Moderne kemi - vejen til nye lægemidler

 

1: Opgaver i tilknytning til praktisk laboratoriearbejde

Opgave 1.1. Syntese af astmamiddel

Syntesen af astmamidlet Denopamin på (R)-formen er vist i skema 1.

Skema 1:syntese af Denopamin

Skema 1: Syntese af Denopamin

Spørgsmål

  1. Navngiv udgangsstoffet.
  2. Hvilken stoftype tilhører det første mellemprodukt?
  3. Hvilke stoffer X kan benyttes som reaktant i syntesens første trin?
    Giv mindst to eksempler.
  4. Syntesens andet trin er en Friedl-Crafts reaktion, hvor der benyttes et syrechlorid som reaktant. Hvilket?

I syntesens tredje trin benyttes CBS for at opnå den rigtige stereoisomere alkohol.

  1. Hvilket stof Y skal benyttes for at gennemføre syntesens fjerde trin?
  2. Hvilken reaktionstype er der tale om i syntesens fjerde trin?
  3. Hvilket/hvilke stof/stoffer Z kan benyttes i syntesens femte trin?
  4. Diskuter, om de enkelte syntesetrin er reversible.

Opgave 1.2: Denopamin

Syntese i praksis

En typisk opstilling til kemisk syntese er vist på Fig. 1.2.1. Den består af en reaktionskolbe med en tildrypningstragt, hvorfra udgangsstoffer kan dryppes ned i reaktionskolben. Der bruges ofte et opløsningsmiddel for at få reaktanterne i opløsning og til at fortynde reaktionsblandingen. Kolbeindholdet kan blandes og omrøres ved magnetomrøring, og temperaturen kan løbende følges under tilsætningen.

Efter tilsætning af udgangsstoffer opvarmes reaktionskolben ofte, fx i et oliebad, for at få reaktionen til at forløbe til ende. Temperaturen følges under reaktionen. For at undgå, at opløsningsmidlet  fordamper ud af systemet, fortættes dampene i en svaler, og det fortættede opløsningsmiddel løber tilbage til reaktionskolben som væske. Man opvarmer ofte til “tilbagesvaling” eller “reflux”, hvilket betyder til opløsningsmidlets kogepunkt.

Reaktionskolbe med magnetomrøring og afkøling eller opvarmining

Fig. 1.2.1

Når den kemiske reaktion er forløbet til ende, skal reaktionsblandingen oparbejdes, og produktet skiglles fra uomsatte udgangsstoffer, biprodukter og de opløsningsmidler, der er benyttet under reaktionen.

Oparbejdningen indledes ofte med tilsætning af vand. Derpå følger ekstraktion, Fig. 1.2.2.

Adskillelse af to væsker

Fig. 1.2.2

og sugefiltrering, hvor der anvendes enten Büchnertragt, fig. 1.2.3a, og/eller glasfiltertragt, fig. 1.2.3b.

Büchnertragt og glasfiltertragt

Büchnertragt og glasfiltertragt

Fig. 1.2.3

Trykfiltrering

Fig. 1.2.4

Opløsningsmidler kan fjernes ved inddampning under vacuum i en rotationsfordamper.

Trykfiltrering

Fig. 1.2.5

Når produktet er isoleret, skal det renses. Dette kan fx gøres ved en destillation, når det drejer sig om flydende stoffer (fig. 1.2.6), 

Destillation

Fig. 1.2.6

ved omkrystallisation, når det drejer sig om faste stoffer eller ved chromatografi (både faste og flydende stoffer).

Ved første trin i syntesen af Denopamin kan man omsætte udgangsstoffet med overskud af eddikesyre og svovlsyre som katalysator. Blandingen opvarmes til reflux i 1 time. Derpå oparbejdes reaktionsblandingen ved, at den hældes i vand. Derefter tilsættes dichlormethan, som er et godt opløsningsmiddel, og blandingen rystes i skilletragt, hvorpå dichlormethanfasen isoleres.

Spørgsmål

  1. Opskriv et reaktionsskema, hvor alle reaktanter indgår såvel som produkt og biprodukter for første trin i synteserækken for syntese af Denopamin.
  2. Hvad er den omtrentlige temperatur under opvarmning til reflux?
  3. Hvor mange væskefaser ses efter omrystningen?
  4. Hvilken af disse faser ligger nederst i skilletragten?
  5. Hvilke stoffer er der i de enkelte faser?

Dichlormetanfasen isoleres og vaskes ved udrystning i skilletragt med 1 M vandig NaOH opløsning.

  1. Hvorfor vaskes med NaOH-opløsning?

Dichlormethan koger ved 35 °C og kan let fjernes fra opløsningen ved inddampning i rotationsfordamper. Tilbage i inddampningskolben bliver det højtkogende råprodukt som en olie, der renses ved destillation.

