2-Pyridone als Katalysatoren in der Spaltungsreaktion von Ester- und Amidbindungen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Serie von unterschiedlichen,
bifunktionalen 3-Cyano-2-pyridonderivaten synthetisiert. Die
Substanzen wurden in einem unpolaren Reaktionsmedium auf ihre
katalytische Aktivität überprüft. Als Modellreaktion diente dabei
die n-Butylaminolyse von p-Nitrophenylacetat, die mit Hilfe von
1H-NMR-Messungen in CDCl3 spektroskopisch verfolgt wurde. Wegen der
begrenzten Löslichkeit der 3-Cyano-2-pyridone in unpolaren Medien
war es notwendig, den Grundkörper durch Ringstrukturen und
Alkylketten zu erweitern. Durch sukzessive und unabhängige
Bestimmung der in der Reaktionskinetik vorhandenen Variablen wurde
deren Anzahl im formulierten Geschwindigkeitsgesetz vermindert und
eine exaktere Ermittlung der katalysatorabhängigen
Geschwindigkeitskonstanten kkat ermöglicht. In diesem Zusammenhang
wurde eine detaillierte Untersuchung des Assoziationsverhaltens der
2-Pyridone sowohl im angewandten Reaktionsmedium, als auch in den
Festkörperstrukturen durchgeführt. Bei den kinetischen
Untersuchungen der Aminolysereaktion wurde ein nichtlineares
Verhalten der katalytischen Aktivität bei der
konzentrationsabhängigen Zugabe von 2-Pyridonderivaten
festgestellt. Ein kinetisches Modell, bei dem die Bildung von
katalytisch abgeschwächten Pyridondimeren für die eingeschränkte
Aktivität verantwortlich ist, wurde durch Kombination von
temperatur- und konzentrationsabhängigen 1H-NMR-Messungen näher
untersucht. Ein Vergleich der Ergebnisse zeigte eindeutig, dass
eine Dimerenbildung nicht für die auftretende Nichtlinearität
verantwortlich sein kann. Als wesentlich besser geeignet stellte
sich ein kinetische Modell heraus, welches über ein vorgelagertes
Gleichgewicht beschrieben wird. Die Bildung eines
Katalysator-Substrat-Komplexes führt hierbei zur Erklärung der
Nichtlinearität. Eine veränderte Einwirkung der unterschiedlichen
Substitutionmuster der getesteten 3-Cyano-2-pyridone auf die
Katalysatorkonstante kkat konnte kaum festgestellt werden. Eine
weitere Motivation dieser Arbeit stellte die Entwicklung einer
Modellreaktion für die Ester- und Amidspaltung unter
physiologischen Bedingungen dar. Die Analytik wurde dabei auf eine
HPLC-Analysenmethode übertragen. Dies ermöglichte die Detektion
kleinster Veränderungen in den Konzentrationsverhältnissen und das
Auffinden geringer Spuren von Nebenprodukten. Als Esterkomponente
kam hier das in Gram-positiv Bakterien vorhandene Depsipeptidmotiv
D-Ala-D-Lac zum Einsatz. Zur Visualisierung der Leitstruktur und
der möglichen Reaktionsprodukte mit UV/Vis-Technik wurden die
entsprechenden p-Nitrobenzoylderivate synthetisiert. Mit diesen
Referenzsubstanzen wurde eine kinetische Analysenmethode
entwickelt, welche eine einwandfreie Verfolgung der Reaktion des
Substrats mit Nucleophilen wie Wasser, n-Butylamin und ausgewählten
2-Pyridonderivaten in einem wässrigen, gepufferten Medium bei 37 °C
gewährleistet. Sie eignet sich außerdem zur routinemäßigen
Überprüfung von Katalysatorsubstanzen und ermöglicht eine
Quantifizierung der entsprechenden Reaktanten und
Reaktionsprodukte.Über pH-Wert-abhängige Messungen der
Hydrolysereaktionen konnte eine allgemeine Basenkatalyse für das
vorliegende System festgestellt werden. Neben der starken Hydrolyse
des D-Ala-D-Lac-Motivs in der mit n-Butylamin basenkatalysierten
Reaktion konnte eine Bildung eines entsprechenden Aminolyseprodukts
nicht nachgewiesen werden. Eine Beschleunigung der Aminolyse beim
Einsatz der Pyridonderivate in der basenkatalysierten Reaktion mit
n-Butylamin konnte ebenfalls nicht festgestellt werden. Eine
verstärkt auftretende Spaltung der Amidbindung zwischen der
chromophoren Einheit und dem D-Ala-D-Lac-Motiv dagegen konnte
zweifelsfrei nachgewiesen und quantifiziert werden.