Über die Reaktion von Kohlenmonoxid mit Corrinoiden

1431
REAKTION VON CO MIT CORRINOIDEN
und ungeordnete Basendesorientierungen geringen
Ausmaßes auf. Denaturationserscheinungen größe­
ren Ausmaßes werden erst beim Erhitzen oder Er­
niedrigung des pH-Wertes beobachtet*. Anzeichen
für die Bildung einer Struktur mit gegen die Helix­
achse geneigten Basenebenen ergeben sich lediglich
bei DNS in Salzlösungen von etwa 0,12 M NaCl nach
Hitzedenaturierung und anschließender rascher Ab­
kühlung in Eiswasser.
* Beim Erhitzen säuredenaturierter DNS (pH 3) ergaben
sich bei 260 nm Hyperchromizitäten zwischen 0 und 4% bei
NaCl-Konzentrationen von O m , 8,5’ 10—5 m und 2,5 - IO - 4
M. Ein Tm-Wert kann damit nicht mehr bestimmt werden.
Da beim Erhitzen dieser DNS-Lösungen eine Rotverschie­
bung des Absorptionsmaximums bei 260 nm auftritt, kann
auch eine Hyperchromizität bei dieser Wellenlänge nicht
mehr exakt angegeben werden.
Über die Reaktion von Kohlenmonoxid mit Corrinoiden
W
il h e l m
F r ie d r ic h
Physiologisch-Chemisches Institut der Universität Hamburg
Meinem verehrten Lehrer Herrn Professor Dr. K.
(Z. Naturforsch. 25
b,
B ernhauer
zum 70. Geburtstag gewidmet
1431— 1434 [1970] ; eingegangen am 3. August 1970)
Aquocob (III) alamin (Bi2a) reagiert mit Kohlenmonoxid in alkoholischen Lösungen zu Kobaltalkyloxycarbonyl-cobalaminen. Die Reaktion läuft bei Zimmertemperatur ab, wird jedoch durch
Wärme beschleunigt. Die Struktur der genannten Corrinoide ergibt sich daraus, daß diese auch aus
Cob(I) alamin (Bi2s) durch die Reaktion mit den entsprechenden Chlorkohlensäureestern erhalten
werden können. Die dargestellten Corrinoide haben erwartungsgemäß ein gemeinsames Absorp­
tionsspektrum, welches dem des Cyanocobalamins ähnelt.
In wäßriger Lösung beschleunigt Kohlenmonoxid
1. die Wärme- und Licht-Isomerisierung der diastereoisomeren Formen a und b der Cyano- und
Methyl-corrinoide, die sich durch die Lage der
Cyano- bzw. Methylgruppe am Kobalt unterschei­
den 2-5 und 2 . die Übertragung der Cyano 6- bzw.
Methyl4’ 5-Gruppe von einem Kolbalt-cyano- bzw.
Kobalt-methyl-corrinoid auf B^a • Die Erklärung
dieser Beschleunigung ergibt sich aus der Beob­
achtung, daß in wäßriger Lösung B]2a durch
Kohlenmonoxid reduziert wird6’ 7. Da in allen
wäßrigen Cyano- bzw. Methyl-Corrinoid-Lösungen
normalerweise auch geringe Mengen an Aquo-corrinoiden Vorkommen, enthalten solche Lösungen in
Kohlenmonoxid-Atmosphäre stets reduzierte Cor­
rinoide. In einer belichteten bzw. erwärmten wäßri­
gen Lösung wird das Cyano-aquo- bzw. Methyl­
Sonderdruckanforderungen an Prof. Dr. W. F r i e d r i c h ,
Physiolog.-Chem. Institut d. Univ. D-2000 Hamburg 20,
Martinistr. 52.
1 Zur Nomenklatur vgl. Hoppe-Seyler’s Z. physiol. Chem.
348, 274 [1967]. Folgende Symbole werden hier benützt:
Bi2s = Cob(I) alamin = (Co1) ; Bi2r = Cob (II) alamin =
(Co11) ; Bi2a = Aquocob (III) alamin; (Co) symbolisiert
das Cobalamin ohne den „oberen“ Axial-Liganden.
