Gruppi protettivi per sintesi peptidica

La chimica organica di sintesi è basata sull'unione di reagenti e catalizzatori per ottenere la formazione pulita di nuovi legami, e sono richiesti dei gruppi protettivi appropriati per prevenire la formazione di legami indesiderati e la formazione di reazioni collaterali^1,2.

Quindi, una strategia sintetica promettente può essere minacciata se i gruppi protettivi corrispondenti non vengono scelti con cura.

Emil Fischer fu probabilmente il primo a riconoscere la necessità di mascherare temporaneamente un gruppo funzionale per permettere la formazione regioselettiva di un legame nella sintesi di carboidrati³. Comunque, il primo gruppo protettivo “moderno” fu il benzilossicarbonile (abbreviato Z) sviluppato da Bergmann e Zervas⁴. Z rispetta le principali caratteristiche associate ad un gruppo protettivo:

(i) esso è facilmente introdotto sul gruppo funzionale;

(ii) esso è stabile ad un ampio range di condizioni di reazione;

(iii) esso è rimosso in sicurezza alla fine del processo sintetico o quando il gruppo funzionale richiede manipolazione.

Un'altra pietra miliare in questo campo fu quando Barany et al.^5,6 descrissero il concetto di ortogonalità, nel senso che due o più gruppi protettivi derivano da classi indipendenti e sono rimossi tramite meccanismi distinti. I gruppi possono essere rimossi, quindi, in qualsiasi ordine e in presenza del resto.

Gli schemi di protezione ortogonale sono di solito blandi poiché la deprotezione selettiva è governata attraverso meccanismi di scissione alternativi piuttosto che dalle velocità di reazione.

Sino dal lavoro pionieristico di Bergmann e Zervas, lo sviluppo di nuovi gruppo protettivi è stato profondamente legato alla chimica dei peptidi.

La protezione è totalmente obbligatoria per la costruzione di queste molecole polifunzionali, che contengono fino ad otto distinti gruppi funzionali oltre ad anelli indolici ed imidazolici, che dovrebbero anche essi essere protetti. Solo la funzione carbonilica è estranea agli amino acidi naturali, poiché anche i gruppi protettivi della funzione fosfato sono stati sviluppati per la sintesi di fosfopeptidi. Perciò, i gruppi protettivi sviluppati per primi per la sintesi peptidica sono stati rapidamente adattati per la protezione dei building blocks usati per la costruzione di molecole non peptidiche^1,2.

Più avanti, verrà discussa in modo conciso ma dettagliato la protezione degli amino acidi. Verranno analizzati i diversi amino acidi a seconda delle funzionalità da proteggere. Per ogni caso, verranno discussi i metodi per l'introduzione dei gruppi protettivi così come per la deprotezione. In ogni sezione, i gruppi protettivi sono classificati in base ai seguenti criteri: (i) il più usato in una strategia Boc/Bn; (ii) il più usato in una strategia Fmoc/tBu; (iii) ordine decrescente di labilità; e (iv) il più recentemente descritto, per cui, nella maggior parte dei casi, il loro potenziale non è stato ancora esplorato fino in fondo. In tutti i casi, le famiglie dei gruppi protettivi sono classificate assieme.

La compatibilità di ogni gruppo protettivi rispetto agli altri è indicata nella colonna “stabilità alla rimozione di”, che mostra quale dei seguenti gruppi protettivi della funzionalità α-amino (Boc, Fmoc, Z, Trt, Alloc, e pNZ) può essere rimosso senza interessare un particolare gruppo protettivo.

La protezione della funzionalità α-amino degli amino acidi è una delle più importanti questioni nella chimica peptidica ed è obbligatoria per prevenire la polimerizzazione dell'amino acidi una volta che questo viene attivato.

Poiché la maggior parte delle sintesi peptidiche, sia in soluzione che su fase solida, sono condotte nella direzione C → N, i gruppi protettivi del gruppo α-amino (gruppi protettivi temporanei) vengono rimossi diverse volte durante la sintesi, e quindi, la rimozione deve essere fatta in condizioni blande di modo da non intaccare i restanti gruppi protettivi (permanenti, di solito rimossi nell'ultimo passaggio del processo sintetico, e semipermanenti, di solito all'estremità C-terminale, rimossi in presenza di tutti gli altri gruppi protettivi, quando il peptide deve essere accoppiato alla sua estremità C-terminale) o anche alla catena peptidica.

Il gruppo protettivo α-amino dovrebbe conferire solubilità nella maggior parte dei comuni solventi e prevenire o minimizzare l'epimerizzazione durante il coupling, e la sua rimozione dovrebbe essere veloce, efficiente, e libera da reazioni collaterali e dovrebbe portare a sottoprodotti facilmente rimovibili. Altre caratteristiche importanti sono che essi sono solidi cristallini, quindi facilitano la manipolazione, e che sono abbastanza stabili.

I gruppi protettivi della funzione α-amino più diffusi per la sintesi peptidica in fase solida (SPPS) sono i gruppi 9-fluorenilmetossicarbonile (Fmoc) e il tert-butilossicarbonile (Boc), usati nelle strategie Fmoc/tert-butile (tBu) e Boc/benzile (Bn), rispettivamente.

Per sintesi in soluzione, altri gruppi usati per la protezione dell'α-amino sono Z, Nps (2-nitrofenilsulfenile), e Bpoc

[2-(4-bifenil)isopropossicarbonile] in combinazione con la proteazione della catena laterale tramite tBu, o il gruppo Boc in combinazione con la protezione della catena laterale tramite Bn.

Dato che ci sono diverse tipologie di gruppi protettivi della funzionalità α-amino, esiste un'ampia varietà di metodologie protettive.

La maggior parte di queste sono basate sulla reazione dell'amino acido libero (se necessario proteggere la catena laterale; vedere la protezione dell'estremità ω-amino nel caso di Lys e Orn), con un aloformato⁷ o dicarbonato^8,9 del gruppo protettivo nella condizioni di Schotten Baumann (uso di un sistema bifasico: condizioni solvente organico-soluzione acquosa basica)¹⁰ o con il corrispondente alogenuro in solventi organici¹¹. Nonostante ciò, in alcuni casi, la presenza dell'acido α-carbossilico libero può interferire nella reazione e portare, quindi, alla formazione di dipeptidi^12-19.

Le metodologie usate per superare questo problema possono essere divise in due tipologie: quelle che coinvolgono un gruppo protettivo per l'acido carbossilico che viene rimosso subito dopo la protezione dell'estremità N-terminale e quelle che coinvolgono elettrofili meno reattivi sul reagente usato per introdurre il gruppo protettivo. Un esempio della prima metodologia è l'uso dei trimetilsilil esteri degli amino acidi preparati in situ^19,21, mentre un'illustrazione dell'ultima metodologia è l'uso del derivato N-idrossisuccinimidico (HOSu) o della corrispondente azide, come nel caso dell'introduzione dello Fmoc dove Fmoc-OSu o Fmoc-N₃ sono usati invece dello Fmoc-Cl.

Comunque, l'uso dello Fmoc-OSu può portare alla formazione di piccole quantità di Fmoc-β-Ala-OH o anche di Fmoc-β-Ala-AA-OH, che può compromettere la preparazione di Fmoc-amino acidi per la produzione di

API basati su amino acidi^20,22.