Acetylierung

In der Chemie ist Acetylierung eine organische Reaktion, bei der eine Acetylgruppe (CH₃CO-) in ein Molekül eingeführt wird. Diese Reaktion beinhaltet typischerweise die Verwendung von Essigsäure (CH₃COOH) oder Essigsäureanhydrid (CH₃CO)₂O as das Acetylierungsmittel. Das resultierende Produkt wird Acetat genannt.

In der Biologie ist Acetylierung eine Art posttranslationale Modifikation, bei der einem Protein eine Acetylgruppe hinzugefügt wird. Diese Modifikation kann die Aktivität, Stabilität oder Wechselwirkungen des Proteins mit anderen Molekülen verändern. Acetylierung ist ein reversibler Prozess, der durch Enzyme namens Histonacetyltransferasen (HATs) und Histondeacetylasen (HDACs) reguliert wird.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns nur auf die Acetylierung in der Chemie.

1. Mechanismus der Acetylierungsreaktion

Der spezifische Mechanismus der Acetylierung kann je nach den beteiligten Reagenzien und den zu modifizierenden Substraten variieren.

Die nukleophile Acylsubstitution wird häufig in der organischen Chemie verwendet, wo eine Acetylgruppe eines Acetylierungsmittels (wie Essigsäureanhydrid oder Acetylchlorid) ein Wasserstoffatom am Zielmolekül ersetzt.

Das Acetylierungsmittel reagiert mit einem homogenen oder heterogenen Säurekatalysator, um ein reaktiveres Zwischenprodukt, ein Kation, zu erzeugen.
Dieses Kation, ein Elektrophil, wird vom nukleophilen Atom (O, N oder S) des Substrats angegriffen, um ein tetraedrisches Zwischenprodukt zu bilden.
Die Abgangsgruppe (Chlorid oder Acetat) entfernt sich, um das endgültige acetylierte Produkt zu bilden und den Säurekatalysator zu regenerieren.

Temperatur, pH-Wert und das Vorhandensein von Katalysatoren können die Geschwindigkeit und Effizienz des Acetylierungsprozesses erheblich beeinflussen. Darüber hinaus können die chemischen Eigenschaften und die räumliche Anordnung des Zielmoleküls die Zugänglichkeit der Stelle für die Acetylierung beeinflussen.

2. Acetylierungsmittel

Übliche Acetylierungsreagenzien, die in der organischen und industriellen Chemie verwendet werden, sind Essigsäureanhydrid, Acetylchlorid und Essigsäure.

Essigsäureanhydrid ist das am häufigsten verwendete Reagenz zur Acetylierung im Labor und in der pharmazeutischen Industrie. Es ist relativ kostengünstig und einfach zu handhaben. Es hat jedoch den Nachteil, dass als Nebenprodukt Essigsäure entsteht, die manchmal die Reaktion stören kann.

Acetylchlorid ist ein weiteres häufiges Reagenz für die Acetylierung. Es ist reaktiver als Essigsäureanhydrid, aber auch korrosiver und kann Chlorwasserstoff erzeugen Gas als Nebenprodukt, das schädlich und korrosiv für die Ausrüstung ist.

Essigsäure ist kostengünstig und weit verbreitet und kann auch als Acetylierungsmittel verwendet werden, liefert jedoch eine geringe Ausbeute und erfordert einen Dehydratisierungskatalysator, um die als Nebenprodukt entstehende Wassermenge zu minimieren, was die reversible Reaktion begünstigt ( Deacetylierung).

Die Wahl des besten Acetylierungsreagenzes für eine bestimmte Reaktion hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem Substrat, der gewünschten Selektivität und den Kosten.

3. Beispiele wichtiger Acetylierungsreaktionen

Aspirin (Acetylsalicylsäure) ist ein bekanntes schmerzstillendes und entzündungshemmendes Medikament, das durch Acetylierung von Salicylsäure hergestellt wird.

Acetaminophen (N-Acetyl-p-aminophenol) ist ein weiteres häufiges schmerzstillendes und entzündungshemmendes Medikament, das häufig bei Kindern und Menschen mit empfindlichem Magen eingesetzt wird. Es wird durch N-Acetylierung von p-Aminophenol gewonnen.

Celluloseacetat ist eine Art synthetischer Faser, die in Kleidung und Möbelpolstern verwendet wird und Zigarettenfilter. Es wird durch Acetylierung von Cellulose hergestellt.

Acetylierte Monoglyceride werden als Lebensmittelemulgatoren und Stabilisatoren in Brot, Eiscreme und anderen verarbeiteten Lebensmitteln verwendet.