 

2: Isomeri

En struktur, der indeholder n stereogene C-atomer kan opskrives på maksimalt 2n stereoisomere former. De enkelte stereoisomere kan have vidt forskellig biologisk virkning, og et lægemiddel må normalt kun indeholde den stereoisomere, der har den ønskede virkning.

Hvis en struktur indeholder ét stereogent C eksister der to steroisomere former, der betegnes (R) og (S)-formen. Disse to stereoisomere er spejlbilleder af hinanden, man kalder dem spejlbilledisomere eller enantiomere. De aminosyrer, mennesker er opbyggede af, indeholder et stereogent C-atom. Der er således to stereoisomere former, af disse aminosyrer; men vi er kun opbyggede af den ene form. F.eks. indgår alanin i vores krop på (S)-formen.

Den rumlige struktur af (R)-alanin er vist på Fig.1.

Det er svært at tegne en rumlig model; men man kan vise substituenternes placering på et stereogent C-atom ved at anbringe C-atomet i midten af et kors. Det er altid underforstået, at de vandrette bindinger i korset går fremud af papirets plan. Dette vises ved at tregne bindingerne som kiler:

Det er ikke nødvendigt; men man kan tydeliggøre, at de lodrette bindinger i korset går ind bag papirets plan ved at tegne bindingerne stiplede:

Den rumlige struktur kan vises med en 3D-tegning som Fig. 2, Her er C-atomerne sorte, H-atomerne lyseblå, N-atomerne mørkeblå og O-atomerne røde.

Man får 3D-virkningen frem ved at se på formlerne i normal læseafstand med næsen midt mellem de to formler. Der skal være lige meget lys på de to formler. Der må ikke være forstyrrende billeder i nærheden, Se på begge formlerne. Slap af og drøm.. De to billeder flyder sammen og giver et 3D-billede i midten. Det kan hjælpe at fjerne hovedet langsomt fra billederne. Det kan hjælpe at sætte et ark karton meidt mellem formlerne; men arket må ikke kaste skygge på formelbillederne.

Fig. 3 er et endnu mere naturtro 3D-billede af alanin. Her er atomerne afbildet i naturlig størrelsesforhold, hvilket skjuler selve bindingerne. Man får en kalotmodel:

(R)-Alanin og (S)-alanin er spejlbilleder af hinanden og altså ikke identiske.

Dette ses endnu tydeligere ved at sammenligne 3D-billederne. Hvis 3D-billedet af (R)-alanin drejes 180 ° om en lodret akse, vil både syregrupperne og CH3-grupperne dække hinanden i (R) og (S)-strukturerne. Imidlertid vil NH2-gruppen vende nedad i (R)-strukturen og vil ikkie dække den opadvendende NH2-gruppe i (S)-strukturen:

3D-Billederne sf de to spejlbilledisomere er vist neden for med (R)-alanin som det øverste billedpar og (S)-formen som det nederste billedpar:

Opgave 2.1. Reduktion af ketoner til alkoholer med stereogent carbonatom

Ved stereoselektive reduktioner er det afgørende, at reduktionsmidlet orienterer sig rigtigt i forhold til ketonen. Når de enkelte punkter i skemaet ”Stereoselektiv reduktion af en usymmetrisk keton med et chiralt reduktionsmiddel” følges i den angivne rækkefølge, ligger den relative orientering fast.

Prøv selv at følge skemaets punkter; byg molekylmodeller, der illustrerer princippet.

Spørgsmål

  1. Opskriv et reaktionsskema for reduktion af 1-phenyl-2-butanon
  2. Hvorfor er det kun usymmetriske ketoner, der kan give stereoisomere alkoholer?
  3. Hvor mange stereoisomerer er der af lægemidlet A77636?

A77636

Opgave 2.2. Menthol og menthon

Naturligt forekommende menthol hedder helt præcis (-)-menthol. (-) angiver, at der er tale om et venstredrejende stof.

  1. Hvor mange stereoisomere mentholer findes der?
  2. Hvor mange stereoisomere menthoner findes der?
  3. Opskriv strukturformlen for alle stereoisomerer af menthon.

 

3: Spektroskopi

Opgave 3.1. Strukturopklaring ved brug af 1H NMR

Ketonen C10H12O12 opløst i CDCl3 viser følgende signaler i 90 MHz 1H NMR-spektret

NMR-spektrum

Tekstboks: dH (ppm)

Fig.3.1.1 NRM-spektrum af C10H12O12

Spørgsmål

  1. Identificer stoffet.

Ketonens reduktionsprodukt opløst i CDCl3 viser følgende signaler i 1H NMR-spektret

Kemisk skift
dH (ppm)

Antal H

Signalets
multiplicitet

Opsplitningens størrelse
Koblingskonstanten J (Hz)

0.88

3

triplet

7.3

1.75

2

multiplet

 

2.06

1

bred singlet

 

3.78

3

singlet

 

4.50

1

triplet

6.6

6.86

2

dublet

8.7

7.24

2

dublet

8.7

  1. Skitser spektrets udseende, og angiv hvilke grupper signalerne kommer fra.
  2. Hvad er det procentiske indhold (masse %) af C, H og O i reduktionsproduktet?

