DE3409755C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Pyraziniumverbindungen, die in photoreaktiven enzymatischen Systemen verwendet werden können. Die Pyraziniumverbindungen der Erfindung eignen sich insbesondere als Elektronenüberträger bei der photoenzymatischen Herstellung von Wasserstoff und Ammoniak.

Die Photosynthese ist ein für die Existenz der Biophäre fundamentaler Vorgang. Bei der Ausführung der Photosynthese durch lebende Organismen ist für die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie das Pigment Chlorophyll als Photosensibilisator erforderlich. Bei höheren Organismen, wie eukaryontischen Organismen, wird diese Funktion von spezialisierten Zellorganellen, den Chloroplasten, ausgeübt, die in bezug auf zahlreiche Eigenschaften sich wie unabhängige Organismen verhalten.

Die durch die Chloroplasten absorbierte Lichtenergie führt zur Photolyse von Wasser und einem Potentialanstieg der photolytisch erzeugten "niederenergetischen" Elektronen (+800 mV) auf einen "hochenergetischen" Wert von -600 mV. Die hochenergetischen Elektronen werden durch die in den Chloroplasten auftretenden primären Elektronenüberträger eingefangen. Die erhaltenen energiereichen, reduzierten Überträger werden sodann von Organismus dazu verwendet, mit Hilfe von enzymatischen Verfahren Kohlendioxid in Kohlenhydrate oder Kohlenwassserstoffe und Stickstoff in Ammoniak überzuführen. Ferner werden unter Bedingungen, unter denen diese Verfahren nicht voll funktionsfähig sind, z. B. bei einem beschränkten Zugang zu Kohlendioxid oder Stickstoff, die reduzierten Elektronenüberträger zu einer durch Nitrogenase und Hydrogenasen katalysierten Wasserstoffbildungsreaktion umgelenkt.

Obgleich die in Chlorophyllorganellen ablaufenden photosynthetischen Bildungs- und Verwertungsreaktionen nicht vollständig aufgeklärt sind, weiß man, daß die aufeinanderfolgende Absorption von 2 Lichtquanten durch die gekoppelten Chlorophyllpigmente P.680 und P.700 erforderlich ist, um die Energie der durch Wasserphotolyse gebildeten Elektronen so stark anzuheben, wie es für die Bildung von reduzierten Elektronenüberträgern erforderlich ist. Die hohen Potentiale der durch Licht angeregten Elektronen reichen aus, die in gebundenen primären Elektronenüberträgern, wie Ferredoxin, vorhandenen Eisen-Schwefel-Cluster zu reduzieren. Die Energie wird sodann auf lösliche Elektronenüberträger, wie freies Ferredoxin oder Flavodoxin, übertragen. Bezüglich einer eingehenderen Erörterung der biologischen Photosynthese wird auf folgende Literaturstellen verwiesen: J. R. Benemann et al., "Advances in Microbial Physiology", Bd. 5, Academic Press London, 1971, S. 135-172; D. I. Arnon et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Bd. 78 (1981), S. 2942-2946; M. Calvin, in "Living Systems as Energy Converters", North Holland Publ., Amsterdam, 1977, S. 231-259.

Proteine, wie Ferredoxine und Flavodoxine, sind die in biologischen Organismen vorhandenen natürlichen Elektronenüberträger, die an der in vivo-Übertragung von hochenergetischen Elektronen bei aeroben und anaeroben Prozessen beteiligt sind; vgl. E. J. Knight et al, J. Biol. Chem., B. 241 (1966), S. 2752. Diese Proteine nehmen an der lichtabhängigen in vivo-Stickstoffixierung, -Kohlenhydratbildung und -Wasserstoffentwicklung sowie an der lichtunabhängigen, anaeroben Stickstoffixierung teil; vgl. T. R. Hamilton et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Bd. 52 (1964), S. 637. Sie transportieren im wesentlichen die hochenergetischen Elektronen vom Chlorophyll zu den Enzymen, die sie verwerten.

In letzter Zeit wurden im Rahmen von mehreren Untersuchungen über die synthetische Bildung von Wasserstoff durch Photolyse von Wasser künstliche Systeme unter Einsatz von Ferredoxinen und Flavodixinen entwickelt. Diese Systeme wurden auch als Testmodelle für die Untersuchung von photosynthetischen Reaktionen herangezogen. Typischerweise werden bei derartigen Systemen ein synthetischer Photoaktivator oder isolierte Pflanzenchloroplasten, ein Elektronenüberträger und ein Enzym, wie Nitrogenase oder Hydrogenase, eingesetzt; vgl. J. R. Benemann et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Bd. 64 (1969), S. 1079; und J. R. Benemann in "Living Systems as Energy Converters", North-Holland Publ., Amsterdam, 1977, S. 285-297. Bei einem derartigen Modell wird beispielsweise die Aktivität des durch die photosynthetische Reaktion stimulierten Systems anhand der Reduktion von Acetylen zu Ethylen verfolgt.

Untersuchungen mit isolierten Chloroplastensystemen haben gezeigt, daß andere Verbindungen als Elektronenüberträger dienen und anstelle von Ferredoxin oder Flavodoxin verwendet werden können. Beispielsweise sind Dipyridyle, wie Methylviologien, Benzylviologen und cyclische Analoge davon, in der Lage, belichtete Chloroplasten und das Enzym Hydrogenase zu koppeln; vgl. K. K. Rao et al., in "Photosynthesis in Relation to Model Systems", Elsevier, Amsterdam, 1979, S. 299-329; und I. Okura et al, J. C. S. Chem. Comm., 1980, S. 84. Diese synthetischen Verbindungen können auch mit zellulären photochemischen Redoxreaktionen in Wechselwirkung treten und einen Kurzschluß der Photosynthese verursachen. Der Befund, daß einige Dipyridyle, wie Diquat und Paraquat eine herbizige Aktivität besitzen; vgl. B. Kock et al, Biochem. Biophys. Acta, Bd. 1091 (1965), S. 347, überrascht nicht.

Ein weiteres Beispiel einer als Elektronenüberträger geeigneten Verbindung ist Phenaziniummethosulfat (PMS), das gegenüber Hydrogenase, nicht aber gegenüber Nitrogenase aktiv ist (vgl.: G. Papageorgiou, Chem. Abstr. 84, 2367 h (1976); E. L. Barsky et al., J. Biol. Chem. 251, 7066 (1976); T. Yagi et al., Chem. Abstr. 99, 91021 r (1983); K. Schneider et al, Chem. Abstr. 86, 1521 h (1977); und R. H. Burris et al., Biochemistry 20, 2234 (1981)).

Bekannt sind weiterhin verschiedene monoquaternisierte Pyraziniumverbindungen und teilweise deren Halbstufenpotentiale, nicht jedoch ihre mögliche Verwendung als Elektronenüberträger in photoreaktiven enzymatischen Systemen (vgl.: J. A. Zoltewicz et al., J. Amer. Chem. Soc. 93, 5475 (1971); E. V. Hort et al., J. Amer. Chem. Soc. 77, 5898 (1955); A. Le Berre et al., Bull. Soc. Chim. France 1973, 2404; und L. Roullier et al., Chem. Abstr. 93, 167 302 g (1980)).

Im allgemeinen sind jedoch wenige organische Verbindungen bekannt, die wirksame Elektronenüberträger für Chloroplasten oder synthetische Photoaktivatorsysteme darstellen. Typischerweise passen die Potentiale der reduzierten Formen der bekannten niedermolekularen organischen Elektronenüberträger nicht zu dem für eine wirksame Enzymkopplung erforderlichen Potential. Infolgedessen kommt es zu keiner wirksamen Übertragung der energetischen Elektronen durch diese Träger. Außerdem begünstigt jede Neigung der reduzierten Formen der Überträger zum Verbleib an den Chloroplasten in gebundenem Zustand die unerwünschte entgegengesetzte Reaktion mit den Organellen, was den Elektronenübertragungsvorgang unmöglich macht. Auf der Basis von Proteinmaterial, wie synthetischen Analogen von Flavodoxin oder Ferredoxin, konzipierte und synthetisierte synthetische Elektronenüberträger sind theoretisch ebenfalls möglich. Sie erfordern jedoch komplizierte Synthesen und besitzen kurze Halbwertszeiten. Außerdem sind zur Anwendung dieser Proteine spezielle Verfahrens- und Synthesemaßnahmen erforderlich. Demzufolge stellt die Natur des Trägers einen limitierenden Faktor für künstliche photosynthetische Systeme dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, synthetische organische Verbindungen bereitzustellen, die in Chloroplasten oder synthetischen Photoaktivator-Photosynthese-Systemen als wirksame Elektronenüberträger dienen können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von stabilen organischen Verbindungen, die die Wirksamkeit von photosynthetischen Systemen erhöhen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, organische Verbindungen, die in reduziertem, energetischem Zustand hochstabil sind, bereitzustellen. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, wasserlösliche organische Verbindungen bereitzustellen, die die Maximierung von Übertragungsprozessen unter Verwendung von Chloroplasten-Organellen erlauben.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Bereitstellung der monoquaternisierten Pyraziniumverbindungen der allgemeinen Formel I gelöst, die die photosynthetische Bildung von Wasserstoff, Ammoniak und zur Übertragung von hochenergetischen Elektronen aus einer photoaktivierenden Elektronenquelle in der Lage sind.

In der allgemeinen Formel I haben die einzelnen Reste folgende Bedeutungen:

R¹ bedeutet Alkyl mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen.
R², R⁴ und R⁵ bedeuten unabhängig voneinander Wasserstoff oder Alkyl mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen.
R³ bedeutet Sulfonoxy oder einen Rest der Formel -(CH₂)_n)CHXY, wobei X Wasserstoff, Hydroxyl, Sulfonoxy, Carboxyl, Carboxamido, (Sulfonoxy)-alkyl mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen , Dihydroxyalkyl mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen oder (Carboxy)-alkyl mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, Y Wasserstoff (Sulfonoxy)- alkyl mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, Alkyl mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen oder Dihydroxyalkyl mit 2 oder 3 Kohlenstoffatomen bedeutet und n eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 6 ist, wenn X oder Y eine Sulfonoxygruppe, eine (Sulfonoxy)-alkylgruppe oder zusammen mehrfach polare Gruppen darstellen. Ansonsten besitzt n einen Wert von 0 bis 3.

X und Y stellen zusammen mehrfachpolare Gruppen dar, wenn X Hydroxyl, Sulfonyloxy, Carboxy, Carboxamido, (Sulfonoxy)- alkyl, Dihydroxyalkyl oder (Carboxy)-alkyl und Y (Sulfonoxy)- alkyl oder Dihydroxyalkyl ist.

Für die allgemeine Formel I gilt die Maßgabe, daß R³ nicht die Bedeutung Alkyl hat, und, wenn R³ keinen Carboxy- oder Sulfonoxysubstituenten enthält, auch ein Anion vorhanden ist.

Das Anion ist als Ausgleich der positiven Ladung des monoquaternären Pyraziniumsalzes der allgemeinen Formel I zu verstehen, wenn in dem Substituenten R³ eine anionische Gruppe fehlt. Ist eine derartige anionische Gruppe vorhanden, so ist ein Gegenion nicht erforderlich, da in diesem Fall die Verbindung ein Zwitterion darstellt. Anionen, die diese Funktion erfüllen, leiten sich von entsprechenden Mineralsäuren oder organischen Säuren ab. Beispiele hierfür sind Halogenide, Sulfate, Hydrogensulfate, Phosphate, Hydrogenphosphate, Nitrate, Perchlorate, Borate, Citrate, Tartrate, Acetate, Propionate, Succinate oder Benzoate. Der Ausdruck "Sulfonoxy" bedeuten den von Sulfonsäure abgeleiteten Rest -SO₃H. Somit weist (Sulfonoxy)- ethyl die Formel -CH₂CH₂SO₃- und (Sulfonoxy)-ethylbenzol die Formel C₆H₅CH₂CH₂SO₃- auf.

Bevorzugt sind isolierte, gereinigte Formen der Verbindungen der allgemeinen Formel I sowie synthetisch hergestellte Verbindungen dieser Formel.

Bevorzugt werden Verbindungen der Formel I mit folgenden Bedeutungen der Substituenten R¹ bis R⁵, X und Y:

• (a) Verbindungen der Formel I, in der R³ einen Rest der Formel -(CH₂)_nCHXY bedeutet,
• (b) Verbindungen der Formel I, in der R² Wasserstoff bedeutet,
• (c) Verbindungen der Formel I, in der R², R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander Wasserstoff oder Methyl bedeuten,
• (d) Verbindungen der Formel I, in der R³ Sulfonoxy oder einen Rest der Formel -(CH₂)_n)CHXY und X Hydroxyl, Carboxyl, Carboxamido, Sulfonoxy, (Sulfonoxy)-alkyl, (Carboxy)- alkyl oder Dihydroxyalkyl bedeutet,
• (e) Verbindungen gemäß (d), wobei R² Wasserstoff bedeutet,
• (f) Verbindungen der Formel I, in der R³ Sulfonoxy oder einen Rest der Formel -(CH₂)_n)CHXY und X Sulfonoxy, Hydroxyl, Dihydroxyalkyl oder (Sulfonoxy)-alkyl bedeutet,
• (g) Verbindungen gemäß (d), wobei R³ einen Rest der Formel -(CH₂)_n)CHXY bedeutet,
• (h) Verbindungen der Formel I, in der R³ Sulfonoxy oder einen Rest der Formel -(CH₂)_n)CHXY und X Sulfonoxy, Hydroxyl oder (Sulfonoxy)-alkyl bedeutet,
• (i) Verbindungen gemäß (h), wobei R³ einen Rest der Formel -(CH₂)_n)CHXY bedeutet,
• (j) Verbindungen gemäß (h), wobei R² Wasserstoff bedeutet, und
• (k) Verbindungen gemäß (i), wobei Y Wasserstoff, (Sulfonoxy)-alkyl oder Dihydroxyalkyl bedeutet.

Besonders bevorzugt sind Verbindungen der allgemeinen Formel I, in denen die Substituenten R¹ bis R⁵, X und Y folgende Bedeutungen haben. Für diese Verbindungen sind jeweils auch die Verbindungsnamen aufgeführt.

• 1. R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹, Methyl und R³ 1-Hydroxyethyl: 1-Methyl-3-(1-hydroxyethyl)-pyraziniumjodid.
• 2. R³, R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, und R³ 2-Hydroxyethyl: 1-Methyl-3-(2-hydroxyethyl)-pyraziniumjodid.
• 3. R² und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ und R⁴ Methyl und R³ Hydroxymethyl: 1,5-Dimethyl-3-hydroxymethyl- pyraziniumjodid.
• 4. R² und R⁴ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ und R⁵ Methyl und R³ Hydroxymethyl: 1,6-Dimethyl-3-hydroxymethyl- pyraziniumjodid.
• 5. R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 1, Y bedeutet Ethyl und X Sulfonoxy: 1-Methyl-3-(2-sulfonoxybutyl)-pyrazin.
• 6. R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 2, Y bedeutet n-Propyl und X Sulfonoxy: 1-Methyl-3-(1-sulfonoxybutyl)-pyrazin.
• 7. R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 2 und X bedeutet 1,2-Dihydroxyethyl: 1-Methyl-3-(3,4-dihydroxybutyl)-pyraziniumjodid.
• 8. R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 0 und X und Y bedeuten 2,3-Dihydroxypropyl: 1-Methyl-3-(1,2,6,7-tetrahydroxyhept-4-yl)- pyraziniumjodid.
• 9. R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 0 und X und Y bedeuten jeweils 3-Sulfonoxypropyl: Natrium-4-(1-methyl-3-pyrazinyl)-heptan- 1,7-disulfonat.
• 10. Y, R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 3 und X bedeutet Sulfonoxy: 1-Methyl- 3-(4-sulfonoxybutyl)-pyrazin.
• 11. Y, R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 0 und X bedeutet Sulfonoxy: 1-Methyl-3- sulfonoxypyrazin.
• 12. R², R⁴, R⁵ und Y bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 0 und X bedeutet 1,2-Dihydroxyethyl: 1-Methyl-3-(1,2-dihydroxyethyl)-pyraziniumjodid.
• 13. R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ und Y Methyl, n hat den Wert 0 und X bedeuten Sulfonoxy: 1-Methyl-3-(1-sulfonoxyethyl)-pyrazin.
• 14. R², R⁴, R⁵ und Y bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 1 und X bedeutet Sulfonoxy: 1-Methyl-3- (2-sulfonoxyethyl)-pyrazin.
• 15. R², R⁴, Y und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 0 und R³ bedeutet Sulfonoxy: 1-Methyl- 3-sulfonoxymethylpyrazin.
• 16. Y, R² und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ und R⁴ Methyl, n hat den Wert 0 und X bedeutet Sulfonoxy: 1,5-Dimethyl- 3-sulfonoxymethylpyrazin.
• 17. Y, R² und R⁴ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ und R⁵ Methyl, n hat den Wert 0 und X bedeutet Sulfonoxy: 1,6-Dimethyl- 3-sulfonoxymethylpyrazin.
• 18. R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 1, X bedeutet Hydroxy und Y Ethyl: 1-Methyl-3-(2-hydroxybutyl)-pyraziniumjodid.
• 19. R², R⁴ und R⁵ bedeuten Wasserstoffatome, R¹ Methyl, n hat den Wert 1, X bedeutet Sulfonoxy und Y 1,2- Dihydroxyethyl: 1-Methyl-3-(2-sulfonoxy-3,4-dihydroxybutyl)- pyraziniumsalz.

