Zunächst stellte sich die Aufgabe die Synthese des (S)-2-Isopropyl-3,6-dimethoxy-2,5-dihydropyrazins oder (S)-2-Isopropyl-3,6-diethoxy-2,5-(S)-2-Isopropyl-3,6-dimethoxy-2,5-dihydropyrazins im Vergleich zur Synthese von Schöllkopf und Groth14 zu vereinfachen und zu optimieren, um diese im großen Maßstab durchführen zu können.
Nach Literatur58 lässt sich der Bislactimether 4 in einer vier Stufen Synthese meist ohne Reinigung der Zwischenprodukte aus L-Valin darstellen (Abbildung 41). Diese Methode von Chen vermeidet den Einsatz von hochgiftigem Phosgen oder Triphosgen,
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Tieftemperaturreaktionen und instabile Zwischenprodukte, die im klassischen Syntheseweg (siehe Abbildung 10) vorkommen. Dabei wurde zunächst das Boc-Valin durch Umsetzung mit Boc2O und Natriumhydroxid oder Natriumbicarbonat in sehr guten Ausbeuten erzeugt.
Nach Aktivierung der Carboxylgruppe mit iso-Butylchlorformiat wurde der Glycinmethylester zugegeben und das stabile Boc-geschützte Dipeptid 2 in 90% Ausbeute isoliert. Nach mehreren Versuchen wurde das Diketopiperazin 3 durch Kochen ohne Lösungsmittel bei 180 °C mit 60% Ausbeute dargestellt. Der letzte Schritt stellte die O-Alkylierung mit Trimethyl- oder Triethyloxoniumborat in Dichlormethan zum gewünschten Produkt 4 bzw. 5 dar.
Abbildung 41: Bislactimethersynthese nach Methode A
Die Synthese und die Reinigung des Diketopiperazins 3 erwiesen sich als schwierig. In Tabelle 1 wurden alle Reaktionsbedingungen und Ergebnisse für die durchgeführten Versuche zusammengefasst. Nach 72 Stunden Kochen in Toluol bei 175 °C konnte leider keine Umsetzung festgestellt werden. Nach einer neueren Vorschrift von Grøtli59 sollte das Diketopiperazin aus dem Dipeptid 2 in Wasser bei 150 °C unter Mikrowellenbestrahlung in 15 Minuten dargestellt werden. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktbildung beobachtet aber die Menge an Verunreinigung machte die Aufreinigung unmöglich und die Reaktionsbedingungen waren somit ungeeignet für größere Ansätze. Durch 18 Stunden erhitzen in einem inerten Lösungsmittel wie 1,2-Dichlorbenzol58 konnte das gewünschte Produkt in 50% Ausbeute hergestellt werden. Der Boc-Val-Gly-Methylester 2 kann auch in zwei Stufen in das Diketopiperazin 3 umgewandelt werden: Durch Entfernung der Schutzgruppe unter sauren Bedingungen, gefolgt von Cyclisierung zum gewünschten
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Diketopiperazin beim Erhitzen. Beim Abspalten der Boc-Gruppe mit in situ hergestellter Salzsäure (aus Acetylchlorid und Methanol) und nach Erhitzen auf 180 °C konnte leider nur das Edukt als Hydrochloridsalz zurückgewonnen werden. Mit TFA/Anisol gelang die Abspaltung der Schutzgruppe und die Synthese ergab 54% Ausbeute über 2 Stufen. Der letzte Versuch lieferte die beste Ergebnisse und die einfachste Reinigung, da kein Lösungsmittel verwendet wurde.
