Sinteza oligonukleotidov na polimernem nosilcu
Sinteza oligonukleotidov na polimernem nosilcu
Sinteza oligonukleotidov na polimernem nosilcu
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Prezentacije za predavanja študentom 3. letnika<br />
univerzitetnega študija Kemije <strong>na</strong> UL FKKT<br />
(zimski semester 2012/2013)
Študijska literatura:<br />
Osnov<strong>na</strong> literatura:<br />
1. K. Peter C. Vollhardt, Neil E. Schore: Organic Chemistry, Structure and<br />
Function, Third Edition, W. H. Freeman and Company, New York, 1999.<br />
Dodat<strong>na</strong> literatura:<br />
1. J. Clayden, N. Graves, S. Warren, P. Wothers: Organic Chemistry, Oxford University<br />
Press, 2001.<br />
2. F. A. Carey, R. J. Sunderberg: Advanced Organic Chemistry, Plenum, 2000.<br />
Pomož<strong>na</strong> literatura:<br />
1. Pregledni članki in poglavja iz monografij v zvezi z obrav<strong>na</strong>vanimi tematikami<br />
2. Miha Tišler, Organska kemija, DZS, Ljublja<strong>na</strong>, 1991
Pripomočki za poimenovanje (nomenklaturo) organskih spojin:<br />
ACD/ChemSketch 12.0 Freeware<br />
http://www.nmrsoftware.com/download/chemsketch/<br />
http://www.nmrsoftware.com/download/<br />
ChemBioOffice 2010 – ChemBioDraw Ultra 12.0 (licenca UL – mož<strong>na</strong> je le uporaba <strong>na</strong> FKKT)<br />
http://www.cambridgesoft.com/software/ChemBioOffice/<br />
Nekatera ostala prostodostop<strong>na</strong> programja:<br />
ChemAxon Marvinbeans (freeware)<br />
http://www.chemaxon.com/download/marvin/for-end-users/<br />
Potem so še drugi programi (ki jih je moč dobiti <strong>na</strong> različnih “freeware”-spletnih straneh in<br />
v repozitorijih različnih distribucij Linuxa, a so praviloma <strong>na</strong>popolni/pomanjkljivi,<br />
uporabniku manj prijazni, oz. <strong>na</strong> splošno manj kvalitetni.
(18. stoletje)<br />
Začetek moderne kemije<br />
Anorganska kemija<br />
(“kemija nežive materije”)<br />
Organska kemija<br />
(kemija spojin v živih bitjih)<br />
Bioorganska<br />
19. In 20. stoletje:<br />
Organska kemija<br />
(kemija ogljikovih spojin)<br />
20. stoletje:<br />
Biokemija<br />
(kemija bioloških molekul)<br />
21. stoletje<br />
Bioorganska kemija<br />
(molekularne osnove in mimika bioloških procesov)<br />
Kemija<br />
Biologija
Adicije nukleofilov <strong>na</strong> α,β-ne<strong>na</strong>sičene karbonilne spojine.<br />
Za razliko od običajnih aldehidov in ketonov, ki z nukleofili reagirajo <strong>na</strong> karbonilnem ogljiku, pa pri α,βne<strong>na</strong>sičenih<br />
aldehidih (e<strong>na</strong>lih) in ketonih (enonih) opažamo dvojno reaktivnost, saj lahko reakcija<br />
nukleofila z α,β-ne<strong>na</strong>sičeno karbonilno spojino poteče <strong>na</strong> C=O vez (1,2-adicija) ali pa <strong>na</strong> C=C vez (1,4adicija,<br />
konjugativ<strong>na</strong> adicija, Michaelova adicija). V kontekstu reakcij α,β-ne<strong>na</strong>sičenih karbonilnih spojin<br />
<strong>na</strong>s bo torej zanimala predvsem selektivnost pretvorb,
Adicije nukleofilov <strong>na</strong> α,β-ne<strong>na</strong>sičene karbonilne spojine.
Reakcije α,β-ne<strong>na</strong>sičenih aldehidov (e<strong>na</strong>lov) in ketonov (enonov) - nukleofilne<br />
polarne adicije <strong>na</strong> C=C in CΞC vez. α,β-Ne<strong>na</strong>sičene karbonilne spojine zaradi elektronprivlačnega<br />
vpliva karbonilne skupine sodijo med tipične predstavnike elektronsko revnih olefinov in<br />
acetilenov. V <strong>na</strong>sprotju z enostavnimi alkeni in alkini, ki so dovzetni za <strong>na</strong>pad elektrofilov so za<br />
omenjene elektronsko revne alkene in alkine z<strong>na</strong>čilne adicije nukleofilov (Ad N) reakcije, ki potekajo prek<br />
polarnih (ionskih) stanj. Po definiciji reagirajo elektronsko revne multiple vezi z nukleofilom Nu - , ki<br />
<strong>na</strong>stane iz nevtralne molekule H–Nu → H + + Nu – . Na splošno to pomeni, da z nukleofili reagirajo ne le<br />
enoni in e<strong>na</strong>li, pač pa vsi alkeni (in alkini), ki imajo <strong>na</strong> multiplo vez vezan elektron-akceptorski<br />
substituent, npr. –NO 2, -COR, -CHO, COOR, -CN, CONR 2, itd. Tipični (šolski) primer elektronsko<br />
revnih olefinov so α,β-ne<strong>na</strong>sičeni aldehidi in ketoni:
Adicije nukleofilov <strong>na</strong> olefine potekajo po mehanizmu, ki vključuje <strong>na</strong>stanek reso<strong>na</strong>nčno<br />
stabiliziranega polarnega intermediata. Nukleofilne adicije <strong>na</strong> elektronsko revne olefine so torej lahko<br />
bazno in kislinsko katalizirane:
Tipične konjugativne adicije nukleofilov <strong>na</strong> e<strong>na</strong>le in enone<br />
M = kovi<strong>na</strong>, X = halogen
Selektivnost adicije je odvis<strong>na</strong> od: (a) reakcijskih pogojev, (b) strukture in lastnosti elektrofila in (c) tipa<br />
nukleofila. Praviloma je 1,2-adicija hitrejša (kinetska kontrola reakcije) a reverzibil<strong>na</strong>, 1,4-adicija pa je<br />
počasnejša in ireverzibil<strong>na</strong> – <strong>na</strong>stane energetsko stabilnejši produkt (termodi<strong>na</strong>mska kontrola reakcije).<br />
Primer:
1,2- in 1,4-adicije nukleofilov <strong>na</strong> enone – stereoelektronski faktorji usmerjanja <strong>na</strong>pada<br />
Padajoča elektrofilnost eno<strong>na</strong>
1,2- in 1,4-adicije nukleofilov <strong>na</strong> enone – stereoelektronski faktorji usmerjanja <strong>na</strong>pada<br />
Reakcijski pogoji<br />
Struktura elektrofila<br />
1,2-adicija 1,4-adicija<br />
Kinetski: nižja temperatura, krajši<br />
reakcijski časi<br />
Reaktiv<strong>na</strong> C=O skupi<strong>na</strong> (aldehid, acil<br />
klorid)<br />
Tip nukleofila hard soft<br />
Tip organokovinskega reagenta Li, Mg<br />
Termodi<strong>na</strong>mski: višja temperatura,<br />
daljši reakcijski časi<br />
Nereaktiv<strong>na</strong> C=O skupi<strong>na</strong> (ester,<br />
amid)<br />
Cu ali Li/Mg+kataliza s Cu(I)
Primeri konjugativnih adicij: nukleofil<strong>na</strong> epoksidacija enonov
Stereokemija elektrofilne in nukleofilne epoksidacije enonov
Konjugativne adicije v bioloških sistemih: ireverzibil<strong>na</strong> konjugativ<strong>na</strong> adicija glutatio<strong>na</strong>
E<strong>na</strong>li in enoni v bioloških sistemih: fotokemično vzbujanje in konformacijska sprememba 11-cis-reti<strong>na</strong>la kot<br />
sprožilec sig<strong>na</strong>la vida
Elektrofilne substitucije <strong>na</strong> C=O in/ali C=C vezi ambidentnih nukleofilov: reakcije enolatov. V to<br />
skupino reakcij sodijo predvsem reakcije enolizabilnih karbonilnih spojin in njihovih a<strong>na</strong>logov. To so<br />
spojine, ki imajo <strong>na</strong> položaju a glede <strong>na</strong> C=X vez vezan vsaj en proton in imajo zato spodobnost<br />
prototropne izomerizacije (tavtomerije):
Enolizabilne karbonilne spojine lahko reagirajo bodisi kot C-elektrofili ali pa kot O-nukleofili. Take<br />
nukleofile imenujemo ambidentni nukleofili:
Ambidentni nukleofili so torej tisti nukleofili, ki jih lahko zapišemo v vsaj dveh kanonskih strukturah in kjer<br />
delokalizacija prostega elektronskega para povzroča spremembo elektronske gostote <strong>na</strong> različnih donorskih<br />
atomih. Primeri:<br />
Enolate praviloma pripravljamo z deproto<strong>na</strong>cijo enolizabilnih karbonilnih spojin z močnimi bazami,<br />
kot sta litijev diizopropilamid (LDA) in butillitij (BuLi) v etrnih topilih (Et 2O ali THF):
Regioselektivnost reakcij enolov z elektrofili. Na podlagi eksperimentalnih opažanj je bila razvita klasifikacija<br />
nukleofilov in elektrofilov po hard-soft principu oziroma delitev nukleofilov/elektrofilov <strong>na</strong> trde in mehke.<br />
Eksperimentalno je bilo <strong>na</strong>mreč opaženo, da trdi nukleofili hitreje (prednostno) reagirajo s trdimi elektrofili, mehki<br />
nukleofili pa z mehkimi elektrofili. Zaradi velike razlike med HOMO in LUMO energijama trdih reaktantov<br />
prevladujejo med njima elektrostatske interakcije (elektrostatska kontrola). Pri mehkih reaktantih je energijska<br />
razlika med HOMO in LUMO orbitalama majh<strong>na</strong> in zato bliže energiji novo<strong>na</strong>stale kovalentne vezi (orbital<strong>na</strong><br />
kontrola).
Hard-soft princip in teorija molekulskih orbital
Trdi in mehki nukleofili in elektrofili<br />
Lastnost Trdi nukleofili Mehki nukleofili Trdi elektrofili Mehki elektrofili<br />
Velikost majhen velik majhen velik<br />
Naboj - ali 0 0 + ali 0 0<br />
pKa bazičen nebazičen kisel nekisel<br />
Energija HOMO/LUMO HOMO-nizka HOMO-visoka LUMO-visoka LUMO-nizka<br />
Elektronegativnost<br />
Elektropozitivnost<br />
visoka<br />
-<br />
nizka<br />
-<br />
-<br />
visoka<br />
-<br />
nizka<br />
Polarizabilnost nizka visoka nizka visoka<br />
Kontrola reaktivnosti elektrostatska orbital<strong>na</strong> elektrostatska orbital<strong>na</strong><br />
Večja reaktivnost do trdih elektrofilov mehkih elektrofilov trdih nukleofilov mehkih nukleofilov<br />
Tipični primeri H 2 O , OH - , F -, AcO - ,<br />
SO 4 2- , Cl - , CO3 2- , NO3 ,<br />
ROH, RO - , R 2 O, NH 3 ,<br />
RNH 2 , R 2 NH, R 3 N<br />
R 2 S, RSH, RS - , I - , R 3P,<br />
(RO) 3 P, CN - , RNC, CO,<br />
C 2 H 4 , C 6 H 6 , H - , R 3C -<br />
H + , Li + , Na + , K + , Mg 2+ ,<br />
Ca 2+ , Cr 2+ , Al 3+ , Fe 3+ ,<br />
BF 3, B(OR) 3, AlMe 3,<br />
AlCl 3, AlH 3, SO 3, RCO + ,<br />
CO 2, HX (H-vezi)<br />
Cu + , Ag + , Pd 2+ , Pt 2+ ,<br />
Hg 2+ , BH 3, GaCl 3, I 2, Br 2,<br />
CR 2 (karbeni )<br />
Mejni primeri anilin, piridin, N 3 - , Br - , NO2 - Fe 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Sn 2+ , Sb 2+ , Bi 3+ , BMe3, SO 2,<br />
R 3C + , NO + , GaH 3, C 6H 5 +<br />
Delokalizacija (stabilizacija) <strong>na</strong>boja ali prostega elektronskega para “mehča” nukleofil/elektrofil!
Hard-soft princip - primeri
Primeri reakcij enolatov z elektrofili - halogeniranje. Kislinsko katalizirano α-halogeniranje<br />
aldehidov in ketonov poteka preko elektrofilne adicije haloge<strong>na</strong> <strong>na</strong> enol, ki ji <strong>na</strong>to sledi deproto<strong>na</strong>cija.<br />
Reakcijo lahko ustavimo <strong>na</strong> stopnji monohalogeniranja, ker je <strong>na</strong>stali α-halo keton zaradi –I efekta<br />
haloge<strong>na</strong> bistveno manj reaktiven:<br />
Nasprotni pa bazno katalizirano α-halogeniranje aldehidov in ketonov poteka s substitucijo vseh αvodikov.<br />
V primeru metil ketonov reakcijo imenujemo haloformska reakcija, saj <strong>na</strong>stali trihalometil<br />
keton reagira z bazo tako, da po adiciji baze (nukleofila) poteče razcep C-C vezi in <strong>na</strong>stane ustrezni<br />
haloform:
Primeri reakcij enolatov z elektrofili - alkiliranje. V to skupino reakcij sodijo predvsem reakcije<br />
enolizabilnih karbonilnih spojin in njihovih a<strong>na</strong>logov z alkil halidi (S N) in elektronsko revnimi olefini (Ad N<br />
oz. konjugativ<strong>na</strong> adicija):
Reaktivnost alkil halogenidov in elektrofilnih alkenov v reakcijah alkiliranja litijevih<br />
enolatov.
Primeri alkiliranja alkalijskih enolatov z S N2 elektrofili in elektrofilnimi alkeni.
Specifični ekvivalenti enolatov: sinteza in pretvorbe e<strong>na</strong>minov kot reaktivnih<br />
a<strong>na</strong>logov enolov
Specifični ekvivalenti enolatov: reakcije silil enol etrov z S N1 elektrofili in<br />
elektrofilnimi alkeni
Reakcije enolatov z aldehidi in ketoni: aldol<strong>na</strong> kondenzacija
Reakcije enolatov z aldehidi in ketoni: meša<strong>na</strong> aldol<strong>na</strong> kondenzacija<br />
Mešane aldolne<br />
kondenzacije so selektivne<br />
le, če pravilno kombiniramo<br />
reaktanta – eden mora biti<br />
neenolizabilen. Lahko pa<br />
izvedemo reakcijo med<br />
dvema specifičnima<br />
sinteznima ekvivalentoma,<br />
nukleofilom in elektrofilom.
