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Verfahren zur Veresterung von Acylaminosäuren mit Polyäthylenglykol
Polyäthylenglykol (PEG) findet in der Peptidchemie als Esterk-omponente bei der
Synthese von Peptiden Verwendung (Nature 273, Seite 512-513, (1972/.
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Aminosäuren und Peptide können als Aminosäure- und Peptidester von
PEG sowohl durch Ultrafiltration als auch durch Kristallisation (Angew. Chemie,
86, S. 101 (1974)) von niedermolekularen Substanzen abgetrennt werden.
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Bisher hat man die Esterbindung zwischen Polymer und Acylaminosäure
hauptsächlich mit Hilfe von Dicyclohexylcarbodiimid (DCCI) hergestellt. Entweder
stellte man die symmetrischen Anhydride von N-Acylaminosäuren mittels DCCI her und
ließ diese mit dem Polyäthylenglykol reagieren, oder man setzte die N-Acylaminosäuren
direkt mit dem Polyäthylenglykol und DCCI um.
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Bei dieser Methode, Polyäthylenglykol zu verestern, konnte jedoch
eine Urethanacylierung und in Folge davon eine Dipeptidbildung beobachtet werden,
die in Extremfällen 300% erreichte.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von N-Acylaminosäurepolyäthylenglykolestern
das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Polyäthylenglykol in für die Peptidchemie
geeigneten, Losungsmitteln entweder a) mit N-Acylaminosäuren, Dicyclohexylcarbodiimid
und einer Substanz der allgemeinen Formel I
umsetzt, in der X Wasserstoff, Halogen, Trifluormethyl, n Nitro, Sulfonsäureamid,
Carboxamid, Cyano, niedere Alkyl-oder Alkoxygruppen bedeutet und n für die Zahlen
1-4 steht, wobei das Polyäthylenglykol vor oder nach der Dicyclohexylcarbodiimid-Zugabe
zum Reaktionsgemisch zugesetzt werden kann oder b) mit N-Acylaminosäureaktivestern
der Formel II
in der Ac eine in der Peptidchemie übliche Aminoschutzgruppe, R eine Aminosäureseitenkette
und Y einen Di-, Tri-, Tetra-oder Pentachlorphenyl-, Nitrophenyl- oder Chlornitrophenylrest
darstellt und Verbindungen der allgemeinen Formel III
in der A die Gruppe C=O, C=S oder ein weiteres Stickstoffatom bedeutet
und in der A und N Glieder eines gegebenenfalls an einen Benzolkern anellierten
und/oder 1 oder 2 weitere Heteroatome enthaltenden 5- bis 6-gliedrigen, gegebenenfalls
durch niedere Alkylgruppen oder Halogen substituierten, heterocyclischen Ringes
sind, und deren pK-Wert in 0,5 m Lösung in einem Gemisch von 6 Teilen Diäthylenglykoldimethyläther
und 4 Teilen Wasser bei 300C zwischen 3,7 und 4,2 iiegt, umsetzt.
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Die bei beiden Verfahrensweisen a) und b) intermediär gebildeten N-Acylaminosäureester
mit den verschiedenen N-Hydroxyverbindungen der Formel I oder III können gegegebenenfalls
isoliert werden.
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a) Nach der Verfahrensweise a) arbeitet man zweckmäßig wie folgt:
N-Acylaminosäuren, ein gegebenenfalls kernsubstituiertes 1-Hydroxybenzotriazol und
Dicyclohexylcarbodiimid werden in geeigneten Lösungsmitteln zur Reaktion gebracht.
Polyäthylenglykol wird entweder zu Beginn der Reaktion vor der Dicyclohexylcarboggimid-Zugabe
oder nach einer Voraktivierungsphase, nachpgegebenenfalls der schwerlösliche Dicyclohexylharnstoff
abfiltriert wurde, der Reaktionsmischung zugefügt.
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Die einzelnen Komponenten werden in molaren Verhältnissen bzw.
