This work has been digitalized and published in 2013 by Verlag Zeitschrift für Naturforschung in cooperation with the Max Planck Society for the Advancement of Science under a Creative Commons Attribution4.0 International License.

Dieses Werk wurde im Jahr 2013 vom Verlag Zeitschrift für Naturforschungin Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung derWissenschaften e.V. digitalisiert und unter folgender Lizenz veröffentlicht:Creative Commons Namensnennung 4.0 Lizenz.

Elektrochemische Eigenschaften von Dihydropyridin- und Pyridinderivaten

Electrochemical Properties of Pyridine and Dihydropyridine Derivatives

G. Abou-Elenien+, J . Rieser++, N. Ismail+++ und K. Wallenfels* C h e m i s c h e s L a b o r a t o r i u m d e r U n i v e r s i t ä t F r e i b u r g , A l b e r t s t r a ß e 2 1 , D - 7 8 0 0 F r e i b u r g / B r e i s g a u

Z . N a t u r f o r s c h . 3 6 b , 3 8 6 - 3 9 0 ( 1 9 8 1 ) ; e i n g e g a n g e n a m 2 6 . N o v e m b e r 1 9 8 0

P y r i d i n e s , D i h y d r o p y r i d i n e s , E l e c t r o c h e m i c a l B e h a v i o r , R e d o x - P o t e n t i a l s

T h e e l e c t r o c h e m i c a l o x i d a t i o n a n d r e d u c t i o n p r o p e r t i e s o f d i f f e r e n t d i h y d r o p y r i d i n e s a n d p y r i d i n e s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d i n n o n a q u e o u s s o l v e n t a s b e n z o n i t r i l e a n d a c e t o -n i t r i l e w i t h t e t r a - n - b u t y l a m m o n i u m p e r c h l o r a t e a s s u p p o r t i n g e l e c t r o l y t e a t p l a t i n i u m e l e c t r o d e s u s i n g D C - v o l t a m e t r y , c y c l . v o l t a m e t r y a n d c o u l o m e t r y . P o s s i b l e r e d o x -m e c h a n i s m s a r e d i s c u s s e d .

Einleitung Die Pyridinsysteme NADH/NAD+ bzw. NADPH/

NADP+ haben zentrale Bedeutung für die im Stoff-wechsel aller Lebewesen ablaufenden Redoxvor-gänge. Als Wasserstoff Überträger in Photosynthese und Atmung stellen sie sicherlich eines der funda-mentalsten chemischen Redoxsysteme überhaupt dar. Entsprechend ihrer Bedeutung sind die Pyridin-nukleotide seit Jahren Gegenstand intensiver For-schung. Insbesondere der Mechanismus der Wasser-stoffübertragung wurde und wird eingehend studiert, wobei in vitro dazu in der Regel eine sog. NADH-Modellverbindung mit einem geeigneten Acceptor zur Reaktion gebracht wird [1]. Dihydropyridine und PyridiniumVerbindungen sind als potentielle Elektronendonatoren bzw. -acceptoren auch immer wieder Objekte elektrochemischer Untersuchungen [2-11], die vorwiegend in wasser- bzw. protonen-haltigen Medien durchgeführt wurden. Wir berich-ten im folgenden über elektrochemische Messungen (Gleichstrom (DC)-, Cycl. Voltametrie, Coulometrie) in protonenfreien Grundelektrolyten.

Material und Methoden Die untersuchten Dihydropyridine und Pyridin-

derivate wurden im Handel gekauft oder nach

* S o n d e r d r u c k a n f o r d e r u n g e n a n P r o f . D r . K . W a l l e n -f e l s .

