocentro nella reazione porta alla formazione di prodotti diastereomerici. Se i prodotti sono diastereomerici, gli stati di transizione che li precedono sono diastereomerici e la reazione potrebbe essere diastereoselettiva.

Esempio di sintesi che usa ausiliario chirale (ossazolidinone): ci possono essere due diverse di alchilazione. Ossazolidinone è stato legato a un substrato carbonilico che in alfa ha protoni che sono acidi quindi con ambiente basico (LiN(Pr) cioè litio diisopropilammide) che strappa il protone acido, si forma un 2 enolato dove il controione va a formare un chelato rigido, bloccato. Adesso ho bromuro (elettrofilo) e avviene un attacco dalla faccia superiore o inferiore; ottengo i due diversi prodotti (rosso superiore, verde inferiore).

Il prodotto maggiore è il primo perché nel secondo il gruppo isopropilico è sotto e quindi blocca l’attacco dell’elettrofilo: calcolo l’eccesso diastomerico.

O OM e N OPhLi M eP hC H B rO 2OOM e OM e M eN iL iN (P r ) N2O O OM e M e OM eP hC H B rM e N2M e OPh M e M e3

Reagente chirale deve

Se si usa un reagente achirale, la reazione porta al miscuglio racemico poiché i due stati di transizione sono enantiomerici e pertanto di uguale energia: i due enantiomeri si devono formare in uguali quantità per il fatto che le velocità di entrambe le reazioni sono le stesse.

Ho metil fenil chetone che è un substrato prochirale, ho litio alluminio idruro (agente riducente) e questo attacca il chetone in due diverse facce: ottengo R o S con la stessa probabilità quindi ho due stati di transizione a uguale energia ovvero ottengo un racemo.

M eM e PhPh -- A lHA lH 4

4 OOM e M eH HPh PhS ta ti d i tra n s iz io n e e n a n tio m e ric iO H O HR S

Se faccio la stessa reazione con agente chirale come 1,3 ammino alcol enantiomericamente puro (anche detto alcol di Darvon): questo reagisce con l’agente riducente e ottengo i due diversi stati di transizione, a diversa energia. Quello favorito è quello con l’energia più bassa, ovvero R.

4 M eM e P hP h - -A l( L * ) H A l(L * ) H2 2 2 2 OOM e M eH HP h P hO H O HS ta ti d i tra n s iz io n e d ia s te re o m e r ic iM eR SP hL * = PhO HN M e 2

Se si usa un reagente riducente chirale non racemico, poiché esso è coinvolto negli stati di transizione, questi saranno diastereomerici e non necessariamente della stessa energia. Si avrà quindi la formazione in eccesso dell’enantiomero che deriva dallo stato di transizione di energia più bassa.

• Per ottenere stati di transizione enantiomerici allora avrei dovuto usare l’altro enantiomero dell’alcol.

Solvente chirale

In una reazione che avviene in soluzione i componenti sono solvatati.

• L’uso di un solvente chirale e non racemico dovrebbe dare luogo ad una sintesi asimmetrica dal momento che è verosimile che il solvente sia coinvolto negli stati di transizione.
• Poiché siamo in presenza di un solo enantiomero del solvente gli stati di transizione, che sarebbero enantiomerici in un solvente achirale, diventano diastereomerici e la sintesi può essere asimmetrica.

È però un approccio di uso poco generale perché il livello di stereoselettività che viene indotto è basso e non prevedibile. Inoltre, ci sono solo pochi composti enantiomericamente puri che sono disponibili in quantità sufficiente ed aventi le proprietà di solvente utile.

Agenti che solvatano preferenzialmente un componente della reazione.

Di solito solvatano un componente della reazione: ho chetone e ottengo enolato di stagno (TF = trifluoro metansolfonato, è un triflato) che con una reazione aldolica mi dà prodotto con EE del 75%.

5 O SnO Tf M ePh O O H3O S n (O T f) 2 M eM e C H C H ON -e tilp ip e rid in a 2 PhPh Et (T f = -S O C F )2 3 N M e M eN 3M e

Catalizzatori chirali

Ho substrato prochirale e un catalizzatore chirale, si forma complesso ctz-substrato avviene la reazione sotto controllo del catalizzatore, ottengo un substrato modificato che poi si decomplessa e il ctz lo posso andare a recuperare.

Esempio: aldeide e alchilzinco con catalizzatore, due molecole chirali. Catalizzatore deriva da isoborneolo, ottengo reazione di riduzione e alchilazione. Il complesso substrato modificato-catalizzatore si forma perché una mole di dialchil Zn coordina l’ossigeno e un’altra mole si inserisce nell’altro ossigeno: Nu si inserisce tra Zn A e B.

O O HN M e Et2( C a ta liz z a to r e )H HO HM eE t Z n +2

Gruppo R è al di fuori dallo stato di transizione, è una caratteristica che troveremo anche in altre reazioni.

6 M eM e M e OM e RN Zn AO N uc HNucM e Zn BN uc

Ausiliari chirali

Sono reagenti enantiomericamente puri, reagiscono con un substrato prochirale, ottengo non un complesso ma un legame covalente in cui S si aggancia all’ausiliario. Avviene la reazione che crea lo stereocentro, ottengo il complesso substrato modificato-ausiliario e in seguito l’allontanamento dell’ausiliario chirale.

Alla fine, non ottengo un unico prodotto ma quello che metto in evidenza è quello che si forma in eccesso.

I due (o più) possibili prodotti sono pertanto diastereomerici ed uno di essi dovrebbe formarsi in eccesso: il principale diastereomero può essere quindi isolato e liberato da Aux per dare il prodotto chirale, non racemico.

