Photochemische und thermische Umwandlungen einiger Colchicum-Alkaloide und ihrer Lumiverbindungen

294 Pages·1966·6.64 MB·German

by  Dr. rer. nat. Hans Jochen Kuhn

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1624
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
vom Landesamt für Forschung, Düsseldorf
DK 547.944.6
541.14
Dr. rer. nat. Hans Jochen Kuhn
Dipl.-Chem. Otto-Albrecht Neumiiller
Proj. Dr. rer. nat. Giinther O. Schenck
Max-Planck-Institut jur Kohlenjorschung, Ahteilung Strahlenchemie,
MulheimfRuhr
Photochemische und thermische Umwandlungen
einiger Colchicum-Alkaloide und ihrer
Lumiverbindungen
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
DDiisssseerrttaattiioonn HHAANNSS ]JOOCCHHEENN KKUUHHNN,, GG6ötutiinnggeenn 11996644
ISlSBBNN 9 97788--33--666633--0U66663388--55 IlSSBBNN 9 97788--33--666633--0077555511--66 ((eeBBooookk) )
DDOOI I1 01.01.1000077/9/ 97788--33--666633--0077555511--66
VVeerrllaaggss--NNrr..001111662244
©© 11996666 bbyy WSpreinsgtdere Fuatcshcmheedri eVn eWrileasgb,a dKenö ln und Opladen
GUressparimingthlicehr setrseclhliuennegn : b Wei Westedsetduetsucthscehr eVr eVrleargla g, Kăln und Opladen 1966
GesamthersteIlung: Westdeutscher Verlag
Vorwort
Einen der Ausgangspunkte der modernen organischen Photochemie bilden die
zahlreichen zufälligen Beobachtungen von Naturforschern des 19. Jahrhunderts,
daß die von ihnen untersuchten Substanzen, Drogen oder Arzneimittel unter dem
Einfluß des Tageslichts Veränderungen ihrer physikalischen und pharmakologi
schen Eigenschaften erlitten. Die Ursachen dieser Erscheinungen aufzudecken,
war den Autoren dieser Zeit meist noch nicht möglich, kannten sie doch vielfach
nicht einmal die genaue Zusammensetzung, geschweige denn die Konstitution der
photolabilen Stoffe. Erst um die Jahrhundertwende zeichnete sich der Beginn
einer systematisch arbeitenden wissenschaftlichen Photochemie ab. Obwohl schon
damals Entdeckungen (Photochromie, Phototropie, photodynamischer Effekt)
gemacht wurden, die den Photochemiker noch heute beschäftigen, und obwohl
einige hervorragende Forscher (wie CIAMICIAN) bereits klar die theoretische und
synthetische Bedeutung der Photochemie erkannten, blieb diese doch noch lange
ein von der Mehrheit der Chemiker wenig beachtetes Spezialgebiet und erlebte
erst vor rd. 20 Jahren einen nun um so größeren Aufschwung.
Heute nun ist die organische Photochemie aus dem Gesamtbild der chemischen
Wissenschaften nicht mehr fortzudenken. Speziell auf dem Gebiet der Naturstoffe
ermöglicht sie elegante Synthesen kompliziert gebauter Stoffe, die mit konven
tionellen präparativen Methoden nur mühsam oder gar nicht hergestellt werden
können (Vitamin D, Steroidhydroperoxyde, Askaridol, Myrtenol, Aldosteron,
Rosenoxyd u. a.). Andererseits ermutigt der heutige Stand der Laboratoriums
technik, der physikalischen Analysenmethoden und der theoretischen Kenntnisse
dazu, die problematischen Beobachtungen der frühen Forscher neu aufzugreifen
und zu versuchen, die »weißen Flecken« im Atlas der photolabilen Naturstoffe zu
beseitigen.
Beispielhaft für das Gesagte ist die Entwicklung der Photochemie der Herbst
zeitlosen-Alkaloide. Die Lichtempfindlichkeit dieser Stoffe wurde bereits vor
100 Jahren beschrieben, die Erforschung der Natur der dieser Eigenschaft zu
grunde liegenden chemischen Vorgänge aber setzte erst vor etwa 20 Jahren mit
einer Untersuchung von GREWE ein.
