Peptidsynthese: Schutzgruppen und Kupplungsreagenzien
Wie man Amino- und Carboxygruppen gezielt blockiert und aktiviert, damit zwei Aminosäuren in der gewünschten Reihenfolge zu einem Peptid verknüpft werden.
Das Wichtigste in Kürze
- Peptidsynthese verknüpft Aminosäuren gezielt durch Schützen, Aktivieren, Kuppeln und Entschützen, bei Merrifield am Harz vom C- zum N-Terminus.
- Boc bildet ein tert-Butylcarbamat, wird mit \(\ce{Boc2O}\) eingeführt und mit Trifluoressigsäure zu Isobuten und \(\ce{CO2}\) abgespalten.
- Fmoc kommt mit Fmoc-Cl und geht mit Piperidin nach E1cB, Cbz entsteht mit Chlorameisensäurebenzylester.
- Boc-Ala und H-Phe-OBn ergeben das N- und C-geschützte Dipeptid Boc-Ala-Phe-OBn.
- DCC aktiviert die Carboxygruppe über den O-Acylisoharnstoff, als Nebenprodukt fällt Dicyclohexylharnstoff an.
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Worum es geht
Peptidwirkstoffe wie Oxytocin oder Octreotid werden heute meist chemisch aufgebaut. Dafür muss man jede Aminosäure so vorbereiten, dass genau eine Peptidbindung entsteht. Schutzgruppen und Kupplungsreagenzien machen das möglich.
Prinzip der Peptidsynthese
Mischt man Alanin und Phenylalanin einfach, entstehen Ala-Phe, Phe-Ala, Ala-Ala, Phe-Phe und längere Ketten. Jede Aminosäure trägt ja eine Amino- und eine Carboxygruppe. Die Lösung: Man blockiert die Gruppen, die nicht reagieren sollen.
Eine Schutzgruppe maskiert eine funktionelle Gruppe vorübergehend. Sie lässt sich unter definierten Bedingungen einführen und später gezielt wieder abspalten.
Die Synthese läuft in vier Schritten:
- Schützen: Aminogruppe der ersten und Carboxygruppe der zweiten Aminosäure blockieren.
- Aktivieren: Die freie Carboxygruppe mit einem Kupplungsreagenz reaktiver machen.
- Kuppeln: Die freie Aminogruppe greift an, die Peptidbindung entsteht.
- Entschützen: Die N-Schutzgruppe abspalten und den Zyklus wiederholen.
Bei der Festphasensynthese nach Merrifield hängt die C-terminale Aminosäure an einem Harz. Die Kette wächst vom C- zum N-Terminus. Überschüssige Reagenzien wäscht man nach jedem Schritt einfach weg.
Boc-Schutzgruppe
Die Boc-Gruppe (tert-Butoxycarbonyl) schützt die Aminogruppe. Das geschützte Amin ist ein Carbamat, also ein Urethan (siehe Carbamate). Erkennen kannst du es an der Einheit \(\ce{R-NH-CO-O-C(CH3)3}\): ein tert-Butylcarbamat.
Eingeführt wird Boc mit Di-tert-butyldicarbonat (\(\ce{Boc2O}\)):
\[\ce{R-NH2 + Boc2O -> R-NH-Boc + CO2 + (CH3)3COH}\]
Kohlensäure-mono-tert-butylester eignet sich dafür nicht, denn er zerfällt sofort in \(\ce{CO2}\) und tert-Butanol. Aus demselben Grund scheidet die Veresterung einer Carbamidsäure mit tert-Butanol in Schwefelsäure aus.
Boc ist säurelabil. Trifluoressigsäure (TFA) protoniert das Carbamat, das stabile tert-Butyl-Kation geht ab und verliert ein Proton. Die freie Carbamidsäure decarboxyliert:
\[\ce{R-NH-CO-O-C(CH3)3 ->[CF3COOH] R-NH2 + CO2 ^ + H2C=C(CH3)2 ^}\]
Wird im Examen gerne gefragt: Boc kommt mit \(\ce{Boc2O}\) hinein und geht mit Trifluoressigsäure als Isobuten und \(\ce{CO2}\) wieder ab. Gegen Basen wie Piperidin oder verdünnte KOH ist Boc stabil.