Reaktionsbedingungen Ergebnisse
Toluol, 175 °C, 72 h Keine Umsetzung
H2O, MW, 150 °C, 15 min. Produkt + Verunreinigung
1,2-Dichlorbenzol, 180 °C, 18 h 50%
Boc-Abspaltung mit CH3COCl/MeOH, 180 °C, 18 h Dipeptid als Hydrochlorid Boc-Abspaltung mit TFA/Anisol, Toluol, 180 °C, 18 h 54% über 2 Stufen
180 °C, ohne Lösungsmittel, 48 h 60%
Tabelle 1: Reaktionsbedingungen und Resultate der Diketopiperazinsynthese
Für die Alkylierung mit Meerweinsalz sollte lösungsmittelfreies Diketopiperazin verwendet werden. Dafür sind sehr drastische Bedingungen erforderlich: 24 Stunden bei 100 °C im Hochvakuum. Das Problem dabei ist, dass (S)-3-Isopropyl-2,5-diketopiperazin 3 (kurz DKP) sehr hygroskopisch ist und mit vielen organischen Lösungsmitteln thermisch stabile Gele bilden kann. Studien zeigen, dass weniger als 1 mg Diketopiperazin 1 ml einer Vielzahl von gängigen Lösungsmitteln wie Aceton, Acetonitril, Benzol, Chloroform, Dichlormethan, Dioxan, Ethanol, Essigsäureethylester, Tetrahydrofuran und Toluol, vollständig gelieren kann60. Dieser Gelierungsprozess setzt voraus, dass ein einzelnes Molekül von DKP mit mindestens 3000 Molekülen des Lösungsmittels über Aggregation verbunden ist. Dabei entsteht ein dreidimensionales Netz, welches Lösungsmittelmoleküle einschließt. Das Gelatornetzwerk baut sich über Wasserstoffbrückenbindungen (Abbildung 42) und/oder van der Waals-Wechselwirkungen auf. Lösungsmittel, mit denen keine Gele gebildet werden können, sind 2-Butanon, Chlorbenzol, Cyclohexan, Dimethoxyethan, Dimethylformamid, Ether, Pentan und Wasser60.
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Abbildung 42: Leitern aus homochiralen Diketopiperazin Monomeren
In nachfolgender Tabelle sind die Ergebnisse der O-Alkylierungsversuche von Diketopiperazin 3 zusammengefasst. Als beste Bedingungen für die Darstellung des (S)-2-Isopropyl-3,6-dimethoxy-2,5-dihydropyrazins 4 erwies sich die Umsetzung Nr. 4 (Tabelle 2), die mit Zugabe von zusätzlichen 2 eq Methylmeerweinsalz nach 24 Stunden kräftigem Rühren eine Ausbeute von 82% ergab. Das (S)-2-Isopropyl-3,6-diethoxy-2,5-dihydropyrazin 5 wurde mit 3,3 eq Ethyl-Meerweinsalz mit 86 % Ausbeute isoliert (Umsetzung Nr. 6,
Tabelle 2: Untersuchung der Reaktionsbedingungen und die Ausbeute der O-Alkylierungen von Diketopiperazin
Die erste Synthese des gemischten Bislactimethers 8 gelang Lange im Rahmen seiner Dissertation61 (Abbildung 43). Das (S)-2-Isopropyl-3,6-diethoxy-2,5-dihydropyrazin 5 wurde mit Dimethylamin und Borsäuretrimethylester eine Woche unter Rückfluss gekocht und das entstandene Amidin 6 selektiv unter milden Bedingungen zum Tetrahydropyrazinon 7 hydrolysiert. Anschließende Methylierung lieferte das (S)-2-Isopropyl-3-ethoxy-6-methoxy-2,5-dihydropyrazin 8 in 55 % Ausbeute.
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Abbildung 43: Synthese von (S)-3-Ethoxy-2-isopropyl-6-methoxy-2,5-dihydropyrazin 8
Analog wurde versucht, ausgehend von (S)-2-Isopropyl-3,6-dimethoxy-2,5-dihydropyrazin 4, das asymmetrische Derivat (S)-2-Isopropyl-6-ethoxy-3-methoxy-2,5-dihydropyrazin 17, zu synthetisieren. Leider konnte nach einer Woche Kochen bei 80 °C in Dimethylamin nur ein komplexes Produktgemisch, neben Edukt, isoliert werden. Da das gewünschte Produkt nicht abgetrennt werden konnte, wurde diese Route für die Synthese der Verbindung 17 nicht weiterverfolgt. Obwohl die Synthese von beiden gemischten Bislactimethern 8 und 17 von Meinolf Lange in seiner Dissertation durchgeführt wurde, gelang nach dieser Vorschrift nur die Synthese der Verbindung 8 aber mit schlechteren Ausbeuten und längeren Reaktionszeiten.