0 3 4 0 - 5 0 8 7 / 8 1 / 0 3 0 0 - 0 3 8 6 / $ 0 1 . 0 0 / 0

Jetzige Adresse: + C h e m i s t r y D e p a r t m e n t , F a c u l t y o f S c i e n c e , C a i r o

U n i v e r s i t y / Ä g y p t e n ; + + F a . H o f f m a n n - L a R o c h e , B a s e l / S c h w e i z ; + + + C h e m i s t r y D e p a r t m e n t , F a c u l t y o f S c i e n c e ,

Z a g a z i g U n i v e r s i t y / Ä g y p t e n .

entsprechenden Literaturangaben synthetisiert. Für die Messungen wurden nur frisch hergestellte bzw. frisch kristallisierte, dünnschichtchromatographisch einheitliche und bei Raumtemperatur (24 h) am Hochvakuum (10~2 Torr) getrocknete Verbindun-gen verwendet.

Die voltametrischen Untersuchungen (DC- und Cycl. Voltametrie (CV)) wurden im protonenfreien Grundelektrolyten Benzonitril/0,1 M Tetra-w-butyl-ammoniumperchlorat (TBAB) durchgeführt, die coulometrischen Messungen auch in wasserfreiem Acetonitril/0,1 M TBAB. Zur Reinigung des Benzo-nitrils [12] wurde zunächst handelsübliches Lösungs-mittel im Vakuum (ca. 10 - 2 Torr) bei Raumtemp. entgast, dann pro 1 Benzonitril 50 ml Phosphorsäure zugegeben und unter Stickstoff im Vakuum (10 Torr) destilliert. Nach 24 h erhält man ca. 15% Vorlauf und ca. 70% Hauptfraktion. (Dieses Verhältnis der Fraktionen wurde bei den weiteren Destillationen beibehalten.) Die Hauptfraktion wurde mit Phos-phorpentoxid p.a. unter N2 24 h gerührt und an-schließend bei 10 Torr über eine 50-cm-Kolonne mit Raschigringen fraktioniert. Der Vorgang wurde vier-mal wiederholt (Destillationsrückstand hellgelb). Zur Entfernung letzter Wasserspuren wurde dann 1 g Kalium pro 1 zugegeben und unter Stickstoff nochmals sorgfältig fraktioniert (120 cm Kolonne, Rücklaufverhältnis 50:1). Das gereinigte Lösungs-mittel wurde unter Schutzgas und Lichtausschluß aufbewahrt.

TBAB (Fa. Fluka) wurde vor der Verwendung viermal aus Ethanol/Wasser umkristallisiert und an-schließend getrocknet (12 h/120 °C/10-2 Torr).

Die Arbeitselektrode war eine rotierende (DC-Voltametrie) bzw. stationäre (cycl. Voltametrie) Pt-Scheibenelektrode von 1,3 mm Durchmesser, bei der Coulometrie ein Pt-Blech von 5 cm2 Oberfläche. Als Gegenelektrode diente ein Pt-Draht im jeweili-gen Lösungsmittel und als Referenzelektrode Ag/AgCl (in Benzonitril (CH3)4NC1 ges.) mit einem Potential gegen Kobalticinium/Kobaltocen von —743 mV [12, 13]. Die Pt-Scheibenelektrode be-legte sich schnell, sie wurde vor jeder Messung

sorgfältig geschliffen und poliert. Zur Aufnahme der DC- und CV-Voltamogramme wurden jeweils 2,5 • 10 - 5 mol Depolisator in 15 ml Benzonitril ge-löst, für die Coulometrie wurden 30 mg in 20 ml Lösungsmittel gelöst.

Als Meßgeräte wurden verwendet: Spannungs-quelle : Voltage Scan Generator VSG 72; Potentio-stat: Potential Control Amplifier PCA72C und Integrator: Wenking SST 70 der Fa. Bank Elektro-nik, Göttingen. Schreiber: Servogor X Y der Fa. Metra watt, Nürnberg.

