ペニシリンの化学構造

1946年3月20日のノーベル講演

この講義のトピックを開始する前に、ペニシリン化学研究の歴史的発展とその組織について紹介したいと思います。私たちのグループがこの化合物の並外れた化学療法的価値を確定した後、オックスフォード大学の病理学部の同僚、E.マーフィー。 P.エイブラハム博士と私は、ペニシリンの精製と構造に関する研究に着手しました。 1942年末、私たちはブリストル大学の有機化学教授であるW.ベイカー博士とロバート・ロビンソン卿と協力しました。エイブラハム博士、ベイカー博士、ロビンソン卿、そして私からなるこの化学者のグループは、ペニシリンの化学構造とその分解生成物の合成を研究する中心的なチームとなりました。この仕事の成功は、私たちのチームのすべてのメンバーの共同の努力によるものであり、私は今夜、あなたを代表して招待されています。

彼がオックスフォード大学で化学の研究を始めて間もなく、英国の他の多くの学術研究機関や産業研究機関が同様の研究を始めました。ここで特筆したいのは、A.A.が中心となって研究グループを組んだインペリアル・カレッジ・ロンドンです。 H.クック博士とイアン・ハイルブロン教授が率いる。 S.スミス博士が研究を行っているバーリントンのウェルコム社の化学研究所、インペリアル・ケミカル・インダストリーズ社の研究所、F.スミスが率いるグラクソ社の研究所。 A.ロビンソン博士が率いる。

同時に、英国で研究作業が行われている間、米国の化学者たちは、できるだけ早く人工合成を達成することを目的として、ペニシリンの構造に関する詳細な研究を行い始めました。この研究は、学界と産業界から約200人の研究者が参加する大規模なものです。 1944年5月まで、アメリカの研究はイギリスの努力とは何の関係もなく、私たちイギリス人はアメリカの研究の進展について、時折噂を聞くことを除いて無知でした。

1943年、イギリスとアメリカの政府は出版を禁止しました

当時、英国政府はペニシリンに関するすべての化学研究の停止を命じ、同時に両国政府は大西洋の両側の研究グループ間で包括的な情報交換を実現する方法についての交渉を開始しました。交渉は長く続き、その間、私たちはオックスフォード大学で研究を続け、1943年10月にペニシリンの最初の完全な構造処方を提案しました。 1944年2月、イギリスとアメリカの研究者は情報交換について合意に達しました。英国では、医学研究評議会(M.R.C.)がペニシリン合成委員会を設立し、英国の著者からの提出物を受け付けるとともに、米国では、科学研究開発局(O.S.R.D.)がコロンビア大学のハンス・T・クラーク博士に米国でのペニシリン化学研究の調整と、その請負業者からの月次報告の受領を依頼しました。これらの2つの機関、すなわちMR。 C.とO。 S． R． D.は、毎月報告を交換することに同意し、1944年4月に、米国からペニシリンに関する最初の報告を受け取りました。すでに述べたように、アメリカ人はペニシリンの化学に多大な努力を注ぎ込んでおり、次のアメリカの化学者のチームがプロジェクトに参加しています:アカデミア - ニューヨークのコーネル大学のデュヴィーニョ博士と彼の共同研究者、ミシガン大学のW.バックマン博士、ハーバード大学のウッドワード博士、そして産業界 - メルクのチームは、分解と合成の研究に最も広範で最も価値のある貢献をしました。スクイブチーム; ファイザーチーム。米国農務省N.マーフィー、イリノイ州ピオリア。 R． R． L.チーム、アボットチーム、イーライリリーチーム、ファイザーチーム、シェルチームなど。

オックスフォード大学での研究活動は、資料不足によって大きく妨げられました。合計で約2グラムのペニシリンしか入手できません。これらのうち、1.5グラムは約純粋

50 %

で、約500ミリグラムだけが約純粋

90 %

です。米国の研究者ははるかに幸運でした。メルクの研究チームだけでも、数百グラムの純粋なペニシリン結晶を使い果たしました。

英米の協力は1945年10月まで続き、その間に約700の報告書が調整政府委員会に提出された。これらの報告の中には、ペニシリンの分解に直接関連する研究もあれば、分解生成物、中間体、モデル化合物の合成を含む合成研究もあります。明らかに、これらの700のレポートに含まれるすべての作業の全体像を提供することは不可能です。

これは、Pepper Chemical Abstractsに含まれています。私は、ペニシリンの精製と構造に直接関連する研究に限定し、構造論に関連する合成研究のみを引用します。明瞭さと一貫性を保つために、歴史的な出来事の経過を厳密に追うことが不可能な場合もありますが、可能な限りそれに従うようにしています。ペニシリンに関するすべての化学研究の包括的な要約は、米国ワシントンD.C.の全米科学アカデミーの後援の下、英米共著形式で出版されます。

精製研究の過程で、いくつかのペニシリンが存在することが発見されました。これらは非常に類似した生物学的および化学的性質を持っていますが、化学組成は異なります。後の研究では、すべてのペニシリンが共通の親核を含んでいることが示されましたが、側鎖の構造はさまざまです。現在までに、4種類のペニシリンの結晶性ナトリウム塩形態が得られている。英国では、それらは発見された順にペニシリンIからIVと名付けられています。米国では、それぞれF、G、X、Kとして知られています。

ペニシリンの最も重要な物理的および化学的特性を簡単に確認させてください。ペニシリンは、エステル、クロロホルム、エーテルなどのさまざまな有機溶媒に容易に溶解するが、炭化水素には溶けにくいまたはわずかに溶ける有機酸の一種です。それらは、pH 5〜8の水溶液中の塩の形でのみ安定しており、より酸性またはアルカリ性の水溶液中では急速に生物学的活性を失います。酸および塩基に加えて、ペニシリンは、ほとんどの重金属イオン(亜鉛およびカドミウムのものを含む)、第一級および第一級アミン、チオール、アルデヒドまたはケトン試薬、酸化剤、および一部のペニシリン耐性株に存在する特定の酵素、ペニシリナーゼなど、他の多くの薬剤によって不活性化されます。

ここでは、ペニシリン精製の方法を詳細に説明する時間はありませんが、一般的な説明をするだけです。ペニシリンは精製プロセスで一般的に使用される多くの試薬に非常に敏感であることを考えると、異なる溶媒やさまざまな形態のクロマトグラフィー間でペニシリンを分注することにほぼ専ら依存できます。特に、英国のMartin and Singer社が発明した改良型パーティションクロマトグラフィー法を広く活用しており、適用範囲が広いです。

精製プロセスの成功は、出発物質の性質、言い換えれば、培地の組成に完全に依存します。

ペニシリンIIおよびIIIの精製は、培地の組成、発酵条件、および使用するペニシリウムスポッティング株によって異なります。現在入手可能な出発物質では、ペニシリンIIおよびIIIの精製は難しくなく、結晶性ペニシリンIIナトリウム塩が容易に入手できるようになりました。

純粋な形で生産された最初のペニシリンはペニシリンIIであり、そのナトリウム塩結晶型は1943年7月頃にニュージャージー州のスクイブ研究所のウィンターシュタイナーとマクフィラミによって成功裏に調製されました。約1週間後、オックスフォードでペニシリンIのナトリウム塩結晶も入手しました。今日まで、ペニシリンのアルカリ金属塩およびいくつかの単純な有機カチオンによるそれらの形成のみが結晶形で得ることができる。何度か試みたにもかかわらず、二価金属塩の結晶化は得られていません。ペニシリンI、II、およびIIIのナトリウム塩は、水とブタノールの混合物から結晶化することができる(

1 : 20

)。ペニシリンIIのナトリウム塩は現在、工業的に生産されています。

ペニシリンの結晶性ナトリウム塩は無色の針です。この純粋な物質は、非常に右利き系、すなわちペニシリンIおよびIIです。

$[α]_{D}$

プレゼント

+ 305^{\circ}

. 結晶状態のナトリウム塩の予備分析は、ペニシリンが以下の組成を有することを示しました。

ペニシリンI	$C_{14} H_{20} O_{4} N_{2} S$
ペニシリンII	$C_{16} H_{18} O_{4} N_{2} S$
ペニシリンIII	$C_{16} H_{18} O_{5} N_{2} S$
ペニシリンIV	$C_{16} H_{26} O_{4} N_{2} S$

プラチナまたはパラジウムの触媒水素化により、ペニシリン-Iは1モルの水素

_{2}

を吸収します。他のペニシリンは触媒活性水素と反応しません。.