Reakcije enolatov z aldehidi in ketoni: aldolni kondenzaciji sorodne reakcije
Karboksilne kisline so organske spojine, ki vsebujejo karboksi skupino (COOH oz. CO 2H):
Poimenovanje (nomenklatura) karboksilnih kislin - primeri
Strukturne in spektroskopske lastnosti karboksilnih kislin
Simulira<strong>na</strong> NMR spektra propanojske kisline
Kislost karboksilnih kislin<br />
Karboksil<strong>na</strong> kisli<strong>na</strong> pK a<br />
CH 3COOH 4.76<br />
Ph-CH 2COOH 4.31<br />
HO-CH 2COOH 3.83<br />
EtO-CH 2COOH 3.12<br />
Cl-CH 2COOH 2.86<br />
F-CH 2COOH 2.66<br />
NC-CH 2COOH 2.43<br />
O 2N-CH 2COOH 1.68<br />
CF 3COOH 0.23<br />
K<br />
I<br />
S<br />
L<br />
O<br />
S<br />
T
Vpliv substituentov <strong>na</strong> pKa: vpliv induktivnega vpliva <strong>na</strong> kislost ocetnih kislin<br />
kisli<strong>na</strong> pK a kisli<strong>na</strong> pK a<br />
CH 3COOH 4.74 CH 3CH 2COOH 4.87<br />
ClCH 2COOH 2.86 CH 3CH 2CH 2COOH 4.82<br />
Cl 2CHCOOH 1.26 CH 3OCH 2COOH 3.54<br />
Cl 3CCOOH 0.64 CH 2=CH–CH 2COOH 4.35<br />
F 3CCOOH 0.23 CH≡C–CH 2COOH 3.32<br />
N≡C–CH 2COOH 2.46 ClCH 2CH 2CH 2COOH 4.52<br />
Na položaj ravnotežja kisli<strong>na</strong> baza vplivajo trije glavni faktorji: elektronski vplivi, sterični (strukturni)<br />
vplivi in vpliv topila. V tabeli so podane kislosti substituiranih ocetnih kislin: elektronprivlačne skupine<br />
povečujejo kislost, daljšanje verige pa nima vpliva <strong>na</strong> kislost. Razlike v kislosti substituiranih ocetnih<br />
kislin povzroča induktivni efekt. Gre za efekt, kjer atom ali skupi<strong>na</strong> veza<strong>na</strong> <strong>na</strong> C-atom polarizira<br />
kovalentno vez s privlakom ali z odbojem elektronov. Na primer, pri vezi C→Cl gre za negativni<br />
induktivni efekt (–I) klorovega atoma, pri vezi C←CH 3 pa za pozitivni induktivni efekt (+I). Razpored<br />
nekaterih tipičnih skupin glede <strong>na</strong> induktivni efekt je približno tak:<br />
(–I): F > NO 2 > Cl > Br > I > OH > OMe > Ph > H<br />
(+I): Me 3 C > Me 2 CH > MeCH 2 > Me > H
Vpliv substituentov <strong>na</strong> pKa: vpliv induktivnega vpliva <strong>na</strong> kislost ocetnih kislin<br />
Povečano kislost ocetnih kislin z elektronprivlačnimi substituenti razložimo z zmanjšanjem <strong>na</strong>boja pri<br />
karboksilatnem anionu in s tem manjšo afiniteto anio<strong>na</strong> do ponovne vezave proto<strong>na</strong>. Posledica je<br />
poveča<strong>na</strong> koncentracija oksonijevih ionov in s tem poveča<strong>na</strong> kislost. Obratno velja za<br />
elektrondonorske skupine – zvečanje <strong>na</strong>boja <strong>na</strong> karboksilatu vodi do večje afinitete za vezavo proto<strong>na</strong><br />
in s tem do zmanjšanja kislosti:
<strong>Sinteza</strong> karboksilnih kislin – industrijski postopki za sintezo mravljične in ocetne kisline
<strong>Sinteza</strong> karboksilnih kislin z oksidacijo primarnih alkoholov in aldehidov<br />
Tipični oksidanti so: Cr 6+ (npr. H 2CrO 4), KMnO 4, HNO 3.<br />
<strong>Sinteza</strong> karboksilnih kislin z adicijo organokovinskih reagentov <strong>na</strong> CO 2<br />
Poleg organomagnezijevih (Grig<strong>na</strong>rdovih) reagentov lahko uporabimo tudi organolitijeve reagente<br />
<strong>Sinteza</strong> karboksilnih kislin s hidrolizo nitrilov
<strong>Sinteza</strong> karboksilnih kislin : oksidacije alkoholov do ketonov in karboksilnih kislin
<strong>Sinteza</strong> karboksilnih kislin: selektiv<strong>na</strong> oksidacija primarnih alkoholov do aldehidov
Derivati karboksilnih kislin. V kolikor v karboksi (COOH) skupini hidroksi (OH) skupino zamenja druga<br />
“hetero-skupi<strong>na</strong> Y” (Y = halogen X, OR, NH 2, NHR, NR 2, ipd.) govorimo od derivatih karboksilnih<br />
kislin. Podobno kot OH, mora biti tudi X lahko izstopajoča skupi<strong>na</strong>, ki je tudi razlog za bistveno<br />
drugačno reaktivnost derivatov karboksilnih kislin v primerjavi z aldehidi in ketoni, kjer sta <strong>na</strong><br />
karbonilni ogljik vezani dve slabo izstopajoči skupini (H, alkil, alkeni, aril, ipd.). Osnovni tipi kislinskih<br />
derivatov so halogenidi, anhidridi, estri, ter karboksamidi:
Nukleofilne substitucije <strong>na</strong> C=O vezi - pretvorbe kislinskih derivatov. Zaradi prisotnosti potencialne<br />
izstopajoče skupine Y pri kislinskih derivatih potekajo izmenjave skupine Y z nukleofili. Formalno gre<br />
sicer za substitucijo <strong>na</strong> sp 2 hibridiziranem C-atomu, ki pa poteče po adicijsko-elimi<strong>na</strong>cijskem<br />
mehanizmu. Tudi v tem primeru so reakcije kislinsko ali bazno katalizirane, potekajo pa z adicijo<br />
nukleofila <strong>na</strong> C=O vez in <strong>na</strong>stankom nestabilnega tetraedrskega intermediata, ki se <strong>na</strong>to stabilizira z<br />
odcepom izstopajoče skupine. Primer:
Pretvorbe kislinskih derivatov. Tipič<strong>na</strong> reaktivnost kislinskih derivatov je posledica vpliva<br />
skupine Y, ki s prostim elektronskim parom sodeluje pri reso<strong>na</strong>nčni stabilizaciji karbonilne<br />
skupine:<br />
Čim bolj elektronprivlač<strong>na</strong> je skupi<strong>na</strong> Y (–I efekt) tem večja bo reaktivnost kislinskega<br />
derivata. Približno zaporedje reaktivnosti kislinskih derivatov je: RCOCl (klorid) > RCOOCOR<br />
(anhidrid) > RCOOR' (ester) > RCONH 2 (amid) > RCOOH (kisli<strong>na</strong>)<br />
Padajoča reaktivnost
Pretvorbe kislinskih derivatov: pK aH izstopajoče skupine kot merilo za reaktivnost<br />
kislinskega derivata<br />
Tip spojine Klorid Anhidrid Ester Amid Keton<br />
Izstopajoča molekula HCl RCOOH ROH R 2NH RH<br />
pK a -7 5 16 35 50<br />
Reaktivnost visoka zmer<strong>na</strong> nizka
Primer: Ester reagira (počasi) z amoniakom (pK a = 33) do amida, medtem ko amid z<br />
alkoholom (pK a = 16) ne reagira. Na podoben <strong>na</strong>čin lahko <strong>na</strong>povemo izid posameznih<br />
reakcij med kislinskimi derivati in nukleofili.
Tipične pretvorbe kislinskih derivatov (z nukleofilno substitucijo <strong>na</strong> karbonilnem ogljiku).<br />
Močne kisline katalizirajo reaktivnost karbonilne skupine s proto<strong>na</strong>cijo karbonilnega kisika, ki aktivira<br />
elektrofilni ogljikov atom za <strong>na</strong>pad elektrofila. Po drugi strani pa proto<strong>na</strong>cija izstopajoče skupine poveča<br />
njeno sposobnost izstopanja zaradi močnega znižanja pK aH protonirane izstopajoče skupine v<br />
primerjavi z neprotonirano. V prisotnosti močnih kislin lahko izvajamo hidrolizo nereaktivnih kislinskih<br />
derivatov (npr. amidov in estrov), po drugi strani pa lahko nereaktivne kisline pretvorimo z alkoholi<br />
direktno v estre. Pri kislinsko katalizirani hidrolizi amidov s proto<strong>na</strong>cijo pretvorimo slabo izstopajočo<br />
aminsko skupino (pK a (NH 3) = 33) v dobro izstopajočo skupino (pK a (NH 4 + ) = 9.2). Primer je kislinsko<br />
katalizira<strong>na</strong> hidroliza karboksamidov:
Kislinsko katalizira<strong>na</strong> hidroliza estrov kot tudi kislinsko katalizira<strong>na</strong> tvorba estrov iz karboksilnih kislin in<br />
alkoholov sta reverzibil<strong>na</strong> procesa:
Oba reverzibil<strong>na</strong> procesa lahko usmerjamo reakcijo s prebitkom enega od reagentov (vode in alkohola):
Hidrolizo estrov in amidov katalizirajo tudi baze, npr. NaOH – v obeh primerih je proces ireverzibilen<br />
zaradi <strong>na</strong>stanka karboksilatnega anio<strong>na</strong> (O - <strong>na</strong>mreč ne izstopa). Izstop NH 2 skupine lahko razložimo s<br />
sodelovanjem vode kot donorjem protonov, tako da dejansko izstopi amoniak. Podobno velja za izstop<br />
alkoksidnega io<strong>na</strong>:
Močno razliko v reaktivnosti opažamo med primerljivimi intermolekularnimi reakcijami in<br />
intramolekularnimi reakcijami. V prvem primeru imamo opraviti z difuzijsko kontrolo reakcij: hitrost<br />
pretvorbe je odvis<strong>na</strong> od pogostosti geometrijsko ugodnih približevanj (in trkov) reaktantov. V drugem<br />
primeru pa imamo opraviti z rotacijsko kontrolo reakcij - spoji<strong>na</strong> mora zavzeti ugodno konformacijo, ki<br />
omogoča pretvorbo:
Esteraz<strong>na</strong> aktivnost b-ciklodekstri<strong>na</strong>:
Tabela reaktivnosti in medsebojnih pretvorb kislinskih derivatov.
Ostale pretvorbe karboksilnih kislin in derivatov.<br />
Redukcija karboksilnih kislin in estrov z litijevim aluminijevim hidridom vodi do <strong>na</strong>stanka<br />
primarnih alkoholov, redukcija karboksilnih estrov z Grig<strong>na</strong>rdovimi reagenti pa do<br />
terciarnih alkoholov:
Selektiv<strong>na</strong> redukcija estrov in amidov do aldehidov in ketonov
Redukcija kislinskih derivatov s kompleksnimi hidridi<br />
Substrat LiAlH 4 LiBH 4 NaBH 4 LiAlH(OBu t ) 3<br />
B 2H 6<br />
NaBH 3CN<br />
R 2C=NR’ + + + + + + (pH < 8)<br />
RCHO + + + + + + (pH < 6)<br />
RCOR + + + + + + (pH < 4)<br />
RCOOH + - - - + -<br />
RCOOR + + +/- - počasi -<br />
RCOCl + + + - počasi -
α-Bromiranje karboksilnih kislin(Hell-Volhard-Zelinskyjeva reakcija) poteka z bromom v<br />
prisotnosti rdečega fosforja. Kot reaktivni intermediat se tvori PBr 3, ki kislino pretvori in situ v<br />
kislinski klorid, ki ima α-mesto dovolj aktivirano za elektrofilno bromiranje. Produkti, αbromoalkanojske<br />
kisline so pomembni sintezni intermediati, npr. za pripravo α-amino- in αhidroksi<br />
kislin.
Aciliranje enolatov estrov: Claisenova kondenzacija estrov in a<strong>na</strong>logne reakcije
Aciliranje enolatov estrov: Claisenova kondenzacija estrov in a<strong>na</strong>logne reakcije<br />
Podobno kot mešane aldolne kondenzacije tudi mešane Claisenove kondenzacije potekajo<br />
uspešno takrat, ko sta vlogi elektrofila in nukleofila jasno definirani. Najprimernejše so<br />
reakcije enolizabilnih estrov z neenlizabilnimi, ki so specifični elektrofili:
Aciliranje enolatov estrov: Claisenova kondenzacija estrov in a<strong>na</strong>logne reakcije<br />
Namesto estrov lahko kot elektrofile uporabimo tudi druge reaktivne kislinske derivate (kislinski kloridi,<br />
imidazolidi), ki potem reagirajo s stabilnimi enolati (npr. derivati malonske kisline):
Heterokumuleni (spojine s kumuliranimi C=X vezmi). Spojine s kumuliranimi C=X vezmi,<br />
med katere prištevamo tudi CO 2 in CS 2, reagirajo z nukleofili kot so voda, alkoholi, amini,<br />
ipd. Gre za nukleofilne adicije <strong>na</strong> sp-hibridiziran C-atom. Reaktivnost pada v zaporedju:<br />
R 2C=C=O (keteni) > R 2C=C=N–R (ketenimini) ≥ R–N=C=O (izocia<strong>na</strong>ti) > R–N=C=N–R<br />
(karbodiimidi) ≥ R–N=C=S (izotiocia<strong>na</strong>ti).
Nekatere tipične pretvorbe kumuliranih C=X vezi – reakcije ketenov:
Nekatere tipične pretvorbe kumuliranih C=X vezi – reakcije izocia<strong>na</strong>tov in izotiocia<strong>na</strong>tov:
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: serin proetaze
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: serin proetaze (pdb: 5cha)<br />
Asp-102<br />
His-57<br />
Ser-195
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: tioestri kot elektrofilni ali nukleofilni C 2 sintoni
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: tioestri kot elektrofilni C 2 sintoni. Reakcije z<br />
nukleofili <strong>na</strong> estrski tiolestrski skupini – primerjava reaktivnosti.<br />
Ester: p-orbitale ogljika in kisika so podobne<br />
velikosti, zato je prekrivanje dobro,<br />
reso<strong>na</strong>nč<strong>na</strong> stabilizacija pa učinkovita.<br />
Tiol ester: p-orbitale žvepla so večje od porbital<br />
ogljika in kisika, zato je prekrivanje<br />
slabo, reso<strong>na</strong>nč<strong>na</strong> stabilizacija pa manj<br />
učinkovita.<br />
Tiol estri so bistveno bolj reaktivni od estrov, ker je a) tiolat bolj kisel od alkoholata in s tem boljša izstopajoča<br />
skupi<strong>na</strong>, b) je tiolatni anion dodatno stabiliziran z delokalizacijo <strong>na</strong>boja v prazne d-orbitale in c) ker je prekrivanje<br />
p-orbital tiol estra slabše kot pri estru, s tem pa je mote<strong>na</strong> (zmanjša<strong>na</strong>) reso<strong>na</strong>nč<strong>na</strong> stabilizacija tiolata.
