En química , la síntesis en fase sólida es un método en el que las moléculas se unen covalentemente a un material de soporte sólido y se sintetizan paso a paso en un único recipiente de reacción utilizando la química de grupos protectores selectivos. Los beneficios en comparación con la síntesis normal en estado líquido incluyen:
La reacción puede ser llevada a su finalización y a altos rendimientos mediante el uso de un exceso de reactivo . En este método, los bloques de construcción están protegidos en todos los grupos funcionales reactivos . El orden de las reacciones de los grupos funcionales puede ser controlado por el orden de desprotección. Este método se utiliza para la síntesis de péptidos , [1] [2] ácido desoxirribonucleico ( ADN ), ácido ribonucleico ( ARN ) y otras moléculas que necesitan ser sintetizadas en una cierta alineación. [3] Más recientemente, este método también se ha utilizado en química combinatoria y otras aplicaciones sintéticas. El proceso fue desarrollado originalmente en los años 1950 y 1960 por Robert Bruce Merrifield para sintetizar cadenas de péptidos, [4] y que fue la base para su Premio Nobel de Química de 1984. [5]
En el método básico de síntesis en fase sólida, se utilizan bloques de construcción que tienen dos grupos funcionales. Uno de los grupos funcionales del bloque de construcción suele estar protegido por un grupo protector. El material de partida es una perla que se une al bloque de construcción. En primer lugar, esta perla se añade a la solución del bloque de construcción protegido y se agita. Una vez completada la reacción entre la perla y el bloque de construcción protegido, se retira la solución y se lava la perla. A continuación, se elimina el grupo protector y se repiten los pasos anteriores. Una vez finalizados todos los pasos, el compuesto sintetizado se escinde químicamente de la perla.
Si se sintetiza un compuesto que contiene más de dos tipos de bloques de construcción, se añade un paso antes de la desprotección del bloque de construcción unido a la perla; un grupo funcional que está en la perla y no reaccionó con un bloque de construcción añadido tiene que ser protegido por otro grupo protector que no se elimina en la condición desprotectora del bloque de construcción. Este paso evita la formación de subproductos que carecen del bloque de construcción de este paso solamente. Además, este paso facilita la purificación del compuesto sintetizado después de la escisión de la perla.
La síntesis en fase sólida es una técnica común para la síntesis de péptidos . Por lo general, los péptidos se sintetizan desde el lado del grupo carbonilo (C-terminal) al lado del grupo amino (N-terminal) de la cadena de aminoácidos en el método SPPS, aunque los péptidos se sintetizan biológicamente en la dirección opuesta en las células. En la síntesis de péptidos, un aminoácido amino-protegido se une a un material o resina en fase sólida (más comúnmente, perlas de poliestireno de baja reticulación ), formando un enlace covalente entre el grupo carbonilo y la resina, más a menudo un enlace amido o éster . [6] Luego, el grupo amino se desprotege y reacciona con el grupo carbonilo del siguiente aminoácido N-protegido. La fase sólida ahora lleva un dipéptido. Este ciclo se repite para formar la cadena peptídica deseada. Una vez que se completan todas las reacciones, el péptido sintetizado se escinde de la perla.
Los grupos protectores de los grupos amino que se utilizan con mayor frecuencia en la síntesis de péptidos son el grupo 9-fluorenilmetiloxicarbonilo ( Fmoc ) y el t-butiloxicarbonilo ( Boc ). Algunos aminoácidos tienen grupos funcionales en la cadena lateral que deben protegerse específicamente para que no reaccionen con los aminoácidos N-protegidos entrantes. A diferencia de los grupos Boc y Fmoc, estos tienen que ser estables durante el curso de la síntesis de péptidos, aunque también se eliminan durante la desprotección final de los péptidos.
Los fragmentos relativamente cortos de ADN , ARN y oligonucleótidos modificados también se sintetizan mediante el método de fase sólida. Aunque los oligonucleótidos se pueden sintetizar en un matraz, casi siempre se sintetizan en fase sólida utilizando un sintetizador de ADN/ARN. Para una revisión más completa, consulte síntesis de oligonucleótidos . El método de elección es generalmente la química de la fosforamidita, desarrollada en la década de 1980.