塩の分析、および電位差滴定曲線の結果、ペニシリンはpK値が約2.9の強一酸であることが示されました(図1)。電位差滴定曲線は、基本基の存在を示すものではありません。この事実は、構造的な考慮事項において重要な役割を果たします。

ペニシリンの酸性基はカルボキシル基であり、エステル化することができます

{CH}_{2} N_{2}

。結晶状態のメチルエステルが得られています。 in vitroでの活性は約70単位/mgで、ペニシリン塩よりもはるかに低いですが、in vivoでは塩とほぼ同じ活性です。これは、体内の組織中の酵素によって容易に加水分解されるという事実によるものです。穏やかな条件(ピリジンと等量の塩基

0^{\circ} C

)の下でも、メチルペニシリンエステルは化学的に加水分解することはできません、そうでなければ、その抗菌活性は大幅に低下します。

図1.2-ペンテニルペニシリンの電位差滴定曲線(

0^{\circ} C

)
種々の方法によるペニシリンの分子量の測定により、その分子量は上記の単純な化学式と一致していることが示されています。ペニシリンIとIVは特徴的な紫外線吸収を持っていませんが、ペニシリンIIとIIIはベンゼン環の微細な構造をはっきりと示しています。酸性pH条件でペニシリンを不活性化した場合(図2)、電位差滴定により、新しい強酸性基(pK約1.5)と塩基基(pK7.6)の形成が示されました。反応生成物は有機溶媒に不溶であり、これはその双性イオン構造に対応します。

ペニシリンがpH 10のアルカリ性条件で不活性化されると、双性イオン基に変換されて新しい酸性基と塩基性基が形成されますが、この化合物は酸不活性化の生成物とは異なり、新しく形成された酸性基のpK値は1.8、新しい塩基基のpK値は5です。酸性およびアルカリ性の不活化製品の両方が結晶状態を獲得しています。酸の不活化の生成物はペニシリンと異性体であり、ペニシリン酸と呼ばれます。アルカリ性不活性化の生成物には、複数の分子が含まれています。

H_{2} O

したがって、ペニシレン酸と呼ばれる加水分解物。これらの重要な劣化生成物の構造については、後で説明します。

図2.2-酸と塩基による電位差滴定曲線の不活性化前後のペンテンペニシリン(

0^{\circ} C

)の滴定曲線。

ペニシリン分子の構造を解明するために、まずは解析で示された2つの窒素原子の性質を調べることにしました。ペニシリン

100^{\circ} C

を一般的な酸で加水分解することにより、これら2つの窒素原子の特性についていくつかの手がかりを得ました。短時間の加水分解(30分から1時間)の後、窒素原子の1つが

{NH}_{2}

-窒素の形で現れ、これはvanslecアッセイによる-アミノ基

α

の決定によって推定できます。長時間の加水分解
(24時間後)に、別の窒素原子がアンモニアの形で徐々に放出されます。ペニシリンの酸加水分解物はニンヒドリン試薬と強く反応し、vansleckアッセイで示唆された

a

-アミノ酸の存在が確認されます。このアミノ酸は、ペニシリンの最初の結晶化単離分解生成物です。分解

H_{2} S

後に水銀錯体を沈殿および結晶化するために使用できます

{HgCl}_{2}

。元素分析は、それが化学式で塩酸塩であることを示しています、

C_{5} H_{11} O_{2} NSHCl

したがって、それはペニシリン分子の硫黄含有部分です。硫黄含有アミノ酸はペニシラミンと名付けられます。それはナトリウムnitroprussideおよび鉄イオンと強く反作用します。 SHには塩素化が使用されます。臭素で酸化すると、ペニシリンと呼ばれる結晶性化合物が形成されます。

この物質は、塩酸ペニシラミンよりも分析に適しています。それは3つの余分な酸素原子を含み、それがペニシラミンに対応するスルホン酸であることを示しています。滴定曲線は、2つの酸性基(スルホン酸基とカルボキシル基)と1つの塩基基(

⊠

a-NH基)を含むことを示していますが、SH基は含まれていません。ペニシラミンと同様に、ニンヒドリンと強く反応し、Van Slackアッセイでは、そのすべての窒素が-アミノ酸窒素の

a

形をしています。ペニシラミン中のアミノ基とスルフヒドリル基の近接性は、この物質がケトンとアルデヒドで加熱するとチアゾリジンが形成されやすいという事実によって証明されています。

ペニシラミンの滴定は、3つのプロトン結合中心を明確に示しています。
カルボキシル基(pK1.8)および(pK)に対応する基。

α

-アミノ7.9)およびSH基(pK 10.5)(図3)

図3.ペニシラミン塩酸塩の電気滴定曲線

(25^{\circ} C)

。

ペニシラミンが存在する可能性のある2つの異性体構造のうち、(II)構造が現れます

(I)

(II)
決定が非常に低い値を与えたため

C - {CH}_{3}

、ありそうにありません。一方、この発見は構造(I)と一致しており、クーンとロスの研究から、C決定

{CH}_{3}

法の下では、構造(I)に含まれるジメチル基はクロム酸によって酢酸に酸化されないことが知られています。したがって、ペニシラミンは構造(I)を持っていると結論付けます。この結論は、統合によって決定的に確認されました。この合成は、Carter、Stevens、およびNey(Journal of Biochemistry、139(1941)247)によってメチルシステインの合成のために開発された方法に基づいています。これは、馬尿酸とアセトンの縮合によって得られるアザラクトンの二重結合にフリルチオールを付加することを含む。合成ステップを次の図に示します。

ペニシラミンを合成する他のいくつかの方法が現在開発されています。

このアミノ酸の最適な分離方法は、N-ホルミル化合物の臭化塩の分画です。天然ペニシラミンは以下に属します。

この「不自然な」

d

タイプの配置は、ペニシラミンとそのアセトン誘導体の光学回転挙動から推測されますが、これはD-システインと似ています。ペニシラミンのD型配置は、最終的にそのフェニル尿素誘導体とラニーニッケルとの反応によって確認され、

d

フェニル尿素誘導体である-バリンが形成されました。ペニシラミンは、これまで他の生体材料では発見されていなかった新しいアミノ酸であり、微生物が作り出す「不自然な」形状のアミノ酸の一例でもあります。例えば、このアミノ酸は、抗生物質のバシトラシンとカゼイン、および腸内細菌科の抗原に存在します。

ペニシラミンは多くの点でシステインに似ていますが、水溶性がはるかに高いです。ジスルフィドについても同じことが言えます。ただし、ジスルフィドはシステインよりも還元剤に対してはるかに安定しています。そのため、システインとは異なり、KCNでは還元できません。ペニシラミンも

L

ペニシラミンも、それらのジスルフィドと同様に

D

、動物組織に存在する酵素によって攻撃されません。

ペニシラミンは、すべてのペニシリンに共通する成分で、ペニシリンIの炭素数14個のうち5個です。他の炭素原子はの形で存在し

{CO}_{2}

、

60^{\circ} C

遊離ペニシリンが約に加熱されると、ペニシリンIの酸加水分解後に

{HgCl}_{2}

ペニシラミンを除去することにより少量で分離できるアルデヒド

C_{8} H_{13} O_{2} N

中の

{CO}_{20}

残りの8つの炭素原子の1分子が放出されます。このアルデヒドは、2,4-ジニトロフェニルヒドラゾンおよびジメチルケトン誘導体の形で得られます。このアルデヒドは、ペニシリンをアルカリで処理した後(「アルカリ不活化」)、次に

{HgCl}_{2}

処理溶液で大量に得ることができます。これにより、ペニシラミンは塩化水銀錯体の形で沈殿し、分子

{CO}_{2}

を放出します。このとき、上清は2,4-ジニトロフェニルヒドラジンと反応して、アルデヒドヒドラゾンを良好な収率

C_{8} H_{13} O_{2} N

で沈殿させることができます。このアルデヒドはペニシラールとして知られています。それで、ペニシリン中の14個の炭素原子すべてが説明され、方程式は以下に与えられます

指定。

C_{8} H_{13} O_{2} N

アルデヒドの構造は、以下のように解明されます。
安値：
グルタルアルデヒドは空気で酸化されて結晶性酸

C_{8} H_{13} - O_{3} N

を形成します。でこの酸を塩酸

100^{\circ} C

で加水分解することにより、その窒素特性に関する情報が得られました:加水分解物はフェニルヒドラジン試薬と強く陽性反応しました。

酸とその中の窒素

70 %

元素との反応

{NH}_{2}

-窒素はVan Slyke法で検出できます。したがって、次のように推論できます。

C_{14} H_{20} O_{4} N_{2} S + 2 H_{2} O = C_{5} H_{1 I} O_{2} NS + {CO}_{2} + C_{8} H_{13} O_{2} N

かもしれません

酸

C_{8} H_{13} O_{3} N

はペプチド結合を含んでいると結論付けられる。その正確な構造式は、米国におけるペニシリンの組成と分解挙動に関する情報から推測されます。このペニシリンの経験的処方は、1943年7月に医学研究評議会に電報で伝えられました。です