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: tioestri kot nukleofilni C 2 sintoni. Reakcije z<br />
elektrofili <strong>na</strong> a-C atomu glede <strong>na</strong> tiolestrsko skupino.<br />
Tiol ester je reaktivnejši od estra (glej prejšnjo sliko), zato vsebuje tudi večji delež enola, ki<br />
lahko reagira z nukleofili.
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: acetil CoA kot nukleofilni C 2-sinton, z<br />
biotinom mediira<strong>na</strong> biosinteza malonil CoA in biosinteza poliketidov
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: gradnja ogljikovega skeleta maščobnih kislin
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: acil CoA kot C n-elektrofil v biosintezi<br />
fosfolipidov (1.del)
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: biosinteza fosfolipidov (2. del)
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: elimi<strong>na</strong>cije amoniaka iz amino kislin, biosinteza<br />
ne<strong>na</strong>sičenih kislin
Primeri pretvorb derivatov karboksilnih kislin v bioloških sistemih: gradnja ogljikovega skeleta s pomočjo lizinskih<br />
e<strong>na</strong>minov aldolaz
Amini so organski derivati oziroma a<strong>na</strong>logi amoniaka in s tem tipični predstavniki organskih baz.
Poimenovanje (nomenklatura) aminov - primeri
Strukturne in spektroskopske lastnosti aminov. Amini s tremi različnimi substituenti so kiralni,<br />
vendar pa praviloma niso optično aktivni. Razlog je hitra izomerizacija, ki jo imenujemo piramidal<strong>na</strong><br />
inverzija (ΔG ~ 6 kcal/ mol).
Induktivni efekt substituentov vpliva <strong>na</strong> bazičnost aminov. Alkilne skupine, za katere je z<strong>na</strong>čilen +I<br />
efekt, povečujejo bazičnost aminov. Sekundarni amini so <strong>na</strong>jmočnejše baze, medtem ko pri terciarnih<br />
aminih <strong>na</strong>vkljub dodatni elektronski aktivaciji (-I) prevlada sterični vpliv, ki preprečuje proto<strong>na</strong>cijo <strong>na</strong><br />
račun piramidalne inverzije, kar vodi v zmanjšanje bazičnosti. Izjema so sterično rigidni terciarni amini,<br />
kjer je piramidal<strong>na</strong> inverzija onemogoče<strong>na</strong>, zato so <strong>na</strong>jbolj bazični:<br />
amin pK aH amin pK aH<br />
NH 3<br />
MeNH 2<br />
9.21<br />
10.62<br />
Me 2NH 10.64<br />
morfolin<br />
8.36<br />
Me 3N 9.76 N-metilmorfolin 7.38<br />
EtNH 2<br />
10.63<br />
Et 2NH 10.98<br />
Me 3CNH 2<br />
Kinuklidin<br />
(1-azabiciklo[2.2.2]oktan)<br />
10.55<br />
11.0<br />
pirolidin<br />
piperidin<br />
11.27<br />
11.22
Reso<strong>na</strong>nčni efekt substituentov vpliva <strong>na</strong> bazičnost aromatskih aminov (anilinov). Zaradi konjugacije<br />
prostega elektronskega para s π-sistemom, je ta delokaliziran v aromatski obroč, kar močno zmanjšuje<br />
bazičost anilinov v primerjavi z alifatskimi amini. Elektrondonorske skupine povečujejo,<br />
elektro<strong>na</strong>kceptorske skupine pa zmanjšujejo bazičnost (±M <strong>na</strong> orto- in para-položajih in ±I <strong>na</strong> metapoložaju):<br />
anilin pK aH anilin pK aH<br />
Ph-NH 2 4.62 4-Me-C 6H 4-NH 2 5.07 (+M)<br />
4-MeO-C 6H 4-NH 2 5.29 (+M) 3-Me-C 6H 4-NH 2 4.67 (+I)<br />
3-MeO-C 6H 4-NH 2 4.20 (-I) 4-Cl-C 6H 4-NH 2 3.81 (-I, +M)<br />
4-O 2N-C 6H 4-NH 2 0.98 (-M) 3-Cl-C 6H 4-NH 2 3.32 (-I)<br />
3-O 2N-C 6H 4-NH 2 2.45 (-I) 4-Me 3Si-C 6H 4-NH 2 4.36 (+M)<br />
4-HO-C 6H 4-NH 2 5.50 (+M) 3-Me 3Si-C 6H 4-NH 2 4.64 (+I)<br />
3-HO-C 6H 4-NH 2 4.17 (-I) 4-MeOOC-C 6H 4-NH 2 2.30 (-M)
<strong>Sinteza</strong> aminov z alkiliranjem. Direktno alkiliranje amoniaka in aminov z alkil halogenidi praviloma<br />
ni <strong>na</strong>jboljši <strong>na</strong>čin za pripravo aminov, saj po<strong>na</strong>vadi reakcije niso selektivne in <strong>na</strong>stanejo zmesi<br />
primarnih, sekundarnih in terciarnih aminov, ter kvarternih amonijevih soli. Selektivno pretvorbo lahko<br />
dosežemo le z velikim prebitkom ami<strong>na</strong> (= z aminiranjem), kar pa v praksi lahko predstavlja problem,<br />
saj mora biti prebitek ami<strong>na</strong> po pretvorbi lahko odstranljiv (npr. z uparevanjem):
<strong>Sinteza</strong> aminov z aminiranjem alkil halogenidov (ali sulfo<strong>na</strong>tov). V sintezni praksi po<strong>na</strong>vadi<br />
sintetiziramo amine s posredno, a selektivno uvedbo aminske skupine, ki jo moramo <strong>na</strong> koncu<br />
“sprostiti”. Kot sintez<strong>na</strong> ekvivalenta aminov uporabljamo kalijev ftalimid in <strong>na</strong>trijev azid:
<strong>Sinteza</strong> aminov z reduktivnim aminiranjem aldehidov in ketonov. Reakcijo izvajamo<br />
enostavno s katalitskim hidrogeniranjem zmesi ami<strong>na</strong> in aldehida/keto<strong>na</strong> oz. z redukcijo omenjenih<br />
zmesi s kompleksnimi hidridi. Reduktivno aminiranje aldehidov in ketonov je <strong>na</strong>jbolj sploš<strong>na</strong> metoda za<br />
pripravo aminov.
Reduktivno aminiranje s kompleksnimi hidridi<br />
NaBH 3CN je blag selektiven reducent, ki pri pH 6-8 selektivno reducira “in situ” tvorjene imine do<br />
ustreznih aminov. Aldehidi in ketoni reagirajo šele pri pH < 5. Razlog je v večji bazičnosti iminskega<br />
dušika v primerjavi s karbonilnim kisikom – imini se protonirajo pri višjem pH kot aldehidi in ketoni.<br />
Poleg NaBH 3CN uporabljamo še NaBH 4, NaBH(OAc) 3, BH 3-Me 2S, BH 3-R 3N in sorodne manj<br />
reaktivne (a bolj selektivne!) kompleksne hidride.
Sintezo aminov z redukcijo nitro, nitrozo, oksimino in hidrazono spojin, ter nitrilov<br />
izvajamo, bodisi s katalitskim hidrogeniranjem, z redukcijo s kompleksnimi hidridi (npr. NaBH4 in LiAlH4),<br />
ali pa z redukcijo z raztapljanjem kovine (Zn, Al, Fe, Sn, itd.) v kislini, npr.: Zn-HCl aq, Zn-AcOH.
Pretvorbe aminov – Hofmannova elimi<strong>na</strong>cija. Omenje<strong>na</strong> elimi<strong>na</strong>cija poteka iz kvarternih<br />
amonijevih soli v prisotnosti močne baze, pri čemer je kvarter<strong>na</strong> amonijev skupi<strong>na</strong> dobro<br />
izstopajoča (a<strong>na</strong>logija z + OH 2):
Pretvorbe aminov – Mannichova reakcija.* Poteka med aldehidi/ketoni in amini ter vodi<br />
do β-amino aldehidov/ketonov. Ključ<strong>na</strong> intermediata (reaktivni zvrsti) sta enol in iminijev<br />
kation, ki <strong>na</strong>stane pri reakciji med (praviloma neenolizabilnim aldehidom/ketonom in<br />
aminom. Običaj<strong>na</strong> kombi<strong>na</strong>cija reagentov zajema keton (enol), aldehid (pogosto<br />
formaldehid), amin in kisel medij (npr. HCl-ROH ali AcOH):<br />
* Glej še sliko 34: “Reakcije enolatov z aldehidi in ketoni: aldolni kondenzaciji sorodne reakcije”
Pretvorbe aminov – nitroziranje. Reakcija poteka med aminom in nitrozil kationom, ki <strong>na</strong>stane pri<br />
razpadu dušikove(III ) kisline oz. alkil nitritov. Najprej poteče adicija nitrozil katio<strong>na</strong> <strong>na</strong> aminski dušik, pri<br />
čemer <strong>na</strong>stanejo ustrezne N-nitrozo spojine. V primeru primarnih aminov poteče <strong>na</strong>daljnja elimi<strong>na</strong>cija<br />
vode do nestabilnih diazonijevih soli, ki zlahka reagirajo z nukleofili, npr. z vodo do ustreznih alkoholov.<br />
Arildiazonijeve soli so stabilne do ~5<br />
C in jih uporabljamo za reakcije pripajanja. Nitroziranje sekundarnih<br />
aminov vodi do relativno obstojnih, a hudo strupenih N-nitrozaminov, medtem ko nitroziranje terciarnih<br />
aminov <strong>na</strong>stanejo ustrezne N-nitrozamonijeve soli.
Pretvorbe aminov – sinteza diazometa<strong>na</strong>, karbeni, sinteza ciklopropanov. Reakcija Nmetil-N-nitrozamidov<br />
z močno bazo (npr. KOH) vodi do <strong>na</strong>stanka diazometa<strong>na</strong>. Fotokemijski in/ali<br />
termični razkroj in/ali z bakrom katalizirani razkroj diazometa<strong>na</strong> vodi do <strong>na</strong>stanka karbe<strong>na</strong> (metile<strong>na</strong>) kot<br />
reaktivnega intermediata.
E<strong>na</strong> od tipičnih reakcij karbenov je cikloadicija <strong>na</strong> C=C dvojno vez, pri čemer <strong>na</strong>stanejo ciklopropani:<br />
V sintezi ciklopropanov je pomemben še Simmons-Smithov reagent (CH 2I 2/Zn-Cu), kjer kot intermediat<br />
<strong>na</strong>stopa karbenoid (ICH 2ZnI), čogar reaktivnost je identič<strong>na</strong> reaktivnosti metile<strong>na</strong>:
1+2 cikloadicije karbenov
Primer pretvorb aminov v industriji – sinteza Nylo<strong>na</strong>.
Uvod<br />
Periciklične reakcije predstavljajo pomemben sklop organskih reakcij, ki potekajo pri spoji<strong>na</strong>h s π-sistemi.<br />
Periciklične reakcije potekajo po t.i. sinhronem oz. koncertiranem mehanizmu, kjer hkrati poteka tvorba<br />
in cepitev več vezi hkrati (ali pa vsaj z zelo podobnimi hitrostmi). Periciklične reakcije ne vključujejo<br />
intermediatov potekajo pa preko cikličnih prehodnih stanj - posledica tega je tudi predvidljiva<br />
stereokemija pericikličnih reakcij (a<strong>na</strong>logija z S N2 reakcijami) . Periciklične reakcije delimo <strong>na</strong> tri glavne<br />
skupine:<br />
1.) Cikloadicije<br />
2.) Elektrociklizacije<br />
3.) Sigmatropne premestitve<br />
Periciklične reakcije lahko razložimo s teorijo mejnih molekulskih orbital (HOMO-LUMO) njihov potek pa<br />
lahko predvidimo z Woodward-Hoffmannovimi pravili, ki sta jih avtorja izpeljala <strong>na</strong> podlagi<br />
eksperimentalnih ugotovitev. Malce poenostavljeno lahko povzamemo, da sta glav<strong>na</strong> kriterija za <strong>na</strong>poved<br />
poteka določene periciklične reakcije dva:<br />
a) število elektronov, ki sodeluje v procesu, 4n ali 4n+2 (gre za t.i. aromatsko in antiaromatsko število<br />
elektronov) in<br />
b) aktivacija sistema , ki je bodisi termič<strong>na</strong> ali pa fotokemijska.
Cikloadicije<br />
Cikloadicije, ki vključujejo 4n+2 elektronov so termične reakcije.<br />
Cikloadicije, ki vključujejo 4n elektronov so fotokemične reakcije.
Cikloadicije<br />
Po teoriji mejnih molekulskih orbital (FMO) so ugodne tiste reakcije, kjer se faze mejnih orbital<br />
(HOMO-LUMO) ujemajo (termič<strong>na</strong> aktivacija). Kadar tega ujemanja ni, pa se mora e<strong>na</strong> od faz “obrniti“<br />
oz. preiti v vzbujeno stanje, kar zahteva dodatno energijo (fotokemijska aktivacija):
4+2 Cikloadicije: Diels-Alderjeva reakcija<br />
Pri Diels-Alderjevi reakciji gre za reakcijo med dienom in dienofilom (alkenom ali acetilenom):<br />
Kot vse periciklične cikloadicije, je tudi Diels-Alderjeva reakcija reverzibil<strong>na</strong>. Tipičen primer je<br />
diciklopentadien, ki pri sobni temperaturi dimerizira (ciklodimerizacija), <strong>na</strong>stali dimer<br />
ciklopentadie<strong>na</strong> pa lahko pretvorimo v ciklopentadien s segrevanjem <strong>na</strong>d 180 °C:
4+2 Cikloadicije – nekateri tipični dieni in dienofili:
Termične 2+2 cikloadicije kumulenov<br />
2+2 Cikloadicije kumulenov sicer vključujejo 4π elektrone, vendar so termične reakcije, saj<br />
je zaradi geometrije alenov možno dodatno prekrivanje HOMO orbitale olefi<strong>na</strong> z LUMO<br />
orbitalami kumule<strong>na</strong>.
1,3-Dipolarne cikloadicije<br />
1,3-Dipolarne 3+2 cikloadicije vključujejo 4n+2 elektronov in so termične reakcije.
