Benutzer:Dennis1232231/Artikelentwurf
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| Allgemeines | ||||||||||
| Name | Dennis1232231/Artikelentwurf | |||||||||
| Andere Namen |
(1R,2S,7S,10S,12S)-2,6,6-trimethyl-13-methylidenetetracyclo[10.3.1.01,10.02,7]hexadecan | |||||||||
| Summenformel | C20H32 | |||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | ||||||||||
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| Eigenschaften | ||||||||||
| Molare Masse | 272,49 g/mol | |||||||||
| Sicherheitshinweise | ||||||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). | ||||||||||
Stemoden ist ein Diterpen aus der Familie der Labdane, das zum ersten Mal in Reis nachgewiesen wurde. Im Reis wurde eine bestimmte Terpen-Synthase der Klasse 1 entdeckt, die für die Herstellung von Stemoden verantwortlich ist. Das entsprechende Gen wurde jedoch nicht im vollständigen Reisgenom gefunden, was darauf hindeutet, dass noch zu entdeckende Gene existieren. Die Diterpene sind eine Gruppe von Verbindungen mit einem Kohlenstoffgerüst, welches seit über 45 Jahren in der Forschung analysiert wurde.[1]
Vorkommen/Isolierung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Isolierung von Stemoden-Diterpen folgt aus Pflanzenmaterial, welches mehrere durchgeführte Schritte umfasst. Dazu gehören die chemische Extraktion, Reinigung und Strukturaufklärung. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte ausführlich erklärt und beschrieben. Zunächst einmal werden die Samen gesammelt. Die wichtigste Quelle für Stemodenditerpene ist die Pflanze Stemodia maritima, welches eine seltene Küstenpflanze ist, die entlang der Westindischen Inseln vorkommt. Dort wurde die seltene Pflanze traditionell zur Behandlung von Geschlechtskrankheiten eingesetzt und verwendet. Nach dem Sammeln des Pflanzenmaterials erfolgt die Extraktion, bei der geeignete Lösungsmittel verwendet werden, um die chemischen Verbindungen aus der Pflanze herauszulösen. Dabei wird das Pflanzenmaterial häufig getrocknet und pulverisiert, um die Extraktionseffizienz zu erhöhen. Der nächste Schritt ist die Reinigung der extrahierten Verbindungen. Zur Identifizierung der spezifischen Diterpene stehen verschiedene chromatographische Methoden zur Verfügung. Dazu gehören die Dünnschichtchromatographie, die Säulenchromatographie und die Hochleistungsflüssigchromatographie. Mit diesen verschiedenen Methoden werden die chemischen als auch die physikalischen Eigenschaften voneinander getrennt. Nach diesem Verfahren werden die isolierten Verbindungen analysiert. Es werden Spektroskopische Methoden wie Infrarotspektroskopie, Kernresonanz und Röntgenkristallographie eingesetzt, um die genaue chemische Struktur der Verbindungen zu bestimmen. Diese Art von Techniken liefern exakt genaue Informationen über die Molekülstruktur von Stemoden, einschließlich der Anordnung der verschiedenen Atome und der stereochemischen Konfiguration. Diese einzelnen Schritte zur Isolierung der Stemoden-Diterpene können je nach Ziel und Pflanzenmaterial variieren. Die genauen Bedingungen und Methoden werden durch die chemischen Eigenschaften der zu isolierenden Verbindungen und die zur Verfügung stehende Laborausstattung bestimmt. Die sogenannte Totalsynthese von Stemoden Diterpenen wurden von verschiedenen Gruppen untersucht. Dabei wird die Synthese von Desoxystemodinon beschrieben, die einen intramolekularen Ene-Prozess beinhaltet, der durch die Hydroxylsubstanz unterstützt beziehungsweise vereinfacht wird. Die Synthese, die hier bei behandelt wird, erfolgt in acht Schritten ausgehend von einem tricyclischen Keton. Diese erreichte eine Gesamtausbeute von etwa 35 %. Ein wichtiger Schritt war eine thermisch intramolekulare Ene-Reaktion. Diese wiederum erreichte eine Ausbeute von etwa 94 %. Ein weiterer Punkt, der hierbei eine große Rolle spielt, ist die Hydroxylfunktion. Diese bringt die Carbonylgruppe in eine günstige Konformation für die Umlagerung. Der nächste Punkt sind die Terpensynthasen, diese Enzyme katalysieren komplexe Reaktionen, die oft mehrere chirale Zentren besitzen. Sie beeinflussen jedoch nicht nur die Reaktion als Vorlage, sondern auch durch elektronische Effekte, die die Produktbildung beeinflussen. Das inspirierende ist, das durch die erfolgreiche Isolierung dieser Verbindungen, ermöglicht es den Wissenschaftlern, deren chemische Eigenschaften und mögliche Anwendungen weiter zu erforschen und zu analysieren.[2]
