Synthesis and application of new chiral amines in Dutch resolution Dalmolen, Jan IMPRTANT NTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2005 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Dalmolen, J. (2005). Synthesis and application of new chiral amines in Dutch resolution: Family Behaviour in Nucleation Inhibition. Groningen: s.n. Copyright ther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date: 20-01-2017
De (organische) chemie heeft zo zijn eigen vakjargon. m dit proefschrift enigszins begrijpelijk te maken voor niet-chemici is het nodig om de taal te spreken. Deze Nederlandse samenvatting begint dan ook met een kleine, maar simpele uitleg over de taal die synthetisch chemici spreken. Na deze snelle taalcursus begint de samenvatting met een inleiding van de begrippen chiraliteit, enantiomeer en hun bioactiviteit. Dit proefschrift gaat voor het grootste gedeelte over het splitsen van enantiomeren via het Dutch Resolution protocol. Deze methode, die nog in de kinderschoenen staat van het toepassen en het begrijpen ervan, zal vergeleken worden met de klassieke resolutie.
De Taal der Chemie De chemie en het beschrijven van chemische experimenten kan worden gezien als (wereld)taal met zijn eigen taalgebruik. Alhoewel chemici liever hun werk uitdrukken in een voor de leek ingewikkeld uitziende formules en symbolen, is er wel degelijk een parallel te trekken met een normale taal. Men moet de woorden en de grammatica kennen om een taal te spreken. Zoals een woord (molecuul) bestaat uit letters (atomen), zo bestaat een zin (reactiestap in een syntheseroute) uit woorden. Ieder atoom c.q. chemisch element wordt aangeduid met één of meer letters; de belangrijkste en meest gebruikte elementen in dit proefschrift zijn weergegeven in Tabel 1. Tabel 1 Chemische elementen en hun afkortingen. Element Symbool Element Symbool Broom Br Platina Pt Chloor Cl Waterstof Koolstof C Zink Zn Stikstof N Zuurstof Palladium Pd Zwavel S m chemische tekeningen overzichtelijk te houden, worden niet alle atomen uitgeschreven wanneer men een molecuul tekent maar gebruikt men een soort van versimpelde weergave (steno). Een voorbeeld is weergegeven aan de hand van het Penicilline G-molecuul (Figuur 1). ierin wordt elke chemische binding tussen de verschillende atomen weergegeven met verbindingsstreepjes, elke enkele bindingen met een, dubbele bindingen met een =, en eventuele drievoudige bindingen met een. Wanneer (groepen) atomen boven het vlak van papier staan, worden deze aangegeven met een en wanneer deze beneden het vlak van het papier staan, worden deze aangegeven met. C C N C C C C C C C Penicilline G S C C C N C C C vereenvoudigde weergave N S N C Figuur 1 Vereenvoudiging van de weergave van het antibioticum Penicilline G. 204
In de steno weergave worden een aantal vereenvoudigingen doorgevoerd: C-atomen worden veelal weggelaten en vervangen door een hoekpunt. Elk -atoom dat op een C-atoom zit wordt meestal weggelaten. Wanneer deze zich op een chiraal centrum bevindt, laat men deze nog wel eens staan. Wanneer bepaalde atomen/groepen vaker gebonden zijn aan een atoom, worden deze nog wel eens afgekort door het aantal keren aan te geven dat deze gebonden is (b.v. C wordt ook wel eens aangeduid als C 2 ). Sommige groepen worden vervangen door een specifieke letternotatie, zoals de 6-ring aan de linkerkant van Penicilline G wordt nog wel eens vervangen door Ph (afkomstig van Phenyl). Een chiraal centrum is een koolstof atoom met vier verschillende bindingspartners, en wordt soms aangegeven met een * ; Penicilline G bezit drie chirale centra. Chiraliteit is dusdanig belangrijk dat dit fenomeen behandeld zal worden in de volgende paragraaf. Chiraliteit De Nederlandse scheikundige Jacobus enricus van t off is één van de grondleggers van de stereochemie. Van t off opperde in 1874 dat moleculen niet plat waren maar driedimensionaal in de vorm van een tetraëder. Wanneer een centraal koolstofatoom zich