Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin

Prof. Dr. Jürgen Mlynek

• 1.  Einleitung und Problemstellung

• 2.  Theoretischer Teil

  • 2.1. Die Leitstruktur N-Methyl-4-piperidyl benzilat und verwandte Verbindungen mit anticholinerger Wirkung

  • 2.2.  Stereoselektive Darstellung chiraler α-Hydroxyester – eine Literaturübersicht

    • 2.2.1. Allgemein

    • 2.2.2.  Prelog-Regel

    • 2.2.3. Chirale α-Ketooxazoline

    • 2.2.4. Vicinale cis-Aminoindanole

    • 2.2.5. (-)-Menthyl phenylglyoxylate

    • 2.2.6. (-)-8-Phenylmenthol als chirales Auxiliar

    • 2.2.7. Derivate des (-)-8-Phenylmenthol

    • 2.2.8. Zusammenfassung

• 3.  Untersuchungen und Ergebnisse

  • 3.1. Systematische Untersuchung der Darstellung von optisch aktiven Benzilsäureestern

    • 3.1.1. Einleitung

    • 3.1.2. Untersuchungen zur Synthese

      • 3.1.2.1. Synthese der Vorstufen

      • 3.1.2.2. Stereoselektive Addition des Grignard-Reagenzes

      • 3.1.2.3.  Darstellung der enantiomeren Zielstrukturen

      • 3.1.2.4. Darstellung racemischer N-Methyl-4-piperidyl benzilate

      • 3.1.2.5. Diskussion

    • 3.1.3. Kristallisationsmethoden

      • 3.1.3.1. Trennung der Enantiomere durch physikalische Methoden

      • 3.1.3.2. Chemische Trennung der Enantiomere über Diastereomere

      • 3.1.3.3. Diskussion

    • 3.1.4. Chromatographische Methoden

      • 3.1.4.1.  Direkte Racemattrennung an chiralen stationären Phasen

      • 3.1.4.2. Indirekte Racemattrennung an achiraler stationärer Phase

      • 3.1.4.3. Diskussion

    • 3.1.5.  Enzymatische Umsetzung

      • 3.1.5.1. Vorversuche - Enzymscreening

      • 3.1.5.2. Enantioselektivität der enzymatischen Reaktion

      • 3.1.5.3. Diskussion

  • 3.2.  Analytische Charakterisierung

    • 3.2.1. Polarimetrie

    • 3.2.2.  Circulardichroismus (CD) und Optische Rotationsdispersion (ORD)

    • 3.2.3.  Kernresonanzspektroskopie

    • 3.2.4. Kapillarelektrophorese

    • 3.2.5. Röntgenkristallstrukturanalyse

    • 3.2.6.  Diskussion

  • 3.3. Stabilitätsuntersuchungen: Racemisierung/Epimerisierung

    • 3.3.1. Stabilität in wässriger Lösung

    • 3.3.2. Stabilität von N-Methyl-4-piperidyl-, (-)-Menthyl- und (-)-8-Phenylmenthyl benzilaten im schwefelsauren Milieu

    • 3.3.3. Diskussion

  • 3.4.  Radioligand-Bindungsstudien an Muscarinrezeptorsubtypen

    • 3.4.1. Untersuchungen

    • 3.4.2. Diskussion

  • 3.5.  Molecular Modelling

    • 3.5.1. Einleitung

    • 3.5.2.  Methoden

      • 3.5.2.1. Modelling der Rezeptoren

      • 3.5.2.2.  Dockingstudien

      • 3.5.2.3. Energieoptimierung des Rezeptor-Ligand-Komplexes

    • 3.5.3.  _Ergebnisse

      • 3.5.3.1.  _{Qualitative Auswertung}

      • 3.5.3.2. Quantitative Auswertung

    • 3.5.4. Diskussion

• 4.  Experimenteller Teil

  • 4.1. Allgemeine Bemerkungen

    • 4.1.1. Geräte

    • 4.1.2.  Lösungsmittel und Chemikalien

  • 4.2.  Vergleichssubstanzen

  • 4.3.  Allgemeine Synthesevorschriften und dargestellte Verbindungen

    • 4.3.1. Darstellung enantiomerenreiner substituierter N-Methyl-4-piperidyl benzilate

      • 4.3.1.1. Darstellung substituierter Phenylglyoxylsäuren

      • 4.3.1.2.  Darstellung der (-)-8-Phenylmenthylester der unsubstituierten/substituierten Phenylglyoxylsäure