C_{16} H_{18} O_{4} - N_{2} S

。これで、英国のペニシリンは、酸によって加水分解されると、次の式に従って分解されることがわかっています

C_{14} H_{20} O_{4} N_{2} S \to \underset{penicillamine}{C_{5} H_{11} O_{2} NS} + \underset{penilloaldehyde}{C_{6} H_{13} O_{2} N} + {CO}_{2}

米国で生産されたペニシリンは、酸性加水分解されると同じアミノ酸のペニシラミンを生成することがわかったため、加水分解プロセスは次の式に従うという仮説を立てました

C_{16} H_{18} O_{4} N_{2} S \to C_{5} H_{11} O_{2} NS + C_{10} H_{11} O_{2} N + {CO}_{2}

米国の研究者がペニシリンの酸加水分解物からフェニル酢酸を単離したと聞いています。それは、私たち自身の分解生成物で遭遇したことのない、簡単に認識できる物質です。アメリカの研究者がペニシリンの結晶分解生成物からフェニル酢酸を単離したことを知ったとき、私たちは、米国のペニシリンは私たちのペニシリンとは化学的に異なり、この違いはペニシレナール画分にのみ存在すると確信しました。米国の陰茎部分にフェニルアセチル基が含まれており、私たちの陰茎のようなペプチド結合があり、その構造があるとします

アセトアルデヒド
それは

C_{6} H_{5} {CH}_{2} {CONHCH}_{2} \cdot CHO

フェニルアセチルアミノです。

この仮定が正しければ、ホルムアルデヒドは次の構造

_{8}

を持つはずです

C_{5} H_{9} CO \cdot NH \cdot {CH}_{2} \cdot CHO

、ヘキセノイルアミノ-アセトアルデヒドの、およびアル

C_{8}

デヒドの酸化によって得られる酸の構造

C_{5} H_{9} CONH \cdot {CH}_{2} \cdot COOH

は、すなわち、ヘキセノイルグリシンを有するべきである。この酸中にグリシンが存在するという事実は、そのナフタレンスルホニル誘導体の単離によって確認されます。

C_{5} H_{9} COOH

不飽和脂肪酸の構造は、冷たい過マンガン酸カリウムによる酸化によって決定され、酸化生成物はプロピオン酸であり、二重結合が所定の

γ

位置にあることを示し、その構造が

C H_{3} H_{2} CH = CH \cdot {CH}_{2} \cdot COOH

であることを証明しています。この構造は、インペリアルカレッジMaによっても確認され、水素化後にヘキサン酸がブロモフェニルベンゾイル誘導体の形で単離されました。

酸およびその後の酸加水分解。したがって、ペニロ-アルデヒド-Iの構造はtrans-h-ヘキセノアセノアセトアルデヒドであることが確認されました。

{CH}_{3} {CH}_{2} CH = {CHCH}_{2} - {CONHCH}_{2} \cdot CHO

このアルデヒドのアセタールは、アミノアセタールと

Δ

2-ヘキサエノイルクロリドから合成されます。生成物を2N中の2,4-ジニトロフェニルヒドラジンで処理し、得られた2,4-ジニトロフェニルヒドラゾンは、天然のペニーロ-アルデヒド-Iから得られたものと同一でした。

ペニシリンIをPtまたはPdで

H_{2}

処理すると、ペニシリンI分子内のペニシリンI分子のジエノイル基が

H_{2}

分子の吸収に関与します。後に、米国のペニシリンIIは、私たちがその構造であると推定したもの、すなわちフェニルアセトアミノアセトアルデヒドのペニシラルアルデヒドを生成したことを学びました。したがって、ペニシリン分子は3つの部分で構成されています:(1)チオールアミノ酸ペニシラミン; (2)遊離ペニシリンを加熱するか、

60^{\circ} C

または不活化塩基性ペニシリンを

HgCl ⊠

処理

CO ⊠

すれば容易に形成される不安定なカルボキシル基; (3)ペニシラルアルデヒド部分と呼ばれるアシル化アミノアセトアルデヒド。最初の2つの成分、すなわちペニシラミンと不安定なカルボキシル基は、すべてのペニシリンに共通です。陰茎部

ペニシリンによって異なります。ペニシリンIでは

β, γ

-ヘキセノイルアミノ-アセト-アルデヒドであり、ペニシリンIIではフェニルアセトアルデヒドです。.

他の2つの結晶性ペニシリンの分解はペニシラル誘導体をもたらし、ペニシリンIIIは分解してp-ヒドロキシフェニルアセトアミノアセトアルデヒドを生成し、ペニシリンIVはn-ヘプタンヘプタミドアセトアルデヒドに分解します。ここで答えを出さなければならないのは、これら3つの成分がペニシリン分子内でどのように結合しているかということです。この情報は、ペニシリンのより大きな分解生成物を取得することによって得られると予想されます。. ペニシリンの不活性化中に様々な試薬で起こる反応の研究は、そのような製品の単離をもたらした。

まず、ペニシリンをベースで不活化することで得られる製品について考えてみましょう。塩基の不活性化後に

_{2}

塩化水銀を添加すると、ペニシラミンの水銀錯体が沈殿し、上清には遊離ペニシアルデヒドが含まれていることがわかりました。ペニシルアルデヒドは、ヒドラジンニトロベンゼン

{HgCl}_{2}

を添加した場合にのみ利用できます。これはそれまでは起こらず、それまでは、2,4-ニトロフェニルヒドラジンでの検出による沈殿物は得られません。同様に、塩基不活性化ペニシリンはスルフヒドリル基または

{NH}_{2} - N

反応を示さず、溶液中に遊離ペニシラミンがないことを示しています。後者は、塩化水銀がペニシリンの塩基不活化生成物に

_{2}

作用する場合にのみ形成されます。これらから

我々は、ペニシラミンとペニシアルデヒドがチアゾリジン環の形で溶液中で結合しており、塩化水銀がチアゾリジンの特性と一致する方法で環を切断することができると結論付けています。

アルカリ不活化ペニシリンと塩化水銀からペニシラミンを沈殿させた直後に、二酸化炭素の形成が始まり、最終的に二酸化炭素の分子が放出されます。二酸化炭素の容易な放出の最も説得力のある説明は、

β

それがペニシラミンアルデヒドの潜在的なアルデヒド基のカルボキシル基に由来するというものです。したがって、ペニシリン不活化製品の最も可能性の高い構造は、化学式が1000未満のチアゾリジンです。

CH \cdot COOH

NH \cdot CO \cdot C_{5} H_{9}

この化合物は、結晶性ナトリウム塩の形で単離されるだけでなく、これらの化合物のさまざまなエステル、アミド、N-アシル化誘導体などのさまざまな結晶性誘導体の形で単離されます(Merck & Co.A.)。これは、ペニシリンの最も重要な分解生成物の1つであり、ペニシリン酸と呼ばれています。その構造は、分解と合成によって確認されます。その構造を決定するための情報は、ペニシリンとメタノールおよびベンジルアミンとの反応の生成物の研究から得られます。これは、先に述べたように、ペニシリンを容易に不活性化します。ペニシリンIのナトリウム塩がメタノールに溶解すると、その抗菌活性は数時間以内に失われます。反応生成物は、元のペニシリンとほぼ同じ溶解度を持つ一塩基酸です。

この物質にはグループが含まれています

{CH}_{3} O

。この基は、軽度のアルカリ加水分解条件(室温でpH 10など)で容易に分離され、新しい酸性基が出現します。得られるジカルボン酸は、塩基不活性化ペニシリン(ペニシレン酸)とすべての点で同一であり、電位差滴定曲線は一貫しており、塩化水銀、ペニシラミン、ペニシアルデヒドと分解すると、

CO ⊠

。このことから、メタノール不活化ペニシリンの生成物は、(III)の構造を持つペニシレン酸のモノメチルエステルであることが示唆されます。

この構造(Merck & Co.)は、ペニシリンIIの分解によって確認されました。

(III)

NH \cdot CO \cdot {CH}_{2} C_{6} H_{5}

(IV)

塩化水銀による処理は、ペニシラミンおよび結晶性2,4-ジニトロフェニルヒドラゾンおよびアミド(IV)形態の形で得られるペニシロン酸と呼ばれるアルデヒド酸のメチルエステルをもたらす。

このアルデヒド酸の構造は、ヘキサヒドロフェニルアセチルアラニンへの触媒還元によって確認されました。

アニリンはエーテル中の遊離ペニシリンIIと反応して、ペニシレン酸IIのベンズアミドのアニリン塩であることが示されている結晶性化合物を生成します（Merck&Co.）。