 

 

Opgave 3.2.  Menthol og Menthon

Naturligt forekommende menthol hedder helt præcist (-)-menthol. (-) angiver, at der er tale om et  venstredrejende stof.

  1. Hvor mange stereoisomere mentholer findes der?
  2. Hvor mange stereoisomere menthoner findes der?
  3. Opskriv strukturformelerne for alle stereoisomerer af menthon.
  4. NMR-Spektrene fig. 3.2.1 og fig. 3.2.2 viser menthol og menthon. Hvilket spektrum hører til hvilken struktur? Der skal argumenteres ud fra kemisk skift, integralskurve og koblingsmønstre.

NRM-spektrum af menthol

Fig.3.2.1 NRM-spektrum af menthol

Fig.3.2.2 NRM-spektrum af menthon

 

4: Reaktionsmekanisme

Reaktionsmekanismer vist med krumme pile

Alle kemiske reaktioner består i en flytning af elektroner. Bindinger brydes og dannes ved flytning af elektroner. I kovalente bindinger (sigma- eller pi-bindinger) indgår der to elektroner. I de fleste tilfælde brydes og dannes kovalente bindinger ved, at de to elektroner bevæger sig i samme retning ved reaktionen.

Elektronernes flytning i en kemisk reaktion kan vises med krumme pile. De krumme pile starter, hvor et elektronpar befinder sig før reaktionen, mens pilespidsen viser, hvor elektronparret befinder sig efter reaktionen. De krumme pile er gode til at forklare, hvordan en reaktion finder sted. På den måde kan man redegøre for reaktioners mekanisme.

Dissociationen af vand kan beskrives med krumme pile:

     (   +  H+)

O-H bindingen brydes, dens elektronpar flyttes til O-atomet, der bliver negativt ladet, når det får et elektronpar. Idet bindingen brydes, bliver H-atomet forladt af bindingselektronparret. H-atomet bliver derfor positivt ladet.

Gendannelsen af vand beskrives således:

Den negative ladning på O-atomet udgøres af to elektroner som flyttes ned mellem O-atomet og H+-ionen. Når den positive H+-ion modtager elektronparret, får vi et neutralt H-atom.


Opgave 4.1.  Syre-base reaktion
  • Vis med krumme pile, hvordan elektronerne flytter sig i en komplet syre-base reaktion (Ligevægt mellem to korresponderende syre-base par). Brug evt. reaktionen mellem ammoniak og eddikesyre som eksempel.

Opgave 4.2.  Reduktion af 1-phenyl-2-butanon
  • Vis med krumme pile, hvorledes 1-phenyl-2-butanon reduceres af natriumborhydrid.


Opgave 4.3.  Etherdannelse
  • Vis med krumme pile, hvorledes 1-brombutan ved behandling med natriummethoxid giver methylbutylether ved en nukleofil alifatisk substitution.

Opgave 4.4.  Additionsreaktion
  • Vis med krumme pile, hvorledes 2-methyl-2-penten og brom giver 2,3-dibrom-2-methylpentan ved en elektrofil addition.

Opgave 4.5.  Eliminationsreaktion
  • Vis med krumme pile, hvorledes 2-brom-2-methylpentan giver 2-methyl-2-penten.

Opgave 4.6.  Aromatisk substitution
  • Vis med krumme pile, hvorledes brom og toluen giver 4-bromtoluen (to trin) ved en elektrofil aromatisk substitution.

5: Syre-base kemi, resonansstabilisering

Svage syrer og enormt stærke baser

Teori-del

Nogle strukturer kan opskrives på flere former, der kun adskiller sig ved, at elektronerne er forskelligt fordelt. Sådanne former kaldes resonansformer. Et stof eller en gruppe, der kan optræde på flere resonansformer, er særlig stabil, fordi elektronerne er spredt mere ud (delokaliseret) over stoffet/gruppen. Sådanne former siges at være i resonans med hinanden. Krumme pile er gode til at vise, hvorledes et stofs resonansformer kan overføres til hinanden.

Opgave 5.1
  • Vis med krumme pile, hvorledes den negative ladning på acetat (CH3COO-) kan flyttes fra det ene O-atom til det andet.
  • Hvor mange resonansformer er der for acetat-ionen?

Teori-del

Hvis en protonfraspaltning giver anledning til dannelse af en resonansstabiliseret anion vil protonfraspaltningen favoriseres, og syrestyrken øges.