Ergebnisse und Diskussionen Pyridinderivate

Von den untersuchten Pyridinderivaten 1 a-f wurde unter unseren Meßbedingungen lediglich das 3.5-Dicyan-2.6-lutidin (la) reduziert, l b - l f zeigten dagegen in Benzonitril, das in hochgereinigter Form einen Meßbereich von —2 bis + 2 , 3 V aufweist, keinerlei elektrochemische Veränderungen.

R i R 2 R 3 R 4

C H 3 C N C N C H 3

C H 3 C O O E t C O O E t C H 3

H C N H H H C O N H 2 H H H C O C H 3 H H H C O O E t H H

Die DC-voltametrische Reduktion von I a (Abb. 1) ergibt eine Stufe mit einem Halbstufenpotential von E^f = — 1 6 1 3 mV. Die logarithmische Analyse [14] erfüllt die Bedingung eines reversiblen Einelek-tronenübergangs (S = 59). Nach den Befunden der

Cycl. Voltametrie (Abb. 2) geht jedoch das Reduk-tionsprodukt recht schnell Folgereaktionen ein, wobei die Reaktionsprodukte im Meßbereich nicht weiter elektrochemisch aktiv sind.

( 1 0 0 m V / s e c ) .

Die coulometrische Messung, deren Verlauf DC-polarographisch an der Abnahme des Grenzstromes verfolgt wurde, ergab die Aufnahme von einem Elektron. Während der Reduktion wird die Lösung zunächst intensiv ockergelb. Die Farbe hellt sich jedoch nach einiger Zeit wieder auf und verschwin-det schließlich ganz. Möglicherweise deutet dies auf die Bildung einer radikalischen Zwischenstufe von gewisser Lebensdauer hin, die dann Folgereaktionen (evtl. Dimerisierung [15]) eingeht.

1.4-Dihydropyridine Die elektrochemischen Messungen wurden mit

folgenden 1.4-Dihydropyridinen durchgeführt.

R9 R8

r'OXLR7

R11 A n A r 6 I.

2

R 5 R 6 R 7 R 8 R 9 R i o R H

2a H CH3 C N H H C N C H 3

2b H CH3 C O O E t H H C O O E t C H 3

2c H CH3 C O O E t CH3 H C O O E t C H 3

2d C H 3 CH3 C O O E t H H C O O E t C H 3

2e C H 2 - P h H C N H H H H

2t H CH3 C O O E t D D C O O E t C H 3

Die durch Gleichstrom (DC)-Voltametrie er-mittelten Halbstufenpotentiale in Benzonitril ein-schließlich der S-Werte der logarithmischen Analyse [14] und der coulometrisch ermittelten Zahlen der abgegebenen Elektronen sind für 2a-2f in Tab. I zusammengefaßt.

* T X * l a l b l c l d l e l f

T a b . I . E l e k t r o c h e m i s c h e D a t e n d e r 1 . 4 - D i h y d r o -p y r i d i n e 2 a - 2 f .

E ? / 2 = O x i d a t i o n s h a l b s t u f e n p o t e n t i a l , S = d E / d l g ( I d - I / I ) ; n = c o u l o m e t r i s c h e r m i t t e l t e Z a h l d e r a b g e g e b e n e n E l e k t r o n e n .

2 a 2 b 2 c 2 d 2 e 2 f

E ! 7 2 ( m V ) S n

1 4 1 5 1 1 5

2

1 0 7 6 1 1 4

1

1 3 0 2 8 5

1

9 9 9 1 3 4

1

1 1 4 6 9 0

1

1 1 1 6 1 1 8

1

Tab. I zeigt, daß im Falle des 3.5-Dicyan-1.4-dihydro-2.6-lutidins (2 a) 2 Elektronen abgegeben werden, bei den Dihydropyridinen 2b-2f wird da-gegen nur 1 Elektron übertragen. Dies läßt unter-schiedliche Oxidationsmechanismen erwarten.

Abb. 3 zeigt die Strom-Spannungs-Kurve der DC-voltametrischen Oxidation von 2a, Abb. 4 das entsprechende Cycl. Voltamogramm.