Requisiti degli ausiliari chirali

• Enantiomericamente puri
• Non costosi e disponibili in quantità
• Facilmente agganciabili al substrato
• Controllo della stereoselettività alto e prevedibile
• Facilità di purificazione del principale diastereomero
• Facilmente rimovibile senza perdita di purezza enantiomerica e diastereomerica
• Facilmente separabile dal prodotto e recuperabile.

7Riprendo l’ossazolidinone con Butil-litio (che deve stare in contenitore anidro) e aggiungo cloruro di acido, quindi ottengo un’ammide: uso un cloruro dell’acido e non l’acido perché è più reattivo. Adesso si forma enolo e poi di un chelato rigido e prevedo che, siccome il sostituente isopropilico sta sotto al piano, allora ottengo un prevalente prodotto con il benzil bromuro sopra. Adesso devo purificare, lo faccio con reazione di idrolisi per ottenere nuovamente l’acido carbossilico con LiOH e ho le due molecole finali.

Risoluzione cinetica

• Approccio alternativo alla sintesi asimmetrica in cui una risoluzione del substrato racemico avviene mediante una reazione asimmetrica.
• Si basa sulla differenza della velocità di reazione dei singoli enantiomeri del racemo con un reagente enantiomericamente puro o un catalizzatore.
• Nel caso ideale questa differenza di velocità è così grande che un enantiomero del racemo è praticamente inerte, mentre l’altro reagisce rapidamente.
• Una semplice separazione del prodotto e dell’enantiomero che non ha reagito fornisce entrambi in forme enantiomericamente pure.

Reazione di epossidazione asimmetrica di Sharpless, è una reazione di ossidazione che sfrutta la sintesi degli epossidi, specie molto reattiva nei confronti dei Nu che portano all’apertura dell’anello e quindi ottengo etanolamidi. Non tutti gli alcheni possono fare questa reazione ma solo quelli con alcoli allilici, cioè dove il gruppo OH è adiacente al doppio legame; altrimenti non avviene.

Ho agente ossidante cioè terbutossido di potassio e la fonte di chiralità cioè il D(-) dietil tartrato: se uso il secondo il trasferimento di ossigeno avviene sopra al piano, con il primo il trasferimento avviene sotto al piano quindi non trova ingombro. I due enantiomeri reagiscono diversamente per questione di ingombro sterico, il gruppo etilico sopra al piano del primo ostacola l’attacco dell’ossigeno.

8 M e P hS i2M e P hS i2 Q u e s to e n a n tio m e ro l e n ta m e n te r e a g i s c e c o n i l O Hre a g e n te d e l (-)-ta rtra toO H Eti tT i ( O P r ) , B u O O H4Et D -(-)-d ie til ta rtra to M e P hS iM e P h S i 2

2 Q u e s to e n a n tio m e ro O v e l o c e m e n te r e a g i s c e c o n O HO H il re a g e n te d e l (- )-ta rtra to EtEtR a c e m a to

Caso della reazione aldolica

In una reazione in cui due componenti sono chirali è importante la stereoselettività intrinseca di ognuno dei due. Nel caso più semplice la stereoselettività intrinseca di uno dei componenti controlla la reazione.

In questo caso la configurazione assoluta del nuovo stereocentro (o dei nuovi stereocentri) non dipende dalla chiralità dell’altro componente perché la stereoselettività dell’enolato sopravanza di molto la diastereoselettività dell’aldeide.

• Gli enoli sono composti organici che possiedono un gruppo ossidrilico e un gruppo alchenico.

O O HO OOM e C H ON R e a z io n e NO Oa ld o lic aM e M eM e M eM e M e

Il gruppo C=O reagisce con l’idrogeno acido dell’enolato

M e

Matched pair (coppia concorde)

Nell’altro caso limite i due componenti chirali hanno diastereoselettività intrinseche simili. In questo caso le diastereoselettività di una coppia di componenti chirali saranno in genere complementari e daranno elevata stereoselettività.

Mismatched pair (coppia discorde)

L’altra combinazione risulterà in una bassa stereoselettività.

Reazione di diels alder dove diene reagisce con dienofilo:

9Ho diene chirale e dienofilo achirale: ottengo due composti con rapporto 4:1, quindi resa bassa.

Ho diene achirale e dienofilo chirale: ottengo 8:1 quindi resa alta, quindi posso pensare di fare reagire le due specie chirali che mi fanno ottenere 40:1 cioè sono una coppia concorde. Per individuarle devo fare diversi tentativi e osservo quello che ottengo. Con le due coppie achirali invece ottengo una resa bassissima, quindi sono coppie discordi.

Addizione a composti carbonilici

Consiste nell’addizione di Nu a C=O: prendo gruppo carbonilico generale prochirale e aggiungo Nu, Nu attacca C e si crea intermedio che poi mi dà alcol terziario. In realtà otteniamo due diasteroisomeri, uno deriva dall’attacco di Nu superiore mentre dall’attacco inferiore.

• È da osservare la stereochimica del OH per capire l’attacco del Nu.

Se invece addiziono un Nu chirale allora c’è l’attacco di Nu sulla faccia inferiore/superiore e in questo caso si generano due centri stereocentri cioè ottengo due coppie di diastereoisomeri. Questa situazione in una miscela di reazione comporta la formazione di 4 prodotti di reazione e 2 che non vanno a completezza: devo quindi separare molti composti in cromatografia e questo è molto difficile.

Per poterlo risolvere razionalizzo il meccanismo usando un apposito ausiliario chirale per predire quale prodotto sarà maggiormente prodotto: per passare da 4 prodotti a un prodotto posso usare ausiliare che blocchi una faccia, poi devo vedere quale due prodotti rimasti viene prodotto in quantità maggiore.

O N uc O HH O N ucA AA N uc R RR B C BB CC 1 2R' ZH R O HR H O O H RH O RA Z Z