Ferner werden die isolierten, gereinigten Formen der synthetisch hergestellten Verbindungen 1 bis 19 besonders bevorzugt.

Mit den Verbindungen der Erfindung sind Verfahren zur Übertragung energiereicher Elektronen aus einer Elektronenphotoaktivierungsquelle durchführbar. Dieses Verfahren umfaßt die Vereinigung der Elektronenquelle mit Pyraziniumverbindungen der Formel I.

Werden Kombinationen aus biologischen Materialien unter Einschluß einer derartigen Quelle hergestellt, kann das System biophotosynthetisch Kohlenhydrate, Wasserstoff oder Ammoniak erzeugen. Es kann eine Kombination aus natürlichen, in vivo- biologischen Organismen oder in vitro-Kombinationen von synthetischen Verbindungen und biologischen Materialien, die aus biologischen Organismen isoliert oder synthetisch oder genetisch hergestellt werden können, darstellen. Ferner können die Systeme auch vollständig aus synthetischem Material, das auf die photosynthetische Bildung derartiger Produkte ausgerichtet ist, aufgebaut sein.

Das System umfaßt eine photoaktivierende Quelle, wie Chloroplasten, in Kombination mit Wasser, eine Verbindung der Formel I und Nitrogenase.

Insbesondere werden Chloroplasten in einem zweistufigen System verwendet, wobei sich die Chloroplasten, die erfindungsgemäße Verbindung und Wasser in einer Stufe und das Enzym, die erfindungsgemäße Verbindung und Wasser in der anderen Stufe befinden. Die beiden Stufen werden mit einer semipermeablen Membran verbunden, die eine Passage der erfindungsgemäßen Verbindung, aber nicht der Chloroplasten oder den Enzyms erlaubt. Ferner sind im wäßrigen Medium geeignete Hilfsbestandteile, wie Adenosintriphosphat, Salze und Gase, vorhanden. Die Produktgase der einzelnen Stufen werden getrennt aufgefangen, um ein Kurzschließen zu vermeiden.

Der Einsatz von in vivo-Organismen umfaßt z. B. die Verstärkung der Stickstoffixierung durch Rhizobia, indem man Rhizobia mit einer Pyraziniumverbindung in Kontakt bringt. Weitere photoaktivierende Quellen, die mit den Pyraziniumverbindungen verwendet werden können, sind synthetische Mittel, wie Ruthenium-, Molybdän- oder Eisenorganometallkomplexe mit Gruppen, wie Bipyridyl oder Porphyrin.

Die monoquaternisierten Pyraziniumverbindungen der Erfindung sind wirksame Elektronenüberträger für "hochenergetische" Elektronen, die insbesondere bei der Chlorophyllphotosynthese gebildet werden. Bei diesem Verfahren sind sie wiederholt in der Lage, hochenergetische Elektronen aus belichteten Chloroplasten auf ein photosynthetisch gekoppeltes Enzym, wie Nitrogenase, zu übertragen. Sie können auch als wirksame Überträger für hochenergetische Elektronen dienen, die durch synthetische Photosensibilisator-Organometallkomplexe, wie Ruthenium-, Molybdän- und Eisenkomplexe, gebildet werden.

Im allgemeinen sind diese Verbindungen wasserlöslich und weisen ein Reduktionspotential unter etwa -500 mV (üblicherweise zwischen etwa -500 und -800 mV), gemessen durch ein polarographisches Halbwellenpotential beim pH-Wert 7,5, auf. Das Reduktionspotential ist jedoch ein Schwellenwert. Unterhalb dieses Minimalwerts ist die Aktivität durch die chemische Struktur bestimmt.

Bei Einverleibung der Pyraziniumverbindungen der Erfindung in ein photosynthetisches System wirken diese als Kupplungsmittel, die die photolytische Reaktion unter Bildung hochenergetischer Elektronen und die reduktive Reaktion, bei der die hochenergetischen Elektronen zur Synthese von Produkten, typischerweise Wasserstoff oder Ammoniak, verwendet werden, miteinander verknüpfen. Die Verbindungen übertragen die Energie von einer Reaktion auf die andere und behalten während des Prozesses ihre strukturelle und chemische Beschaffenheit. Im reduzierten Zustand sind sie im wesentlichen stabil und unterliegen nicht im wesentlichen Umfang degradativen Nebenreaktionen. Diese Eigenschaft erlaubt die Kopplung der photolytischen und reduktiven Reaktionen ohne nennenswerten Energieverlust und ermöglicht die wirksame Übertragung von Energie. Ferner können die Verbindungen der Erfindung als Kupplungsmittel mehrfachen Redoxreaktionen unterzogen werden. Trotz wiederholter Oxidation und Reduktion kommt es zu keiner wesentlichen Änderung der chemischen Natur der Verbindungen. Sie können an einer Vielzahl von Redoxvorgängen beteiligt sein, ohne daß es zu Ausfällen oder Abbauerscheinungen kommt. Infolgedessen sind bei einem funktionsfähigen photosynthetischen System zur Durchführung von Elektronenübertragungen keine großen Mengen in Verbindungen der Erfindung erforderlich.

Die elektronenübertragenden Eigenschaften der Verbindungen der Erfindung werden durch eine Kombination von chemischen Strukturmerkmalen erreicht. Der Pyrazinkern muß monoquaternisiert sein, und es muß ein polarer Substituent vorhanden sein, der in einer solchen Form vorliegen kann, daß er labile Wasserstoffatome bereitstellen und Wasserstoff binden kann. Im allgemeinen enthält dieser Substituent Hydroxyl-, Carboxy-, Carboxiamido- oder Sulfonoxygruppen, die den polaren, protonenspendenden, wasserstoffbindenden Charakter bewirken. Von Substituentengruppen, wie Ethergruppen, Ketogruppen, substituierten Amidgruppen und Alkylsulfongruppen hat es sich jedoch herausgestellt, daß sie in besonderen Fällen keine Trägeraktivität hervorrufen. Ein bevorzugter Substituent ist eine Alkylseitenkette, die mit einem oder mehreren polaren Gruppen, wie Hydroxyl, Carboxy, Carboxamid und/oder Sulfonoxy substituiert ist. Die Seitenkette befindet sich in der 3-Position in Bezug zum quaternisierten Stickstoff. Im allgemeinen hängt. die Länge der Alkylseitenkette von der Anzahl und der Art der vorhandenen polaren Gruppen ab. Handelt es sich bei der polaren Gruppe um Sulfonoxy oder um Mehrfachkombinationen von Hydroxyl-, Carboxy-, Carboxyamid- oder Sulfonoxygruppen, kann die Kettengröße bis zu 14 Kohlenstoffatomen betragen. Ansonsten kann die Kettengröße bis zu 11 Kohlenstoffatomen betragen.

Die vorgenannten Bedingungen werden durch die Verbindungen der Formel I erfüllt.

Die Synthese der Pyraziniumverbindungen der Formel I beruht allgemein auf chemischen Umwandlungen, die für substitiuierte Pyrazine und organische funktionelle Gruppen bekannt sind. Eine Kombination derartiger Umwandlungsverfahren führt zu Verfahren zur Herstellung der Pyraziniumverbindungen der Erfindung. Dabei bedient man sich im allgemeinen der nucleophilen Substitution von 2-Chlor- oder -Brompyrazinen und der Addition daran sowie eine basenkatalysierten Kondensation von 2-Alkylpyrazinen mit Ketonen, Aldehyden, Estern, Sulfonen oder Sulfonsäureestern. Multifunktionelle Seitenketten können aus substituierten Pyrazinzwischenprodukten mit einer entsprechend am Substituenten positionierten Synthongruppe synthetisiert werden. Diese Verfahren werden durch die folgende Beschreibung und Reaktionsschemata erläutert.

Die Verfahren lassen sich in 2 Phasen einteilen: Synthese von Pyrazinverbindungen mit polaren Substituenten und Monoquaternisierung des Pyrazinkerns unter Bildung der Pyraziniumverbindungen. Demzufolge wird der Ausdruck "Pyrazinverbindungen" nachstehend zur Bezeichnung der unquaternisierten Form der Pyraziniumverbindungen der Erfindung verwendet.

Die allgemeinen Verfahren zur Synthese der Pyrazinverbindungen sowie spezielle Verfahren zur Synthese von funktionell substituierten Pyrazinverbindungen und die Verfahren zur Quaternisierung werden durch die Reaktionsschemata A bis N erläutert. Die Schemata A bis D erläutern die Synthese von substituierten Pyrazin-Zwischenproduktsynthons, auf der die allgemeine Synthese beruht, sowie die allgemeine Synthese von monofunktionell substituierten Pyrazinverbindungen. Die Schemata E bis J erläutern die allgemeine Synthese von Pyrazinverbindungen mit multifunktionellen Seitenketten aus den Zwischenproduktsynthons. Die Schemata K bis M erläutern spezielle Verfahren für die Synthese von Pyrazinverbindungen. Das Schema N erläutert das Verfahren für die Monoquaternisierung von Pyrazinverbindungen unter Bildung der Pyraziniumverbindungen der Erfindung. In diesen Schemata und in der folgenden Erörterung wird der Pyrazinkern mit einer Alkylseitenkette, der die Formel

aufweist, mit "Het" bezeichnet.

Das Schema A erläutert ein Verfahren zur Synthese des als Zwischenprodukt dienenden Aldehyds 4, der ein geeignetes Synthon zur Herstellung der als vorletzten Pyrazinzwischenprodukte dienenden Verbindung ist. Das Carbonylkohlenstoffatom vom Aldehyd 4 stellt eine bifunktionelle Stelle dar, die zur Bindung von mehrfachfunktionellen Gruppen an den Het- Kern dienen kann. Das Schema A erläutert auch Verfahren zur Synthese von monofunktionalisierten Pyrazinverbindungen, wie des Sulfonsäuresalzes 6, der Carbonsäure 5 und des Esters 7. Die Verbindungen 5, 6 und 7 können ebenso nach den Verfahren der Schemata K bis M synthetisiert werden.

Im allgemeinen ist festzustellen, daß viele der Pyrazinverbindungen mit Sulfonatresten oder Carboxylatresten substituiert sind. Diese Verbindungen lassen sich als Salze, wie Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsulfonate und -carboxylate oder als Säuren, wie Sulfonsäuren, herstellen. Sie können jedoch auch als einfache Alkylester hergestellt werden. Die Salze, Säuren und Ester sind nach bekannten Verfahren ineinander überführbar, beispielsweise durch Veresterung mit Diazoalkan, Neutralisation der Säure mit Alkalien, direkte Herstellung der Salze oder Umwandlung der Salze in die Säuren. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird die Salzform, nachstehend mit E bezeichnet, erörtert.

Gemäß Schema A wird der Aldehyd 4 aus dem Halogen- (Chlor oder Brom)-pyrazin 1, das mit den Gruppen R², R⁴ und R⁵ gemäß den Definitionen für die Formel I substituiert ist, hergestellt. Das Halogenpyrazin 1 wird zunächst mit dem geschützten Hydroxyalkyl-Grignard-Reagens I gemäß Reaktion A1 kondensiert. Bei der Schutzgruppe R⁶ von Reagens I handelt es sich um eine Alkoholschutzgruppe, z. B. eine Tetrahydropyranylgruppe (THP), eine Trialkylsilylgruppe R₃Si, z. B. eine Trimethylsilyl- oder tert.-Butyldimethylsilylgruppe, oder ähnliche bekannte Hydroxylschutzgruppen, die gegenüber Carbanionen stabil sind. Die Reaktion wird in einem aprotischen, trockenen organischen Lösungsmittel z. B. einem Ether- oder Kohlenwasserstofflösungsmittel, in der Kälte oder bei milden Temperaturen durchgeführt, wodurch man die geschützte Hydroxyl-Het-Verbindung 2 erhält. Gemäß Reaktion A2 von Schema A führt die Behandlung der Verbindung 2 mit dem entsprechenden Reagens unter Entfernung der Schutzgruppe zum Alkohol 3, z. B. THP-Entfernung durch eine kalte, schwache wäßrige Säure, wie verdünnte wäßrige Essigsäure, oder R₃Si- Entfernung durch Tetra-n-butylammoniumfluorid in einem polaren organischen Lösungsmittel unter milden bis heftigen Bedingungen oder durch mäßige Behandlung mit alkoholischer Mineralsäure. Neben einem Zwischenprodukt stellt der Alkohol 3 auch eine Pyrazinverbindung (X bedeutet Hydroxy und Y Wasserstoff) dar.

Wie in Reaktion A3 gezeigt, kann der Alkohol 3 durch mäßige Oxidation in das Aldehydsynthon 4 übergeführt werden, z. B. durch kalte Jones-Oxidation mit Chromtrioxid unter sauren Bedingungen in Aceton oder einem ähnlichen Lösungsmittel in der Kälte oder durch eine Corey-Chromtrioxid-Pyridiniumkomplex- Oxidation in Methylenchlorid oder einem ähnlichen Lösungsmittel bei Eisbadtemperaturen oder in der Kälte. Wie in Reaktion A4 gezeigt, kann der Alkohol auch in eine Pyrazincarbonsäureverbindung 5 übergeführt werden, indem man eine heftige Oxidation mit Chromtrioxid unter sauren Bedingungen oder eine Permanganatoxidation durchführt. Ferner können beliebige weitere bekannte Verfahren zur Herstellung von Aldehyden und Säuren aus Alkoholen herangezogen werden; vgl. z. B. "Reagents for Organic Synthesis", L. F. und M. Fieser, Wiley Interscience, New York.

Die Säure 5 kann ihrerseits gemäß Reaktions A6 nach bekannten Verfahren, beispielsweise durch Behandlung mit Diazoalkan oder mit Alkanol und Chlorwasserstoff unter Bildung des Alkylesterpyrazins 7 verestert werden.

Das Sulfonsalzpyrazin 6 wird gemäß Reaktion A5 aus dem Alkohol 3 durch nucleophile Substitution der funktionalisierten Hydroxylgruppe mit Sulfitionen gebildet. Um die Substitution zu erleichtern, kann der Alkohol 3 in ein Bromid übergeführt und mit Natriumsulfit in einem polaren aprotischen Lösungsmittel behandelt werden. Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung des Sulfonsalzes 6 besteht in der Umwandlung des Alkohols 3 in ein Tosylat durch Umsetzung mit p-Toluolsulfonylchlorid (Tosylchlorid oder TsCl) in einem wasserfreien Lösungsmittels, wie einem etherischen Lösungsmittel, Chloroform, Methylenchlorid oder Dimethylformamid, und in Gegenwart einer abfangend wirkenden Menge an Pyridin, wobei anschließend die Substitution des Tosylats durch Sulfit erfolgt. Typische Reaktionsbedingungen bestehen in der Verwendung eines polaren Lösungsmittels, wie Wasser oder Alkohol, unter Anwendung von mäßigen Reaktionstemperaturen. Obgleich die Sulfonsäure durch Behandlung des erhaltenen Salzes mit einer Mineralsäure erhalten werden kann, wird die Sulfonverbindung typischer in Salzform, beispielsweise als Natriumsulfonat, isoliert. Das Salz wird direkt durch die Sulfitsubstitution des Tosylats gebildet. Verfahren für diese Umwandlungsreaktionen sind bekannt.

Die Schemata B, C und D erläutern eine Reihe von chemischen Umsetzungen, die wiederholt bei den in Schematat E bis J wiedergegebenen Pyrazinsynthesen verwendet werden. Um die Erläuterungen zu straffen, werden diese Stufen separat als Schemata B, C und D erörtert. Wie sich aus den folgenden Ausführungen ergibt, werden die Stufen der Schemata B, C und D und auch einige Stufen von Schema A zur Herstellung von Pyrazinverbindungen aus dem Aldehyd 4, d. h. die Verbindung der Formel II HetCOR′, wobei R′ Wasserstoff bedeutet, oder aus einem funktionalisierten Ketonderivat der Verbindung der Formel II HetCOR′, wobei R′ eine gemäß den vorstehenden Syntheseschritten hergestellte und definierte Gruppe bedeutet, verwendet. "HetCOR′" wird nachstehend als Aldehyd/ Keton II bezeichnet.

Das Schema B erläutert eine Reaktionsfolge, die zur Herstellung von Zwischenprodukten zum Erhalt von mit einer Sulfonsäuregruppe substituierten Pyrazinverbindungen verwendet werden können. Wie in Reaktion B1 dieser Reaktionsfolge gezeigt, kann der Aldehyd/Keton II in einem wasserfreien etherischen Lösungsmittel unter milden bis kühlen Temperaturbedingungen mit dem geschützten Hydroxyalkyl-Grignard-Reagens der Formel III, ZMg(CH₂)_kOR⁷, wobei Z Chlor oder Brom bedeutet, k den Wert 2 oder 3 und R⁷ eine Grignard-stabile Hydroxylschutzgruppe, wie THP oder SiR₃, bedeutet, unter Bildung des Alkohols 8 umgesetzt werden. Wenn R′ des Alkohols 8 Wasserstoff bedeutet, kann dieser gemäß Reaktion B2 nach bekannten Verfahren, z. B. durch Behandlung mit Oxidationsmitteln, wie Chromtrioxid oder Permanganat, zum Keton 9 oxidiert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Alkohol 8 gemäß Reaktion B3 durch Behandlung mit TsCl, wie vorstehend beschrieben (Reaktion A5), in das entsprechende Tosylat 10 überzuführen.