2 W. F r i e d r i c h , H. O h lm s , W. S a n d e c k u. R. B ie g a n o w s k i, Z. Naturforsch. 22 b, 839 [1967].
aquo-corrinoid durch Homolyse bzw. Heterolyse
der Co-C-Bindung zu einer reduzierten Form gespal­
ten, die in einer Rüdereaktion mit dem Liganden
die isomere Form bilden kann. Da in Kohlenmon­
oxid-Atmosphäre ein erhöhtes Angebot an reduzier­
tem Corrinoid vorliegt, wird hier die Rüdereaktion
und somit die Isomerisierung und Ligandenübertra­
gung beschleunigt.
In Methanol, Äthanol und Isopropanol, auch mit
30% Wasser, findet in Kohlenmonoxid-Atmosphäre
keine Isomerisierung der Corrinoide statt. Bei den
Versuchen zur Klärung dieses Verhaltens wurde ge­
funden, daß B12a, nicht jedoch Cyano-cobalamin, in
diesem Milieu zu einem spezifischen Kobalt-alkyloxycarbonyl-cobalamin reagiert. Die gleichen Kobalt-alkyloxycarbonyl-cobalamine konnten aus B^s
und den entsprechenden Chlorkohlensäure-alkyl3 W . F r i e d r i c h u . M . M o s k o p h id is ,
804 [1968].
R.
4 W . F r i e d r i c h u.
M e s s e r s c h m id t,
972 [1970].
5 W . F r i e d r i c h u. M . M o s k o p h id is ,
979 [1970].
6 W . F r ie d r ic h u.
7
741 [1967].
J. H. B a y s t o n
[1967].
R.
B ie g a n o w s k i,
u. M .
E.
W in fie ld ,
Z. Naturforsch. 23 b,
Z. Naturforsch. 25 b,
Z. Naturforsch. 25 b.
Z. Naturforsch. 22 b,
J. Catalysis 9, 217
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1432
W. FRIEDRICH
estern erhalten werden. Die Identität der auf diesen
beiden Wegen gewonnenen Produkte ergibt sich aus
den Absorptionsspektren, /^-Werten und elektro­
phoretischen Beweglichkeiten sowie aus dem leicht
überschaubaren Syntheseverlauf.
Ergebnisse
Nach den bisherigen Befunden reagieren nur die
niedermolekularen prim. Alkohole in Kohlenmonoxid-Atmosphäre mit Bi2a unter Bildung von Kobaltalkyloxycarbonyl-cobalamin. Methanol ist besonders
reaktionsfähig (es reagiert recht schnell auch bei
20 °C), n-Butanol gibt viel schlechtere Ausbeuten,
die allerdings z. T. auf sein geringes Lösungsvermö­
gen für die Corrinoide zurückgeführt werden kön­
nen. Die Reaktion wird durch Wasser gehemmt
(Tab. 1).
Gebildetes Kobalt-alkyloxycarbonylcobalamin
Alkohol
Methanol
Äthanol
n-Butanol
Isopropanol
sec-Butanol
Ausbeute (in % ) bei verschiedenem
H 20-Gehalt des Alkohols
0 % H 20
5 0 % H 20 7 5 % H 20
100
30
70
10-15
27
ca. 5
ea. 5 ?
unter 5
nicht nachweisbar
unter
unter
unter
unter
10
10
5
5
1,16
1,24
1,40
Die auf den beiden Wegen: über Kohlenmonoxid
in Alkohol bzw. über Chlorkohlensäureester gewon­
nenen Corrinoide sind elektrophoretisch netral 7a und
unterscheiden sich papierchromatographisch in was­
sergesättigtem sec-Butanol entsprechend der Größe
der eingeführten Alkyloxy-Gruppe (Tab. 1). Sie ha­
ben erwartungsgemäß praktisch identische Absorp­
tionsspektren (Tab. 2). Diese ähneln durch die ausWellenlänge
[nm]
e • 10~3
258
278
332
363
517
535
27,0
23,7
16,6
23,4
12,2
12,4
lab. 2. Absorptionsmaxima des Kobaltmethyloxycarbonylcobalamins in Wasser.