      • 4.3.1.3.  Darstellung der (-)-8-Phenylmenthyl benzilate

      • 4.3.1.4. Darstellung der substituierten (R)-/(S)-Benzilsäure

      • 4.3.1.5.  Darstellung der (R)- und (S)-Methyl benzilate

      • 4.3.1.6.  Darstellung der enantiomeren Zielstrukturen: (R)-/(S)-N-Methyl-4-piperidyl benzilate

    • 4.3.2. Darstellung der Racemate substituierter N-Methyl-4-piperidyl benzilate

      • 4.3.2.1. Darstellung racemischer Methyl benzilate

      • 4.3.2.2. Darstellung racemischer N-Methyl-4-piperidyl benzilate

      • 4.3.2.3.  Darstellung substituierter (-)-Menthyl (R,S)-benzilate

    • 4.3.3. Kristallisationsmethoden

      • 4.3.3.1. Fraktionierte Kristallisation

      • 4.3.3.2. Vorzugskristallisation

  • 4.4. Analytische Methoden

    • 4.4.1. UV-spektroskopische Untersuchungen

    • 4.4.2. Kernresonanzspektroskopische Untersuchungen

    • 4.4.3. Massenspektrometrische Untersuchungen

    • 4.4.4. Chromatographische Methoden

      • 4.4.4.1. Analytische Dünnschichtchromatographie

      • 4.4.4.2.  Analytische HPLC

      • 4.4.4.3. Semipräparative HPLC

      • 4.4.4.4. Präparative Säulenchromatographie

    • 4.4.5. Polarimetrie

    • 4.4.6. Circulardichroismus (CD) und Optische Rotationsdispersion (ORD)

    • 4.4.7. Kapillarelektrophorese

  • 4.5. Enzymatische Untersuchungen

  • 4.6.  Radioligand-Bindungsstudien an Muscarinrezeptoren

• 5.  Zusammenfassung

• Literaturverzeichnis

• Abkürzungsverzeichnis

  • Verzeichnis der verwendeten Substanzbezeichnungen (Teil 1)

  • Verzeichnis der verwendeten Substanzbezeichnungen (Teil 2)

  • Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen

• Danksagung

• Eidesstattliche Erklärung

• Tab. 1: Enantiomere Zielstrukturen der N-Methyl-4-piperidyl benzilate

• Tab. 2: Synthese substituierter Phenylglyoxylsäuren Ib

• Tab. 3: (-)-8-Phenylmenthyl glyoxylate

• Tab. 4: HPLC-Chromatogramme zur Bestimmung der enantiomeren Reinheit von (S)-Methyl 3-methoxybenzilat (61) (Methode A)

• Tab. 5: Resultate der asymmetrischen Induktion für ausgewählte Vertreter

• Tab. 6: Schmelzpunkte der Racemate und Enantiomere von N-Methyl-4-piperidyl benzilaten

• Tab. 7: Racemattrennung mittels Substanzfamilien

• Tab. 8: Fraktionierte Kristallisation mit Weinsäurederivaten (O,O´-Dibenzoylweinsäure/ O,O´-Di-p-toluoylweinsäure 1:10)

• Tab. 9: Analytische Trennung strukturverwandter Verbindungen

• Tab. 10: Direkte Racemattrennung von 3-Methoxybenzilsäure (52), Methyl 3-methoxy-benzilat (69), N-Methyl-4-piperidyl 3-methoxybenzilat (79)

• Tab. 11: Retentionszeiten und chromatographische Auflösung R_S von enantiomeren N-Methyl-4-piperidyl benzilaten

• Tab. 12: Elutionsreihenfolge strukturell verwandter Benzilate

• Tab. 13: Diastereomerentrennung durch RP-HPLC

• Tab. 14: Enzymatische Umsetzung von racemischen Benzilsäurederivaten

• Tab. 15: Resultate der enzymatischen Hydrolyse

• Tab. 16: Spezifische Drehung enantiomerer Benzilate

• Tab. 17: Chemische Verschiebungen relevanter Substituentenprotonen von (-)-8-Phenyl-menthyl benzilaten

• Tab. 18: Chemische Verschiebungen relevanter Substituentenprotonen von (-)-Menthyl benzilaten

• Tab. 19: Konformationen der N-Methyl-4-piperidyl benzilate

• Tab. 20: Untersuchungen zur Racemisierung von (R)-N-Methyl-4-piperidyl 3-methoxy-benzilat (15) im pH-Bereich von 2 bis 9 bei einer Temperatur von 80°C