NH \cdot CO \cdot {CH}_{2} C_{6} H_{5}

この化合物は、塩化水銀によってペニシラミンとII-ベンザロキシル酸のベンジルアミンに分解されます。

ベンズアミドの構造は、ベンズアミドをヘキサヒドロフェニルアセチルセリンのベンズアミドに還元することで確認されました。

後者の化合物はフェニルアセチルセリンによって合成され、生成物はエステル化され

{CH}_{2} N_{2}

、フェニルアセチルセリンメチルエステルはベンジルアミンと反応し、次いで触媒還元によって合成される。ペニシラミンは、水銀塩がペニシリンのベンジルアミン不活性化生成物(ペニシレン酸のベンジルアミン)を分解した後

_{2}

に単離され、これもまた、ペニシリンの遊離カルボキシル基がペニシラミン部分に属することを決定的に証明しました。

ペニシリン酸の命名について少しお役立てください。 2つのカルボキシル基は、それぞれAとBと呼ばれます。 2つのエステル基の加水分解速度はアルカリ性条件下で異なり、a-エステル基の加水分解速度はより速くなります。 pH 10では、これらの条件下で影響を受けない残りの部分を簡単に加水分解できます。したがって、ペニシリン酸の段階的な加水分解を行うことが可能である。

$β$ -群

ジステリン酸。理論的には4つの立体異性体があり、そのうち3つはN-ベンゾイル誘導体の形で合成されています。

α

-メチルエステル。
表1に示すように、第4の物質は、硫酸銅とペニシリンナトリウムと反応して得られる結晶性銅塩形態である。
IIまたはペニシリウム

m

qrの異性体。これらの異性体は化学的方法によって合成されます。
合成材料(主にタイプ

γ

)をメタノール中で紡糸し、粗混合物をベンゾイル化し、N-ベンゾイル基を分画します。

エーテル結晶化によって得られる誘導体。ベンジルアミン塩や過塩素酸塩もよく使用されます。

テーブル 1.

N-ベンゾイル誘導体の融点

[α]_{D}^{22}

アルコール

α

d - α -

メチルII-ペニシロエート

171 - 173^{\circ}

+60.0

α

-メチル

d - β

-II-ペニシロエート

236 - 237^{\circ}

-13.2

α

d - γ -

メチルII-ペニシロエート

190 - 192^{\circ}

+123.0

ペニシリンの可能な化学式を調べる前に、酸性不活化条件下で良好な収率で得られる別の分解生成物の構造を考慮する必要があります。例えば、ペニシリンのバリウム塩を1当量で処理した

H_{2} {SO}_{4}

遊離ペニシリン酸を水溶液中に室温で

80 %

約30分間入れます有機溶媒に不溶性となり、水相の蒸発後、収率の良い結晶性化合物が得られる。ペニシリン酸として知られるこの化合物は、得られた最初の結晶性ペニシリン分解生成物の1つでした(Duffin and Smith、Nature 151(1943)251)。その組成はペニシリンのそれと同じですが、化学的および物理的性質は全く異なります。そのため、ペニシリン分子の内部再配列の産物です。ペニシリン酸には、2つの酸性基と1つの塩基基が含まれています(図4)。ペニシリンよりもはるかに酸性で、アルカリ性条件下で塩を形成します。

その光学回転はペニシリンのそれよりはるかに高く、そしてそれは以下の特徴を有する

+ 529^{\circ}

。

$[α]_{D}$

2350オングストロームで最大吸収を持つ特徴的なUV吸収スペクトル。酸で加熱すると、生成物はペニシリン酸、すなわちペニシラミン、ペニシラール、および二酸化炭素の加水分解によって得られるものと同じである。

ペニシリン酸の分解生成物は水銀塩(

{HgCl}_{2}

)によって結晶化され、ペニシリン酸-Iの構造が推測されました。ペニシリン酸溶液に水銀塩(

{HgCl}_{2}

)を添加すると、二酸化炭素( )の分子が放出

{CO}_{2}

され、アルカリ性物質の塩基

C_{13} H_{20} O_{2} N_{2} S

の水銀錯体が形成され、これが塩酸(HCl)によって分解されて塩基の塩酸塩を得る。この塩基はペニシラミンと名付けられました。塩化第二鉄(

FeCl ⊠

)およびニトロソフェリシアン化ナトリウム(

NaNO ⊠ Fe (CN) ⊠ \cdot 2 NaH ⊠ O

)と強く反応する可能性があります。電位差滴定(図5)は、カラーテストで示された水素化物(SH)基の存在を確認し、カルボキシル基と塩基の存在も示します。 2,4-ジニトロフェニルヒドラジドで加熱すると、グリオキサールの2,4-ジニトロフェニルヒドラゾンが形成されます。酸化プロセス中、

臭素と反応すると、ペニシリンが生成されます。これらの事実に基づいて、可能な構造式は(V)のみです。その後、この構造式が合成的に確認されました(Abraham、Baker、Channe、およびRobinson)。

図4.2-ペンテニル安息香酸の電位差滴定曲線(

25^{\circ} C

)

図5.2-塩酸ペンテニルペニシラミンの電位滴定曲線(

25^{\circ} C

)

I-ペニシラミンの分子式からペニシリウム-I-酸の分子式を構築するための鍵は、不安定なカルボキシル基を正しい位置に置くことであり、これは塩化水銀(

HgCl ⊠

)と反応するか、塩酸の水溶液中で加熱するとペニシリン酸

{CO}_{2}

の形で発生します。最も妥当な推論は次のとおりです。

(V)

(6)

当時、このカルボキシル基は潜在的なアルデヒドカルボニル基のB位に位置していると考えられ、この仮定に基づくと、ペニシリン酸は式(VI)としてしか考えられませんでした。このペニシリン酸Iの構造式は、そのすべての既知の特性に対応しています。この論文では、その2つのカルボキシル基、電位差滴定で示される基本基、その溶解性プロファイル、および塩化水銀の作用によりペニシラミンに容易に変換されるという事実について説明します。塩化水銀による処理は、チアゾリジン環の加水分解による環を開くこと、アルデヒドアンモニア化合物からのCOの損失、および化合物が非常に安定なイミダゾール環系

H_{2} O

を形成する傾向によるその後または同時の除去を含む。その後、真空条件下でのジメチルペニシル酸の穏やかな熱分解から

115^{\circ} C

、この構造式を裏付けるさらなる証拠が得られ、その反応により、2-ピリル-4-メトキシカルボニルイミダゾールと考えられている塩基である(VII)が形成されました。この仮説は合成によって確認されました。

{CH}_{2} \cdot C_{6} H_{5}

(7)

SHさん

\dot{C} OOH

(VIII)

ペニシリン酸の化学構造は、最終的に全合成(Merck & Co.A.による)によって確認されました。ペニシリン酸1または2をアルカリで処理するか、トルエンのみで加熱する場合

アルコールの作用下で、チアゾリジン環が開き、プレニル酸と呼ばれる新しい異性体の結晶性化合物が得られます。この化合物は遊離SH基を含んでおり、これは構造式(VIII)を用いてニトロプルシドナトリウムおよび

_{3}

塩化第二鉄との発色反応によって確認された(オックスフォード大学の研究者)。この構造は、合成(Merck & Co.A.)によっても確認されました。
ペニシリン酸とペニシレン酸の構造を知ることで、ペニシリン分子の化学式を構築することができます。これを行う際に留意すべき点がいくつかあります。
ペニシリンは一塩基酸ですが、その分解生成物は二塩基酸です。したがって、結合状態のペニシリン分子にはカルボキシル基が存在する必要があり、これは室温でアルカリ、メタノール、および第一級アミンによって容易に放出される可能性があります。
(2)ペニシリン中の遊離カルボキシル基はペニシラミンカルボキシル基です。
(3)ペニシリンには、非常に弱い塩基でさえも、基本基は含まれていません。ペニシリン分子は、イミダゾリン誘導体に容易に再配列できます。

これらの考察に基づき、オックスフォード大学の研究グループは、後に「

β

-ラクタム」構造(IX)と「チアゾリジン-オキサゾロン」構造(X)と呼ばれるようになったペニシリンの2つの化学式を提案しました。

コンストラクトフォーミュラ(IX)の主な指針は、ペニシリンの非塩基性の性質であり、ペニシレン酸の窒素水素(NH)を非塩基性にする唯一の実行可能な方法は、それを不安定なカルボキシル基に結合してペプチド結合を形成することです。この結合方法は、これまでどの天然物でも観察されたことのない、非常にまれな四元数環を生成しますが、2つを形成する他の合理的な方法を見つけることができないため、その存在を受け入れることをいとわない
さらに、我々は、ペニシリン分子中の非塩基性窒素を、

NHCORの
(IX)

R
(エックス)

四級環の固有の張力は、メタノール、第一級アミンなどとの反応を説明する可能性があります。 2つの反論(IX)の議論が純粋に化学的な観点から提示されています。第一に、第四次環系の存在はありそうもないと考えられています。第二に、NH-CO-Rのためにペニシリン酸の転位を説明するための満足のいく反応メカニズムを想像することができなかった
この構造体で想定されるリンケージは、失敗することが予想されます。