geprägte Doppelbande bei 517 — 535 nm und die
starke Bande bei 363 nm dem Spektrum des Cyanocobalamins, unterscheiden sich jedoch von diesem
durch die Maxima bei 332 nm und 258 nm (Tab. 2 ),
die dem Cyano-cobalamin fehlen. Ihre Lichtempfind­
lichkeit ist viel geringer als die der Kobalt-alkyl-corrinoide 7b.
Diskussion
Tab. 1. Reaktion einiger Alkohole mit Bi2a in Kohlenmon­
oxid-Atmosphäre während 4 Stdn. bei 80 °C und papierchro­
matographische Beweglichkeit der Reaktionsprodukte in wasserges. sec-Butanol (aufsteigend, Fleckfarbe orange). In 1 ml
fassende Glasampullen wurden je 2 mg Bi2a in 0,1 ml Wasser
gefüllt. Nach Verdampfen des Lösungsmittels i. Vak. wurden
die Ampullen mit je 0,2 ml Alkohol bzw. Alkohol —WasserGemisch gefüllt, mit CO (aus Stahlflasche) begast, zuge­
schmolzen und erhitzt. Belichtung (15 W, 39 cm, 20 °C)
führte zu keiner Erhöhung der Ausbeute (Bestimmung: pa­
pierchromatographisch und spektrophotometrisch) an KobaltAlkyloxycarbonylcobalamin gegenüber Kontrolle (20 °C im
Dunkeln). * Diese Werte gelten auch für die entsprechenden
aus Bi2s und Chlorkohlensäurealkylestern gewonnenen Deri­
vate.
Bi2a wird in wäßriger Lösung durch Kohlenmon­
oxid zu Bior reduziert6,7. Nach B a y s t o n und WlNFIELD 7 läuft diese Reaktion nach Gl. (1) ab:
Zur Synthese von Kobalt-n-butyloxycarbonylcobalamin eignet sich viel besser der Weg über Bi2s
und Chlorkohlensäure-n-butylester; ausgehend vom
Cyano-cobalamin werden praktisch quantitative Aus­
beuten erhalten.
und Lee 8>9 schreiben aufgrund ver­
schiedener Beobachtungen, auch an B 12-Modell-Substanzen, die Reaktionsfähigkeit nicht dem Bi2a ? son­
dern dem Bjoj. zu, welches sich stets in geringen Men­
gen in B^-Lösungen durch spontane Reduktion bil-
7a Ihre sehr schwache elektrophoretische Beweglichkeit gegen
( — ) in 0,5 n Essigsäure ist auf die Protonierung der Nucleotidbase zurückzuführen; vgl. hierzu auch 1. c. 7b.
7b Zus. b. d. Korr.: O. M ü l l e r u. G. M ü l l e r (Biochem. Z.
337, 179 [1963]) synthetisierten, ausgehend von Bi2s und
Chlorkohlensäureäthylester, das Kobalt-äthyloxycarbonyl-
cobalamin; dieses zeigte die gleichen Eigenschaften wie
die von uns dargestellte Substanz.
8 L . P. Lee u. G. N. S c h r a u z e r , J. Amer. chem. Soc. 90.
5274 [1968].
9 G. N. S c h r a u z e r u. L . P. L e e , Arch. Biochem. Biophys.
138,16 [1970].
OH
OH.,
(Colli) +CO
CO
CO
CO
(CoHI) +HoO.; (CoHl) +HO© -> (Co™);
OH
/
CO
(1)
OH
(Colli) + (Com )-> 2 Bi2r + H ,C 03 .