1,3-dipolarne cikloadicije – tipični 1,3-dipoli
Regiokemija cikloadicij. Cikloadicija lahko sicer vodi do dveh regioizomernih produktov, a v praksi<br />
pogosto prednostno <strong>na</strong>stane en regioizomer. Regioselektivnost lahko razložimo z elektronskimi<br />
(orbitalnimi) vplivi, saj je pri ujemanju orbital je poleg faze pomemb<strong>na</strong> tudi “velikost” (koeficient)<br />
orbitale. Podobne vrednosti koeficientov pomenijo podobno energijo HOMO in LUMO orbital in s tem<br />
večjo reaktivnost:
Stereokemija cikloadicij<br />
Zaradi hkratne tvorbe dveh vezi so cikloadicije sin-adicije - relativ<strong>na</strong> konfiguracija alkenov se ohranja.
Stereokemija cikloadicij. Pri cikloadicijah enonov <strong>na</strong> ciklične diene in dipole praviloma prevladuje<br />
endo-adicija, ki jo lahko razložimo z dodatno stabilizacijo endo-prehodnega stanja zaradi prekrivanja πorbital<br />
die<strong>na</strong> s C=O π-orbitalo dienofila:
Elektrociklične premestitve (elektrociklizacije)<br />
Št. π-elektronov Termič<strong>na</strong> reakcija Fotokemič<strong>na</strong> reakcija<br />
4n konrotator<strong>na</strong> disrotator<strong>na</strong><br />
4n+2 disrotator<strong>na</strong> konrotator<strong>na</strong>
Elektrociklične premestitve (elektrociklizacije)
Elektrociklične premestitve (elektrociklizacije)
[1,j]-sigmatropne premestitve vodika<br />
Na splošno so sigmatropne premestitve reakcije, kjer poteče premestitev σ-vezi vzdolž π-sistema. Pri<br />
[1,j]-sigmatropnih premestitvah vodika gre torej za premeščanje C-H vezi, ki lahko poteče<br />
suprafacialno (po isti strani π-sistema) ali pa antarafacialno (<strong>na</strong> <strong>na</strong>sprotno stran π-sistema) :<br />
Št. π-elektronov Termič<strong>na</strong> reakcija Fotokemič<strong>na</strong> reakcija<br />
4n antarafacial<strong>na</strong> suprafacial<strong>na</strong><br />
4n+2 suprafacial<strong>na</strong> antarafacial<strong>na</strong>
[1,j]-sigmatropne premestitve vodika<br />
Praviloma suprafacialne<br />
premestit-ve potečejo zlahka,<br />
antarafacialne pa težko. Na<br />
primer, [1,3]-premestitve v<br />
praksi potečejo le suprafacialno,<br />
saj je antarafacialno<br />
prehodno stanje preveč <strong>na</strong>peto.
[1,j] sigmatropne premestitve ogljika. Za razliko od krogelne (brezfazne) atomske orbitale vodika<br />
je atomska orbitala ogljika dvofaz<strong>na</strong>. Zato ima v vsakem možnost, da premestitev izvede suprafacialno.<br />
Zato sigmatropne premestiteve ogljika vedno lahko potečejo suprafacialno. Na primer, pri 1,3premestitvi<br />
vinilciklopropa<strong>na</strong>, poteče suprafacial<strong>na</strong> premestitev s hkratnim obratom faze:
[1,j] sigmatropne premestitve ogljika
[i,j]-sigmatropne premestitve ogljika
Molekulske premestitve<br />
Pri pretvorbah organskih spojin, ki potekajo po ionskih mehanizmih, smo dosedaj obrav<strong>na</strong>vali reakcijske<br />
mehanizme, pri katerih se reaktivni intermediati (ioni) stabilizirajo bodisi z adicijo protiio<strong>na</strong> ali pa z<br />
elimi<strong>na</strong>cijo io<strong>na</strong>. Na primer, karbokation se lahko stabilizira <strong>na</strong> dva <strong>na</strong>či<strong>na</strong>: a) z adicijo nukleofila (npr.<br />
anio<strong>na</strong>) ali z elimi<strong>na</strong>cijo elektrofila (npr. proto<strong>na</strong>):<br />
Obstaja pa še en <strong>na</strong>čin stabilizacije, in sicer je to molekulska premestitev, ki manj stabilen intermediat<br />
praviloma pretvori v bolj stabilnega. Na primer, reakcija 2,2-dimetilpropil jodida z vodo in AgNO 3 ne<br />
vodi do ustreznega 2,2-dimetil-1-propanola, pač pa do izomernega 1,1-dimetil-1-propanola. S N1<br />
reakcija <strong>na</strong> primarnem C-atomu ne poteče, ker je ustrezni primarni karbokation preveč nestabilen. Pač<br />
pa poteče premestitev metilne skupine <strong>na</strong> elektrofilni C-atom, ki vodi do <strong>na</strong>stanka terciarnega<br />
karbokatio<strong>na</strong>, ki <strong>na</strong>to reagira po S N1 mehanizmu do terciarnega alkohola.<br />
Bistvo molekulskih premestitev je v vplivu sodelujočih skupin.
Vpliv sodelujočih skupin <strong>na</strong> hitrost in stereokemijo substitucije
Vpliv sodelujočih skupin <strong>na</strong> hitrost substitucije
Vpliv sodelujočih skupin <strong>na</strong> hitrost substitucije
Molekulska premestitev se zgodi tako, da sodelujoča skupi<strong>na</strong> zamenja položaj v osnovnem skeletu!
Stabilizacija prazne p-orbitale karbokatio<strong>na</strong> s sosednjimi σ-vezmi (+I efekt alkilnih skupin)
Disociacijske energije C-Br vezi (kJ/mol)<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
218<br />
182<br />
J. Amer. Chem. Soc. 96, 7552 (1974).<br />
ΔE (kJ/mol): -26 (0°→1°)<br />
-19 (1°→2°)<br />
-14 (2° →3°)<br />
163<br />
149
Stabilizacija prazne p-orbitale karbokatio<strong>na</strong> s sosednjo σ-vezjo (1,2-premestitev hidrida ali<br />
alkilne skupine)<br />
ΔE : ca. -30 kJ/mol (1°→3°)
Z<strong>na</strong>čilne molekulske premestitve <strong>na</strong> <strong>na</strong>sičenem ogljiku
Z<strong>na</strong>čilne molekulske premestitve <strong>na</strong> <strong>na</strong>sičenem ogljiku
Molekulske C→X premestitve <strong>na</strong> C=X vezeh (X = O, N) aldehidov in ketonov.
Molekulske C→X premestitve <strong>na</strong> C=X vezeh (X = O, N) aldehidov in ketonov.
Molekulske C→X premestitve <strong>na</strong> C=X vezeh (X = O, N) aldehidov in ketonov.<br />
Pri nesimetričnih ketonih migrira vedno skupi<strong>na</strong>, ki je anti glede <strong>na</strong> OH. Zaradi pogoste hitre sin/antiizomerizacije<br />
oksimov ta sicer osnovni pogoj ni odločujoč. V večini primerov je za selektovnost<br />
Beckmannove premestive odločil<strong>na</strong> migracijska sposobnost skupin, ki <strong>na</strong>rašča z <strong>na</strong>raščajočo<br />
elektrondonorsko <strong>na</strong>ravo (+I, +M). Približno zaporedje migracijskih sposobnosti z<strong>na</strong>čilnih skupin je:<br />
terc-alkil > sek-alkil ≥ aril > n-alkil; <strong>na</strong> primer: t-Bu > i-Pr > Ph > Et > Me . Vodik (H) praviloma ne<br />
migrira.
Molekulske C→X premestitve karbonilnih spojin, ki vodijo do (reaktivnih) kumulenov
Premestitve v bioloških sistemih : pi<strong>na</strong>kolne premestitve v biosintezi vali<strong>na</strong> in izolevci<strong>na</strong>
Premestitve v bioloških sistemih : biosinteza fenilalani<strong>na</strong> in tirozi<strong>na</strong> preko šikimske kisline, 1. del
Premestitve v bioloških sistemih : biosinteza fenilalani<strong>na</strong> in tirozi<strong>na</strong> preko šikimske kisline, 2. del
Pripravo organokovinskih spojin (C-nukleofilov) in njihove pretvorbe z različnimi elektrofili prištevamo<br />
med moderne sintezne metode, čeprav je od odkritja in prve uporabe (Grig<strong>na</strong>rdovi reagenti) minilo že<br />
več kot 100 let. Organokovinske spojine so spojine, v katerih je kovi<strong>na</strong> neposredno veza<strong>na</strong> <strong>na</strong> ogljikov<br />
atom. Zaradi elektropozitivnosti kovin imajo vezi R-M visok delež ionske <strong>na</strong>rave (ca. 20-45%), odvisno<br />
od skupine R. Na splošno delež ionske <strong>na</strong>rave <strong>na</strong>rašča z <strong>na</strong>raščajočim s-karakterjem (oz. padajočim pkarakterjem)<br />
vezi.
Organokovinske spojine pripravimo <strong>na</strong> tri osnovne <strong>na</strong>čine:<br />
a) z neposredno deproto<strong>na</strong>cijo kislih C-H spojin<br />
b) z reakcijo kovin z alkil- in arilhalogenidi<br />
c) z zamenjavo ene kovine z drugo (transmetaliranje)
Organokovinske spojine reagirajo z različnimi elektrofili. Na primer, organomagnezijevi halidi<br />
(Grig<strong>na</strong>rdovi reagenti) kot C-nukleofili reagirajo s celo vrsto elektrofilov, kot je prikazano <strong>na</strong> spodnji<br />
shemi:
Primeri reakcij organokovinskih reagentov s karbonilnimi spoji<strong>na</strong>mi:
Moder<strong>na</strong> organokovinska kemija ni omeje<strong>na</strong> le <strong>na</strong> organolitijeve in organomagnezijeve spojine (in<br />
ustrezne a<strong>na</strong>loge organokovinskih spojin I.B in II.B skupine), ki smo jih spoz<strong>na</strong>li v prejšnjih poglavjih, pač<br />
pa temelji predvsem <strong>na</strong> spoji<strong>na</strong>h kovin prehoda, ki katalizirajo tvorbo C-C vezi. V smislu katalitskih reakcij<br />
je primeren katalizator tisti, ki je dovolj stabilen za hrambo, kar pa po<strong>na</strong>vadi pomeni, da ni dovolj reaktiven<br />
za pretvorbe. Organokovinska spojine prehodnih kovin, ki se v praksi uporabljajo kot katalizatorji so sicer<br />
dovolj stabilni za hrambo, v reakcijski zmesi pa se “in situ” pretvorijo v reaktivnejšo obliko (npr. s sprostitvijo<br />
enega ali dveh ligandov), ki potem deluje kot katalizator. Enostavno pravilo 18 elektronov pravi, da je<br />
kovinski kompleks stabilen, če ima centralni kovinski ion konfiguracijo žlahtnega pli<strong>na</strong>, oz. da je vsota<br />
valenčnih elektronov kovine in elektronov, ki jih ligandi prispevajo v vez, e<strong>na</strong>ko 18. Kovine prehoda imajo<br />
<strong>na</strong> valenčnih orbitalah lahko 4 (IVB) do 11 elektronov (IB). Poleg tega lahko Ti, Zr, Ni, Pd in Pt tvorijo tudi<br />
stabilne 16 elektronske komplekse (praz<strong>na</strong> orbitala, kvadratno pla<strong>na</strong>r<strong>na</strong> geometrija. Primeri:
Katalitske aktivnosti spojin elementov prehoda temeljijo zlasti v njihovi raznovrstnosti <strong>na</strong>činov s katerimi<br />
tvorijo kovalentne vezi z ligandi in s substratom:
Glavne tri reakcije <strong>na</strong> katerih temeljijo pretvorbe organokovinskih spojin so:<br />
- Oksidativ<strong>na</strong> adicija (vrinjanje kovine v C-X enojne vezi)<br />
- Reduktiv<strong>na</strong> elimi<strong>na</strong>cija (elimi<strong>na</strong>cija kovine s tvorbo C-C vezi)<br />
- Vrinjenje s premestitvijo (adicija organokovinske spojine <strong>na</strong> π-vez, ki ji sledi premestitev kovine s<br />
hkratno tvorbo C-C vezi.<br />
Oksidativ<strong>na</strong> adicija in reduktiv<strong>na</strong> elimi<strong>na</strong>cija
Vrinjenje s premestitvijo
Tipične katalitske organokovinske reakcije: hidrokarboniliranje prope<strong>na</strong>
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Heckova reakcija
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Heckova reakcija
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Stille reakcija (Stille crosscoupling)
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Stille reakcija (Stille crosscoupling)
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Negishi reakcija (Negishi crosscoupling)
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Negishi reakcija
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Suzuki-Miyaura reakcija (Suzuki-Miyaura crosscoupling)
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Suzuki-Miyaura reakcija
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Sonogashira reakcija (Sonogashira crosscoupling)
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Nukleofilne substitucije <strong>na</strong> alilnih sistemih
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Nukleofilne substitucije <strong>na</strong> alilnih sistemih
Tipične katalitske organokovinske reakcije: Nukleofilne substitucije <strong>na</strong> arilnih in alkenilnih sistemih
Struktura in lastnosti heterocikličnih spojin. Heterociklične spojine predstavljajo <strong>na</strong>jštevilnejšo<br />
skupino organskih spojin. Mnoge med njimi so biološko aktivne oziroma sodelujejo v bioloških procesih,<br />
številne heterociklične spojine pa so pomembne zaradi svoje uporabnosti v vsakdanjem življenju. Široko<br />
gledano so heterociklične spojine vse obročne spojine z enim ali več obročnimi heteroatomi (O, S, N, P,<br />
B, Se, Si, itd.). Po strukturi pa heterociklične spojine delimo <strong>na</strong> tri glavne skupine: a) popolnoma<br />
ne<strong>na</strong>sičene (aromatske) sisteme, b) delno <strong>na</strong>sičene sisteme in c) <strong>na</strong>sičene sisteme.
