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.
Das Wichtigste in Kürze
- 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.
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.
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 |
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.
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.
Die saure Hydrolyse läuft als Kaskade:
- Esterspaltung: Wie bei jeder Esterhydrolyse wird Isobuttersäure frei, ein Halbacylal bleibt.
- Zerfall des Halbacylals: Es zerfällt in Acetaldehyd und die Carbamidsäure.
- Decarboxylierung: Die Carbamidsäure verliert spontan \(\ce{CO2}\), Gabapentin entsteht.
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
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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