Gemäß dem zweiten Teil der Reaktionsfolge von Schema B werden Pyrazinverbindungen mit einer Sulfonsäuregruppe, die einen Methylenrest von der bifunktionellen Stelle entfernt ist, unter Verwendung von Methylsulfonylsäuremethylester hergestellt. Wie in Reaktion B4 gezeigt, kann der Aldehyd/Keton II mit dem Carbanion von Methylsulfonsäuremethylester in einem wasserfreien, aprotischen, organischen Lösungsmittel, wie einem Etherlösungsmittel, oder in einem Überschuß des Esters selbst kondensiert werden, wonach das in situ gebildete Alkoxid mit Trialkylsilylchlorid abgefangen wird. - Man erhält das Silylsulfonat 11. Wenn R′ in der Verbindung 11, wie in Reaktion B5 dargestellt, Wasserstoff bedeutet, kann die Silylgruppe mit wäßrigem Tetra-n-butylammoniumfluorid unter anschließender Oxidation des erhaltenen Alkohols nach üblichen Verfahren zur Oxidation von Alkoholen zu Ketonen (vgl. L. F. Fieser, a. a. O.) unter Bildung des Ketosulfonats 12 abgespalten werden.

Wie im dritten Teil des Schemas B gezeigt, bedient sich eine ähnliche Reaktionsfolge einer Wittig-Reaktion. Der Aldehyd/ Keton II kann in einer Wittig-Reaktion mit dem Sulfonatylid IV in einem etherischen Lösungsmittel unter mäßigen Bedingungen umgesetzt werden, wobei das Olefinsulfonat 13 entsteht. Die Wittig-Reaktion ist an sich bekannt.

Wie im vierten Teil des Schemas B gezeigt, kann gemäß Reaktion B7 das Tosylat 10 mit einem Alkalimetallborhydrid, z. B. Natriumborhydrid, in einem polaren Lösungsmittel unter milden bis mäßigen Bedingungen reduziert werden, wobei der Tosylatrest durch ein Hybrid ersetzt wird. Auf diese Weise entsteht die Pyrazinverbindung 10-B. Diese Tosylatreduktion sowie andere wertvolle Hydroxylumwandlungen sind in "Compendium of Organic Synthetic Method", I. Harrison, S. Harrison, Wiley-Interscience, New York, 1981, erläutert.

Das Schema C beschreibt eine Reaktionsfolge, die zur Herstellung eines olefinischen Zwischenprodukts, das zu durch eine Hydroxyalkylgruppe substituierten Pyranzinverbindungen führt, verwendet werden kann. Wie in Reaktion C1 gezeigt, wird der Aldehyd/Keton II mit Vinyllithium oder Alkyl-Grignard- Reagens V unter Bildung des Olefinalkohols 14 umgesetzt. Üblicherweise wird diese bekannte Umwandlung in einem trockenen etherischen Lösungsmittel unter milden bis mäßigen Temperaturbedingungen durchgeführt. Der Olefinalkohol 14 kann dann, wie nachstehend erläutert, in das Olefinketon 15, Olefintosylat 16 oder Acetalketon 17 übergeführt werden. Wenn im Alkohol 14 R′ Wasserstoff bedeutet, wie in Reaktion C2 dargestellt, führt die Oxidation des Alkohols 14 nach den obigen Verfahren zur Bildung des Ketons 15. Wie durch Reaktion C3 erläutert, ergibt die Behandlung des Alkohols 14 mit Tosylchlorid unter den obigen Bedingungen das Tosylat 16.

Wie Reaktion C4 zeigt, wird die Olefingruppe des Ketons 15 durch milde Oxidation mit kaltem Osmiumtetroxid oder kaltem Kaliumpermanganat in einem polaren Lösungsmittel in eine Diolgruppe übergeführt. Es können auch beliebige andere bekannte Verfahren zur Herstellung von Diolen aus Olefinen angewandt werden; vgl. z. B. "Advanced Organic Chemistry", 2. Auflage, J. March, McGraw-Hill, 1976. Durch Behandlung des Diols mit einem Keton, wie Aceton oder Methylethylketon in einem angesäuerten, organischen, polaren Lösungsmittel erhält man das Acetalketon 17.

Das Schema D beschreibt eine Reaktionsfolge zur Herstellung eines geschützten Alkylcarbonsäure-Zwischenprodukts, das zu durch eine (Carboxy)-alkylgruppe substituierten Pyrazinverbindungen führt. Wie Reaktion D1 zeigt, kann der Aldehyd/ Keton II mit einem geschützten Carboxy-Grignard-Reagens VI in einem etherischen Lösungsmittel unter milden Bedingungen, wie vorstehend erläutert, umgesetzt werden, wodurch man nach Hydrolyse die geschützte Carboxyverbindung 18 erhält. Beliebige Carboxylschutzgruppen, die unter Grignard- Bedingungen stabil sind, können im Reagens VI vorliegen. Die im Schema D aufgeführte Oxazidingruppe stellt ein Beispiel hierfür dar. Sie ist gegenüber Grignard-Reagentien und gegenüber der Oxidation stabil, kann aber beispielsweise mit ethanolischem HCl entfernt werden; vgl. z. B. "Compendium of Organic Synthetic Methods", I. Harrison, S. Harrison, Wiley- Interscience, New York, 1971.

Wie Reaktion D2 zeigt, kann die Hydroxylgruppe der Verbindung 18 durch Reduktion des aus der Hydroxylgruppe gebildeten Tosylats mit Borhydrid in ein Hydrid übergeführt werden. Die Verbindung 18 wird zunächst mit Alkohol und Säure behandelt, um die Carboxylschutzgruppe zu entfernen und einen Hydroxyester zu bilden. Die Hydroxylgruppe des erhaltenen ω-Esters wird unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen tosyliert, anschließend wird die Tosylatgruppe mit Natriumborhydrid oder einem ähnlichen Borhydrid in einem polaren Lösungsmittel unter milden bis mäßigen Bedingungen unter Bildung des Esters 19 reduziert. Wenn R′ von Verbindung 18 Wasserstoff bedeutet, wie in Reaktion D3 gezeigt, kann die Hydroxylgruppe der Verbindung 18 nach beliebigen der vorerwähnten, bekannten Verfahren zur Oxidation von Hydroxylgruppen zu einer Ketogruppe oxidiert werden. Man erhält das Keton 20.

Multifunktionelle Pyrazinverbindungen der Erfindung lassen sich gemäß den Schemata E bis J herstellen. Die in diesen Schemata dargestellten einzelnen Stufen sind allgemein bekannt. Diese Schemata variieren je nach der Definition des Substituenten X.

Das Schema E erläutert die Synthese von multifunktionellen Pyrazinverbindungen mit X als Hydroxylgruppe. In diesem Schema wird, wie in den Reaktionen E1 und E2 gezeigt, das Hydroxylsulfonsäurepyrazin 22 aus dem Silylsulfonsäuresalz- Zwischenprodukt 21 und dem Sulfonat 11 gebildet. Das Salz 21 wird seinerseits aus dem Alkohol 8 gemäß Reaktion B1 hergestellt. Die freie Hydroxylgruppe des Alkohols 8 wird zunächst gemäß den vorstehenden Ausführungen unter Verwendung von Trialkylsilylchlorid mit einer Trialkylsilyloxygruppe geschützt. Anschließend wird die THP-Gruppe selektiv mit kalter, schwacher wäßriger Säure unter Bildung eines Silyloxyalkohols (nicht dargestellt) gespalten. Dieser Alkohol kann sodann durch das vorstehend im Schema A (Reaktion A5) beschriebene Bromid- oder Tosylatverfahren in das Silylsulfonsäuresalz 21 übergeführt werden. Durch Entfernung der Silylhydroxyschutzgruppe des Sulfonsäuresalzes 21 und der Verbindung 11 nach den vorstehend im Schema A (Reaktion A2) beschriebenen Verfahren und durch anschließende Hydrolyse der Estergruppe von 11 erhält man das Pyrazinhydroxysulfonsäuresalz 22.

Wie in Reaktion E3 gezeigt, kann der Olefinalkohol 14 durch Olefinoxidation in das Trihydroxypyrazin 23 übergeführt werden. Der Alkohol 14 wird, wie in Schema C (Reaktion C4) erläutert, unter Bildung der Verbindung 23 mit einem Olefinoxidationsmittel behandelt.

Schließlich kann, wie in Reaktion E4 gezeigt, der Aldehyd 4 von Schema A mit einem Alkyl-Grignard-Reagens mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen unter den für Grignard-Reaktionen üblichen Bedingungen umgesetzt werden, wodurch man ein sekundäres Hydroxypyrazin 24 erhält.

Das Schema F erläutert die Synthese von multifunktionellen Pyrazinverbindungen mit X als Carboxylgruppe. Wie in den den Reaktionen F1, F2, F3 und F4 gezeigt, wird das Carboxylat 26 aus einem Cyanidzwischenprodukt 25a, 25b und 25c gebildet. Das Tosylat 10 von Reaktion B3 wird mit Cyanid in einem polaren organischen Lösungsmittel unter milden bis drastischen Bedingungen zum Cyanid 25a umgesetzt. In ähnlicher Weise kann das Olefinsulfonat 13 von Reaktionen B6 mit Cyanid in einem polaren organischen Lösungsmittel unter Bildung des Cyanids 25b umgesetzt werden. Das Cyanid 25a kann seinerseits, wie in Reaktion F3 gezeigt, durch die Tosylat-Sulfonat-Umwandlung, die gemäß den Angaben für die Reaktionen A2 und A5 durchgeführt wird, und anschließende Nitrilhydrolyse in einer wäßrigen starken Säure gegebenenfalls in Gegenwart eines Alkohols und unter Erwärmen in das entsprechende Carboxylsulfonloxypyrazin 26 übergeführt werden. Das Cyanid 25b wird auf ähnliche Weise durch Hydrolyse der Nitrilgruppe zum entsprechenden Carboxylsulfonyloxypyrazin 26 umgesetzt.

Die Reaktionen F5 und F6 erläutern die Herstellung des Dihydroxycarboxypyrazins 28. Das olefinische Keton 15 aus Reaktion C2 wird mit dem Dibromylidreagens VII unter anschließender Reaktion des erhaltenen Dibromolefins mit einem Alkoxid, wie Natriummethoxid in Methanol, unter Bildung des entsprechenden Alkylvinylethers (nicht dargestellt) behandelt. Diese Verbindung wird mit angesäuertem Alkohol unter Bildung der Olefincarbonsäure 27 behandelt. Die Säure 27 wird sodann mit einem Olefinoxidationsmittel unter den für Reaktion C4 beschriebenen Bedingungen zum Pyrazin 18 oxidiert.

Die Reaktion F7 zeigt die Herstellung des Alkylcarboxypyrazins 29. Durch Behandlung des Aldehyds 4 mit einem Alkyl- Grignard-Reagens mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, Umwandlung des erhaltenen Alkylalkohols in ein Tosylat unter den für Reaktion A5 beschriebenen Bedingungen, nucleophile Substitution der Tosylgruppe durch Cyanid und anschließende Hydrolyse unter den für Reaktion F3 beschriebenen Bedingungen erhält man das Pyrazin 29.

Das Schema G erläutert die Synthese von multifunktionellen Pyrazinen mit X als Sulfonoxygruppe. Die Reaktionen G1 und G2 zeigen die Herstellung von Disulfonsäurepyrazinen 31 aus dem Alkohol 8 und dem Sulfonat 13. Diese Reaktionen folgen den für Reaktion A5 beschriebenen Verfahren. Eine Dibromverbindung oder ein Ditosylat kann als Zwischenprodukt verwendet werden. Der Alkohol 8 aus Reaktion B1 wird zunächst hydrolysiert (Reaktion G1, Reaktionsbedingungen wie für Reaktion A2), um die Alkoholschutzgruppe zu entfernen. Die erhaltene Dihydroxyverbindung (nicht dargestellt) wird unter Bildung des Ditosylats 30 einer Ditosylierung unterzogen. Das Ditosylat 30 und das andere Zwischenprodukt, nämlich das Olefinsulfonat 13 aus Reaktion B6, können sodann mit Sulfitanionen gemäß Reaktion G2 unter Bildung des Pyrazins 31 umgesetzt werden.

Die Reaktionen G3 und G4 zeigen die Herstellung des Dihydroxysulfonatpyrazins 33. Das Tosylat 16 (R′ bedeutet Wasserstoff) aus Reaktion C3 wird zunächst mit Sulfitanionen gemäß Reaktion A5 unter Bildung der Olefinsulfonsäure 32 umgesetzt, die dann gemäß Reaktion C4 unter Bildung des Pyrazins 33 mit einem Olefinoxidationsmittel oxidiert wird.

Schließlich wird gemäß Reaktion G5 das Alkylsulfonsäurepyrazin 34 durch Umsetzung des Aldehyds 4 mit einem Alkyl (R⁹)- Grignard-Reagens und anschließende Tosylat-Sulfonat-Umwandlung des erhaltenen Alkohols gemäß Reaktion A5 hergestellt.

Das Schema H erläutert die Synthese von multifunktionellen Pyrazinverbingungen mit X als (Sulfonoxy)-alkylrest mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen. Die Reaktionen H1 bis H3 zeigen die Herstellung der Bis-(sulfonoxy)-alkylpyrazine 36 und 37. Der Ester 7 aus Reaktion A6 wird mit 2 Äquivalenten Grignard- Reagens III, in dem R⁷ die Bedeutung R₃Si hat, behandelt (Bedingungen von Reaktion B1). Sodann folgt die Tosylierung des erhaltenen Alkohols (Bedingungen gemäß Reaktion A5) und die Borhydridreduktion des erhaltenen Tosylats (Bedingungen gemäß Reaktion B7) unter Bildung des Zwischenprodukts 35. Die Silylalkohol-Schutzgruppen dieses Zwischenprodukts werden entfernt (Bedingungen gemäß Reaktion A2). Durch Tosylat- Sulfonat-Umwandlung des erhaltenen Diols (Bedingungen gemäß Reaktion A5) erhält man das Bis-(sulfonoxy)-alkylpyrazin 36. Die Pyrazinverbindung 37 wird aus dem Olefinsulfonat 13 (R′ bedeutet H) durch Kondensation mit dem Carbanion von Methylsulfonsäuremethylester (Bedingungen gemäß Reaktion B4) gebildet. Anschließend erfolgen die Protonierung und Hydrolyse der Estergruppe. Eine andere Möglichkeit zur Herstellung der Verbindung 37 besteht in der aufeinanderfolgenden Kondensation des Aldehyds 4 mit 2 Äquivalenten des Carbanions von Methylsulfonsäuremethylester. Nach Zugabe des ersten Äquivalents wird die erhaltene Hydroxyverbindung in situ durch Behandlung mit einer Säure dehydratisiert. Die erhaltene Verbindung 13 wird in situ mit dem zweiten Äquivalent kondensiert.

Die Reaktionen H4 bis H9 zeigen die Herstellung der Dihydroxy- (sulfonoxy)-alkylpyrazine 41 und 43. Das Olefinketon 15 aus Reaktion C2 wird unter Anwendung der Reaktionen B1, B2 und B3 von Schema B in das Tosylat 38 übergeführt. Beim Keton 15 handelt es sich um den Aldehyd/Keton II von Reaktion B1. Das Tosylat 38 wird mit einem Alkalimetallborhydrid (Reaktion H5, Bedingungen von Reaktion B7) unter Bildung des Silylolefins 39 reduziert. Das Olefin 39 wird durch Spaltung der Silylgruppe (Bedingungen von Reaktion A2) und durch Tosylat-Sulfonat- Umwandlung (Bedingungen von Reaktion A5) in das Olefinsulfonat 40 (Reaktion H6) übergeführt. Das Sulfonat 40 wird sodann unter Bildung des entsprechenden Dihydroxy- (sulfonoxy)-alkylpyrazins 41 oxidiert (Reaktion H7), indem man es mit einem Olefinoxidationsmittel behandelt (Bedingungen von Reaktion C4).

Das Acetalketon 17 stellt das Ausgangsmaterial in den Reaktionen H8 und H9 zur Herstellung des Dihydroxy-(sulfonoxy)- alkylpyrazins 43 dar. Das Keton 17 wird als Aldehyd/Keton II im Schema B Reaktion B6 zur Bildung des Olefinsulfonats 42 verwendet. Durch katalytische Reduktion der Verbindung 42 unter leichtem Wasserstoffdruck unter Verwendung eines Rhodiumchlorid-, Platinchlorid-, Rutheniumchlorid- oder Palladiumchlorid- Katalysators und eines unpolaren Lösungsmittels, wie Benzol oder Hexan und anschließende saure Hydrolyse der Acetalgruppe erhält man die Pyrazinverbindung 43.

