Synthesis of phosphin-, phosphon- and phosphoramidates by Staudinger reactions

Abstract

Phosphorus-nitrogen compounds play a decisive role in organic and medicinal research. Due to their unique properties and biological activity, they are applied as catalysts in organic transformations or as inhibitors for the treatment of diverse diseases. The STAUDINGER REACTION developed in 1919 by Herman Staudinger enables a straightforward entrance to various P-N compounds. Within this thesis, different variants of the Staudinger reaction were investigated for the synthesis of phosphin-, phosphon- and phosphoramidates and their application for peptide and protein modifications. In the first project, the Staudinger reaction and a following rearrangement was investigated. By performing the Staudinger reaction between phosphites and azides under anhydrous conditions, a rearrangement of the resulting phosphorimidates can be initiated by addition of alkyl halides or Lewis acids leading to N,N-disubstituted phosphoramidates. Optimization of the reaction conditions and screening of different Lewis acids showed that heating in benzene at 80°C and 1 mol% of BF3∙Et2O or TMSOTf are the most effective reaction conditions for the rearrangement. The Staudinger reaction and the subsequent rearrangement proceeded in high yields (63-99%) with a variety of different alkyl, aryl and allyl azides and with trimethyl, triethyl, tributyl and triallyl phosphite as trivalent phosphorus counterparts. The development of a one-pot procedure starting from alkyl bromides, mesylates or tosylates further facilitated the reaction by avoiding isolation of the potentially explosive azides. Moreover, the alkyl halide- and the Lewis acid-catalyzed rearrangement reaction could be transferred to phosphinimidates leading to N,N-disubstituted phosphinamidates in yields between 36% and 83%. In the second project, the Staudinger reaction and following hydrolysis to phosphon- and phosphoramidates was probed as method for the bioorthogonal, site- selective and metal-free functionalization of peptides and proteins. Preliminary studies of the Staudinger reaction with benzyl or phenyl azide and unprotected azido peptides with different phosphites and phosphonites could prove its applicability at room temperature in an aqueous environment as well as its bioorthogonality. All reactions led to high yields and a clean conversion of the azides to the desired phosphon- and phosphoramidates. Finally, the Staudinger-phosphite and the Staudinger-phosphonite reaction could be used for the functionalization of azido proteins, i.e. for PEGylation or chemical phosphorylation. In the third project, the Staudinger reaction between silylated phosphinic acids and azides was applied to the synthesis of phosphonamidates and phosphonamidate peptides. The treatment of phosphinic acids or their esters with a silylation reagent, like bis(trimethylsilyl)acetamide, under argon atmosphere generated silyl phosphonites, which could be reacted in situ with different aryl azides. Afterwards, desilylation was achieved with TBAF, HF∙pyridine or sodium hydroxide solution. In all cases the desired phosphonamidates were obtained in moderate to excellent yields (30-95%). Furthermore, the described reaction procedure enabled the conversion of unprotected azido peptides containing a N-terminal para-azidobenzoic acid on solid support. The reaction on solid support allowed easy removal of reagents and simultaneous TMS-deprotection and cleavage from the resin under basic conditions (NaOH/1,4-dioxane). The phosphonamidates peptides were obtained in high conversions and purity. It has to be noted that the excess of silylation reagent leads to protection of the functional groups during the reaction. When alkyl azides were used in the Staudinger reaction with silylated phosphinic acids, the reaction led to the formation of by-products. Especially if azido glycine peptides were employed in the reaction, the desired phosphonamidate was only formed in small amounts. Based on a more detailed exploration of the formed by-products, of the influence of different reaction conditions on the reaction and 15N-labeling experiments, a mechanism for the side reaction was proposed. The proposed mechanism of the side reaction is initiated by the decomposition of the phosphazide leading to the formation of methyl P-phenylphosphonamidate and a diazo compound. The diazo compound then further reacts with the silyl phosphonite under formation of the observed by-product with a P(O)-NH-N=C-moiety.