• Tab. 21: Verlauf der Racemisierung von (R)-N-Methyl-4-piperidyl 3-methoxy- benzilat (15) im schwefelsauren Milieu

• Tab. 22: Verlauf der Epimerisierung von (-)-Menthyl 3,4-dimethoxybenzilat (Peak 1)* A und (-)-8-Phenylmenthyl (S)-3-methoxybenzilat B im schwefelsauren Milieu

• Tab. 23: pKi-Werte an den Muscarinrezeptorsubtypen

• Tab. 24: Aminosäuren der Bindungstasche des M1-, M2- und M3-Rezeptors

• Tab. 25: Berechnete Wechselwirkungsenergien (WWE) der Rezeptor-Ligand-Komplexe

• Tab. 26: Bezifferung der Phenylglyoxylsäuren

• Tab. 27: Bezifferung der (-)-8-Phenylmenthyl phenylglyoxylate

• Tab. 28: Bezifferung der S-konfigurierten* (-)-8-Phenylmenthyl benzilate

• Tab. 29: Bezifferung der R-konfigurierten* (-)-8-Phenylmenthyl benzilate

• Tab. 30: Bezifferung der (R)-/(S)-Benzilsäure

• Tab. 31: Bezifferung der (R)-/(S)-Methyl benzilate

• Tab. 32: Bezifferung der (R)-/(S)-N-Methyl-4-piperidyl benzilate

• Tab. 33: Bezifferung der racemischen (R,S)-Methyl benzilate

• Tab. 34: Bezifferung der racemischen (R,S)-N-Methyl-4-piperidyl benzilate

• Tab. 35: Synthetisierte (-)-Menthyl (R,S)-benzilate

• Tab. 36: Fließmittelgemische der Dünnschichtchromatographie

• Tab. 37: Detektionsmittel der Dünnschichtchromatographie

• Abb. 1: Anticholinerg wirksame Verbindungen

• Abb. 2: α-Hydroxyester mit stereogenem Zentrum

• Schema 1: Angriff des Nucleophils an das Carbonyl-C-Atom des Phenylglyoxylates

• Schema 2: Chirale Information im Ester

• Schema 3: Prelog-Regel, S: small, M: medium, L: large

• Schema 4: Addition von Grignard- und Organolithium-Reagenzien an α-Ketooxazoline

• Schema 5: Reaktionsmechanismus von Aryllithium an α-Ketooxazoline und daraus resultierende absolute Konfiguration

• Abb. 3: Chirale Oxazoline

• Schema 6: Stereoselektive Addition an vicinalen cis-Aminoindanolen [19]

• Schema 7: Symmetrische und unsymme-trische Organozinkverbindung

• Diagramm 1: Einfluss des Grignard-Reagenzes und des ZnX₂-Zusatzes auf den Diastereomerenüberschuss (de) der Additionsreaktion an (-)-Menthyl phenylglyoxylat in Tetrahydrofuran bei -78°C [20] (s. Schema 8)

• Schema 8: Übergangszustand - Angriff des organischen Restes des unsymmetrischen Zinkorganyls von der si-Seite (R: Alkyl)

• Abb. 4: Chirale Auxiliare

• Abb. 5: Chirale Phenylmenthyl glyoxylate

• Abb. 6: Diastereomerenzusammensetzung in Abhängigkeit von modifizierten Menthyl-derivaten bei der En-Reaktion an Glyoxylaten

• Abb. 7: Konformationen des (-)-8-Phenylmenthols

• Schema 9: Darstellung von R- und S-konfigurierten Benzilsäureestern am Beispiel des 3-Methoxybenzilsäuresters IIIa und IIIb

• Schema 10: Mögliche Abbauwege von Phenyl-glyoxylsäuren

• Schema 11: α,α-Dichlormethyl methyl ether zur Darstellung von Säurechloriden der α-Ketosäuren

• Abb. 8: (-)-Menthyl- und (-)-8-Phenylmenthyl benzilate

• Abb. 9: Reaktionsmechanismus zur Darstellung der S-konfigurierten Benzilsäureester IIIa(Methode A, Schema 9)

• Schema 12: Nachfolgende Syntheseschritte zum N-Methyl-4-piperidyl benzilat am Beispiel der 3-Methoxy-Verbindung