Die Reaktionen H10 bis H14 erläutern die Synthese des Alkyl- (sulfonoxy)-alkylpyrazins 46. Der Aldehyd 4 wird durch eine Alkyl-(R⁹)-Grignard-Reaktion und Oxidation des erhaltenen Alkohols (Bedingungen von Reaktionen E4 und A3) in das Keton 44 (Reaktion H10) übergeführt. Das Keton 44 wird unter Anwendung der Reaktionsfolge des Schemas B in das Tosylat 45a oder Olefinsulfonat 45b übergeführt, wobei das Keton 44 als Aldehyd/Keton II in den Reaktionen B1 und B6 eingesetzt wird. Das Tosylat 45a wird sodann in die entsprechende Pyrazinverbindung 46 übergeführt (Reaktion H13) und zwar durch Alkalimetallborhydridreduktion des Tosylats, Abspaltung der Silylschutzgruppe und Tosylat-Sulfonat-Umwandlung unter den Bedingungen der Reaktionen B7, A2 und A5. Das Tosylat 45b wird auch durch katalytische Hydrierung und Hydrolyse, wie für Reaktion H9 beschrieben, in das entsprechende Pyrazin 46 übergeführt (Reaktion H14).

Das Schema I erläutert die Herstellung von multifunktionellen Pyrazinverbindungen mit X als Dihydroxyalkylrest mit 2 oder 3 Kohlenstoffatomen. Die Reaktionen I1 und I2 zeigen die Bildung des Bis-(dihydroxyalkyl)-pyrazins 48. Das Olefinketon 15 von Reaktion C2 wird gemäß Schema C (Reaktionen C1 und C3) in das Olefintosylat 47 übergeführt, wobei in Reaktion C1 das Keton 15 als Aldehyd/Keton II eingesetzt wird. Durch Alkalimetallborhydridreduktion des Tosylats 47 (Bedingungen von Reaktion B7) und Olefinoxidation zu Dihydroxygruppen (Bedingungen von Reaktion C4) erhält man das Pyrazin 48 (Reaktion I2).

Die Reaktionen I3 bis I8 erläutern die Herstellung von (Sulfonoxy)- alkyl-dihydroxyalkylpyrazinen 51 und 53. Das Olefinketon 15 wird gemäß Schema B (Reaktionen B1 und B2) in das Tosylat 49 übergeführt (Reaktion I3), wobei das Keton 15 als Aldehyd/Keton II verwendet wird. Das Tosylat 49 wird sodann durch Alkalimetallborhydridreduktion (Bedingungen von Reaktion B7) und anschließende Silylgruppenabspaltung (Bedingungen von Reaktion A2) und Tosylat-Sulfonat-Umwandlung (Bedingungen von Reaktion A5) in das Olefinsulfonat 50-(Reaktion I4) übergeführt. Das Sulfonat 50 wird sodann mit einem Olefinoxidationsmittel (Reaktion I5, Bedingungen von Reaktion C4) zum Pyrazin 51 oxidiert. Das Acetalketon 17 kann in das Pyrazin 53 übergeführt werden, indem man es im Schema B (Bedingungen von Reaktion B6) als Aldehyd/Keton II verwendet und zum Olefinsulfonat 52 umsetzt, das dann katalytisch hydriert und hydrolysiert wird (Reaktion I7, Bedingungen von Reaktion H9).

Die Reaktion I8 erläutert die Herstellung des Alkyl-dihydroxyalkyl- pyrazins 54. Durch Alkyl (R⁹)-Grignard-Reaktion mit dem Olefinketon 15, anschließende Tosylatbildung, Tosylatreaktion mit Borhydrid und Olefinoxidation (Bedingungen von Reaktionen A5, B7 und C4) erhält man das Pyrazin 54.

Das Schema J zeigt die Herstellung von Pyrazinen mit X als (Carboxy)-alkylrest mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen. Die Reaktionen J1 bis J5 erläutern die Herstellung der (Sulfonoxy)- alkyl-(carboxy)-alkyl-pyrazine 58 und 60. In den Reaktionen J1 und J2 wird geschütztes Carboxyketon 20 als Aldehyd/Keton II in Schema B (Reaktion B1) verwendet. Der erhaltene Alkohol 56 wird in den Methylester übergeführt und als Alkohol 8 im Schema B (Tosylatreduktion, Reaktionen B3 und B7) unter Bildung des Methylesters 57 verwendet. Der Ester 57 wird sodann durch Silylgruppenabspaltung (Bedingungen von Reaktion A2) und Tosylat-Sulfonat-Umwandlung (Bedingungen von Reaktion A5) in das Pyrazin 58 übergeführt. Sulfonat- und Carboxylatestergruppen können durch basische Hydrolyse in die Salze übergeführt werden.

Auf ähnliche Weise (Reaktionen J4 und J5) wird das Keton 20 in das Pyrazin 60 übergeführt, wobei es als Aldehyd/Keton II im Schema B (Reaktion B6) unter Bildung der Olefinsulfonsäure 59 verwendet wird. Diese Verbindung wird sodann hydrolysiert und katalytisch hydriert (Bedingungen von Reaktion H9). Man erhält die Verbindung 60. Die Estergruppe kann durch basische Hydrolyse in die Salzform übergeführt werden. Die Reaktionen J6 und J7 erläutern die Herstellung des Dihydroxyalkyl- (carboxy)-alkylpyrazins 62. Geschütztes Carboxyketon 20 wird als Keton II im Schema C (Reaktion C1) zur Bildung des Olefinalkohols 61 verwendet, der dann durch saure Hydrolyse von Schutzgruppen befreit, tosyliert, mit Alkalimetallborhydrid reduziert (Bedingungen von Reaktionen C3 und C5) und mit einem Olefinoxidationsmittel (Bedingungen von Reaktion C4) oxidiert wird. Man erhält das Pyrazin 62.

Die Reaktion J8 erläutert die Herstellung des Alkyl-(carboxy)- alkylpyrazins 63. Das geschützte Carboxyketon 20 wird mit einem Alkyl (R⁹)-Grignard-Reagens umgesetzt, durch saure Hydrolyse von Schutzgruppen befreit, tosyliert und mit Alkalimetallborhydrid (Bedingungen von Reaktionen C3 und C5) reduziert. Man erhält das Pyrazin 63.

Spezielle Synthesen von Pyrazinen, die auf dem Anionen stabilisierenden Charakter des Pyrazinkerns beruhen, sind in den Schemata K bis M erläutert. In diesen Schemata und der folgenden Erörterung ist der trisubstituierte Pyrazinkern der Erfindung mit "Pyr" bezeichnet.

Das Schema K beschreibt die Herstellung von einigen Pyrazinen mit Sulfonsäureresten als Substituenten durch nucleophile Reaktionen. Durch Substitution eines Bromethylpyrazins mit Mercaptidanionen in einem polaren Lösungsmittel und anschließende Oxidation mit einem Oxidationsmittel, wie saurem Chromtrioxid oder Permanganat erhält man die Pyrazinylmethylsulfonsäure 64 (Reaktion K1). Die direkte Bildung der gleichartigen Säure 1-(Pyrazin-2-yl)-alkylsulfonsäure 65 erhält man durch nucleophile Substitution des 2-(1-Brom- oder Jodalkyl)- pyrazins mit 1 bis 7 Kohlenstoffatomen im Alkylrest mit Sulfitanionen in einem polaren Lösungsmittel unter anschließender Aufarbeitung unter sauren Bedingungen (Reaktion K2).

Die Pyrazinstabilisierung eines in situ gebildeten Carbanions wird in Reaktion K3 zur Bildung von 2-(Pyrazinyl)-ethansulfonsäure oder 2-(Pyrazinyl)-1-(alkyl)-ethylsulfonsäure 66 durch Kondensation von 2-(1-Alkenyl)-pyrazin mit Sulfitanionen in einem polaren Lösungsmittel unter anschließender Aufarbeitung unter sauren Bedingungen ausgenützt.

Die Kondensation eines cyclischen Sultons mit 3 bis 6 Methylenresten mit Pyrazinylmethylnatrium, das in situ aus Methylpyrazin und Natriumamid in Ammoniak gebildet wird, liefert die ω-(Pyrazinyl)-alkylsulfonsäure 67 mit 3 bis 6 Kohlenstoffatomen im Alkylrest (Reaktion K4).

Schließlich ergibt die nucelophile Substitution am Pyrazinkern von Chlor- oder Brompyrazin unter Verwendung von Sulfitanionen in Wasser nach Aufarbeitung unter sauren Bedingungen die Pyrazinsulfonsäure 68 (Reaktions K5).

Das Schema L erläutert die Herstellung von Hydroxyalkylpyrazinen. Dafür können verschiedene Verfahren angewandt werden. Unter den Bedingungen von Reaktion C4 erhält man durch Olefinoxidation von (But-1-en-4-yl)-pyrazin, das durch Kondensation von Alkylbromid und Pyrazinylmethylnatrium gebildet ist, (3,4-Dihydroxybutyl)-pyrazin 69 (Reaktion L1). Durch Kondensation von Methylpyrazin mit Paraformaldehyd erhält man 2-(2-Hydroxyethyl)-pyrazin 70 (Reaktion L2). Durch Kondensation von Methylpyrazin mit einem Alkylaldehyd in einer Base erhält man 2-(2-Alkyl-2-hydroxyethyl)-pyrazin (Reaktion L3). Auf entsprechende Weise ergibt die Kondensation des basisch erzeugten Anions von Methylpyrazin mit einem Ester einer Alkylcarbonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen im Alkylrest das Ketonzwischenprodukt 72, das mit Natriumborhydrid oder einem ähnlichen Hydridreduktionsmittel zum Pyrazin 71 reduziert werden kann (Reaktion L4).

Durch nucleophile Substitution von (1-Bromalkyl)-pyrazin mit Hydroxid erhält man (1-Hydroxyalkyl)-pyrazin 73 (Reaktion L5). Hydroxymethylpyrazin 74 kann aus Methylpyrazin durch Wasserstoffperoxidation und anschließende Behandlung mit einem organischen Säureanhydrid und Hydrolyse mit einer Base erhalten werden (Reaktion L6).

Das Schema M beschreibt eine spezielle Synthese einer Pyrazinylpropionsäure. Methylpyrazinanion wird mit Trichloracetaldehyd kondensiert, anschließend mit einer Base (Hydroxid) behandelt und sodann unter Bildung der 3-(Pyrazinyl)- acrylsäure 75 angesäuert. Diese Säure wird sodann katalytisch über Palladium-auf-Aktivkohle unter Bildung der 3-(2-Pyrazinyl)- propionsäure 76 hydriert.

Das Schema N erläutert die zweite Phase der Gesamtsynthese, nämlich die Monoquaternisierung. Im allgemeinen wird bei Quaternisierung mit einem Alkylrest das entsprechende Alkylbromid oder -jodid mit der entsprechenden Pyrazinverbindung zur Quaternisierung des Pyrazinkerns eingesetzt (Reaktion N1). Ist die Pyrazinverbindung bei R³ monosubstituiert, führt dieses Verfahren zur Quaternisierung des Stickstoffs in der m- Stellung zu R³. Bei anderen Substitutionsmustern wird das zu quaternisierende Stickstoffatom des Pyrazins durch sterische Kontrolle bestimmt. Sind infolgedessen eine Anzahl von Substituenten vorhanden, z. B. R², R³, R⁴ und R⁵, können Gemische entstehen, die durch Säulenchromatographie, Hochdruckchromatographie oder ähnliche Verfahren abgetrennt werden können.

Die Isolierung, Reinigung und Aufarbeitung der Pyrazinzwischenprodukte, Pyrazinverbindungen und Pyraziniumverbindungen der Schemata A bis N kann nach bekannten Verfahren erfolgen. Hierzu gehören die Neutralisation mit entsprechenden Säuren oder Basen, die wäßrig-organische Lösungsmittelextraktion, Verteilungs- und Gelpermeationschromatographie an Säulen, die mit Materialien wie Kieselgel, Polyamid, Polyacrylamid, Ionenaustauscherharzen, vernetzten, gequollenen Dextringelen (Sephadex)®, oder Celite®, gepackt sind, Hochdruckflüssigchromatographie unter Verwendung von beliebigen bekannten stationären Trägern, Kristallisation, Vakuumdestillation oder Sublimation. Ferner wird gegebenenfalls in Abwesenheit oder Gegenwart von Lösungsmitteln gearbeitet.

Schema A

Synthese von Synthon 4 und monofunktionellen Produkten

Schema B

Reaktionfolge zur Herstellung von Zwischenprodukten, die zu Sulfonsäureresten führen

Schema C

Reaktionsfolge zur Herstellung von Zwischenprodukten, die zu Dihydroxyalkylresten mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen führen

Schema D

Reaktionsfolge zur Herstellung von Zwischenprodukten, die zu Carbonsäureresten mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen führen

Schema E

Synthese von Pyrazinverbindungen mit X als Hydroxylgruppe

Schema F

Synthese von Pyrazinverbindungen mit X als Carboxylgruppe

Schema G

Synthese von Pyrazinverbindungen mit X als Sulfonoxygruppe

Schema H

Synthese von Pyrazinverbindungen mit X als (Sulfonoxy)- alkylrest mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen

Schema I

Synthese von Pyrazinverbindungen mit X als Dihydroxyalkylrest mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen

Schema J

Synthese von Pyrazinverbindungen mit X als (Carboxy)- alkylrest mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen

Schema K

Spezifische Synthese von Pyrazinsulfonsäuren

Schema L

Spezielle Synthese von Pyrazinalkoholen

Schema M

Spezifische Synthese von Pyrazincarbonsäuren

Schema N

Synthese von monoquaternisierten Pyraziniumverbindungen

Die Pyraziniumverbindungen der Erfindung sind wervolle Elektronenüberträger in photolytischen Systemen. Sie können "hochenergetische" Elektronen aus einer Photoaktivierungsquelle auf einen Katalysator übertragen, der die energiereichen Elektronen bei einer reduktiven Reaktion mit Wasser oder Stickstoff verwendet. Demgemäß eignen sie sich zur Herstellung von Ammoniak, Wasserstoff und Sauerstoff.

Im allgemeinnen läßt sich feststellen, daß ein ein vitro- photolytisches System von Chloroplasten, einr Pyraziniumverbindung, einem geeigneten Lösungsmittel, wie Wasser, und dem Katalysator Nitrogenase, das in einem geeigneten System zur Isolierung von gasförmigen Produkten enthalten ist, wobei reduktive Kurzschlußreaktionen verschieden und atmosphärische Störungen möglichst gering gehalten werden, als System zur Bildung von Wasserstoff oder Ammoniak dienen kann. Die Chloroplasten können aus entsprechenden Pflanzenquellen, wie Spinat oder Chenopodium-Blättern isoliert werden. Sie befinden sich in einem Gefäß, das ihnen die Absorption von Licht geeigneter Wellenlängen erlaubt.

Das verwendete System ist auf Nitrogenase als Katalysator und Chloroplasten aufgebaut; vgl. z. B. M. Calvin in "Living Systems as Energy Converters", North Holland Publishing, Amsterdam. 1977, S. 231-259; Seibert et al., Sol. Energy Res. Inst. (Tech. Rep.) SERI/JP-33-410 (1979); Benemann et al., Enzyme Microb. Technol., Bd. 2 (1980), S. 103; und L. O. Krampitz, NSF-RANN Report NO. HA2 N-73-014. Einstufige Systeme können zwar verwendet werden, zweistufige Systeme werden aber bevorzugt. Bei diesem System befinden sich Chloroplasten, Wasser und eine Pyraziniumverbindung in einem mit einem Wassereinlaß und einer Kühlung versehenen Glasgefäß. In dieses Gemisch wird ein schmäleres Gefäß gestellt, das oben eine Öffnung aufweist und dessen Boden- oder Seitenöffnung mit einer semipermeablen Membran, wie Cellulose oder einem anderen Dialysematerial, das die Passage von kleinen aber nicht von hochmolekularen Molekülen erlaubt, bedeckt ist. Das kleinere Gefäß enthält ein wäßriges Gemisch aus dem reduktiven Katalysator Nitrogenase und der Pyraziniumverbindung. Die obere Öffnung kann mit Einlaß- und Auslaßleitungen für Gas versehen sein, die eine direkte Einwirkung der Atmosphäre auf das wäßrige reduktive Katalysatorgemisch verhindern und die Anwendung entsprechender Reaktantengase erlauben. Die Leitungen können auch das gasförmige Produkt der Lagerung zuführen. Durch Anwendung von Licht wird die photolytische Reaktion der Chloroplasten angeregt und die reduzierte Pyraziniumverbindung erzeugt. Nach Diffusion der reduzierten Verbindung durch die Membranbarriere beginnt die katalytische Bildung der entsprechenden Verbindung, nämlich Wasserstoff, wenn kein Stickstoff oder Kohlendioxid vorhanden ist, ansonsten Ammoniak.

Eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit des Elektronenüberträgers durch die Membran wird als wichtig angesehen, da sie die Kopplung mit dem Enzym in wirksamer Weise begünstigt. Ferner kann es vorteilhaft sein, die Enzymphase mit Ferredoxin zu versetzen, das als intermediäres Kupplungsmittel dient. Es wird angenommen, daß eine innige und feste Kupplung von Chlorophyll und Enzym durch den Übertragungsmechanismus einen wesentlichen Faktor für die Wirksamkeit des zweiphasigen Systems darstellt.

Das geringe Molekulargewicht und die geringe Größe der erfindungsgemäßen Pyraziniumverbindungen erlauben den praktischen Einsatz des zweistufigen Systems. Es können bekannte semipermeable Membranen verwendet werden, während solche Membranen bei Elektronenüberträgern auf Proteinbasis, wie Ferredoxin, die Trägerpassage verhindern. Ferner ist es möglich, größe Mengen an Pyraziniumverbindungen herzustellen, was den wirtschaftlichen Einsatz von großen Systemen gestattet.

Die Aktivität der Pyraziniumverbindungen als Elektronenüberträger bei einem belichteten Photokupplungsverfahren unter Verwendung von isolierten Chloroplasten und des reduktiven Enzymkatalysators Nitrogenase wurde unter Anwendung des biologischen Testverfahrens von Benemann et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Bd. 64 (1969), S. 1079, bestimmt. Bei diesem Verfahren wird die Überträgeraktivität als Funktion der Nitrogenase-Reduktion von Acetylen zu Ethylen gemessen, wobei die Geschwindigkeit der Bildung von Etylen das direkte Maß darstellt.

Für die biologische Bestimmung wurde die Nitrigenaseprobe aus einer Kultur von Azotobacter vinelandii, die auf eine Zelldichte von etwa 1 g/Liter gezüchtet worden war, hergestellt. Die Zellen wurden abzentrifugiert und in einer French-Presse aufgebrochen. Die Zellbruchstücke wurden 1 h bei 10 000 g zentrifugiert. Der Überstand mit einem Gehalt an 40 mg/ml Protein wurde bei den biologischen Untersuchungen verwendet. Ferner wurden hitzeinaktivierte Chloroplasten aus Spinatblättern gemäß Benemann verwendet. Die synthetischen Überträger wurden in wäßrigen Lösungen mit einer Konzentration von 2 millimolar untersucht, während als Standard Clostridium-Ferredoxin in 0,2 millimolarer wäßriger Lösung verwendet wurde. Die Konzentrationen der Träger in den Testgemischen wurden so gewählt, daß für die Träger Sättigungsbedigungen gewährleistet waren. Somit wurden die beobachteten Unterschiede in der Geschwindigkeit der Bildung von Ethylen aus dem Substrat Acetylen direkt auf die Unterschiede in der Wirksamkeit der Elektronenübertragung aus den belichteten Chloroplasten auf die Nitrogenase zurückgeführt. Die Ergebnisse der Acetylenreduktion (Stickstoffixierung) unter Verwendung der Pyraziniumverbindungen der Beispiele 1 bis 52 sind in Tabelle I zusammengestellt. Die Ergebnisse sind in nMol gebildetes Ethylen pro mg Protein pro Minute angegeben. Diese Ergebnisse zeigen auch die Grenzen der Aktivität als Funktion der chemischen Struktur der Pyraziniumverbindungen.

Es wurde berichtet, daß das Nitrogenasesystem aus zwei dissoziierenden Proteinkomponenten besteht, von denen selbst keine aktiv ist; L. E. Mortenson et al., Ann. Rev. Biochem., Bd. 48 (1979), S. 387. Die erste Komponente ist das sogenannte Eisenprotein mit einem Molekulargewicht von 57 000, das 4 Eisenatome und 4 säurelabile Schwefelatome aufweist, die in einem Eisen-Schwefel-Cluster angeordnet sind. Die zweite Komponente, das Molybdän-Eisen-Protein ist komplexer als das Eisenprotein. Sie weist ein Molekulargewicht von etwa 240 000 auf und enthält zwei Molybdänatome, 28 bis 32 Eisenatome und etwa 28 säurelabile Schwefelatome. Die Elektronen werden durch die reduzierten Formen von entsprechenden Elektronenüberträgern (wie Ferredoxine und Flavodoxine in in vivo-Systemen) dem Eisenprotein in einem Einelektronenreduktionsverfahren, das zwei Mol Adenosintriphosphat pro 1 übertragenes F (1 Faraday = 1 Mol Elektronen = 96 493 Coulomb) zur Verfügung gestellt. die Elektronen werden sodann intramolekular vom Eisenprotein auf das Molybdän- Eisen-Protein übertragen, das als Lagerbecken für Elektronen wirkt und sie dann paarweise an die Substrate abgibt.

Die natürlichen Elektronenüberträger für Nitrogenase haben Mittelpunktpotentiale im Bereich von -495 mV für Azotobacter vinelandii-Flavodoxin bis -570 mV für Clostridium pasteurianum- Ferredoxin. Sonst ist jedoch wenig über die für die optimale Funktionsweise von Nitrogenase erforderlichen tatsächlichen Redoxotentiale bekannt. Eine Redoxtitration von Azotobacter vinelandii-Nitrogenase mit dem Paar SO₂^-/SO₃⁼ hat ergeben, daß das Eisenprotein beim pH-Wert 7,0 einer Einelektronenreduktion bei einem Mittelpunktspotential von -413 mV unterliegt; vgl. A. Braaksma et al., Eur. J. Biochem., Bd. 121 (1982), S. 483.

Hochgereinigte Nitrogenasepräparate zeigen spezifische Aktivitäten von 3000 nMol gebildetes C₂H₄/mg Protein/min bei Verwendung von Natriumdithionit als Reduktionsmittel; vgl. A. Braaksma et al., Eur. J. Biochem., Bd. 121 (1982), S. 483. Die bei der vorliegenden Untersuchung verwendeten rohen Nitrogenasepräparate ergaben unter ähnlichen Bedingungen 67 nMol C₂H₄/mg Protein/min. Dieser Wert entspricht einem Nitrogenasegehalt von 2,2 Prozent, bezogen auf Protein.

Vor einiger Zeit wurde ein Zusammenhang zwischen dem Wasserstoffwechsel und der Stickstoffixierung festgestellt. Es wurde beobachtet, daß biologische Systeme unter aktiver Stickstoffixierung Wasserstoff entwickeln und sich Wasserstoff als hemmend gegenüber der Stickstoffixierung erweist.

Wird Nitrogenase gründlich gereinigt, wie vorstehend erwähnt, so läßt sich feststellen, daß sie neben Stickstoff auch die Reduktion von Protonen katalysiert. Eine besonders aktive Wasserstoffentwicklung ergibt sich in Abwesenheit der normalen Substrate für Nitrogenase (Stickstoff, Acetylen, Cyanid oder Azid). Sie ist abhängig von einem starken Reduktionsmittel und der Hydrolyse von Adenosintriphosphat. Da die Waserstoffentwicklung nicht durch CO gehemmt wird, dies jedoch für Stickstoff und andere Substrate der Fall ist, läuft die Reduktion von Protonen vermutlich nicht an der Stelle, die für die Stickstoffreduktion verantwortlich ist, ab; vgl. H. C. Winter et al., Ann. Rev. Biochem. Bd. 45 (1976), S. 409. Demzufolge wurde mit dem gleichen biologischen System und unter Ausschluß von Stickstoff und Acetylen die Aktivität der Pyraziniumverbindungen als Elektronenüberträger bei der Bildung von Wasserstoff bestimmt.

Die in Tabelle II zusammengestellten Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, daß die Pyraziniumsalze, die als Vermittler bei der Reduktion von Acetylen durch Elektronen aus photoerregten Chloroplasten beteiligt sind, auch vermittelnd bei der Reduktion von Protonen durch Nitrogenase wirken.

Die Rangordnung der Pyraziniummsalze hinsichtlich beider Wirkungsweisen sind in Tabelle III relativ zur Aktivität von Ferredoxin angegeben. Die Werte lassen darauf schließen, daß Nitrogenase in Anwesenheit von Substrat (Acetylen) eine strengere strukturelle Selektivität für die Überträger aufweist, als dies in Abwesenheit des Substrats der Fall ist. Es ist jedoch ersichtlich, daß für beide Vorgänge im wesentlichen Äquivalenz hinsichtlich der Struktur/Aktivät- Beziehung besteht. Beispielsweise gehören von den 10 Pyrazinen, die bei der Reduktion von Acetylen die größte Aktivität zeigen, 7 auch zu den in bezug auf die Wasserstoffentwicklung aktivsten Verbindungen.

Thermodynamisch ausgedrückt, muß ein für das in Betracht kommende System funktioneller Elektronenübeträger zwischen einer Obergrenze des Redoxpotentials, die durch das negative Potential der belichteten Chloroplasten festgesetzt ist (-610 mV), und einem mit -473 mV ermittelten unteren Energieniveau entsprechend dem Redoxpotential von mit Adenosintriphosphat aktiviertem Eisenprotein arbeiten. Dies gilt für Chlostridium-Ferredoxin, das bei einem pH-Wert von 7,52 bei einem Halbwellenpotential von -570 mV funktionsfähig ist; vgl. Chien, J. pharm. Sci., Bd. 65 (1976), S. 1471. Daher war es von Interesse, das Halbwellenpotential von verschiedenen in Betracht kommenden Pyraziniumsalzen polarographisch zu messen, um den möglichen Einfluß der Struktur auf die Redoxpotentiale zu bestimmen. Frühere polarographsiche Untersuchugen (vgl. L. Roullier et al., Elektrochimica Acta, Bd. 25 (1980), S. 795, ergaben, daß monoquaternäre Pyrazine in 2 Wellen von 1 F reduziert werden. Die erste Welle entspricht einer Einelektronenreduktion und liefert ein relativ stabiles Radikal, das in der zweiten Welle zum Dihydropyrazin (Zweielektronen-Reduktionsprodukt reduziert wird. Die meisten untersuchten Pyraziniumsalze zeigen ein zweiwelliges Profil, wenngleich auch einige davon nur eine derartige Welle aufweisen.

In Tabelle IV sind die Halbwellenpotentiale (E1/2 gegen SCE) für die der ersten Welle entsprechende Reduktion bei polarographischer Messung in 0,1 m Phosphatpuffer vom pH-Wert 7,55 bei 25°C für die Pyraziniumsalze entsprechend der Reihenfolge ihrer Aktivität bei der biologischen Bestimmung der Acetylenreduktion aufgeführt. Auf der Basis dieser Werte läßt sich keine offensichtliche Korrelation zwischen den Redoxpotentialen und der Cofaktoraktivität für die Nitrogenase feststellen. Wahrscheinlich entsprechen die Unterschiede bei der Untersuchung der biologischen Aktivität der Pyraziniumsalze den chemischen Strukturveränderungen, die die Cofaktor/Enzym-Wechselwirkung und die Bindung beeinflussen.

Tabelle I

Elektronenübertragungsaktivität von synthetischen Pyraziniumverbindungen gegenüber Nitrogenase, gemessen durch chloroplastengekoppelte Reduktion von Acetylen zu Ethylen

Tabelle II

Elektronenübertragungsaktivität von synthetischen Pyraziniumverbindungen gegenüber Nitrogenase, gemessen durch Chloroplasten-gekoppelte Wasserstoffentwicklung in Abwesenheit von Substrat

Tabelle III

Rangfolge von synthetischen Pyraziniumverbindungen entsprechend ihrer Elektronenübertragungsaktivtät gegenüber Nitrogenase, angegeben als prozentuale Aktivität relativ zu Clostridium-Ferredoxin

Tabelle IV

Beziehung zwischen dem Redoxpotential und der biologischen Aktivität (prozentual zu Ferredoxin) bei der Chloroplasten/Nitrogenase-Bestimmung der Acetylenreduktion. E1/2 sind polarographische Werte, gemessen bei 25°C in 0,1 m Phosphatpuffer vom pH-Wert 7,55

Die folgenden Beispiele erläutern die Herstellung von erfindungsgemäßen Pyraziniumverbindungen. Die einzelnen Pyraziniumverbindungen sowie Ausgangs- und Vergleichsverbindungen sind mit Nummern bezeichnet, die den in den Tabellen I bis IV angegebenen Nummern der Verbindungen Elektronenüberträger entsprechen. Die Temperaturangaben sind durchweg in °C. Die chemischen Verschiebungen in den NMR-Spektren sind als δ-Werte angegeben. Von den UV-Spektren sind die λ_max (nm)-Werte und die log ε-Werte angegeben. Die meisten säulenchromatographischen Trennungen wurden mit Gelpermeationstechnik unter Verwendung von Polyacrylamid mit einer molekularen Ausschlußgrenze von 18 000 Dalton (Biogel® P-2) durchgeführt.

Beispiel 1 2-(1-Hydroxyethyl)-pyrazin (100) (Ausgangsverbindung)

21,6 g 2-Ethylpyrazin (101) werden in 300 ml Tetrachlorkohlenstoff gelöst und mit 35,6 g N-Bromsuccinimid versetzt; vgl. J. Org. Chem., Bd. 37 (1972), S. 511. Das Gemisch wird auf 75°C erwärmt und in einer Portion mit 1,5 g Dibenzoylperoxid versetzt. Nach weiterem 4stündigen Erwärmen wird das Gemisch gekühlt und in 500 ml einer 10prozentigen Kaliumcarbonatlösung filtriert.

Das Gemisch wird rasch gerührt, bis kein 2-(1-Bromethyl)- pyrazin mehr verbleibt (TLC-Kieselgel: Essigsäureethylester/ Hexan = 1 : 1; TLC = Dünnschichtchromatographie). Die wäßrige Lösung wird auf den pH-Wert 6 angesäuert, auf 200 ml eingeengt und 2 Tage kontinuierlich mit Essigsäureethylester extrahiert. Der Essigsäureethylester wird unter vermindertem Druck entfernt. Nach Destillation des Rückstands erhält man 18,6 g Produkt (100) vom Kp. 112-113°C (13 Torr). UV-Spektrum H₂O_max: 264 (3,85), 268 (3,82). ¹³C-NMR-Spektrum: 159,75, S(C2); 144,52, D, 143,99, D, 142,51, D (C3, C5, C6); 69,20, D (CHOH); 23,11, Q (CH₃).

Beispiel 2 1-Methyl-3-(1-hydroxyethyl)-pyraziniumjodid (200)

2,0 g 2-(1-Hydroxyethyl)-pyrazin (100) werden in 10 ml Ether gelöst und mit 5 ml Methyljodid versetzt. Der Kolben wird zugestöpselt und im Dunklen aufbewahrt.

Nach 5 Tagen wird der gebildete Feststoff abfiltriert, mit Essigsäureethylester gewaschen und unter vermindertem Druck getrocknet. Man erhält 7,8 g Produkt (200). Nach Umkristallisation aus Essigsäureethylester/Ethanol ergibt sich ein F. 129-130°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 225 (4,11), 279 (3,85). ¹³C-NMR-Spektrum: 167,58, S (C3); 150,57, D (5); 137,14, D, 136,31, D (C2, C6); 69,03, D (CHOH); 50,14, Q (NCH₃); 22,88, Q (CH₃). ¹H-NMR-Spektrum: 9,36, D, T (H6); 9,10, S (A2); 8,89, D (H5); 5,27, Q (COH); 4,52, T (NCH₃); 1,61, D (CCH₃).

Beispiel 3 1-Methyl-3-(2-hydroxyethyl)-pyraziniumjodid (300)

2,0 g 2-(2-Hydroxyethyl)-pyrazin (301), das auf übliche Weise durch Kondensation von Formaldehyd und 2-Methylpyrazin hergestellt worden ist, werden in 5 ml Methanol gelöst und mit 5 ml Methyljodid versetzt. Die Lösung wird 3 Tage unter Rückfluß erwärmt und sodann eingeengt. Der Rückstand wird durch Gelpermeationschromatographie gereinigt. Nach Gefriertrocknung erhält man 3,2 g eines gelben Feststoffs (300). Das Produkt wird aus Essigsäureethylester/ Ethanol umkristallisiert. F. 94-95°C. UV-Spektrum H₂O_max: 226 (4,13), 281 (3,85). ¹³C-NMR-Spektrum: 163,25, S (C3); 150,71 D (C5); 138,69, D, 136,25, D (C2, C6); 60,38, T (CH₂OH); 49,88, Q (NCH₃); 38,75, T (-CH₂-). ¹H-NMR-Spektrum: 9,35, D, T (H6); 8,97, S (H2); 8,85, D (H5); 4,49, S (NCH₃); 4,08, T; 3,35, T (ArCH₂, CH₂OH).

Beispiel 4 1-Methyl-3-hydroxymethyl-5-methylpyraziniumjodid (400)

2,0 g 2-Hydroxymethyl-6-methylpyrazin (401), das gemäß dem Verfahren von Klein et al., J. Org. Chem., Bd. 26 (1961), S. 126, hergestellt worden ist, werden in 5 ml Ether gelöst und mit 5 ml Methyljodid versetzt. Der Kolben wird verstöpselt und 2 Wochen in Dunklen aufbewahrt. Das nach Dekantieren des Ethers erhaltene halbfeste Material wird auf Ethanol/Essigsäureethylester umkristallisiert. Man erhält 1,8 g eines gelben Feststoffs (400) vom F. 153-154°C. UV-Spektrum H₂O_max: 226 (4,13), 287 (3,89). ¹³C-NMR-Spektrum: 163,33, S, 161,73, S(C3, C5); 136,85, D, 133,10, D (C2, C6); 62,79, T (CH₂OH); 49,74, Q (NCH₃); 22,19, Q (ArCH₃). ¹H-NMR-Spektrum: 8,80, S, 8,76, S (H2, H6); 4,97, S (CH₂OH); 4,44, S (NCH₃); 2,79, S (ArCH₃).