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im Überschuß, bezogen auf Polyäthylenglykol, eingesetzt (siehe Tabelle
1 und 2).
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b) Nach Verfahrensweise b) werden N-Acylaminoaäureaktivester der -Formel
II, wie z.B. 2,4,5-Trichlorphenyl oder p- bzw.
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o-Nitrophenylester, zusammen mit einer N-Hydroxyverbindung der Formel
III und Polyäthylenglykol zur Reaktion gebracht.
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Die einzelnen Komponenten werden wiederum im molaren Verhältnis bzw.
im Überschuß, bezogen auf Polyäthylenglykol, eingesetzt.
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Zwischen dem Aktivester der Formel II und den N-Hydroxyverbindungen
der
Formel III stellt sich in polaren Lösungsmitteln wie DMFs DMS0 oder DMA ein Gleichgewicht
ein. Es entsteht der entsprechende Ester der N-Hydroxyverbindungen (Chem. Ber. 106,
3626 - 3635 (2973)), der mit dem Polyäthylenglykol weiterreagiert und dadurch aus
dem Gleichgewicht entfernt wird. Bei dieser Variante empfiehlt es sich, die N-Hydroxyverbindung
mit einer tertiären Base zu neutralisieren, da hierbei das Gleichgewicht zu Gunsten
des Esters der N-Hydroxyverbindung verschoben wird. (Siehe Tabelle 3).
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Als kernsubstituierte 1-Hydroxy-benzotriazolverbindungen der Formel
I kommen z.B.
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1-Hydroxy-6-benzotriazol-sulfonsäurediäthylamid 1-Hydroxy-6-benzotriazol-sulfonsäuremethylamid
1-Hydroxy-benzotriazol-sulfonsäureamid 1-Hydroxy-6-trifluormethyl- benzotriazol
1-Hydroxy-6-lnethoxy-benzotriazol 1-Hydroxy-5-methoxy-benzotriazol 1-Hydroxy-4-methyl-benzotriazol
1-Hydroxy-5-methyl-benzotriazol 1-Hydroxy-5,6-dimethyl-benzotriazol 1-Hydroxy-6-nitro-benzotriazol
6-Chlor- 1 -hydroxy-benzotriazol 5-Chior-1-hydroxy-benzotriazol 5,6-Dichlor-1-hydroxy-benzotriazol
6-Brom- 1 -hydroxy-benzotriazol 4-Chlor-1-hydroxy-7-methyl-6-nitro-benzotriazol
6-Chlor- 1 -hydroxy-5-methyl-benzotriazol 1-Hydroxy-6-methyl-5-benzotriazol-carbonitril
1-Hydroxy-4-methyl-6-nitro-benzotriazol 6-Chlor-1-hydroxy-5-isopropylbenzotriazol
und 4,5,6,7,-Tetrachlor-1-hydroxy-benzotriazol in Frage.
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Neben dem 1-Hydroxybenzotriazol und seinen kernsubstituierten Derivaten
wie beispielsweise oben aufgezählt, können bei
Variante b) auch
andere N-Hydroxyverbindunegn der Formel III wie zB. cyclische Hydroxamsäuren mit
N als Heteroatom im Ring eingesetzt werden: 3-Hydroxy-4-oxo-3,4-dihydro-1,2,3-benzotriazin
3-Hydroxy-4-oxo-3, 4-dihydro-chinazolin 3-Hydroxy-2-methyl-4-oxo-3, 4-dihydro-chinazolin
o. N-Hydroxypyridone: 1-Hydroxy-2-pyridon, 1-Hydroxy-4-methyl-pyridon-2, 1-Hydroxy-4,6-dimethyl-3,5-dichlor-pyridon-2
auch cyclische Thiohydroxamsäuren kommen in.Betracht, wie z.B. das 3-Hydroxy-4-methyl-2,
3-dihydro-thiazol-2-thion.-Polare Lösungsmittel wie z.B. Dimethylformamid und Tetramethyl
harnstoff werden vorzugsweise bei Variante b) verwendet. Bei Variante a) können
beispielsweise auch Methylenchlorid und Te-trahydrofuran eingesetzt werden. Ein
großer Überschuß an Acylierungsmitteln ist nicht erforderlich, vielmehr reicht ein
100*iger Überschuß im allgemeinen aus, um mindestens 800% Beladung zu erzielen.
