Zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Pharmazie

eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin

von Kai Smolinka,
geboren am 18. Dezember 1970 in Berlin

Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Jürgen Mlynek

Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Bernhard Ronacher

Gutachter:
Prof. Dr. B. Göber
Prof. Dr. B. Clement
Prof. Dr. R. Stößer

Tag der mündlichen Prüfung: 8. Februar 2001

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden chemische Modellsysteme zur Erarbeitung möglicher Metabolisierungswege für neue, als potentielle Antiparkinsonmittel entwickelte Benzilsäurederivate angewendet und die Anwendbarkeit solcher Systeme zur Modellierung der Biotransformation von Estrogenderivaten getestet.

Die biomimetischen Umsetzungen wurden im wässrigen und nichtwässrigen Milieu mit Mangan- und Eisenporphyrinen als Katalysatoren, mit einer Stickstoffbase, in der Regel Imidazol, als Co-Katalysator und mit Wasserstoffperoxid, Iodosylbenzen oder tert-Butylhydroperoxid als Sauerstoffquelle durchgeführt. Als Substrate wurden die N-Methyl-4- und -3-piperidinylester der 3,4- und der 3,3´-Dimethoxybenzilsäure (1, 2, 3) und Denaverin (4) ausgewählt. Als Modellsubstrat mit Estrogenstruktur wurde Estronmethylether (5), sowie in weiteren Versuchen Ethinylestradiol und Mestranol (6, 7) umgesetzt.

Die biomimetischen Umsetzungen der Estrogenderivate waren trotz zahlreicher Variationen des Modellsystems nicht erfolgreich. Als Reaktionsprodukt wurde lediglich 6-Oxoestron-methylether isoliert.

Hauptumsetzungsprodukte der Benzilsäurederivate sind die N-Formylverbindungen, die N-Oxide, die N-Desmethylderivate, die freien Säuren und die entsprechenden Benzophenone. Ihre Strukturen wurden massenspektrometrisch und kernresonanzspektroskopisch abgesichert. Die zugrundeliegenden Funktionalisierungsreaktionen sind die N-Dealkylierung, N- und C-Oxidation, Esterspaltung und Decarboxylierung. Aromatischen Oxygenierung und O-Dealkylierung wurden nicht oder in sehr geringem Umfang beobachtet. Denaverin unterliegt weiterhin der oxidativen Deaminierung. Insgesamt zeigen die Benzilsäureabkömmlinge ein einheitliches biomimetisches Verhalten, welches ein weitgehend übereinstimmendes Metabolitenspektrum erwarten lässt. Für Denaverin wurden zwei neue, potentielle Biotransformationswege aufgezeigt und die entsprechenden Vergleichssubstanzen gewonnen.

Für die Esterspaltung von 1 wurde der oxidative Mechanismus nachgewiesen.

Die katalytische Aktivität unterschiedlicher Modellsysteme wurde über die Abnahme des Substrates quantifiziert. Maximal 48 % der Ausgangsverbindung wurden im nichtwässrigen und maximal 23 % im wässrigen Milieu biomimetisch umgesetzt.

Abstract

In the present thesis the application of chemical model systems to assess metabolic pathways of new benzilic acid derivatives, developed as potential compounds for anti parkinson drugs, is reported. Furthermore the suitability of such systems to mimic the biotransformation of estrogens was investigated.

Biomimetic reactions were performed with a (porphyrin) iron or -manganese as a catalyst, an N-base, mostly imidazol, as a co-catalyst and with hydrogen peroxide, iodosylbenzene or tert-butylhydroperoxide as O-donor in either aqueous or nonaqueous media. The following substrates were chosen: the N-methyl-4- and -3-piperidinyl ester of the 3,4- and 3,3´-dimethoxybenzilic acid (1, 2, 3) and Denaverine (4) for benzilic acid derivatives as well as Estrone methyl ether, Ethinylestradiole and Mestranole for the estrogens.

The biomimetic studies with the estrogens remained unsuccessfully despite numerous variations within the chemical model system. Only the 6-Oxoestrone methyl ether could be isolated.

The main products generated in the biomimetic reactions with the benzilic acid derivatives were the N-formyl compounds, the N-oxides, the N-demethyl derivatives, the free acids, and the benzophenones. The structure of all compounds was proven by mass-spectroscopic and nuclear magnetic resonance techniques. The biomimetic products correspond to metabolites formed by N-dealkylation, N- and C-oxidation, cleavage of the esther bond, and decarboxylation. Aromatic oxygenation or O-dealkylation of the substrates were not observed or only in trace amounts. For Denaverine a product of oxidative deamination was detected. In general, the benzilic acid derivatives showed the same biomimetic behaviour. Therefore a similiar metabolism for these compounds can be expected. Two new possible metabolites for Denaverine were isolated and can be used in further studies.

For the cleveage of the ester bond of 1 an oxidative mechanism could be demonstrated.

The catalytic activity of various model systems was determined by measuring the decrease of substrate 1. The maximal decrease was 48 % in the nonaqueous media compared to 23 % in the aqueous media.