Beispiel 5 1-Methyl-3-(2)-hydroxymethyl-6(5)-methylpyraziniumjodid (500)

5,0 g 2-Hydroxymethyl-5-methylpyrazin (501), das in ähnlicher Weise wie das Pyrazin (401) hergestellt worden ist, werden in 10 ml Ether gelöst und mit 10 ml Methyljodid versetzt. Sodann wird der Kolben verschlossen und 4 Wochen im Dunklen aufbewahrt. Der erhaltene Feststoff wird abfiltriert und mit Ether gewaschen. Man erhält 6,9 g eines gelben kristallinen Feststoffs (500), vom F. 135-137°C. UV-Spektrum H₂O_max: 227 (4,12), 288 (3,89). Das ¹³C-NMR-Spektrum zeigt, daß es sich bei dem Produkt um ein Gemisch aus den beiden möglichen Isomeren handelt.

Beispiel 6 1-(3-Sulfonylpropyl)-3-methylpyrazin (600) (Vergleichsverbindung)

16,0 g 1,3-Propansulton werden in 200 ml 1 : 1-Ether/Essigsäureethylester gelöst und mit 15,1 g 2-Methylpyrazin versetzt. Nach entsprechender Lagerungszeit wird das Lösungsmittel abgedampft.

Der erhaltene Feststoff wird in 50 ml Wasser aufgenommen, mit Essigsäureethylester gewaschen und chromatographiert (Biogel® P-2 und Wasser). Nach Gefriertrocknung erhält man 20,5 g Produkt (600), das aus Ethanol/Wasser umkristallisiert wird. F. 218-221°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 282 (3,84). ¹³C-NMR-Spektrum: 163,15, S (C3); 150,69, D (C5); 137,80, D, 134,81, D (2, C6); 61,67, T (NCH₂); 47,79, T (CH₂SO₃^-); 26,73, T (CH₂); 22,36, Q (CH₃). ¹H-NMR-Spektrum: 9,30, D, T (H6); 9,01, S (H2); 8,88, D (H5); 4,87, T (NCH₂); 3,03, T (CH₂SO₃)^-); 2,84, S (CH₃); 2,50, M=5 (-CH₂-).

Beispiel 7 1-(3-Sulfonylpropyl)-2,5-dimethylpyrazin (700) (Vergleichsverbindung)

6,0 g 2,5-Dimethylpyrazin (701) und 7,0 g 1,3-Propansulton werden in 10 ml Essigsäureethylester gelöst und 2 Tage auf 40°C erwärmt. Der erhaltene Feststoff wird abfiltriert und mit Essigsäureethylester gewaschen. Man erhält 7,9 g Produkt (700), das aus Propanol/Wasser umkristallisiert wird. F. 258-259°C. UV-Spektrum H₂O_max: 204 (3,94), 290 (3,85). ¹³C-NMR-Spektrum: 159,25, S (C5); 152,47, D (C3); 146,91, S (C2); 136,88, D (C6); 57,84, T (NCH₂); 47,94, T (CH₂SO₃^-); 25,42 T (CH₂); 21,49, Q, 17,16, Q (ArCH₃). ¹H-NMR-Spektrum: 9,15, S (H3); 8,83, S (H6); 4,77, T (NCH₂); 3,09, T (CH₂SO₃^-); 2,90, S, 2,75, S (ArCH₃); 2,40, M=5 (-CH₂-).

Beispiel 8 1-(2-Carboxyethyl)-pyraziniumbromid (800) (Vergleichsverbindung)

Dieses Produkt (800) wird gemäß dem Verfahren von A. Le Berre et al., Bull. Soc. Chim. France, 1973, S. 2404 hergestellt. F. 189-192°C (Zers.), Lit. F. 210°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 276 (3,79). ¹³C-NMR-Spektrum: 173,65, D (C-CO₂H); 151,76, D (C3, C5); 138,47, D (C2, C6); 59,04, T (NCH₂); 34,90, T (-CH₂-).

Beispiel 9 2-(2-Sulfonylbutyl)-pyrazin-natriumsalz (900) (Ausgangsverbindung)

2,72 g 2-Butylpyrazin und 3,56 g N-Bromsuccinimid werden zu 100 ml Tetrachlorkohlenstoff gegeben. Das Gemisch wird auf 70 bis 75°C erwärmt und sodann mit 0,3 g Dibenzoylperoxid versetzt. Anschließend wird das Gemisch 3 Stunden unter Rückfluß erwärmt, abgekühlt und filtriert. Das Filtrat wird unter vermindertem Druck eingedampft. Das erhaltene Öl wird in 100 ml Toluol aufgenommen und mit 4 g 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en versetzt. Die Lösung wird über Nacht unter Rückfluß erwärmt. Anschließend wird abgekühlt. Die Toluollösung wird dekantiert und unter vermindertem Druck eingedampft. Das erhaltene Olefin, nämlich 2-(1- Butenyl)-pyrazin (901), wird zu einer Lösung von 6,0 g Natriumsulfit in 100 ml Wasser gegeben. Das Gemisch wird 3 Tage unter Rückfluß erwärmt. Die wäßrige Lösung wird mit Chloroform gewaschen, gefriergetrocknet und in 100 ml Methanol aufgenommen. Die Lösung wird filtriert. Das Filtrat wird eingeengt und chromatographisch gereinigt (Biogel® P-2/Wasser). Nach Gefriertrocknung erhält man 3,32 g Produkt (900) in Form eines amorphen Feststoffs, UV-Spektrum H₂O_max: 268 (3,86), 272 (3,85).

Beispiel 10 1-Methyl-3-(2-sulfonylbutyl)-pyrazin (1000)

3,2 g 2-(2-Sulfonylbutyl)-pyrazin (900) werden zu einer Lösung von 10 ml Methyljodid/25 ml Methanol gegeben. Das Gemisch wird 4 Tage unter Rückfluß erwärmt. Sodann wird eingeengt und durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt. Nach Gefriertrocknung erhält man 2,9 g eines amorphen Feststoffs (1000), der aus Essigsäureethylester/ Propanol kristallisiert. F. 224 bis 225°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 283 (3,88).

Beispiel 11 2-(1-Sulfonylbutyl)-pyrazin-natriumsalz (1100) (Ausgangsverbindung)

2,72 g 2-Butylpyrazin und 3,56 g N-Bromsuccinimid werden zu 100 ml Tetrachlorkohlenstoff gegeben. Das Gemisch wird auf 70 bis 75°C erwärmt und sodann mit 0,3 g Dibenzoylperoxid versetzt. Anschließend wird das Gemisch 3 Stunden unter Rückfluß erwärmt, gekühlt und filtriert. Das Filtrat wird unter vermindertem Druck eingedampft. Das erhaltene Öl, nämlich 2-(1-Brombutyl)-pyrazin (1101) wird zu einer Lösung von 5 g Natriumsulfit in 100 ml Wasser gegeben. Das Gemisch wird 2 Tage unter Rükfluß erwärmt. Sodann wird abgekühlt undd mit Chloroform extrahiert. Die wäßrige Lösung wird gefriergetrocknet, in 100 ml Methanol aufgenommen und filtriert. Das Filtrat wird eingdampft und durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt. Nach Gefriertrocknung erhält man 3,64 g Produkt (1100), das aus Propanol/Wasser umkristallisiert wird. F. 278-279°C. UV-Spektrum H₂O_max: 204 (3,84), 268 (3,68), 272 (3,84).

Beispiel 12 1-Methyl-3-(1-sulfonylbutyl)-pyrazin (1200)

3,6 g 2-(1-Sulfonylbutyl)-pyrazin (1100) werden zu einer Lösung von 10 ml Methyljodid/25 ml Methanol gegeben. Das Gemisch wird 4 Tage unter Rükfluß erwärmt. Sodann wird es eingedampft und durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt. Nach Gefriertrocknung erhält man 3,2 g Produkt (1200), das aus Propanol/Wasser umkristallisiert wird. F. 193-195°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 206 (3,87), 283 (3,90). ¹H-NMR-Spektrum: 9,41, D, T (H6); 9,11, S (H2); 8,94, D (H5; 4,63-4,58, M (CHSO₃^-); 4,52, S (NCH₃); 2,31, M (CHSO₃^-); 1,27, M (CH₃); 0,89, T (CH₃).

Beispiel 13 4-(2-Pyrazinyl)-1-buten (1300) (Ausgangsverbindung)

Ein Gemisch aus 15,6 g Natriumamid in 400 ml Ammoniak wird tropfenweise mit 37,6 g 2-Methylpyrazin versetzt. Das Gemisch wird 2 Stunden gerührt und sodann langsam mit 24,2 g Allylbromid in 50 ml Ether versetzt. Sodann wird 2 Stunden gerührt und mit 25 g Ammoniumchlorid versetzt. Das Ammoniak wird durch 500 ml Ether ersetzt. Sodann werden 250 ml Wasser zugesetzt. Die organische Phase wird abgetrennt und die wäßrige Phase 2mal mit Ether extrahiert. Die vereinigten oganischen Phasen werden unter vermindertem Druck eingedampft.

Der Rückstand wird durch Destillation fraktioniert. Man erhält 20,5 g Produkt (1300) vom Kp. 96 bis 97°C (25 Torr). UV-Spektrum 2 Prozent EtOH_max: 268 (3,82), 273 (3,82).

Bei der vorstehenden Destillation erhält man ferner 5,4 g eines zweiten Produkts, das als bisalkylierte Verbindung, nämlich 4-(2-Pyrazinyl)-1,6-heptadien (1301) chrakterisiert wird. Kp. 122-123°C (24 Torr). UV-Spektrum 10 Prozent EtOH_max: 269 (3,83), 273 (3,83).

Beispiel 14 2-(3,4-Dihydroxybutyl)-pyrazin (1400) (Ausgangsverbindung)

4,15 g 4-(2-Pyrazinyl)-1-buten (1300) werden in 100 ml 1 : 1- Wasser/Aceton gelöst und auf 5°C gekühlt. Sodann wird langsam eine Lösung von 3,60 g Kaliumpermanganat in 300 ml Wasser zugesetzt. Die Lösung wird 18 Stunden bei 5°C belassen und sodann 4 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wird mit 5prozentiger H₂SO₄ auf den pH-Wert 7 eingestellt, durch Celite® filtriert und eingedampft. Durch 2tägige kontinuierliche Extraktion mit Chloroform und anschließendes Eindampfen des verbliebenen Lösungsmittels erhält man 4,27 g Produkt (1400), das der Vakuumdestillation unterworfen wird. Kp. 174-175°C (0,2 Torr). UV-Spektrum H₂O_max: 268 (3,76), 272, (3,76).

Beispiel 15 1-Methyl-3-(3,4-dihydroxybutyl)-pyraziniumjodid (1500)

2,0 g 2-(3,4-Dihydroxybutyl)-pyrazin (1400) werden in 10 ml Methanol gelöst und mit 5 ml Methyljodid versetzt. Sodann wird 3 Tage unter Rückfluß erwärmt und anschließend eingedampft. Nach Reinigung durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) und Gefriertrocknung erhält man 3,1 g eines amorphen Feststoffs (1500). UV-Spektrum H₂O_max: 226 (4,13), 282 (3,85). ¹³C-NMR-Spektrum: 165,42, S (C3); 150,57, D (C5); 138,36, D, 135,90, D (C2, C6); 71,69, D (CHOH); 66,08, T (CH₂OH): 49,87, Q (NCH₃); 32,40, T (-CH₂-); 31,99, T (-CH₂-). H-NMR-Spektrum: 9,31, D, T (H6); 8,97, S (H2); 8,81, D (H5); 4,47, S (NCH₃); 3,80, M (CHOH); 3,67-3,51, M, 3,29-3,15, M, 2,05, M; 1,98-1,88, M (ArCH₂).

Beispiel 16 4-(2-Pyrazinyl)-1,2,6,7-tetrahydroxyheptan (1600) (Ausgangsverbindung)

5,40 g 4-(2-Pyrazinyl)-1,6-heptadien (1301) werden zu 100 ml Wasser gegeben. Eine zur Bildung einer Lösung ausreichende Menge an Aceton wird zugesetzt. Sodann wird auf 5°C gekühlt und tropfenweise eine Lösung von 6,6 g Kaliumpermanganat in 300 ml Wasser zugesetzt. Anschließend läßt man auf Raumtemperatur erwärmen und rührt über Nacht.

Der pH-Wert wird auf 7 eingestellt. Die Lösung wird durch Celite® filtriert. Das Aceton wird unter vermindertem Druck entfernt. Die wäßrige Lösung wird mit 200 ml Ether extrahiert und gefriergetrocknet.

Das Material wird in 75 ml Ethanol aufgenommen und filtriert. Das Filtrat wird eingeengt. Sodann wird das Produkt durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt. Nach Entfernen des Wassers erhält man 6,12 g eines blaßgelben Öls (1600). UV-Spektrum H₂O_max: 268 (3,70), 273 (3,69).

Beispiel 17 1-Methyl-3-[4-(1,2,6,7-tetrahydroxyheptyl)]-pyraziniumjodid (1700)

2,0 g 4-(2-Pyrazinyl)-1,2,6,7-tetrahydroxyheptan werden in 10 ml Methanol gelöst und mit 5 ml Methyljodid versetzt. Das Gemisch wird 4 Tage unter Rückfluß erwärmt, abgekühlt und eingedampft. Sodann wird in 100 ml Wasser aufgenommen, mit Chloroform gewaschen und gefriergetrocknet. Nach Reinigung durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) und Gefriertrocknung erhält man 2,4 g Produkt (1700) in Form eines amorphen Feststoffs. UV-Spektrum H₂O_max: 226 (4,14), 285 (3,83). Das ¹³C-NMR-Spektrum zeigt, daß es sich um ein Gemisch aus 3 Stereoisomeren handelt: 169,17, 168,18, 167,21, S (C3); 151,31, 150,95, 150,62, D (C5); 138,2, M, 136,64, 136,25, 135,86, D (C2, C6); 71,07, 70,83, D (CHOH); 69,79, 69,62, D (CHOH); 66,45, 66,36, 66,28, T (CH₂OH); 49,86, Q (NCH₃); 41,53, 39,93, 38,83, D (-CH-); 38,91, 38,55, 38,43, 37,72, T (-CH₂-).

Beispiel 18 4-(1-Methyl-3-pyrazinyl)-heptan-1,7-disulfonat-natriumsalz (1800) und 1-Methyl-3-(4-sulfoylbutyl)-pyrazin (1801)

Eine Suspension von Natriumamid (aus 2,3 g Natrium) in 150 ml Ammoniak wird tropfenweise mit 9,4 g Methylpyrazin versetzt. Die erhaltene blutrote Lösung wird 2 Stunden gerührt und sodann tropfenweise mit einer Lösung von 6,1 g Propansulton in 20 ml Ether versetzt. Nach 2stündigem Rühren werden 5 g Ammoniumchlorid zugesetzt. Das Ammoniak wird durch Ether ersetzt. Anschließend werden 500 ml Wasser zugesetzt und der pH-Wert auf 7 eingestellt. Die wäßrige Lösung wird 2mal mit Ether extrahiert und gefriergetrocknet. Man erhält ein rohes Gemisch aus 2 Produkten, das chromatographisch (Biogel® P-2/Wasser) getrennt werden kann. Nach Entsalzung durch Passage über eine mit Biogel® P-2 gepackte Säule und Gefriertrockung wird das Produkt in einer möglichst geringen Menge Methanol unter Zusatz von wenig Wasser, um die Auflösung zu erleichtern, aufgenommen. Nach Zusatz von 50 ml Methyljodid wird die Lösung so lange unter Rückfluß erwärmt, bis das Ausgangsmaterial verschwunden ist (Verschwinden der UV-Bande H₂O_max: 267. Das Lösungsmittel wird entfernt und das Produktgemisch chromatographisch (C18R.P./Wasser) getrennt. Anschließend wird gefriergetrocknet. Man erhält die beiden Produkte (1800) und (1801):

• a) 3,8 g 4-(1-Methyl-3-pyrazinyl)-heptan-1,7-disulfonatnatriumsalz (1800) in Form eines amorphen Feststoffs. UV-Spektrum H₂O_max: 282 (3,83). ¹³-Cc-NMR-Spektrum: 165,43, S (C3); 150,56, D (C5); 138,42, D, 135,96, D (C2, C6); 60,05, D (-CH-) 51,64, 35,74, 29,24, 29,06, 26,13, 22,16, T (-CH₂-); 49,72, Q (NCH₃).
• b) 4,2 g 1-Methyl-3-(4-sulfonylbutyl)-pyrazin (1801) in Form eines amorphen Feststoffs. UV-Spektrum H₂O_max: 282 (3,84). ¹³C-NMR-Spektrum: 165,39, S (C3); 50,55, D (C5); 138,29, D, 135,96, D (C2, C6); 51,31, T (CH₂SO₃^-); 49,49, Q (NCH₃); 35,41 T (ArCH₂); 27,59, T, 24,24, T (-CH₂-). ¹H-NMR-Spektrum: 9,29, D, t (H6); 8,94, S (H2); 8,79, D (H5); 4,46, S (NCH ); 3,16, T (CH₂SO₃^-); 2,99-2,94, M (ArCH₂); 1,96, M (CH₂SO₃^-); 1,81, M (ArCH₂).

