Intramolekulare Wasserstoffbrücken in Hydroxysäuren.

English version. © Copyright-Hinweis. Übersicht.

-Hydroxybuttersäure gehört zu jenen Verbindungen, die in der Lage sind, die Barriere zwischen Blut und Gehirn zu passieren. Diese physiologische Bedeutung hat ihr die Abkürzung "GHB" eingetragen. GHB wird im Gehirn von Säugetieren synthetisiert und in bestimmte Nervenbahnen mit neuromodulatorischen Funktionen ausgeschüttet; die Synthese geht von -Aminobuttersäure (GABA) oder 1,4-Butandiol als Vorläufersubstanzen aus. GHB kann auch in der Leber von Säugetieren aus -Butyrolacton synthetisiert werden. GHB wurde z. B. zur Behandlung von Alkoholsüchtigen eingesetzt. In den letzten Jahren hat GHB allerdings als Bestandteil von Partydrogen Furore gemacht.

Hinsichtlich intramolekularer Wechselwirkungen sind vor allem die drei symmetrie-eindeutigen Konformere mit einer Wasserstoffbrücke (CO)O-H···O-H zu nennen, die über diesem Absatz in energetisch ansteigender Reihenfolge gezeigt sind. Das stabilste dieser Konformere (A) hat eine Geometrie vom Umschlag-Typ: die COOH-Gruppe, die Kohlenstoffatome und sowie die aliphatische OH-Gruppe liegen annähernd in einer Ebene, aus der das Kohlenstoffatom herausragt. Die beiden anderen Konformere (B und C) weisen eine Art Wannen-Struktur auf und unterscheiden sich nur durch die Anordnung der OH-Gruppe; die Wasserstoffbrückenbindung ist in beiden schwächer als in A, wie gut an den verschieden starken Überlappungen der entsprechenden Kalotten zu sehen ist. Zwischen diesen drei Konformeren und ihren Enantiomeren (a, b und c) besteht das im folgenden Schema gezeigte Netzwerk von Reaktionen, in denen die Wasserstoffbrückenbindung erhalten bleibt.

Wie in den anderen Hydroxy- und Aminosäuren ist keines dieser wasserstoffbrückengebundenen Konformere das globale Minimum der Potenzialfäche, da die trans-Orientierung der COOH-Gruppe energetisch ungünstig ist. Für GHB ergibt eine numerische Abschätzung der cis-trans-Energiedifferenz 35,3 kJ/mol, für die Stabilisierung durch die Wasserstoffbrücke dagegen Werte von 34,9, 23,9 und 23,5 kJ/mol. Die Struktur des globalen Minimums ist am Beginn dieses Absatzes gezeigt; die COOH-Gruppe und die Kohlenstoffatome und sind dabei nahezu koplanar, das Kohlenstoffatom ragt aus dieser Ebene heraus, und die aliphatische OH-Gruppe ist zum Carbonylsauerstoffatom hin orientiert. In der O-H···O=C-Wechselwirkung, die daraus resultiert, beträgt der H···O-Abstand 2,33 Å und ist damit etwas länger als im vergleichbaren Konformer der -Hydroxypropionsäure. Die Elektronendichte kennzeichnet diese Wechselwirkung nicht als Wasserstoffbrückenbindung sondern als elektrostatische Anziehung.

Im Gegensatz dazu ist diese Wechselwirkung in den beiden Konformeren, die links und rechts neben diesem Absatz wiedergegeben sind, und ihren Analoga mit trans-Orientierung der COOH-Gruppe eine schwache Wasserstoffbrücke (Bindungsordnungen: 0,030 und 0,025).

Eine deutlich stärkere Form dieser O-H···O=C-Wasserstoffbrückenbindung (mit einer Bindungsordnung von 0,044) wird in einem anderen Konformer ausgebildet. Die Geometrie dieses Konformeren ist neben diesem Absatz gezeigt und kann als leicht verzerrter Umschlag-Typ (mit Kohlenstoffatom außerhalb der Ebene) beschrieben werden. In diesem Fall ist auch eine energetische Auswirkung nicht von der Hand zu weisen, denn dieses Konformer ist das energetisch dritte (von insgesamt 66 symmetrie-eindeutigen Konformeren) in der GHB-Potenzialfläche.

Hinsichtlich intramolekularer Wasserstoffbrücken sind weiters noch drei Konformere mit cis-Anordnung der COOH-Gruppe zu erwähnen, in denen eine schwache O-H···(CO)O-H-Wasserstoffbrücke gebildet wird. Diese Konformere sind unter diesem Absatz abgebildet; für das in der Mitte gezeigte existiert auch ein hochenergetisches Analogon mit trans-Orientierung der COOH-Gruppe.

-Hydroxypropionsäure.
© Publikationen (unsere und ausgewählte andere).
-Hydroxypentansäure.

Arbeitsbereich Quantenchemie.

Offenlegung gem. §25 MedienG: Dr. Michael Ramek, Graz.