Der Anstoß zu der vorliegenden Untersuchung zur Photochemie der Colchicum
Alkaloide ergab sich 1959 bei Literaturstudien für eine Systematik und umfassende
Dokumentation der organischen Photochemie. Beim Vergleich der damals be
kannten experimentellen Daten über die seit 1946 von GREWE, SANTAVY, FORBES
und GARDNER untersuchte Photoisomerisierung des Herbstzeitlosen-Alkaloids
I-Colchicin zu den drei Lumicolchicinen fielen die starken Diskrepanzen in den
Lurnicolchicin-Ausbeuten dieser Autoren auf. Besonders überraschend war, daß
die drei letztgenannten Arbeitskreise die Darstellung des cx-Lumicolchicins nach
5
GREWE nicht oder nur mit sehr geringer Ausbeute hatten reproduzieren können.
Dieses Produkt war deshalb auch nur wenig untersucht worden.
Wenige Jahre zuvor hatten nun VELLUZ und HAVINGA unabhängig voneinander
die photochemischen und thermischen Isomerisierungen in der Ergosterin-Reihe
einer erneuten Bearbeitung unterworfen. Dabei hatten sie die klassischen Arbeiten
von WINDAUS durch den Nachweis vervollständigen können, daß Vitamin D2
nicht auf dem bis dahin gedachten photochemischen Wege über Lumisterin und
Tachysterin aus Ergosterin entsteht, sondern durch eine reversible thermische
Nachreaktion des neu entdeckten Präcalciferols, welches das eigentliche photo
chemische Primärprodukt darstellt. Tachysterin und Lumisterin erwiesen sich hin
gegen als Produkte photochemischer Sukzessivreaktionen des Präcalciferols.
Aus der Diskussion dieser und anderer Sukzessivreaktionen, z. B. der Photo
produkte des Santonins und des Prednisons, entstand die Fragestellung dieser
Arbeit: Stellen auch die Lumicolchicine, besonders das <x-Isomere, photochemisch
oder thermisch labile Stoffe dar, die sich ineinander überführen lassen?
Unsere Untersuchungen führten zur Entdeckung der gegenseitigen photochemi
schen und thermischen Umwandlungen der Lumicolchicine und zur erstmaligen
Darstellung von Lumicolchiceinen. Wir fanden, daß ~-Lumicolchicin unmittelbar
durch photochemische Valenzisomerisierung des Colchicins entsteht, während
<x-und y-Lumicolchicin durch reversible photochemische Sukzessivreaktionen aus
~-Lumicolchicin gebildet werden. Auf thermischem Wege ließen sich <x- und
y-Lumicolchicin in ~-Lumicolchicin und dieses in Colchicin zurückverwandeln.
Ferner prüften wir das photochemische Verhalten einiger anderer, in den Ringen A,
Bund C verschieden substituierter Alkaloide des Colchicin-Typs. Besonders ein
gehend untersuchten wir die Photoisomerisierung des Colchiceins ; hier fanden
wir ähnliche Verhältnisse wie beim Colchicin.
Diese Arbeit gibt einen vollständigen Überblick über den derzeitigen Stand der
Photochemie der Colchicum-Alkaloide und berücksichtigt sämtliche zu diesem
Thema erschienenen Publikationen.
Eines der von uns erstmals hergestellten Photoprodukte, Lumidemecolcin, ist von
F. SANTAvY aus Pflanzen isoliert und durch Vergleich mit unserem Synthese
produkt identifiziert worden. Für die freundschaftliche Zusammenarbeit sei
Herrn Professor SANTAVY an hervorragender Stelle gedankt.
Die Aufklärung der verschiedenen simultan bzw. sukzessiv ablaufenden Reak
tionen war nur durch die Anwendung geeigneter experimenteller Hilfsmittel mög
lich, die wir in der sinnvollen Kombination spektroskopischer, polarimetrischer
und dünnschichtchromatographischer Analysenmethoden fanden. Den Mit
arbeitern unseres Instituts, die uns hierbei unterstützten, sei an dieser Stelle herz
lich gedankt, desgleichen den ATLAs-Werken in Bremen für die Aufnahme der
Massenspektren.
Dem Landesamt für Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen sind wir für die
Förderung dieser Untersuchung und für die Unterstützung bei der Drucklegung
der Arbeit sehr zu Dank verpflichtet.
