Grupy ochronne (również: blokujące, protekcyjne, zabezpieczające) – rodzaj ugrupowań chemicznych tymczasowo przyłączanych do wybranych grup funkcyjnych związku wielofunkcyjnego w celu zapobiegania ich dalszym przekształceniom w toku syntezy organicznej^[1][2]. O przydatności danej grupy ochronnej decyduje spełnienie następujących warunków^[1]:

• jej wprowadzenie powinno zachodzić łatwo i z dużą wydajnością
• reagenty służące do jej wprowadzania powinny być dostępne handlowo i tanie lub być łatwe do otrzymania
• powinna być łatwa do scharakteryzowania chemicznego i nie prowadzić do komplikacji, takich jak wprowadzanie nowych centrów stereogenicznych
• powinna być stabilna podczas chromatografii
• musi być stabilna w jak największej ilości warunków chemicznych
• jej usunięcie powinno zachodzić selektywnie, z dużą wydajnością, w ściśle określonych warunkach
• produkty uboczne powstające w wyniku usunięcia grupy ochronnej powinny być łatwe do odseparowywania od pożądanego produktu oraz substratu

Wykorzystanie grupy ochronnej w toku syntezy dodaje przynajmniej dwa dodatkowe etapy do zaplanowanego ciągu syntetycznego – etap protekcji (zabezpieczania), w którym wybrane ugrupowanie jest dołączane do danej grupy funkcyjnej związku, blokując możliwość ulegania dalszym reakcjom, oraz etap deprotekcji (odbezpieczania), w którym grupa ochronna jest usuwana, przywracając daną grupę funkcyjną do pierwotnej postaci^[3].

Rodzaje grup ochronnych

Grupy stosowane do protekcji alkoholi i fenoli

Najpopularniejsze metody zabezpieczania grup hydroksylowych wykorzystują ich przekształcenie w etery, acetale, ketale bądź estry^[3].

Wybrane przykłady grup ochronnych alkoholi:

Etery

• eter metylowy (−Me) – jego stosowanie ogranicza się do ochrony grup fenolowych (Ar−OH); może zostać utworzony w wyniku np. reakcji Williamsona; do deprotekcji wymagane są stosunkowo drastyczne warunki, m.in. działanie BCl
  3, BBr
  3, AlCl
  3 lub silnymi kwasami protonowymi, np. HBr lub MeSO
  3H^[4],
• eter benzylowy (−Bn) – usuwany w wyniku hydrogenacji^[3][5],
• eter trytylowy (−CPh
  3, Tr) oraz jego pochodne, np. dimetoksytrytylowy (DMT) – usuwany za pomocą kwasu^[6]; często wykorzystywane w syntezie oligonukleotydów^[7],
• eter metoksymetylowy (−CH
  2OCH
  3, MOM) – grupa typu acetalu, usuwana w środowisku silnie kwasowym^[8],
• etery sililowe, np. trimetylosililowy (−SiMe
  3, TMS) lub tert-butylodimetylosililowy (−SiMe
  2tBu, TBDMS, TBS) – usuwane selektywnie za pomocą anionu fluorkowego^[3][9].

Estry

Estrowe grupy ochronne wprowadzane są w reakcji alkoholi z odpowiednimi chlorkami lub bezwodnikami kwasowymi. Usuwane są przez hydrolizę w środowisku zasadowym. Ich trwałość rośnie wraz z zawadą przestrzenną: Pv > Bz > Ac^[10]. Przykłady:

• grupa acetylowa (−C(O)CH
  3, Ac) – poza warunkami zasadowymi można ją usunąć przez transestryfikację w warunkach kwasowych w obecności wody lub alkoholu^[11],
• grupa benzoilowa (−C(O)Ph, Bz)^[12],
• grupa piwaloilowa (−C(O)C(CH
  3)
  3, Piv, Pv) – ze względu na stosunkowo dużą trwałość w warunkach zasadowych do jej usuwania stosuje się również inne warunki, np. redukcję za pomocą (iBu)
  2AlH^[13].

Grupy stosowane do protekcji amin

Wiele grup ochronnych alkoholi może być również wykorzystane do zabezpieczania grup aminowych, np. grupa acetylowa (Ac), benzylowa (Bn), benzoilowa (Bz)^[3]. Pozostałe grupy ochronne amin:

• grupa benzyloksykarbonylowa (Cbz, Z) – może być usuwana na trzy sposoby: (i) redukcja roztwarzanym metalem alkalicznym (np. Na/NH
  3), (ii) środowisko kwasowe lub (iii) hydrogenacja^[14],
• grupa tert-butyloksykarbonylowa (BOC) – często wykorzystywana w syntezie peptydów na fazie stałej (ang. solid phase peptide synthesis, SPPS); usuwana za pomocą mocnego kwasu^[15],
• grupa 9-fluorenylometoksykarbonylowa (Fmoc) – wykorzystywana w syntezie peptydów na fazie stałej; usuwana w warunkach bezwodnych za pomocą amin, np. piperydyny, morfoliny, amoniaku lub DBU, zwykle w rozpuszczalnikach polarnych, takich jak acetonitryl lub DMF^[16],
• grupy arylosulfonowe, np. fenylosulfonowa (PhSO
  2) lub tosylowa (Ts) – bardzo trwałe w większości warunków; usuwane przez redukcję roztwarzanym metalem alkalicznym^[17],
• grupa ftaloilowa (Phth) – do ochrony pierwszorzędowych amin poprzez utworzenie ftalimidu w reakcji z bezwodnikiem ftalowym; usuwana np. w warunkach zasadowych lub hydrazyną^[18].

Grupy stosowane do protekcji kwasów karboksylowych

Zabezpieczanie grupy karboksylowej najczęściej odbywa się poprzez przekształcenie jej w grupę estrową, tworząc następujące ugrupowania^[3]:

• estry metylowe,
• estry benzylowe,
• estry tert-butylowe,
• estry sililowe.

Protekcja pozostałych grup funkcyjnych

Grupy karbonylowe są najczęściej blokowane z utworzeniem acetali i ketali^[3]. 1,2-Diole mogą zostać zabezpieczone poprzez utworzenie cyklicznego ketalu. Usunięcie takiego rodzaju protekcji zachodzi pod wpływem kwasu^[19].

Grupa fosforanowa może być zabezpieczona za pomocą grupy 2-cyjanoetylowej, co jest często wykorzystywane w syntezie oligonukleotydów^[7][20].

Ortogonalność grup ochronnych

Grupy protekcyjne, których usunięcie zachodzi w odmiennych warunkach (niezależnie od siebie), nazywa się ortogonalnymi grupami ochronnymi^[21].