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NaturstoffeTheoretische Grundlagen und

Einführung in das Naturstoffisolationspräparat in den LaborübungenOrganische Chemie

Marko D. Mihovilovic

Institut für Angewandte Synthesechemie

Laborübungen Organische Chemie

Literatur

• Organische Chemie IIEberhard Breitmaier, Günther JungGeorg Thieme VerlagISBN 3-13-541601-1

• Lehrbuch der Organischen ChemieHans Beyer, Wolfgang WalterS. Hirzel VerlagISBN 3-7776-0438-0

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Überblick

• Grundprinzipien der Naturstoffisolation am Beispiel α-Limonen• Chiralität• Zucker• Aminosäuren• Nucleotidbausteine• Terpene• Steroide• Lipide• Alkaloide

Naturstoffisolationα-Limonen• Gewinnung der Orangenschalen

– Schälen & Pektin entfernen– Zerkleinern– Feuchteinwaage Schalen

• Extraktion mit CH2Cl2– Apparaturaufbau– Rückflußkochen

• Aufarbeitung– Phasentrennung– Trocknung– Eindampfen– Rohproduktmenge

• Produktreinigung– Vakuumdestillation– Reinproduktmenge– Siedepunkt, Brechungsindex

Limonen

*

3

Biologische Aktivität

Small-molecule drugs

6%

27%

5%23%

39%

natural products

natural productderivativesderived pharmacophores

natural product mimic

de novo drugs

ChiralitätChiralitätszentren

4

ChiralitätCahn-Ingold-Prelog Nomenklatur

• Zuordnung der Prioritäten– Ordnungszahl (Massenzahl)

z.B.: I > Br > Cl > S > O > N > 13C > 12C > Li > 3H > 2H > 1H

– Folgesubstituenten (höchste OZ/MZ, dann Zahl)

– Auflösung von Doppel- & Dreifachbindungen

• Räumliche Ausrichtung & Drehsinn– niedrigste Priorität nach hinten– im/gegen Uhrzeigersinn R/S

SR

ZuckerAldosen & Ketosen

Oxidationsstufe

Nach vorne

D-Zucker

Fischer-Projektion

5

ZuckerPyranosen & Furanosen

Halbacetal/ketal-Bildung

ZuckerPosition der OH-Gruppen in Glucose

Anomerer Effekt

6

ZuckerGlucose

ZuckerFructose

7

ZuckerZuckerchemie

OHHOH HOH H

CHO

H OHCH2OH

OHHOH HOH HH OH

CH2OH

COOH

Br2

Gluconsäure

OHHOH HOH HH OH

COOH

COOH

HNO3/NaNO2

OHHOH HOH HH OH

CH2OH

CH2OH

Na/Hg

MeNO2 - Nef-Rxn

NaIO4 - Abbau-Rxn

selektiveSchützung

ZuckerDisaccharide

8

ZuckerPolysaccharideCellulose

Stärke

Aminosäuren

NH2 COOH

glycine, G (gly)

NH2 COOH

alanine, A (Ala)

NH2 COOH

valine, V (Val)

NH2 COOH

leucine, L (Leu)

NH2 COOH

isoleucine, I (Ile)

COOHNH

proline, P (Pro)

NH2 COOH

phenylalanine, F (Phe)

NH2 COOH

OH

tyrosine, Y (Tyr)

NH2 COOH

NH

tryptophane, W (Trp)

Aliphatische Aminosäuren

Aromatische Aminosäuren

9

Aminosäuren

NH2 COOH

SH

cysteine, C (Cys)

NH2 COOH

S

methionine, M (Met)

NH2 COOH

OH

serine, S (Ser)

NH2 COOH

OH

threonine, T (Thr)

Sauerstoffhältige Aminosäuren

Schwefelhältige Aminosäuren

AminosäurenSaure Aminosäuren

Basische Aminosäuren

NH2 COOH

NH2

lysine, K (Lys)

NH2 COOH

NH

NH2

NH

arginine, R (Arg)

NH2 COOH

N

NH

histidine, H (His)

NH2 COOH

CONH2

asparagine, N (Asn)

NH2 COOH

CONH2

glutamine, Q (Gln)

NH2 COOH

COOH

aspartate, D (Asp)

NH2 COOH

COOH

glutamate, E (Glu)

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AminosäurenAminosäuresynthesen

NH

NH

O

OCH2O

NaCN

(NH4)2CO3 RCHO

Base NH

NH

O

OR

H2

NH

NH

O

OR

Über Hydantoine

RCHO NH3

R NHHCN

R NH2

CN

R NH2

COOH

Strecker

AminosäurenDie Amidbindung

NH2

R1

COOH NH2

R2

COOH+ NH2

R1

O

NH

R2

COOH

11

AminosäurenPolypeptidsynthesen

NH2

R1

COOH NH2

R2

COOH+ NH2

R1

O

NH

R2

COOH

Schutzgruppen

NH

R1

COOHO

O

NH2

R2

COOMe+ N

H

R1

O

NH

R2

boc COOMe

DCC-Aktivierung

AminosäurenProteinstrukturhierarchien

NH2 COOH

glycine, G (gly)

NH2 COOH

alanine, A (Ala)

NH2 COOH

valine, V (Val)

NH2 COOH

leucine, L (Leu)

NH2 COOH

isoleucine, I (Ile)

COOHNH

proline, P (Pro)

NH2 COOH

phenylalanine, F (Phe)

NH2 COOH

OH

tyrosine, Y (Tyr)

NH2 COOH

NH

tryptophane, W (Trp)

NH2 COOH

SH

cysteine, C (Cys)

NH2 COOH

S

methionine, M (Met)

NH2 COOH

OH

serine, S (Ser)

NH2 COOH

OH

threonine, T (Thr)

NH2 COOH

NH2

lysine, K (Lys)

NH2 COOH

NH

NH2

NH

arginine, R (Arg)

NH2 COOH

N

NH

histidine, H (His)

NH2 COOH

CONH2

asparagine, N (Asn)

NH2 COOH

CONH2

glutamine, Q (Gln)

NH2 COOH

COOH

aspartate, D (Asp)

NH2 COOH

COOH

glutamate, E (Glu)

Aliphatische A.S.

