Tert-butüüloksükarbonüülrühm

Tert-butüüloksükarbonüülrühm, tuntud ka lühenditega Boc ja t-Boc, on laialdaselt kasutatav kaitserühm orgaanilises ning bioorgaanilises sünteesis, mille ülesanne on vähendada aminorühma reaktsioonivõimet.

Aminorühma protekteerimiseks kasutatakse tavaliselt di-tert-butüüldikarbonaati (teiste nimetustega Boc-anhüdriid, Boc₂O). Boc-rühmaga kaitstud amiinid on üldjuhul stabiilsed neutraalses ja aluselises keskkonnas. Kaitstud amiini deprotekteerimine (Boc-rühma eemaldamine) viiakse läbi tavaliselt tugeva happega, andes saadusena vaba amiini ning kõrvalsaadustena tert-butanooli või isobutüleeni ja süsinikdioksiidi.

Protekteerimine

Otsene reaktsioon di-tert-butüüldikarbonaadiga

Lihtsate amiinide korral viiakse reaktsioon läbi, segades Boc-anhüdriidi ja amiini tetrahüdrofuraanis (THF), segu kergelt kuumutades.

Kui primaarse amiini kaitsmisel kasutada vähemalt kahte moolekvivalenti Boc-anhüdriidi ja kõrgemat temperatuuri, on võimalik saada bis-Boc derivaate.

Metoodika probleemid

Steeriliselt takistatud amiinide protekteerimisel Boc-anhüdriidiga moodustuvad isotsüanaadi tekke tõttu tihti uuread. See probleem võib esineda ka aniliinide kaitsmisel, kui kasutada katalüsaatorina 4-dimetüülaminopüridiini (DMAP), kuid antud kõrvalreaktsioon on välditav, kui kasutada DMAP-i asemel N-metüülimidasooli. Ühtlasi saab isotsüanaadi teket vältida, kui viia esimeses etapis läbi reaktsioon naatrium-bis(trimetüülsilüül)amiidiga (NaHMDS) ning seejärel Boc₂O-ga. Samuti on võimalik isotsüanaat muundada Boc-rühmaks, kuumutades seda tert-butanoolis.

Teised reaktsioonitingimused

Reaktsiooni amiini ja di-tert-butüüldikarbonaadiga on võimalik läbi viia ka teistsugustel reaktsioonitingimustel. Olulisemad neist on:

• Boc₂O, NaOH, H₂O, 25 °C, 10–30 min, saagis 75–95%. Antud metoodika on tihti kasutuses aminohapete kaitsmisel, sest kõrvalsaadused on ohutud ja kergesti eemaldatavad, kuid reagendi lagunemise tõttu ei tööta see efektiivselt steeriliselt takistatud amiinide puhul.
• Boc₂O, Me₄NOH*5H₂O, CH₃CN, saagis 88–100%. Need reaktsioonitingimused sobivad hästi steeriliselt takistatud aminohapete kaitsmiseks.
• Boc₂O, etanool või metanool, NaHCO₃, ultraheli, saagis 84–100%.

Teised reaktsioonid

Peale otsese reaktsiooni di-tert-butüüldikarbonaadiga, on võimalik aminorühma Boc-rühmaga protekteerida ka kasutades teisi metoodikaid. Järgnevas loetelus on välja toodud mõned reagendid ning reaktsioonitingimused:

• Boc-ONH₂ [(aminooksü)(tert-butoksü)metanoon]. Antud reagent reageerib amiinidega 1,5 kuni 2,5 korda kiiremini kui Boc₂O. Reagenti saab genereerida in situ, lisades Boc-anhüdriidile katalüütilises koguses hüdroksüülamiini.
• Boc-N₃ (Boc-asiid), DMSO (dimetüülsulfoksiid), 25 °C. Asiidide plahvatuslikkuse tõttu ohtlik metoodika.
• Boc-ON=C(CN)Ph {[(tert-butoksükarbonüül)oksü]imino}(fenüül)etaannitriil, trietüülamiin, 25 °C. Saagis 72–100%. See reagent kaitseb selektiivselt primaarseid amiine sekundaarsete amiinide juuresolekul.
• 1-(tert-butoksükarbonüül)bensotriasool, NaOH, dioksaan, 20 °C, saagis 88–96%. Aniliin on antud reagendi suhtes inertne.
• t-BuOCO₂Ph (tert-butüülfenüülkarbonaat), CH₂Cl₂ või DMF (N,N-dimetüülformamiid), saagis 49–91%. Selle metoodika eeliseks on primaarsete amiinide selektiivne kaitsmine polüamiinides.
• tert-butüül-2-püridinüülkarbonaat, dioksaan, H₂O, Et₃N, saagis 70–94%.

Deprotekteerimine

Tüüpiline Boc-kaitserühma eemaldamine viiakse läbi tugeva happega, nagu HCl (vesinikkloriidhape) või CF₃COOH (trifluoroetaanhape). Kasutusel on ka metoodikad, kus anhüdriidne HCl genereeritakse teistest reagentidest in situ. Samuti on olemas võimalused eemaldada Boc-rühm neutraalses või aluselises keskkonnas, mis võib osutuda vajalikuks juhul, kui tekkiv amiin pole happelises keskkonnas stabiilne. Alltoodud loetelus on välja toodud mõned detailsemad metoodikad Boc-kaitserühma eemaldamiseks:

• 3M HCl, etüülatsetaat, 25 °C, 30 min, saagis 96%.

