Acetyleringsreactie

Wat is acetylering?

In de scheikunde is acetylering een organische reactie waarbij een acetylgroep (CH₃CO-) in een molecuul wordt geïntroduceerd. Deze reactie omvat doorgaans het gebruik van azijnzuur (CH₃COOH) of azijnzuuranhydride (CH₃CO)₂O als acetyleringsmiddel. Het resulterende product wordt acetaat genoemd.

In de biologie is acetylering een type post-translationele modificatie waarbij een acetylgroep aan een proteïne wordt toegevoegd. Deze modificatie kan de activiteit, stabiliteit of interacties van het proteïne met andere moleculen veranderen. Acetylering is een omkeerbaar proces dat wordt gereguleerd door enzymen die histonacetyltransferases (HAT’s) en histondeacetylases (HDAC’s) worden genoemd.

In dit artikel richten we ons alleen op acetylering in de chemie.

1. Acetyleringsreactiemechanisme

Het specifieke acetyleringsmechanisme kan variëren, afhankelijk van de betrokken reagentia en de substraten die worden gemodificeerd.

De nucleofiele acylsubstitutie wordt vaak gebruikt in de organische chemie, waarbij een acetylgroep van een acetyleringsmiddel (zoals azijnzuuranhydride of acetylchloride) een waterstofatoom op het doelmolecuul vervangt.

Het acetyleringsmiddel reageert met een homogene of heterogene zure katalysator om een reactiever intermediair te genereren, een kation.
Dit kation, een elektrofiel, wordt aangevallen door het nucleofiele atoom (O, N of S) van het substraat om een tetraëdrische intermediair te vormen.
De vertrekkende groep (chloride of acetaat) vertrekt om het uiteindelijke geacetyleerde product te vormen en de zure katalysator te regenereren.

Temperatuur, pH en de aanwezigheid van katalysatoren kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de snelheid en efficiëntie van het acetyleringsproces. Bovendien kunnen de chemische eigenschappen en ruimtelijke ordening van het doelmolecuul de toegankelijkheid van de locatie voor acetylering beïnvloeden.

2. Acetyleringsreagentia

Veelgebruikte acetyleringsreagentia in de organische en industriële chemie zijn azijnzuuranhydride, acetylchloride en azijnzuur.

Azijnzuuranhydride is het meest gebruikte reagens voor acetylering in het laboratorium en in de farmaceutische industrie. Het is relatief goedkoop en gemakkelijk te hanteren. Het heeft echter het nadeel dat het azijnzuur genereert als bijproduct, wat soms de reactie kan verstoren.

Acetylchloride is een ander veelgebruikt reagens voor acetylering. Het is reactiever dan azijnzuuranhydride, maar het is ook corrosiever en kan waterstofchloridegas genereren als bijproduct, wat schadelijk en corrosief is voor apparatuur.

Azijnzuur is goedkoop en overal verkrijgbaar en kan ook worden gebruikt als acetyleringsmiddel, maar het levert een lage opbrengst op en heeft een dehydratiekatalysator nodig om het water dat als bijproduct wordt geproduceerd te minimaliseren, wat de omkeerbare reactie (deacetylering) bevordert.

De keuze van het beste acetyleringsreagens voor een bepaalde reactie hangt af van verschillende factoren, waaronder het substraat, de gewenste selectiviteit en de kosten.

3. Voorbeelden van belangrijke acetyleringsreacties

Aspirine (acetylsalicylzuur) is een bekend pijnstiller en ontstekingsremmend medicijn dat wordt geproduceerd door de acetylering van salicylzuur.

Acetaminofen (N-acetyl-p-aminofenol) is een ander veelgebruikt pijnstiller en ontstekingsremmend medicijn, dat vaak wordt gebruikt voor kinderen en mensen met een gevoelige maag. Het wordt verkregen door N-acetylering van p-aminofenol.

Celluloseacetaat is een soort synthetische vezel die wordt gebruikt in kleding, meubelstoffering en sigarettenfilters. Het wordt gemaakt door de acetylering van cellulose.

Geacetyleerde monoglyceriden worden gebruikt als voedselemulgatoren en stabilisatoren in brood, ijs en andere bewerkte voedingsmiddelen.