$β$ -ラクタム

その活性は非常に低く、反応せず、室温で非常に希薄な酸で処理してもイミダゾリン誘導体に変換されません。

窒素含有オキサゾロン-チアゾリジン構造は、よく知られている5員アゼロリド環を含み、これはペニシリンの対応するものに対する

{CH}_{3} OH

反応性をよく説明しています。また、サー・R・ロビンソンの電子理論に基づき、ペニシリン酸転位の合理的な反応機構が提案されました。

これらの構造式が提案されている一方で、チアゾリジンとアザラクトンについてはほとんど知られていませんが、それでも、構造式(X)のチアゾリジン環上の窒素原子がなぜ塩基性でないのかを理解するのは困難です。窒素原子が塩基性を失うのは、構造式(X)にはない基のような

C = O

強い電子吸引基に結合している場合のみです。アザラクトン中のカルボニル基の分子内相互作用やその他の未知の因子がNHの塩基性を低下させる可能性が示唆されていますが、この説明は定量化の観点から説得力がないように思われます。ペニシリン酸のpK値は約5であることが知られており、ペニシリンの非塩基性を説明するためには、未知の要因によりpK値に約4単位のシフトがあったと仮定しなければならない。しかし、これらの考慮事項にもかかわらず、長い間、ほとんどの研究者はオキサゾロン-チアゾリジン構造を好みました。一般に、これら2つの公式に対する研究者の認識は、彼らが純粋に化学的な議論よりも物理化学的考察、つまり、これら2つの公式から導き出される可能な反応メカニズムに基づくさまざまな再配置の説明を重視するかどうかに依存します。

式(IX)および(X)に加えて、ペニシリンの他の多くの化学式は、ペニシリン酸とペニシラミンの元素から2分子の水を除去することにより、紙上で構築できます。これらの化学式は明らかに既知のものに対応していないため、それらのほとんどは先験的に除外できます。

ペニシリンの特性。しかし、それらのうちの2つ(XIとXII)は、異なる分野、特にチアゾリジン - オキサゾロン構造の固有の困難を認識している研究者でより多くの注目を集めています

私たちはこの構造を受け入れる準備ができていません。

β

-ラクタム

(XI)

(十二)

式(XI)(インペリアルカレッジの研究者)にはペニシレン酸骨格が含まれているため、酸性条件下で不活性化するとペニシリンが形成されるペニシリン感受性の現象を簡単に説明しています。しかし、メタノールや第一級アミンとの反応は説明されておらず、実際にはペニシレン酸誘導体が生成され、これは式(XI)の構造に従って形成されると予想されています。さらに、式(XI)は、ペニシレン酸中のチアゾリリン窒素が実際にはかなり強い塩基性基であるため、チアゾリリン窒素の非塩基性を十分に説明していません。実際、構造(XI)を持つ化合物は2つの基本中心を持つべきだと考えるでしょう。式(XI)は最終的にX線回折解析によって除外されましたが、For-についても同じことが言えます。

方程式(XII)は、ラクトンと方程式の中間です。

$β$ -ラクタム

化学的観点からは、北部地域研究所のストドラが提案した式(XII)は、カルボノールアミン基を含んでいるため、受け入れられないように思われます。これらの基が強塩基であることはよく知られており、したがってペニシリンの非塩基性の性質を説明できません。さらに、カルバミンは第一級アルコールと容易に反応してアルキルエーテルを形成するため、式(XII)も、第一級アルコールの影響下でのペニシレン酸誘導体の形成を十分に説明していません。

方程式(IX)と(X)は長い間強力な競争相手であり、多くの白熱した議論の対象となってきました。研究が進むにつれて、式(X)がそれとは非常に異なるという証拠が増えていますが、式(IX)とは非常に一致しています。この証拠の一部は合成モデル化合物から、一部は分解研究から得られます。まず、合成作業からの証拠を考えてみましょう。先に述べたように、この仕事の初期段階では、両方についてほとんど知られていませんでした。

ラクトンまたはチアゾリジンであることが知られている化合物は、構造(X)に対応していません。システインに由来する数少ない既知のチアゾリジンは、いくつかの単純なアルデヒドおよびケトンとともに、すべてpK値が約7の明確に定義された基本基を持っています。研究の過程で、ペニシラミンとシステインの縮合と、化学構造の異なる種々のアルデヒドおよびケトンからなる多数のチアゾリジン、ならびにこれらのチアゾリジンのN-アシル誘導体が合成された。チアゾリジンは、溶媒の有無にかかわらず、チオールアミノ酸と対応するアルデヒドおよびケトンとの単純な融合、

80 - 100^{\circ} C

またはアルデヒドおよびケトンのアセタールとチオールアミノ酸の塩酸塩を80以下に

110^{\circ} C

加熱することによって容易に調製できます。ほとんどの場合、それらは容易に結晶化するか、または結晶性誘導体が容易に形成され得る。

新たに合成されたチアゾリジンの特性に関する研究により、全体的な結果として以下の結果が得られました。

すべてのアミノウナシル化チアゾリジンジオンは、例外なく、ペニシリンとは非常に異なる特性を持っています。

一方、N-アシルチアゾリジンは多くの特性でペニシリンに似ています。特に、この点に関して、以下の事実が特に興味深いものです。
非アシル化アミノ基を含むすべてのチアゾリジンはアルカリ性であり、これは塩形成の容易さおよび電気滴定におけるそれらの挙動によって明確に示されています。ペニシラミンに由来するチアゾリジンのpK値は約5です。チアゾリジンのイミノ基は容易にアシル化されますが、予想通り、N-アシルチアゾリジンは塩基性ではありません。ペニシリンは、ケテンや酸性塩化物、ピリジンなどの最も反応性の高いアシル化試薬でもアシル化できず、その生物活性はこれらの試薬の影響を受けません。チアゾリジン-オキサゾロン構造で想定されるカルボニル基と同じ位置にあるカルボニル基がチアゾリジンイミノ基のアルカリ度を大幅に低下させるかどうかを調べるために、アセチルブチロラクトンとペニシラミン(アルバート基)から

α -

次の化合物を合成しました。

この物質のイミノ基のpK値は、他のチアゾリジンのpK値と非常によく似ており、約4です(イーライリリー・アンド・カンパニー研究グループ)。したがって、ラクトン環のカルボニル基はチアゾリジン窒素原子の塩基性に大きな影響を与えず、したがって、カルボニル基がチアゾリジン窒素のアルカリ強度に対する立体障害効果の仮説は支持できないことを証明しています。

ペニシリン構造の議論では、構造(X)におけるNHとCOとの間の水素結合の形成が、チアゾリリン窒素の非塩基性の性質についての別の可能な説明である可能性があることが示唆されています。この仮説を検証するために、それ自体はありそうにありませんが、ペニシラミンとp-、または時折o-ベンズアルデヒドに由来するチアゾリリンが調製されました。これらの化合物はすべて塩酸塩形成の影響を受けやすく、電位差滴定ではNH基のpK値に大きな違いはないため、水素結合の形成がチアゾリリンNHのpK値に影響を与える可能性は排除されます。
   (2)すべてのチアゾリジンは、非アシル化アミノ基を含み、取り扱いが容易です
溶液中で、対応するS-S化合物を形成します。これは、
   チアゾリジンと遊離チオールアミノ基との間には平衡があります。
   酸およびカルボニル化合物; この平衡は酸化によってシフトします

S - S

SH化合物をに変換した後、N-アシルチアゾリジンの安定性ははるかに高くなります。
Iと反応しません。ペニシリンは、N-アシル化チアゾリジンと性質が似ています。
なぜなら、ヨウ素と反応しにくいからです。その分解生成物はペニシレン酸または
しかし、ペニシリン酸は予想通りヨウ素と反応しやすいです。
それらの構造。
(3)遊離イミノ基を持つすべてのチアゾリジンは、白金またはパラジウム水素化触媒を毒する可能性があります。 N-非アシル化チアゾリジン中の不飽和基を触媒的に還元することが不可能であるだけでなく、そのようなチアゾリジンが少量であっても存在することは、桂皮酸のような容易に還元性物質の触媒水素化を完全に防ぐ。この理由は、よく知られている触媒毒である遊離チオール基の形成です。対照的に、N-アシル化チアゾリジンは、チアゾリジン環の安定性が高いため、水素化触媒に対して不活性です(イーライリリー&カンパニー)。ペニシリンIは、白金触媒またはパラジウム触媒によって容易に還元できる不飽和ジエニル側鎖を含み、この点でもN-化チアゾリジンのように振る舞います。同様に、その分解生成物であるペニシリン酸およびペニシレン酸は、他のすべての通常のチアゾリジンと同様に、触媒の水素化に関して触媒を不可逆的に毒する可能性があります。
(4)過マンガン酸カリウムの酸化下では、遊離イミノ基を持つチアゾリジンは