Ethylacetat ist ein häufiges Lösungsmittel, das durch Acetylierung von Ethanol hergestellt und in Farben, Beschichtungen und Klebstoffen verwendet wird.

N-Acetylcystein (NAC), das durch N-Acetylierung von Cystein entsteht, ist ein antioxidatives Nahrungsergänzungsmittel, das manchmal zur Behandlung von Atemwegserkrankungen und anderen Erkrankungen eingesetzt wird.

3.1. Acetylierung von Anilin

Die Acetylierung von Anilin ist eine grundlegende Reaktion in der organischen Chemie, bei der ein basisches Amin in ein wertvolles Zwischenprodukt mit verschiedenen industriellen und pharmazeutischen Anwendungen umgewandelt wird.

Bei dieser Reaktion wird Anilin durch Essigsäureanhydrid oder Acetylchlorid acetyliert, um Acetanilid zu erzeugen, das häufig als Zwischenprodukt in der Farbstoff- und Arzneimittelsynthese verwendet wird. Je nach gewähltem Acetylierungsmittel entstehen als Nebenprodukte Essigsäure oder Chlorwasserstoff.

3.2. Acetylierung von Salicylsäure

Die Acetylierung von Salicylsäure, auch bekannt als die Synthese von Aspirin, ist ein klassisches Beispiel für die Umwandlung eines einfachen Moleküls in die organische Chemie pharmazeutischer Wirkstoff.

Salicylsäure (C₇H₆O₃) ist eine natürlich vorkommende Verbindung, die in Weidenrinde und anderen Pflanzen vorkommt. Es hat schmerzlindernde und entzündungshemmende Eigenschaften. Allerdings kann es auch zu Magenreizungen kommen.

Acetylsalicylsäure, die im Vergleich zu Salicylsäure eine verstärkte schmerzlindernde und entzündungshemmende Wirkung bei gleichzeitig geringerer Magenreizung besitzt, wird durch Acetylierung von Salicylsäure mit Essigsäureanhydrid in einem sauren Medium (z. B. konzentrierte Schwefelsäure) hergestellt. Essigsäure ist ein Nebenprodukt der Reaktion.

3.3. Aminosäureacetylierung

Die Aminosäureacetylierung ist eine dynamische und weit verbreitete posttranslationale Modifikation (PTM), die eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Proteinfunktion, -stabilität und -interaktion mit anderen Molekülen spielt. Dabei handelt es sich um die Anfügung einer Acetylgruppe an bestimmte Aminosäurereste, am häufigsten an die N-terminale α-Aminogruppe oder die ε-Aminogruppe von Lysinresten.

Diese einfache Modifikation kann tiefgreifende Auswirkungen auf das Proteinverhalten haben und verschiedene zelluläre Prozesse beeinflussen, wie zum Beispiel:

Genexpression: Die Histonacetylierung, bei der den Histonproteinen, die die DNA verpacken, Acetylgruppen hinzugefügt wird, beeinflusst die Struktur und Zugänglichkeit des Chromatins und reguliert dadurch das Gen Transkription.
Enzymaktivität: Acetylierung kann Enzyme aktivieren oder deaktivieren, indem sie ihre Struktur, Substratbindung oder Interaktion mit anderen regulatorischen Proteinen verändert.
Protein-Protein-Wechselwirkungen: Durch die Beeinflussung der Oberflächenladungen und der Konformation von Proteinen kann die Acetylierung modulieren, wie Proteine miteinander interagieren, und so Signalwege beeinflussen zelluläre Reaktionen.
Proteinabbau: Acetylierung kann die Erkennung von Proteinen durch Abbaumaschinen beeinflussen, sie zur Zerstörung markieren oder vor dem Abbau schützen.

Es gibt zwei Haupttypen der Aminosäureacetylierung:

N-terminale α-Acetylierung: Dies ist der häufigste Typ, der an der N-terminalen α-Aminogruppe neu synthetisierter Substanzen auftritt Proteine in Eukaryoten. Es erleichtert die Proteinfaltung und -stabilität und dient oft als Signal für die Proteinsortierung und den Proteintransport.
Lysin-ε-Acetylierung: Dieser Typ beinhaltet die Hinzufügung einer Acetylgruppe an die Seitenkette von Lysinresten innerhalb der Proteinsequenz. Es kann sowohl cotranslational (während der Proteinsynthese) als auch posttranslational (nach der Proteinsynthese) auftreten. Diese dynamische Modifikation spielt je nach spezifischem Protein und Ort der Acetylierung vielfältige regulatorische Rollen.