Síntesis de nucleósidos

La síntesis de nucleósidos implica el acoplamiento de una base heterocíclica nucleofílica con un azúcar electrófilo. La reacción de sililo-Hilbert-Johnson (o Vorbrüggen), que emplea bases heterocíclicas sililadas y derivados de azúcar electrófilos en presencia de un ácido de Lewis, es el método más común para formar nucleósidos de esta manera. ^[1]

Los nucleósidos se sintetizan típicamente mediante el acoplamiento de una pirimidina nucleófila , purina u otro heterociclo básico con un derivado de ribosa o desoxirribosa que es electrofílico en el carbono anomérico . Cuando se emplea una ribosa protegida con acilo, la formación selectiva del β-nucleósido (que posee la configuración S en el carbono anomérico) resulta de la participación del grupo vecino. La síntesis estereoselectiva de desoxirribonucleósidos directamente a partir de derivados de desoxirribosa es más difícil de lograr porque no puede tener lugar la participación del grupo vecino.

Se han utilizado tres métodos generales para sintetizar nucleósidos a partir de bases nucleófilas y azúcares electrófilos. El método de fusión implica calentar la base y la 1-acetoxiribosa protegida con acetilo a 155 °C y da como resultado la formación del nucleósido con un rendimiento máximo del 70 %. ^[2]

(1)

El método de la sal metálica implica la combinación de una sal metálica del heterociclo con un haluro de azúcar protegido. Originalmente se utilizaban sales de plata ^[3] y mercurio ^{[4] ; sin embargo, los métodos desarrollados más recientemente utilizan sales de sodio. [5]}

(2)

La reacción de sililo-Hilbert-Johnson (SHJ) (o reacción de Vorbrüggen), el método general más suave para la formación de nucleósidos, es la combinación de un heterociclo sililado y acetato de azúcar protegido (como 1-O-acetil-2,3,5-tri-O-benzoil-beta-D-ribofuranosa ) en presencia de un ácido de Lewis. ^[6] Se evitan los problemas asociados con la insolubilidad de las bases heterocíclicas y sus sales metálicas; sin embargo, la selectividad del sitio a veces es un problema cuando se utilizan heterociclos que contienen múltiples sitios básicos, ya que la reacción a menudo es reversible.

(3)

El mecanismo de la reacción SHJ comienza con la formación del catión cíclico clave 1 . Luego ocurre el ataque nucleofílico en la posición anomérica por el nitrógeno más nucleofílico (N ^{1 ), produciendo el β-nucleósido deseado} 2 . ^[7] Una segunda reacción de este nucleósido con 1 genera bis(ribosido) 3 . Dependiendo de la naturaleza del ácido de Lewis utilizado, la coordinación del nucleófilo con el ácido de Lewis puede ser significativa. La reacción de este nucleófilo "bloqueado" con 1 da como resultado el isómero constitucional no deseado 4 , que puede experimentar una reacción adicional para convertirse en 3 . ^[8] Generalmente, la coordinación del ácido de Lewis no es un problema cuando se utiliza un ácido de Lewis como el triflato de trimetilsililo; es mucho más importante cuando se emplea un ácido de Lewis más fuerte como el cloruro de estaño (IV). ^[7]

(4)

Los 2-desoxiazúcares no pueden formar el intermediario catiónico cíclico 1 debido a la falta de su grupo benzoilo; en cambio, bajo condiciones ácidas de Lewis forman un ion oxocarbenio estabilizado por resonancia. La diastereoselectividad del ataque nucleofílico sobre este intermediario es mucho menor que la estereoselectividad del ataque sobre el catión cíclico 1. Debido a esta baja estereoselectividad, los desoxirribonucleósidos se sintetizan generalmente utilizando métodos distintos a la reacción SHJ. ^[9]

La reacción de sililo-Hilbert-Johnson es el método más utilizado para la síntesis de nucleósidos a partir de materiales de partida heterocíclicos y basados ​​en azúcares. Sin embargo, la reacción presenta algunos problemas que no están asociados con otros métodos, como la selectividad del sitio impredecible en algunos casos (ver a continuación). Esta sección describe tanto los derivados como las alternativas a la reacción SHJ que se utilizan para la síntesis de nucleósidos.

Debido a que la mayoría de las bases heterocíclicas contienen múltiples sitios nucleofílicos, la selectividad del sitio es un tema importante en la síntesis de nucleósidos. Las bases de purina, por ejemplo, reaccionan cinéticamente en N ³ y termodinámicamente en N ¹ (ver Ec. (4)). ^[4] La glicosilación de timina con 1-acetoxi ribosa protegida produjo el 60% del nucleósido N ¹ y el 23% del nucleósido N ^3. Las triazinas estrechamente relacionadas, por otro lado, reaccionan con selectividad completa para producir el nucleósido N ^{2. [10]}

(5)

El nitrógeno más nucleofílico puede bloquearse mediante alquilación antes de la síntesis del nucleósido. Calentar el nucleósido bloqueado en la ecuación (6) en presencia de un cloruro de azúcar protegido proporciona el nucleósido con un rendimiento del 59 %. Las reacciones de este tipo se ven obstaculizadas por la alquilación del heterociclo por el cloruro de alquilo incipiente. ^[11]

(6)