ペニシランメチルエステルが過マンガン酸カリウムによって酸化されてスルホンを形成するという事実(Merck & Co.)は、構造(X)とは矛盾しますが、構造(IX)とは一致します。

結論として、多くのモデルチアゾリジンの特性に関する研究は、ペニシリンが非アシル化遊離イミノ基を有する通常のチアゾリジンとは全く異なる挙動を示すことを明確に示していると言える。したがって、その挙動はチアゾリジン - オキサゾロン構造(X)に対応していません。それはN-アシル化チアゾリジンのようなものです。これは、ストラクチャー(IX)に沿ったものです。示唆する証拠はありません

$β$ -ラクタム

隣接する基の立体障害効果によってチアゾリジン窒素原子のアルカリ度を低下させるという仮説が有効であることがわかる。

チアゾリノリン化合物について言うべきことはそれだけです。これに加えて、オキサゾロンの調製およびそれらの特性の研究に多くの努力が費やされてきた。この作業の主な成果は、時間の制約から詳細に説明することはできませんが、大まかには次のとおりです。

文献の以前の研究によると、どのタイプのオキサゾロンも水中で不安定であり、pHに関係なく多かれ少なかれ急速に加水分解されます

R
(十三)
対応するアシル化アミノ酸。一方、ペニシリン塩は水中で無期限に安定なままです。
4-ヒドロキシメチルオキサゾロンはアルカリ塩として水で安定ですが、酸性媒体では急速に分解します。すべてのオキサゾロンは、最も安定したものであっても、液体アンモニアと反応してリングを開き、対応するアミドを形成します。一方、ペニシリンは液体アンモニアに対して非常に安定しています。 2-ベンジル-4-ヒドロキシメチルオキサゾロン(XIV)の調製と研究には特に注意が払われており、この化合物の調製にはいくつかの方法が開発されています。

(XIV)

ここでは、4-ヒドロキシメチルオキサゾロンの特性について簡単に説明します。これらの特性は、これから説明するペニシリンの分解反応の一部を理解するために必要です。ヒドロキシメチルオキサゾロンは塩化第二鉄と強く反応し、明らかなアルデヒド特性はありません。それらの反応性は、アルデヒドよりも酸性塩化物に似ています。その結果、それらはジアゾメタンと反応してメトキシメチル化合物を形成し、アミンと容易に反応して対応するアミノメチル化合物を形成します。アミノ酸と反応するときにも同様の反応が起こります。例えば、2-ピリル-4-エトキシメチルオキサゾロンは、グリシン、アラニン、およびバリンと組み合わされて、結晶性アミノメチル誘導体を得る。含硫黄アミノ酸と反応すると、ヒドロキシメチルオキサゾロンは一般的なアルデヒドのようなチアゾリジンを形成しませんが、NH基とSH基は独立して反応します。チオールアミノ酸がヒドロキシルまたはアルコキシオキサゾロンと分子比率で結合すると、アミノ基は優先的に反応します。したがって、ペニシラミンと2-ベンジル-4-ヒドロキシメチルオキサゾロンは化合物(XV)を形成します。

{CH}_{2} C_{6} H_{5}

(十五章)

これらの化合物は、後述するように、ペニシリンの分解生成物であるため、興味深いものです。それらはペニシレン酸と呼ばれています。 4-アミノメチレンアゾロンは、その特徴的な吸収スペクトルによって容易に識別されます。吸収ピークは、3200オングストローム(モル吸光係数25000)と(弱い方)2700オングストローム(モル吸光係数5000)の2つです。

アミノメチレンオキサゾロンは、アルコキシや羊のメトキサゾロンよりも酸性溶液中で安定しています。アルカリ性溶液中では、アルコキシメチレン化合物、すなわち、加水分解されてヒドロキシメチル誘導体を形成するナトリウム塩と同様に振る舞います。したがって、ペニシリンナトリウムはアルカリ条件下で加水分解され、2-ベンジル-4-ヒドロキシメチルオキサゾロンのナトリウム塩を形成します。

さて、劣化研究に基づく証拠に戻りましょう。メルク社

研究者らは、ペニシリンメチルエステルを

_{2}

エーテル溶液中の塩化水銀で処理し、得られた

H_{2} S

沈殿物を分解すると、ペニシレン酸の特徴的な吸収スペクトルを持つ非晶質物質が得られ、3150オングストロームと2700オングストロームに2つの吸収ピークがあることを発見しました。

この発見は大きな注目を集めました。ペニシリンのチアゾリジン-オキサゾリドン構造が提案されて以来、特にメルクKGaAは、この構造の成分の1つである2-ベンジル-4-ヒツジビメチルオキサゾロンの単離を試みてきました。このオキサゾロンはアルカリ性条件下でかなり安定していることが知られているので、それを得る最も明白な方法は、塩化水銀でナトリウムペニシリンを分解しようとすることです。すべての正常な非N-アシル化チアゾリジンは、塩化水銀の存在下で、メルカプタンアミノ酸の水銀錯体とカルボニル成分に直ちに分解されます。しかし、塩化水銀をペニシリンナトリウムに作用させようとしたとき、通常の非N-アシル化チアゾリジンのようにすぐには反応せず、数時間の間隔を空けて非常にゆっくりと反応しただけであることがわかりました。分解生成物の検討により、ペニシラミンとペニシリン酸に分解されていることが明らかになったが、2-ベンジル-4-ヒドロキシメチルオキサゾロンの痕跡は観察されなかったが、この物質はその特徴的なUV吸収分光法によって容易に検出できる。ペニシリンナトリウムと塩化水銀とのこの反応は、実際にはチアゾリジン-オキサゾロン構造のより多くの反証拠を提供します。
Zoronの構造とそれを支持する理論的根拠。さて、製品が-

$β$ -ラクタム

水銀塩

_{2}

塩化水銀がペニシリンメチルエステル

_{2}

と反応して得られた生成物が実際にペニシレン酸である場合、2-ベンジル-4-ヒドロキシメチルオキサゾロンは、ペニシリン分子構造を考慮する際に考慮しなければならない発見である穏やかな分解プロセスを通じてペニシリンから得ることができることを決定的に実証することができます。したがって、ペニシリンメチルエステルの水銀塩

_{2}

塩化水銀

_{2}

分解生成物は非常に綿密に研究されており、研究の結果は、この製品が主に-ペニシラミンと4-ヒドロキシメチルオキサゾロンからの

d

ペニシレン酸で構成されていることを疑いの余地なく示しています。その結果、簡単に入手できる化合物であり、その特性を簡単に研究できます。ペニシレン酸には2つの特徴的な反応があります。

ベンザミンをペニシレン酸に添加すると、その特徴的な紫外線吸収が消え、ペニシレン酸のa-ベンズアミドが形成されます。メチルペニシリンの塩化

_{2}

水銀分解生成物も同じことを示します。ベンザミンの添加後、ペニシレン

α

酸 - ベンズアミドの結晶が単離され、合成物質と同一であることが証明されました。
(2)合成ペニシレン酸はアルカリによって加水分解されてペニシラミンと2-ピリル-4-ヒドロキシメチルオキサゾロンが生成され、後者は結晶性ナトリウム塩と結晶性誘導体に分離できます。塩化

_{2}

水銀分解生成物のメチルペニシリンも同じ挙動を示し、メルクの研究者は、そのアルカリ加水分解物から結晶性2-ベンジル-4-ヒドロキシメチルオキサゾロンナトリウム塩を単離することに成功し、合成サンプルと一致するさまざまな結晶性誘導体によってそれを特徴付けました。

我々は今、2-ベンジル-4-ヒドロキシメチルオキサゾロンがペニシリン分解生成物から単離されたという事実がペニシリンの構造式に関する論争に与える影響を考慮すると、他の証拠がない場合に推定チアゾリジン-オキサゾロン構造から成分を分離することは、自然にそのような構造を支持する強力な証拠と見なされることを認めなければなりません。実際、これは直接的な化学分解反応から得られる最も強力な証拠です。しかし、メルクの研究者がオキサゾロンを単離するまでに、チアゾリジン-オキサゾロン構造を反駁するための非常に強力な証拠が大量に蓄積されていましたが、この新しい発見に直面しても簡単に無視することはできませんでした。したがって、ペニシリン分解中のオキサゾロンの形成についてのより複雑な説明を考慮する必要があります、すなわち、それは新規の分子内再配列反応の結果として生成されます。
元のペニシリン構造に存在する四次環
メチルペニシリンとの反応

{HgCl}_{2}

によって生成されるペニシリン分子。多くの化学者は、文献で同様の反応が報告されておらず、そのような再配列反応の合理的な反応メカニズムがないため、この仮説に明らかに強く反対しています。

