Substanzklassen

Carbamidsäuren, Carbamate und Acylale

Carbamidsäuren zerfallen spontan, ihre Ester, die Carbamate, sind stabil. Gabapentin-Enacarbil verbindet ein Carbamat mit einem Acylal und einem Ester zu einem Prodrug.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Carbamidsäuren \(\ce{R-NH-COOH}\) und ihre Ester, die Carbamate (Urethane) \(\ce{R2N-C(=O)-OR'}\), sind Stickstoffderivate der Kohlensäure.
  • N-substituierte Carbamidsäuren decarboxylieren spontan bei Raumtemperatur zu Amin und \(\ce{CO2}\).
  • Ein Urethan erkennt man an N und O als Nachbarn des Carbonyl-C; Oxazolidin-2-on ist ein cyclisches Urethan, Pyrrolidin-2-on ein Lactam.
  • Ein Acylal ist ein Aldehyd-C mit zwei Acyloxygruppen und wird zu Aldehyd und Säuren hydrolysiert.
  • Gabapentin-Enacarbil liefert bei saurer Hydrolyse Gabapentin, \(\ce{CO2}\), Acetaldehyd und Isobuttersäure.

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Worum es geht

Carbamidsäuren und Carbamate sind Stickstoffderivate der Kohlensäure. In Arzneistoffen maskieren Carbamate Aminogruppen, etwa im Prodrug Gabapentin-Enacarbil. Wer die Bausteine erkennt, kann die Spaltprodukte der Hydrolyse direkt ablesen.

Carbamidsäuren und Carbamate

Carbamidsäuren (Carbaminsäuren) tragen am Carbonyl-C eine OH- und eine Aminogruppe: \(\ce{R-NH-CO-OH}\). Als Halbamide der Kohlensäure zählen sie zu den Kohlensäurederivaten. N-substituierte Carbamidsäuren decarboxylieren schon bei Raumtemperatur spontan zum Amin:

\[\ce{C6H5CH2-NH-COOH -> C6H5CH2-NH2 + CO2 ^}\]

Ihre Ester sind dagegen stabil. Ein Carbamat oder Urethan hat die Struktur \(\ce{R2N-C(=O)-OR'}\). Einfachster Vertreter ist Ethylcarbamat \(\ce{H2N-CO-OEt}\), der Carbamidsäureethylester. Urethane entstehen etwa aus Isocyanaten und Alkoholen. Ihre Hydrolyse liefert Alkohol, \(\ce{CO2}\) und das Amin, aus \(\ce{R-NH-CO-OR'}\) also ein primäres Amin. Eine Carbamatgruppe \(\ce{-O-CO-NH2}\) enthält zum Beispiel das Zytostatikum Mitomycin C.

Vier Strukturformeln mit Carbonylgruppe, bei denen die direkt gebundenen Atome farbig hervorgehoben sind

Kohlensäure und ihre Stickstoffderivate im Vergleich zum Carbonsäureamid

Ob ein Urethan vorliegt, entscheiden die beiden direkten Nachbarn des Carbonyl-C. Ein Urethan braucht N und O. Carbonsäureamide wie Butanamid oder N,N-Dimethylacetamid tragen statt des O ein C-Atom. Das gilt auch für Acetamidogruppen und die Amidseitenkette von Phenoxymethylpenicillin. Die Guanidinogruppe hat drei N am zentralen C. Ethyl-N-phenylcarbamat ist ein kleines Molekül, anders als die Polyurethane.

🎯 Examensrelevant: Cyclisches Urethan erkennen

Das cyclische Urethan unter Fünfringen zu finden, wird im Examen gerne gefragt. Prüfe die Nachbarn der Ring-C=O-Gruppe: Nur Oxazolidin-2-on hat N und O daneben.

Fünfring Nachbarn des C=O Stoffklasse
Oxazolidin-2-on N und O cyclisches Urethan
Imidazolidin-2-on N und N cyclischer Harnstoff
1,3-Dioxolan-2-on O und O cyclisches Carbonat
Pyrrolidin-2-on N und C Lactam
γ-Butyrolacton O und C Lacton

Fünf gesättigte Fünfringe mit Carbonylgruppe und unterschiedlichen Heteroatomen neben dem C=O

Fünfringe mit Carbonylgruppe: nur Oxazolidin-2-on ist ein cyclisches Urethan

Gabapentin-Enacarbil

Gabapentin-Enacarbil ist ein Prodrug des Gabapentins. Seine Aminogruppe ist als Carbamat maskiert. Das Carbamat-O hängt an einem 1-Acyloxyethyl-Rest, der einen Isobuttersäureester trägt. Dessen mittleres C-Atom bindet zwei Acyloxy-Sauerstoffe: ein Acylal, verwandt mit den Acetalen.

📖 Definition: Acylal

Ein Acylal ist das Acetal-Analogon mit Säuren: Ein Aldehyd-C trägt zwei Acyloxygruppen, \(\ce{R-CH(OCOR')2}\). Hydrolyse setzt den Aldehyd und die Säuren frei.

Strukturformel von Gabapentin-Enacarbil mit drei markierten funktionellen Gruppen

Gabapentin-Enacarbil: Carbamat, Acylal und Ester als hydrolysierbare Bausteine

Die saure Hydrolyse läuft als Kaskade:

  1. Esterspaltung: Wie bei jeder Esterhydrolyse wird Isobuttersäure frei, ein Halbacylal bleibt.
  2. Zerfall des Halbacylals: Es zerfällt in Acetaldehyd und die Carbamidsäure.
  3. Decarboxylierung: Die Carbamidsäure verliert spontan \(\ce{CO2}\), Gabapentin entsteht.

Reaktionsschema in drei Stufen von Gabapentin-Enacarbil zu Gabapentin, Kohlenstoffdioxid, Acetaldehyd und Isobuttersäure

Schrittweise Hydrolyse von Gabapentin-Enacarbil

Mit R für den Gabapentin-Rest gilt insgesamt:

\[\ce{R-NH-CO-O-CH(CH3)-O-CO-CH(CH3)2 + H2O -> R-NH2 + CO2 + CH3CHO + (CH3)2CH-COOH}\]

Das Acylal-C trägt eine Methylgruppe, daher entsteht Acetaldehyd und kein Formaldehyd. Das Carbamat-C liegt auf der Oxidationsstufe der Kohlensäure und geht als \(\ce{CO2}\) ab. Der Stickstoff bleibt als Aminogruppe im Gabapentin, Ammoniak entsteht nicht.

Quiz

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Aussage 1

N-Benzylcarbamidsäure lässt sich bei Raumtemperatur als stabile Verbindung isolieren.

Falsch. N-substituierte Carbamidsäuren decarboxylieren schon bei Raumtemperatur spontan, hier zu Benzylamin und \(\ce{CO2}\).

Aussage 2

Oxazolidin-2-on ist ein cyclisches Urethan, weil seine Carbonylgruppe im Ring von einem N- und einem O-Atom flankiert wird.

Richtig. N und O als Nachbarn des C=O kennzeichnen ein Urethan. Bei Imidazolidin-2-on (N und N) liegt dagegen ein cyclischer Harnstoff vor.

Aussage 3

Bei der sauren Hydrolyse von Gabapentin-Enacarbil entstehen neben Gabapentin Kohlenstoffdioxid, Acetaldehyd und Isobuttersäure.

Richtig. Der Ester liefert Isobuttersäure, das Acylal Acetaldehyd und die Carbamatgruppe \(\ce{CO2}\). Der Stickstoff bleibt als Aminogruppe im Gabapentin.

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