6
Inhalt
T Theoretischer Teil
T 1 I-Colchicin................................................... 19
T 1.0 Einleitung und Literaturübersicht ...................... . 19
TU Photoisomerisierung des Colchicins ................... . 28
T 1.1.1 Ultraviolettspektroskopische Verfolgung ............... . 28
T 1.1.2 Photoisomerisierung im präparativen Maßstab. Darstellung
der Lumicolchicine .................................. . 29
T 1.1.3 Polarimetrische und dünnschichtchromatographische Ver-
folgung ............................................ . 32
T 1.1.4 Photochemisches Verhalten des Colchicins bei tiefer Tempera-
tur und im festen Zustand ............................ . 33
T 1.2 Photochemische Reaktionen der Lumicolchicine ......... . 33
T 1.2.1 Photo chemische Reaktionen des ß-Lumicolchicins ....... . 33
T 1.2.2 Photoisomerisierung des y-Lumicolchicins .............. . 34
T 1.2.3 Photoisomerisierung des oc-Lumicolchicins .............. . 35
T 1.2.3.1 Ultraviolettspektroskopische Verfolgung ............... . 35
T 1.2.3.2 Unter polarimetrischer und dünnschichtchromatographischer
Kontrolle .......................................... . 36
T 1.2.4 Diskussion ......................................... . 38
T 1.3 Thermische Reaktionen der Lumicolchicine ............. . 41
T 1.3.1 Thermische Isomerisierung des ß-Lumicolchicins ........ . 41
T 1.3.2 Thermische Isomerisierung des y-Lumicolchicins ........ . 42
T 1.3.3 Thermische Isomerisierung von oc-Lumicolchicin zu ß-Lumi-
colchicin; Bestimmung der Aktivierungsenergie ......... . 43
T 1.4 Weitere Reaktionen der Lumicolchicine ................ . 46
T 1.4.1 Umsetzungen des ß-Lumicolchicins .................... . 46
T 1.4.2 Isomerisierung von ß- und y-Lumicolchicin im alkalischen
Medium ........................................... . 50
T 1.4.3 Umsetzungen des oc-Lumicolchicins .................... . 53
T 1.5 Zur Konstitution des oc-Lumicolchicins als X. Molekular-
gewichtsbestimmungen ............................... 56
T 1.6 Zur Konstitution des oc-Lumicolchicins als XI ........... 65
T 1.7 Zusammenfassung ................................... 70
T 1.8 Literaturverzeichnis zum Kapitel Tl. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
7
T 2 l-Colchicein.................................................. 78
T2.0 Einleitung und Literaturübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78
T2.1 Darstellung des Colchiceins ........................... 80
T2.2 Photoisomerisierung des Colchiceins . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81
T 2.2.1 Ultraviolettspektroskopische Verfolgung.. . .. . .. ... ... .. 81
T2.2.2 Polarimetrische Verfolgung. Isolierung der Lumicolchiceine
A und B im 100-mg-Maßstab .......................... 83
T 2.2.3 Polarimetrische und dünnschichtchromatographische Ver-
folgung ............................................. 84
T2.2.4 Photoisomerisierung des Colchiceins im präparativen Maß-
stab. . .. .. . ... ... . ... ... ... . ... ... . .. . .. ... ... . .. . .. 88
T 2.2.4.1 Darstellung des Lumicolchiceins A bei verschiedenen Kon-
zentrationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
T 2.2.4.2 Darstellung des Lumicolchiceins B neben Lumicolchicein A 90
T2.3 Photo chemische Reaktionen der Lumicolchiceine . . . . . . . .. 91
T 2.3.1 Photoisomerisierung des Lumicolchiceins B. . . . . . . . . . . . .. 91
T 2.3.2 Photochemisches Verhalten des Lumicolchiceins A. . . . . . .. 94
T 2.3.3 Photochemisches Verhalten der Lumicolchiceine und des
Colchiceins im adsorbierten Zustand. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
T 2.4 Thermisches Verhalten der Lumicolchiceine ............. 96
T 2.4.1 Thermisches Verhalten des Lumicolchiceins B . . . . . . . . . . .. 96
T 2.4.2 Thermisches Verhalten des Lumicolchiceins A. . . . . . . . . . .. 96
T 2.5 Weitere Umsetzungen der Lumicolchiceine .... " .... '" .. 98
T 2.5.1 Konstitutionsbeweis für das Lumicolchicein B ........... 98
T 2.5.2 Zur Konstitution des Lumicolchiceins A ................ 103
T2.6 Zusammenfassung ................................... 106
T2.7 Literaturverzeichnis zum Kapitel T 2 ................... 108
T 3 l-Isocolchicin................................................. 111
T 3.0 Einleitung und Literaturübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111
