Was bedeutet Diversität ? • • • • • • Diversität: strukturelle Vielfalt im weitesten Sinne Ziel: Abdeckung des „strukturellen Raumes“ um Verbindungen mit der gewünschten Eigenschaft zu finden. Klassisch: Hypothese, dann schrittweises Probieren und Optimieren Erfolg hängt von der Qualität der Optimum (Ziel) Hypothese ab 5 An sich sehr erfolgreiches Verfahren Problematisch bei 3 sehr komplexen t Fragestellungen iziä ob h p oder beim dro Hy Auffinden völlig neuer Strukturen Fähigkeit zu H-Brücken Verbesserung der Eigenschaften 4 Verschlechterung der Eigenschaften (Sackgasse) Polarität 2 1 Ausgangspunkt (stark polare, hydrophobe Teile) Diversitätsorientiertes Vorgehen • • • • Ziel: Abdeckung des „strukturellen Raumes“ durch eine große Zahl strukturell verschiedener Verbindungen (Schrotschuss-Verfahren) Voraussetzung: Bibliothek sollte den strukturellen Raum gleichmäßig abdecken Vorteil: Dieses Verfahren ist von der Komplexität des Problems unabhängig Stand der Technik: Viele Bibliotheken sind allerdings wenig divers (Bsp.: Tetrapeptide, Heterocyclen). CombiChem brachte bis heute praktisch nichts! Optimum (Ziel) • • Vorteilhaft bei multi-VariablenProblemen Nachteil: Diversität ist schwierig zu quantifizieren 5 8 7 d Hy 13 9 10 6 b ho rop t iziä 3 14 Fähigkeit zu H-Brücken 11 Zielstruktur kann Farbstoff, Wirkstoff, chiraler Ligand etc. sein 12 Polarität 4 2 1 1 Fähigkeit zur Abschätzung der Diversität muss verbessert werden • • Optimierung der Bibliothek im Computer (in silico) Auswahl einer Untergruppe von Substanzen mit möglichst hoher Diversität – Auswahl von Bausteinen aus einem Katalog – Zusammenstellung von Testsubstanzen aus einem Substanzlager • • • • • • • Ziel: Mit so wenig Substanzen wie möglich, soviel wie möglich an Raum abzudecken Literatur: (a) Schreiber, S. L.: Target-Oriented and Diversity-Oriented Organic Synthesis in Drug Discovery. Science 2000, 287, 1964-1969. (b) Arya, P.; Chou, D. T. H.; Baek, M.-G.: Diversity-Based Organic Synthesis in the Era of Genomics and Proteomics. Angew. Chem. 2001, 113, 351-358; Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 339-346. (c) Burke, M. D.; Lalic, G.: Teaching Target-Oriented and Diversity-Oriented Organic Synthesis at Harvard University. Chem. Biol. 2002, 9, 535-541. (d) Schreiber, S. L.: The Small-Molecule Approach to Biology. Chem. Eng. News 2003, 51-61. (e) http://www.courses.fas.harvard.edu/%7Echem117/ (sehr gute und ausführliche Scripte von M. Shair) Unterschiede DOS - TOS • TOS: Target-Oriented Synthesis – Ziel: 1 komplexes Zielmolekül, im Idealfall durch konvergente Synthese • Strategie – Retrosynthetische Analyse Zielmolekül • • DOS: Diversity-Oriented Synthesis – Ziel: 1 Edukt, viele strukturell unterschiedliche Produkte • Gemeinsamkeiten – Nutzung effektiver organischer Reaktionen Strategien – Reaktionen, die rasch zur Erhöhung der „molekularen Komplexität“ führen • Multikomponentenreaktionen • Tandemreaktionen – Reaktionen oder Edukte, die kontrollierbare Verzweigungen erlauben Komplexität 2 Gründe für DOS • • Entdeckung von Molekülen mit Eigenschaften, die sich schlecht designen oder vorhersagen lassen Bsp.: – Selektive Wirkstoffe – Enantioselektive Katalyse • Entdeckung von Molekülen mit vorher nicht bekannten Wirkmechanismen (anders als nur ein weiterer Protease-Inhibitor) Unterschiede CombiChem – Diversitätsorientierte Synthesen • • • CombiChem: Eng fokussierte strukturelle Diversität. (Schrotschüsse streuen nicht sehr stark, Ziel kann trotzdem verfehlt werden) CombiChem: eher zur Optimierung (z.B. Oxazole, Pyrimidine etc.) DOS: • Grenzen zwischen CombiChem und DOS sind fließend – Anspruch: sehr breit gestreute, gleichmäßige Diversität 14 Fähigkeit zu H-Brücken 5 8 6 dro Hy ph t iziä ob 5 13 9 10 7 Fähigkeit zu H-Brücken 11 7 12 Polarität 4 2 1 3 DOS d Hy b ho rop 8 9 t iziä 6 4 1 3 Polarität 2 CombiChem 3 DOS zur Entdeckung neuer Liganden • • Lit.: Hoveydya, A. H. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 755-756 Katalytische, enantioselektive konjugierte Addition von Dialkylzink-Reagenzien an cyclische Enone Vorgehensweise: Kombination einer metall-bindenden Untereinheit mit einem PeptidFragment (eigentl. CombiChem) • • Ausgangspunkt (sogenannte privilegierte Struktur) H O N N N O OH H Ph Bu N H 1% (CuOTf)2 C6H6 2.4% Ligand 3 equiv. R2Zn O O PPh2 1 O N N Ph Bu H 2 • 1: Ligand für frühe Übergangsmetalle (Ti, Zr) • 2: Ligand für späte Übergangsmetalle (Cu, Pd, Zn), da „weicher“, hohe ee-Werte O – nur ca. 5% ee n R n DOS zur Entdeckung neuer Liganden • Problem: nicht mit allen Enonen und Zinkreagenzien erhält man hohe ee-Werte • Screening → Für jede Situation optimalen Liganden H N H O N N O N Ph Bu 2 H H OMe N O PPh2 PPh2 O N H N N O O PPh2 14 O N H 15 OtBu O Ligand Bu ee [%] O OtBu Ligand ee [%] O Ligand ee [%] 2 72 2 62 2 79 14 91 14 81 14 65 15 85 4 Typen von Diversität - 1 Stereochemical diversity Building block diversity HO O N N N N Br 2 O H3N * OH * H O * 3 8 * OH O H O N NH2 N O H O Verbindung (S,S,R,S)-3 am aktivsten Lit.: Verdine, G. L. Org. Lett. 2003, 5, 633-636. O O N N S H O 23 Verbindungen wurden dargestellt (Parallelsynthese) Building blocks: Aminosäuren, Anthranilsäuren, Alkylierungsmittel Lit.: Ellman, J. A. J. Org. Chem. 1997, 62, 1240-1256. Typen von Diversität - 2 Functional group diversity Bedeutet: Umwandlung bzw. Derivatisierung einer funktionellen Gruppe. Bsp.: Me H O OMe N N N O S O Klassische Derivatisierung Keton Oxim Sulfonylhydrazon Typische Aminderivate R R N O R R O N H Amin Amid R R O R R N N O N H H H Harnstoff Urethan R 5 Typen von Diversität - 3 Molecular framework diversity Strukturen mit unterschiedlichen Gerüsten Idealfall: Ein Gerüst erlaubt die Darstellung vieler anderer Gerüste Paradebeispiele: Terpen- und Alkaloidbiosynthesen O MeO Natur NMe HO O H L MeO MeO NH HO MeO OH O H N O HO OH (+)-Reticulin O HO Ph O OMe Couladouros, E. A.; Strongilos, A. T. Angew. Chem. 2002, 114, 3829-3832; Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 36773680. N Me H MeO Salutaridin (Morphin-Vorläufer) S Ph OH HO N Bn O O Ph MeO O O Isoboldin (Alkaloid) OH H HO Ph Labor O Building Block Diversität und Auswahl • Unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften – Hydrophobizität und Hydrophilie I I I OMe I hydrophob hydrophil – Wasserstoffbrücken-Donoren und Akzeptoren NH H O O R2 R1 N N 2 1 R H R R H H Akzeptor NMe3 Donor Donor und Akzeptor O R O H Donor und Akzeptor – Saure und basische Gruppen O O R O sauer H R NH2 basisch R1 N R2 H neutral – Größe der Gruppen HO HO HO 6 Strategie zur Erreichung maximaler Diversität • Die Zahl der Anknüpfungspunkte (y) trägt stärker zur Zahl der Verbindungen in der Bibliothek bei, als die Zahl der Bausteine (x) an jeder Position Gesamtzahl der Verbindungen N = xy • A A F C • E B • 60 Bausteine an jeder Position N = 603 = 216000 • • • • • B C D 8 Bausteine an jeder Position N = 86 = 262144 • Zahl der Reaktionsschritte bei einer Split-Pool Synthese Bsp.: 10 Aminosäuren, 8 Alkylierungsreagenzien, 12 Säurechloride ergeben 10 × 8 × 12 = 960 Verbindungen Aufwand: 10 + 8 + 12 + 4 = 34 Operationen bzw. Reaktionen [4, da man 4 mal splitten muss (Harz auf verschiedene Gefäße verteilen)] Beispiel für Split-Pool-Synthese • • 1,3-Dioxane (1890 Stück) Lit.: Schreiber, S. L. