Universität HeidelbergProf. Dr. Krämer

Synthese von Perylendiimidaminosäure mit Schutzgruppen in DMSOGeorg von Langen Schule

Holzminden

Problemstellung/ Hintergründe:Durch einen selektiven Farbstoff soll das Heparin im Blut schnell und direkt bestimmt werden und so eine patientennahe Sofortdiagnostik im Falle von Blutgerinnseln, die Schlaganfälle und Herzinfarkte verursachen, gewährleistet werden.

Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Versuche soll die Synthese optimiert werden. Das giftige Lösemittel Imidazol soll durch ein ungiftiges Lösemittel ersetzt werden. Versuche werden mit Dimethylsulfoxid (DMSO) durchgeführt.

Hintergrund für die Versuche ist die Anwendung des Farbstoffs auf speziellen Teststreifen, mit denen das Heparin schnell quantitativ nachgewiesen werden soll.

Zielmolekül:

Alloc-Perylen-Boc

ONH

O N

O

O

N

O

O

O

O

Lösungsstrategie zur Herstellung von Alloc-Py-Boc

Alloc im Überschuss in ImidazolBoc Zugabe in ein Imidazol/Alloc-GemischDMSO als Lösungsmittel

Es wird Alloc im Überschuss zugegeben, um mehrAlloc – Py – Boc zu synthetisieren, weil bisherBoc – Py – Bocbevorzugt gebildet wurde.

•Es soll DMSO als alternatives Lösungsmittel zu Imidazol unter Einsatz verschiedener Basen verwendet werden.

Alloc und Boc werden im Verhältnis 3:1 eingesetzt

•Das Perylen soll in DMSO vorgelegt werden. Anschließend soll Boc und Alloc hinzugegeben und auf 130°C erwärmt werden.

•Nach 30min sollen DC Proben genommen werden.

• Ist die Reaktion nicht angelaufen soll nacheinander

1. Magnesiumcarbonat 2. Natriumhydrogencarbonat3. Imidazol

hinzugegeben und zwischen den Schrittennach 30min mit einer DC aufReaktion getestet werden.

•Alloc wurde im Überschuss vorgelegt und Boc portionsweise hinzugefügt, um Alloc–Py–Boc bevorzugt zu synthetisieren, weil bisher Boc–Py–Boc bevorzugt und Alloc-Py-Alloc gar nicht gebildet wurde.

Alloc - Py - Boc

Beteiligte Personen: Tatjana Nolte, André Petermann, Jasmin Lavinia Hölscher, Moritz Hoppe, Sina Bade, Melvin Huckauf, Benedikt Sieland, Ann-Katrin Ossenkopp, Dr. Carsten Wendelstorf

Synthesevorschrift DMSO-Ansatz:1. Zu 50mL DMSO gibt man bei RT 97,7mg Perylen in ein 100mL Spitzkolben und rührt solange bis eine Suspension

entsteht. Unter Rühren erfolgt dann die Zugabe von 50mg G-Boc und 54mg D-Alloc. Die Suspension wird auf 130°C erhitzt. Nach 30min erfolgt eine DC Kontrolle. Zu dem Reaktionsgemisch gibt man 165,8mg MgCO3 und lässt erneut 30min bei 130°C rühren. Zur Überprüfung erfolgt eine weitere DC Kontrolle. Zu dem Reaktionsgemisch wird unter Rühren 120,1mg NaHCO3 zugeben und es wird bei 130°C für 30min weitergerührt. Das Gemisch wird auf RT abgekühlt und mit 10mL Dichlormethan versetzt und über Filterwatte abfiltriert. Das Filtrat wird 2-3 mal mit je 10ml Wasser (zwischen jeder Wäsche neu filtriren) gewaschen. Die organische Phase wird noch mal mit 20ml Wasser gewaschen und über Natriumhydrogensulfat getrocknet, abfiltriert und das Dichlormethan am Rotationsverdampfer bei 50°C ohne Vakuum bis zur Trockene eingeengt.

2. Lösen des Feststoffes in Dichlormethan und aufgeben auf eine mit Kieselgel 60 gefüllte Säule. Laufmittelgemisch (80:1 Dichlormethan : Methanol). Die Produkte erscheinen als drei rote Banden, wobei die Boc-Py-Boc Substanz ganz oben, Boc-Py-Alloc darunter und eine unbekanntes Produkt unten auf der DC-Platte laufen. Bei den einzelnen Elutionen wird das Lösungsmittel abrotiert und die verschiedenen Produkte im Vakuum getrocknet. Eine Trennung der Substanzen auf der Säule war auf Grund der sehr ähnlichen Laufeigenschaften nicht möglich.

Synthesevorschlag Boc-Zugabe in DMSO:1. In einem 25ml Spitzkolben werden 117,2mg (0,3mol) Perylen zusammen mit 8mL DMSO versetzt und bis zum

Entstehen einer Suspension gerührt. Unter weiterem Rühren werden 54mg D-Alloc und drei Spatelspitzen (100facher Überschuss) NaHCO3 hinzugegeben. 50mg (0,3mol) G-Boc und 8mL DMSO werden mit wenig NaHCO3 gelöst und langsam tropfenweise zu der 130°C heißen DMSO-Lösung gegeben. Die Nachrührzeit beträgt maximal 2h, wobei der Reaktionsfortschritt alle 30min mittels DC (Dichlormethan/ Methanol 40:1) überprüft wird. Nach Abkühlen auf RT wird das Reaktionsprodukt in 40mL Dichlormethan aufgenommen, kurz im Ultraschallbad behandelt und anschließend durch Watte filtriert. Das DMSO wird mit H2O aus dem Filtrat gewaschen. Ohne Schlamm wird die Organik über wasserfreiem Magnesiumsulfat getrocknet, erneut filtriert und das eingesetzte Lösemittel am Rotationsverdampfer vorsichtig vom Produkt getrennt.