• Abb. 10: Binäres Phasendiagramm eines Konglomerates (A) und racemischer Verbindungen (B) und (C)

• Abb. 11: Modifikationsmöglichkeiten chiraler Benzilate

• Abb. 12: HPLC-Chromatogramme nach ein- (A), zwei- (B) und dreimaliger (C) fraktionierter Kristallisation von (+)-(R)-N-Methyl-4-piperidyl 3-methoxybenzilat (15) mit einer Mischung aus Weinsäurederivaten

• Abb. 13: Chirale Oxazoline

• Abb. 14: HPLC-Chromatogramm von (-)-Menthyl  (R,S)-3,4-dimeth-oxy benzilat (85)

• Schema 13: Enzymatische Hydrolyse von Benzilsäureestern

• Schema 14: Enzymatische Umsetzung von Benzilsäurederivaten

• Abb. 15: Enantioselektivität der PLE in Abhängigkeit vom Substrat

• Abb. 16: CD-Spektren von (R)- und (S)-N-Methyl-4-piperidyl 4-tert-butyl-benzilat (1/2)

• Abb. 17: CD- und ORD-Kurven von (S)-N-Methyl-4-piperidyl 4-butoxybenzilat (6), [θ] und [φ] (Grad⋅cm2⋅decimol-1)

• Abb. 18: Anisotropie-Effekt als Ursache der Hochfeldverschiebung für R-konfigurierte Benzilate am Beispiel des (-)-8-Phenylmenthyl (R)-4-tert-butylbenzilates

• Abb. 19: Enantiomerentrennung von (+)-(R,S)-N-Methyl-4-piperidyl 3-methoxybenzilat mittels CE

• Schema 15: syn- und anti-Konformere

• Schema 16: Übersicht zu den Konformationen des N-Methyl-4-piperidylrings

• Abb. 20: Röntgenkristallstruktur von N-Methyl-4-pipridyl 4-tert-butylbenzilat (72)

• Abb. 21: Röntgenkristallstruktur von N-Methyl-4-pipridyl 4-trifluormethylbenzilat (77)

• Abb. 22: Röntgenkristallstruktur von N-Methyl-4-pipridyl 4-trifluormethoxybenzilat (76)

• Abb. 23: Röntgenkristallstruktur von N-Methyl-4-pipridyl 3-methoxybenzilat (79)

• Abb. 24: Röntgenkristallstruktur von N-Methyl-4-pipridyl 3,5-dimethoxybenzilat (78)

• Abb. 25: Röntgenkristallstruktur von N-Methyl-4-pipridyl 4-methylsulfonylbenzilat (80)

• Schema 17: Säurekatalysierte Racemisierung über ein Carbokation

• Diagramm 2: Racemisierung von Benzilaten nach 1 h Schütteln (Raumtemperatur) und zehnminütigem Erwärmen (70°C)

• Diagramm 3: pKi-Werte der R- und S-Enantiomere an den muscarinergen Rezeptor- subtypen

• Diagramm 4: M3/M1-Affinitätsverhältnisse enantiomerer Benzilate

• Diagramm 5: M3/M2-Affinitätsverhält-nisse enantiomerer Benzilate

• Abb. 26: pKi-Werte der Race-mate 77 und 79

• Abb. 27: M₂- und M₃-Präferenz basischer Benzilsäure-ester

• Abb. 28: M1-Rezeptor mit bindungsrelevanten Aminosäuren (modifiziert nach [98])

• Abb. 29: Extrazelluläre Sicht auf M1-Rezeptor mit Ligand (H: Helix)

• Abb. 30: Modellierter M1-Rezeptor mit dargestellter Bindungstasche

• Abb. 31: Bindung von (S)-N-Methyl-4-piperidyl 4-methylsulfonylbenzilat an den M1-Rezeptor. Rot markiert sind die Aminosäuren, die innerhalb der Rezeptorsubtypen (M1, M2 und M3) nicht konserviert vorliegen. Die Wasserstoffbrücken sind durch punktierte Linien dargestellt.

• Abb. 32: Bindung von (R)-N-Methyl-4-piperidyl 4-methylsulfonylbenzilat an den M1-Rezeptor

• Abb. 33: Wechselwirkungsenergien (WWE) für S- und R-enantiomere Benzilate an M₁-, M₂- und M₃-Rezeptoren

• Diagramm 6: Korrelation zwischen experimentellen pKi-Werten (pKi(exp)) und berechneten Wechselwirkungssenergien (WWE)