PI i PSI - Chiralna inkorporacja fosforu wykorzystująca potencjał P(V)

Zarówno dla syntetycznego chemika organicznego, jak i biologa chemicznego, ugrupowania fosforoorganiczne można znaleźć w wielu najpotężniejszych i najszerzej badanych związkach. Jako syntetyczne narzędzie organiczne, związki fosforu są stosowane jako odczynniki w wielu podstawowych transformacjach organicznych, takich jak reakcje Wittiga i Staudingera, a fosfiny są szeroko stosowane jako ligandy w metaloorganicznych katalizatorach sprzęgania krzyżowego. Dla biologa chemicznego fosfor jest często preferowaną przez naturę metodą rozwiązywania problemów: tworzenie nukleotydów, dwuwarstw lipidowych i ATP opiera się na funkcjonowaniu fosforanów i ich estrów.

Na styku tych obszarów badań, chemia fosforu była integralną częścią tworzenia nowoczesnych metod produkcji syntetycznych oligonukleotydów.¹ Metody te wykorzystują przede wszystkim odczynniki oparte na P(III) ze względu na ich obserwowaną wysoką reaktywność w porównaniu z P(V); jednak zarówno one, jak i ich podstawowe bloki budulcowe są wrażliwe na powietrze i wilgoć. Większość nowoczesnych metod wykorzystuje fosforoamidy i wykorzystuje nośniki w fazie stałej oraz złożony, wieloetapowy proces.^2,3 Profesor Phil Baran i jego laboratorium zaproponowali, że podejście skoncentrowane na P(V), które oferowałoby porównywalną lub lepszą wydajność w porównaniu z istniejącą metodą P(III), byłoby bardzo korzystne. We współpracy z naukowcami z Bristol Myers Squibb opracowali ten pomysł wraz z platformami odczynników do inkorporacji siarki fosforu (PSI lub Ψ)⁴ i inkorporacji fosforu (PI lub Π)⁵.

PSI - umożliwia dostęp do chiralnych fosforotioanów

Aby nadać nową lub ulepszoną funkcjonalność terapeutykom opartym na oligonukleotydach, chemicy często sięgają po podstawienia do wiązań fosfodiestrowych między nukleotydami. Spośród nich, jedną z najbardziej korzystnych i szeroko badanych substytucji jest zastąpienie jednego z oksygenów siarką w celu utworzenia nukleotydów połączonych fosforotioanem. Warto zauważyć, że tiolowane wiązanie zapewnia zarówno większy stopień wychwytu komórkowego, jak i lepszą stabilność na degradację metaboliczną. W rezultacie wiele antysensownych oligonukleotydów (ASO) zawiera ten rodzaj wiązania, w tym te, które zostały zatwierdzone przez FDA i są obecnie poddawane przeglądowi klinicznemu. W przeszłości pomyślny rozwój ASO opierał się na obecnych strategiach opartych na P(III) i wiązał się z wieloma wyzwaniami związanymi z ich podejściem: wysoką wrażliwością na powietrze i wilgoć, trudną procedurą i, co ważne, brakiem stereoselektywności. Odwrotnie, metoda umożliwiona przez PSI jest prosta, obejmująca najpierw bezpośrednie utworzenie wiązania P-O i deprotekcję przy użyciu 3% DCA w DCM.⁴ (Rysunek 1)

Rysunek 1. Wbudowywanie siarki fosforowej (PSI, Ψ) i uproszczony mechanizm wbudowywania wiązań fosforotioanowych do oligonukleotydów.

PI - rozszerza zakres o chiralne metylofosfoniany i niestandardowe fosfiny

Kolejną ważną modyfikacją wiązań fosfodiestrowych jest alkilowanie w celu utworzenia metylofosfonianu (MPO). Są one również interesujące dla badaczy, ponieważ nadają oligonukleotydom wysoki stopień stabilności. Stwierdzając, że istnieje niewiele sposobów na skuteczne tworzenie tych połączeń, a żaden nie może tego zrobić stereoselektywnie, laboratorium Barana opracowało odczynniki zdolne do tego, zwane inkorporacją fosforu (PI lub Π).⁵ Co więcej, odczynniki PI pozwalają na dostosowanie podstawienia obecnego na łączniku fosforylowym, umożliwiając dowolną liczbę podstawień według uznania badacza. Ponieważ jest to prawdopodobnie najcenniejsze ze względu na zastosowania w rozwoju ASO, oferujemy również metylowane odczynniki PI. Jednak laboratorium Barana zaobserwowało również, że dzięki strukturze PI można utworzyć dowolną liczbę złożonych fosfin poprzez sekwencyjne dodanie Grignarda i alkilolitu, co ma znaczną wartość dla chemików syntetycznych. Z tego powodu dostarczamy również niepodstawione odczynniki PI.

