Naturstoffe. Theoretische Grundlagen und Einführung in das Naturstoffisolationspräparat in den Laborübungen Organische Chemie

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Hannelore Seidel
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1 Institut für Angewandte Synthesechemie aturstoffe Theoretische Grundlagen und Einführung in das aturstoffisolationspräparat in den Laborübungen rganische Chemie Katharina Schröder SS2017 Laborübungen Syntheseprkatikum

2 Literatur rganische Chemie II Eberhard Breitmaier, Günther Jung Georg Thieme Verlag ISB Lehrbuch der rganischen Chemie ans Beyer, Wolfgang Walter S. irzel Verlag ISB

3 Überblick 1. Grundlagen 1.1. aturstoffe in der chemischen Industrie 1.2. Chiralität 1.3. Grundprinzipien der aturstoffisolation am Beispiel a-limonen 2. Zucker 2.1. Aromatische Metaboliten: Glycoside 3. Aminosäuren 4. Terpene 5. Lipide 6. Alkaloide 7. ucleotidbausteine

4 1.1. aturstoffe in der chemischen Industrie. J. Bart, Extraction of atural Products from Plants An Introduction, In: Industrail Scale atural Products Extraction, Wiley-VC, 2011.

5 1.1. aturstoffe und biologische Aktivität Small-molecule drugs natural products 39% 6% 27% natural product derivatives derived pharmacophores 23% 5% natural product mimic de novo drugs

6 1.1. aturstoffe und biologische Aktivität The istory of Taxol (Paclitaxel) Ac Bz 1958: CI initiates screening program of plants for anticancer activity 1963: bark of Pacific Yew (Taxus brevifolia) tree found to be active 1971: paclitaxel identified as bioactive compound 1979: elucidation of mode of action Bz Ac Taxol (Paclitaxel) 1983: CI starts phase I clinical trials 1985: CI starts phase II clinical trials 1991: Bristol-Myers Squibb selected by CI as commercial partner 1992: approval for Taxol 1994: total synthesis (icolaou, olton) 1995: clearance for semisynthetic paclitaxel

7 1.1. aturstoffe und biologische Aktivität Semisynthesis of Taxol (Paclitaxel)

8 1.1. aturstoffe und biologische Aktivität Registered Drugs for Treatment ovarian cancer breast cancer non-small cell lung cancer resistant murine melanoma cell lines Ac Bz Bz Ac Bz Ac Taxol (Paclitaxel) Bristol-Myers Squibb Taxotere (Docetaxel) Aventis (Rhone-Poulenc)

9 1.2. aturstoffe und biologische Aktivität Chiralität Chiralitätszentren

: I > Br > Cl > S > > > 13 C > 12 C > Li > 3 > 2 > 1 Folgesubstituenten (höchste Z/MZ,

10 1.2. aturstoffe und biologische Aktivität Cahn-Ingold-Prelog omenklatur Zuordnung der Prioritäten rdnungszahl (Massenzahl) z.b.: I > Br > Cl > S > > > 13 C > 12 C > Li > 3 > 2 > 1 Folgesubstituenten (höchste Z/MZ, dann Zahl) Auflösung von Doppel- & Dreifachbindungen Räumliche Ausrichtung & Drehsinn niedrigste Priorität nach hinten im/gegen Uhrzeigersinn R/S R S

Extremely high doses were not fatal nor were other side effects detected in animal testing owever the drug was also found to cure

11 1.2. aturstoffe und biologische Aktivität Chiralität und Biodiskriminierung Racemic mixture of glutamic acid 1:1 mix of enantiomers (R,S) The damage: Thalidomide was first synthesized in West Germany in 1953 by Chemie Grünenthal. Extremely high doses were not fatal nor were other side effects detected in animal testing owever the drug was also found to cure morning sickness in pregnant women. S(-) potently inhibits the release of alpha tumor necrosis factor (TF-α) 10,000-12,000 thalidomide babies 46 affected countries

1.3. aturstoffisolation Cultivation of Plants Authentication and arvesting ptional Drying Isolation of atural Product Purification Classical solvent extraction Microwave-assisted extraction

12 1.3. aturstoffisolation Cultivation of Plants Authentication and arvesting ptional Drying Isolation of atural Product Purification Classical solvent extraction Microwave-assisted extraction Ultrasound-assisted extraction Alternative solvent extraction. J. Bart, Extraction of atural Products from Plants An Introduction, In: Industrail Scale atural Products Extraction, Wiley-VC, 2011.

