En muchas preparaciones de compuestos orgánicos delicados , partes específicas de las moléculas no pueden sobrevivir a los reactivos o entornos químicos requeridos. Estas partes (grupos funcionales) deben protegerse . Por ejemplo, el hidruro de litio y aluminio es un reactivo altamente reactivo que reduce de manera útil los ésteres a alcoholes . Siempre reacciona con grupos carbonilo y no se puede desalentar por ningún medio. Cuando un éster debe reducirse en presencia de un carbonilo, se debe evitar el ataque del hidruro al carbonilo. Una forma de hacerlo convierte el carbonilo en un acetal , que no reacciona con hidruros. El acetal se denomina entonces grupo protector para el carbonilo. Una vez completado el paso del hidruro, el ácido acuoso elimina el acetal, restaurando el carbonilo. Este paso se llama desprotección .
Los grupos protectores son más comunes en el trabajo de laboratorio a pequeña escala y en el desarrollo inicial que en la producción industrial porque agregan pasos adicionales y costos de material. Sin embargo, los compuestos con grupos funcionales repetitivos (generalmente, biomoléculas como péptidos , oligosacáridos o nucleótidos ) pueden requerir grupos protectores para ordenar su ensamblaje. Además, los grupos protectores quirales baratos a menudo pueden acortar una síntesis enantioselectiva (por ejemplo, ácido shikímico para oseltamivir ).
Por regla general, la introducción de un grupo protector es sencilla. Las dificultades residen, sinceramente, en su estabilidad y en su eliminación selectiva. En la literatura académica rara vez se documentan problemas aparentes en las estrategias de síntesis con grupos protectores. [2]
Protección ortogonal
La protección ortogonal es una estrategia que permite la desprotección específica de un grupo protector en una estructura con protección múltiple. Por ejemplo, el aminoácido tirosina podría protegerse como un éster bencílico en el grupo carboxilo, un carbamato de fluorenilmetilenoxi en el grupo amina y un éter terc -butílico en el grupo fenol. El éster bencílico puede eliminarse mediante hidrogenólisis, el grupo fluorenilmetilenoxi (Fmoc) mediante bases (como la piperidina) y el éter terc -butílico fenólico puede escindirse con ácidos (por ejemplo, con ácido trifluoroacético).
Un ejemplo común de esta aplicación es la síntesis de péptidos Fmoc, en la que los péptidos se cultivan en solución y en fase sólida, que es muy importante. [3] Los grupos protectores en la síntesis en fase sólida en lo que respecta a las condiciones de reacción, como el tiempo de reacción, la temperatura y los reactivos, se pueden estandarizar de modo que se lleven a cabo mediante una máquina, mientras que se pueden lograr rendimientos de más del 99%. De lo contrario, la separación de la mezcla resultante de productos de reacción es prácticamente imposible (véase también § Aplicaciones industriales). [4]
Diagrama esquemático de una síntesis de péptidos en estado sólido con grupos protectores ortogonales X e Y
Síntesis de péptidos en estado sólido Fmoc con grupos protectores ortogonales
Otro ejemplo importante de grupos protectores ortogonales se da en la química de los carbohidratos . Como los carbohidratos o los grupos hidroxilo presentan reactividades muy similares, debe ser posible una transformación que proteja o desproteja un solo grupo hidroxi para que la síntesis sea exitosa.
Categorización de clivaje
Se han establecido muchas condiciones de reacción que escindirán los grupos protectores. Se pueden distinguir a grandes rasgos los siguientes entornos: [5]
Varios grupos se escinden en condiciones ácidas o básicas, pero otros son más inusuales.
Los iones fluoruro forman enlaces muy fuertes con el silicio ; por lo tanto, los grupos protectores de silicio son eliminados casi invariablemente por los iones fluoruro. Cada tipo de contraión, es decir, reactivo de escisión, también puede escindir selectivamente diferentes grupos protectores de silicio dependiendo del impedimento estérico . La ventaja de los grupos protectores lábiles al fluoruro es que ningún otro grupo protector es atacado por las condiciones de escisión.
Las lipasas y otras enzimas escinden éteres a temperaturas y pH biológicos (30-40 °C). Debido a que las enzimas tienen una especificidad de sustrato muy alta, el método es bastante raro, pero extremadamente atractivo.