T 3.1 Belichtung von Isocolchicin unter ultraviolettspektroskopi-
scher Kontrolle ...................................... 112
T 3.2 Belichtung von Isocolchicin unter polarimetrischer und
dünnschichtchromatographischer Kontrolle .............. 112
T 3.3 Literaturverzeichnis zum Kapitel T 3 ................... 116
T 4 l-Demecolcin und l-Demecolcinacetat ............................ 117
T4.0 Einleitung und Literaturübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 117
T4.1 Photoisomerisierung des Demecolcins . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 117
8
T 4.1.1 Unter ultraviolettspektroskopischer Kontrolle. . . . . . . . . . .. 117
T 4.1.2 Unter polarimetrischer und dünnschichtchromatographischer
Kontrolle ........................................... 118
T4.2 Photoisomerisierung des Demecolcinacetats ............. 119
T4.2.1 Unter ultraviolettspektroskopischer Kontrolle ............ 119
T4.2.2 Unter polarimetrischer und dünnschichtchromatographischer
Kontrolle ........................................... 120
T4.3 Zusammenfassung ................................... 121
T4.4 Literaturverzeichnis zum Kapitel T 4 ................... 121
T 5 Allocolchicin und Allocolchicein ................................ 123
T 5 Literaturverzeichnis zum Kapitel T 5 ............................ 123
T 6 Maleinsäureanhydrid-Addukte des Colchicins ..................... 124
T6.0 Einleitung und Literaturübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 124
T 6.1 Thermische Darstellung ............................... 124
T6.2 Photochemische Darstellung ........................... 126
T6.3 Literaturverzeichnis zum Kapitel T 6 ................... 127
T 7 Versuche zur sensibilisierten Photo-Oxydation des Colchicins und der
Lumicolchicine ............................................... 128
T7.1 Colchicin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128
T7.2 rx- und ß-Lumicolchicin ................................ 129
T7.3 Literaturverzeichnis zum Kapitel T 7 ................... 130
T 8 Oxy-ß-lumicolchicin........................................... 131
T 8.1 Darstellung des Oxy-ß-lumicolchicins ................... 131
T8.2 Umwandlungen des Oxy-ß-lumicolchicins ............... 133
T8.3 Diskussion der IR-Spektren ............................ 135
T8.4 Zur Konstitution des Oxy-ß-lumicolchicins .............. 138
T8.5 Literaturverzeichnis zum Kapitel T 8 ................... 140
T 9 Infrarot- und Kernresonanz-Spektren ............................ 142
T9.1 Infrarot-Spektren von Derivaten des Colchicins und der
Lumicolchicine ...................................... 142
T9.2 Kernresonanz-Spektren ............................... 147
T9.3 Literaturverzeichnis zum Kapitel T 9 ................... 150
T 10 Kurze Zusammenfassung der Ergebnisse ......................... 151
9
E Experimenteller Teil
EIl-Colchicin ...................................... . 155
E 1.0 Analytische und physikalische Daten des Colchicins .... 155
E1.1 Photoi somerisierung des Colchicins. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156
E 1.1.1 Ultraviolettspektroskopische Verfolgung. . . . . . . . . . . . .. 156
E 1.1.1.1 In Wasser ........................................ 156
E 1.1.1.2 In Methanol ....................................... 157
E 1.1.2 Photoisomerisierung des Colchicins im präparativen Maß-
stab. Darstellung der Lumicolchicine ................. 157
E 1.1.2.1 In Wasser ........................................ 157
E 1.1.2.1.1 Im Sonnenlicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 157
E 1.1.2.1.2 Mit Hg-Hochdruckbrenner ......................... 158
E 1.1.2.2 In Methanol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
E 1.1.2.2.1 Ohne Lichtfilter .................................... 159
E 1.1.2.2.2 Mit Lichtfilter ..................................... 159
E 1.1.2.3 Analytische und physikalische Daten der Lumicolchicine 160
E 1.1.2.3.1 rI.-Lumicolchicin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 160
E 1.1.2.3.2 ß-Lumicolchicin .................................... 160
E 1.1.2.3.3 y-Lumicolchicin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 161
E 1.1.3 Polarimetrische und dünnschichtchromatographische Ver-
folgung der Photoisomerisierung des Colchicins ........ 161
E 1.1.4 Photochemisches Verhalten des Colchicins und der Lumi-
colchicine bei tiefer Temperatur (-190°C) ............ 162
