2 Biotransformation und biomimetische Umsetzung von Benzilaten - Literaturübersicht

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Erste Ergebnisse zur Metabolisierung von Benzilaten wurden 1960 durch Beckmann veröffentlicht [5]. In der Studie wurde das Verhalten von Piribenzil-methylsulfat [Benzilsäure-(N,N-dimethyl-2-hydroxymethyl-piperidinium)-ester methylsulfat] in der Ratte und im menschlichen Organismus untersucht (Abb. 1).

Abb. 1: Piribenzil-methylsulfat (Metabolisierung in der Ratte und im Menschen)

Neben unveränderter Ausgangssubstanz und dem quartären Ammoniumalkohol im Rattenkot wurde im Urin zusätzlich unveränderte Benzilsäure gefunden. Mit der Galle ist ausschließlich hydrolisierte Substanz eliminiert worden.

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Bei der Untersuchung der Biotransformation von Benactyzin (β-Diethylaminoethyl benzilat) in der Ratte wurde als Hauptmetabolisierungsprodukt Benzilsäure identifiziert (Abb. 2) [ 6]. Außerdem konnten noch unveränderte Substanz und das Dealkylierungs-produkt β-Ethylaminoethyl benzilat nachgewiesen werden.

Abb. 2: Benactyzin (Metabolisierung in der Ratte)

Mit Benapryzin (N-Ethyl-N-propyl-aminoethyl benzilat) wurde ein weiterer Benzil-
säureester hinsichtlich seiner Metabolisierung im Menschen und in der Ratte untersucht (Abb. 3) [ 7].

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Abb. 3: Benapryzin (Metabolisierung in der Ratte und im Menschen)

Es konnte keine Ausgangssubstanz wiedergefunden werden. Als Hauptprodukt der Biotransformation wurde Benzilsäure identifiziert. Zusätzlich wurden die Hydrolyse- und Dealkylierungsprodukte Ethylpropylaminoethanol, Propylaminoethanol und Ethyl-aminoethanol nachgewiesen.

Zur Biotransformation von Propiverin (N-Methyl-4-piperidinyl O-propylbenzilat)
liegen verschiedene Veröffentlichungen vor (Abb. 4) [ 8 , 9]. Im Urin der Ratte konnten hauptsächlich Benzilsäure, N-Methyl-4-piperidylbenzilat, O-n-Propylbenzilsäure und ein Lacton (2,2-Diphenyl-5-methyl-1,4-dioxan-3-on), das wahrscheinlich als Metabonat über die O-(2-Hydroxypropyl)benzilsäure entsteht, nachgewiesen werden. Weiterhin wurden das Propiverin-N-Oxid, das N-Oxid von N-Methyl-4-piperidyl benzilat, ein seitenkettenhydroxyliertes Produkt, 4-Hydroxybenzophenon und Benzilsäureethylester als Artefakt identifiziert [ 9, 10, 11]. Bei Untersuchungen an Affe und Hund kam man mit Ausnahme des Fehlens vom Lactons zu gleichen Ergebnissen [ 9].

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Abb. 4: Propiverin (Metabolisierung in der Ratte und im Menschen)

N-Dealkylierte Verbindungen und Diphenylessigsäurestrukturen konnten nicht nachgewiesen werden. Auch die Entstehung phenolischer Produkte wurde nicht beobachtet. Die Bildung von 4-Hydroxybenzophenon konnte widerlegt werden [8]. Als Hauptmetabolisierungswege von Propiverin im Tier werden die Spaltung des Esters, oxidative O-Dealkylierungen der Seitenkette und Oxigenierung der Propylseitenkette angesehen.

Im Vergleich dazu wurde das Metabolitenspektrum von Propiverin im Menschen und in adulten und fetalen Humanlebermikrosomen untersucht. Dabei wurden Benzilsäure,
N-Methyl-4-piperidyl benzilat und -N-Oxid, die N-Demethylverbindung und das
N-Oxid von Propiverin, O-n-Propylbenzilsäure, 4-Piperidyl benzilat, das oben beschriebene Lacton, weitere seitenkettenhydroxylierte Produkte, Piperidin-4-ol,
N-Methylpiperidin-4-ol und -N-oxid sowie weitere Oxigenierungsprodukte der Seitenkette nachgewiesen [8, 12, 13, 14, 15, 16]. Als Ergebnis von Konjugationsreaktionen wurden verschiedene Glucuronide isoliert. Neben unveränderter Ausgangssubstanz konnten große Mengen an N-Methyl-4-piperidyl benzilat bestimmt werden. Auch beim Menschen konnten keine aromatischen C-Oxigenierungen und Reduktionen zu Diphenylessigsäurederivaten nachgewiesen werden.