Retrosynthese
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Dieser Syntheseweg beinhaltet unteranderem die Synthese einer ordentlich substituierten Bicyclo[2.2.2]octan und dessen Umlagerung zu einem Bicyclo[3.2.1]octan-System, welcher in den Stemodan-Verbindungen vorliegt. Der grundsätzliche Syntheseweg ist im oberen Bild dargestellt. Dieser ignoriert die meisten funktionellen Gruppen, da es lediglich um die Darstellung geht. Im ersten Schritt wird die Ketogruppe durch eine beliebige Abgangsgruppe und durch ein R ersetzt. Dieses R kann entweder ein Wasserstoff oder eine Methylgruppe sein. Im nächsten und wichtigsten Schritt kommt es zu einer Umlagerung der Bindung am R und einer Abspaltung der Abgangsgruppe. Durch diese Umlagerung und durch das abgehen der Abgangsgruppe zu einem positiven sekundären/tertiären Carbokation. Dieses Carbokation ermöglicht es uns entweder eine Doppelbindung zu entwickeln oder ein Nukleophil an die Verbindung zu knüpfen. Dadurch ist es möglich alle Verbindungen der Stemodan Gruppe zu synthetisieren.[3]
Struktur/Eigenschaften
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Im Folgenden werden wir die einzelnen Eigenschaften erläutern und auf die Strukturen eingehen. Stemoden ist ein organisches Molekül mit der chemischen Formel C20H32 und einer molaren Masse von 272,468 g/mol. Der IUPAC Name lautet:(1R,2S,7S,10S,12S)-2,6,6-trimethyl-13-methylidenetetracyclo[10.3.1.01,10.02,7]hexadecan. Es gehört zur Klasse der polycyclischen nicht aromatischen Kohlenwasserstoffe. Die Struktur des Moleküls ist komplex und zeichnet sich durch mehrere cyclischen Ringe aus. 22D-Struktur 33D-Struktur Die beiden Abbildungen zeigen, dass das Molekül mehrere Stereozentren besitzt, welches auf die Präsenz spezifischer dreidimensionaler Konfigurationen hinweist, die die chemischen Eigenschaften und Wechselwirkungen des Moleküls beeinflussen können. Um die Stereozentren dieses Moleküls zu identifizieren und zu erklären, wo sie sich befinden, ist es notwendig, die genaue Struktur des Moleküls zu betrachten und die chiralitätsbezogenen Kohlenstoffatome zu analysieren.
Ein Stereozentrum (Chiralitätszentrum) ist ein Kohlenstoffatom, das vier verschiedene Substituenten besitzt, wodurch zwei nicht überlagerbare Spiegelbilder (Enantiomere) entstehen können. Zunächst fangen wir beim A-Ring (Cyclohexan-Ring), dieser Ring hat typischerweise zwei Stereozentren, da die C-Atome, die Substituenten in axialer oder äquatorialer Position haben können. Der B-Ring (Cyclohexenring) dagegen, dieser Ring besitzt auch Stereozentren, da durch die Anordnung der Doppelbindung die Kohlenstoffatome substituiert sind. Der C-Ring (Cyclohexan Ring), analog zum A-Ring hat ebenfalls mögliche Stereozentren. Zu guter Letzt hat der D-Ring (Cyclopentan-Ring), der ein fünfringige Kohlenstoffring enthält Stereozentren aufgrund der Anordnung der Substituenten. In der Struktur von Stemod-13(17)-en befinden sich die spezifischen Stereozentren an den folgenden Kohlenstoffatomen:
- C1: Befindet sich am ersten Kohlenstoffatom im A-Ring und trägt vier unterschiedliche Substituenten.
- C2: Am dritten Kohlenstoffatom des A-Rings, welches auch vier verschiedene Substituenten trägt.
- C5: Am fünften Kohlenstoffatom des B-Rings mit vier unterschiedlichen Substituenten.
- C7: Am siebten Kohlenstoffatom im B-Ring.
- C9: Am neunten Kohlenstoffatom im C-Ring.
- C11: Am elften Kohlenstoffatom im C-Ring.
- C14: Am vierzehnten Kohlenstoffatom im D-Ring.
- C17: Am siebzehnten Kohlenstoffatom im D-Ring.
