Kupplungsversuche an Benzolgerüsten als zentrale Einheit

Mastarone et al. publizierten 2011 einen trimeren Gadoliniumkomplex, in dem Azido-funktionalisierte Gd-DOTA-Einheiten durch 1,3-dipolare Cycloaddition an eine starre Trialkinyl-Phenyleinheit gekoppelt wurden, die zusätzlich mit einem Targetinglinker ausgestattet war (vgl. Abbildung 26 )⁹¹.

Abbildung 26: Von Mastarone et al. vorgeschlagener, mehrkerniger Gadoliniumkomplex mit Targetinglinker Ethylvalerat.

Dabei wurde auch die Veränderung der Relaxivität im Zusammenhang mit einer Verlängerung der Brücke zwischen Zentraleinheit und Chelatorfunktionen untersucht. So konnte gezeigt werden, dass der größte Relaxivitätswert (r1 = 15,4 mM^-1s^-1 pro

Metall-47 zentrum bei 37 °C und 1,41 T) mit der kleinsten Verbrückung (CH2) erreicht werden konnte und dass die Relaxivität mit steigender Flexibilität des Gesamtmoleküls (Verlängerung der Brücke auf (CH2)2 und (CH2)3) sinkt⁹¹.

Abbildung 27: Darstellung eines trimeren CDTA-Liganden mit möglicher Funktionalisierung (R).

Aufbauend auf diesen Vorarbeiten wurde eine Synthesestrategie für einen ähnlichen, mit CDTA-Chelatoren sowie einer funktionellen Gruppe zur möglichen Einführung eines Targetingvektors ausgestatteten Liganden entworfen (vgl. Abbildung 27).

Für einen trimeren Liganden mit einer zusätzlichen funktionellen Gruppe zur Kupplung von möglichen Targetingeinheiten sollte dazu ausgehend von 2,4,6-Tribromphenol zunächst die Hydroxylgruppe mit einer geeigneten Schutzgruppe geschützt werden.

Anschließend sollte über eine Sonogashira-Kupplung mit Trimethylsilylacetylen die (ebenfalls geschützte) Alkinfunktion in das Molekül eingeführt werden. Durch selektive Entschützung der Alkingruppen mit Kaliumfluorid wurde ein Baustein zur Click-Kupplung eines Azidoderivates des Chelators angestrebt (vgl. Abbildung 28).

Abbildung 28: Allgemeine Syntheseplanung zur Darstellung eines Tris-Alkin-Click-Vorläufers (PG = Schutzgruppe, TMS = Trimethylsilyl).

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Als Schutzgruppen wurden als Ausgangsmaterial für die Sonogashira-Reaktion mehrere Ether und Ester eingesetzt. Verschiedene Silyl- und Alkylether wurden dabei direkt an der Phenylgruppe eingefügt. Im Allgemeinen lassen sich Ethergruppen mit starken Säuren wieder entfernen, wogegen die Silylether je nach Gestalt entweder sauer, basisch oder mit Fluoridreagenzien gespalten werden können. Acetylgruppen werden unter wässriger Baseneinwirkung entfernt, Benzylether dagegen über katalytische Hydrierung.

Die eingefügte Ethylvaleratgruppe lässt sich entweder hydrogenolytisch an der Ethergruppe (direkt am Phenolring) spalten, oder durch Baseneinwirkung an der Esterfunktion, die weiter vom starren Aromatengerüst entfernt ist. Eine Übersicht über die Synthesen der verschiedenen Vorläufer und die überwiegend guten Reaktionsausbeute ihrer Darstellung liefert Tabelle 8.

Abbildung 29: Allgemeines Syntheseschema für die Schützung von 2,4,6-Tribromphenol.

Tabelle 8: Zusammenfassung der verwendeten Schutzgruppen (PG) mit Y = Ausbeute in Prozent, Ac = Acetyl, MEM = Methoxyethylmethoxy-, MOM = Methoxymethyl-; Val = Pentansäureethylester-, TIPS: Triisopropylsilyl-, Bn

= Benzyl.