Aromatische A.S.

S-hältige A.S.

O-hältige A.S.

basische A.S.saure A.S. Amid-SK A.S.

Primärstru

ktur Sekundärstruktur

Tertiärstruktur

Quartärstruktur

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NaturstoffisolationGrundlagen der Terpenchemie

Isopren(2-Methyl-1,3-butadien)

Prenyl-Rest

OcimenC10H16

• Isopreneinheiten

Terpenklassen

NaturstoffisolationTerpenklassen

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NaturstoffisolationGerüstnomenklatur

NaturstoffisolationTerpenverbreitung

• Sekundäre Stoffwechselprodukte von Pflanzen• Ätherische Öle & Riechstoffe• Pheromone• Bitterstoffe• Wachstumsregulatoren• Abwehrstoffe• Vitamine

Geraniol

OH O

Citral A Limonen (-)-Menthol

OH* **

* O

D-(+)-Campher

**

β-Carotin

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The History of Taxol (Paclitaxel)

Taxol (Paclitaxel)

O

OHH O

AcO

OHAcO O

BzO

O

OHBzHN

1958: NCI initiates screening program of 35000 plants for anticancer activity

1963: bark of Pacific Yew (Taxusbrevifolia) tree found to be active

1971: paclitaxel identified as bioactive compound

1979: elucidation of mode of action

1983: NCI starts phase I clinical trials1985: NCI starts phase II clinical trials 1991: Bristol-Myers Squibb selected by

NCI as commercial partner1992: approval for Taxol1994: total synthesis (Nicolaou, Holton)1995: clearance for semisynthetic

paclitaxel

Registered Drugs for Treatment

ovarian cancerbreast cancernon-small cell lung cancerresistant murine melanoma cell lines

Taxol (Paclitaxel)

O

OHH O

AcO

OHAcO O

BzO

O

OHBzHN

Bristol-Myers SquibbTaxotere (Docetaxel)

O

OHH O

AcO

OHOH O

BzO

O

OHNH

O

O

Aventis (Rhone-Poulenc)

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NaturstoffisolationSteroide

NaturstoffisolationSteroide

16

NaturstoffisolationSteroide

NucleinsäurenAufbau

OPO

OHO

O N

NN

NNH2

OPO

OHO

O

HO

N

NN

NNH2

(OH)

Purinbase

Nucleosid

Ribose / Desoxyribose

Phosphat

Nucleotid

5‘ Ende

3‘ Ende

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NucleinsäurenBasen

Pyrimidinbasen

N

NH

O

NH2

NH

NH

O

O

NH

NH

O

O

Cytosin Uracil Thymin

Purinbase

N

N NH

N

NH2

NH

N NH

N

O

NH2

Adenin Guanin

NucleinsäurenBasenpaarung

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NucleinsäurenDNA vs. RNA

DNA

RNA

LipideFette

OCOROCOROCOR

Triglyceride = Glycerin + Fettsäure

Wachse

R O

OR'

Wachse = Fettsäure + langkettiger Alkohol

Seifen

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AlkaloidePyrrolidin-, Piperidin- & Pyridinalkaloide

NH

N

N

NH

N

N

O

Coniin(Schierling)

Nicotin(Tabak)

Lysergsäurediethylamid(LSD, Mutterkorn)

Tropanalkaloide

N

O

O

OH

N COOMe

O

O

NH2

O

ON

NH

ON

Atropin(Tollkirsche)

Cocain(Cocastrauch)

Procain

Lidocain

AlkaloideChinolin/Isochinolinalkaloide

N

OMe

OMe

MeO

MeO

N

N

OH

MeO

Papaverin(Mohn)

Chinin(Chinarinde)

O

OH

OH

NH O

OH

NH

MeO

Morphin Codein

O

MeCOO

NH

MeCOO

ON

Ph

Heroin Methadon

O

MeCOO

NH

MeCOO Heroin

20

AlkaloidePurinalkaloide

N

N N

N

O

O

Me

Me

Me

NH

N N

N

O

OMe

Me

N

N N

NH

O

O

Me

Me

NH

NH

N

NH

O

OO

Koffein(Kaffee, Tee)

Theophyllin (Tee)

Theobromin (Kakao)

Harnsäure

AlkaloidePhenethylamine

NH2

OH

OH

NH2MeO

MeOOMe

NH

OH

OHOH

NH2

N+ O

O

Me

MeMe

NH

OH

NH2

NHOH

NH

NH

O

O

NH

NHCOMe

MeO

Mescalin (Peyote, Kaktus)

Adrenalin

Amphetamin (Appetitzügler)

Dopamin

"Ecstasy"

- OH

AcetylcholinSerotonin

Ephedrin

"Speed"

Melatonin

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AlkaloideSynthesen

NH

N

H

O

N

rac-Coniin

Reduktion

N

O

CHO

CHOH2NCH3

COOR

COOR

O

O

NMe

COOHHOOC+ +

Tropinon

N

OMe

OMe

MeO

MeONH2

HO

HO

OH

OH

CHO

N

OH

OH

HO

HO

Papaverin

Mannich

Methylierung

Dehydrierung