Falls erforderlich, kann man nach einmaliger Fällung erneut die Reagenzien zugeben
und die Reaktion wiederholen.
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Die bisher durchgeführte Veresterung von Polyäthylenglykol mit N-Acylaminosäuren
und DCCI bzw. deren symmetrischen Anhydriden verläuft in vielen Fällen entweder
mit unbefriedigenden Ausbeuten oder man ist gezwungen, lange Reaktionszeiten bzw.
große Uber-Schüsse teurer Reagenzien zu verwenden. Bei der Verwendung von symmetrischen
Anhydriden gestaltet sich das bisherige Verfahren noch dadurch besonders ungünstig,
daß nur zog des Reagenzes ausgenützt werden können. Beispielsweise kann Boc-Met-OH
mit PEG (Molgewicht 15 000) nur dann zu ca. 80% verestert werden, wenn ein tO-facher
Überschuß und 7 Tage Reaktionszeit angewandt werden (Chem. Ber. 107, 1344 bis 1352
(1974).
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Der Zusatz von 1-Hydroxybenzotriazol oder kernsubstituierten 1-Hydroxybenzotriazolen
zur DCCI-Methode bewirkt jedoch eine wesentliche Beschleunigung der Veresterungsreaktion.
Die N-Acylaminosäuren reagieren unter dem Einfluß von DCCI mit ggf.
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substituierten 1-Hydroxybenzotriazolen in sehr rascher Reaktion zu
den entsprechenden Aktivestern, die anschließend mit dem polymeren Alkohol (PEG)
unter Alkoholyse das Produkt bilden. Daß tatsächlich diese N-Acylaminosäure-1-hydroxybenzotriazol-aktivester
als Zwischenprodukte auftreten, wird durch die Daten der Tabelle 1 belegt. In diesen
Versuchen wurden die beiden beschriebenen Reaktionsschritte separiert. In einer
Voraktivierungsphase wird aus den Reagenzien der Aktivester gebildet, Dicyclohexylharnstoff
kann abfiltriert werden, und im zweiten Schritt wird die klare Lösung mit dem Polyäthylenglykol
vereinigt, wobei nun die Alkoholyse stattfindet.
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Die gebildeten Aktivester der Acylaminosäuren und den N-Hydroxy-Verbindungen
der Formel I und III erlauben es, das erfindungsgemäße Verfahren bei höheren Temperaturen
durchzuführen, da sie keine thermischen Umlagerungsprodukte liefern,was bei der
Umsatz zung mit DCCI allein der Fall ist. (J. Amer. Chem. Soc.80, 6204 (1958)).
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Von Estern des 1-Hydroxybenzotriazole war bisher nur bekannt, daß
mit ihrer Hilfe die Knüpfung der Peptidbindungen spezifischer und mit weniger Nebenreaktionen
erfolgt Eine höhere Spezifität der Reaktion bedeutet eine Bevorzugung der Aminolyse
vor der Hydrolyse oder Alkoholyse. Es war jedoch nicht zu erwarten, daß in Abwesenheit
von Aminen auch die Alkoholyse so stark beschleunigt und verbessert wird, daß die
genannten Ester sogar aktivierten Derivaten wie den symmetrischen Anhydriden überlegen
sind.
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Auch die sterisch stark gehinderten Acylaminosäuren Z-Ile-OH, Z-Pro-OH
und Boc-Cys(Bzl)-OH können unter etwas schärferen Bedingungen (700C) ebenfalls in
die Polyäthylenglykolester überführt werden, was nach dem bisherigen unkatalysierten
Verfahren
nicht ohne weiteres möglich war.
