Fünfgliedrige Heterocyclen – Prolin, Nicotin, Histidin, Thiamin

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es wieder um fünfgliedrige Heterocyclen, es ist zu dem Thema der vierte Teil: Prolin, Nicotin, Histidin, Thiamin. Als Vorkenntnisse solltet ihr solides Wissen über Heterocyclen, Pyrrol und Aminosäuren mitbringen. Ziel des Videos ist es, euch die Strukturen und die Bedeutung wichtiger fünfgliedriger Heterocyclen nahezubringen. Ich habe das Video in sechs Abschnitte untergliedert. Erstens: Pyrrol als Strukturbaustein, Zweitens: Pyrrolidin und Prolin, Drittens: Nicotin, Viertens: Imidazol und Histidin, Fünftens: Thiazol und Thiamin und Sechstens: Zusammenfassung. Erstens: Pyrrol als Strukturbaustein. Pyrrol kann repräsentativ für die anderen fünfgliedrigen Heterocyclen verwendet werden. Das Pyrrolmolekül enthält im Ring 6 π-Elektronen, die frei beweglich sind. Pyrrol ist daher ein Aromat, das mit der Hückelregel leicht nachzuprüfen ist. Daraus ergibt sich für die Verbindung eine relative Stabilität. Man kann leicht nachrechnen, dass sich für das Pyrrolmolekül 6/5 π-Elektronen pro Ringatom ergeben. Damit ist Pyrrol reaktionsfähig bezüglich eines elektrophilen Angriffs. Stabilität und Reaktivität lassen Pyrrol als Strukturbaustein für die biochemische Synthese geeignet erscheinen. Zweitens: Pyrrolidin und Prolin. Wenn man Pyrrol mit Wasserstoff hydriert, erhält man einen gesättigten aromatischen Ring, diese chemische Verbindung heißt Pyrrolidin. Erhält das Pyrrolidinmolekül in Nachbarstellung zur Aminigruppe eine Carboxylgruppe, so entsteht eine neue chemische Verbindung, diese Verbindung heißt Prolin, man kann sie auch als Pyrrolidin-2-carbonsäure bezeichnen. Das Prolin, mit Abkürzung "Pro", ist eine Aminosäure. Diese Aminosäure gehört zu den proteinogenen Aminosäuren. Sie ist die einzige Aminosäure mit sekundärer Aminogruppe, das hat zweierlei Konsequenzen: zum einen werden keine Wasserstoffbrückenbindungen in Peptiden gebildet, als zweites kommt es zu einer Störung der Ausbildung der α-Helix. Drittens. Nicotin: Der eine Baustein des Nicotins ist das Pyrrolidin. Das acide Wasserstoffatom ist durch eine Methylgruppe ersetzt. Der zweite Baustein ist ein heterozyklischer Sechsring, das Pyridin. Es verfügt über 6 π-Elektronen. Die Verbindung ist aromatisch, das folgt direkt aus der Hückelregel. Das bedeutet aber, dass sie relativ stabil ist. Pyridin und Pyrrolidin werden unter Abspaltung zweier Wasserstoffatome miteinander verknüpft, es entsteht das Molekül des Nicotins. Nicotin ist ein Alkaloid, es ist nicht nur im Tabak, sondern auch in Bärlapp und in Schachtelhalmengewächsen enthalten. Benannt wurde Nicotin nach Jean Nicot, der am Hofe von Katharina von Medici die Tabakpflanze erstmals kultivierte. Nicotin ist ein starkes Gift, die tödliche Dosis liegt zwischen 40 und 60 mg. Außerdem lässt Nicotin Nitrosamine entstehen, diese haben eine kanzerogene, das heißt krebserregende Wirkung. Viertens: Imidazol und Histidin. Ich möchte zunächst noch einmal an das Pyrrolmolekül erinnern. Fügt man in Dreistellung in den Ring ein weiteres Stickstoffatom ein, so enthält man Imidazol. Nun wird an das Imidazolmolekül in Zweitstellung eine C₂-Einheit angeknüpft. Am zweiten Kohlenstoffatom befinden sich gleichzeitig eine Aminogruppe und eine Carboxylgruppe. Die entstandene Verbindung heißt Histidin, es handelt sich dabei um eine Aminosäure. Der Heterozyklus enthält ein saures Wasserstoffatom, demgegenüber ist der Ring am anderen Stickstoffatom basisch. Daher ist Histidin für die Katalyse von Protonierungs-Deprotonierungs-Reaktionen gut geeignet. Fünftens: Thiazol und Thiamin. Ein fünfgliedriger Heterocyclus, der in den Stellungen 1,3 ein Stickstoffatom und ein Schwefelatom im Ring enthält, wird als Thiazol bezeichnet. Das Molekül, das wir nun aufbauen werden, besteht aus Thiazol. Der andere Baustein ist Pyrimidin, ein Sechsring, der zwei Stickstoffatome im Ring enthält. Am Pyrimidingerüst sitzen eine Aminogruppe und eine Methylgruppe. Über eine Methylengruppe ist der Pyrimidinring mit dem Thiazolbaustein verknüpft. Am Knüpfungsstickstoffatom sitzt eine positive Ladung. Am Thiazolbaustein befinden sich noch zwei Substituenten, eine Methylgruppe und eine 2-Hydroxyethylgruppe. Die entstandene chemische Verbindung heißt Thiamin, Vitamin B1. Besondere Bedeutung im Thiaminmolekül kommt der Position 2 zu, diese Stelle ist nucleophil nach Deprotonierung, daher wirkt Tyamin als Coenzym bei oxidativer Decarboxylierung. Sechstens: Zusammenfassung. Das Pyrrolidinmolekül ist wichtiger Baustein für die Synthese biochemischer Verbindungen. Es bildet das Grundgerüst für die Aminosäure Prolin. Prolin ist die einzige Aminosäure, die keine Wasserstoffbrückenbindungen bilden kann, außerdem ist sie nicht fähig eine α-Helix, bestehend aus Peptiden, zu generieren. Ein Molekül, das aus einem Baustein Pyridin und einem Baustein Pyrrolidin besteht, nennt man Nicotin. Aus Imidazol als Synthesebaustein entsteht eine Aminosäure, es ist die Aminosäure Histidin. Histidin ist sauer am rot markierten Wasserstoffatom, es ist basisch am anderen Stickstoffatom des Rings, daher unterstützt Histidin Reaktionen, bei denen Protonierungen und Deprotonierungen ablaufen. Das letzte betrachtete Molekül besteht aus einem Baustein Pyrimidin, der zweite Synthesebaustein ist Thiazol. Beide Bausteine sind über eine Methylengruppe miteinander verknüpft. Das Knüfungsstickstoffatom trägt eine positive elektrische Ladung.  Der Pyrimidinbaustein ist durch eine Aminogruppe und eine Methylgruppe substituiert. Am Thiazolring sitzen eine Methylgruppe und eine 2-Hydroxyethylgruppe. Die entstandene Verbindung heißt Thiamin, Vitamin B1. Die mit rotem Punkt markierte ist nucleophil nach Deprotonierung. Thiamin ist Coenzym bei der oxidativen Decarboxylierung. Wichtige fünfgliedrige biochemische Heterocyclen sind Prolin, Nicoton, Histidin und Thiamin, Vitamin B1. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.