Diese Stereozentren sind aufgrund der Verzweigung und Anordnung der Ringe und Substituenten eindeutig chiral und tragen zur Komplexität der 3D-Struktur des Moleküls bei. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Stemod-13(17)-en durch seine vielen Stereozentren charakterisiert ist, die sich an den Kohlenstoffatomen C1, C3, C5, C7, C9, C11, C14 und C17 befinden. Diese Atome haben alle vier verschiedenen Substituenten, was zur Chiralität des Moleküls beiträgt. Stemoden verfügt über keine Wasserstoffbrücken-Akzeptoren, was darauf hinweist, dass es keine polaren funktionellen Gruppen enthält, die Wasserstoffbrückenbindungen bilden können. Darüber hinaus hat es keine drehbaren Bindungen, was auf eine starre Struktur hinweist. Der Verteilungskoeffizient liegt bei 5.6. Dies betont die Lipophilie und zeigt an, dass das Molekül eine niedrige ...
Wirkung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Wirkung des Moleküls Stemoden spielt eine entscheidende Rolle in der Chemie. Es steuert nicht nur spezifische Reaktionen, sondern auch Interaktionen in lebenden Organismen. Wie bereits erwähnt wird das Molekül aufgrund seiner bemerkenswerten medizinischen Eigenschaften untersucht. Traditionell wurde es als Behandlungsmittel für Geschlechtskrankheiten genutzt. Darüber hinaus zeigt ein verwandtes Diterpen, Aphidicolin, eine Vielzahl biologischer Aktivitäten, darunter antivirale und anti tumorale Eigenschaften, was sein medizinisches Potenzial unterstreicht. Die strukturelle Beziehung zwischen diesen Molekülen wird durch chemische Interkonversionen deutlich, bei denen Stemodin zu Stemodinon oxidiert und anschließend zu 2-Desoxystemodinon reduziert wird. Eine bedeutende Synthesemethode für 2-Desoxystemodinon beginnt mit einem bekannten tricyclischen Keton und nutzt eine intramolekulare Ene-Reaktion. Die Hauptaspekte der Wirkung von Terpen-Synthasen beeinflussen die Produktbildung durch stereoelektronische Effekte, die den Reaktionsverlauf steuern. Das bei der Reaktion entstehende Pyrophosphat-Produkt dient als Gegenion und zieht die Wanderung des Carbenium-Ions an, wodurch komplexe Reaktionen ermöglicht werden. Diese Vielfalt in den Eigenschaften und Methoden der Stammzellen eröffnet neue Möglichkeiten und stellt gleichzeitig Herausforderungen für deren Anwendung in der Medizin dar.[2]
Biosynthese
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Der Ausgangsstoff der Biosynthese von Stemoden ist (2E,6E,10E) -Geranylgeranyl-Diphosphat (GGPP) (C20H36O7P2). GGPP ist ein wichtiges Zwischenprodukt in der Isoprenoid-Biosynthese und spielt eine zentrale Rolle in vielen biologischen Prozessen. Es wird in mehreren Schritten synthetisiert und ist ein Vorläufer für eine Vielzahl von Terpenen und Terpenoiden. Dieses reagiert im ersten Teil der Biosynthese zu syn-Copalyl-Diphosphat (syn-CPP) und im zweiten Schritt weiter zu Stemoden. Beide Schritte der Synthese sind enzymkatalysiert, was die Spezifität und Effizienz der Reaktionen gewährleistet. Im ersten Schritt der Biosynthese wird OsCPL4 (auch CPS4; CYC1; OsCyc1; OsCPSsyn genannt) verwendet, welches Teil der Oryza sativa Japonica-Gruppe ist. Dieses Enzym hat eine entscheidende Funktion und wird intensiv erforscht, um seine Mechanismen besser zu verstehen. Zuerst wird das C14-Kohlenstoffatom von GGPP protoniert, wodurch eine positive Ladung an C15 entsteht. Die positive Ladung an C15 wird von der Doppelbindung zwischen C10/C11 angegriffen, wodurch eine neue Bindung zwischen C15 und C10 entsteht. Hierbei bildet sich der erste Sechsring, mit einer positiven Ladung an C11. Die neue positive Ladung an C11 wird von der Doppelbindung zwischen C6/C7 angegriffen, wobei der zweite Sechsring entsteht. Die neue Bindung liegt zwischen C6 und C11, und die positive Ladung ist an C7. Das Molekül besitzt jetzt zwei relevante Stereozentren, jeweils an C6 und C11, wobei die Bindung C5/C6 nach hinten zeigt (C6 (r-konfiguriert)) und die Bindung C11/C18 nach vorne (C11 (s-konfiguriert)). Diese