Mit der bestehenden Syntheseroute A gelang die Synthese von Dihydropyrazinen 4 und 5 in vier Stufen mit einer Gesamtausbeute zwischen 24% und 46%, allerdings nicht in großem Maßstab praktikabel. Aufgrund der geringeren Löslichkeit des Diketopiperazins 3 und der Gelbildung mit vielen Lösungsmitteln gestaltete sich die Reinigung von größeren Mengen durch Umkristallisieren sehr schwierig. Das Produkt 8 konnte auch erfolgreich isoliert und charakterisiert werden, allerdings betrug die Ausbeute bedauerlicherweise nur 6% über 7 Stufen und die Reaktionsdauer für die letzten 3 Stufen über 2 Wochen, so dass diese Strategie für eine präparative Nutzung nicht herangezogen werden kann. Das Bislactimderivat 17 konnte nicht dargestellt werden. Aus diesem Grund schien es sinnvoll, einer anderen Synthesevariante nachzugehen.
Es wurde also nach einem Alternativsyntheseweg ohne Diketopiperazin als Zwischenprodukt gesucht, um die Schwierigkeiten der Gelbildung in Lösung zu vermeiden. Die ersten Stufen wurden schon beschrieben51, da das N-benzylgeschützte Monolactimderivat von Paradisi und Mitarbeitern als neues chirales Auxiliar in der Synthese von Aminosäuren und Peptiden verwendet wurde (s. Kapitel 1.6.4). Ausgehend von L-Valinmethylester wurde das
(S)-1-40
Benzyl-5-ethoxy-6-isopropyl-1,6-dihydropyrazin-2(3H)-on 13 über 4 Stufen dargestellt. Für die neue Syntheseroute wurde zuerst der L-Valinmethylester hergestellt. Analog einer Vorschrift von Aitali et.al. 62 konnte nach 2 Stunden Rühren bei Raumtemperatur und 2 Stunden Rückfluss mit Thionylchlorid in Methanol nur das Edukt zurückgewonnen werden.
Mit Acetylchlorid und Methanol gelang die Synthese der Methylester als Hydrochlorid in 96% Ausbeute63. Nach mehreren Optimierungsversuchen (Tabelle 3) wurde die Aminofunktion der Aminosäureester mit einer Benzylgruppe, durch Kondensation mit Benzaldehyd zum Imin und nachfolgender Reduktion mit Natriumborhydrid, geschützt.
Durch Umsetzung der Aminosäurester 10 mit Triethylamin und Chloracetylchlorid in Dichlormethan wurde der N-Benzyl-N-chloracetyl-L-valinmethylester 11 in 98% Ausbeute erhalten. Nach Rühren in einer 10 M Ammoniaklösung in Ethanol erfolgte der Ringschluß zum Benzyl geschützten Diketopiperazin 12. Die Meerwein-Umlagerung des geschützten Cyclodipeptids 12 zum Monolactimether 13 wurde mit frisch hegestellten Triethyloxoniumtetrafluoroborat in 86% Ausbeute erreicht. Mittels Abspalten der Benzylgruppe mit Lithiumamid in flüssigem Ammoniak und anschließender Umsetzung mit Methylmeerweinsalz wurde das gewünschte Produkt (S)-2-Isopropyl-3-ethoxy-6-methoxy-2,5-dihydropyrazin 8 erhalten (Abbildung 44).
Abbilung 44: Synthese von (S)-2-Isopropyl-3-ethoxy-6-methoxy-2,5-dihydropyrazin 8 nach Methode B
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In diesem neuen Syntheseweg B gestaltete sich das Schützen der Aminogruppe schwierig (Tabelle 3). Als erstes wurde es mit Pyridin und Benzylbromid in Dichlormethan versucht aber die Ausbeute betrug nur 8% und nicht 96% wie bei Paradisi51 beschrieben. Mit Triethylamin als Base und unter Rückfluss wurde das Produkt in nur 10% Ausbeute isoliert.
Bei diesen Versuchen wurden viel größere Ansätze, als in der Literatur beschrieben, durchgeführt. Außerhalb der kleinen Menge an Produkt, wurde viel Edukt zurückgewonnen.
Die Benzylierung kann auch durch reduktive Aminierung (Eintrag 464 und 565) oder in 2 Stufen durchgeführt werden (Eintrag 366, 667 und 768). Mit Benzaldehyd wurden bessere Ergebnisse als mit Benzylbromid erhalten. Letztendlich wurde mit Triethylamin, Benzaldehyd und Natriumborhydrid in Methanol als Lösungsmittel die passende Methode für die Synthese gefunden. Es wurde erst mit Base das freie Amin hergestellt und das mit Benzaldehyd zum Imin kondensiert. Die Reduktion erfolgte mit Natriumborhydrid und lieferte das Produkt 10 mit 85% Ausbeute.