Los grupos protectores fotolábiles llevan un cromóforo , que se activa a través de radiación con una longitud de onda apropiada y, por lo tanto, se puede eliminar. [6] Por ejemplo, el grupo o -nitrobencilo debería aparecer aquí.
El raro grupo protector de doble capa es un grupo protector protegido, que ejemplifica una alta estabilidad.
Grupos protectores comunes
Grupos de protección del alcohol
Los grupos protectores clásicos de los alcoholes son los ésteres , desprotegidos por nucleófilos ; los éteres triorganosílicos , desprotegidos por ácidos e iones fluoruro; y los (hemi)acetales , desprotegidos por ácidos débiles. En casos más raros, se puede utilizar un éter de carbono .
Los ésteres más importantes con uso común de grupos protectores son los ésteres de acetato , benzoato y pivalato, ya que presentan una eliminación diferencial. Los ésteres con impedimento estérico son menos susceptibles al ataque nucleofílico:
Los éteres metílicos alifáticos se descomponen con dificultad y sólo en condiciones extremas, por lo que, por lo general, sólo se utilizan con fenoles quinónicos. Sin embargo, los hemiacetales y acetales son mucho más fáciles de descomponer.
Trietilsililo: 10–100 veces más estable que un grupo TMS. [8] Se escinde con ácido trifluoroacético en agua/ tetrahidrofurano , [9] ácido acético en agua/tetrahidrofurano, [10] o fluoruro de hidrógeno en agua o piridina [11]
tert -Butildimetilsililo (TBDMS o TBS): se escinde con ácido acético en tetrahidrofurano/agua, [12] tosilato de piridinio en metanol, [13] ácido trifluoroacético en agua, [14] ácido fluorhídrico en acetonitrilo , [15] fluoruro de piridinio en tetrahidrofurano, [16] fluoruro de tetrabutilamonio en THF. [17] Comúnmente protege la función 2'-hidroxi en la síntesis de oligonucleótidos .
Éteres de triisopropilsililo (TIPS): condiciones similares al TBS pero tiempos de reacción más prolongados. [18]
tert -butildifenilsililo (TBDPS): condiciones similares al TBS pero tiempos de reacción aún más largos (100–250 veces más lento que el TBS y 5–10 veces más lento que el TIPS)
Éteres bencílicos:
Bencilo (Bn): se elimina por hidrogenólisis . [19] El grupo Bn se utiliza ampliamente en la química de azúcares y nucleósidos.
Tritilo (trifenilmetilo, Tr): eliminado por ácido [20] [21] [22] e hidrogenólisis
Éter p -metoxibencílico (PMB): se elimina mediante ácido, hidrogenólisis u oxidación, comúnmente con DDQ . [23]
p , m -Éter dimetoxibencílico: se elimina mediante oxidación con DDQ o cloruro de amonio cérico [24]
Acetales:
Dimetoxitritilo, [bis-(4-metoxifenil)fenilmetil] (DMT): se elimina con un ácido débil. El grupo DMT se utiliza ampliamente para la protección del grupo 5'-hidroxi en los nucleósidos, particularmente en la síntesis de oligonucleótidos .
Metoxitritilo [(4-metoxifenil)difenilmetil] (MMT): se elimina mediante ácido e hidrogenólisis.
Benciloximetilo: estabilidad comparable a MOM, MEM y SEM, [25] pero también admite eliminación reductora: sodio en amoníaco líquido, [26] [27] hidrogenación catalítica (hidróxido de paladio sobre carbón activado), o níquel Raney en etanol [28] [29]
Éteres etoxietílicos (EE): la escisión es más trivial que la de los éteres simples, p. ej., ácido clorhídrico 1N [30]
Tris(isopropil)sililoximetilo (TOM): comúnmente protege la función 2'-hidroxi en la síntesis de oligonucleótidos .
β‑(trimetilsilil)etoximetilo — Más lábil que el MEM y el MOM a la hidrólisis ácida: ácido clorhídrico 0,1 M en metanol, [38] ácido fluorhídrico concentrado en acetonitrilo, [13] eterato de trifluoruro de boro en diclorometano, [39] o fluoruro de tetrabutilamonio en HMPT (triamida del ácido hexametilfosfórico) o en tetrahidrofurano [40] [41]
Otros éteres:
Éter de p -metoxifenilo (PMP): se elimina por oxidación. [ cita requerida ]
Alilo : se elimina con terc -butóxido de potasio [43] DABCO en metanol, paladio sobre carbón activado o diversos complejos de platino, combinado con tratamiento ácido. [44]
Éteres metílicos: la escisión se realiza mediante TMSI en diclorometano, acetonitrilo o cloroformo. Un método alternativo para escindir éteres metílicos es BBr3 en DCM
Los 1,2-dioles ( glicoles ) representan una clase especial de alcoholes para la química de grupos protectores. Se puede aprovechar la adyacencia de dos grupos hidroxi, por ejemplo en los azúcares , ya que se protegen ambos grupos hidroxi de forma codependiente como un acetal . En esta situación son comunes los acetales de bencilideno , isopropilideno y ciclohexilideno o ciclopentilideno.