• HCl vesilahus, tolueen, 65 °C, saagis 93%. Tarbekas metoodika suurte ainekoguste puhul.
• CH₃COCl (atsüülkloriid), metanool, saagis 95–100%. Selle metoodika käigus tekib anhüdriidne HCl metanooli keskkonda.
• TMSCl (trimetüülsilüülkloriid), metanool, 0–25 °C, 5h, saagis 90% kuni 97%. See metoodika muudab Boc-protekteeritud aminohapped vastavateks metüülestriteks. Anhüdriidne HCl genereeritakse in situ.
• 1M SiCl₄, 3M fenool, CH₂Cl₂, 10 min. Kõrgendatud selektiivsusega metoodika, kuna Fmoc-, Cbz-, Bn-ester- ja eeterkaitserühmad antud tingimustel praktiliselt ei lõhustu.
• CF₃COOH, CH₂Cl₂, 5% H₂O. Segule lisatakse vett, et vältida kaksiksidemete isomerisatsiooni.
• CF₃COOH, PhSH (tiofenool), 20 °C, 1h, saagis 100%. Tiofenooli lisatakse tert-butüül katioonide sidumiseks. Selle abil saab vältida tavatingimustel ilmnevat metioniini ja trüptofaani alküülimist. Tiofenooli asemel on võimalik kasutada ka anisooli, tioanisooli, tiokresooli, kresooli ja dimetüülsulfiidi.
• TsOH (p-tolueensulfoonhape), THF, CH₂Cl₂, 5 min. See metoodika loodi tahke-faasiliseks peptiidisünteesiks suurtes kogustes, sest antud juhul pole tarvis kasutada trifluoroäädikhapet, mis on kallis ja korrosiivne. Reaktsiooni on võimalik kiirendada mikrolainekiirgusega.
• TMSI (trimetüülsilüüljodiid), CHCl₃ või CH₃CN, 25 °C, 6 min, saagis 100%. TMSI lõhustab ka karbamaate, estreid, eetreid ja ketaale neutraalsetes, mittehüdrolüütilistes tingimustes. Mõningane selektiivsus on saavutatav reaktsioonitingimusi muutes.
• Mg(ClO₄)₂, saagis 67–100%. Primaarse amiini korral lõhustab magneesiumperkloraat kahest Boc-rühmast vaid ühe.
• BF₃•Et₂O, 4-Å molekulaarsõelad, CH₂Cl₂, 25 °C, 20h, saagis 77–98%.
• ZnBr₂, CH₂Cl₂, 89–94% saagis. Antud tingimustel toimub selektiivne Boc-rühma eemaldamine sekundaarsetelt aminorühmadelt primaarsete kaitstud aminorühmade juuresolekul.
• H-β-tseoliit, CH₂Cl₂, 40 °C, saagis 77–100%. Selle metoodikaga on võimalik deprotekteerida Boc-rühmaga kaitstud arüülamiine, samal ajal kui vastavad alküülamiinid, amiidid ja tert-butüülestrid on antud tingimustel stabiilsed.
• NaI, atsetoon, 60–100 °C, 15–25 min, saagis 88–98%. Neid reaktsioonitingimusi kasutatakse Boc-rühma eemaldamiseks aminohapetelt.
• Termiline eemaldamine: 185 °C, 20–30 min, saagis 97%.
• LiBr, CH₃CN, 65 °C, saagis 95%.
• Indium või tsink, metanool, 65 °C, 15–24h, saagis 80–92%.

Boc-rühm peptiidisünteesis

Koos Fmoc-rühmaga (9-fluorenüülmetüüloksükarbonüülrühm) on Boc-rühm üks kahest levinuimast kaitserühmast, mida kasutatakse tahkefaasilises peptiidisünteesis. Boc-rühmaga kaitstakse ajutiselt peptiidi N-terminaalset α-aminorühma eesmärgiga vähendada selle nukleofiilsust. Peptiidi C-terminaalne osa on seotud tahke kandjaga. Järgmises etapis eemaldatakse Boc-rühm tavaliselt trifluoroetaanhappega, mille tagajärjel tekib vaba aminorühm, mis saab luua peptiidsideme uue, eelnevalt aktiveeritud aminohappega. Selle tulemusena pikeneb peptiid ühe aminohappejäägi võrra. Pärast iga deprotekteerimise ja liitumise etappi pestakse peptiidi N,N-dimetüülformamiidiga, et eemaldada üleliigseid reagente. Selle tulemusena on võimalik saavutada kõrge, kuni 99%-ne saagis igas reaktsioonitsüklis.

Boc-rühma võrdlus Fmoc-rühmaga tahkefaasilise peptiidisünteesi korral

Nii Boc- kui ka Fmoc-rühma kasutamisel on positiivseid ja samas ka negatiivseid külgi. Seega tehakse kaitserühma valik üldjuhul juhtumipõhiselt.

Parameeter	Boc	Fmoc
Spetsiaalse varustuse vajalikkus	Jah	Ei
Reagentide maksumus	Odavam	Kallim
Peptiidide lahustuvus	Suurem	Väiksem
Hüdrofoobsete peptiidide puhtus	Kõrge	Võib olla madalam
Agregatsiooniprobleemide esinemine	Harvemini	Tihedamalt
Sünteesi kestus	~20 min aminohappe kohta	~20–60 min aminohappe kohta
Vabastamine kandjalt	Vesinikfluoriidhape	Trifluoroetaanhape
Ohtlikkus	Potentsiaalselt ohtlik	Üsna ohutu
Ortogonaalsus	Ei	Jah

Kirjandus

• P.G.M. Wuts, T.W. Greene "Greene's protective groups in organic synthesis, 4th edition," p 725-732, John Wiley & Sons, Inc. Publication.
• http://en.wikipedia.org/wiki/Peptide_synthesis