6a) 6b) 6c) 6d) 6e) 6f) 6g) 6h)

PG Ac MEM MOM Val TMS TIPS TBDPS Bn

Y [%] 98 93 98 98 quant. 69 76 98

Mithilfe von Sonogashira-Reaktionen ist die C-C-Bindungsknüpfung zwischen Arylhalogenen und Alkingruppen möglich. Dabei wird mithilfe von Kupfer(I) die Alkinfunktion als Kupferacetylid aktiviert und durch Transmetallierung an die durch Palladiuminsertion aktivierte Aryl-Halogenid-Bindung addiert. Die Reaktion verläuft dabei ähnlich wie die bekannten Suzuki-, Negishi- und Stille-Kupplungen über einen Katalysezyklus; ausgehend von Palladium(0) mit oxidativer Addition, Transmetallierung und schlussendlicher reduktiver Eliminierung unter Rückbildung des Katalysators^89,96,97.

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Abbildung 30: Allgemeines Syntheseschema für die Sonogashira-Kupplung von 6a-h).

Die so durchgeführten Kreuzkupplungsreaktionen an den Verbindungen 6a-h) (vgl.

Abbildung 30) konnte hier nicht mit allen geschützten Tribromphenolderivaten erfolgreich durchgeführt werden; insbesondere die Silylether als Vorläufer lieferten dabei nicht die gewünschten Verbindungen. Dabei könnten elektronische Effekte eine Rolle spielen, ebenso wie eine große sterische Hinderung der Schutzgruppen, durch das die ortho-Reaktionszentren zu sehr abgeschirmt werden, was ebenfalls beim Benzyl-geschützten Derivat der Fall sein könnte. Das Methoxymethyl-geschützte Derivat 7c) konnte nur in Ausbeuten von 20% erhalten werden (möglicherweise aufgrund einer Koordination der Methoxygruppe an insertiertes Palladium in der ortho-Position und der daraus folgender Abschirmung der Reaktionszentren), wogegen die Umsetzung des Valerat-geschützten Vorläufers, sowie der Acetyl- und -MEM-Derivate in hohen Ausbeuten durchgeführt werden konnten. Die Reaktionsausbeuten sind in Tabelle 9 zusammengefasst.

Tabelle 9: Reaktionsausbeuten der Sonogashira-Kupplung von 6a-h) mit Trimethylsilylacetylen (bei 75 °C, 18 h., 15 mol% „Pd“, 20 mol% CuI, 50 mol% PPh3).

7a) 7b) 7c) 7d) 7e) 7f) 7g) 7h)

PG Ac MEM MOM Val TMS TIPS TBDPS Bn

Y [%] 92 99 20 79 - - - -

Die folgende Entschützung der Alkinfunktionen mit Kaliumfluorid (vgl. Abb. Abbildung 31 ) verlief nicht für alle Edukte 7a-d) erfolgreich, bei der Umsetzung des MOM-Derivates konnte das gewünschte Produkt nicht isoliert werden. Das Acetyl- sowie das MEM-Produkt wurden mit 80% Reaktionsausbeute erhalten, das Valerat-geschützte Trialkin 8c) sogar mit 97%.

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Abbildung 31: Allgemeines Syntheseschema für die selektive Entschützung von 7a-d) mit Kaliumfluorid.

Die so erhaltenden Produkte 8a-c) standen nun für eine Click-Kupplung mit drei Azidgruppen zur Verfügung. Um diese Azidfunktion in die Chelatoreinheit 5 einzuführen, wurde die OH-Gruppe zunächst mithilfe von Methylsulfonylchlorid (MsCl) in die exzellente Abgangsgruppe Methylsulfonat überführt und anschließend mit Natriumazid in einer nukleophilen Substitution umgesetzt (vgl. Abbildung 32). Dabei wurde das gewünschte Tetra-tert-butyl-4-(azidomethyl)-trans-1,2-diaminocyclohexan-N,N,N’,N’-tetraacetat 10 mit einer Ausbeute von 65% erhalten.

Abbildung 32: Syntheseschema zur Darstellung von Tetra-tert-butyl-4-(azidomethyl)-trans-1,2-diaminocyclohexan-N,N,N’,N’-tetraacetat 10.

Als Nebenprodukt trat die bei jeder nukleophilen Substitution als Konkurrenzreaktion stattfindende Eliminierungsreaktion der Abgangsgruppe auf. Um diese unerwünschte, durch Basen und schwache Bindung zwischen Abgangsgruppe und Reaktionszentrum begünstigte Reaktion zu vermeiden, wurde die Reaktion bei moderaten 50 °C unter Schutzgas durchgeführt. Ein gewisser Anteil an Eliminierungsprodukt (ca. 20%) musste dennoch in Kauf genommen werden.