Pomembni monociklični sistemi:
Pomembni biciklični sistemi:
Struktura in s tem lastnosti heteroaromatskih sistemov so a<strong>na</strong>logne strukturi in lastnostim benze<strong>na</strong> in<br />
sorodnih aromatov. A<strong>na</strong>logija z benzenom je popol<strong>na</strong> v primeru piridi<strong>na</strong>, kjer je sp 2 hibridiziran<br />
dušikov atom s prosto p-orbitalo udeležen v reso<strong>na</strong>nčni stabilizaciji sistema, prosti elektronski par pa<br />
v tej stabilizaciji ni udeležen:
V pirolu in sorodnih petčlenskih heteroaromatih pa je skladnejša a<strong>na</strong>logija z aromatskim<br />
ciklopentadienil anionom le da pri pirolu (in sorodnih heteroaromatih) prosti elektronski par<br />
dušikovega atoma sodeluje v reso<strong>na</strong>nčni stabilizaciji sistema. Sodelovanje prostega elektronskega<br />
para v aromatski stabilizaciji pirola opišemo tudi z dipolarnimi kanonskimi strukturami:
Nomenklatura bicikličnih sistemov:
Nomenklatura premostenih sistemov temelji <strong>na</strong> nomenklaturi izocikličnih spojin (ogljikovodikov). Kot<br />
osnovo za poimenovanje premostenega heterocika vzamemo ime ustreznega ogljikovodika, vsebujoče<br />
heteroatome pa oz<strong>na</strong>čimo s predpo<strong>na</strong>mi oksa-, tia-, aza-, itd. E<strong>na</strong>k princip velja za poimenovanje spiro<br />
sistemov. Primeri:
Lastnosti heterocikličnih sistemov. Lastnosti <strong>na</strong>sičenih in delno <strong>na</strong>sičenih heterociklov so praviloma<br />
e<strong>na</strong>ke lastnostim njihovih acikličnih a<strong>na</strong>logov. V aromatski vrsti pa glede <strong>na</strong> njihove lastnosti<br />
heterocikle delimo v dve skupini:<br />
a) Sistemi s primanjkljajem elektronov, kjer prost elektronski par obročnega heteroatoma ne<br />
sodeluje v aromatski stabilizaciji. Osnovni sistem tega tipa je piridin, ki je zaradi –I efekta<br />
obročnega dušika manj C-nukleofilen od benze<strong>na</strong>, hkrati pa je zaradi prostega elektronskega para<br />
tudi bazičen (pK aH = 5.2).<br />
a) Sistemi s prebitkom elektronov, kjer prost elektronski par obročnega heteroatoma sodeluje v<br />
aromatski stabilizaciji sistema, kar se odraža v povečani C-nukleofilnosti glede <strong>na</strong> benzen in<br />
zmanjšani bazičnosti v primerjavi s piridinom. Osnovni sistem tega tipa je pirol (pK aH = -3.8), ki<br />
ima zaradi reso<strong>na</strong>nčne delokalizacije prostega elektronskega para tudi obratno smer dipolnega<br />
momenta kot piridin.
Raču<strong>na</strong>lniška simulacija porazdelitve elektronske gostote v pirolu in piridinu<br />
+0.05<br />
+0.03<br />
+0.01<br />
-0.01<br />
-0.03<br />
-0.05<br />
Simulacija kreira<strong>na</strong> z ArgusLab 4.0.1<br />
www.arguslab.com (freeware)
pK a H vrednosti z<strong>na</strong>čilnih heterocikličnih sistemov:
Sploš<strong>na</strong> reaktivnost obeh tipov sistemov je sklad<strong>na</strong> z njihovimi elektronskimi lastnostmi. Tipične<br />
reakcije sistemov s primanjkljajem elektronov so nukleofilne substitucije <strong>na</strong> obroču (a<strong>na</strong>logija z S NAr<br />
reakcijami elektronsko revnih aromatov) in reakcije z elektrofili <strong>na</strong> heteroatomu. Sistemi s prebitkom<br />
elektronov pa lahko reagirajo z elektrofili <strong>na</strong> obroču (a<strong>na</strong>logija z S EAr reakcijami elektronsko bogatih<br />
aromatov) ali pa <strong>na</strong> heteroatomu:
<strong>Sinteza</strong> heterocikličnih spojin<br />
<strong>Sinteza</strong> heterocikličnih sistemov temelji <strong>na</strong> reakciji ciklizacije ustreznih acikličnih gradnikov v<br />
obročni sistem. Veči<strong>na</strong> sintez heterocikličnih obročev je eno-, dvo- ali trokomponentnih, kjer<br />
ustrezni heterocikel tvorimo bodisi z intramolekularno ciklizacijo acikličnega gradnika ali pa<br />
z intermolekularno reakcijo dveh oz. treh gradnikov. Na primer, če predpostavimo, da več<br />
kot trokomponent<strong>na</strong> sinteza ni več smisel<strong>na</strong>, imamo pri sintezi šestčlenskega heterocikla z<br />
enim heteroatomom <strong>na</strong> voljo štiri kombi<strong>na</strong>cije prekurzorjev,: 6+0, 5+1, 4+2, 3+3, 2+2+2,<br />
3+2+1, 4+1+1 :
Reakcije, ki jih uporabljamo za tvorbo heterocikličnega sistema so identične oz. a<strong>na</strong>logne<br />
tistim v aciklični vrsti. Mehanistično gledano, poz<strong>na</strong>mo <strong>na</strong>slednje splošne reakcijske principe<br />
heterociklizacij:<br />
a) Ciklosubstitucije potekajo predvsem <strong>na</strong> <strong>na</strong>sičenih sistemih, npr. po S N2 mehanizmu) in se<br />
uporabljajo predvsem za sintezo <strong>na</strong>sičenih sistemov. Na primer:<br />
a) Cikloadicije potekajo bodisi kot intramolekularne adicije (npr. elektrociklizacije) ali pa kot inter<br />
molekularne (dvokomponentne) reakcije. Cikloadicije so zelo univerzalne, saj jih uporabljamo za<br />
pripravo <strong>na</strong>sičenih, ne<strong>na</strong>sičenih in aromatskih heterociklov. Na primer:<br />
a) Ciklokondenzacije so dejansko cikloadicije s sledečo elimi<strong>na</strong>cijo (npr. kondenzacije <strong>na</strong> karbonilni<br />
skupini), ki jih uporabljamo za sintezo <strong>na</strong>sičenih, ne<strong>na</strong>sičenih in aromatskih heterociklov. Na<br />
primer:
<strong>Sinteza</strong> nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (ciklokondenzacije)
<strong>Sinteza</strong> nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (ciklokondenzacije)
<strong>Sinteza</strong> nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (ciklokondenzacije)
<strong>Sinteza</strong> nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (ciklokondenzacije)
<strong>Sinteza</strong> nekaterih osnovnih heterocikličnih sistemov (1,3-dipolarne cikloadicije)
Primeri nekaterih pomembnih heterocikličnih spojin
Primeri nekaterih pomembnih heterocikličnih spojin
Heterocikli v bioloških sistemih: biosinteza citronske kisline iz Ac-SCoA in oksalocetne kisline.
Heterocikli v bioloških sistemih: S N2 substitucija, S-metiladenozin kot <strong>na</strong>ravno metilirno sredstvo
Heterocikli v bioloških sistemih: biosinteza acetil koencima A (1. del)
Heterocikli v bioloških sistemih : biosinteza acetil koencima A (2. del)
Heterocikli v bioloških sistemih : transaminiranja s pomočjo piridoksala
Heterocikli v bioloških sistemih : transaminiranja s pomočjo piridoksala
Heterocikli v bioloških sistemih : dekarboksilacija amino kislin s pomočjo piridoksala
Heterocikli v bioloških sistemih : dekarboksilacija ali transaminiranje?<br />
σ-vez, ki se cepi, je vzpored<strong>na</strong> s<br />
p-orbitalami piridinskega<br />
obroča!
Stereokemija transaminiranja (aspartat aminotransferaza)<br />
Arg-256<br />
Arg-292<br />
Lys-258<br />
Arg-386
Heterocikli v bioloških sistemih : pi<strong>na</strong>kolne premestitve v biosintezi vali<strong>na</strong> in izolevci<strong>na</strong>
Heterocikli v bioloških sistemih : NAD(P) + /NAD(P)H
Heterocikli v bioloških sistemih : NAD(P) + /NAD(P)H<br />
Pretvorbe, ki jih katalizira NAD(P) + /NAD(P)H
Heterocikli v bioloških sistemih : redukcije a-keto kislin (oksidacije a-hidroksi kislin)<br />
Heterocikli v bioloških sistemih : reduktivno aminiranje z NAD(P) + /NAD(P)H<br />
L-Glutaminska kisli<strong>na</strong> je ključ<strong>na</strong> amino kisli<strong>na</strong> v proizvodnji amino kislin, saj je edi<strong>na</strong>, ki jo organizem<br />
sintetizira iz amoniaka (in α-keto glutarne kisline). Vse ostale amino kisline se sintetizirajo s<br />
transaminiranjem iz glutaminske kisline in piridoksala (glej transaminiranja in dekarboksilacijo!).
Heterocikli v bioloških sistemih : stereokemija redoks procesov z NAD(P) + /NAD(P)H
Heterocikli v bioloških sistemih : stereokemija redoks procesov z NAD(P) + /NAD(P)H
Heterocikli v bioloških sistemih : stereokemija redoks procesov z NAD(P) + /NAD(P)H
Heterocikli v bioloških sistemih : stereokemija redoks procesov z NAD(P) + /NAD(P)H
Heterocikli v bioloških sistemih : flavinski koencimi
Heterocikli v bioloških sistemih : redoks kemija flavinskih koencimov
Heterocikli v bioloških sistemih : vloga flavinov v tvorbi hidroperoksidnega anio<strong>na</strong>
Heterocikli v bioloških sistemih : vloga flavinov v metabolizmu aromatskih obročev
Heterocikli v bioloških sistemih : flavin-4a-hidroperoksidni ion kot nukleofilni oksidant
Heterocikli v bioloških sistemih : flavini v reakcijah dehidrogeniranja
Heterocikli v bioloških sistemih : Porfirinski in korinski koencimi
Heterocikli v bioloških sistemih : oksidacije s citokromom P450 (CYP)
Heterocikli v bioloških sistemih : hidroksiliranje s citokromom P450 (CYP)
Heterocikli v bioloških sistemih : epoksidacije s citokromom P450
Ogljikovi hidrati<br />
Ogljikovi hidrati predstavljajo <strong>na</strong>slednjo pomembno skupino organskih spojin. Kot že ime pove, gre<br />
za spojine, ki vsebujejo ogljik, vodik in kisik. Najbolj z<strong>na</strong>n predstavnik ogljikovih hidratov je glukoza,<br />
C 6H 12O 6, ki vsebuje, ogljik, vodik in kisik v razmerju 1:2:1. To razmerje elementov je z<strong>na</strong>čilno za<br />
enostavne monosaharide, sicer pa ni nujno vedno tako. Poleg tega spojine iz skupine ogljikovih<br />
hidratov lahko vsebujejo tudi druge elemente, npr. dušik, žveplo, halogene, fosfor, itd. Primer je<br />
glukozamin (2-amino-2-deoksi glukoza), ki je monomerni gradnik hiti<strong>na</strong>. Ogljikovi hidrati so bistven<br />
sestavni del živih organizmov: so vir energije, ki je potreb<strong>na</strong> za normalno delovanje celic (npr.<br />
glukoza), so material za gradnjo skeleta živih organizmov (npr. celuloza) , so surovi<strong>na</strong> za biosintezo<br />
drugih organskih spojin in, ne <strong>na</strong>zadnje, so bistven sestavni del DNA in s tem informacijskega<br />
sistema živih organizmov. Ogljikove hidrate delimo <strong>na</strong> tri osnovne skupine:<br />
a) Monosaharidi so osnovne (monomerne) strukturne enote<br />
b) Oligosaharidi so sestavljeni iz manjšega števila monomernih enot<br />
c) Polisaharidi pa so polimerne molekule, ki jih sestavlja veliko število monomernih enot<br />
5.2.1. Struktura in lastnosti monosaharidov<br />
Monosaharidi so polihidroksi aldehidi (aldoze) in polihidroksi ketoni (ketoze):
D- oz. L-konfiguracijo monosaharida določa orientacija hidroksi skupine <strong>na</strong> “<strong>na</strong>jvišje oštevilčenem“<br />
centru kiralnosti, oz. zadnjem centru kiralnosti, če se pomikamo od C=O skupine <strong>na</strong>vzdol po<br />
Fisherjevi projekciji monosaharida. V primeru D-aldoz in ketoz je torej dotič<strong>na</strong> OH skupi<strong>na</strong><br />
obrnje<strong>na</strong> v desno, pri L-monosaharidih pa v levo:
Sploš<strong>na</strong> ime<strong>na</strong> aldoz in ketoz so definira<strong>na</strong> s številom C-atomov: gliceraldehid (C 3), tetroze (C 4),<br />
pentoze (C 5), heksoze (C 6), heptoze (C 7), itd. S kemijsko-biološkega stališča so <strong>na</strong>jpomembnejše<br />
pentoze in heksoze, sicer pa lahko vse aldoze in ketoze izpeljemo iz gliceraldehida z uvedbo<br />
ustreznega števila CH 2OH enot. Izpeljava D-aldoz iz D-gliceraldehida:
Izpeljava D-ketoz iz 1,3-dihidroksiaceto<strong>na</strong>:
Zaradi večjega števila funkcio<strong>na</strong>lnih skupin in večjega števila centrov kiralnosti tako uporaba R in S<br />
oz<strong>na</strong>k za konfiguracijo kot tudi stroga uporaba nomenklature po IUPACu nista smiselni, zato še<br />
vedno s pridom uporabljemo Fischerjevo D in L konvencijo, relativno konfiguracijo pa oz<strong>na</strong>čimo s<br />
predpono, ki je izpelja<strong>na</strong> iz ustreznega ime<strong>na</strong>, npr. D-gluko-, D-ribo-, itd. Veči<strong>na</strong> monosaharidov<br />
previloma obstaja v termodi<strong>na</strong>msko stabilnejši ciklični polacetalni (polketalni) obliki. Petčlenske<br />
sisteme imenujemo furanoze (po furanu), šestčlenske pa piranoze (po piranu):
Šestčlenski polacetali in polketali (piranoze) so termodi<strong>na</strong>msko stabilnejši od ustreznih petčlenskih<br />
a<strong>na</strong>logov (furanoze); glavni razlog za to pa je manjša <strong>na</strong>petost šestčlenskega obroča:
Pri ciklizaciji monosaharida v ciklični polacetal ali polketal <strong>na</strong>stane nov center kiralnosti. Zaradi<br />
ravnotežja med odprto in ciklično obliko je seveda možen <strong>na</strong>stanek obeh diastereomerov<br />
(epimerov) – torej je konfiguracija <strong>na</strong> tem C-atomu v principu variabil<strong>na</strong>. Ta C-atom oz. center<br />
kiralnosti zato imenujemo anomerni C-atom oz. anomerni center, izomerizacijo <strong>na</strong> anomernem<br />
centru pa imenujemo anomerizacija oz. mutarotacija. Oz<strong>na</strong>čevanje anomerov je definirano takole:<br />
- pri α-anomeru je anomer<strong>na</strong> OH skupi<strong>na</strong> pod (za) ravnino obroča<br />
- pri β-anomeru je anomer<strong>na</strong> OH skupi<strong>na</strong> <strong>na</strong>d (pred) ravnino obroča<br />
Mutarotacija D-glukoze poteče v vodni raztopini, katalizirajo jo kisline ali baze:
Anomerni efekt. Ugotovljeno je bilo, da so D-piranoze v raztopini zastopane kot zmes anomerov (z<br />
večinskim β-anomerom, čeprav bi zaradi termodi<strong>na</strong>msko ugodnejše ekvatorialne pozicije OH skupine<br />
pričakovali bistveno večji delež β-anomera. Na primer, razmerje pri D-glukopiranozi je 2:1 v prid βanomera,<br />
medtem ko se pri derivatih D-glukopiranoze razmerje pogosto obrne v prid α-anomera:<br />
Pojav imenujemo anomerni efekt, razlagamo pa ga z interakcijo med aksialnima(= antiperipla<strong>na</strong>rno<br />
orientiranima) elektronskim parom obročnega kisika in protivezno σ* orbitalo anomerne C-O vezi.<br />
Taka stabilizacija σ* orbitale ni mož<strong>na</strong> pri β-anomeru, ker omenjene orbitale niso vzporedne:
“Through-bond” orbitalne interakcije v <strong>na</strong>sičenih heterociklih: anomerni efekt<br />
Primerno orientiran prosti elektronski par se lahko “pomeša” med vezne in protivezne orbitale, ki<br />
so si blizu po energiji in s tem vpliva <strong>na</strong> jakost teh vezi. Najbolj z<strong>na</strong><strong>na</strong> interakcija te vrste je<br />
interakcija prostega elektronskega para z antiperipla<strong>na</strong>rno σ-vezjo <strong>na</strong> sosednjem atomu.<br />
Elektronski par atoma X lahko interagira s σ-vezno in σ*-protivezno orbitalo C—Y vezi. Če pa je Y<br />
elektronegativen atom, potem prevladuje interakcija s σ*- protivezno orbitalo C—Y vezi. Rezultat<br />
je prenos elektronske gostote s prostega elektronskega para <strong>na</strong> σ*- protivezno orbitalo. S tem se<br />
okrepi π-z<strong>na</strong>čaj C—X vezi, ki se ojača hkrati pa oslabi C—Y vez:
“Through-bond” orbitalne interakcije v <strong>na</strong>sičenih heterociklih: anomerni efekt<br />
Interakcije takšne vrste so bile <strong>na</strong>jprej opažene pri tetrahidropiranih (heterociklični skeleti<br />
sladkorjev), kjer elektronegativni substituenti <strong>na</strong> položaju 2 praviloma raje zavzamejo aksialni<br />
položaj, čeprav je ta sterično manj ugoden. Ta fenomen so poimenovali anomerni efekt zaradi<br />
njegove povezave z ravnotežjem med anomernimi glikozidi, ki je odvisno od razlike med prostimi<br />
energijami anomernih glikozidov. Ta z<strong>na</strong>ša 10-13 kJ/mol za Cl in Br in 4-7 kJ/mol za OR. Delež<br />
eksialnega konformera se zmanjšuje z <strong>na</strong>raščajočo s polarnostjo topila, saj so ekvatorialni anomeri<br />
praviloma polarnejši. Tudi topila, ki tvorijo vodikove vezi praviloma stabilizirajo ekvatorialni anomer.