Fmoc- und Cbz-Schutzgruppe
Auch Fmoc und Cbz bilden Carbamate mit der Aminogruppe. Sie unterscheiden sich im Rest am Sauerstoff und damit in der Abspaltung.
| Gruppe | Rest am O | Einführung | Abspaltung |
|---|---|---|---|
| Boc | tert-Butyl | \(\ce{Boc2O}\) | Säure (TFA) |
| Fmoc | Fluoren-9-ylmethyl | Fmoc-Cl | Base (Piperidin) |
| Cbz | Benzyl | Chlorameisensäurebenzylester | \(\ce{H2}\)/Pd |
Fmoc wird mit dem Säurechlorid Fmoc-Cl (Chlorameisensäurefluoren-9-ylmethylester) eingeführt, nicht aus Ameisensäure und Fluorenylmethanol. Piperidin spaltet es nach E1cB (siehe Eliminierungsmechanismen). Die Base entfernt das acide H an C-9, weil das Fluorenyl-Anion aromatisch stabilisiert ist. Dann eliminiert Dibenzofulven, die Carbamidsäure decarboxyliert.
Cbz (Benzyloxycarbonyl) entsteht mit Chlorameisensäurebenzylester, auch an sekundären Aminen.
Boc geht mit Säure, Fmoc mit Base, Cbz mit Wasserstoff. Diese Orthogonalität erlaubt es, eine Gruppe abzuspalten, während die anderen bleiben.
Geschützte Bausteine und Dipeptide
Die Carboxygruppe schützt man meist als Benzylester (OBn) oder tert-Butylester (OtBu). Phenylalaninbenzylester (H-Phe-OBn) ist also eine C-geschützte Aminosäure.
Kuppelt man Boc-Alanin mit H-Phe-OBn, entsteht Boc-Ala-Phe-OBn. Dieses Dipeptid ist N- und C-terminal geschützt. Man schreibt vom N- zum C-Terminus, die Schutzgruppen stehen an den Enden. Trägt ein Boc-Dipeptid zuerst eine Indol-3-ylmethyl- und dann eine Isobutyl-Seitenkette, heißt es Boc-Trp-Leu-OH.
Beim Einordnen von Derivaten fragst du dreimal: Welche Grundaminosäure? Ist N geschützt? Ist C geschützt oder aktiviert? Ein Ester mit Benzyl gilt als Schutz, ein gemischtes Anhydrid als Aktivierung. Das N,N,N-Trimethylalanin dagegen ist ein Betain. Es trägt keine abspaltbare Schutzgruppe und keine aktivierte Carboxygruppe.
Carboxyaktivierung
Eine Carbonsäure reagiert mit einem Amin nicht direkt zum Amid. Man wandelt die OH-Gruppe deshalb in eine gute Abgangsgruppe um. Das Kupplungsreagenz übernimmt diese Aktivierung.
Der Klassiker ist das Carbodiimid DCC (Dicyclohexylcarbodiimid). Die Säure addiert an die \(\ce{N=C=N}\)-Einheit zum O-Acylisoharnstoff. Das Amin greift dessen Carbonyl-C an, es entstehen Amid und Dicyclohexylharnstoff:
\[\ce{R-COOH + R'-NH2 + C6H11N=C=NC6H11 -> R-CO-NH-R' + C6H11NH-CO-NHC6H11}\]
Im Reaktionsschema erkennst du die Carbodiimid-Aktivierung an DCC als Reagenz und am Harnstoff als Nebenprodukt. Weitere Wege zur Aktivierung:
- N,N’-Carbonyldiimidazol (CDI)
- Phosgen in Toluen
- reaktive Ester
- gemischte Anhydride, etwa aus Boc-Alanin und Kohlensäuremonomethylester
Jede Aktivierung macht das α-H acider. Dann droht Racemisierung, die unerwünscht ist, weil das Peptid aus reinen L-Aminosäuren bestehen soll.
Quiz
Aussage 1
Boc-Ala-Phe-OBn ist ein Dipeptid, das sowohl am N- als auch am C-Terminus geschützt ist.
Boc schützt die Aminogruppe des Alanins, der Benzylester die Carboxygruppe des Phenylalanins.
Aussage 2
Die Fmoc-Gruppe wird säurekatalysiert über ein Carbokation nach E1 abgespalten.
Fmoc wird basisch mit Piperidin nach E1cB abgespalten: Deprotonierung an C-9, dann Eliminierung von Dibenzofulven.
Aussage 3
Eine Boc-geschützte Aminogruppe lässt sich mit Piperidin freisetzen.
Boc ist basenstabil und säurelabil. Man spaltet es mit Trifluoressigsäure, Piperidin dient zur Fmoc-Abspaltung.
Aussage 4
Bei der Abspaltung der Boc-Gruppe mit Trifluoressigsäure entstehen neben dem freien Amin Isobuten und \(\ce{CO2}\).
Das tert-Butyl-Kation verliert ein Proton zu Isobuten, die freie Carbamidsäure decarboxyliert.
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