Un caso excepcional se presenta con el grupo protector bencilideno, que también admite escisión reductora. Esto se lleva a cabo mediante hidrogenación catalítica o con el hidruro donador hidruro de diisobutilaluminio (DIBAL). La escisión con DIBAL desprotege un grupo alcohol, ya que la fracción bencílico permanece como éter bencílico en el segundo grupo hidroxilo estéricamente impedido. [45] [46]
Grupos protectores de amina
Las aminas tienen una importancia especial en la síntesis de péptidos , pero son un nucleófilo bastante potente y también bases relativamente fuertes . Estas características implican que siempre se están desarrollando nuevos grupos protectores para las aminas. [47]
Los grupos amina se protegen principalmente mediante acilación , generalmente como carbamato . Cuando un carbamato se desprotege, libera dióxido de carbono . Los carbamatos más utilizados son los compuestos terc -butoxicarbonilo, benzoxicarbonilo, fluorenilmetilenoxicarbonilo y aliloxicarbonilo.
Otros protectores de aminas más exóticos son las ftalimidas , que admiten la escisión reductora, [48] y las trifluoroacetamidas, que se hidrolizan fácilmente en base. Los indoles , pirroles e imidazoles —en realidad cualquier aza-heterociclo— admiten protección como N -sulfonilamidas, que son demasiado estables con aminas alifáticas. [49] Las aminas N -benciladas pueden eliminarse mediante hidrogenación catalítica o reducción de Birch, pero tienen un inconveniente decidido en relación con los carbamatos o amidas: retienen un nitrógeno básico.
Selección
Carbamatos:
Grupo carbamato : se elimina mediante ácido y calentamiento suave.
Los grupos protectores más habituales para los carbonilos son los acetales y, por lo general, los acetales cíclicos con dioles. Los grupos protectores más utilizados son también los acetales cíclicos con 1,2-hidroxitioles o ditioglicoles, los denominados O , S o S , S -acetales.
En general, la transacetalación desempeña un papel menor en la formación de acetales protectores; se forman por regla general a partir de glicoles mediante deshidratación. Normalmente, se utiliza un glicol simple como el etilenglicol o el 1,3-propadiol para la acetalación. Las variantes modernas también utilizan glicoles, pero con los hidrógenos de hidroxilo reemplazados por un grupo trimetilsililo. [60] [61]
Los acetales pueden eliminarse en condiciones acuosas ácidas. Para estos fines, los ácidos minerales son ácidos apropiados. La acetona es un cosolvente común, utilizado para promover la disolución. Para una técnica de escisión no ácida, se puede realizar un complejo de acetonitrilo de cloruro de paladio (II) en acetona [62] o cloruro de hierro (III) sobre gel de sílice con tratamiento en cloroformo. [63]
Los acetales cíclicos son mucho más estables a la hidrólisis ácida que los acetales acíclicos. Por lo tanto, los acetales acíclicos se utilizan prácticamente solo cuando se requiere una escisión muy suave o cuando se deben diferenciar dos grupos carbonilo protegidos diferentes en su liberación. [64]
Además de los O , O -acetales, los S , O- y S , S -acetales también tienen una aplicación, aunque escasa, como grupos protectores de carbonilo. Los tioles , con los que se empieza a formar estos acetales, tienen un olor muy desagradable y son venenosos, lo que limita severamente sus aplicaciones. Los tioacetales y los S , O -acetales mixtos son, a diferencia de los O , O -acetales puros, mucho más estables frente a la hidrólisis ácida. Esto permite la escisión selectiva de estos últimos en presencia de grupos carbonilo protegidos con azufre .