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Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Zurückdrängen
von Nebenreaktionen. So unterbleibt z.B. die aus J. Org. Chem. 26, (1961), Seite
3256, bekannte, durch Dicyclohexylcarbodiimid hervorgerufene Nirtrilbildung aus
Boc-Gln-OH und Boc-Asn-OH unter den erfindungsgemäßen Bindungen.
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Die Aktivierung von N-Acylaminosäuren über ihre Aktivester mit 1-Hydroxybenzotriazol
und verwandten Verbindungen, schließt außerdem eine nennenswerte Sacemisierung aus,
was ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
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die Schließlich wird auch Nebenreaktion bereits erwähnte Urethanacylierung,
unterdrückt die oft beobachtet wird, wenn stark aktivierte Allyl oder Aralkyloxycarbonyl-aminosäuren
als Acylierungsreagenzien im Überschuß eingesetzt werden müssen,(vgl.
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J. Org. Chem. 39, 660 - 668 (1974)). Das erfindungsgemäße Verfahren
wirkt sich auch hier besonders günstig aus. Bei gleichzeitiger Ausbeutesteigerung
bleibt die Urethanacylierung unter 1, Selbst bei wiederholter Acylierung steigt
die Nebenprodukthildung nicht über 2% an.
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Neben diesem großen Vorteil verläuft die erfindungsgemäße Veresterung
rascher und benötigt keine großen Überschüsse an N-Acylaminosäuren.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Acylaminosäureester sind Zwis schenprodukte
bei der Synthese von therapeutisch wertvollen Peptiden.
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Es werden folgende Abkürzungen verwendet: PEG = Polyäthylenglykol
-OPEG (4), (6), (10), (i5), u. (20) = Polyäthylenglykolester vom Molgewicht 4 000,
6 000, 10 000, 15 000 und 20 000 DMF = Dimethylformamid DMSO = Dimethylsulfoxid
DMA = Dimethylacetamid TMH = Tetramethylharnstoff THF = Tetrahydrofuran HOBt = 1-Hydroxybenzotriazol
Die Aminosäuren und deren Derivate werden gemäß der JUPAC-JUB-Regeln J. Biol. Chem
247, S. 977 - 983 (1972) bezeichnet.
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Beispiel 1: (siehe Tabelle 1) Veresterung von Polyäthylenglykol mit
N-Aniinosäure-1 -hydroxybenzotriazolestern.
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Acylaminosäure, 1 -Hydroxybenzotriazol (HOBt) und Dicyclohexylcarbodiimid
(DCCI) werden in den angegebenen Verhältnissen (Voraktivierung) in DMF gelöst und
2 h bei Raumtemperatur gerührt. Dann wird vom entstandenen Dicyclohexylharnstoff
abfiltriert, die entsprechende Menge Polyäthylenglykol zu der Lösung des 1-Hydroxybenzotriazolesters
zugegeben und die Reaktionsmischung 16 -20 h auf 45 - 600C erwärmt. Nach dem Abkühlen
wird von evtl.
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noch ausgefallenen Dicyclohexylharnstoff befreit, das Lösungsmittel
abgedampft und aus einer Methylenchlorid- bzw. Äthanollösung des Rückstandes das
Produkt durch Ätherzugabe gefällt.
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Der Fällungsprozeß wird noch mehrmals wiederholt bis durch dünnschichtchromatographische
Kontrolle (Butanol/Eisessig/ Wasser, 3 : 1 : 1) keine niedermolekularen Überschüsse
mehr nachgewiesen werden können. Der Veresterungsgrad wird durch Aminosäureanalyse
einer definierten Probe der Substanz nach saurer Hydrolyse bestimmt.
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Beispiel 2: (siehe Tabelle 2) Veresterung von Polyäthylenglykol mit
N-Acylaminosäuren mittels Dicyclohexylcarbodiimid mit und ohne Zusatz von 1-Hydroxybenzotriazol.