13 1.3. aturstoffisolation a-limonen Gewinnung der rangenschalen Schälen & Pektin entfernen Zerkleinern Feuchteinwaage Schalen Extraktion mit C 2 Cl 2 Apparaturaufbau Rückflußkochen Aufarbeitung Phasentrennung Trocknung Eindampfen Rohproduktmenge Produktreinigung Vakuumdestillation Reinproduktmenge Siedepunkt, Brechungsindex * Limonen

14 2. Zucker Aldosen & Ketosen Fischer-Projektion xidationsstufe D-Zucker ach vorne

15 2. Zucker Aldosen-Stammbaum 1 Triose 2 Tetrosen 4 Pentosen 8 exosen

16 2. Zucker Ketosen-Stammbaum

17 2. Zucker Pyranosen & Furanosen albacetal/ketal-bildung

18 2. Zucker Position der -Gruppen in Glucose Anomerer Effekt

19 2. Zucker Glucose

20 2. Zucker Fructose

21 2. Zucker Disaccharide

22 2. Zucker Polysaccharide Cellulose Stärke

23 2. Zucker Technologische Rohstoffe Kohlehydrate Lignocellulose Chitin

24 2.1 Aromatische Metaboliten: Glycoside Glycoside rganisches Molekül + Zuckereinheit (hpts. Monosaccharide) ach enzymatischer oder saurer ydrolyse werden ein oder mehr Zucker-Einheiten (Glycon) und eine nicht-zucker-einheit (Aglycon) erhalten. Meistens zwischen -Gruppe von Glycon und Aglycon gebildet (- Glycosid) Zucker-Fragment in aturstoffen ist oft b-d-glycose Erhöht die Löslichkeit von aromatischen Metaboliten (z. B. Flavenoiden, Saponine etc.)

25 2.1 Aromatische Metabolite Flavone Chalkone Flavone Anthocyanine

26 2.1 Aromatische Metabolite Phenole Eugenol Vanillin Resveratrol

27 3. Aminosäuren Aliphatische Aminosäuren glycine, G (gly) alanine, A (Ala) valine, V (Val) 2 leucine, L (Leu) 2 isoleucine, I (Ile) proline, P (Pro) Aromatische Aminosäuren 2 phenylalanine, F (Phe) 2 tryptophane, W (Trp) 2 tyrosine, Y (Tyr)

28 3. Aminosäuren Sauerstoffhältige Aminosäuren 2 2 serine, S (Ser) threonine, T (Thr) Schwefelhältige Aminosäuren S S 2 2 cysteine, C (Cys) methionine, M (Met)

29 3. Aminosäuren Saure Aminosäuren C 2 C aspartate, D (Asp) glutamate, E (Glu) asparagine, (Asn) glutamine, Q (Gln) Basische Aminosäuren lysine, K (Lys) arginine, R (Arg) histidine, (is)

30 3. Aminosäuren Aminosäuresynthesen Strecker R C 3 R C C R 2 R 2 Über ydantoine C 2 ( 4 ) 2 C 3 ac RC Base R 2 R

31 3. Aminosäuren Die Amidbindung 2 R1 R R1 R2

32 3. Aminosäuren Polypeptidsynthesen Schutzgruppen 2 R1 R R1 R2 R1 R2 boc + 2 CMe DCC-Aktivierung R1 R2 CMe

