Universität HeidelbergProf. Dr. Krämer
Synthese von N-(Benzyloxycarbonyl)-ethan-1,3-diamin und verschiedener Perylen-Derivate 2016
Georg-von-Langen-SchuleBerufsbildende Schulen Holzminden
Beteiligte Personen: Laura Katharina Dittrich, Jannik Wegener, Christian Koch, Simon Homölle, Tobias Feist, Marian Loges, Carina Rose, Victoria Schürmann, Maik Hünnefeld, Daniel Gebhard, Dominik Franke, Emily Strote und Dr. Carsten Wendelstorf
Problemstellung/ Hintergründe:
N
O
O
N
O
O
NHO
O OO
Das körpereigene Polysaccharid Heparin ist in Verbindung mit Antithrombin III der wichtigste Gerinnungshemmer im Blut des Menschen. Bei Mangel kann es zu Blutverklumpungen führen und schließlich zu Infarkten im Gehirn oder Herzen. Ein Überschuss führt wiederum zu inneren Blutungen, welche ebenso wie Infarkte eine lebensbedrohliche Situation für den Menschen darstellen. Mittels eines Schnelltests soll die etwaige Heparin-konzentration im Blut ermittelt werden. Hierbei wird ein Perylenderivat als Farbindikator eingesetzt, durch den das Heparin mittels UV-Licht quantitativ detektierbar wird.
Als Grundgerüst des Farbindikators dient der polycyclische Aromat Perylen, welcher im Laufe der Projektarbeit mit Aminosäure-derivaten modifiziert wird.Durch Schutzgruppenentfernung binden sich die hergestellten Derivate des Perylens an das Heparin, wodurch dieses UV-aktiviert wird und damit quantitativ detektierbar ist.
Zucker/ Arginin - Gruppe
Zucker & DMSO & Methanol Probe mit Katalysator Natrimhydrogencarbonat:
1 Woche bei Raumtemperatur gerührt mittels UV Detektion eine Reaktion nachgewiesen. Durch den Katalysator ist das Methanol teilweise ans Perylen verestert.
Einseitige Veresterung: Zweiseitige
Veresterung:
4,10-bis(methoxycarbonyl)perylene- 4,9-bis(methoxycarbonyl)perylene 3,9-dicarboxylic acid -3,10-dicarboxylic acid
FolgerungenPerylen reagiert in Anwesenheit einer Base in Methanol zu den obenstehenden Produkten bestätigt mit Triethylamin und NaHCO3Produkte in polaren Lösungsmitteln löslich
CH3
CH3
O
O
OHOH
O
O
O
O
CH3
H
H
CH3
O
O
OO
O
O
O
O
Versuchsaufbau:Mikroversuche der Derivatbildung in DC Viales mit Verschiedenen Lösemitteln
Baukastenprinzip
Aufarbeitung der Versuche:Aufarbeitung einzelner Versuche über Watte Kieselgelfiltration
Reste des Perylens blieben im Filter hängen lösliches Produkt konnte als Filtrat abgenommen werden.
Dünnschichtchromatographie Ergebnis: Die beiden obigen Produkte A und Bkonnten über LC/MS bestätigt werden
SchlussfolgerungenIn Methanol gelöstes Perylen bleibt stabil. Wird eine Base wie NaHCO3 oder Triethylamin hinzugesetzt finden die obigen Veresterungen statt.
A B
Cbz - Gruppe
Synthese asymmetrisch geschützter DiamineDie bisher eingesetzte Alloc-Schutzgruppe ist hochtoxisch und somit schwer handhabbar. In der modernen Schutzgruppenchemie wird häufig Benzoxy-carbonyl eingesetzt. Die Cbz-Gruppe ist nicht nur günstiger und weniger giftig, sondern auch besser auftrennbar auf Säulen.
Es war nicht mehr genügend Zeit das dargestellte Cbz-Ethylendiamin mit Perylen zu testen. Jedoch liegt noch eine ausreichende Menge des Amins für weitere Eignungtests vor.
Obwohl Cbz, besser als Alloc geeignet ist, besteht das Risiko, dass sie für die spätere asymmetrische Synthese ungeignet ist. Da es durch einen aromatischen Rest, größere Ähnlichkeit zu Perylen aufweist, könnte es die asymmetrische Dirigation verlieren.
Nach dem Prinzip der pH-Wertsteuerung sollte es möglich sein, auch andere Di- oder Triamineasymmetrisch zu schützen. Bei Triaminen wäre insbesondere das Einbringen einer weiteren Schutzgruppe bei verschiedenen pH-Werten interessant, um weitere Reaktionsschritte und eine noch weitere asymmetrischen Gestaltung des Zielmoleküls zu ermöglichen.
0
2
4
6
4x10Intens.
Intens.
