Lactame und β-Lactam-Antibiotika
Lactame sind cyclische Carbonsäureamide: Du lernst, wie man sie erkennt, ihre Ringgröße bestimmt, wie sie aus Aminosäuren entstehen und warum der β-Lactamring der Penicilline so reaktiv ist.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Lactam ist ein cyclisches Carbonsäureamid, in dem N und Carbonyl-C der Gruppe –NH–C(=O)– direkt verbunden im Ring liegen.
- Der griechische Buchstabe nennt das C-Atom mit dem Stickstoff: β = Vierring, γ = Fünfring, δ = Sechsring, ε = Siebenring.
- Aminocarbonsäuren cyclisieren beim Erhitzen unter Wasserabspaltung zu Lactamen, etwa 4-Aminobuttersäure zu Pyrrolidin-2-on; die Hydrolyse liefert die Aminosäure zurück.
- Pyrrolidin (Amin), Imidazol (Azol) und γ-Butyrolacton (Lacton) sind keine Lactame, 2-Pyridon dagegen schon.
- Penicilline (Penam) und Cephalosporine (Cephem) enthalten einen β-Lactamring, den die Serin-OH-Gruppe der Transpeptidase unter Ringöffnung acyliert.
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Worum es geht
Lactame sind die Stickstoff-Gegenstücke der Lactone. Im Ring steckt eine Amidgruppe statt einer Estergruppe. In der Pharmazie begegnen sie dir vor allem als β-Lactamring der Penicilline und Cephalosporine.
Definition, Bildung, Hydrolyse
Ein Lactam entsteht, wenn Amino- und Carboxygruppe derselben Kette ein Carbonsäureamid bilden. Das Amid liegt dann im Ring.
Ein cyclisches Carbonsäureamid: Stickstoff und Carbonyl-C der Gruppe –NH–C(=O)– sind direkt verbunden und gehören beide zum Ring.
Benannt wird wie bei den Lactonen. Der griechische Buchstabe nennt das C-Atom der Kette, das den Stickstoff trägt. Das α-C ist der direkte Nachbar der Carbonylgruppe.
| Lactam | Ringatome | Aminosäure | systematischer Name |
|---|---|---|---|
| β-Propiolactam | 4 | 3-Aminopropansäure | Azetidin-2-on |
| γ-Butyrolactam | 5 | 4-Aminobuttersäure | Pyrrolidin-2-on (2-Pyrrolidon) |
| δ-Valerolactam | 6 | δ-Aminovaleriansäure | Piperidin-2-on |
| ε-Caprolactam | 7 | 6-Aminohexansäure | Azepan-2-on |
Beim γ-Lactam lohnt der genaue Blick auf den Namen. Der gesättigte Ring heißt Pyrrolidin-2-on. Pyrrol-2-on enthielte zusätzlich eine C=C-Doppelbindung. Auch 2-Pyridon ist ein Lactam, obwohl sein Sechsring ungesättigt ist. Seine Tautomerie behandelt die Seite zu Heteroaromaten.
Bildung und Hydrolyse
Erhitzt man eine γ- oder δ-Aminocarbonsäure, greift die Aminogruppe die eigene Carboxygruppe an. Unter Wasserabspaltung schließt sich ein spannungsarmer Fünf- oder Sechsring. Die Hydrolyse kehrt das um und liefert wieder die Aminosäure.
\[\ce{H2N(CH2)3COOH <=> C4H7NO + H2O}\]
Nach rechts läuft die Reaktion beim Erhitzen, nach links bei der Hydrolyse. \(\ce{C4H7NO}\) ist 2-Pyrrolidon.
Deprotoniert man das NH eines Lactams, etwa von ε-Caprolactam, verteilt sich die negative Ladung über N und O. Dieses ambidente Anion bindet Elektrophile entweder am Stickstoff oder am Sauerstoff.