Nr. Reagenzien Lösungsmittel Ausbeute
1 Pyr, BnBr, RT, 18 h DCM 8%
Tabelle 3: Optimierung der Benzylierung von L-Valinmethylester
Bis auf die letzte Methylierung, liefen alle Reaktionen mit Ausbeuten zwischen 80-95 %, so dass die Gesamtausbeute für die Verbindungen 8 32 % über 7 Stufen beträgt (4,5-mal höher als bei Methode A). Diese neue Strategie kann auf die Synthese von allen 4 Bislactimetherderivaten übertragen werden. So konnten sowohl die symmetrischen Dimethyl- und Diethyl-bislactimether 4 und 5, als auch die neuen asymmetrischen Derivate, das (S)-2-Isopropyl-3-ethoxy-6-methoxy-2,5-dihydropyrazin 8 und das (S)-2-Isopropyl-6-ethoxy-3-methoxy-2,5-dihydropyrazin 17, dargestellt werden (Abbildung 45). Die gemischten Dihydropyrazine 8 und 17 spielen eine wichtige Rolle in der Synthese von Dipeptiden. Da sie
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über unterschiedlichen Iminoetherschutzgruppen (Methoxy- oder Ethoxy-) verfügen, besitzen sie auch unterschiedliche Reaktivität und Selektivität. Zum Beispiel, mit Trimethylsilyliodid wird die Methoxyiminoethergruppe etwa 100-mal schneller als die Ethoxyiminoethergruppe gespalten.
Abbildung 45: Synthese aller 4 Bislactimetherderivate durch Methode B
Die Gesamtausbeuten nach 7 Stufen über beide Methoden sind aus Tabelle 4 zu entnehmen.
Tabelle 4: Ausbeuten für beiden Methoden Verbindung Ausbeute
Methode A
Ausbeute Methode B
4 44% 34%
5 46% 49%
8 6% 32%
17 - 34%
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Aus präparativen Gründen kann die Abspaltung der Benzylgruppe in flüssigem Ammoniak mit Lithiumamid bei -50 °C bei Methode B als Nachteil gesehen werden. Deshalb wurde parallel die gleiche Synthese mit Paramethoxybenzyl statt mit Benzyl als Schutzgruppe durchgeführt (Abbildung 46). Es ist bekannt, dass die PMB-Schutzgruppe sehr einfach mit CAN abzuspalten ist, und somit könnte eventuell die Verwendung des flüssigen Ammoniaks als Lösungsmittel vermieden werden.
Abbildung 46: Methode B mit PMB als Schutzgruppe
Die zweite Stufe lieferte die gleichen Probleme wie bei der einfachen Benzylierung. Mit p-Methoxybenzaldehyd, Triethylamin und Magnesiumsulfat in THF wurde das entsprechende Imin hergestellt und nach Entfernen des Lösungsmittels mit Natriumborhydrid in Methanol reduziert49. Die Ausbeute betrug nur 16 % aber die Synthese wurde zum Testen ohne weitere Optimierungsversuche fortgesetzt. Für die nächsten 3 Stufen sind die erhaltenen Ausbeuten vergleichbar mit der vorherigen aus Abbildung 44. Das Abspalten der PMB mit CAN konnte leider nicht erfolgreich durchgeführt werden. Dabei entstand ein Gemisch von Nebenprodukten, die nicht trennbar waren. Weil die Synthese nicht wie geplant verlief, wurde dieser Weg verworfen und der andere mit Benzyl als Schutzgruppe weiterverfolgt.
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Im ersten Teil dieser Arbeit (Kapitel 3.2) wurde ein Zugang zu allen 4 Bislactimetherderivaten über einen Monolactimether entwickelt. Die in Abbildung 44 und 45 gezeigte Synthese eignet sich für die entsprechenden Derivate in größerem Maßstab, ist einfach auszuführen und verläuft mit hohen Ausbeuten. Damit wurde das erste Ziel der Arbeit erfolgreich erreicht. Die neue Syntheseroute B ist praktischer und nicht so zeitintensiv wie die Methode A. Die gewünschten Bislactimether wurden mit Ausbeuten zwischen 32%
und 49% synthetisiert (s. Tabelle 4).