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PEG (vom angegebenen Molgewicht), Acylaminosäure, HOBt und DCCI werden
in den entsprechenden Verhältnissen in DMF, TEE, THF, CH2Cl2 oder Mischungen dieser
Lösungsmittel gelöst und die Lösung bei Temperatur von 25 - 700C 24 h lang gerührt.
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Nach dem Erkalten wird vom ausgefallenen Dicyclohexylharnstoff abfiltriert,
das Lösungsmittel abgedampft, der Rückstand in wenig Methylenchlorid oder Äthanol
aufgenommen und mit Äther das Produkt gefällt. In einigen Fällen wird das Produkt
erneut in dem entsprechenden Lösungsmittel gelöst, mit neuen Reagenzien versetzt
und die Umsetzung unter gleichen Bedingungen wiederholt. Ansonsten werden die Produkte
wie unter Beispiel 1 durch Ätherfällung von niedermolekularen Substanzen befreit.
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Die Vergleichsexperimente wurden in analoger Weise, jedoch ohne HOBt
durchgeführt.
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Beispiel 3: (siehe Tabelle 3) Veresterung von Polyäthylenglykol mit
N-Acylaminosäuren durch Umesterung von N-Acylaminosäureaktivestern.
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Entsprechende äquivalente Mengen von Z-Gly-OTcp, PEG (6), und N-Hydroxyverbindung
werden in DMF bei 55°C gelöst und man läßt mit oder ohne Zusatz von N-Äthylmorpholin
24 h lang reagieren.
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Das Lösungsmittel wird verdampft, der Rückstand dreimal mit kaltem
Essigester extrahiert, schließlich in Äthanol gelöst und mit Äther gefällt.
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Das Produkt wird wie unter Beispiel 1 charakterisiert.
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TABELLE 1: VERESTERUNG VON POLYÄTHYLENGLYKOL MIT N-ACYLAMINOSÄURE-1-HYDROXYBENZOTRIAZOLESTERN
(siehe Beispiel 1) (Verfahrensweise a) B E D I N G U N G E N
Acyl- ** HOBt ** DCCI ** Lösungs- |
Produkt aminos. mittel Zeit/Temp. Bem. Veresterungsgrad |
[Äquiv.] [Äquiv.] [Äquiv.] [g*/ml] |
Boo-Gly-OPEG ( 6) 5 5 5,35 DMF/0,2 16h/55°C 2h/Vor- 95,1% |
akt.25°C |
Boo-Gly-OPEG ( 6) 3 3 3,3 DMF/0,3 20h/45°C 2h/Vor- 86,4% |
akt.25°C |
Boo-Gly-OPEG ( 6) 3 3 3,2 DMF/0,3 16h/60°C 2h/Vor- 92,0% |
akt.25°C |
Boo-Gly-OPEG (10) 5 5 5,3 DMF/0,4 20h/55°C 2h/Vor- 78,5% |
akt.25°C |
Z-Gly-OPEG ( 6) 5 5 5,3 DMF/0,3 16h/60°C 2h/Vor- 85,6% |
akt.25°C |
Z-Ser-(But)- |