Die Kupfer-katalysierte 1,3-dipolare Cycloaddition von Alkinen und Aziden (CuAAC) verläuft, wie weiter oben beschrieben, üblicherweise schnell, regioselektiv und mit hoher Ausbeute ab. Die Reaktion findet unter Kupfer(I)-Katalyse statt, welches in katalytischen

51 Mengen zugegeben wird bzw. sich aus einem zugefügten Kupfer(II)-Salz und einem Reduktionsmittel (zum Beispiel Natriumascorbat) bildet. Die Bildung von Kupfer-Acetyliden polarisiert und aktiviert die terminale Alkin-Einheiten und sorgt für schnellen Umsatz zu 1,4-disubstituierten Triazol-Addukten⁹⁰. Click-Reaktionen sind bei der Synthese von Makromolekülen mittlerweile etabliert, zur Anwendung bei der Synthese von (Radio-) Pharmazeutika muss allerdings die Kupferspezies vollständig abgetrennt werden oder die Reaktion auf Kosten der Reaktionsgeschwindigkeit ohne Kupferzugabe durchgeführt werden. Bei der Kupplung von Chelatoren ist es ebenfalls wichtig, die Kupferspezies nach erfolgter Reaktion quantitativ abzutrennen, um bei einer späteren Komplexierung (insbesondere mit trägerarmen Radiometallen) die Chelatoren nicht abzusättigen und die Komplexbildungsreaktion so zu beeinträchtigen. Insbesondere bei der Verwendung von CDTA-Systemen, die mit Kupfer sehr stabile Komplexe bilden, ist dies im Hinblick auf die spätere Komplexierungsreaktion wichtig. Bei der Kupplung von 10 an das Phenylgerüst ist es daher von Vorteil, dass die Säurefunktionen des CDTA-Gerüstes als sterisch sehr anspruchsvolle tert-Butylester geschützt sind. Allerdings wird durch die Sperrigkeit des Moleküls die Click-Reaktion in ihrer Geschwindigkeit beschränkt. In Abbildung 33 ist die Reaktion schematisch dargestellt.

Abbildung 33: Allgemeines Syntheseschema für die Click-Reaktion zwischen Azid 10 und Trialkineinheit 8.

Um die Clickreaktion des Azids 10 an die Triethinylgerüste erfolgreich durchzuführen, wurden zahlreiche Versuche unternommen. Um optimale Reaktionsbedingungen zu bestimmen, wurden sowohl die Kupferspezies, als auch die übrigen Additive/Liganden

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und Lösungsmittel variiert. Zunächst wurde die von Rostovtsev et al. vorgeschlagene Reaktionsführung in ^tBuOH/H2O 2:1 mit 5 mol% Natriumascorbat und 1 mol%

Kupfer(II)sulfat⁹⁸ bei Raumtemperatur durchgeführt und der Reaktionsfortgang mit massenspektrometrischen Methoden verfolgt. Rostovtsev und Mitarbeiter konnten mit dieser Methode Estradiol-Derivate innerhalb von 18 h zu 94% umsetzen, was allerdings bei der Umsetzung von 10 weder mit den geschützten Triethinylphenolderivaten 8a-c), noch mit unsubstituierten Triethinylbenzol (TEB) gelang. Nach Erhöhung der Kupfer und Ascorbatkonzentrationen (1,1 Äquivalente pro Reaktionszentrum), um die durch die tert-Butylester trotzdem nicht auszuschließende Koordination des CDTA-Reaktanden an Kupfer(II) zu kompensieren, konnte auch nach 5 d Reaktionszeit lediglich das Mono-Kupplungsprodukt nachgewiesen werden. Da die Click-Kupplung zumindest an einem Reaktionszentrum erfolgreich verlief, wurden bei den folgenden Testreaktionen die Mengen an Kupfer beibehalten. In Tabelle 10 sind die Reaktionsbedingungen mit ihren Ausbeuten zusammengefasst.

Tabelle 10: Evaluierte Reaktionsbedingungen für die Click-Reaktion. Reaktionsbedingungen.