in het midden bevindt en omringd is in de vorm van een tetraëder door 4 verschillende groepen, is er een spiegelbeeld mogelijk dat tot niet dekking te brengen is met het origineel (zoals een linker en een rechter hand, Figuur 2). Dit verschijnsel noemt men chiraliteit, naar het Griekse woord voor hand (Grieks; χειρ [cheir]). De studie van de verschillende spiegelbeeld-moleculen, de stereoisomeren, heet de stereochemie. Figuur 2. Moleculen of objecten die niet tot dekking gebracht kunnen worden met elkaar worden chiraal genoemd. Bovendien, alle aminozuren in het menselijk lichaam zijn linkshandig. 205
Chirale voorwerpen die we in onze allerdaagse omgeving aantreffen, zijn bijvoorbeeld schoenen, wenteltrappen, (scheeps)schroeven en misschien wel het meest illustratieve voorbeeld: onze handen. Zelfs in ons lichaam zijn alle aminozuren (behalve glycine) van elk eiwit linkshandig, terwijl alle suikers in DNA, RNA en in ons metabolisme rechtshandig zijn. De twee spiegelbeelden van een molecuul worden ook wel enantiomeren genoemd, en hebben veelal dezelfde (fysische) eigenschappen. De verschillen worden pas duidelijk wanneer deze enantiomeren in een chirale omgeving worden gebracht (ter illustratie, het is nagenoeg onmogelijk om een linkervoet in een rechterschoen te krijgen). spiegelvlak spiegelvlak N Cl Cl N (R)-(-)-Limoneen (sinaasappel) (S)-(+)-Limoneen (citroen) (R)-(-)-Ketamine (hallucinerend) (S)-(+)-Ketamine (verdovend) Figuur 3 Enantiomeren van limoneen en ketamine en de bijbehorende bioactiviteit. Enantiomeren kunnen een totaal andere werking hebben in het menselijk lichaam. Voorbeelden hiervan zijn de geur van limoneen en de werking van het medicijn ketamine (Figuur 3). De linksdraaiende vorm van limoneen ruikt naar sinaasappel en de rechtsdraaiende variant ruikt naar citroen. Een meer dramatisch voorbeeld is de werking van beide spiegelbeeldvormen van het narcosemiddel ketamine in ons lichaam. et ene enantiomeer heeft de gewenste verdovende werking, terwijl het spiegelbeeld ervan een ongewenst hallucinerend effect heeft. Deze verschillende bioactive werkingen illustreren meer dan eens het belang van het aanbieden van slechts één van de beide spiegelbeelden in bijvoorbeeld medicijnen. Wanneer men bij het uitvoeren van een chemisch experiment met achirale uitgangsstoffen begint, zal er zonder chirale invloed(en) een 1:1 mengsel onstaan van beide enantiomeren (racemisch mengsel of racemaat). m deze reden is het belangrijk om een methode te hebben die deze spiegelbeeld vormen achteraf kan scheiden (splitsen). 206
Splitsingen Spiegelbeeld-moleculen (enantiomeren) hebben veelal dezelfde fysische eigenschappen, zoals bijvoorbeeld hetzelfde kookpunt, smeltpunt of oplosbaarheid. ierdoor is het niet mogelijk om enantiomeren van elkaar te scheiden door middel van conventionele technieken (b.v. destillatie). Eén van de meest gebruikte benadering van het splitsen van beide enantiomeren wordt ook wel klassieke resolutie genoemd. ierbij laat men het racemisch mengsel reageren met één enantiomeer van een ander molecuul (het splitsingsmiddel), zoals uitgebeeld is in Figuur 4. Zoals eerder genoemd bestaat een racemisch mengsel uit een 1:1 mengel van beide spiegelbeelden (weergegeven als handen L en R). Door deze in contact te brengen met een splitsingsmiddel dat bijvoorbeeld uitsluitend uit rechterhanden (R) bestaat, ontstaan twee diastereomeren (LR en RR) waartussen geen spiegelbeeld relatie meer bestaat. iertoe worden in de praktijk alle componenten bij elkaar gedaan en verwarmd tot een heldere oplossing is verkregen waarna het gehele mengsel langzaam afgekoeld wordt. mdat na reactie in de diastereomeren de onderlinge spiegelbeeld-relatie opgeheven is, kunnen deze nu wél gescheiden worden door conventionele technieken. Figuur 4 et splitsen van spiegelbeelden (enantiomeren) door een splitsingsmiddel te gebruiken (klassieke resolutie). [1] [1] Dr. I. Visscher en Dr. M. K. J. Ter Wiel worden hartelijk bedankt voor het meewerken aan deze illustratieve foto s. 207