Das DC-Voltamogramm (Abb. 3) enthält nur eine

Oxidationsstufe, die nach der logarithmischen Ana-lyse [14] (Tab. I) irreversibel ist. Das Fehlen des Rückpeaks im Cycl. Voltamogramm (Abb. 4) deutet auf eine schnelle, irreversible Folgereaktion hin, wo-bei die Reaktionsprodukte im Meßbereich nicht weiter elektrochemisch verändert werden. Die coulometrische Messung, deren Fortgang DC-polaro-graphisch an der Abnahme des Grenzstromes ver-folgt wurde, ergab nur im Falle des Dihydropyridins 2 a die eigentlich erwartete Abgabe von 2 Elektro-nen. Als Oxidationsprodukt entsteht ausschließlich [16] das 3.5-Dicyan-2.6-lutidin (la). Es konnte nach Abdestillieren des Lösungsmittels durch Extraktion mit Ether isoliert und durch Vergleich mit der authentischen Probe identifiziert werden.

Als Beispiel für die Dihydropyridine 2 b-2 f ist das DC- und Cycl. Voltamogramm von 3.5-Dicarbon-

säure-diethylester-1.4-dihydro-2.6-lutidin (2 b) in Abb. 5 und 6 aufgeführt.

Man erhält wiederum nur eine irreversible Oxi-dationsstufe (Abb. 5, Tab. I), die nach dem Cycl. Voltamogramm (Abb. 6) zu einem instabilen Oxi-dationsprodukt führt, das ebenfalls rasche, irre-versible Folgereaktionen eingeht. Im Gegensatz zu 2 a wird jedoch im Falle der Dihydropyridine 2b-2f nach coulometrischer Analyse nur 1 Elektron abge-geben. Eine genaue Produktanalyse der Oxidation von 2 b ergab jedoch auch hier überraschenderweise praktisch die theoretische Ausbeute [16] an 3.5-Dicarbonsäurediethylester-2.6-lutidin (lb). Bei der Oxidation der N-alkylierten Dihydropyridine ent-stehen nach den bisherigen Befunden wahrschein-lich ebenfalls die PyridiniumVerbindungen, und zwar in Form der Perchlorate.

Was die Unterschiede in der reinen Elektronen-übertragungsreaktion betrifft, repräsentiert durch die Dicyanverbindungen 1 a und 2 a und die Diester l b und 2b (stellvertretend für 1 b- l f bzw. 2b-2f), so

H H N C O X y - C N _2e

H JC^N^CH , I H 2a

kann man diese formal durch ein einfaches Energie-profil-Diagramm veranschaulichen.

Geht man von dem, Pyridinderivat l b (bzw. auch l c - l f ) aus, so ist bei der Reduktion der erste Potentialberg so hoch, daß überhaupt keine elektro-chemische Reduktion möglich ist. Das Dinitril l a nimmt dagegen glatt ein Elektron auf, wobei wahr-scheinlich eine radikalische Zwischenstufe entsteht. Diese kann jedoch direkt kein weiteres Elektron aufnehmen (höherer Potentialberg) sondern stabili-siert sich durch andere Folgereaktionen.

Im Falle der Oxidation von 2 b (bzw. auch 2c-2f) wird nur der erste niedere Potentialberg überwun-den, d.h. ein Elektron abgespalten. Die direkte Abspaltung des zweiten Elektrons ist nicht möglich (hoher Energieberg), das Zwischenprodukt reagiert in anderer Form weiter. Dagegen steht offensichtlich bei der Oxidation von 2 a schon im ersten aktivierten Komplex soviel Energie zur Verfügung, daß sofort das zweite Elektron mit abgespalten wird. Man beobachtet in diesem Falle elektrochemisch nur eine Oxidationsstufe, die einem Zweielektronenübergang zuzuordnen ist.