La formación de S , S -acetales normalmente sigue de forma análoga a la de O , O -acetales con catálisis ácida a partir de un ditiol y el compuesto carbonílico. Debido a la mayor estabilidad de los tioacetales, el equilibrio se encuentra del lado del acetal. A diferencia del caso de O , O -acetal, no es necesario eliminar agua de la mezcla de reacción para cambiar el equilibrio. [65]
Los S , O -acetales se hidrolizan un factor de 10.000 veces más rápido que los S , S -acetales correspondientes. Su formación se produce de forma análoga a la del tioalcohol. También su escisión se produce en condiciones similares y predominantemente a través de compuestos de mercurio(II) en acetonitrilo húmedo. [66]
En el caso de los aldehídos, se muestra a continuación una protección temporal del grupo carbonilo en presencia de cetonas como iones hemiaminales . Aquí se aplica que los aldehídos son carbonilos mucho más activados que las cetonas y que muchas reacciones de adición son reversibles. [67] [68]
Tipos de protectores
Acetales y cetales : se eliminan con ácido. Normalmente, la descomposición de los acetales acíclicos es más fácil que la de los cíclicos.
Ditianos : se eliminan mediante sales metálicas o agentes oxidantes.
Grupos protectores de ácidos carboxílicos
Los grupos protectores más importantes de los ácidos carboxílicos son los ésteres de diversos alcoholes. En ocasiones, los ésteres se protegen como ortoésteres u oxazolinas . [69]
Muchos grupos pueden ser suficientes para el componente alcohólico y, por el contrario, las condiciones específicas de escisión son, en general, bastante similares: cada éster puede hidrolizarse en una solución básica de agua y alcohol. En cambio, la mayoría de los grupos protectores de ésteres varían en cuanto a la ligereza con la que pueden formarse a partir del ácido original.
Protección de grupos
Ésteres de metilo : también se eliminan con ácido [ cita requerida ] o esterasa de hígado de cerdo . [70] [71] Se pueden formar a partir de diazometano en éter dietílico, [72] [73] [74] carbonato de cesio y yoduro de metilo en N , N -dimetilformamida, [75] o metanol y cloruro de trimetilsililo catalítico [76]
Ésteres alílicos: al igual que los éteres alílicos, también se eliminan mediante diversos complejos de platino, relacionados con el tratamiento ácido [85]
Los alquenos rara vez necesitan protección o están protegidos. Por lo general, solo participan en reacciones secundarias no deseadas con ataque electrofílico , isomerización o hidratación catalítica. Básicamente, se conocen dos grupos protectores para los alquenos:
Halogenación temporal con bromo para formar un trans -1,2-dibromoalcano: luego sigue la regeneración del alqueno con preservación de la conformación a través de zinc elemental [86] [87] [88] [89] [90] o con dicloruro de titanoceno . [91]
Protección mediante una reacción de Diels-Alder : la transformación de un alqueno con un dieno da lugar a un alqueno cíclico, que, no obstante, se ve igualmente amenazado por el ataque electrofílico como el alqueno original. La escisión de un dieno protector se produce térmicamente, ya que la reacción de Diels-Alder es una reacción reversible (de equilibrio). [92] [93] [94]
Grupos protectores de fosfato
2-cianoetilo– eliminado por una base suave. El grupo se utiliza ampliamente en la síntesis de oligonucleótidos .
Metilo (Me)– eliminado por nucleófilos fuertes , por ejemplo , tiofenol/TEA.
Grupos protectores de alquinos terminales
En el caso de los alquinos, existen en todo caso dos tipos de grupos protectores. En el caso de los alquinos terminales, a veces es importante enmascarar el átomo de hidrógeno ácido. Esto normalmente se produce por desprotonación (a través de una base fuerte como el bromuro de metilmagnesio o el butillitio en tetrahidrofurano/ dimetilsulfóxido ) y, posteriormente, por reacción con clorotrimetilsilano para formar un alquino terminalmente protegido con TMS. [95] La escisión se produce hidrolíticamente (con carbonato de potasio en metanol) o con iones fluoruro, como por ejemplo el fluoruro de tetrabutilamonio . [96]
Para proteger el triple enlace, a veces se utiliza un complejo de metal de transición-alquino con dicobalto-octacarbonilo . La liberación del cobalto se produce por oxidación. [97] [98] [99] [100] [101]
El uso de grupos protectores es generalizado, pero no está exento de críticas. [103] En términos prácticos, su uso añade dos pasos (secuencia de protección-desprotección) a una síntesis, cualquiera de los cuales o ambos pueden reducir drásticamente el rendimiento químico . Fundamentalmente, la complejidad añadida impide el uso de la síntesis total sintética en el descubrimiento de fármacos . En contraste, la síntesis biomimética no emplea grupos protectores. Como alternativa, Baran presentó una nueva síntesis libre de grupos protectores del compuesto hapalindol U. La síntesis publicada anteriormente [104] [105] [106] según Baran, contenía 20 pasos con múltiples manipulaciones de grupos protectores (dos confirmadas):
Síntesis protegida y no protegida del alcaloide marino, hapalindol U.