Ethylacetaat is een veelvoorkomend oplosmiddel dat wordt geproduceerd door de acetylering van ethanol en wordt gebruikt in verf, coatings en lijmen.

N-acetylcysteïne (NAC), gevormd door N-acetylering van cysteïne, is een antioxidantsupplement dat soms wordt gebruikt om ademhalingsproblemen en andere aandoeningen te behandelen.

3.1. Acetylering van aniline

De acetylering van aniline is een fundamentele reactie in de organische chemie, waarbij een basisch amine wordt getransformeerd tot een waardevol tussenproduct met verschillende industriële en farmaceutische toepassingen.

In deze reactie wordt aniline geacetyleerd door azijnzuuranhydride of acetylchloride om acetanilide te produceren, dat vaak wordt gebruikt als tussenproduct in de synthese van kleurstoffen en farmaceutische producten. Afhankelijk van het gekozen acetyleringsmiddel worden azijnzuur of waterstofchloride gevormd als bijproducten.

3.2. Acetylering van salicylzuur

De acetylering van salicylzuur, ook bekend als de synthese van aspirine, is een klassiek voorbeeld van organische chemie die een eenvoudig molecuul transformeert in een farmaceutisch middel.

Salicylzuur is een natuurlijk voorkomende verbinding die voorkomt in wilgenbast en andere planten. Het heeft pijnstillende en ontstekingsremmende eigenschappen. Het kan echter ook de maag irriteren.

Acetylsalicylzuur, dat verbeterde pijnstillende en ontstekingsremmende effecten bezit met verminderde maagirritatie vergeleken met salicylzuur, wordt geproduceerd door acetylering van salicylzuur met azijnzuuranhydride in een zuur medium (bijv. geconcentreerd zwavelzuur). Azijnzuur is een bijproduct van de reactie.

3.3. Acetylering van aminozuren

Acetylering van aminozuren is een dynamische en wijdverbreide post-translationele modificatie (PTM) die een cruciale rol speelt bij het reguleren van de eiwitfunctie, stabiliteit en interactie met andere moleculen. Het omvat de toevoeging van een acetylgroep aan specifieke aminozuren, meestal de N-terminale α-aminogroep of de ε-aminogroep van lysineresiduen.

Deze eenvoudige modificatie kan diepgaande effecten hebben op het gedrag van eiwitten en diverse cellulaire processen beïnvloeden, zoals:

Genexpressie: Histone-acetylering, waarbij acetylgroepen worden toegevoegd aan de histone-eiwitten die DNA verpakken, beïnvloedt de structuur en toegankelijkheid van chromatine en reguleert zo de gentranscriptie.
Enzymactiviteit: Acetylering kan enzymen activeren of deactiveren door hun structuur, substraatbinding of interactie met andere regulerende eiwitten te veranderen.
Eiwit-eiwitinteracties: Door de oppervlakteladingen en conformatie van eiwitten te beïnvloeden, kan acetylering moduleren hoe eiwitten met elkaar interacteren, wat van invloed is op signaalpaden en cellulaire reacties.
Eiwitafbraak: Acetylering kan de herkenning van eiwitten door afbraakmechanismen beïnvloeden, ze markeren voor vernietiging of ze beschermen tegen afbraak.

Er zijn twee hoofdtypen aminozuuracetylering:

N-terminale α-acetylering: Dit is het meest voorkomende type, dat voorkomt op de N-terminale α-aminogroep van nieuw gesynthetiseerde eiwitten in eukaryoten. Het vergemakkelijkt de vouwing en stabiliteit van eiwitten en dient vaak als signaal voor het sorteren en transporteren van eiwitten.
Lysine ε-acetylering: Dit type omvat de toevoeging van een acetylgroep aan de zijketen van lysineresiduen binnen de eiwitsequentie. Het kan zowel co-translationeel (tijdens eiwitsynthese) als post-translationeel (na eiwitsynthese) plaatsvinden. Deze dynamische modificatie speelt een breed scala aan regulerende rollen, afhankelijk van het specifieke eiwit en de plaats van acetylering.