Lactam erkennen
An einer Strukturformel prüfst du der Reihe nach:
- Carbonylgruppe suchen: Ohne C=O gibt es kein Lactam.
- Nachbaratom prüfen: Am Carbonyl-C muss ein N hängen. Ein O an dieser Stelle bedeutet Lacton.
- Ring prüfen: N und C=O müssen im selben Ring liegen. Sonst ist es ein offenkettiges Amid.
- Ringgröße zählen: Alle Ringatome einschließlich N und Carbonyl-C.
Viele Heterocyclen sehen ähnlich aus. Tetrahydrofuran ist ein cyclischer Ether, 2-Methyl-1,3-dioxolan ein cyclisches Acetal, ein Epoxid ein gespannter Dreiring-Ether. Ihnen allen fehlt der Stickstoff. γ-Butyrolacton trägt O statt NH am Carbonyl-C und ist ein Lacton. Pyrrolidin ist ein cyclisches Amin, Imidazol ein aromatisches Azol. Diesen beiden fehlt die Carbonylgruppe.
Ein Examensklassiker ist das Erkennen der Ring-NH-C=O-Gruppe. Achte darauf, dass N direkt am Carbonyl-C sitzt und beide im Ring liegen: Pyrrolidin-2-on ist ein Lactam, Pyrrolidin und γ-Butyrolacton sind es nicht.
β-Lactame
Ein β-Lactam ist ein viergliedriges cyclisches Amid aus N, Carbonyl-C und zwei weiteren C-Atomen. Der Vierring ist stark gespannt. Seine C=O-Gruppe ist deshalb viel reaktiver als in gewöhnlichen Amiden.
Alle Penicilline bauen auf dem Penam auf: Das β-Lactam ist mit einem Thiazolidinring verknüpft, einem Fünfring mit Schwefel. Cephalosporine besitzen das Cephem-Gerüst mit einem Dihydrothiazin-Sechsring. Amoxicillin, Ampicillin und Phenoxymethylpenicillin (Penicillin V) unterscheiden sich nur in der Acyl-Seitenkette.
Der Lactamring ist immer der Vierring, der N und C=O gemeinsam enthält. Die Seitenkette hängt über ein offenkettiges Amid. In Ampicillin und Amoxicillin sitzt dort eine Aminogruppe am α-C neben der Amid-C=O, eine Aminoketon-Struktur liegt also nicht vor. Wird im Examen gerne gefragt: Amoxicillin enthält kein γ-Lactam, denn sein Fünfring ist ein Thiazolidin ohne Carbonylgruppe.
Die Ringspannung erklärt auch die Wirkung. Die Serin-OH-Gruppe der bakteriellen Transpeptidase greift das Carbonyl-C an. Der Vierring öffnet sich, und das Enzym bleibt als Acyl-Enzym kovalent blockiert. Die Quervernetzung der Zellwand unterbleibt.
Quiz
Aussage 1
Der Thiazolidinring des Amoxicillins ist ein γ-Lactam.
Der Thiazolidin-Fünfring trägt keine Carbonylgruppe. Der einzige Lactamring im Amoxicillin ist der viergliedrige β-Lactamring.
Aussage 2
Beim Erhitzen von 4-Aminobuttersäure entsteht unter Wasserabspaltung 2-Pyrrolidon.
Die Aminogruppe greift intramolekular die Carboxygruppe an, es schließt sich ein spannungsarmer Fünfring, das γ-Butyrolactam.
Aussage 3
Das Anion von ε-Caprolactam kann ein Elektrophil sowohl am Stickstoff als auch am Sauerstoff binden.
Nach Deprotonierung ist die negative Ladung über N und O verteilt. Das Anion ist ambident.
Aussage 4
Pyrrolidin ist ein fünfgliedriges Lactam.
Pyrrolidin ist ein cyclisches Amin ohne Carbonylgruppe. Das fünfgliedrige Lactam ist Pyrrolidin-2-on.
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