Phosphor-Stickstoff-Verbindungen spielen in der organischen und medizinischen Chemie eine wichtige Rolle und finden beispielsweise Einsatz als Katalysatoren oder Inhibitoren. Die 1919 von Herman Staudinger entwickelte STAUDINGER REAKTION ermöglicht, einen Zugang zu P-N-Verbindungen und wurde im Rahmen dieser Arbeit näher untersucht. Das erste Projekt dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Staudinger-Reaktion und einer nachfolgenden Lewis-Säure- oder Alkylhalogenid-katalysierten Umlagerung. Ausgehend von den über die Staudinger Reaktion hergestellten Phosphin- und Phosphorimidaten kann unter wasserfreien Bedingungen eine Umlagerung zu den entsprechenden N,N-disubstituierten Amidaten eingeleitet werden. Im Rahmen der Doktorarbeit wurden verschiedene Lewis-Säuren hinsichtlich ihrer Fähigkeit, eine solche Umlagerung von Phosphorimidaten zu initiieren, untersucht. BF3∙EtO und TMSOTf erwiesen sich als die geeignetsten Katalysatoren. Um die Anwendungsbreite der Reaktion zu untersuchen, wurden unterschiedliche organische Azidverbindungen hergestellt und verwendet. Dabei lieferten sowohl primäre, sekundäre und tertiäre alkylische als auch arylische Azide die entsprechenden Phosphoramidate in guten bis sehr guten Ausbeuten zwischen 63-99 %. Außerdem war es möglich, auch die trivalenten Phosphorverbindungen zu variieren, und Methyl-, Ethyl-, Butyl- und Allylgruppen konnten erfolgreich umgelagert werden. Um die optimierte Umsetzung weiter zu vereinfachen und die Isolierung von potenziell explosiven Aziden zu vermeiden, wurde – ausgehend von Bromiden, Mesylaten oder Tosylaten – ein Eintopfverfahren entwickelt. Neben den untersuchten Phosphoramidaten konnten auch N,N-disubstituierte Phosphinamidate durch die Lewis-Säure- oder Alkylhalogenid-katalysierte Umlagerung in Ausbeuten von 36% bis 83% gewonnen werden. Wird die Reaktion von Phosphiten und Aziden unter wässrigen Bedingungen durchgeführt, erfolgt anstelle der Alkylierung des Stickstoffes die Protonierung zum Phosphoramidat. Erste Versuche zeigten, dass die Staudinger-Reaktion für die bioorthogonale Umsetzung von Azido-Peptiden erfolgreich genutzt werden kann und auch unter phys. pH-Wert durchführbar ist. Basierend auf den anfänglichen Ergebnissen wurde die Staudinger-Reaktion für die metallfreie, ortsspezifische Funktionalisierung von Peptiden und Proteinen eingesetzt – beispielsweise zur PEGylierung – und konnte zur chemischen Phosphorylierung von Proteinen herangezogen werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde die Staudinger Reaktion verwendet, um den einfachen und direkten Zugang zu Phosphonamidat-haltigen Peptiden zu ermöglichen. Phosphinsäure-Derivate können durch Silylierung mit Bis(trimethylsilyl) acetamid unter wasser- und sauerstofffreien Bedingungen in die entsprechenden Phosphonite überführt und in situ mit den unterschiedlichen arylischen Aziden und Azido-Peptiden umgesetzt werden. Diese Methode erlaubt darüber hinaus die Durchführung der Synthese auch an der festen Phase, sodass nach Abspaltung vom Harz die gewünschten Phosphonamidat-haltigen Peptide mit hoher Reinheit erhalten werden können. Außerordentlich vorteilhaft ist die entwickelte Synthese zur Herstellung von Phosphonamidaten mit freier Hydroxylgruppe, die besonders instabil sind und aufwendige Entschützungs- und Reinigungsmethoden nicht zulassen. Bei dem Einsatz von alkylischen Aziden kam es zu einer interessanten Nebenreaktion. Basierend auf umfangreiche Untersuchungen zu der Struktur der Nebenprodukte, Einfluss der Reaktionsbedingungen und 15N- Markierungsexperimenten, konnte ein Mechanismus für die Nebenreaktion vorgeschlagen werden. Erster Schritt ist dabei die Zersetzung des Phosphazids in Methyl P-Phenylphosphonamidat und eine Diazoverbindung. Letztere kann mit einem weiteren Äquivalent des Silylphosphonits zu dem dargestellten Nebenprodukt reagieren.