$β$ -ラクタム

ペニシリンIIから分離されたオキサゾロンの重要性についての議論が本格化していた時代に、メルクの研究チームは、オキサゾロンの単離に基づくオキサゾロン-チアゾリジン構造を支持する議論を完全に覆すいくつかの新しいペニシリンII結晶化分解産物を分離することに成功しました。実際、彼らはこれらの製品を非常に穏やかな分解プロセスを通じて良好な収率で分離しました。

プログラム、その構造を持っていることが証明された製品。

β

-ラクタム
メルク研究所のモジンゴが、ラニーニッケルによる水素化分解という新しい脱硫方法を開発し、構造解明に重要な進歩をもたらしたことを思い出してください。

この方法では、硫黄含有化合物を水素に微細に分散させたレイニーニッケル懸濁液で短時間加熱することで、硫黄を硫化ニッケルの形で除去し、2つの水素原子に置換し、反応が非常に滑らかになります。この方法は幅広い用途があり、ペニシリンの化学構造を解明する研究に非常に役立つことが証明されています。

ペニシリンナトリウムIIをラニーニッケルで1分間処理

90^{\circ} C

すると、硫黄が除去され、2つの結晶性化合物

C_{16} H_{20} O_{4} N_{2}

C_{16} H_{22} O_{4} N_{2}

と、前者は高収率、後者は低収率です。最初の化合物は、硫黄が2つの水素原子に置き換えられることを除いて、ペニシリンIIと同じ元素組成を持っているため、デスチオファニシリンという名前が付けられています。デスチオールペニシリンの酸塩基特性はペニシリンと同じであり、すなわち、検出可能な塩基を持たない一塩基酸である。化学的には、ペニシリンよりもはるかに安定しています。室温では、酸、塩基、第一級アミン、またはアルコールと反応しません。しかし、酸または塩基中で短時間加熱すると、ラニーニッケルで処理された天然ペニシリン酸から得られる脱スルフペニシリン酸として同定された化合物である脱硫酸が得られる。

デスチオン酸の電位差滴定により、2つの酸性基と1つの塩基基があり、塩基基のpK値は8.2であることが示されました。

デチオニシリンをジオキサン逆流条件下でベンジルアミンと3時間共加熱すると、デチオニシリンが得られます。. この化合物は、ペニシリン由来のペニシリンを水素化して得られる化合物と同一です。

デスチオペルニシリンIIの場合、その特性と化学反応に一致する分子式は1つだけ(XVI)構築できます。この分子式

構造体で想定される四元数リングが含まれます

$β$ -ラクタム

ペニシリン。オキサゾロン環(XVII)を含む別の製剤は、まず、デスチオニシリンの安定性のためにも無視することができます

(十六章)

(XVII)

第二に、基本基がないため、窒素複素環の構造が正しければ、この基は間違いなく存在するはずです。

その結果、分解実験がペニシリンのチアゾリジン-オキサゾロン構造とラクタム構造の両方を支持するように見えるというかなり特異な状況があります。これらの構造式は両方ともオキサゾロン成分を含んでいます。
そして、四級環を含む種は異性化されています

$β$ -ラクタム

ペニシリンから非常に穏やかな分解プロセスを経て得られます。次の問題は、2つのリングシステムのうちどちらがもともとペニシリンに存在し、もう一方は再配列プロセスの結果であるということです。これら2つの再配置のどちらがより起こりやすいかは、主に個々の認識に依存し、予想通り、この問題に関する見解は研究者ごとに大きく異なります。ペニシリンのラニーニッケル処理によって得られた第2の分解生成物の構造解明も、決定的な証拠を提供していません。物質(融点206 -

207^{\circ} C

)はフェニルアセチル-アラノイル-バリンの

C (+) -

D (-) -

ようです。

共

{CH}_{3} {CHNHCOCH}_{2} C_{6} H_{5}

これは、合成(フェニルアセチルアラニン

L (+) -

と

- D -

バリンのアジドから)によって確認されます。フェニルアセチル-アラナミノバリン

L (+) -

の

- D (-) -

分離は、ペニシリン分子内の3つの非対称炭素原子の別の光学回転配置を決定するため、ペニシリンの構造研究にとって非常に重要です。示されているように、ペニシラミングループ–

以前に除外された不自然な

d

構成。現在、アラニンラジカルは自然な

l

型構成を持っていることが示されています。この物質の出現の最も簡単な説明は、それが加水分解によって......から除去されるということです .
カラームーンの総流域には、事前に形成されたN-CO結合があります。しかし、それはまた、オキサゾロンの内部アシル化とその再配列によっても作り出すことができます。

状況をさらに複雑にするために、他の2つの異性体であるペニシリン酸とペニシレン酸とは異なる新しいペニシリン結晶性異性体が発見されました。この新製品はペニシリン酸と呼ばれ、メチルペニシリンをトルエン中で加熱し、少量のヨウ素の存在下で形成されます(メルクグループ)。他のすべての結晶性分解生成物と同様に、この新しい異性体であるペニシリンの構造は、ペニシリンの構造問題を解決する新しい方法を見つけることを期待して熱心に研究されています。ペニシリン、ペニシリン酸、ペニシレン酸の構造式が確定して以来、新たな構造配列の可能性はかなり限られ、ペニシリンの別の構造異性体を考えるのはかなり難しくなってきました。

研究によると、メチルペニシリン酸塩は、天然および合成の両方で少量生産されることがわかっています

I_{2}

。メチルペニシリン酸は、メチルペニシリンの存在下でトルエン中で加熱することによって得ることができ、メチルペニシリンは真空条件下での単純な昇華によってメチルペニシレン酸を形成することもできますが、メチルペニシレノエートはこれらの条件下でペニシレン酸を生成しません。したがって、ペニシレン酸はメチルペニシレノエートの転位生成物であるだけでなく、ペニシリンの構造研究にとってそれほど重要ではありませんが、ペニシリンとペニシレン酸の再配列反応に加えて、別の転位反応を通じてペニシリンによって直接生成されます。最終的に、メチルペニシレン酸とラニーニッケルとの反応とそれに続く鹸化によって得られるデスチオレニ

C_{16} H_{20} O_{4} N_{2}

シリン酸の分解により、ペニシレン酸の構造が解明されました。この化合物はチペニシリンと異性体ですが、物理的および化学的特性が非常に異なります。また、極端な条件下では、ベンジルアミン、塩化水銀、メタノールと反応しません。室温または短時間に加熱

110^{\circ} C

すると、酸や塩基と反応しません。では

100^{\circ} C

、水酸化ナトリウムまたは濃塩酸による長期加水分解により、フェニルアセチルレア酸、バリン、およびホルムアルデヒドの分子が生成されます。これらの知見は、デチウルカピリン酸IIおよびペニシリン酸IIの以下の構造と最も一致しています。

{({CH}_{3})}_{2} CH - CH \cdot COOH

デスチオペンニロン酸
ペニロン酸

したがって、ペニシリンの構造の解明は、ペニシリンの他の分解生成物の構造と同様に、ペニシリンの構造に関する決定的な証拠を得るのにほとんど役に立たず、この点で失望しています。それが示すのは、反応のメカニズムの別の独特の再配置の出現であり、これはいかなる化学式でも説明するのが難しく、四次環から1つに拡大します

五分位リングは、この構造に基づいて現れる必要があります。

$β$ -ラクタム

実際、オキサゾロンの構造によれば、窒素原子の移動の再配列反応があります。実際、この再配置は、ペニシリン酸が既知の構造を持ち、オキサゾロン環を含む合成ペニシレン酸から生成できるために発生します。しかし、この転位反応のメカニズムについては、十分な説明がつかない。

上記の研究に加えて、ペニシリンの分解に関して多くの興味深い研究が行われてきました。残念ながら、時間の都合上、その詳細を述べることはできませんが、主な結果を簡単に説明したいと思います。これらの結果は、他の分解研究から得られた結果と同様に曖昧であり、議論されている2つの化学式のいずれも明確に支持するものではありません。

その結果、遊離ペニシリンII酸は、有機溶媒中の酢酸によって容易に不活性化されることがわかりました(スクイブグループ)。 N-アセチル-II-ペニシロン酸(XVIII)が形成されます。化合物の構造を合成により確認した。 pH 7では、ペニシリンIIナトリウムはシステインによって不活性化されます(スクイブチーム)。

(XVIII)

(XIX)

形成される化合物は、ペニシリン酸とシステインによって形成されるペプチドであり、硫化基は遊離状態にあります。塩化ベンジルによるベンジル化と塩化水銀による分解により、アルデヒド(XX)が得られ、化合物(XIX)の構造が確認されました。上記の反応は両方とも、構造(IX)または(X)のいずれかで説明できます。