Beispiel 19 Pyrazin-2-sulfonsäure-natriumsalz (1900) (Ausgangsverbindung)

4,5 g Chlorpyrazin werden zu einer Lösung von 8 g Natriumsulfit in 100 ml Wasser gegeben. Das Gemisch wird 3 Tage unter Rückfluß erwärmt, abgekühlt und mit Chloroform gewaschen. Die wäßrige Lösung wird sodann gefriergetrocknet, mit 200 ml Methanol aufgenommen und filtriert. Das Filtrat wird eingedampft und durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt. Nach Gefriertrocknung erhält man 6,2 g Produkt (1900) vom F. 299-302°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 203 (3,79), 267 (3,79).

Beispiel 20 1-Methyl-3-sulfonylpyrazin (2000)

4,0 g Pyrazin-2-sulfonsäure-natriumsalz (1900) werden zu einer Lösung von 20 ml Methyljodid/40 ml Methanol gegeben. Das Gemisch wird 7 Tage unter Rückfluß erwärmt. Der nach dem Abdampfen des Lösungsmittels erhaltene Rückstand wird chromatographiert (Biogel® P-2/Wasser). Man erhält 3,5 g Produkt (2000), das aus Ethanol/Wasser umkristallisiert wird. F. 270-272°C (Zers.). 22972 00070 552 001000280000000200012000285912286100040 0002003409755 00004 22853 UV-Spektrum H₂O_max: 282 (3,86).

Beispiel 21 2-(1,2-Dihydroxyethyl)-pyrazin (2100) (Ausgangsverbindung)

10,6 g 2-Vinylpyrazin, das gemäß dem Verfahren von M. R. Kamal et al., J. Org. Chem., Bd. 27 (1962), S. 1363 hergestellt worden ist, werden in 100 ml Wasser gelöst und unter N₂ auf 2 bis 4°C gekühlt. Sodann wird langsam innerhalb von 4 Stunden eine Lösung von 15,8 g Kaliumpermanganat in 500 ml Wasser zugesetzt, wobei gründlich gerührt und ständig gekühlt wird. Nach beendeter Zugabe wird das Gemisch auf 5°C gekühlt und über Nacht gerührt. Sodann wird das gekühlte Gemisch mit 5prozentiger Schwefelsäure auf den pH-Wert 7 eingestellt. Der Niederschlag wird filtriert und mit 100 ml Wasser gewaschen. Nach Gefriertrocknung der wäßrigen Lösung verbleiben 20,3 g eines schwammartigen Feststoffs. Dieses Material wird 4 Stunden mit 500 ml wasserfreiem Ethanol gerührt. Die Salze werden abfiltriert und mit 50 ml Ethanol gewaschen. Nach Abdampfen des Ethanols erhält man 13,6 g eines Materials, das sich bei der HPLC-Analyse als zu 93 Prozent rein erweist. Beim Rest handelt es sich um Pyrazin-2- carbonsäure. Die Reinigung des Produkts wird chromatographisch unter Verwendung von Waters Prep LC 500 mit 2 C18- Reversphasensäulen und 3 Prozent Methanol/Wasser als Elutionsmittel durchgeführt. Nach Entfernen des Lösungsmittels verbleiben 10,6 g Produkt (2100) als hellgelbes, viskoses Öl. UV-Spektrum H₂O_max: 265 (3,86), 270 (3,82), 298 (287).

Beispiel 22 1-Methyl-3-(1,2-dihydroxyethyl)-pyraziniumjodid (2200)

2,8 g 2-(1,2-Dihydroxyethyl)-pyrazin (2100) werden in 20 ml Methanol gelöst. Nach Zusatz von 10 ml Methyljodid wird die Lösung 3 Tage unter Rückfluß erwärmt. Nach Entfernen des Lösungsmittels wird der Rückstand in 100 ml Wasser aufgenommen und mit Chloroform gewaschen. Die wäßrige Lösung wird eingedampft und durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt. Nach Gefriertrocknung erhält man 3,7 g Produkt (2200), das aus Essigsäureethylester/ Ethanol umkristallisiert wird. F. 105-106°C. UV- Spektrum H₂O_max: 227 (4,13), 281 (3,83).

Beispiel 23 2-(1-Sulfonylethyl)-pyrazin-natriumsalz (2300) (Ausgangsverbindung)

5,4 g 2-Ethylpyrazin werden in 100 ml Tetrachlorkohlenstoff gelöst und mit 8,9 g N-Bromsuccinimid versetzt. Das Gemisch wird auf 70-75°C erwärmt, mit 0,5 g Dibenzoylperoxid versetzt und 3 Stunden unter Rückfluß erwärmt. Nach Abkühlen und Filtrieren wird das Filtrat unter vermindertem Druck eingedampft. Das erhaltene Öl wird mit 10 g Natriumsulfit/ 100 ml Wasser versetzt. Das Gemisch wird 3 Tage unter Rückfluß erwärmt. Sodann wird abgekühlt, mit Chloroform gewaschen und gefriergetrocknet. Der erhaltene Feststoff wird in 200 ml Methanol aufgenommen und filtriert. Das nach dem Einengen des Filtrats erhaltene Produkt wird durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt und gefriergetrocknet. Man erhält 9,2 g Produkt (2300). Dieses Produkt wird aus Methanol umkristallisiert. F. 258-262°C. UV-Spektrum H₂O_max: 203 (3,90), 267 (3,87), 272 (3,85). ¹³C-NMR-Spektrum: 153,54, S (C2); 145, 76, D, 144,97, D, 144,14, D (C3, C5, C6); 61,14, D (-CH-); 15,18, Q (CH₃).

Beispiel 24 1-Methyl-3-(1-sulfonylethyl)-pyrazin (2400)

3,50 g 2-(1-Sulfonylethyl)-pyrazin-natriumsalz (2300) werden in 75 ml Methanol gelöst und mit 10 ml Methyljodid versetzt. Sodann wird der Kolben zugestöpselt und bei Raumtemperatur im Dunklen aufbewahrt.

Nach 1 Woche wird das Lösungsmittel unter vermindertem Druck abgedampft. Der Rückstand wird in Wasser aufgenommen und 2mal mit Essigsäureethylester gewaschen. Die wäßrige Lösung wird eingedampft und chromatographiert (Biogel® P-2/ Wasser). Nach Gefriertrocknung erhält man 3,37 g Produkt (2400), das aus Ethanol/Wasser umkristallisiert wird. F. 270-272°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 282 (3,85), 203 (3,84. ¹³C-NMR-Spektrum: 160,27, S (C3); 150,66, D (C5); 139,29, D, 137,22, D (C2, C6); 61,25, D (-CH-); 49,94, Q (N-CH₃); 14,58, Q (-CH₃). ¹H-NMR-Spektrum: 9,37, D, T (H6); 9,11, S (H2); 8,91, D (H5); 4,72, Q (-CH-); 4,51, T (NCH₃); 1,80, D (CH₃).

Beispiel 25 2-(2-(Sulfonylethyl)-pyrazin-natriumsalz (2500) (Ausgangsverbindung)

Vinylpyrazin wird gemäß dem Verfahren von M. R. Kamal et al., J. Org. Chem. Bd. 27 (1962), S. 1363, hergestellt. 7,0 g Vinylpyrazin werden in 300 ml Ether gelöst und unter raschem Rühren mit einer Lösung von 8,3 g Natriumsulfit in 100 ml Wasser versetzt. Nach mehrtägigem Stehen bei Raumtemperatur wird das Reaktionsgemisch auf 50°C erwärmt und mit 10 g weiterem Natriumsulfit versetzt. Nach beendeter Umsetzung (TLC-Kieselgel/Essigsäuerethylester) wird das Reaktionsgemisch gekühlt, mit Wasser gewaschen und eingedampft. Sodann wird in 600 ml Methanol aufgenommen und filtriert. Das nach dem Eindampfen des Filtrats erhaltene Produkt wird chromatographisch (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt. Nach Gefriertrocknung erhält man 13,0 g weißes Pulver (2500), das aus Methanol umkristallisiert wird. F. 350°C. UV-Spektrum H₂O_max: 267 (3,81, 272 (3,81), 300 (2,90). ¹³C-NMR-Spektrum: 155,73, S (C2); 145,21, D, 144,86,D, 143,13, D (C3, C5, C6); 50,55, T (CH₂SO₃^-); 30,68, T (ArCH₂).

Beispiel 26 1-Methyl-3-(2-sulfonylethyl)-pyrazin (2600)

5,0 g 2-(2-Sulfonylethyl)-pyrazin-natriumsalz (2500) werden zu einer Lösung von 10 ml Methyljodid/50 ml Methanol gegeben. Das Gemisch wird 4 Tage unter Rückfluß erwärmt. Sodann wird eingedampft und durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt. Nach Gefriertrocknung erhält man 4,5 g Produkt (2600), das aus Ethanol/Wasser umkristallisiert wird. F. 255-260°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 281 (3,87). ¹³C-NMR-Spektrum: 162,99, S (C3); 150,63, D (C5); 138,51, D, 136,24, D (C2, C6); 49,66, Q (NCH₃); 49,56, T (CH₂SO₃); 31,44, T (ArCH₂). ¹H-NMR-Spektrum: 9,33, D, T (H6); 8,99, S (H2); 8,82, D (H5); 4,48, S (NCH₃); 3,58- 3,43, M (-CH₂-).

Beispiel 27 2-Sulfonylmethylpyrazin-natriumsalz (2700) (Ausgangsverbindung)

Ein Gemisch aus 4,7 g 2-Methylpyrazin, 200 ml Tetrachlorkohlenstoff und 8,9 g N-Bromsuccinimid wird auf 70 bis 75°C erwärmt und mit 6,1 g Dibenzoylperoxid versetzt. Anschließend wird 5 Stunden unter Rückfluß erwärmt, gekühlt und filtriert. Das Filtrat wird eingeengt und mit einer Lösung von 10 g Natriumsulfit in 100 ml Wasser versetzt. Das Gemisch wird 3 Tage unter Rückfluß erwärmt und sodann über Nacht kontinuierlich mit Chloroform extrahiert. Der nach Gefriertrocknung erhaltene Feststoff wird in 250 ml Methanol aufgenommen. Das nach Filtration erhaltene Filtrat wird eingeengt und chromatographiert (Biogel® P-2/Wasser). Man erhält 3,9 g Produkt (2700), das aus Ethanol/Wasser umkristallisiert wird. F. 294-299°C. UV-Spektrum H₂O_max: 203 (3,84), 267 (3,84), 272 (3,83). ¹³C-NMR-Spektrum: 149,23, S (C2), 146,44, D, 145,23, D, 144,22, D (C3, C5, C6); 57,03, T (C₂SO₃^-).

Beispiel 28 1-Methyl-3-sulfonylmethylpyrazin (2800)

3,0 g 2-Sulfonylmethylpyrazin (2700) werden zu einer Lösung von 10 ml Methyljodid/25 ml Methanol gegeben und 3 Tage unter Rückfluß erwärmt. Anschließend wird das Gemisch gekühlt. Das Filtrat wird eingeengt und der erhaltene Feststoff chromatographiert (Biogel® P-2 und Wasser). Nach Gefriertrocknung erhält man 2,5 g Produkt (2800), das aus Propanol/ Waser umkristallisiert wird. F. <240°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 282 (3,89). ¹³C-NMR-Spektrum: 156,04, S (C3); 150,99, D (C5); 139,63, D, 137,42, D (C2, C6); 57,10, T (CH₂SO₃); 50,01, Q (NCH₃). ¹H-NMR-Spektrum: 9,40, D, T (H6); 9,12, S (H2); 8,96, D (H5); 4,67, S (CH₂SO₃^-); 4,54, S (NCH₃).

Beispiel 29 2-Sulfonylmethyl-6-methylpyrazin-natriumsalz (2900) (Ausgangsverbindung)

Ein Gemisch aus 5,4 g 2,6-Dmethylpyrazin und 8,9 g N-Bromsuccinimid in 200 ml Tetrachlorkohlenstoff wird auf 75°C erwärmt und mit 6,1 g Dibenzoylperoxid versetzt. Anschließend wird 6 Stunden unter Rückfluß erwärmt, abgekühlt und filtriert. Das Filtrat wird eingeengt und mit 10 g Natriumsulfit/ 100 ml Wasser versetzt. Das Gemisch wird 4 Tage unter Rückfluß erwärmt. Die wäßrige Lösung wird sodann kontinuierlich über Nacht mit Chloroform extrahiert und gefriergetrocknet. Der erhaltene Feststoff wird in 250 ml Methanol aufgenommen. Das nach Filtration erhaltene Filtrat wird eingeengt und chromatographiert (Biogel® P-2/Wasser). Man erhält 4,8 g Produkt (2900), das aus Ethanol/Wasser umkristallisiert wird. F. 282-285°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 208 (3,80), 276 (3,88).

Beispiel 30 1-Methyl-3-sulfonylmethyl-5-methylpyrazin (3000)

4,0 g 2-Sulfonylmethyl-6-methylpyrazin-natriumsalz (2900) werden zu einer Lösung von 15 ml Methyljodid in 30 ml Methanol gegeben. Das Gemisch wird 4 Tage unter Rückfluß erwärmt und sodann abgekühlt und filtriert. Der Feststoff wird chromatographiert (Biogel® P-2/Wasser) und gefriergetrocknet. Man erhält 3,4 g Produkt (3000), das aus Propanol/ Wasser umkristallisiert wird. F. <280°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 288 (3,92).

Beispiel 31 2-Sulfonylmethyl-5-methylpyrazin-natriumsalz (3100) (Ausgangsverbindung)

Ein Gemisch aus 3,3 g 2,5-Dimethylpyrazin und 5,4 g N-Bromsuccinimid in 150 ml Tetrachlorkohlenstoff wird auf 75°C erwärmt und mit 3,7 g Dibenzoylperoxid versetzt. Die Lösung wird 6 Stunden unter Rückfluß erwärmt, gekühlt und filtriert. Das Filtrat wird eingeengt und mit einer Lösung von 10 g Natriumsulfit in 100 ml Wasser versetzt. Sodann wird das Gemisch 3 Tage unter Rückfluß erwärmt und anschließend über Nacht kontinuierlich mit Chloroform extrahiert. Die wäßrige Phase wird gefriergetrocknet, in 150 ml Methanol aufgenommen und filtriert. Das Filtrat wird eingeengt und chromatographiert (Biogel® P-2/Wasser). Man erhält 3,1 g eines amorphen Feststoffs, der aus Propanol/ Wasser kristallisiert wird. Man erhält das Produkt (3100) vom F. <200°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 209 (3,89), 278 (3,85).

Beispiel 32 1-Methyl-3-sulfonylmethyl-6-methylpyrazin (3200)

2,0 g 2-Sulfonylmethyl-5-methylpyrazin-natriumsalz (3100) werden zu einer Lösung von 15 ml Methyljodid in 25 ml Methanol gegeben und 5 Tage unter Rückfluß erwärmt. Sodann wird das Gemisch gekühlt und filtriert. Der Feststoff wird durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt und gefriergetrocknet. Man erhält 1,6 g Produkt (3200), das aus Propanol/Wasser umkristallisiert wird. F. <350°C (Zers.). UV-Spektrum H₂O_max: 213 (3,91), 293 (3,87).

Beispiel 33 2-(2-Hydroxybutyl)-pyrazin (3300) (Ausgangsverbindung)

Eine Suspension von Natriumamid (aus 11,5 g Natrium) in 1 Liter Ammoniak wird mit 47 g 2-Methylpyrazin versetzt. Die Suspension wird 1 Stunde gerührt und sodann tropfenweise zu einer Lösung von 15 g Propionaldehyd in 25 ml Ether gegeben. Sodann wird 2 Stunden gerührt, langsam mit 50 g Ammoniumchlorid versetzt und das Ammoniak durch Ether ersetzt. 250 ml Wasser werden zugesetzt. Das Produkt wird mit Essigsäurethylester extrahiert, über Natriumsulfat getrocknet und eingeengt. Der Rückstand wird destilliert. Man erhält 12,7 g Produkt (3300), vom Kp. 141-143°C (16 Torr). UV-Spektrum H₂O_max: 267 (3,80), 272 (3,79). ¹³C-NMR-Spektrum: 155,90, S (C2); 145,89, D, 144,68, D, 142,88, D (C3, C5, C6), 73,37, D (CHOH); 42,28, T (ArCH₂); 29,98, T (-CH₂-); 9,97, Q (CH₃).