E 1.2 Photochemische Reaktionen der Lumicolchicine ....... 164
E 1.2.1 Photo chemische Reaktionen des ß-Lumicolchicins . . . . .. 164
E 1.2.1.1 Belichtung von ß-Lumicolchicin (rI.-Lumicolchicin und
Colchicin) im festen Zustand ........................ 164
E 1.2.1.2 Photoisomerisierung des ß-Lumicolchicins unter polari
metrischer und dünnschichtchromatographischer Kon-
trolle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 164
E 1.2.1.2.1 Photoisomerisierung von ß-Lumicolchicin in ein Gemisch
von ß- und y-Lumicolchicin ......................... 164
E 1.2.1.2.2 Darstellung von rI.- aus ß-Lumicolchicin ............... 166
E 1.2.2 Photo isomerisierung des y-Lumicolchicins in ein Gemisch
von ß- und y-Lumicolchicin ......................... 167
E 1.2.3 Photoisomerisierung des rI.-Lumicolchicins ............ 167
E 1.2.3.1 Ultraviolettspektroskopische Verfolgung . . . . . . . . . . . . .. 167
E 1.2.3.1.1 In Methanol (bzw. Athanol) ......................... 167
E 1.2.3.1.2 In Dimethylsulfoxyd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 168
E 1.2.3.2 Photoisomerisierung des rI.-Lumicolchicins unter polari
metrischer und dünnschichtchromatographischer Kon-
trolle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 168
10
E 1.3 Thermische Reaktionen der Lumicolchicine. . . . . . . . . . .. 169
E 1.3.1 Thermisches Verhalten des ß-Lumicolchicins .......... 169
E 1.3.1.1 Untersuchung der thermischen Stabilität des ß-Lumicol-
chicins ........................................... 169
E 1.3.1.2 Thermische Isomerisierung von ß-Lumicolchicin in Col-
chicin ............................................ 170
E 1.3.1.2.1 Pyrolyse durch Erhitzen im Salzbad . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170
E 1.3.1.2.1.1 Dünnschichtchromatographische Untersuchung ........ 170
E 1.3.1.2.1.2 Chromatographische Trennung des Pyrolysats ......... 170
E 1.3.1.2.2 An einer Pyrolysierkolonne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 171
E 1.3.2 Thermisches Verhalten des y-Lumicolchicins .......... 171
E 1.3.3 Thermische Isomerisierung von IX-Lumicolchicin in
ß-Lumicolchicin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
E 1.3.3.1.1-3 Im festen Zustand ................................. 172
E 1.3.3.2.1-2 In Lösung ........................................ 172
E 1.3.3.2.3 Bestimmung der Aktivierungsenergie der thermischen
Isomerisierung von IX- in ß-Lumicolchicin in Dimethyl-
sulfoxyd ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 173
E 1.4 Weitere Reaktionen der Lumicolchicine ............... 174
E 1.4.1 Umsetzungen des ß-Lumicolchicins .................. 174
E 1.4.1.1 Derivate des ß-Lumicolchicins ....................... 174
E 1.4.1.1.1 Oxime ............................................ 174
E 1.4.1.1.2 2.4-Dinitrophenylosazon ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
E 1.4.1.2 Reduktion zu Dihydro-ß-lumicolchicin ............... 175
E 1.4.1.2.1 Photochemisches Verhalten des Dihydro-ß-lumicolchicins 176
E1.4.1.3 ß-Lumicolchicin aus Dihydro-ß-lumicolchicin . . . . . . . . .. 176
E 1.4.1.3.1 Oxydation von Dihydro-ß-LC mit Chromsäure-Pyridin-
I(omplex. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 176
E 1.4.1.3.2 Oxydation von Dihydro-ß-LC mit Mn02 . . . . . . . . . . . . .. 176
E 1.4.1.4 Tetrahydro-ß-lumicolchicin aus ß-Lumicolchicin ........ 176
E 1.4.1.5 Tetrahydro-ß-lumicolchicin aus Dihydro-ß-lumicolchicin 177
E 1.4.1.6 Desmethyldihydro-ß-lumicolchicin ................... 178
E 1.4.1.6.1 Aus Dihydro-ß-lumicolchicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 178
E 1.4.1.6.2 Aus ß-Lumicolchicin ............................... 179
E 1.4.1.6.3 Desmethyldihydro-ß-lumicolchicin-acetat . . . . . . . . . . . . .. 179
E 1.4.1.6.4 2.4-Dinitrophenylosazon ............................ 179
E 1.4.1.6.5 Katalytische Hydrierung ............................ 180
E1.4.1.7 Desmethyltetrahydro-ß-lumicolchicin aus Desmethyl-
dihydro-ß-lumicolchicin ............................ 180
E 1.4.1.8 Perjodat-Oxydation von Desmethyltetrahydro-ß-lumi
colchicin zum bis-Aldehyd. bis-2.4-Dinitrophenylhydrazon 181
E 1.4.1.9 Dihydro-y-lumicolchicin aus y-Lumicolchicin .......... 181
E 1.4.2 Isomerisierung von ß- und y-Lumicolchicin im alkalischen
Medium .......................................... 182
11