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 1740-1747. O OH N H Si OH X R2XH R1 O OH O O R2 1 R X = S, NR4 = • • 500 µm PS beads 85 nmol/bead (bei MG von 500 = 42.5 µg) NHFmoc 1. MeO n=0,1 OMe N Y n=0,1 O 2. Piperidin, DMF 1 R3 R R O O O X R3 H NH2 2 Y n=0,1 Cl O O Y = C, S=O X R2 1 R 7 Beispiel für Split-Pool-Synthese – Teil 2 • 1,3-Dioxane (1890 Stück) • • • • • • • • • • • R3 H N Y O n=0,1 O O X R2 1 HO R H N O S Pool 3 Epoxyalkohole Split in 30 Portionen 30 Amine/Thiole zufügen Pool 1,3-Diole Split in 2 Portionen (Gefäße) 2 Acetale zugeben, Fmoc abspalten etc. 10 Elektrophile zugeben 3 x 30 x 2 x 10 = 1890 6 Verbindungen waren biologisch aktiv Verbindung 10: Cyclin B Abau in HeLa-Zellen Cyclin B is a key regulatory protein of the cell cycle, central to the control of the G2/M transition O O O O O N 10 HO Me Zum Vergleich Parallelsynthese A1 A1 A1 A1 A1 A1 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A3 A3 A3 A3 A3 A3 A4 A4 A4 A4 A4 A4 • • • B1 – B3 zugeben (B1 in 8, B2 in 8, B3 in 8 Gefäße) A1B1 A1B1 A1B2 A1B2 A1B3 A1B3 A2B1 A2B1 A2B2 A2B2 A2B3 A2B3 A3B1 A3B1 A3B2 A3B2 A3B3 A3B3 A4B1 A4B1 A4B2 A4B2 A4B3 A4B3 • Bsp.: 4 x 3 x 2 Bausteine = 24 Spritzen bzw. Gefäße Zahl der Einzeloperationen bei einer Parallel-Synthese entspricht Zahl der Verbindungen x Zahl der Einzelschritte; hier: 24 x 3 = 72 Bei Automatisierung und kleineren Bibliotheken kein allzu großer Nachteil 8er Block C1 und C2 zugeben (C1 in 12, C2 in 12 Gefäße) A1B1C1 A1B1C2 A1B2C1 A1B2C2 A1B3C1 A1B3C2 A2B1C1 A2B1C2 A2B2C1 A2B2C2 A2B3C1 A2B3C2 A3B1C1 A3B1C2 A3B2C1 A3B2C2 A3B3C1 A3B3C2 A4B1C1 A4B1C2 A4B2C1 A4B2C2 A4B3C1 A4B3C2 C2-Zugabe 8 Functional Group Diversity Diversitätspotential funktioneller Gruppen ist unterschiedlich Ziel: Funktionelle Gruppen berücksichtigen, die eine breite Funktionalisierung unter Einbringung mehrerer Reste erlauben Bsp.: O R3 • Diversitätspotential einer R3 2 Aldehydfunktion ist sehr hoch R 2 O R O N 3 • Level 2 Funktionalisierungen R H OR4 R1 derivatisieren die Gruppe R1 N R2 N zunächst nur, keine Diversität im R1 1. Schritt, danach: hohes OH Diversitätspotential O O R2 O R R H N 1 1 R2 R1 H OH R R3 O 1 Level 2 O R3 R O O N 1 Umwandlungen in einem Schritt O R CO2R R2 S 1 R1 Diels-Alder, 1,3-Dipole, Michael-Addition etc. Functional Group Diversity - Beispiel • Zusammenfassung zweier benachbarter Gruppen (1, 2, 3-Bindungen Abstand) zu einer neuen Gruppe Erlaubt breite Funktionalisierung, wie z.B. Cyclisierung Bsp.: Nicolaou, K. C. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10246-10248; JACS 2002, Heft 20. • • 1. O O R1 R 2 R1 2. polystyrene Edukt O OO S SO3H H2O O O O O S O R2 3. Dess-Martin Produkte N Me Me S N HN N O EtO2C Me N Me O O SPh O I 9 Functional Group Diversity – Beispiel 2 • • • Amine lassen sich sehr gut in andere funktionelle Gruppen mit stark veränderten physikalischen und chemischen Eigenschaften transformieren Quasi Verknüpfung von Building block und Functional group Diversität H O Bsp.: Shair, M. D. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 6740-6741 OH MeO O H Galanthamin O sekundäres Amin bei physiolog. pH protoniert, sp3 hybridisiert Br R1O N H O H N Me SR2 H OSiR3 O H O Br SR2 O Br SR2 R1O N R3 H R3CHO, NaBH3CN AcOH, THF, MeOH R3NCO, DCM oder R3COCl, Base R1O OSiR3 N H tertiäres Amin bei physiolog. pH protoniert, sp3 hybridisiert Harnstoff bzw. Amid bei physiolog. pH ungeladen, sp2 hybridisiert N R3 H OSiR3 O Zusammenfassung • 4 Typen von Diversität – – – – • Building block Functional group Stereochemical Molecular Framework Building block diversity – Relativ einfach mit kommerziell verfügbaren Bausteinen (Amine, Aldehyde, Säurechloride, Arylboronsäuren, Hydrazine, Aminosäuren, Isocyanate etc.) – Building blocks sollten sich in den physikalischen und chemischen Eigenschaften unterscheiden bzw. eine große Breite abdecken – Die Zahl der Diversitätspositionen (y) sollte möglichst hoch sein (wichtiger als die Zahl der einzelnen Bausteine, x); Gesamtzahl = xY • Functional group diversity – Gehalt an funktionellen Gruppen ist essentiell – Diversitätspotential einer funktionellen Gruppe sollte hoch sein oder eine Gruppe sollte sich in andere Gruppen mit dieser Voraussetzung umwandeln lassen. 10