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Eine Ergänzung zu den Biotransformationsuntersuchungen von Propiverin am Tier und Menschen stellte die biomimetische Umsetzung der Substanz dar [8]. Dabei wurden das N-Oxid und die N-Demethylverbindung von Propiverin, die O-n-Propylbenzilsäure, N-Methyl-4-piperidyl benzilat, Benzilsäure, Benzophenon und 4-Hydroxybenzophenon isoliert und identifiziert. Somit erfolgte anhand dieses chemischen Modells, in Übereinstimmung zum tierischen und menschlichen Organismus, die Simulierung der Funktionalisierungsreaktionen N-Oxidation, N-Demethylierung, Ether- und Ester-spaltung.

Eine weitere Untersuchung beschäftigte sich speziell mit der Biotransformation des Hauptmetaboliten von Propiverin – dem N-Methyl-4-piperidyl benzilat - in der Ratte (Abb. 5) [10]. Dabei wurde als Hauptmetabolit Benzilsäure identifiziert. Weiterhin traten neben Ausgangssubstanz das N-Oxid-Isomer, wenig N-Demethylierungsprodukt und 4-Hydroxybenzophenon auf.

Auch beim N-Methyl-4-piperidyl benzilat wurden biomimetische Untersuchungen durchgeführt [ 8]. Es konnten in Analogie zur in vivo-Studie N-Oxid, N-De-methylierungsprodukt, Benzilsäure und 4-Hydroxybenzophenon gefunden werden. Zusätzlich traten noch weitere am Aromaten hydroxylierte Benzilsäuren und Benzophenone auf.

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Abb. 5: N-Methyl-4-piperidyl benzilat (Metabolisierung in der Ratte)

Strukturell eng verwandt sind das (R,S)-N-Ethyl-3-piperidyl benzilat und das (R,S)-N-Methyl-4-piperidyl 4-methoxybenzilat (Abb. 6). Die Biotransformation des ersteren wurde von Chen et al. in der Ratte untersucht [17]. Dabei wurde neben den Hydrolyseprodukten zusätzlich die N-Deethylverbindung identifiziert. Beim substituierten 4-Methoxybenzilat konnte ein nahezu vollständiger Abbau in der Ratte beobachtet werden [18]. Als Metabolisierungswege traten N-Oxidbildung, N-De-alkylierung, Esterspaltung zu Benzilsäuren, Etherspaltung an der Methoxygruppe und die Oxidation zum Benzophenon auf. Außerdem konnten aromatische C-Oxi-genierungen und die Bildung der 4-Methoxydiphenylessigsäure nachgewiesen werden.

Abb. 6: N-Ethyl-3-piperidyl benzilat, (R,S)-N-Methyl-4-piperidyl 4-methoxybenzilat (Metabolisierung in der Ratte)

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(R,S)-N-Methyl-4-piperidyl 4-methoxybenzilat wurde ebenfalls einer biomimetischen Untersuchung unterzogen [8]. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus der Biotransformationsuntersuchung an der Ratte konnten N-Oxidbildung, N-Dealkylierung, Esterspaltung, Methoxygruppenspaltung und Oxidation zum Benzophenon beobachtet werden. Außerdem erfolgte eine zusätzliche Hydroxylierung am substituierten aromatischen Ring.

Das Spasmolytikum Denaverin (2-Dimethylaminoethyl O-(2-ethylbutyl)-benzilat] wurde in verschiedenen Studien hinsichtlich seiner Metabolisierung untersucht (Abb. 7) [19, 20, 21].

Abb. 7: Denaverin (Metabolisierung in der Ratte und im Menschen)

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In der Ratte wurde von Lisowski die Bildung von Benzilsäure als Hauptmetaboliten, eine Demethylierung des basischen Esters und die Entstehung von Diphenylessigsäure und derem Dimethylaminoethylester beobachtet [ 19]. Zusätzlich trat in größeren Mengen das 3,3-Diphenylmorpholin-2-on, vermutlich als Metabonat, auf.

Beim Menschen wurden Veränderungen in den Seitenketten beobachtet [ 21]. Die Mehrzahl der Metabolite weist eine 2-Hydroxyethylesterstruktur auf. Dabei traten in der Esterkette eine Demethylierung mit nachfolgender Deaminierung und Hydroxylierung auf. In der Etherseitenkette wurden verschiedene Oxigenierungen mit z. T. nachfolgender Oxidation bis zu Buttersäurederivaten beobachtet, die meist nur in Form ihrer Glucuronide isoliert werden konnten. Außerdem wurden das 2-Hydroxy-ethylbenzilat und der durch Reduktion gebildete entsprechende Diphenylessigsäureester nachgewiesen. Phenolische Produkte traten weder bei der Ratte noch beim Menschen in Erscheinung.