Las bases heterocíclicas sililadas son susceptibles a la hidrólisis y, como resultado, algo difíciles de manejar; por lo tanto, el desarrollo de un método de un solo recipiente y un solo paso para la sililación y la síntesis de nucleósidos representó un avance significativo. ^[12] La combinación de ácido trifluoroacético (TFA), cloruro de trimetilsililo (TMSCl) y hexametildisilazida (HMDS) genera trifluoroacetato de trimetilsililo in situ , que logra tanto la sililación del heterociclo como su posterior acoplamiento con el azúcar. ^[13]

(7)

La transglicosilación, que implica la transferencia reversible de una fracción de azúcar de una base heterocíclica a otra, es eficaz para la conversión de nucleósidos de pirimidina en nucleósidos de purina. La mayoría de las demás reacciones de transglicosilación tienen un rendimiento bajo debido a una pequeña diferencia termodinámica entre los nucleósidos en equilibrio. ^[14]

(8)

Los electrófilos derivados de la desoxirribosa no pueden formar el catión cíclico 1 ; como resultado, la síntesis estereoselectiva de desoxirribonucleósidos es más difícil que la síntesis de ribonucleósidos. Una solución a este problema implica la síntesis de un ribonucleósido, seguida de la protección de los grupos hidroxilo 3' y 5', la eliminación del grupo hidroxilo 2' mediante una desoxigenación de Barton y la desprotección. ^[15]

(9)

Una alternativa útil a los métodos descritos aquí que evita los problemas de selectividad del sitio de la reacción SHJ es la reacción/ciclación de Michael en tándem para formar simultáneamente la base heterocíclica y establecer su conexión con la fracción de azúcar. ^[16]

(10)

Una segunda alternativa es la transglicosilación enzimática, que está completamente controlada cinéticamente (evitando los problemas de transglicosilación química asociados con el control termodinámico). Sin embargo, las complicaciones operativas asociadas con el uso de enzimas son una desventaja de este método. ^[17]

(11)

Los derivados de azúcar utilizados para las reacciones SHJ deben purificarse, secarse y pulverizarse antes de su uso. Los heterociclos no deben ser demasiado básicos para evitar la formación excesiva de complejos con el ácido de Lewis; los heterociclos sustituidos con amina, como la citosina, la adenina y la guanina, reaccionan lentamente o no reaccionan en absoluto en condiciones SHJ (aunque sus derivados N -acetilados reaccionan más rápidamente).

La sililación se logra más comúnmente utilizando HMDS, que genera amoníaco como único subproducto de la sililación. Cantidades catalíticas o estequiométricas ^[18] de aditivos ácidos como el cloruro de trimetilsililo aceleran la sililación; cuando se utiliza un aditivo de este tipo, las sales de amonio aparecerán en la reacción como una impureza turbia.

Los ácidos de Lewis deben destilarse inmediatamente antes de su uso para obtener mejores resultados. Rara vez se necesitan más de 1,2-1,4 equivalentes de ácido de Lewis. El acetonitrilo es el disolvente más común empleado para estas reacciones, aunque también son comunes otros disolventes polares. El procesamiento de las reacciones que emplean TMSOTf implica el tratamiento con una solución helada de bicarbonato de sodio y la extracción de las sales de sodio resultantes. Cuando se utiliza cloruro de estaño (IV) en 1,2-dicloroetano, el procesamiento implica la adición de piridina y el filtrado del complejo de piridina-estaño resultante, seguido de la extracción con bicarbonato de sodio acuoso. ^[19]

(12)

A una mezcla agitada de 13,5 mL (4,09 mmol) de una solución estándar 0,303 N de N ² -acetilguanina sililada en 1,2-dicloroetano y 1,86 g (3,7 mmol) de 1-acetoxi ribosa protegida con benzoato en 35 mL de 1,2-dicloroetano se añadieron 6,32 mL (4,46 mmol) de una solución estándar 0,705 N de TMSOTf en 1,2-dicloroetano. La mezcla de reacción se calentó a reflujo durante 1,5–4 horas y después se diluyó con CH ₂ Cl _{2 . Tras el tratamiento con solución de NaHCO 3} helada , se obtuvieron 2,32 g de producto crudo, que se mantuvo durante 42 horas en 125 mL de amoniaco metanólico a 24°. Después del tratamiento, la recristalización a partir de H ₂ O proporcionó, en dos cosechas, 0,69 g (66%) de guanosina pura, que era homogénea (R _f 0,3) en el sistema de reparto n -butanol:ácido acético:H ₂ O (5:1:4) y cuyo espectro de RMN 1H a 400 MHz en D ² _O mostró solo trazas del anómero N ⁷ no deseado de guanosina. RMN ^{1H (CDCl} ₃ ): δ 3,55, 3,63, 3,90, 4,11, 4,43, 5,10, 5,20, 5,45, 5,72, 6,52, 7,97, 10,75.

Para entender cómo surgió la vida , es necesario conocer las vías químicas que permiten la formación de los componentes básicos de la vida en condiciones prebióticas plausibles . Nam et al. ^{[21] demostraron la condensación directa de nucleobases con ribosa para dar ribonucleósidos en microgotas acuosas, un paso clave que conduce a la formación de ARN. Además, Becker et al. [22]} presentaron un proceso prebiótico plausible para sintetizar ribonucleósidos y ribonucleótidos de pirimidina y purina utilizando ciclos húmedos y secos.