Hydrogenatomer på C-atomer ved siden af carbonylgrupper er (meget svagt) sure (pKs = 20). Dette skyldes, at fraspaltning af en proton giver en anion, der er relativt stabil, fordi dens negative ladning kan fordeles på (delokaliseres over) to atomer. Dette ses ved at bruge krumme pile til at vise, hvordan den negative ladnings elektronpar kan flytte sig fra C til O og tilbage igen.

Deprotonering og resonansligevægt

Protoner på C ved siden af C=O er (meget svagt) sure og kan fraspaltes ved hjælp af stærk base

Opgave 5.2
  • Hvilke hydrogenatomer i ethylpropanoat er mest sure som følge af resonansstabilisering af den opstående anion?

Hint: Analysen kræver opskrivning af resonansformerne for den carbanion, der dannes, når ethylpropanoat deprotoneres.

Opgave 5.3
  • Er ethylpropanoat ifølge pKs-tabellen en stærkere syre end vand?
Opgave 5.4
  • Hvilke hydrogenatomer er mest sure i 2-methyl-3-phenylpropanal?
Opgave 5.5
  • Hvor mange stereoisomerer findes der af 2-methyl-3-phenylpropanal?

Teori-del

Ammoniak, primære aminer og sekundære aminer kan både kan optræde både som baser og som syrer.

Syreregenskaberne er yderst svage ifølge pKs-værdien, der fx for NH3 er 38. Derfor er de korresponderende baser enormt stærke.

Opgave 5.6
  • Find selv nogle syrer og/eller baser og indfør dem ind i pKs-skemaet ved hjælp af deres pKs-værdier.

pKs værdier for udvalgte syrer.

 

6: Laboratorieeksperiment

Sharpless stereoselektive epoxidering

(1S,2S)-1,2-dihydroxy-1,2-dipenylethan

Asymmetrisk dihydroxylering af trans-1,2-diphenylethen (trans-stilben)

Syntesen skal udføres i stinkskab eller aftræksskab

Tid  2 x 3 timer. Der omrøres natten over imellem de to øvelsesdage
Udstyr Magnetomrører, roterinddamper, skilletragt, filter og kolber til omkrystallisation.
Instrumenter: Smeltepunktsapparat, polarimeter, IR-spektrometer (optimalt)

Kemikalier

Alle benyttede kemikalier er handelsvarer og kan fås hos de sædvanlige forhandlere.

AD-mix-a 7,0 g
2-methyl-2-propanol 25 mL
Methansulfonamid  0,48 g (5 mmol)
trans-stilben 0,90 g (5 mmol)
Natriumsulfit  7,5 g
Dichlormethan
Is
0,25 M svovlsyre
2 M kaliumhydroxid
Vandfrit MgSO4
Ethanol

Mængderne kan reduceres med en faktor 4.

Fremgangsmåde

  • I en 100 mL rundbundet kolbe med en magnetomrørerpind hældes AD-mix-a ( 7,0 g ),
  • 2-methyl-2-propanol (25 mL) og vand (25 mL). Der magnetomrøres, til AD-mix-a er opløst, og der dannes to klare faser. Methansulfonamid (0, 48 g ) tilsættes, og blandingen køles i isbad, hvorved der kan udfældes lidt stof.
  • Tilsæt trans-stilben ( 0,90 g ) og omrør ved 0 °C , helst i 5 timer, eller så længe det er muligt. Derpå fortsættes omrøringen ved stuetemperatur natten over.
  • Næste dag køles reaktionsblandingen igen til 0 °C . Natriumsulfit ( 7,5 g ) tilsættes, og der omrøres ved stuetemperatur i 1 time.
  • Blandingen extraheres 4 gange med hver 40 mL dichlormethan.
  • De samlede dichlormethanfaser vaskes med to 30 mL portioner af 0,25 M svovlsyre, to 30 mL portioner af 2 M kaliumhydroxid.
  • Dichlormethanfasen tørres over MgSO4.Tørringsmidlet frafiltres ved sugefiltrering, og dichlormethanen fjernes ved inddampning på rotationsfordamper.
  • Dette giver hvide krystaller, som omkrystalliseres i vandig ethanol.
  • Smeltepunktet kan bestemmes før og efter omkrystallisation.
  • Produktet frafiltreres ved sugefiltrering, tørres og vejes.
  • Et IR-spektrum kan fx optages i paraffinolie.
  • Den optiske drejning måles af en opløsning af 0,2 g (nøjagtig afvejet i 10 mL ethanol (fyld op i målekolbe)).
  • Udregn på basis af målingen den opnåede stereoselektivitet ud fra oplysningen, at den specifikke drejning [a]D for ren (S,S)-1,2-dihydroxy-1,2-diphenylethan er 94° (c = 2,5 M Ethanol).