Konfigurationen sind entscheidend für die spätere biologische Aktivität der Verbindungen. Im letzten, von OsCPL4 katalysierten Schritt wird ein Proton von C19 eliminiert, wobei eine Doppelbindung zwischen C7 und C19 entsteht. Das erhaltene Zwischenprodukt ist syn-Copalyl-Diphosphat (syn-CPP), ein wichtiges Zwischenprodukt in der Terpenbiosynthese. Im zweiten Schritt der Biosynthese wird das Enzym OsKLS11 verwendet, um aus syn-Copalyl-Diphosphat Stemoden (syn-CPP) herzustellen. Auch OsKLS11 gehört zur Gruppe der Oryza sativa. Dieses Enzym ist besonders interessant, da es spezifische strukturelle Anforderungen erfüllt, um die Reaktion zu katalysieren. Als erstes greift die Doppelbindung C7/C19 am C3 an, wodurch die Doppelbindung C3/C2 zu C2/C1 umklappt und somit die C1/OPP-Bindung bricht. Wir erhalten als Nebenprodukt Diphosphat (in protonierter Form), welches in weiteren Stoffwechselwegen wiederverwendet werden kann. Mit der neuen C3/C19-Bindung entsteht ein weiterer Sechsring mit einer positiven Ladung an C7 und einem weiteren Stereozentrum an C3. Die C3/C20-Bindung geht nach vorne und die C3/C2-Bindung nach hinten (C3 (s-konfiguriert)). Diese Konfiguration ist entscheidend für die Stabilität des Zwischenprodukts. Als nächstes gibt es einen H-Shift zwischen C7 und C6, wobei die positive Ladung nun an C6 sitzt. Die positive Ladung wird von der Doppelbindung C1/C2 angegriffen, wobei sich eine Ringbrücke bildet mit einer positiven Ladung an C2 und einer neuen Bindung zwischen C1 und C6. Die positive Ladung von C2 wird von C19 angegriffen, wobei sich die Bindung zwischen C19 und C3 löst. Es gibt also einen C-Shift zwischen C2 und C19. Die positive Ladung befindet sich an C3. Das Stereozentrum an C2 ist s-konfiguriert und das Stereozentrum an C6 ist r-konfiguriert. Diese Konfigurationen sind nicht nur für die chemische Reaktivität, sondern auch für die biologische Funktion des Endprodukts von Bedeutung. Im letzten Schritt der Biosynthese wird ein Wasserstoffion an C20 eliminiert, wodurch sich eine Doppelbindung zwischen C3 und C20 bildet. Das Endprodukt ist syn-Stemod-13(17) -en, eine Verbindung, die durch ihre spezifische Struktur und Funktion in der Natur eine wichtige Rolle spielt. Stemoden und seine Derivate haben potenzielle Anwendungen in der Medizin und Landwirtschaft, was die Bedeutung dieser Biosynthesewege unterstreicht. Die genaue Erforschung dieser Prozesse kann zu neuen Erkenntnissen und Anwendungen führen, die weitreichende Auswirkungen auf verschiedene wissenschaftliche und industrielle Bereiche haben könnten.[5]
Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ Kristina M Hettne, Antony J Williams, Erik M van Mulligen, Jos Kleinjans, Valery Tkachenko, Jan A Kors: Automatic vs. manual curation of a multi-source chemical dictionary: the impact on text mining. In: Journal of Cheminformatics. Band 2, Nr. 1, Dezember 2010, doi:10.1186/1758-2946-2-3, PMID 20331846, PMC 848622 (freier Volltext).
- ↑ a b Ke Zhou, Reuben J. Peters: Electrostatic effects on (di)terpene synthase product outcome. In: Chemical Communications. Band 47, Nr. 14, 2011, S. 4074, doi:10.1039/c0cc02960b, PMID 21305070, PMC 3718459 (freier Volltext).
- ↑ IAN Douglas Suckling: Total Synthesis of Stemodane-Type Diterpenoids: Maritimol, Stemodin, Stemodinone and 2-Desoxystemodinone. Hrsg.: The University of British Columbia. 1983 (englisch).
- ↑ Peter Ertl, Bernhard Rohde, Paul Selzer: Fast Calculation of Molecular Polar Surface Area as a Sum of Fragment-Based Contributions and Its Application to the Prediction of Drug Transport Properties. In: Journal of Medicinal Chemistry. Band 43, Nr. 20, 1. Oktober 2000, S. 3714–3717, doi:10.1021/jm000942e.
- ↑ Dana Morrone, Yinghua Jin, Meimei Xu, Suh-Yeon Choi, Robert M. Coates, Reuben J. Peters: An unexpected diterpene cyclase from rice: Functional identication of a stemodene synthase. In: Archives of Biochemistry and Biophysics. Band 448, Nr. 1-2, 15. April 2006, doi:10.1016/j.abb.2005.09.001 (englisch).