Cu-Spezies Additiv T [°C]

t [d]

LM Alkin Y 11a+b) [%]

1^a) CuSO4 NaOAsc RT 5 ^tBuOH /

H2O 2:1

TEB, 8a-c)

kein Umsatz

2 CuSO4 NaOAsc RT 5 ^tBuOH /

H2O 2:1

TEB Monoprodukt

3 CuSO4 NaOAsc RT 5 DCM TEB kein Umsatz

4 CuSO4

NaOAsc/L-Histidin

RT 5 MeCN / H2O 2:1

TEB kein Umsatz

5 CuSO4 NaOAsc 50 °C 7 THF /

H2O 3:1

TEB + 8a-c)

25 % (11a)); 29% (11 b))

6^b) CuI 2,6-Lutidin, DIPEA

50 °C 0,8 DCM TEB Modellreaktion erfolgreich

7 CuI 2,6-Lutidin,

DIPEA

50 °C 5 MeCN TEB kein Umsatz

8 Cu(MeCN)4PF6 TBTA 50 °C 5 ^tBuOH / H2O 2:1

TEB vollständiger Umsatz, keine Produktisolation a) Katalysatormenge: 1 mol% CuSO4, 5 mol% NaOAsc; b) Die Reaktion wurde als Modellreaktion mit Benzylazid und Triethinylbenzol durchgeführt (NaOAsc = Natriumascorbat); LM = Lösungsmittel.

53 Ausgehend von der Annahme, dass die Reaktionsgeschwindigkeit durch Lösungsmitteleffekte beeinträchtigt wird, wurde anschließend Dichlormethan als Lösungsmittel evaluiert, was aber aufgrund geringer Löslichkeit nicht zur Produktbildung führte (Eintrag 3). Ebenso wenig erfolgreich war die Verwendung von 1 mol% L-Histidin, die bei der Radiomarkierung von Bovine-Serum-Albumine-(BSA)-derivatisierten β-Lactamen aus Alkinen und ¹⁸F-markierten Nitronen in einer Click-ähnlichen Reaktion mit Kupfersulfat und Natriumascorbat in Acetonitril zu guten Ergebnissen geführt hatte (Zlatopolskiy et al.⁹⁹,Tabelleneintrag 4)

Die Verwendung von Kuper(I)iodid in Verbindung mit 2,6-Lutidin und Diisopropylethylamin (DIPEA) wurde bei der Synthese von Makromolekülen wie Nanoröhrchen von Horne et al. erfolgreich durchgeführt¹⁰⁰, weswegen bei dem viel Platz beanspruchenden ^tBu-Ester geschützten CDTA-Azid 10 ein ähnliches System erfolgversprechend ist. Aufgrund des großen Syntheseaufwands zum Erhalt von 10 wurde die Reaktion zunächst als Testreaktion mit Benzylamin und Triethinylbenzol durchgeführt (Eintrag 5) und lieferte nach 18 h vollen Reaktionsumsatz bei einer Temperatur von 50 °C in Dichlormethan. Aufgrund der geringen Löslichkeit von 10 in Dichlormethan (vgl. Eintrag 3, Tabelle 10) wurde bei der anschließend getesteten Reaktion von 10 mit Triethinylbenzol (Eintrag 7) das Lösungsmittel Acetonitril verwendet, was allerdings nicht zur Produktbildung führte.

Prinzipiell erfolgreich war die Reaktion mit dem System aus dem Kupfer(I)-Derivat [Cu(MeCN)4]PF6 und Tris[(1-benzyl-1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl]amin (TBTA, Eintrag 8), welches von Mastarone et al. zur Kupplung von Gadolinium-DOTA-Komplexen an Triethinylphenolderivate, also einer vergleichbaren Reaktion, verwendet worden war⁹¹. Aufgrund der Ähnlichkeit der Reaktanden war der schleppende Reaktionsfortgang (t = 5 d bei 50 °C) nicht erwartet worden, wobei allerdings von Mastarone et al. zur Kupplung kinetisch und thermodynamisch sehr stabile Gadoliniumkomplexe verwendet wurden, die mit Kupfer nicht interagieren und weniger Platz beanspruchen als das tert-Butyl-geschützte CDTA-Derivat 10. Der Reaktionsverlauf wurde durch Massenspektrometrie verfolgt, bis nur noch das gewünschte Triclickprodukt und das im leichten Überschuss eingesetzte Azido-CDTA 10 sichtbar waren. Bei der folgenden Aufarbeitung konnte das gewünschte Produkt allerdings nicht in der gewünschten Reinheit erhalten werden; es gelang weder die vollständige Abtrennung der Kupferspezies noch des sich dem synthetisierten Produkt zu ähnlich verhaltenden TBTA. Aufgrund der nicht zu

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vermeidenden Kupferkontamination wurde diese Reaktionsführung nicht weiter optimiert.