Zusätzlich zu den Versuchen am lebenden Organismus erfolgte eine vergleichende Umsetzung in einer biomimetischen Studie [4]. Dabei wurden als Produkte das N-Oxid,
die N-Formylverbindung und die N-Demethylverbindung von Denaverin identifiziert. Weiterhin wurden Ester- und Etherspaltung beobachtet. Auch o-hydroxylierte Produkte konnten nachgewiesen werden. Es wurden zwar in Übereinstimmung zu den Untersuchungen an Ratte und Mensch Metabolite isoliert, die durch Ester- und Etherspaltung und Deaminierung entstanden sind, allerdings erwies sich die o-hydroxylierte Produkte konnten nachgewiesen werden. Es wurden zwar in Übereinstimmung zu den Untersuchungen an Ratte und Mensch Metabolite isoliert, die durch Ester- und Etherspaltung und Deaminierung entstanden sind, allerdings erwies sich die Mannigfaltigkeit der Hydroxylierungen in den Seitenketten beim Menschen als nicht simulierbar.

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Mit Epicainid (N-[(1-Ethyl-pyrrolidin-2-yl)methyl] benzilamid) wurde ein antiarrhythmisch wirkendes Benzilamid in der Ratte und im Menschen hinsichtlich seiner Metabolisierung untersucht (Abb. 8) [22].

Abb. 8: Epicainid (Metabolisierung in der Ratte und im Menschen)

In der Ratte stellte die aromatische Oxigenierung den Hauptbiotransformationsweg dar. Neben 3-Hydroxy-4-methoxyepicainid konnten weiterhin 4-Hydroxy-, 3,4-Dihydroxy- und 3,4‘-Dihydroxy-4-methoxyverbindungen nachgewiesen werden. Beim Menschen blieb das aromatische Ringsystem dagegen unverändert. Hauptmetaboliten wurden durch N-Deethylierung und Lactamisierung gebildet. Außerdem erfolgte eine Amidspaltung und Bildung von Benzilsäure. Ein Teil der Metabolite wurde als Konjugat ausgeschieden.

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Trospiumchlorid (3α-Benziloyloxynortropan-8-spiro-1‘-pyrrolidinium chlorid), einge-setzt vor allem bei Harninkontinenz, wird beim Menschen fast unverändert ausgeschieden (Abb. 9) [ 23, 24, 25, 26].

Abb. 9: Trospiumchlorid (Metabolisierung im Menschen)

Als Metabolite konnten nur die Hydrolyseprodukte gefunden werden.

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Von den im Rahmen dieser Arbeit zur Diskussion stehenden Verbindungen wurden von Smolinka die biomimetischen Umsetzungen der Substanzen (R,S)-N-Methyl-
4-piperidyl 3,4-dimethoxybenzilat (1), (R,S)-N-Methyl-3-piperidyl 3,4-dimethoxy-benzilat () und N-Methyl-4-piperidyl 3,3‘-dimethoxybenzilat () untersucht (vgl. 3) untersucht (vgl. 1). Die Umsetzungen erfolgten im wässrigen und nichtwässrigen Milieu unter Verwendung von verschiedenen Katalysatoren, Co-Katalysatoren und Sauerstoffdonatoren [ 4]. Im Produktspektrum der Substanzen konnten die N-Oxide, die N-Dealkylierungsprodukte, die N-Formylverbindungen, die freien Benzilsäuren, die Benzophenone und die Methylester, letztere als Artefakte, identifiziert werden. Zusätzlich wurden bei 1und 3 die Methylether und einige durch die Umsetzung bedingte chlorierte Produkte nachgewiesen. Außerdem konnten bei 1 ein oxigeniertes Benzophenon und bei 3geringe Mengen an phenolischen Substanzen in den wässrigen Ansätzenisoliert werden. Es bestehen keine wesentlichen Unterschiede im Produktspektrum bei Umsetzungen im wässrigen und nichtwässrigen Milieu. Schema 1 zeigt die erhaltenen Umsetzungsprodukte von 1 in der Übersicht.

Schema 1: Biomimetische Umsetzung von 1 nach [4]

Entsprechend den unterschiedlichen Substitutionsmustern von 2 und 3 ergeben sich die in Schema 2 und Schema 3 dargestellten Produktspektren.

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Schema 2: Biomimetische Umsetzung von 2nach [4]

Das 3-Piperidylderivat 2 erwies sich gegenüber oxidativen Angriffen stabiler als 1 und 3, was sich in einem eingeschränkten Produktspektrum mit geringerer Ausbeute ausdrückte.

Schema 3: Biomimetische Umsetzung von 3 nach [ 4]

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Aus den bisher durchgeführten Biotransformationsuntersuchungen an Benzilsäurederivaten können kaum Voraussagen für weitere Studien ähnlicher Strukturen getätigt werden. Einen generellen Metabolisierungsweg stellt die Hydrolyse zur Benzilsäure dar. Beim Menschen erfolgt die Verstoffwechselung bevorzugt im nichtaromatischen Teil des Moleküls, während bei der Ratte die ganze Verbindung Veränderungen erfährt. Die Biomimetik kann hier als Erkundungsmethode insbesondere zur Synthese von Vergleichssubstanzen dienen. Sie führt vor allem in den Seitenketten und nicht im aromatischen Bereich des Moleküls zu Strukturveränderungen, hat bisher aber besonders Probleme in der Simulierung von C-Oxigenierungen gezeigt.


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26.09.2006