3. Aminosäuren Proteinstrukturhierarchien 2 2 2 glycine, G (gly) alanine, A (Ala) valine, V (Val) 2 tryptophane, W (Trp)

(Cys) 2 S methionine, M (Met) 2 serine, S (Ser) 2 threonine, T (Thr) 2 aspartate, D (Asp) 2 lysine, K (Lys) 2 2 arginine,

33 3. Aminosäuren Proteinstrukturhierarchien glycine, G (gly) alanine, A (Ala) valine, V (Val) 2 tryptophane, W (Trp) 2 leucine, L (Leu) 2 isoleucine, I (Ile) proline, P (Pro) 2 S tyrosine, Y (Tyr) 2 phenylalanine, F (Phe) 2 cysteine, C (Cys) 2 S methionine, M (Met) 2 serine, S (Ser) 2 threonine, T (Thr) 2 aspartate, D (Asp) 2 lysine, K (Lys) 2 2 arginine, R (Arg) 2 basische A.S. 2 histidine, (is) 2 glutamate, E (Glu) 2 C 2 2 C 2 Amid-SK A.S. asparagine, (Asn) glutamine, Q (Gln)

34 4. Grundlagen der Terpenchemie Isopreneinheiten Isopren (2-Methyl-1,3-butadien) Prenyl-Rest cimen C 10 16

35 4. Terpene Terpenklassen

36 4. Terpene

37 4. Terpene Terpenverbreitung Sekundäre Stoffwechselprodukte von Pflanzen Ätherische Öle & Riechstoffe Pheromone Bitterstoffe Wachstumsregulatoren Abwehrstoffe Vitamine * * * * * * Geraniol Citral A Limonen (-)-Menthol D-(+)-Campher b-carotin

38 4. Terpene Steroide

39 4. Terpene Steroide

40 4. Terpene Steroide

41 5. Lipide Fette CR CR CR Triglyceride = Glycerin + Fettsäure Wachse R R' Wachse = Fettsäure + langkettiger Alkohol

42 5. Lipide Seifen Biodiesel

einer Phosphorsäure verestert ist auptbestandteil

43 5. Lipide Phospholipide Verbindungen, bei denen ein Glycerin Molekül mit zwei Fettsäure- Molekülen und einer Phosphorsäure verestert ist auptbestandteil von Biomembranen Besipiel: Phosphatidylcholin (Lecithin):

44 6. Alkaloide Pyrrolidin-, Piperidin- & Pyridinalkaloide Coniin (Schierling) icotin (Tabak) Lysergsäurediethylamid (LSD, Mutterkorn) Tropanalkaloide Procain Atropin (Tollkirsche) Cocain (Cocastrauch) Lidocain

45 6. Alkaloide Chinolin/Isochinolinalkaloide Papaverin (Mohn) Chinin (Chinarinde) Morphin Codein eroin Methadon

46 6. Alkaloide Purinalkaloide Koffein (Kaffee, Tee) Theophyllin (Tee) Theobromin (Kakao) arnsäure

47 6. Alkaloide Phenethylamine Dopamin eurotransmitter Ephedrin abschw. der asenschleimhäute Adrenalin Stresshormon Amphetamin (Appetitzügler) "Speed" "Ecstasy" - Mescalin (Peyote, Kaktus) Serotonin Melatonin Acetylcholin alluzinogen ormon Tag/acht Rhythmus eurotransmitter

48 6. Alkaloide Synthesen Reduktion rac-coniin C C C 3 CR CR C Me Tropinon C 2 Mannich Methylierung Dehydrierung Me Me Me Papaverin Me

49 7. ucleinsäuren Aufbau 5 Ende Phosphat P P 2 2 Purinbase ucleotid ucleosid () 3 Ende Ribose / Desoxyribose

50 7. ucleinsäuren Basen Pyrimidinbasen 2 Cytosin Uracil Thymin Purinbase 2 2 Adenin Guanin

51 7. ucleinsäuren Basenpaarung

52 7. ucleinsäuren DA vs. RA DA RA

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