Sch ra u zer
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REAKTION VON CO MIT CORRINOIDEN
det9a. Bi2r muß jedoch hierzu mit einem Molekül
Bi2a gekoppelt sein, welches eines der beiden Elek­
tronen aufnehmen muß. Zum Schluß dieses kompli­
zierten Weges reagiert Bios mit Bi2a zu Bi2r? wodurch
sich die Menge des Katalysators (B^r) ständig er­
höht (Gl. 2 ) :
CO
I
(Co11) . . . (CoHI) +CO ^
(Co) .. .(CoHI) ;
HO©
£CO
CO
I
{Co) . . . (Colli) + HO©
^
|1
(Co) . . . (CoIII) -► H® +
(Co1) + (Co«) + C O ,; (Co1) + (CoHi) ^
2 (Coli).
(2)
In Wasser wirkt Kohlenmonoxid im Endeffekt ledig­
lich als Reduktionsmittel, ähnlich wie zahlreiche
andere oxydierbare Verbindungen9. Der Beweis für
die Bildung von Addukten zwischen Corrinoiden
und Kohlenmonoxid konnte bisher nicht erbracht
werden.
Unsere Versuche zeigen erstmalig, daß in Alkoho­
len Kohlenmonoxid durch Kobalt des B^a gebunden
wird unter Bildung eines stabilen Derivates. Es wäre
naheliegend anzunehmen, daß der Mechanismus der
Reaktion in Alkoholen und in Wasser (hier ist nur
die erste Hälfte der Reaktion in Wasser gemeint)
im Prinzip der gleiche ist:
OX
/
CO
(Co) + XOH + CO ->(Co) + H© ,
(3)
wobei X = H bzw. ein Alkyl. Die so am Kobalt ge­
bildete Alkyloxycarbonyl-Gruppe ist jedodi — an­
ders als die Carboxylgruppe — stabil und wird
nicht wie diese spontan abgespalten. Beim Vergleich
der Reaktion in Alkoholen mit der in Wasser erge­
ben sich allerdings Schwierigkeiten, und zwar dann,
wenn man Gl. (2 ) zugrunde legt. Wenn nur Bi2r
mit Alkoholen reagiert [gemäß Gl. (2 9b)], dann müß­
te dessen katalytische Menge rasch verbraucht wer­
den unter Stillegung der Reaktion: alkoholisches
Milieu müßte zur „Vergiftung“ des Katalysators
9a Es spielt hier die Rolle eines Katalysators.
9b Wobei jedoch statt HO© ein Alkoholat-Ion vorliegt.
9c D. G. H o a r e u . W . A. W a t e r s , J. chem. Soc. [London]
19 64 , 2560.
9<1 R. B o n n e t t , J . R. C a n n o n , V . M . C l a r k , A . W . J o h n s o n ,
L . F . J . P a r k e r , E . L . S m i t h u . A . T o d d , J. chem. Soc.
[L o ndo n] 1 9 5 7 , 1158.
9e W . F r i e d r i c h
u.
M. M
o s k o p h id is ,
in V o rb e re itung .
10 J. K n a p p e u . F. L y n e n , in: Mechanismen enzymatischer
Reaktionen, 14. Mosbadier Colloquium, Springer-Verlag,
Berlin-Göttingen-Heidelberg 1964, S. 265.
1433
(B^r) führen. Da die Reaktion jedoch praktisch
vollständig abläuft (praktisch quantitative Ausbeute
an Kobaltmethyloxycarbonyl-cobalamin), dürfte hier
Bi2r nicht der Reaktionspartner sein. Ferner ergibt
sich aus der Elektroneutralität der Kobalt-alkyloxycarbonyl-cobalamine, daß Bi2a der Reaktionspart­
ner sein müßte; B^r als Reaktionspartner müßte ein
Produkt ergeben, welches die negative Ladung trägt
und somit elektrophoretisch gegen (+ ) wandert.