Pretvorbe monosaharidov<br />
Oksidacija aldoz (aldehidov) do ustreznih karboksilnih kislin poteče z relativno blagimi oksidanti,<br />
<strong>na</strong> primer s Cu 2+ (Fehlingov reagent ), Ag + (Tollensov reagent), ali Br 2. Nastale aldonske kisline<br />
pogosto spontano ciklizirajo do ustreznih γ- in/ali δ-laktonov:
Pod e<strong>na</strong>kimi pogoji se ketoze oksidirajo do 1,2-dikarbonilnih spojin:<br />
Pod ostrejšimi pogoji, <strong>na</strong> primer s segrevanjem v razredčeni HNO 3 lahko aldoze oksidiramo do<br />
termi<strong>na</strong>lnih dikarboksilnih kislin (aldarnih kislin):
Na koncu velja omeniti še oksidativni razcep monosaharidov s perjodovo kislino (HIO 4), kjer<br />
poteče cepitev C-C vezi prek tvorbe cikličnega intermediata:
Redukcija monosaharidov vodi do ustreznih alditolov:
Derivatizacijo monosaharidov lahko izvedemo bodisi <strong>na</strong> karbonilni skupini in/ali <strong>na</strong> hidroksi<br />
skupi<strong>na</strong>h. S fenilhidrazinom <strong>na</strong>stane fenilhidrazon, ki se s prebitkom fenilhidrazi<strong>na</strong> pretvori v<br />
ustrezni fenilosazon:<br />
Esterifikacijo monosaharidov izvajamo s kislinskimi kloridi (ali anhidridi) v prisotnosti piridi<strong>na</strong>:
Peracilirani (popolnoma acilirani) monosaharidi reagirajo s HBr v ocetni kislini, pri čemer <strong>na</strong>stanejo<br />
ustrezni 1-bromo derivati (peracilirani glikozil bromidi). Reakcija poteče kot S N1 substitucija <strong>na</strong><br />
anomernem centru in je zelo stereoselektiv<strong>na</strong> – <strong>na</strong>stanejo takorekoč izključno α-anomeri (brom je<br />
vezan aksialno):
Monosaharide lahko tudi O-alkiliramo, npr. metiliramo z dimetil sulfatom v prisotnosti NaOH.<br />
Metoksi skupi<strong>na</strong> <strong>na</strong> anomernem centru je <strong>na</strong>jbolj hidrolitsko labil<strong>na</strong> in jo lahko odstranimo pod<br />
blagimi kislimi pogoji. Monoalkiliranje monosaharidov <strong>na</strong> anomerni OH skupini (O-glikozidacijo) pa<br />
lahko enostavno izvedemo z alkoholi v prisotnosti katalitskih količin močne kisline.
Zadnja skupi<strong>na</strong> pomembnih derivatov monosaharidov so ciklični acetali in ketali, ki so zelo<br />
pomembni sintezni derivati, saj so obstojni v prisotnosti oksidantov, reducentov, nukleofilov in baz.<br />
Zlahka pa razpadejo že pod kislo hidrolitskimi pogoji. Najpogosteje uporabljamo ketalizacijo z<br />
acetonom in acetalizacijo z benzaldehidom, v obeh primerih tvorbo katalizirajo močne kisline.<br />
Praviloma <strong>na</strong>stanejo petčlenski ketali in šestčlenski acetali, <strong>na</strong> <strong>na</strong>stanek izomernih produktov pa<br />
vplivajo reakcijski pogoji.
<strong>Sinteza</strong> monosaharidov temelji <strong>na</strong> homologizaciji, t.j. Podaljševanju začetne verige za en C-atom. Gre<br />
za po<strong>na</strong>vljajočo se sekvenco cianhidrinske reakcije, delne redukcije CN skupine do imi<strong>na</strong> in hidrolize.<br />
Reakcijska sekvenca vodi do dveh diastereomernih homologov, ki jih je potrebno ločiti:
Degradacija aldoz temelji <strong>na</strong> primarni oksidaciji termi<strong>na</strong>lne aldehidne skupine z bromom do ustrezne<br />
aldonske kisline. Enoelektronska oksidativ<strong>na</strong> dekarboksilacija aldonske kisline z Fe 3+ v proisotnosti<br />
H 2O 2 vodi do hidroksi substituiranega ogljikovega radikala, ki se <strong>na</strong>to oksidira do aldehida<br />
(“skrajšane” aldoze). Postopek imenujemo Ruffova degradacija:<br />
Ruffova degradacija sintezno ni pomemb<strong>na</strong> predvsem zaradi nizkih izkoristkov. Nje<strong>na</strong> uporabnost se<br />
<strong>na</strong>haja predvsem v strukturnih študijah oz. v kemijskih metodah za določanje relativne konfiguracije<br />
monosaharidov.
Disaharidi in polisaharidi so spojine, kjer sta dve ali več monosaharidnih enot povezani preko<br />
acetalne vezi.<br />
Primer povezave dveh glukoznih enot:
Primer povezave dveh različnih monosaharidnih enot:
Primer polimerne povezave več glukoznih enot v celulozi:
Primer polimerne povezave več glukoznih enot v škrobu:
Mono in polisaharidi z dušikovim atomom v molekuli
Nukleinske kisline so polimerni nosilci dednega (genetskega) zapisa živih organizmov. Monomerne<br />
enote so sestavljene iz sladkornega dela (riboza ali 2-deoksiriboza) in heterocikličnega dela<br />
(heterociklič<strong>na</strong> baza), med seboj pa so povezane s fosfatnimi enotami. Poenostavlje<strong>na</strong> shema strukture<br />
ribonukleinske kisline (RNA) in strukture enega prame<strong>na</strong> deoksiribonukleinske kisline (DNA) je <strong>na</strong>slednja:
Osnovni sestavni deli (gradniki) nukleinskih kislin so: D-riboza, 2-deoksi-D-riboza, fosforjeva(V) kisli<strong>na</strong><br />
in heterociklične baze adenin (A), gvanin (G), citozin (C), timin (T) in uracil (U).
Heterociklič<strong>na</strong> baza je veza<strong>na</strong> <strong>na</strong> mesto 1 v 2-deoksi-D-ribozi in sicer kot β-anomer. Nastali β-Nglikozidi<br />
se imenujejo nukleozidi, v kolikor pa je primar<strong>na</strong> hidroksi skupi<strong>na</strong> <strong>na</strong> mestu 5‘ fosforilira<strong>na</strong>, se<br />
<strong>na</strong>stali fosforilirani derivati imenujejo nukleotidi:
Običajni 2‘-deoksiribonukleotidi in ribonukleotidi<br />
Baza Ime Okrajšava<br />
Citozin (C) 2‘-deoksicitidin-5‘-monofosfat dCMP<br />
Citozin (C) citidin-5‘-monofosfat CMP<br />
Adenin (A) 2‘-deoksiadenozin-5‘-monofosfat dAMP<br />
Adenin (A) adenozin-5‘-monofosfat AMP<br />
Gvanin (G) 2‘-deoksigvanozin-5‘-monofosfat dGMP<br />
Gvanin (G) gvanozin-5‘-monofosfat GMP<br />
Timin (T) 2‘-deoksitimidin-5‘-monofosfat dTMP<br />
Uracil (U) uridin-5‘-monofosfat UMP
Sekundarno strukturo DNA sestavljata dva prame<strong>na</strong> (dve verigi), ki imata obliko dvojne vijačnice in<br />
sta poveza<strong>na</strong> med seboj z vodikovimi vezmi med komplementarnimi pari heterocikličnih baz<br />
(nukleinskih baz):
Sekundar<strong>na</strong> struktura in dimenzije DNA: Vijačnica je desnosuč<strong>na</strong>, korak zavoja z<strong>na</strong>ša 3.4 nm (34 Å),<br />
en zavoj vsebuje 10 nukleotidnih enot. Fosfatni deli ležijo <strong>na</strong> površini <strong>na</strong>mišljenega valja (oddaljeni ca 1<br />
nm od osi vijačnice), medtem ko so nukleozidne enote orientirane v notranjost valja tako, da ležijo<br />
heterociklične baze v ravnini, ki je pravokot<strong>na</strong> <strong>na</strong> os vijačnice:
Sekundar<strong>na</strong> struktura DNA
Replikacija DNA
DNA je nosilec dednega (genetskega) zapisa živih organizmov. V bioloških procesih se te informacije<br />
izražajo v sintezi encimov, ki so potrebni za normalno delovanje organizma. Pre<strong>na</strong>šalec te informacije pa<br />
je ribonukleinska kisli<strong>na</strong> (RNA), ki v polinukleotidni verigi vsebuje ribozne <strong>na</strong>mesto 2-deoksiriboznih<br />
enot:
Zaporedje nukleotidov v DNA določa zaporedje amino kislin pri sintezi beljakovin. Prenos informacije z<br />
DNA poteka tako, da <strong>na</strong>jprej informacijska RNA (mRNA) „prepiše“ origi<strong>na</strong>lno informacijo (v smeri od 3‘<br />
proti 5‘ vzdolž prame<strong>na</strong> DNA), pri čemer po uporabi po tri zaporedne nukleotidne enote (koda). Nastane<br />
komplementar<strong>na</strong> sekvenca nukleotidov, ki je sestavlje<strong>na</strong> iz kodonov (trinukleotidnih sekvenc). Nato<br />
pre<strong>na</strong>šalne RNA (tRNA) kodon za kodonom berejo informacijo mRNA in <strong>na</strong> podlagi teh informacij<br />
ustrezne tRNA s komplementarnim antikodonom prinesejo „zahtevane“ aktivirane amino kisline v<br />
ribosom za tvorbo peptidne vezi. Največji delež (ca. 80%) celotne celične RNA (mRNA ~ 5%, tRNA ~<br />
15%) predstavlja ribosomska RNA (rRNA), ki je glav<strong>na</strong> komponenta ribosomov, kjer poteka sinteza<br />
beljakovin. Pomemb<strong>na</strong> je tudi biokatalitska aktivnost RNA. Gre za ribozime, t.j. molekule RNA, ki<br />
podobno kot „klasični“ beljakovinski encimi katalizirajo kemijske pretvorbe.
Dejansko pa DNA sestavljata dva prame<strong>na</strong> (dve verigi), ki imata obliko dvojne vijačnice in<br />
sta poveza<strong>na</strong> med seboj z vodikovimi vezmi med komplementarnimi pari heterocikličnih<br />
baz (nukleinskih baz):
Deoksiribonukleinska kisli<strong>na</strong> (DNA) je polimerni nosilec dednega (genetskega) zapisa živih<br />
organizmov. V bioloških procesih se te informacije izražajo v sintezi encimov, ki so potrebni<br />
za normalno delovanje organizma. Pre<strong>na</strong>šalec te informacije pa je ribonukleinska kisli<strong>na</strong><br />
(RNA), ki v polinukleotidni verigi vsebuje ribozne <strong>na</strong>mesto 2-deoksiriboznih enot:
<strong>Sinteza</strong> <strong>oligonukleotidov</strong> <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> - priprava primerno zaščitenih komponent
<strong>Sinteza</strong> <strong>oligonukleotidov</strong> <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> - priprava nukleozidov<br />
Acetilne skupine odstranimo z amoniakom v vodi pri ~80 °C.<br />
Na e<strong>na</strong>k <strong>na</strong>čin pripravimo tudi 2-deoksinukleozide iz 2-deoksiriboze.
<strong>Sinteza</strong> <strong>oligonukleotidov</strong> <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> - priprava nukleozidnih gradnikov
<strong>Sinteza</strong> <strong>oligonukleotidov</strong> <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong>
Amino kisline in peptidi<br />
Amino kisline so bi- in polifunkcio<strong>na</strong>lne organske spojine, ki vsebujejo vsaj aminsko in karboksi<br />
skupino, poleg tega pa zvečine še en specifičen strukturni element. Pod pojmom amino kisline so<br />
poz<strong>na</strong>ne predvsem α-amino kisline kot osnovni gradniki oligopeptidov in polipeptidov oz.<br />
beljakovin; s strukturnega stališča so torej beljakovine biološki poliamidi, ki jih sestavlja 20 α-amino<br />
kislin, za katere je v genetskem kodu informacija za njihovo biosintezo. Te α-amino kisline<br />
imenujemo proteinogene amino kisline, skup<strong>na</strong> jim je L-konfiguracija oziroma S-konfiguracija <strong>na</strong><br />
centru kiralnosti. Poleg tega pa poz<strong>na</strong>mo še celo vrsto <strong>na</strong>ravnih in sinteznih α-, β-, γ-, δ-amino<br />
kislin. V vrsti (več sto) <strong>na</strong>ravnih neproteinogenih amino kislin, ki so jih izolirali predvsem iz rastlin<br />
in mikroorganizmov, gre predvsem za sestavne dele peptidnih učinkovin, metabolite, ter<br />
intermediate v biosintezi spojin. Med neproteinogenimi amino kisli<strong>na</strong>mi <strong>na</strong>jdemo tudi številne Damino<br />
kisline.