Rysunek 2. Odczynniki inkorporujące fosfor (PI, Π) i uproszczony mechanizm tworzenia sfunkcjonalizowanych, chiralnych fosfin lub wiązań metylofosforanowych (MPO) w oligonukleotydach.

PSI^O i PSI² - zapewnia większą różnorodność wiązań racemicznych i achiralnych

Podczas gdy jednym z najbardziej znaczących ulepszeń wprowadzonych przez platformę PSI w stosunku do istniejących metod jest zwiększona stereoselektywność, oferowanie kompleksowego rozwiązania do syntezy oligonukleotydów wymaga również włączenia racemicznych i achiralnych wiązań. Podczas gdy często podstawienia do wiązań fosfodiestrowych w oligonukleotydach zapewniają dodatkowe korzyści, większość badań nad oligonukleotydami musi nadal obejmować tworzenie i badanie natywnych wiązań fosfodiestrowych. W związku z tym opracowano skuteczny odczynnik kompatybilny z PSI (PSI^O) w celu łatwej instalacji tych wiązań. Warto zauważyć, że podobnie jak odczynniki PI opisane powyżej, PSI^O jest również interesujący dla chemików syntetycznych, ponieważ zaobserwowano, że jest on również aktywny w fosforylowaniu alkoholi w prostej i skalowalnej metodzie.⁶ Wreszcie, wiązania fosfoditio są również bardzo interesujące dla badaczy, ponieważ zapewniają wiele korzyści dla stabilności obserwowanych w monopodstawionych wiązaniach opisanych powyżej, ale bez dodatkowej złożoności instalowania stereocentrum w produkcie końcowym. PSI² został opracowany w tym celu i chociaż istnieją metody oparte na P(III), ich skuteczność jest ograniczona przez kwestie stabilności, których unika się dzięki PSI².

Rysunek 3. Odczynniki PSI do tworzenia achiralnych wiązań fosfodiester/fosfoditio w oligonukleotydach i fosforylacji alkoholi.

Referencje

1. Brown, D. M. A Brief History of Oligonucleotide Synthesis. In Protocols for Oligonucleotides and Analogs: Synthesis and Properties, Agrawal, S., Ed.; Humana Press: Totowa, NJ, 1993; pp 1−17.

2. Beaucage, S. L.; Caruthers, M. H. Deoxynucleoside phosphoramidites: A new class of key intermediates for deoxypolynucleotide synthesis. Tet. Lett. 1981, 22 (20), 1859−1862.

3. Matteucci, M. D.; Caruthers, M. H. Synthesis of deoxyoligonucleotides on a polymer support. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103 (11), 3185−3191.

4. Knouse, K. W.; deGruyter, J. N.; Schmidt, M. A.; Zheng, B.; Vantourout, J. C.; Kingston, C.; Mercer, S. E.; McDonald, I. M.; Olson, R. E.; Zhu, Y.; Hang, C.; Zhu, J.; Yuan, C.; Wang, Q.; Park, P.; Eastgate, M. D.; Baran, P. S. Unlocking P(V): Reagents for chiral phosphorothioate synthesis. Science 2018, 361, 1234−1238.

5. Xu, D.; Rivas-Bascón, N.; Padial, N. M.; Knouse, K. W.; Zheng, B.; Vantourout, J. C.; Schmidt, M. A.; Eastgate, M. D.; Baran, P. S. Enantiodivergent Formation of C–P Bonds: Synthesis of P-Chiral Phosphines and Methylphosphonate Oligonucleotides. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (12), 5785-5792.

6. Ociepa, M.; Knouse, K. W.; He, D.; Vantourout, J. C.; Flood, D. T.; Padial, N. M.; Chen, J. S.; Sanchez, B. B.; Sturgell, E. J.; Zheng, B.; Qiu, S.; Schmidt, M. A.; Eastgate, M. D.; Baran, P. S. Mild and Chemoselective Phosphorylation of Alcohols Using a Ψ-Reagent. Org. Lett. 2021, 23 (24), 9337–9342.