2. Das Reaktionsprodukt konnte mit dem Laufmittelgemisch (40:1 Dichlormethan/ Methanol) nicht auf einer Kieselgel 60 Säule getrennt werden. Aber auf einer quantitativen DC- Platte ist die Trennung möglich. ( siehe Bilder oben: Boc-Py-Boc; mittig: Boc-Py-Alloc; unten: unbekanntes Produkt)

3. Durch LC-MS konnte Boc-Py-Boc und Boc-Py-Alloc auf der DC- Platte nachgewiesen werden.

DMSO Ansätze:

O

O

O

O

O

OO

NH2

O

+

1. + DMSO

2. + MgCO3

3. + NaHCO3

jeweils 130°C/ 30minO

NHO

NH2

ONH

O N

O

O

N

O

O

O

O

+

DMSO RT Rohprodukt1) MgCO3 24 h2) MgCO3 48 h3) + KHCO3 24 h4) nach 48 h

O

O

O

O

O

OO

NH2

O

+

DMSO / NaHCO3

RT/ 2 WochenO

NHO

NH2

ONH

O N

O

O

N

O

O

O

O

+

Schritt 1. und 2. führten zu keiner Reaktion. Bei Schritt 3. ist eine Reaktion zu erkennen.

Microaufarbeitung des Ansatzes

Roh

prod

ukt

1.wässrige Phase (wP)

Organik

1 2 3 4

1. w

P

2. w

P

Organik

3. w

P

Organik

Vor der Aufarbeitung (links) und danach (rechts)

Wat

tefil

ter

O

O

O

O

NN

OO O

O

O

O

O

O

NNO

O

NH

OO

Troc

kenm

ittel

Filtration durch Watte des Produktes (links), Säulenchromatographie des gereinigten Produktes (Mitte) und Dünnschichtchromatogramm des Produktes (rechts)

Organische Phase mit dem Trockenmittel MgSO4 auf dessen Oberfläche

sich kolloide Perylenreste abgeschieden haben

Lösungs- und Laufmittel-Tests:1. Laufmittelversuche

‐ 20:1 Toluol/DMSO   Keine Trennung‐ 20:1 DCM/Toluol      Keine Trennung‐ 10:1 DCM/Essigester oder‐ 20:1 DCM/Toluol + x‐AcetonEs kommt zu einer etwas verwaschenen Trennung

2. LösemittelversucheGeeignete Lösemittel: Essigester, Toluol,  Aceton (leuchtet gelb), DMSO, Dichlormethan und ChloroformNicht geeignete Lösemittel: Hexan, Petrolether und Diethylether

Literatur:1. www.sigmaaldrich.com/safety-center.html2. www.chemiedidaktik.uniwuppertal.de/alte_seite_du

/material/milch/milcheiweiss/aminosauren.pdf3. Langhals, Heinz; Jona, Wolfgang: Synthese für substituierte

Perylene. Universität München 19974. www.uni-heidelberg.de/presse/ruca/2011-3/05test.html5. de.wikipedia.org/wiki/Fmoc-Schutzgruppe6. Langhals, Heinz; Jona, Wolfgang: Synthese für substituierte

Perylene. Universität München 19977. Gesetze/ Schulordnung der Georg von Langen BBS8. www.bbs-holzminden.de/index.php?id=190#c521

(Ergebnisse der vorangegangenen Projektgruppen)9. Langhals, Heinz; Jona, Wolfgang. The synthesis of

perylenebisimide monocarboxylic acids. European Journal of Organic Chemistry (1998), (5), 847-851.

Schlussfolgerungen:

• Durch den Erfolg der durchgeführten Synthesen und Versuche lassen sich folgende Sachverhalte abschließend formulieren:

DMSO ersetzt das giftige Imidazol Zutropfen wird möglich!

Rühren bei RT ermöglicht Einsatz thermisch instabiler Substanzen

DMSO kann durch das Ausschütteln mit H2O entfernt werden

CH2Cl2 könnte evtl. durch Aceton, Ethylacetat oder Toluol ersetzt werden

• Die Trennung der Substanzen über eine Kieselgel 60 Säule konnte nicht erreicht werden. Lösung des Problems kann folgendermaßen erfolgen:

Ersetzen der Boc-Schutzgruppe durch die Fmoc-Schutzgruppe (unpolarer)

Zur besseren Trennung könnte ein Aminosäureester mit einem langkettigen Rest verwendet werden

Beispielsynthese: Glycin + 2-Methylnonan-2-ol

NH2

OH

O

+ CH3 CH3

OHCH3

CH3 CH3

OCH3

O

NH2

CH2Cl2/Toluol 20:1+x Aceton

CH2Cl2/Aceton

20:1

Aceton/Hexan1:20

CH2Cl2/Essigester

10:1