Ca. 92% Ausbeute
Cbz-Ethylendiamin
Lösungsstrategie
Perylen-K+- Gruppe Arginin - GruppeZucker/ Arginin-Gruppe Cbz - GruppeEinseitiges Schützen von Diaminen. Ersatz von Alloc‐Ethylendiamindurch Cbz‐Ethylendiamin
Das Reaktionsverhalten vonZucker bzw. Arginin mit Perylenin verschiedenen Lösemitteln
Zum Arginindecylestersmit TMSCL zur weiteren Reaktion mit Perylen
AsymetrischerZugang zum Perylen als Monokaliumsalz
Literatur:1. Europäisches Patent, Veröffentlichungsnummer: 0176899 B12. Doktorarbeit- Fluoreszenzfarbstoff für Solarenergie-Anwendung, der Ludwig- Maximilian- Universität München, von Simon Poxleiter3. Doktorarbeit- Synthese und Eigenschaften neuartiger, nichtkristallinier Amphiphile als Baustein für biologische Modellmembranen, von
Chistina Benedek4. www.bbs-holzminden.de/index.php?id=190#c521 (Ergebnisse der vorangegangenen Projektgruppen)5. GIT Labor-Fachzeitschrift 3/2010, S. 194-197, GIT Verlag GmbH & Co.KG, Darmstadt („Direkte Messung des Heparinspiegels beim
Blutgerinnungsmanagement“)6. Synthesevorschrift: Veresterung der Aminosäure (2013) (Ergebnisse der vorangegangenen Projektgruppen)7. Synthesevorschriften von der Zucker-Gruppe und Arginin-Gruppe (2015) (Ergebnisse der vorangegangenen Projektgruppen)8. Synthesevorschrift Cbz: http://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/699/3/teil_03.pdf
O OO
O OO
KOH
H2O
Val-Boc
DMSO
OH
OH
NHO O
NHO O
O
O
O
O
+
O-OH OO
O OO
K+ OHOH
N OO
OO
O
O
Perylen-K+- Gruppe
Fazit:Durch ein LC/MS konnte das monosubstituierteProdukt (B) und das disubstituierte Produkt (C)nachgewiesen werden. Ebenfalls konnte das symmetrisch substituierte Val-Boc-Py-Val-Boc(D) gefunden werden, woraus geschlossen werden kann, dass die Umsetzung zum Mono-Kaliumsalz nicht vollständig war und noch Perylenreste vorhanden waren.
Durchführung:Perylen reagiert in wässriger Kaliumhydroxid-Lösung zum Mono-Kaliumsalz Aund wird dann einseitig zu Bbzw. zweiseitig zu C mit Val-Bocumgesetzt:
NO O
NO O
O
O
O
O
OHOH
N OO
OO
O
O
OH
OH
NHO O
NHO O
O
O
O
O
A B C
(B)
(C)
(D)
Arginin - Gruppe Veresterung von L- Arginin mit 1-Decanol und TMSCl als Katalysator
OH+ TMSClOH
O
NH2
NHNH2
NH
Formula Weight = 174.20096
O
O
NH2
NHNH2
NH
Formula Weight = 158.28108 Formula Weight = 314.46676
Der gewählte Reaktionsweg führt nicht zur Bildung des gewünschten Esters.
Das DC zeigt, dass das Arginin sich zu einem Polyester umgesetzt hat
Aufgrund der Klumpenbildung ist vermutlich eine Polymerisationdes Argininseingetreten.
(Laufmittel: Aceton, Wasser, Eisessig, Butanol)
Arginin Produkt Decanollösung
Die 2. Reaktions-kontrolle zeigt das gleiche Ergebnis(Gekocht bei 200°C)
Lösungsvorschlag: 1.häufig ist die säurekatalysierte Veresterung
nicht möglich2.Durch Verwendung von Sulfurylchlorid als
Dehydratisierungskatalysator kann dieseSchwierigkeit überwunden werden
3.Stickstoffatmosphäre beim Kochen
(Laufmittel: Methanol)
Geplante Alloc-Py-DecaArginin-Derivat Synthese in DMSO
O
O
O
O
O
O
+
DMSO/NaHCO3 RT/7Tage
+
NH2NH O
O
HCl
.
O
O
NH2
NHNH2
NH
N
N
O
O
O
O
NHO
O
O
O
NH2
NH
NH
Zusammenfassung:• Perylen zeigt in Methanol ein besonderes Reaktionsverhalten in Anwesenheit
von Basen wie NaHCO3 und Triethylamin. In beiden Fällen hydrolisiert die Anhydrid-Funktion schnell zur Dicarbonsäure, welche teilweise mit Methanol verestert auftritt. In DMSO wird diese Hydrolyse nur sehr schwach beobachtet.
• Das Mono-Kaliumsalz des Perylens konnte isoliert und mit Val-Boc zu einem Mono- bzw. Disubstituierten Derivat umgesetzt werden, welches jeweils noch zwei weitere Carbonsäuregruppen enthält.
• Die Veresterungen von Arginin war bisher nicht erfolgreich. • Die Cbz-Schutzgruppe konnte erfolgreich einseitig an Ethylendiamin angefügt
werden. Bei der Umsetzung des entstandenen N-(Benzyloxycarbonyl)-ethan-1,3-diamins mit Perylen zeigte das UV-Licht in DMSO eine Umsetzung an.
Schlussfolgerung / Lösungsvorschläge:I. Die Cbz-Schutzgruppe kann pH-Wert gesteuert an Mehrfachamine gezielt
addiert werden, wodurch vielfältige Möglichkeiten für Perylenderivate entstehen.II. Das Mono-Kaliumsalz des Perylens kann zur asymetrischen Derivatisierung
genutzt werden, wenn die Carbonsäurereste sinnvoll genutzt werden können.III. Methanol könnte in Kombination mit anderen Lösemitteln interessant sein.