Beispiel 34 1-Methyl-3-(2-hydroxybutyl)-pyraziniumjodid (3400)

3,1 g 2-(Hydroxybutyl)-pyrazin (3300) werden in 30 ml Methanol gelöst und mit 10 ml Methyljodid versetzt. Die Lösung wird 3 Tage unter Rückfluß erwärmt, sodann eingeengt, in Wasser aufgenommen und mit Chloroform extrahiert. Die wäßrige Lösung wird eingeengt und chromatographiert (Biogel® P-2/Wasser). Nach Gefriertrocknung erhält man 4,6 g Produkt (3400) in Form eines gelben Feststoffs, der aus Essigsäureethylester/Ethanol umkristallisiert wird. F. 108-109°C. UV-Spektrum H₂O_max: 227 (4,11), 282 (3,85), ¹³C-NMR-Spektrum: 163,30, S (C3); 150,63, D (C5); 138,77, D, 136,12, D (C2, C6); 72,66, D (CHOH); 49,93, Q (NCH₃; 43,02, T, 30,11, T (-CH₂-); 9,97, Q (CH₃). ¹H-NMR-Spektrum: 9,35, D, T (H6); 8,95, S (H2); 8,85, D (H5); 4,49, S (NCH₃); 4,11, M (CHOH); 3,39-3,14, M (ArCH₂); 1,75-1,52, M (-C₂-); 0,99, T (CH₃).

Beispiel 35 1-Methyl-3-(2-oxybutyl)-pyraziniumjodid (3500) (Vergleichsverbindung)

4,0 g 2-(2-Oxybutyl)-pyrazin, hergestellt durch Oxidation von 2-(2-Hydroxybutyl)-pyrazin (3300) oder gemäß dem Verfahren von J. D. Behun et al., J. Am. Chem. Soc., Bd. 81 (1959), S. 5157, werden in 10 ml Essigsäureethylester gelöst und mit 10 ml Methyljodid versetzt. Die Lösung wird verstöpselt und im Dunkeln aufbewahrt. Das erhaltene halbfeste Material wird in Wasser aufgenommen, mit Essigsäureethylester gewaschen und gefriergetrocknet. Man erhält 4,6 g eines hygroskopischen Pulvers (3500) vom F. 67-69°C. UV- Spektrum H₂O_max: 226 (4,18), 280 (3,84).

Beispiel 36 2-(1-Nitroisopropyl)-pyrazin (3600) (Vergleichsverbindung)

10,8 g 2-Ethylpyrazin werden in 200 ml Tetrachlorkohlenstoff gelöst. Die Lösung wird mit 17,8 g N-Bromsuccinimid versetzt. Das Gemisch wird auf 75°C erwärmt und anschließend mit 1 g Dibenzoylperoxid versetzt. Sodann wird das Gemisch 4 Stunden unter Rückfluß erwärmt, abgekühlt und filtriert. Das nach Entfernen des Lösungmittels unter vermindertem Druck erhaltene Kozentrat wird mit einer Lösung von 0,1 Mol Natriumnitromethylat in 250 ml Methanol versetzt. Das Gemisch wird 2 Tage unter Rückfluß erwärmt. Sodann wird das Gemisch gekühlt und filtriert. Der nach dem Eindampfen des Filtrats erhaltene Rückstand wird chromatographiert (C₁₈/Wasser) und gefriergetrocknet. Man erhält 4,9 g eines blaßgelben Öls (3600). UV-Spektrum H₂O_max: 266 (3,89), 270 (3,86).

Beispiel 37 1-Methyl-3-(1-nitroisopropyl)-pyraziniumjodid (3700) (Vergleichsverbindung)

2,0 g 2-(1-Nitroisopropyl)-pyrazin (3600) werden in 10 ml Methanol gelöst und mit 5 ml Methyljodid versetzt. Die Lösung wird 4 Tage unter Rückfluß erwärmt. Der nach dem Entfernen des Lösungsmittels erhaltene Rückstand wird in Wasser aufgenommen und mit Chloroform gewaschen. Nach Chromatographie (Biogel® P-2/Wasser) und Gefriertrocknung erhält man 3,2 g Produkt (3700), das aus Essigsäureethylester/Ethanol umkristallisiert wird. F. 135-136C. UV-Spektrum H₂O_max: 227 (4,18), 281 (3,89).

Beispiel 38 1-Methyl-3-(2-acetamidoethyl)-pyraziniumjodid (3800) (Ausgangsverbindung)

3,0 g 2-(2-Acetamidoethyl)-pyrazin, hergestellt gemäß dem Verfahren von G. M. Singerman et al., J. Org. Chem. Bd. 30 (1965, S. 4379, werden in 10 ml Ether gelöst und mit 10 ml Methyljodid versetzt. Der Kolben wird verstöpselt und 2 Wochen im Dunklen aufbewahrt. Der erhaltene Feststoff wird abfiltriert, mit Ether gewaschen und unter vermindertem Druck getrocknet. Man erhält 3,4 g eines gelben Feststoffs (3800), der aus Essigsäureethylester/Ethanol umkristallisiert wird. F. 138-139°C. UV-Spektrum H₂O_max: 226 (4,17), 281 (3,85).

Beispiel 39 1-Methyl-3-(2-carboxyethyl)-pyraziniumjodid (3900)

2,0 g 2-(2-Carboxyethyl)-pyrazin, hergestellt gemäß den Verfahren von Jones et al., J. Am. Chem. Soc., Bd. 72 (1950), S. 3539, werden in 15 ml Methanol gelöst und mit 1,2 ml Methyljodid versetzt. Die Lösung wird 3 Tage unter Rückfluß erwärmt, abgekühlt und eingeengt. Der erhaltene amorphe Feststoff wird aus Propanol kristallisiert. Man erhält 3,5 g 1-Methyl-3-(2-carboxymethoxyethyl)-pyraziniumjodid (3901) (Ausgangsverbindung). F. 108-109°C. UV-Spektrum H₂O_max: 226 (4,14), 281 (3,86).

1,0 g 1-Methyl-3-(2-carbomethoxyethyl)-pyraziniumjodid (Ausgangsverbindung) werden in 30 ml 2 n HCl gelöst und über Nacht unter Rückfluß erwärmt. Anschließend wird eingeengt, in 100 ml Wasser aufgenommen und mit Methylenchlorid gewaschen. Nach Einengen der wäßrigen Lösung erhält man 0,55 g 1-Methyl- 3-(2-carboxyethyl)-pyraziniumjodid (3900) in Form eines amorphen Feststoffs. UV-Spektrum H₂O_max: 226 (4,12), 281 (3,85).

Beispiel 40 1-Methyl-3-(2-carboxamidoethyl)-pyraziniumjodid (4000)

0,75 g 2-(2-Carboxamidoethyl)-pyrazin, hergestellt gemäß dem Verfahren von Jones wie in Beispiel 39, werden in 8 ml Methanol gelöst und mit 1,0 g Methyljodid versetzt. Sodann wird über Nacht unter Rückfluß erwärmt, wobei ein gelber Niederschlag entsteht. Das Gemisch wird abgekühlt. Der Feststoff wird abfiltriert und mit Essigsäureethylester gewaschen. Man erhält 0,90 g 1-Methyl-3-(2-carboxamidoethyl)- pyraziniumjodid (4000), das aus Essigsäureethylester/ Ethanol umkristallisiert wird. F. 172-173°C. UV-Spektrum H₂O_max: 226 (4,13), 281 (3,86).

Beispiel 41 1-Methyl-3-(2-3,4-Dihydroxybutyl)-3,4-dihydroxybutyl)-pyrazin (4100)

a) 9,2 g 2-(3,4-Dihydroxybutyl)-pyrazin (1400) werden in 450 ml 1:1-Pyridin/Essigsäureanhydrid gelöst und 2 Tage bei 25°C gerührt. Sodann wird die Lösung unter vermindertem Druck eingedampft, mit 250 ml Eiswasser versetzt und 2mal mit je 250 ml Essigsäureethylester extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden über waserfreiem Na₂SO₄ getrocknet und eingedampft. Nach Destillation des Rückstands erhält man 11,5 g 2-(3,4-Diacetoxybutyl)-pyrazin (4001) vom Kp. 141-142°C (0,4 Torr).

b) 6,0 g 2-(3,4-Diacetoxybutyl)-pyrazin (4101) werden in 100 ml Tetrachlorkohlenstoff gelöst und mit 4,24 g N-Bromsuccinimid versetzt. Das Gemisch wird auf 75°C erwärmt und mit 290 g Dibenzoylperoxid versetzt. Anschließend wird das Reaktionsgemisch 3 Stunden unter Rückfluß erwärmt. Nach Abkühlen des Gemisches und Filtrieren wird das Filtrat unter vermindertem Druck eingedampft. Der Rückstand wird an Kieselgel (Hexan, anschließend Hexan/Essigsäureethylester), chromatographiert. Man erhält 7,0 g eines Gemisches der beiden diastereoisomeren Bromide (4102 und 4103). Diese Produkte werden nicht aufgetrennt, sondern direkt in der nächsten Stufe eingesetzt.

c) 7,0g 2-(1-Brom-3,4-diacetoxybutyl)-pyrazin (4102 und 4103) werden in 100 ml Toluol gelöst. Die Lösung wird unter Argon mit 3,3 g 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en versetzt und über Nacht auf 65-70°C erwärmt. Sodann wird abgekühlt. Die Toluollösung wird dekantiert und unter vermindertem Druck eingedampft. Der Rückstand wird an Kieselgel (Hexan/Essigsäureethylester) chromatographiert. Man erhält 3,5 g 2-(3,4-Diacetoxy-1-butenyl)-pyrazin (4104) in Form eines blaßgelben Öls. UV-Spektrum EtOH_max: 240 (4,14), 292 (3,85), 28 (3,86).

d) 2,60 g 2-(3,4-Diacetoxy-1-butenyl)-pyrazin (4104) werden zu einer Lösung von 78 mg Natrium in 50 ml Methanol gegeben. Die Lösung wird über Nacht bei 25°C gerührt und sodann unter vermindertem Druck eingedampft. Das Produkt wird durch Gelpermeationschromatographie gereinigt (Biogel® P-2/ Wasser). Man erhält 1,71 g 2-(3,4-Dihydroxy-1-butenyl)- pyrazin (4105) in Form eines blaßgelben Öls. UV-Spektrum H₂O_max: 234 (4,08), 29 (3,86).

e) 1,7 g 2-(3,4-Dihydroxy-1-butenyl)-pyrazin (4105) werden zu 25 ml einer 10prozentigen Natriumsulfitlösung gegeben und so lange unter Rückfluß erwärmt, bis das Olefinausgangsmaterial verschwunden ist. Sodann wird die Lösung gekühlt, eingeengt und durch Gelpermeationschromatographie (Biogel® P-2/Wasser) gereinigt. Man erhält 2,4 g 2-(2-Sulfonyl-3,4-dihydroxybutyl)-pyrazin-natriumsalz in Form eines Diastereoisomerengemisches (4106 und 4107). UV- Spektrum H₂O_max: 267 (3,86), 272 (3,85).

f) 1,2 g 2-(2-Sulfonyl-3,4-dihydroxybutyl)-pyrazin-natriumsalz (4106 und 4107) werden zu einer Lösung aus 10 ml Methyljodid in 25 ml Methanol gegeben. Sodann werden 2 ml Wasser zugesetzt. Das Gemisch wird 5 Tage unter Rückfluß erwärmt, anschließend eingeengt, in 100 ml Wasser aufgenommen und mit Methylenchlorid gewaschen. Die wäßrige Phase wird eingedampft. Der Rückstand wird chromatographiert (Biogel® P-2/Wasser). Man erhält 1,1 g 1-Methyl-3-(2-sulfonyl- 3,4-dihydroxybutyl)-pyrazin (4100) als Diasteroisomerengemisch. UV-Spektrum H₂O_max: 283 (3,88. Die Diastereoisomeren werden unter Verwendung von Biorad AG-50 W x 4 (Ca⁺⁺) bei 65°C unter Verwendung von Wasser als Elutionsmittel säulenchromatographisch aufgetrennt. ¹³C-NMR-Spektrum: 163,89, S (C3); 150,36, D (C5); 138,88, D, 135,81, D (C2, C6); 71,05, D (CHOH); 64,41, T (CH₂OH); 61,64, D (CHSO₃^-); 49,65, Q (NCH₃; 32,61, T (-CH₂-). ¹³C-NMR-Spektrum des Epimeren: 163,49, S (C3); 150,44, D (C5); 138,77, D, 135,92, D (C2, C6); 71,82, D (CHOH); 63,37, T (CH₂OH); 63,25, D (CHSO₃^-); 49,65, Q (NCH₃); 33,26, T (-CH₂-).

Beispiele 42 bis 52 1-Methylpyraziniumverbindungen (Ausgangs- und Vergleichsverbindungen)

Weitere Pyraziniumverbindungen werden gemäß in der Literatur bekannten Verfahren, die den Verfahren der vorstehenden Beispiele ähnlich sind, hergestellt. Folgende Verbindungen werden hergestellt:

Beispiel
Bezeichnung
42
1,2,5,6-Tetramethyl-3-hydroxymethylpyraziniumjodid 4200
43	1,3-Dimethylpyraziniumjodid 4300
44	1-Methyl-3-carboxypyraziniumjodid 4400
45	1-Methyl-3-methoxycarbonylpyraziniumjodid 4500
46	1-Methyl-3-carbamidopyraziniumjodid 4600
47	1-Methyl-3-(methylsulfonylmethyl)-pyraziniumjodid 4700
48	1-Methyl-3-(methoxythiaacetyl)-pyraziniumjodid 4800
49	1-Methyl-3-ethylpyraziniumjodid 4900
50	1-Methyl-3-butylpyraziniumjodid 5000
51	1-Methyl-3-vinylpyraziniumjodid 5100
52	[(1-Methyl)-benzopyrazinium]-methylsulfonat 5200

Claims (23)

1. Monoquaternisierte Pyraziniumverbindungen der allgemeinen Formel in der bedeuten:R¹ Alkyl mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen;
R², R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander Wasserstoff oder Alkyl mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen;
R³ Sulfonoxy oder einen Rest der Formel -(CH₂)_nCHXY, worin bedeuten
X Wasserstoff, Hydroxyl, Carboxyl, Carboxamido, Sulfonoxy, (Sulfonoxy)-alkyl mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, (Carboxy)-alkyl mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen oder Dihydroxyalkyl mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen;
Y Wasserstoff, (Sulfonoxy)-alkyl mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, Dihydroxyalkyl mit 2 oder 3 Kohlenstoffatomen oder Alkyl mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen; und
n eine ganze Zahl von 0 bis 3 oder n eine ganze Zahl von 0 bis 6, wenn entweder X oder Y eine Sulfonoxygruppe oder eine (Sulfonoxy)-alkylgruppe bedeutet, oder wenn X und Y zusammen mehrfach polare Gruppen darstellen;mit der Maßgabe, daß R³ nicht die Bedeutung Alkyl hat und, wenn R³ keinen Carboxy- oder Sulfonoxy-Substituenten enthält, auch ein Anion vorhanden ist.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß R² Wasserstoff bedeutet.

3. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß R³ ein Rest der Formel -(CH₂)_nCHXY ist.

4. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß R³ Sulfonoxy oder -(CH₂)_nCHXY und X Hydroxyl, Carboxyl, Carboxamido, Sulfonoxy, (Sulfonoxyl)-alkyl, (Carboxy)- alkyl oder Dihydroxyalkyl bedeutet.

5. Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß X Hydroxyl, Sulfonoxy, (Sulfonoxy)-alkyl oder Dihydroxyalkyl bedeutet.

6. 1-Methyl-3-(1-hydroxyethyl)-pyraziniumjodid.

7. 1-Methyl-3-(2-hydroxyethyl)-pyraziniumjodid.

8. 1,5-Dimethyl-3-hydroxymethylpyraziniumjodid.

9. 1,6-Dimethyl-3-hydroxymethylpyraziniumjodid.

10. 1-Methyl-3-(2-sulfonoxybutyl)-pyrazin.

11. 1-Methyl-3-(1-sulfonoxybutyl)-pyrazin.

12. 1-Methyl-3-(3,4-dihydroxybutyl)-pyraziniumjodid.

13. 1-Methyl-3-(1,2,6,7-tetrahydroxyhept-4-yl)-pyraziniumjodid.

14. Natrium-4-(1-methyl-3-pyrazinyl)-heptan-1,7-disulfonat.

15. 1-Methyl-3-(4-sulfonoxybutyl)-pyrazin.

16. 1-Methyl-3-sulfonoxypyrazin.

17. 1-Methyl-3-(1,2-dihydroxyethyl)-pyraziniumjodid.

18. 1-Methyl-3-(1-sulfonoxyethyl)-pyrazin.

19. 1-Methyl-3-(2-sulfonoxyethyl)-pyrazin.

20. 1-Methyl-3-sulfonoxymethylpyrazin.

21. 1,5-Dimethyl-3-sulfonoxymethylpyrazin.

22. 1,6-Dimethyl-3-sulfonoxymethylpyrazin.

23. 1-Methyl-3-(2-hydroxybutyl)-pyraziniumjodid.