Schließlich hat das Absorptionsspektrum der Kobaltalkyloxycarbonyl-cobalamine beinahe die typische
Form eines Com-Corrinoides (Tab. 2 ). Alle diese
Beobachtungen sprechen dafür, daß in alkoholischen
Medien Kohlenmonoxid nicht mit Bior , sondern di­
rekt mit Bi2a reagiert, ein Verlauf, der im Prinzip
mit Gl. ( l ) 9b übereinstimmt.
Ob die Möglichkeit einer Reduktion von Bi2a zu
Bi2r durch Methanol besteht, wurde noch nicht geprüft;
Alkohole können Com-Salze zu Con-Salzen reduzie­
ren 9c. Interessanterweise reagiert Dehydro-aquocobalamin, in welchem am Ring B ein Lactam-Ring gebil­
det wurde9d, nicht mit CO in Methanol; dies dürfte
auf den sterischen Einfluß des nach „oben“ ragenden
Lactam-Ringes zurückzuführen sein 9e.
Es ist naheliegend anzunehmen, daß die AlkoholKomponente als Alkoholat-Ion reagiert, es ist ferner
wahrscheinlich, daß dieses direkt am Kobalt gebildet
wird. Anschließend dürfte die Einschiebung von
Kohlenmonoxid stattfinden, obwohl die umgekehrte
Reaktionsfolge, d. h. die Bildung von Kobalt-carbonyl-cobalamin und dessen Reaktion mit dem Alkoholat-Ion, nicht ausgeschlossen ist. Eine solche Ein­
schiebung von CO zwischen Metall und koordinier­
tes Wasser unter gleichzeitiger Bildung einer metall­
gebundenen Carboxylgruppe (die anschließend als
Kohlensäure abgespalten wird, ähnlich wie in den
Gin. (1) und (2 )) wurde bereits früher bei ein­
fachen Ag1- und Hgn-Komplexen angenommen 12’ 13.
Ferner war bereits früher bekannt, daß in alkoholi­
scher Lösung in CO-Atmosphäre einfache Komplexe
des Hg1114 und Co11115 eine metallgebundene, stabile
Carbonsäureester-Gruppe bilden können.
11 H. R u p e , Anleitung zum Experimentieren in der Vorlesung
über Organische Chemie, F. Vieweg, Braunschweig 1909,
S. 83.
12 A. C. H a r k n e s s u . J. H a l p e r n , J. Amer. chem. Soc. 83,
1258 [1961].
13 S. N a k a m u r a u . J. H a l p e r n , J. Amer. chem. Soc. 83,
4102 [1961].
14 W. S c h o e l l e r , W. S c h r a u t h u. W. E sse rs , Chem. Ber.
46, 2864 [1913].
15 G. C o s t a u . G. M e s t r o n i , Tetrahedron Letters [London]
1967, 1781.
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1434
REAKTION VON CO MIT CORRINOIDEN
Die Reaktion des Bi2a mit Kohlenmonoxid bleibt
in Alkoholen — anders als in Wasser — auf der
ersten Stufe stehen, da die am Kobalt gebundene
veresterte Carboxylgruppe stabil ist. Sie ist in nichtverestertem Zustand, also bei der Reaktion des B^a
mit CO in Wasser, labil und erinnert an die an Bio­
tin gebundene Kohlensäure: diese ist auch am Bio­
tinmolekül labil und kann durch Veresterung stabi­
lisiert werden10. Die Frage, ob diese Analogie noch
weiter geht und ob die am Kobalt gebundene Koh­
lensäure auf organische Moleküle übertragen wer­
den kann, ist noch offen. Da Kohlenmonoxid in be­
lebter Natur vorkommt16-18, ist es nicht ausge­
schlossen, daß es von gewissen Mikroorganismen
auf diesem Wege in organische Substanz einge­
schleust werden kann. Daß Kohlenmonoxid durch
Bakterien oxydiert und als alleinige C- und Energie­
quelle verwendet werden kann, ist bekannt19.