An den Redoxreaktionen sind jedoch nicht nur Elektronen beteiligt, eine entscheidende Bedeutung für den Mechanismus hat auch die Art des Wasser-stofftransfers.

Bei der Oxidation der Dihydropyridine liegen nun, nach unseren Befunden, offensichtlich in Abhängig-keit von den Substituenten der eingesetzten Ver-bindungen zwei unterschiedliche Oxidationsmecha-nismen vor (für 2 a bzw. 2b-2f ; als Beispiel ist 2 b formuliert).

Y'CN ^CH3

r H H

H

-H* NCv V CN

H

-H* NC

HJC n

1a

H H E t 0 0 C s > O c 0 0 E t

HJC n\H3

H 2b

H H EtOOcO OcOOEt _ HJC N CHJ

H

-H* EtOOC

X X COOEt

I H,C N CH, A

_ H * EtOOC > ^COOEt

Nach dem ersten Mechanismus folgt der Abspal-tung von zwei Elektronen eine Deprotonierung, im zweiten Fall findet zunächst nur ein Einelektronen-übergang statt, dem ein Wasserstoffatomtransfer folgt. Die Abspaltung eines Protons als letzter

1b

Schritt ist natürlich nur möglich, wenn der Pyridin-stickstoff durch einen Wasserstoff substituiert ist, ansonsten bleibt die Reaktion auf der Stufe des Pyridiniumkations stehen.

Sicher sind bei beiden Mechanismen noch gewisse

Modifizierungen denkbar (z.B. zwei getrennte Ein-elektronenschritte bei manchen Verbindungen, an-stelle des Zweielektronenübergangs), als weitere prinzipielle Reaktionsmöglichkeit ist aber außer-dem noch der bekannte Hydridtransfer-Mechanis-mus zu nennen. Dieser ist elektrochemisch direkt nicht nachweisbar, er ist jedoch bei vielen Modell-reaktionen als Wasserstoffübertragungsmechanis-mus im Donor-Acceptor-Komplex postuliert [1].

Die Untersuchungen legen den Schluß nahe, daß NADH-Modellsubstanzen bezüglich des Mechanis-mus der Übertragung von in Summe zwei Elektro-

nen und einem Wasserstoff kern sehr unterschiedlich zu reagieren vermögen. Möglicherweise können auch die Pyridinnukleotide in biologischen Systemen in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen nach verschiedenen Mechanismen den Wasserstoff über-tragen, was sicherlich mit ein Grund wäre für die überragende Stellung dieser Verbindungen als Wasserstofftransferreagentien.

Wir danken der Deutschen Forschungsgemein-schaft und dem Fonds der Chemischen Industrie für die Unterstützung dieser Arbeit.

[ 1 ] K . W a l l e n f e l s , W . E r t e l u n d K . F r i e d r i c h , L i e b i g s A n n . C h e m . 1 9 7 3 , 1 6 3 3 ; K . W a l l e n f e l s , W . E r t e l , A . H ö c k e n d o r f , J . R i e s e r u n d K . H . Ü b e r s c h ä r , N a t u r w i s s e n s c h a f t e n 6 2 , 4 5 9 ( 1 9 7 9 ) ( h i e r a u c h w e i t e r e L i t e r a t u r z u s a m m e n s t e l l u n g ) .

[ 2 ] J . N . B u r n e t t u n d A . L . U n d e r w o o d , J . O r g . C h e m . 3 0 , 1 1 5 4 ( 1 9 6 5 ) .

[ 3 ] J . K l i m a , A . K u r f ü r s t , J . K u t h a n u n d J . V o l k e , T e t r a h e d r o n L e t t . 3 1 , 2 7 2 5 ( 1 9 7 7 ) .