Wie aus der Tabelle ersichtlich, waren die geeignetsten Reaktionsbedingungen das

"Standardsystem" aus Kupfersulfat und Natriumascorbat im Zweiphasengemisch Wasser/Tetrahydrofuran 1:3 (Eintrag 5), welches von Otman et al. ¹⁰¹ bereits bei der Synthese von wasserlöslichen Glycopolymeren verwendet wurden. Zur Click-Reaktion wurde sowohl das Acetyl-geschützte Alkinedukt (8a)) eingesetzt wie auch der Valerat-geschützte Vorläufer 8c) und das unfunktionalisierte, kommerziell erhältliche Triethinylbenzol. Die Azidkomponente wurde dabei wie in den vorherigen Versuchen im leichten Überschuss zugegeben (1,1 Äquivalente pro Reaktionszentrum). Aufgrund der sterischen Hinderung des Azids 10 und der räumlich begrenzten Ausdehnung des Alkins mit seinen drei Kupplungsstellen nahm die Reaktion auch hier einige Zeit in Anspruch, der Reaktionsfortschritt wurde in regelmäßigen Abständen mithilfe von Massenspektrometrie untersucht.

Abbildung 34: Reaktionsschema für die Darstellung von 11a+b) durch Click-Reaktion mit Kupfersulfat und Natriumascorbat.

Die Reaktion verlief nur für die Valerat-geschützte Komponente 11a) und das unfunktionalisierte 11b) erfolgreich, wogegen sich vermutlich durch Abspaltung der Acetylgruppe unter diesen Bedingungen die Azidität des Phenolprotons dem

55 Reaktionsumsatz im Wege stand. In der Reaktionsmischung konnten nach 7 d neben dem im Überschuss eingesetzten Azid 10 ausschließlich noch das gewünschte Trimer Tris-triazolbenzol-valerat-(CDTA^tBu)3 ((Val-TTB-(CDTA^tBu)3 11a; isolierte Ausbeute 25%) bzw. Tris-triazolbenzol-(CDTA^tBu)3; TTB-(CDTA^tBu)3, 11b; isolierte Ausbeute 29%) detektiert werden (vgl. Abbildung 34).

Die geringen Ausbeuten der Click-Produkte sind vermutlich durch die ausführlichen Aufreinigungsschritte zu erklären, die nötig waren, um selbst die kleinsten Kupferspuren vollständig zu entfernen. Das Reaktionsgemisch wurde zunächst 24 h mit einer wässrigen Lösung des Komplexbildners DTPA gerührt, anschließend über Chelex^®-Harz filtriert und erneut über Säulenchromatographie gereinigt. Möglicherweise kam es dabei durch die Hydrophilie des erhaltenen Produktes zu erheblichen Substanzverlusten. Außerdem ist es nicht unwahrscheinlich, dass sich die Alkineinheit im Reaktionsgemisch als nicht stabil erweist und sich beispielsweise durch Glaser-Kupplung sukzessive zersetzt¹⁰², was ebenfalls eine niedrige Ausbeute erklären könnte.

Abbildung 35: Die erfolgreich hergestellten trimeren TTB-CDTA-Liganden 12a) (mit Valerat-Funktionalisierung) und 12b) (ohne Funktionalisierung).

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Zur Entfernung der tert-Butylgruppen an den Carboxylatfunktionen wurden die Clickprodukte 11a+b) mit Trifluoressigsäure umgesetzt, und die beiden trimeren CDTA-Komplexe Val-TTB-(CDTA)3 12a) und TTB-(CDTA)3 12b) (siehe Abbildung 35) konnten nach Fällung in Diethylether isoliert werden.

Die dargestellten Produkte wurden aufgrund ihrer schlechten Löslichkeiten in den meisten Lösungsmitteln zur Charakterisierung und Identifizierung durch NMR-Spektroskopie in ihre schwach wasserlöslichen, diamagnetischen Zinkkomplexe überführt.

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Im Dokument Entwicklung stabiler Mn-Komplexe für die multimodale MR/PET-Bildgebung (Seite 57-68)