Las técnicas de síntesis en fase sólida se han utilizado históricamente principalmente en entornos bioquímicos con un fuerte enfoque en los acoplamientos de péptidos. Sin embargo, los avances de finales de los años 1980 y principios de los años 1990 demostraron la mejora de la eficiencia y la selectividad de muchas reacciones en estado sólido. Quizás lo más notable es que Fumio Toda fue autor y coautor de numerosos artículos sobre el tema [1,2,3] y desarrolló muchos protocolos atractivos para reacciones que antes eran tediosas [4,5]. De hecho, muchas reacciones y reactivos sensibles al aire y a la humedad se pueden utilizar sin la necesidad de las técnicas típicas de aire y humedad [6-18] debido a la gran disminución de la difusividad de los vapores a través de mezclas sólidas no porosas en comparación con las mezclas líquidas. La falta de porosidad en cualquier mezcla de reacción orgánica en fase sólida se debe al tamaño de partícula extremadamente bajo que se obtiene al moler con un mortero o un molino de bolas, el primero de los cuales permite tiempos de reacción mucho más rápidos, mientras que el segundo facilita el uso de la química del estado sólido por parte de operadores no capacitados. En la práctica, la técnica mediante la cual se muelen los reactivos en un mortero es simple e intuitiva, y se puede derivar de manera autónoma sin instrucciones simplemente encontrando la técnica de molienda más favorable ergonómicamente (que es individual para cada operador) y observando el tamaño de partícula de la mezcla para asegurarse de que cualquier partícula macroscópica se muele hasta que sea microscópica. Una molienda adicional reduce el tamaño de las partículas a grupos de unos pocos cientos de átomos cada uno, y estos grupos de partículas reaccionan con grupos que contienen moléculas compatibles para formar nuevas moléculas de producto, que poseen su propia estructura cristalina y deben desplazar a las partículas originales para adaptarse a dicha estructura. Este desplazamiento luego impulsa las partículas originales hacia otras partículas de volumen bajo/área superficial alta similares, lo que resulta en colisiones en cascada que mejoran enormemente los tiempos de reacción. Las reacciones orgánicas en la fase sólida a menudo avanzan 50-100 veces más rápido que sus contrapartes, y algunas incluso progresan 1200 veces más rápido [19]. La síntesis orgánica en fase sólida, aunque todavía es desaconsejada por algunos químicos, presenta muchas ventajas sobre las reacciones en fase de solución, sobre todo en cuanto a su velocidad, selectividad, tolerancia al aire y la humedad, simplicidad, respeto al medio ambiente, seguridad y accesibilidad. El origen de la aversión a la química en fase sólida probablemente proviene de la famosa cita de Aristóteles "No Coopora nisi Fluida", que significa "No se produce ninguna reacción en ausencia de disolvente". Esta afirmación era una hipótesis basada en que el guiso de carne se estropeaba mientras que la carne salada no, la leche en sí se estropeaba mientras que la leche en polvo no, y las uvas machacadas daban vino mientras que las uvas secas no. Esta hipótesis, como muchas en la comunidad química, fue aceptada como un evangelio hasta que un químico pionero demostró que estaba equivocada.Y hasta el día de hoy, la mayoría de los químicos todavía lo aceptan simplemente por su desconocimiento de este desarrollo. Incluso durante décadas después del descubrimiento de la síntesis de péptidos en fase sólida, no se desarrolló para la síntesis orgánica hasta fines de la década de 1980, y se desarrolló a partir de un descubrimiento fortuito (es decir, no inspirado por el éxito de la síntesis de péptidos en fase sólida). Incluso ahora, numerosos químicos sintéticos de renombre lo desaprueban simplemente porque no están familiarizados con él.
1. https://doi.org/10.1016/0168-1656(89)90105-3 2. https://doi.org/10.1021/jo00274a007 3. https://doi.org/10.1021/cr940089p 4. https ://doi.org/10.1039/a805884i 5. https://doi.org/10.1021/jo00013a055 6. Jiang, Z.-J.; Li, Z.-H.; Yu, J.-B.; Su, W.-KJ Org. Química. 2016, 81 (20), 10049–10055. https://doi.org/10.1021/acs.joc.6b01938 7. Seo, T.; Ishiyama, T.; Kubota, K.; Ito, H. Chem. Ciencia. 2019, 10 (35), 8202–8210. 8. Yu, J.; Hong, Z.; Yang, X.; Jiang, Y.; Jiang, Z.; Su, W. Beilstein J. Org. Química. 2018, 14, 786–795. 9. Yu, J.; Shou, H.; Yu, W.; Chen, H.; Su, W. Adv Synth Catal 2019, 361 (22), 5133–5139. 10. Gao, Y.; Feng, C.; Seo, T.; Kubota, K.; Ito, H. Chem. Ciencia. 2022, 13 (2), 430–438. 11. Cao, Q.; Howard, JL; Wheatley, E.; Browne, DL Angewandte Chemie 2018, 130 (35), 11509–11513. 12. Rinaldi, L.; Martina, K.; Baricco, F.; Rotolo, L.; Cravotto, G. Moléculas 2015, 20 (2), 2837–2849. 13. Bronceado, D.; Motillo, C.; Katsenis, AD; Štrukil, V.; Friščić, T. Angew Chem Int Ed 2014, 53 (35), 9321–9324. 14. Turberg, M.; Ardila‐Fierro, KJ; Bolm, C.; Hernández, JG Angew Chem Int Ed 2018, 57 (33), 10718–10722. 15. Jin, M.; Song, G.; Li, Z.; Zhou, F.; Fan, B.; Ouyang, P. Revista de Heterocyclic Chem 2014, 51 (6), 1838–1843. 16. https://doi.org/10.1016/B978-0-443-16140-7.00012-2 17. https://doi.org/10.1002/anie .201906755 18. https://doi.org/10.1039/C3CS35526H 19. https://doi.org/10.1002/anie.202217723