OPEG ( 6) 5 5 5,3 DMF/0,3 16h/60°C 2h/Vor- 87,4% |
akt.25°C |
** bez. auf -OH-Gruppen des PEG's * bez. auf PEG
TABELLE 2: VERESETZUNG
VON POLYÄTHYLENGLYKOL MIT N-ACYLAMINOSÄUREN MITTELS DICYCLO-HEXYLCARBODIIMID MIT
UND OHNE ZUSATZ VON 1-HYDROXYBENZOTRIAZOL (Verfahrensweise a) B E D I N G U N G
E N
Acyl HOBt DCCO Zeit Veresto- |
aminos. Lösungsmittel / Bem. rungs- |
Produkt [Äquiv.]* [Äquiv.]* [Äquiv.]* [g/ml] Temp. grad |
Z-Gly-OPEG (6) 20 20 21,4 THF/0,15 24h/55°C 74% |
Z-Gly-OPEG (6) 20 20 21,4 DMF/0,15 24h/55°C 78% |
Z-Gly-OPEG (6) 20 20 21,4 TMH/0,15 24h/55°C 90% |
Z-Gly-OPEG (6) 20 - 21,4 TMH/0,15 24h/55°C 47% |
Boc-Gly-OPEG (10) 2x2 2x2 2x2,1 CH2Cl2/ 2x24h/25°C nach Äther-
91% |
0,125 fällung wird |
wiederholt |
Boc-Gly-OPEG (10) 3 - 3,1 CH2Cl2/ 24h/45°C *** 40% |
0,16 |
nach Äther- |
Z-Ala-OPEG (6) 2x2 2x2 2x2,1 DMF/0,16 2x24H/50°C fällung wird
87% |
wiederholt |
TABELLE 2(Fort- Acyl HOBt DCCO Zeit Veresto- |
setzung) aminos. Lösungsmittel / Bem. rungs- |
Produkt [Äquiv.]* [Äquiv.]* [Äquiv.]* [g/ml] ** Temp. grad |
Z-Phe-OPEG (6) 5 5 5,3 DMF/0,16 24h/50°C 84,5% |
Z-Phe-OPEG (6) 2,5 - 2,6 CH2Cl2/ 24h/45°C 27% |
0,2 |
Z-Leu-OPEG (6) 5 5 5,3 DMF/0,16 24h/50°C *** 76% |
Z-Pro-OPEG (6) 2x5 2x5 2x5,3 DMF/THF 2x24h/70°C nach Äther-
90% |
(1:1) 0,15 fällung |
wiederholt |
Z-Pro-OPEG (6) 5 - 5,3 CH2Cl2/0,16 7d/25°C *** 16% |
Z-Ile-OPEG (6) 2x5 2x5 2x5,3 DMF/0,15 2x24h/70°C nach Äther-
75% |
fällung |
wiederholt |
Z-Ile-OPEG (6) 5 - 5 (CH2Cl2)0,16 7d/25°C 6,5% |
Z-Val-OPEG (6) 2x5 2x5 2x5,3 DMF/0,15 2x24h/70°C 88% |
Z-ASN-OPEG (6) 2 2 2,1 TMH/0,16 24h/50°C 97% |
Z-ASN-OPEG (6) 2 - 2,1 DMF/0,15 24h/50°C 29% |
Boc-Cys(Bzl)- |
OPEG (6) 2 2 2,1 DMF/0,15 24h/55°C 46% |
Boc-Cys(Bzl)- |
OPEG (6) 2 - 2,1 DMF/0,15 24h/55°C 1,7% |
*** DCH wird worher filtriert ** bez. auf PEG * bez. auf OH-Gruppen von PEG
TABELLE
3: VERESTERUNG VON POLYÄTHYLENGLYKOL MIT CARBONBENZOXYGLYCIN-2,4,5-TRI-CHLORPHENYLESTER
KATALYSIERT DURCH N-HYDROXYVERBINDUNGEN (Verfahrensweise b) B E D I N G U N G E
N
Acyl- Katalysator Lösungsmittel Zeit Base Vereste- |
aminos. / rungs |
Produkt [Äquiv.]* [Äquiv.]* [g/ml]** Temp. [Äquiv.]* grad |
Z-Gly-OPEG (6) 20 HOBt/20 DMF/0,15 24h/55°C - 67% |
Z-Gly-OPEG (6) 20 HOOBt/20 DMF/0,15 24h/55°C - 63% |
Z-Gly-OPEG (6) 2 HOBt/2 DMF/0,15 24h/55°C 2 56% |
Z-Gly-OPEG (6) 2 1-Hydroxy- DMF/0,15 24h/55°C 2 61% |
pyridon-2/2 |
* bez. auf OH-Gruppen des PEG's |
** bez. auf PEG |