In klassieke resolutie worden twee diastereomere zouten gevormd, die verschillen in hun onderlinge oplosbaarheid in een bepaald oplosmiddel. et ene diastereomere zout zal goed oplosbaar zijn in het gekozen oplosmiddel en na afkoelen (grotendeels) in oplossing blijven, terwijl het slecht oplosbare diastereomere zout bij afkoelen bij een bepaalde temperatuur zal uitkristalliseren (er treedt nucleatie op). Wanneer dit is gebeurd, kunnen de twee diastereomeren door filtratie simpelweg gescheiden worden. Nadat men het mengsel weer ontdaan heeft van het splitsingsmiddel, is het splitsen van de enatiomeren voltooid. Deze methode is sinds de ontdekking in 1847 door Louis Pasteur weinig veranderd qua techniek. et is op de dag van vandaag de meest gebruikte methode in de industrie in de productie van enantiomeer zuivere preparaten. Dutch Resolution In 1998 werd een variant op deze klassieke resolutie ontwikkeld in Groningen. Deze methode maakt geen gebruik van één splitsingsmiddel, maar van een mengsel van twee of drie sterk op elkaar lijkende - een familie van - splitsingsmiddelen. Deze nieuwe variant staat nu bekend als Dutch Resolution. Figuur 5 Twee familieleden die onderling sterk op elkaar lijken qua (a) gezichtsstructuur of (b) chemische structuur. Bij het doorontwikkelen van deze nieuwe methode kwam men erachter dat één van de familieleden niet voorkwam in het gekristalliseerde zout maar wel de efficiëntie van de splitsing ten goede kwam. et vermoeden rees dat dit niet-ingebouwde familielid het nucleatieproces bij afkoelen in ons voordeel beïnvloedt, waarbij het goed oplosbare zout min of meer gedwongen wordt nog langer in oplossing te blijven (inhibitie van nucleatie). In deze doorontwikkelde variant, die we de tweede generatie noemen (second generation Dutch Resolution), is er slechts een kleine hoeveelheid (< 10 %) van dit niet-ingebouwde familielid nodig (nucleation inhibitor) in een splitsingsproces. 208
Dit Proefschrift et onderzoek dat in dit proefschrift beschreven wordt, is zeer divers. et eerste doel was het vervaardigen van een nieuwe potentiële familie van splitsingsmiddelen (hoofdstukken 3 en 4). Deze verbindingen zijn niet alleen nuttig in splitsings-experimenten, maar kunnen ook belangrijke bouwstenen zijn in de synthese van farmaceutisch interessante verbindingen zoals bijvoorbeeld β-aminozuren en antibiotica. et testen van deze potentiële nucleatie inhibitoren volgens het second generation Dutch Resolution -protocol wordt besproken in hoofdstuk 5 en 6. In hoofdstuk 6 worden ook andere moleculen, variërend in structuur, getest om meer inzicht te krijgen in wat nu de (structurele) relatie tussen onderlinge familieleden is. Tijdens het testen kwamen er twee belangrijke aspecten aan het licht; ten eerste bleek een snellere screeningsmethode mogelijk door na het experiment direct de zouten te analyseren. Ten tweede bleek het mogelijk om racemische additieven te screenen; deze racemische additiven zijn (synthetisch) makkelijker toegankelijk en vaak ook commercieel verkrijgbaar. Aangezien vervolgexperimenten altijd gebaseerd moeten worden op voorgaande analyses, versnelt dit het tijdrovende verkrijgen van resultaten (en dus inzicht) aanzienlijk. Bij het screenen, waren er twee familieleden die de efficiënties van de splitsingen wel een factor 2 tot 3 verbeterden. pvallend feit hierbij was dat deze additieven niet één maar twee amino-groepen ( ) bezitten in hun structuur (Figuur 6). "moeder"-splitsingsmiddel succesvolle familieleden Figuur 6 et moeder -splitsingsmiddel en haar twee meest succesvolle familieleden uit hoofdstuk 6 Deze waarneming heeft geleid tot de synthese van de verbindingen die beschreven wordt in hoofdstuk 7. Deze nieuwe klasse van verbindingen kon gesynthetiseerd worden aan de hand van dezelfde elegante methode die we gebruikt hebben voor het vervaardigen van de verbindingen in hoofdstuk 3 en 4. 209