Aplicaciones industriales
Aunque el uso de grupos protectores no se prefiere en las síntesis industriales, todavía se utilizan en contextos industriales, por ejemplo, la sucralosa (edulcorante) o la síntesis de Roche de oseltamivir (Tamiflu, un fármaco antiviral).
Un ejemplo importante de aplicaciones industriales de la teoría de grupos protectores es la síntesis de ácido ascórbico (vitamina C) al estilo de Reichstein .
Para evitar la oxidación de los alcoholes secundarios con permanganato de potasio , se protegen mediante acetilación con acetona y luego se desprotegen después de la oxidación de los alcoholes primarios a ácidos carboxílicos. [107]
Un ejemplo muy espectacular de aplicación de grupos protectores a partir de la síntesis de productos naturales es la síntesis total de ácido palitoxina en 1994 por el grupo de investigación de Yoshito Kishi . [108] Aquí 42 grupos funcionales (39 hidroxilos, un diol, un grupo amina y un ácido carboxílico) requerían protección. Estos procedieron a través de 8 grupos protectores diferentes (un éster metílico, cinco acetales, 20 ésteres TBDMS, nueve éteres p -metoxibencílicos, cuatro benzoatos, un hemiacetal metílico, un acetal de acetona y un éster SEM). [109]
La introducción o modificación de un grupo protector influye ocasionalmente en la reactividad de toda la molécula. Por ejemplo, el diagrama que figura a continuación muestra un extracto de la síntesis de un análogo de la mitomicina C realizada por Danishefsky . [110]
El intercambio de un grupo protector de un éter metílico a un éter MOM inhibe aquí la apertura de un epóxido a un aldehído .
La química de los grupos protectores tiene una aplicación importante en la síntesis automatizada de péptidos y nucleósidos. La técnica fue introducida en el campo de la síntesis de péptidos por Robert Bruce Merrifield en 1977. [111] Para la síntesis de péptidos mediante una máquina automatizada, se utilizan la ortogonalidad del grupo Fmoc (escisión básica), el grupo terc -butilo (escisión ácida) y diversos grupos protectores para los grupos funcionales en las cadenas laterales de los aminoácidos. [112] Se utilizan hasta cuatro grupos protectores diferentes por nucleobase para la síntesis automatizada de secuencias de ADN y ARN en la síntesis de oligonucleótidos . El procedimiento comienza en realidad con la química redox en el átomo de fósforo protegido. Un fósforo tricoordinado, utilizado debido a su alta reactividad, se marca con un grupo protector cianoetilo en un oxígeno libre. Después del paso de acoplamiento sigue una oxidación a fosfato, por lo que el grupo protector permanece unido. Los grupos OH libres que no reaccionaron en el paso de acoplamiento se acetilan en un paso intermedio. Estos grupos protectores introducidos adicionalmente inhiben que estos grupos OH puedan acoplarse en el siguiente ciclo. [113]
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Lectura adicional
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Peter GM Wuts, Theodora W. Greene: Grupos protectores de Green en síntesis orgánica , 4.ª ed., John Wiley & Sons Inc., Hoboken, Nueva Jersey, ISBN 0-471-69754-0.
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Enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Protección de grupos .
Wikiquote tiene citas relacionadas con Grupo protector .
Introducción del grupo protector y mecanismo de desprotección.
Apuntes de estudio de último año de pregrado sobre este tema, del profesor Rizzo.
Un conjunto adicional de notas de estudio en formato tutorial, con orientación y comentarios, de los profesores Grossman y Cammers.
Una reseña del profesor Kocienski.
Un sitio de usuario que extrae el texto clásico de Greene y Wuts sobre la estabilidad de algunos grupos clave, de las extensas tablas de esta referencia.
Organic-Reaction.com: Grupo protector
Universität Marburg : Schutzgruppen in der organischen Synthesechemie (en alemán)