Die Frage, weshalb Kobalt-methyl-corrinoide in
alkoholischen Medien nicht isomerisiert werden, läßt
sich durch diese Ergebnisse noch nicht beantworten.
Die Ursache könnte in einer Blockierung des Ko­
balts durch den Alkyloxycarbonyl-Rest sowie auch
in den physikochemischen Eigenschaften der Alko­
hole vermutet werden; es wird angenommen 5, daß
Wasser eine Art Schutzmantel um das CorrinoidMolekül (bzw. Corrinoid-Moleküle) bildet, in dem
eine Liganden-Übertragung (und Isomerisierung)
möglich ist.
Experimenteller Teil
Sämtliche Arbeiten wurden bei weitgehend reduzier­
tem weißem Licht durchgeführt.
16 D. F. W i l s o n , J. W . S w i n n e r t o n u. R. A. L a m o n t a g n e ,
Science [Washington] 168, 1577 [1970].
17 R. W o l f g a n g , Nature [London] 225, 876 [1970].
Darstellung von Kobalt-methyloxycarbonyl-cobalamin
aus B i 2a durch Einwirkung von CO in Methanol. 120 mg
Bi2a (hergestellt durch Belichtung von Kobalt-methylcobalamin) werden in 9 ml Methanol gelöst und die
Lösung auf 6 Glasampullen (0,8-6 cm) gleichmäßig
verteilt. Der Ampulleninhalt wird anschließend mittels
einer Injektionsnadel während 15 min mit CO (herge­
stellt aus Ameisensäure und Schwefelsäureu ) gesät­
tigt und die Ampullen zugeschmolzen 2~6. Nach Er­
hitzen während 5 Stdn. auf 80 °C wird der Inhalt an
Kieselgur angetrocknet und mittels einer Säule
(2,9 •20 cm) aus Linterspulver chromatographiert. Ent­
wickler: wasserges. n-Butanol. Die Hauptmenge der
Substanz bewegt sich rasch als eine einheitliche Zone,
die in drei Fraktionen (Vorlauf, Hauptlauf und Nach­
lauf) auf gefangen wird; alle drei Fraktionen zeigen
dasselbe charakteristische Absorptionsspektrum in
Wasser. Sie werden vereinigt und mit Petroläther ver­
setzt, die corrinoidhaltige wäßrige Phase wird mit Phenol-o-Dichlorbenzol-Gemisch extrahiert. Aus der so ge­
wonnenen wäßrigen Lösung kristallisiert die Substanz
nach Einengen in orangefarbenen Prismen, die sich
von denen des Cyano-cobalamins äußerlich nicht unter­
scheiden. Ausbeute ca. 65 mg.
Das gleiche Reaktionsprodukt wird bei Verwendung
von CO aus Stahlflasche 6 erhalten.
Darstellung von Kobalt-n-butyloxycarbonyl-cobalamin
aus Cyano-cobalamin und Chlor kohlensäur e-n-butylester. In einen 20 ml fassenden Meßkolben werden
1,0 g Ammoniumchlorid, 0,4 g Zinkpulver, 50 mg
Cyano-cobalamin und 10 ml Wasser eingefüllt. Nach
Durchleiten von Wasserstoff während 30 min und an­
schließendem Zusatz von 0,3 ml Chlorkohlensäurebutylester wird noch während 5 min begast und schließlich
während 10 min verschlossen stehen gelassen. Die vom
Zink abdekantierte Corrinoid-Lösung wird durch Phe­
nolextraktion (s. o.) entsalzt. Ausbeute praktisch quan­
titativ, die Substanz enthält noch geringe Mengen an
B i2 a •
Ich danke der Deutschen Forschungsgemeinschaft
und der Hoffmann-LaRoche AG, Basel, für die Unter­
stützung dieser Arbeit.
18 J.
19
P o s t g a t e , Nature [London] 226, 978 [1970].
P . H i r s c h , Nature [London] 217, 555 [1968].
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