HN = C = S

ペニシリン-IIメチルエステルは、結晶性生成物を良好な収率で生成することができ、コーネル大学とスクイブの研究者は、その分解について多くの創造的な研究を行ってきました。ここで詳しく報告することはできませんが、これらの研究により、本製品の構造が解明されました(XXI)。

(XX)

(XXI)

構造(IX)から構造を推論するのは簡単ですが、構造(X)と完全には一致しません。 N-アシル化アミノ酸は、加熱条件下でチオシアン酸および無水酢酸と反応してI-アシル-2-チオ-5,5-ジメチル-5,6-ジヒドロピリミジン-4-オンを形成することが文献で報告されていますが、これはおそらくアザジラクトン中間体によって行われます。モデルオキサゾロンに関する多数の研究は、I-アシル-2-チオ-5,5-ジメチル-5,6-ジヒドロピリミジン-4-オンが室温でチオシアン酸で処理すると実際に容易に形成されることを示しています。例えば、2-ベンジル-4,4-ジメチルオキサゾロンはチオシアン酸と反応して、I-ベンゾイル-2-チオ-5,5-ジメチル-5,6-ジヒドロピリミジン-4-オンを形成します。

ペニシリン分子にオキサゾロン環がその成分の1つとして存在する場合、ペニシリンIIメチルエステルをチオシアン酸で処理すると、構造式(XXII)でチオヒダントインが形成されると予想されます。しかし、実際の反応生成物の構造は異なり、前述のように、チオウラシル核が含まれています。したがって、ペニシリンのチオシアン酸分解生成物の構造は、分子内再配列の可能性があるにもかかわらず、実際には構造式(X)に対応していません。

(XXII)
もともと存在していたオキサゾロンから

β

-ラクタムへの配置は当然,也不能排除反应条件的影响。

以上で、ペニシリン分解に関する私の研究のプレゼンテーションを終わります。これらの研究は実に多様で驚きに満ちており、全く新しい転位反応もいくつか発見されています。

ペニシリン分解研究からの証拠の要約から、研究結果のほとんどはチアゾリリン-オキサゾロン構造よりもペニシラン構造に傾いていますが、絶対的な決定的な結論を引き出すことはできません。特に、スルホン酸塩の生成やチオシアン酸との反応生成物の形成は、ペニシランの構造なしには説明が非常に困難です。

フォーミュラ。

$β$ -ラクタム

ペニシリン構造の問題に対する最終的な解決策は、X線結晶構造解析によって可能になりました。この研究では、D.クロフォード夫人と彼女の同僚であるバーバラ・ロジャース・ロウが、チアゾリジン-オキシゾドン構造を完全に除外する上で主導的な役割を果たしました。

構造の決定的な証拠。一連の変容を通じて——
クロフォード夫妻とロジャース・ロウ夫妻は、ペニシリンIIのルビジウム単結晶とカリウム単結晶のX線写真から電子回折密度をフーリエ解析することで、ペニシリン分子内の原子間の結合長全体を0.2オングストロームの精度で測定することに成功し、ペニシリン分子全体の構造を明瞭にマッピングすることに成功しました。フーリエ解析では、アルカリ金属原子と硫黄原子がアンカーポイントとして機能します。原子距離の測定は、チアゾリリン窒素原子と不安定なカルボニル基のカルボニル基との間には正常な化学結合があることを示していますが、カルボニル基とペプチド側鎖の酸素原子との間には化学結合はありません。四次リング

リングがはっきりと見えます。これらの計算は完全に準拠しています。

$β$ -ラクタム

X線専門家のC.W.ブーン博士とインペリアル・ケミカル・インダストリーズの彼の同僚からなる独立委員会によって確認されました。このようにして、構造が決定されました。
ペニシリン(IX)の構造は明確に確認されました。この事業はCTAMです
クロフォード夫人とロジャース・ロウ夫人は、ペニシリンの分子構造を決定する上でかなりの成果を上げました。 X線データから分子全体の構造を計算するのは初めてのことですが、これほど複雑な構造を持つ物質でこのような結果が出たことは驚くべきことです。これらの研究は、化学構造の解明において有機化学者と共同で結晶学X線研究の重要性が高まっていることを印象的に示しています。

当初から、ペニシリンの化学構造の解明は、あらゆる点で非常に興味深く、興味深い作業でした。ペニシリンの化学的性質は、その生物学的特性と同じくらい興味深く、ユニークであることがすぐに明らかになりました。ペニシリウム–

ペニシリンは、2つの単純なアミノ酸で構成される単純なジペプチドです。
バリンとアルコール基がアルデヒド基に酸化されたアシル化セリン。これまで他の天然物では観察されなかった特殊な環系にペプチド結合を導入することにより、このペプチド結合は高い反応性を獲得し、これはチオフォビアの融合です。

ゾリン環と環系は、アセット性マイシン分子に独自の特性を与えます
生物学的および生化学的特性。この事実は、ペニシリン化学の限られた分野を超えて注目に値します。天然に存在するペプチドがどのように結合して、その独特でしばしば非常に重要な生物学的特性を得るかという問題は、生化学の分野における主要な問題の1つでした。現在、ペニシリン分子を用いた研究により、単純なジペプチドは、アミノ酸を結合する新規でありながら非常に単純な方法によって、その特徴的な化学的および生物学的特性を獲得できることが示されています。当然、人々は考えるでしょう

このタイプのペプチドの発生についてすぐに尋ねてください
この結合は、ペニシリン分子に限定され、それが起こらないかどうかに限られます

\beta-lactam

タンパク質などの他の天然物についても同じことが言えます。おそらく、その構造ラクタム

β

の信憑性は多くの天然製品の重要な特徴であり、存在のしるしとして使用できるいくつかの独特の特性がないため、発見されていません。例えば、ペニシリンは、その存在のマーカーとして大きな抗菌効果を持っています。同じことが、ペニシリン分子が起こりやすいことが示されているさまざまな再配列反応、特にその形成にも当てはまります

非常に穏やかな条件下でのアミドからのイミダゾール誘導体およびオキサゾロンの調製は、一般的な生化学的意義を有する。これらの新規転位反応の適切な反応機構を見つけることは、理論的な有機化学者にとって魅力的な研究分野を提供します。

この講義を締めくくる前に、ペニシリン合成の現状について簡単に触れておくとよいでしょう。ペニシリン分子の構造は一見単純に見えますが、多くの優れた化学者の努力にもかかわらず、実用的な合成方法はまだ見つかっていません。合成ペニシリンへのすべての可能な経路が試みられましたが、肯定的な結果は達成されていません。メルク社とオックスフォード大学の研究者は、2-ピリル-4-メトキシメチレンオキサゾロンおよび類似の化合物をD-ペニシラミンと縮合させることにより、微量の生理活性物質を入手しました。

l -

ペニシラミンまたは

d -

l -

システインは活性を示さなかった。こうして合成された活性物質が、実はペニシリンであることは間違いありません。天然ペニシリンと同じ細菌に対して阻害効果があり、天然ペニシリンと同じ特定の試薬(酸、塩基、メタノール、および特定の酵素であるペニシリナーゼ)によって不活性化されます。さらに、放射性硫黄を含有するペニシラミンは、2-ピリル-4-メトキシメチレンオキサゾロン(コーネル基)と縮合反応を起こす。得られた活性生成物に天然の結晶性ペニシリンIIを多量に添加し、混合物を結晶化させたところ、ナトリウム塩の再結晶化を14回行った後、酸を不活化生成物であるペニシリン酸を再結晶した後でも、放射能は結晶性ペニシリン成分とともに常に移動することがわかった。これは、合成活性物質の溶解度が天然ペニシリンIIの溶解度と非常に類似していることを示しており、したがって、合成物質と天然物質との同一性をさらに実証しています。すべては、非常に低い収率(約0。

1 %

)が失敗に終わり、安価な生物学的ペニシリン生産に対抗できる合成プロセスが開発される可能性は低いと思われる。

ペニシリンの化学構造

[ α ] D [ α ] D [alpha]_(D)[\alpha]_{D}

β β beta\beta -群

[ α ] D [ α ] D [alpha]_(D)[\alpha]_{D}

β β beta\beta -ラクタム

β β beta\beta -ラクタム

β β beta\beta -ラクタム

β β beta\beta -ラクタム

β β beta\beta -ラクタム

β β beta\beta -ラクタム

β β beta\beta -ラクタム

β β beta\beta -ラクタム

β β beta\beta -ラクタム

β β beta\beta -ラクタム

$[α]_{D}$

$β$ -群

$[α]_{D}$

$β$ -ラクタム

$β$ -ラクタム

$β$ -ラクタム

$β$ -ラクタム

$β$ -ラクタム

$β$ -ラクタム

$β$ -ラクタム

$β$ -ラクタム

$β$ -ラクタム

$β$ -ラクタム