[ 4 ] D . T h e v e n o t u n d R . B u v e t , E l e c t r o a n a l . C h e m . I n t e r f a c . E l e c t r o c h e m . 3 9 , 4 2 9 , 4 4 7 ( 1 9 7 2 ) ; 4 0 , 1 9 7 ( 1 9 7 2 ) .

[ 5 ] P . L e d u c u n d D . T h e v e n o t , i b i d . 4 7 , 5 4 3 ( 1 9 7 3 ) . [ 6 ] W . J . B l a e d e l u n d R . G . H a a s , A n a l . C h e m . 4 2 ,

9 1 8 ( 1 9 7 0 ) .

[ 7 ] J . K u t h a n , J . V o l k e , V . V o l k e o v a u n d V . S i m o n e k , C o l l . C z e c h . C h e m . C o m m u n . 3 9 , 3 4 3 8 ( 1 9 7 4 ) ; Z . C h e m . 1 1 , 1 1 1 ( 1 9 7 3 ) .

[ 8 ] C . O . S c h m a k e l , K . S . V . S a n t h a n a m u n d P . J . E l v i n g , J . E l e c t r o c h e m . S o c . 1 2 1 , 3 4 5 ( 1 9 7 4 ) .

[ 9 ] V . S k a l a , J . V o l k e , V . O h a n k a u n d J . K u t h a n , C o l l . C z e c h . C h e m . C o m m u n . 4 2 , 2 9 2 ( 1 9 7 7 ) .

[ 1 0 ] R . D . B r a u n , K . S . V . S a n t h a n a m u n d P . J . E l v i n g , J . A m . C h e m . S o c . 9 7 , 2 5 9 1 ( 1 9 7 5 ) .

[ 1 1 ] J . K u t h a n , M . F e r l e s , J . V o l k e u n d N . V . K o s h -m i n a , T e t r a h e d r o n 2 6 , 4 3 6 1 ( 1 9 7 0 ) .

[ 1 2 ] G . A b o u - E l e n i e n , D i s s e r t a t i o n , F r e i b u r g 1 9 7 9 .

[ 1 3 ] W . S ü m m e r m a n n , D i s s e r t a t i o n , F r e i b u r g 1 9 7 0 . [ 1 4 ] J . T o m e s , C o l l . C z e c h . C h e m . C o m m u n . 7 , 1 9 8

( 1 9 3 5 ) .

[ 1 5 ] B e i R e d u k t i o n e n v o n P y r i d i n e n b z w . P y r i d i n i u m -s a l z e n w e r d e n o f t D i m e r i s i e r u n g e n b e s c h r i e b e n , v g l . z . B . a u c h L i t . [ 4 , 8 , 1 1 ] .

[ 1 6 ] W i r d d i e C o u l o m e t r i e i n A c e t o n i t r i l d u r c h g e f ü h r t , e n t s t e h t a l s N e b e n p r o d u k t ca. 5 % S u c c i n o n i t r i l , d a s b e i d e n n o t w e n d i g e n h o h e n P o t e n t i a l e n v o n 1 8 8 0 - 2 0 0 0 m V d u r c h R e a k t i o n v o n A c e t o n i t r i l m i t d e m L e i t s a l z n a c h f o l g e n d e m S c h e m a e n t -s t e h t :

C 1 0 4 - - > e - + C 1 0 4 ' ; C 1 0 4 - + CH3CN - > H C 1 0 4 + C H 2 - C N ; 2 C H 2 - C N - * N C - C H 2 - C H 2 - C N ; z u ä h n l i c h e n B e o b a c h t u n g e n v g l . : H . S c h m i d t u n d J . N o a k , Z . A n o r g . A l l g . C h e m . 2 9 6 , 2 6 2 ( 1 9 5 8 ) ; J . P . B i l l o n , J . E l e c t r o a n a l . C h e m . 1 , 4 8 6 ( 1 9 6 0 ) ; C . D . R ü s s e l , A n a l . C h e m . 3 5 , 1 2 9 1 ( 1 9 6 3 ) .