Večino proteinogenih amino kislin sintetizira organizem sam s transaminiranjem. Vseh potrebnih<br />
amino kislin pa organizem ni spodsoben sam sintetizirati in jih mora zato dobiti s hrano. Amino<br />
kisline, ki jih telo ne more sintetizirati, hkrati pa jih potrebuje za razvoj in delovanje imenujemo<br />
esencialne amino kisline (valin, levcin, izolevcin, fenilalanin, treonin, metionin, lizin, triptofan).<br />
Proteinogene amino kisline so prikazane <strong>na</strong> <strong>na</strong>slednji sliki:
<strong>Sinteza</strong> α-amino kislin<br />
Poz<strong>na</strong>mo več splošnih metod za sintezo α-amino kislin, ki jih lahko razdelimo v tri skupine:<br />
- sinteze z uvedbo aminske skupine<br />
- sinteze z uvedbo aminske skupine in stranske verige<br />
- sinteze z uvedbo aminske in karboksi skupine<br />
- sinteze z uvedbo stranske verige<br />
Sinteze α-amino kislin z uvedbo aminske skupine delimo v dve skupini:<br />
a) sinteze z nuklefilnim aminiranjem α-halo kislin in<br />
b) Sinteze z reduktivnim aminiranjem α-keto kislin.<br />
<strong>Sinteza</strong> z nukleofilnim aminirianjem v bistvu temelji <strong>na</strong> S N2 substituciji haloge<strong>na</strong> α-halo kisline z<br />
amoniakom. Vendar je ta direktni pristop v sintezni praksi uporaben le za pripravo enostavnih<br />
amino kislin z manjšimi alifatskimi stranskimi verigami (glicin, alanin, itd.). Zato so bile razvite<br />
različice te metode, kjer <strong>na</strong>mesto amoniaka uporabimo njegov sintezni ekvivalent (azid, ftalimid), ki<br />
ga kasneje v posebni stopnji pretvorimo v aminsko skupino. Pri azidih to storimo z redukcijo, <strong>na</strong><br />
primer s katalitskim hidrogeniranjem (<strong>na</strong>jbolj elegantno). Poleg katalitskega hidrogeniranja je v<br />
uporabi tudi redukcija azidov s trifenilfosfinom ali s H 2S. Pri Gabrielovi sintezi aminski dušikov atom<br />
uvedemo s kalijevim ftalimidom, N-ftaloilno skupino pa <strong>na</strong> koncu odstranimo s hidrolizo.<br />
Druga sintez<strong>na</strong> varianta z reduktivnim aminiranjem α-keto kislin je biomimetska, saj temelji <strong>na</strong><br />
e<strong>na</strong>kem principu kot biosinteza α-amino kislin v bioloških sistemih. V sinezni praksi pretvorbe αketo<br />
kislin izvedemo s katalitskim hidrogeniranjem v prisotnosti amonijevega acetata. Poleg<br />
katalitskega hidrogeniranja uporabljamo tudi redukcijo s kompleksnimi hidridi, npr. z NaBH 3CN.
<strong>Sinteza</strong> α-amino kislin z uvedbo aminske skupine
<strong>Sinteza</strong> α-amino kislin z uvedbo aminske skupine in stranske verige izhaja iz diestra malonske kisline<br />
(propandiojske kisline), ki ga <strong>na</strong>jprej elektrofilno bromiramo <strong>na</strong> aktivni metilenski skupini. Sledi<br />
uvedba aminske skupine s kalijevim ftalimidom, uvedba stranske verige z alkil halidom in <strong>na</strong> koncu še<br />
hidroliza s spremljajočo dekarboksilacijo. Pri drugi sintezni varianti prav tako izhajamo iz diestra<br />
malonske kisline, ki ga nitroziramo s HNO 2 do oksima. Sledi redukcija oksima do ami<strong>na</strong>, N-aciliranje,<br />
uvedba stranske verige z alkil halidom in <strong>na</strong> koncu še hidroliza s spremljajočo dekarboksilacijo.
<strong>Sinteza</strong> α-amino kislin z uvedbo aminske in karboksi skupine v bistvu temelji <strong>na</strong> cianhidrinski<br />
reakciji. Izhaja iz aldehidov, ki jih z amonijevin cianidom pretvorimo v nitrile α-amino kislin, le-te pa<br />
hidroliziramo do α-amino kislin. Ta postopek je zelo splošen in ga imenujemo Streckerjeva sinteza.<br />
Zanimiva varianta Streckerjeve sinteze amino kislin je Buchererjeva sinteza hidantoinov. Gre za<br />
trokomponentno reakcijo aldehida, amonijevega karbo<strong>na</strong>ta in kalijevega cianida v alkoholu pod<br />
povišanim tlakom, ki vodi do imidazolidin-2,4-dio<strong>na</strong> (hidantoi<strong>na</strong>), tega pa <strong>na</strong>to hidroliziramo do<br />
amino kisline.
<strong>Sinteza</strong> α-amino kislin z uvedbo stranske verige je v bistvu derivatizacija glici<strong>na</strong> <strong>na</strong> C α-atomu. Pri<br />
Erlenmeyerjevi azlaktonski sintezi izhajamo iz glici<strong>na</strong> (ali iz N-acetiliranega glici<strong>na</strong>), ki ga z<br />
acetanhidridom pretvorimo v 2-metil -5(4H)-oksazolon. Kondenzacija tega močno C-nukleofilnega<br />
heterocikla z aldehidi ali ketoni (gre za Knoeve<strong>na</strong>glov tip reakcije) vodi do ustreznih azlaktonov, ki jih z<br />
redukcijo C=C vezi in sledečo hidrolizo pretvorimo v α-amino kisline. Ta postopek je primeren zlasti za<br />
sintezo aromatskih amino kislin (fenilalanin, tirozin, triptofan in a<strong>na</strong>logi). Namesto s kondenzacijo, pa<br />
lahko stransko verigo uvedemo tudi z nukleofilno substitucijo (npr. z alkil halidom)
Razvitih je bilo več različic azlaktonske sinteze, omeniti pa velja varioanti, kjer kot C-nukleofil<strong>na</strong><br />
heterocikla <strong>na</strong>stopata imidazolidin-2,4-dion (hidantoin) in piperazin-2,5-dioni (diketopiperazin). V<br />
obeh primerih stransko verigo praviloma uvedemo s kondenzacijo z aldehidom ali ketonom, včasih<br />
pa uporabimo tudi elektrofilno C-alkiliranje (npr. z alkil halidi):
Klasič<strong>na</strong> sinteza peptidov: zaščitne skupine omogočajo selektivnost spajanja amino kislin
Klasič<strong>na</strong> sinteza peptidov: zaščita aminske skupine (N-zaščitne skupine)
Klasič<strong>na</strong> sinteza peptidov: zaščita karboksi skupine (C-zaščitne skupine)
Klasič<strong>na</strong> sinteza peptidov: zaščita funkcio<strong>na</strong>lnih skupin stranske verige
Klasič<strong>na</strong> sinteza peptidov: aktivacijski reagenti za direktno spajanje zmesi ami<strong>na</strong> in kisline
Klasič<strong>na</strong> sinteza peptidov: aktivacijski reagenti za tvorbo aktiviranih derivatov in situ
<strong>Sinteza</strong> peptidov <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> (SPS): priprava funkcio<strong>na</strong>liziranega polistire<strong>na</strong>
<strong>Sinteza</strong> peptidov <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> (SPS): tipični funkcio<strong>na</strong>lizirani polimeri
<strong>Sinteza</strong> peptidov <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> (SPS): princip praktične izvedbe SPS
<strong>Sinteza</strong> peptidov <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> (SPS): princip praktične izvedbe SPS<br />
a,b) reakcijske posodice; c) polimerni nosilec; d) frita (steklen filter); e) iztok
<strong>Sinteza</strong> peptidov <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> (SPS): Boc strategija
<strong>Sinteza</strong> peptidov <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> (SPS): Fmoc strategija
<strong>Sinteza</strong> peptidov <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> (SPS): prednosti in slabosti<br />
Prednosti:<br />
-izognemo se izolaciji/čiščenju (= izgubam) po vsaki stopnji<br />
-sintetiziramo lahko oligopeptide, ki vsebujejo do 100 amino kislinskih enot<br />
-omogoča avtomatizirano kombi<strong>na</strong>torno sintezo knjižnic različnih peptidov<br />
Slabosti:<br />
-težav<strong>na</strong> kontrola in spremljanje (monitoring) reakcij v posameznih stopnjah<br />
-agregacija <strong>na</strong>raščajoče peptidne verige s polimernim nosilcem in/ali s sosednjimi<br />
peptidnimi verigami <strong>na</strong> <strong>nosilcu</strong> (odprava te težave zahteva dodantno Nalkiliranje/dealkiliranje)<br />
-stranska posledica uporabe velikega prebitka reagentov je slaba izkoriščenost (dragih)<br />
reagentov, ki jih je potrebno regenerirati ali ustrezno uničiti<br />
-pri spiranju nosilca dobimo velike volumne odpadnih topil, ki jih je treba bodisi<br />
regenerirati ali pa ustrezno uničiti
Struktura peptidov in beljakovin<br />
Strukturo peptidov delimo <strong>na</strong> več stopenj :<br />
- primar<strong>na</strong> struktura opiše amino kislinsko sestavo in<br />
zaporedje v peptidni verigi<br />
- sekundar<strong>na</strong> struktura opiše konformacijske z<strong>na</strong>čilnosti<br />
osnovne peptidne verige<br />
- terciar<strong>na</strong> struktura opiše prostorsko razporeditev<br />
stranskih verig peptidnega skeleta<br />
- kvarter<strong>na</strong> struktura pa opiše intermolekularne<br />
(supramolekularne) interakcije molekul peptida
Osnovni strukturni element peptida je amid<strong>na</strong> (peptid<strong>na</strong>) vez. Zaradi delnega prekrivanja πelektronov<br />
C=O vezi s prostim elektronskim parom amidnega dušika, t.j. zaradi reso<strong>na</strong>nčne<br />
delokalizacije elektronskega para dušika v amidni vezi ima C-N vez amida delni z<strong>na</strong>čaj dvojne vezi:<br />
Posledica tega je, da vrtljivost okrog amidne C-N vezi ni prosta, in da atomi vezani <strong>na</strong> amidno C-N<br />
vez ležijo v isti ravnini, konformacijsko gibljivost peptidov zato določajo le rotacije okrog C-C in<br />
aminske C-N vezi. Osnovni peptidini skelet je pla<strong>na</strong>rne “cik-cak” oblike s stranskimi verigami , ki so<br />
vezane izmenjaja v ene in druge strani:
Sekundar<strong>na</strong> struktura peptidov in proteinov je določe<strong>na</strong> s konformacijo ogrodja. Strukture<br />
proteinov so zelo kompleksne, vendar pa vsebujejo dva z<strong>na</strong>čil<strong>na</strong> struktur<strong>na</strong> elementa: a)<br />
linearne vzporedne verige, β-ravnine, ki jih povezujejo t. i. β-zavoji in b) verige v obliki<br />
vijačnice (podobno kot pri DNA). V obeh primerih sekundarno strukturo proteinov inducirajo<br />
intramolekularne vodikove vezi. Pomemben strukturni element, ki povezuje posamezne dele<br />
beljakovine so t.i. disulfidni mostički –S-S-, ki <strong>na</strong>stanejo z oksidativno povezavo SH skupin<br />
dveh cisteinskih preostankov.<br />
α-Vijačnica. Njen potek je določen v smeri od dušika proti ogljiku (N→C), in sicer tako, da se<br />
začne z N-termi<strong>na</strong>lom prve amino kisline in konča s C-termi<strong>na</strong>lom zadnje. N-H prve amino<br />
kisline (i) je z vodikovo vezjo povezan s C=O pete amino kisline (i+4) itd. V α-heliksu <strong>na</strong>redi<br />
18 amino kislin 5 zavojev, kar znese 3.6 amino kisline <strong>na</strong> zavoj. Korak zavoja je 5.4 Å.
Sekundar<strong>na</strong> struktura peptidov in proteinov: α-vijačnica<br />
i+3<br />
i+4<br />
i<br />
i+2<br />
i+1<br />
5.4 Å
Desnosuč<strong>na</strong> α-vijačnica
β-Zavoj in β-ravnine. T.i. β-ravnine <strong>na</strong>stanejo, ko se posamezni cik-cak prameni<br />
osnovnega skeleta beljakovine povežejo preko N-H∙∙∙∙∙O=C vodikovih vezi. Povezava<br />
posameznih pramenov je lahko paralel<strong>na</strong> ali anti-paralel<strong>na</strong>:<br />
Paralel<strong>na</strong><br />
povezava<br />
Anti-paralel<strong>na</strong><br />
povezava
Predele, kjer peptid<strong>na</strong> veriga obrne smer, imenujemo zavoje. Poz<strong>na</strong>mo različne tipe zavojev,<br />
ki so v osnovi definirani s številom aminokislin, ki so potrebne za vzpostavitev<br />
intramolekularne N-H∙∙∙∙∙O=C vodikove vezi, ki stabilizirajo zavoj.<br />
β-zavoj
Najpogostejši zavoj je β-zavoj, ki <strong>na</strong>stane s C=O∙∙∙∙∙H-N povezavo „prve“ (i) in „četrte“ amino<br />
kisline (i+3). Centralni amino kislini (i+1 in i+2) sta praviloma prolin in glicin:
Sekundar<strong>na</strong> struktura peptidov in proteinov: β-zavoj in β-ravnine
RSCB Protein Databank (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do) je prostodostop<strong>na</strong> baza<br />
(banka) podatkov o strukturi z<strong>na</strong>nih proteinov. Primer je struktura kompleksa visoko<br />
afinitetnega inhibitorja človeškega trombi<strong>na</strong> z omenjenim encimom (PDB koda: 3UTU):<br />
http://www.rcsb.org/pdb/explore/jmol.do?structureId=3UTU<br />
inhibitor<br />
α-vijačnica<br />
β-ravni<strong>na</strong><br />
β-zavoj
Določanje amino kislinskega zaporedja v peptidih in beljakovi<strong>na</strong>h: določitev N-termi<strong>na</strong>lne amino<br />
kisline z 2,4-dinitrofluorobenzenom (Sangerjev reagent):<br />
- Karboksipeptidaze cepijo C-termi<strong>na</strong>lne amino kisline iz peptidov <strong>na</strong>: določitev C-termi<strong>na</strong>lne amino<br />
kisline<br />
- Cianogen bromid cepi peptid <strong>na</strong> C-termi<strong>na</strong>lnem koncu metioni<strong>na</strong>
Določanje amino kislinskega zaporedja v peptidih in beljakovi<strong>na</strong>h: uporaba kimotripsi<strong>na</strong> in tripsi<strong>na</strong><br />
Določanje amino kislinskega zaporedja v peptidih in beljakovi<strong>na</strong>h: Edmanova degradacija
Kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> sinteza peptidov: primer molekulske različnosti (molecular diversity)<br />
Primer molekulske različnosti hipotetičnega tetrapeptida A-B-C-D:<br />
Iz 20 <strong>na</strong>ravnih L-amino kislin lahko sintetiziramo 20 4 = 160.000 različnih tetrapeptidov!<br />
Če dodamo še 19 D-amino kislin, dobimo skupaj 39 različnih amino kislin, iz katerih lahko potem<br />
sintetiziramo 39 4 = 2.300.000 različnih tetrapeptidov!!<br />
Če k temu dodamo še samo 20 ne<strong>na</strong>ravnih amino kislin (njihovo absolutno število je sicer z<strong>na</strong>tno<br />
višje), dobimo skupaj 59 različnih amino kislin, iz katerih lahko potem sintetiziramo 59 4 =<br />
12.000.000 različnih tetrapeptidov!!!<br />
Kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> kemija se ukvarja z razvojem metod visoke učinkovitosti za pripravo knjižnic<br />
sorodnih spojin za različ<strong>na</strong> testiranja (biološka aktivnost, kataliza, materiali, ipd.).<br />
Za sintezo kombi<strong>na</strong>tornih knjižnic peptidov se uporablja skoraj izključno sinteza <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong><br />
(trdnem) <strong>nosilcu</strong>. Za sintezo knjižnic malih organskih molekul pa se uporabljata obe metodi, sinteza<br />
<strong>na</strong> trdnem <strong>nosilcu</strong> in sinteza v raztopini.
Kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> sinteza peptidov: razcepno-združeval<strong>na</strong> sinteza (split & combine synthesis)<br />
Primer “split & combine” sinteze knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (1. del):
Kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> sinteza peptidov: razcepno-združeval<strong>na</strong> sinteza (split & combine synthesis)<br />
Primer “split & combine” sinteze knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (2. del):
Kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> sinteza peptidov: dekonvolucija knjižnice (deconvolution of the library)<br />
Primer dekonvolucije knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (1. del):
Kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> sinteza peptidov: dekonvolucija knjižnice (deconvolution of the library)<br />
Primer dekonvolucije knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (2. del):
Kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> sinteza peptidov: dekonvolucija knjižnice (deconvolution of the library)<br />
Primer dekonvolucije knjižnice tripeptidov iz amino kislin A-I (3. del):
Kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> razcepno-združeval<strong>na</strong> sinteza peptidov <strong>na</strong> <strong>polimernem</strong> <strong>nosilcu</strong> (SPS): prednosti in<br />
slabosti<br />
Prednosti:<br />
-avtomatizira<strong>na</strong> kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> sinteza velikih knjižnic različnih peptidov<br />
Slabosti:<br />
-dekonvolucija knjižnice je delovno intenziven in zamuden proces<br />
-izmerje<strong>na</strong> aktivnost knjižnice je dejansko kombi<strong>na</strong>cija aktivnosti posameznih spojin<br />
-celokup<strong>na</strong> aktivnost knjižnice je odvis<strong>na</strong> od števila (in s tem koncentracije) aktivnih<br />
spojin, kar lahko vodi do <strong>na</strong>pačnih zaključkov: večje število srednje aktivnih spojin ene<br />
knjižnice lahko “premaga “ majhno število visoko aktivnih spojin druge, celokupno manj<br />
aktivne knjižnice<br />
-aktivnost knjižnice je lahko posledica prisotnosti ene same visoko aktivne spojine, ki pa<br />
je stranski produkt<br />
Omenjene slabosti lahko rešimo s sistemom kodiranja vzorcev, ki pa je spet zamudno in v večini<br />
primerov zahteva dodatno sofisticirano opremo za kodiranje.
Kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> sinteza v raztopini<br />
Čeprav je bil pojem kombi<strong>na</strong>torne sinteze še pred desetletjem takorekoč sinonim za sintezo <strong>na</strong><br />
trdnem <strong>nosilcu</strong> (SPS), se je zaradi objektivnih slabosti SPS metodologije (težaven monitoring reakcij,<br />
neželene cepitve linkerjev in kontami<strong>na</strong>cija produktov) zlasti v sintezah nepeptidnih in<br />
nenukleotidnih knjižnic malih organskih molekul uveljavila kombi<strong>na</strong>tor<strong>na</strong> sinteza v raztopini. Glavni<br />
problem raztopinske sinteze predstavlja učinkovita paralel<strong>na</strong> izolacija čistih spojin. Ta problem<br />
rešimo <strong>na</strong> več <strong>na</strong>činov:<br />
-filtracija produktov pride v poštev, kadar pri reakciji <strong>na</strong>stanejo netopni produkti, stranski produkti<br />
pa ostanejo raztopljeni<br />
-uparevanje reakcijskih zmesi izvajamo, kadar potekajo reakcije kvantitativno in so vsi stranski<br />
produkti hlapnimi stranskimi produkti<br />
-ekstrakcija <strong>na</strong> trdnem <strong>nosilcu</strong> (SPE – solid phase extraction) je metoda, kjer uporabimo t.i. lovilce<br />
prebitnih reagentov, ki so vezani <strong>na</strong> polimerni nosilec (npr. s polimerno vezanim aminom, lahko<br />
odstranimo prebitno acilirno ali alkilirno sredstvo). Uporabljamo za odstranjevanje nehlapnih<br />
primesi, konč<strong>na</strong> stopnja izolacije pa je uparevanje<br />
-kratkopot<strong>na</strong> kromatografija (filtracija skozi nosilec) je sorod<strong>na</strong> SPE, le da bazira <strong>na</strong> nekovalentnih<br />
interakcijah med nosilcem, topilom in spoji<strong>na</strong>mi v zmesi. Pravilom <strong>na</strong> ta <strong>na</strong>čin odstranimo močno<br />
polarne nehlapne primesi s filtracijo skozi nosilec (npr. silikagel, fluorisil, aluminijev oksid). Na koncu<br />
sledi uparevanje očiščenih reakcijskih zmesi.<br />
-preparativ<strong>na</strong> tekočinska kromatopgrafija visoke ločljivosti (prep-HPLC)
Polimerizacije (sintezni polimeri)<br />
Glav<strong>na</strong> sestavi<strong>na</strong> veči<strong>na</strong> snovi, ki <strong>na</strong>s obdajajo, so polimerni materiali: koža, lasje, oblačila, papir,<br />
škrob, beljakovine, les, plastične mase, itd. Polimerne molekule so torej večje molekule, ki jih tvori<br />
več e<strong>na</strong>kih ali različnih med seboj (kovalentno) povezanih manjših molekul (monomernih molekul.<br />
Pojav dimerizacije in polimerizacije je precej običajen – marsikatere male molekule se med seboj<br />
povezujejo v večje oligomerne enote. Primeri:
Strukturno gledano ločimo pri sinteznih polimerih med linearnimi polimeri in zamreženimi<br />
polimeri. Linearni polimeri <strong>na</strong>stanejo pri linearnem povezovanju monomernih enot, medtem<br />
ko so monomerne enote zamreženih polimerov povezane ne samo linearno temveč tudi<br />
prečno:
Polimerizacije s substitucijo <strong>na</strong> karbonilni skupini<br />
Pri sintezi poliamidov gre za polikondenzacijo med dikarboksilno kislino in diaminom (npr. sinteza<br />
Naylo<strong>na</strong> 6,6 iz diklorida heksandikarboksilne kisline in heksan 1,6-diami<strong>na</strong>:
Poseben primer je sinteza poliamidov iz difunkcio<strong>na</strong>lne monomerne enote (laktama), ki vsebuje<br />
tako karboksilni kot tudi aminski strukturni element. Primer je sinteza Nylo<strong>na</strong> 6 iz kaprolaktama:
Na a<strong>na</strong>logen <strong>na</strong>čin lahko sintetiziramo poliestre, če izvedemo polikondenzacijo med dikarboksilno<br />
kislino in diolom (npr. sinteza poliestra iz tereftalne kisline in etilenglikola (etan-1,2-diola):
Polikarbo<strong>na</strong>te pripravljamo s polikondenzacijo bisfenola s fosgenom (X = Cl) ali karbo<strong>na</strong>tom (X = OR):
Polimerizacije s elektrofilno aromatsko substitucijo<br />
Na ta <strong>na</strong>čin pripravljamo polimere, ki ki sodijo v skupino fenol-formaldehidnih polimerov (smol).<br />
Glavni predstavnik te vrste polimerov je bakelit. Pri sintezi teh polimerov gre za kombi<strong>na</strong>cijo<br />
hidroksimetiliranja in alkiliranja fenolov:
Polimerizacije z alifatsko nukleofilno S N2 substitucijo<br />
Polimerizacija <strong>na</strong> osnovi S N2 substitucije je metoda za pripravo polietrov (epoksidnih smol). Pri sintezi<br />
teh polimerov gre torej za bazno katalizirano polimerizacijo epoksidov (oksiranov):<br />
A<strong>na</strong>log<strong>na</strong> je metoda za pripravo polisililetrov (silikonskih polimerov). Pri tej sintezi gre za reakcijo<br />
dimetilsilil diklorida s hidroksidnim ionom, <strong>na</strong>stali hidroksi intermediat reagira z novo molekulo<br />
dimetilsilil diklorida, in tako <strong>na</strong>prej…..:
Polimerizacije z adicijo <strong>na</strong> izocia<strong>na</strong>te<br />
Ta metoda se uporablja predvem za sintezo poliuretanov:
Polimerizacije alkenov<br />
Radikalska polimerizacija je univezal<strong>na</strong> reakcija, ki jo lahko uporabljamo za polimerizacijo vseh vrst<br />
alkenov :
Anionska polimerizacija je primer<strong>na</strong> predvsem za polimerizacijo elektronsko revnih alkenov:<br />
Kationska polimerizacija je primer<strong>na</strong> predvsem za polimerizacijo elektronsko bogatih alkenov, ki<br />
lahko tvorijo stabiliziran karbokation:
<strong>Sinteza</strong> zamreženih polimerov
- UV/VIS (UV: 200-400 nm, VIS: 400-700 nm) vzbujanje elektronov iz osnovnega stanja S 0 oz. T 0 v<br />
vzbujeno stanje S 0 * oz. T0 * oz. fotokemič<strong>na</strong> aktivacija. Poz<strong>na</strong>mo <strong>na</strong>slednje prehode:<br />
- σ→σ* (alkani)<br />
-n→σ* (alkoholi, amini, etri, halogenidi, itd.)<br />
-π→π* (alkeni, alkini, C=O in C=N spojine, itd.)<br />
-n→π* (C=O in C=N spojine, itd.).<br />
Pri obsevanju vez ali elektronski par absorbira en kvant energije in preide v vzbujeno stanje. Pri<br />
relaksaciji vzbujenih elektronov v osnovno stanje pa se absorbira<strong>na</strong> energija lahko sprosti v obliki<br />
toplotne emisije ali vidne svetlobe (fluorescenca, fosforescenca).
Korelacija med strukturo in barvo spojin: Pri obsevanju z vidno ali ultravijolično svetlobo molekula<br />
absorbira kvant energije, ki povzroči prehod elektronov in osnovnega v vzbujeno stanje (π→ π* in n<br />
→ π*). Pri večini organskih spojin se tako prehodi zgodijo v ultravijoličnem delu spektra (200–400<br />
nm) zato so te spojine brezbarvne. V kolikor pa se prehod zgodi v vidnem delu spektra (400–700 nm)<br />
pa spojino zaz<strong>na</strong>mo kot obarvano. Ne vidimo barve valovne dolžine svetlobe, ki jo je spoji<strong>na</strong><br />
absorbirala temveč komplementarno barvo, t.j. valovno dolžino svetlobe, ki jo spoji<strong>na</strong> odbije.<br />
Korelacija med valovno dolžino absorbirane svetlobe, barvo svetlobe in komplementarno barvo<br />
λ (nm) barva komplementar<strong>na</strong> barva<br />
400–430 vijolič<strong>na</strong> zelenorume<strong>na</strong><br />
430–480 modra rume<strong>na</strong><br />
480–490 zelenomodra oranž<strong>na</strong><br />
490–510 modrozele<strong>na</strong> rdeča<br />
510–530 zele<strong>na</strong> škrlatnordeča<br />
530–570 rumenozele<strong>na</strong> vijolič<strong>na</strong><br />
570–580 rume<strong>na</strong> modra<br />
580–600 oranž<strong>na</strong> zelenomodra<br />
600-680 rdeča modrozele<strong>na</strong><br />
680–700 škrlatnordeča zele<strong>na</strong>
Glede <strong>na</strong> energijo, ki je potreb<strong>na</strong> za vzbujanje elektronov, so torej obarvane tiste spojine, ki imajo<br />
obsežnejše π–elektronske sisteme. Tu gre predvsem za ne<strong>na</strong>sičene spojine z več multiplimi C=C,<br />
C=X in X=X vezmi oz. nosilci barve so kromoforne skupine:<br />
Poleg tega <strong>na</strong> intenzivnost obarvanja vplivajo tudi t.i. avksokromne skupine kot modulatorji barve:
Vpliv večanja π–elektronskega sistema <strong>na</strong> barvo spojine in položaj absorpcijskega maksima :<br />
λ max. (nm) spoji<strong>na</strong><br />
220 Me–CH=CH–CHO<br />
270 Me–CH=CH–CH=CH–CHO<br />
312 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO<br />
343 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO<br />
370 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO<br />
393 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO<br />
415 Me–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CH=CH–CHO
Antocianini Kinoni<br />
Karotenoidi<br />
Porfirini<br />
Pterini
Fotokemično vzbuje<strong>na</strong> inhibicija kimotripsi<strong>na</strong><br />
IC 50 je količi<strong>na</strong> (po<strong>na</strong>vadi koncentracija) inhibitorja pri kateri je doseže<strong>na</strong> 50% inhibicija<br />
encima glede <strong>na</strong> maksimalno (100%) inhibicijo.<br />
Kimotripsin je proteolitski encim, ki cepi peptide <strong>na</strong> karboksilnem koncu aromatskih amino<br />
kislin (fenilalanin, tirozin, triptofan).<br />
Referenca: Pearson, D.; Alexander, N.; Abell, A. D. “Improved photocontrol of a -chymotrypsin activity:<br />
peptidomimetic trifluoromethylketone photoswitch enzyme inhibitors”. Chem.–Eur. J. 2008, 14, 7358-7365.