Schlagwörter:
Biomimetik, Benzilsäurederivate, Cytochrom P450, Metabolismus

Keywords:
biomimetic, benzilic acid derivatives, Cytochrome P450, metabolism

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1:	Eisen-Protoporphyrin(IX)-Chromophor der Cytochrom P450 Isoenzyme
Schema 1:	Schematische Darstellung des Reaktionszyklus von Cytochrom P450
Schema 2:	Rebound-Mechanismus der Alkanhydroxylierung durch Cytochrom P450
Schema 3:	Konzertierter Insertionsmechanismus nach Newcomb
Schema 4:	Mögliche Reaktionsmechanismen der Aromatenoxygenierung
Schema 5:	Allgemeiner Reaktionsmechanismus von Heteroatomdealkylierungen
Schema 6:	Mechanismen der Bildung der -Hydroxyverbindungen
Schema 7:	Mechanismus der N-Dealkylierung durch Peroxidasen
Schema 8:	Mechanismus der oxidativen Esterspaltung
Schema 9:	Mögliche Reaktionswege der Aldehydoxidation
Abbildung 2:	Mangan(III) 5,10,15,20-tetrakis(pentafluorphenyl)porphyrin chlorid
Schema 10:	Allgemeines Syntheseschema für Metallporphyrine
Schema 11:	Homolytische (a) und heterolytische (b) O-O-Bindungsspaltung
Schema 12:	Bildung von Alkoxylradikalen aus Alkylperoxiden durch die reaktive Spezies
Schema 13:	Mechanismen der Katalyse durch Co-Katalysatoren am Beispiel von Imidazol
Schema 14:	Oxo-Hydroxo-Tautomerie
Schema 15:	Aktive Manganporphyrinspezies und katalysierte Reaktionen (nach [72] )
Schema 16:	Hauptbiotransformationsweg von IBPP in vivo
Schema 17 :	Bildung der Metabolite II und III aus Dieldrin (I)
Schema 18:	Mechanismus der Bildung von Psoralen aus Marmesin
Schema 19:	Oxidative Decarboxylierung von Ketoprofen
Schema 20:	Oxidative Decarboxylierung und Hydroxylactonisierung von Indometacin
Schema 21:	Biomimetische Synthese von 5-Hydroxytiagabin
Schema 22:	Beispiele einiger routinemäßig untersuchten Arzneistoffe
Schema 23:	Biomimetisches Produktspektrum von Propiverin
Schema 24:	Biomimetisches Produktspektrum von Clemastin im wässrigen Milieu
Schema 25:	Reaktion von MBTH-Reagenz mit Phenolen
Schema 26:	Produktspektrum der biomimetischen Studie mit 8
Schema 27:	Fragmentierungsverhalten von 8 und Derivaten
Abbildung 3:	Nummerierung von 8
Abbildung 4:	1H-13C-korreliertes, zweidimensionales Spektrum von 8 (Ausschnitt)
Schema 28:	Produktspektrum der biomimetischen Umsetzungen mit 1
Schema 29:	Fragmentierung von 1 im EI-MS
Abbildung 5:	Isomeren von 13
Abbildung 6:	Konformationsisomere von 15
Abbildung 7:	13C-Spektrum von 15
Abbildung 8:	Strukturvorschlag für 18
Abbildung 9:	Nachweisbare Strukturelemente des Substanzgemisches 17
Abbildung 10:	Struktur der monochlorierten Verbindungen in 19
Abbildung 11:	Nachweisbare Strukturen in 20
Abbildung 12:	Prozentuale Abnahme der Fläche des Peaks von 1 a) bei sofortiger Zugabe und b) bei zeitlich gestaffelter Zugabe des O-Donators
Schema 30:	Mögliche Reaktionswege der Esterspaltung
Abbildung 13:	Gaschromatogramm einer Vergleichslösung von N-Methylpiperidin-4-ol (RT = 5,00 min) und -4-on (RT = 4,77 min)
Schema 31:	Biomimetisches Produktspektrum der Umsetzungen von 2
Schema 32:	Fragmentierung von 2 im EI-MS
Abbildung 14:	Postulierte Struktur von 23
Schema 33:	Biomimetisches Produktspektrum von 3 im nichtwässrigen Milieu
Schema 34:	Zerfallsschema von 3 im EI-MS
Abbildung 15:	Nummerierung von 3
Abbildung 16:	Postulierte Struktur von 31 und strukturbeweisendes Fragment a’
Abbildung 17:	Strukturen der Derivate 32 und 33
Abbildung 18:	Strukturen der chlorierten Verbindungen 34 und 35
Schema 36:	Biomimetisches Produktspektrum von 4 im wässrigen Milieu
Schema 37:	Fragmentierung von 4 im EI-MS
Schema 38:	Konformationsisomere von 39 mit charakteristischen ä-Werten des 1H-NMR-Spektrums
Schema 39:	Gewinnung der Rattenlebermikrosomenfraktion
Schema 40:	Postulierter Bildungsweg der N-Formylgruppe
Schema 41:	Postulierter Bildungsweg von 40
Abbildung 22:	Strukturen der zur Verfügung stehenden Estrogene
Abbildung 23:	Struktur von 6-Oxoestronmethylether
Abbildung 24:	Charakteristische Fragmente im MS von Estronmethylether
Abbildung 25:	Struktur des Fragmentes mit m/z 135
Schema 43:	Diester von Androstan-3,17-diol und die Produkte nach biomimetischer Umsetzung und Hydrolyse (nach Breslow)
Schema 44:	Substrate und Produkte in biomimetischen Aromatasemodellen (nach [129] )
Abbildung 26:	Reaktionsprodukte nicht metallporphyrinkatalysierter Reaktionen (nach [131] [132] )
Abbildung 26:	Bezugskurve für die Bestimmung von 1

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