Funktionelle grupper

Inden for den organiske kemi findes en række forskellige funktionelle grupper. En funktionel gruppe er en karakteristisk kemisk struktur, som giver et molekyle dets egenskaber. Det kan godt være svært at huske forskellen på alle disse grupper, da nogle af navnene kan minde meget om hinanden. De funktionelle grupper er meget vigtig i forhold til, hvor godt et lægemiddel binder i sit target, og dermed hvor godt lægemidlet virker.

Simple grupper

Alkohol   
En af de mest simple funktionelle grupper, der findes, er alkoholerne. Alkoholer er stoffer, hvorpå der sidder en OH-gruppe. Alkoholer er vigtige i udviklingen af ny medicin, da de er gode til at lave hydrogenbindinger med target, idet alkoholer kan virke som HBD via hydrogenatomet og virke som en HBA via oxygenatomets to ledige elektronpar. Alkoholerne er desuden med til at gøre molekylet mere polært, så det lettere kan opløses i vand. En alkoholgruppe, der sidder direkte på en aromatisk ring, kaldes for en fenol.

 

Figur 1. Alkohol, her er vist ethanol. 

Halid
En ligeså simpel gruppe som alkoholerne er haliderne. Halider er molekyler, hvortil der er bundet et halogenatom eksempelvis F, Cl, Br eller I. Den viste halid kaldes for en alkylhalid, da gruppen er bygget op af en alkan, hvorpå et hydrogenatom er udskiftet med et halogen.

 

Figur 2. Alkylhalid

Brugen af brom og iod i lægemidler er ret begrænset, da disse halider er meget kemisk reaktive. Halider reagerer med nukleofiler, hvorved nukleofilen bliver bundet til molekylet, mens halogenet bliver frigivet. Halogenet optræder som elektrofil i reaktionen. Denne type af reaktioner kaldes for substitutionsreaktioner. I figuren er vist, hvordan elektronerne fra nukleofilen bevæger sig over på halogenet. Den viste reaktion kaldes for en SN2 reaktion. S står for substitution, N for nukleofil og 2 står for, at der er to molekyler involveret i transition state.

 

Figur 3. Substitutionsreaktion mellem nukleofil og alkylhalid. Elektroners bevægelse er angivet med blåt. En nukleofils elektroner reagerer ind på karbonatomet, hvorpå der sidder et halogen. Elektronerne bevæger sig videre ud på halogenet, så halogenet bliver frigivet. Nukleofilen er nu bundet til karbonatomet. 

Et lægemidlet med brom og iod vil derfor kunne blive bundet til en nukleofil, hvilket kan påvirke lægemidlets virkning negativt. Reaktionen vist i figur 3 kan også foregå med klor som halid. Klor bliver relativt ofte brugt i lægemidler, men ofte er der så tale om en arylhalid. En arylhalid er et molekyle, hvor halogenet sidder på en aromatisk ring. Grunden til, at der ikke sker en SN2 reaktion med en arylhalid, er fordi nukleofilen i en SN2 reaktion skal angribe molekylet fra ”bagsiden”, og dette kan ikke lade sig gøre i en aromatisk ring.

Bindingen mellem fluor og karbon er relativt stærk, og en SN2 reaktion kan derfor ikke foregå, uanset om der er tale om et alkyl- eller arylhalid. Fluor bliver ofte anvendt til at bytte et hydrogenatom ud, da flour og hydrogen har omtrent samme størrelse og derfor fylder det samme i target. Udskiftningen af hydrogen med fluor ændrer udseendet af molekylet over for metabolske enzymer, så det ikke bliver nedbrudt. Udskiftningen giver derfor mulighed for at funktionelle grupper, der normalt bliver nedbrudt i kroppen, vil kunne overleve mødet med forskellige metabolske enzymer. Dette aspekt bliver gennemgået mere dybdegående i artiklen ”Identifikation af target og dets struktur”.

Carbonyler 

Keton
Ketoner er kulbrinter, der indeholder et dobbeltbundet oxygenatom. Denne funktionelle gruppe kan fungere som HBA via det dobbeltbundede oxygenatoms to ledige elektronpar.

 

Figur 4. Keton

Aldehyd
Aldehyder er en form for endestillede ketoner, da de kun findes i enden af kulbrintekæder. Aldehyderne kan lave de samme bindinger og interaktioner i target, som ketonerne kan, men de bruges sjældent i lægemidler, fordi de nemt bliver oxideret til carboxylsyrer. Dette skyldes, at aldehyder er mere reaktive end ketoner, fordi aldehyderne har et hydrogenatom, -CHO, som midlertidigt kan blive fjernet, og det har ketoner ikke.

Figur 5. Aldehyd

Carboxylsyre

Carboxylsyrer indeholder to oxygenatomer. Det ene af de to oxygenatomer er bundet i en OH-gruppe, mens det andet oxygenatom er dobbeltbundet til det karbonatom, hvortil OH-gruppen er bundet. Det dobbeltbundede oxygenatom kaldes for carbonyldelen af carboxylsyren. En carboxylsyre kan afgive en hydron (H+), også kaldet en proton, hvorfor der netop er tale om en syre. Denne egenskab gør, at gruppen kan blive negativt ladet, og i denne tilstand kaldes gruppen for en carboxylation. Denne evne kan være med til at gøre et lægemiddel mere effektivt. Hvis target indeholder en positiv ladning, kan der dannes en ionbinding mellem target og lægemiddel, hvis det har en negativ ladning. Udover ionbindinger, vil en carboxylsyre også være i stand til at fungere både som en HBD og en HBA. Ved blodets pH-værdi (ca. 7,4) vil carboxylsyren være ioniseret, altså en carboxylation og her er carboxylsyren en speciel stærk HBA.

 

Figur 6. Carboxylsyre


Ester
En ester indeholder udover en carbonylgruppe endnu et oxygenatom, som er bundet med en enkeltbinding til et karbonatom samt til carbonylgruppen. En ester kan fungere som en HBA via begge oxygenatomer. Det dobbeltbundede oxygenatom er det, der er bedst, fordi det ”stikker” ud fra molekylet. Estre bliver ofte brugt til midlertidigt at skjule andre funktionelle grupper såsom carboxylsyrer, når et lægemiddel skal optages i kroppen. Når stoffet er blevet optaget i kroppen, vil kroppen splitte esteren op til en carboxylsyre og en alkohol, så den rette funktionelle gruppe er til stede i lægemidlet. Dette vil blive uddybet dels i artiklen ”Lægemidlets vej gennem kroppen”, dels i artiklen ”Optimering af lægemidlet”.

 

Figur 7. Ester

Ether

En ether, indeholder et oxygenatom, som er bunde til to karbonatomer midt inde i en kulbrintekæde. Denne gruppe kan fungere som en HBA.

 


Figur 8. Ether

Funktionelle grupper indeholdende nitrogen

Amin
Den mest simple og mest anvendte funktionelle gruppe med nitrogen er aminen. Aminers struktur kan sammenlignes med strukturen af ammoniak. Aminer kan både sidde inde i kulbrintekæden, men kan også være endestillede. De endestillede aminer består af et nitrogenatom, der er bundet til et karbonatom og til to hydrogenatomer. Disse kaldes for primære aminer, da de kun er bundet til ét karbonatom. Aminer, der er placeret inde i kæden, kan både være sekundære og tertiære. Den sekundære amin er bundet til to karbonatomer, mens den tertiære amin er bundet til tre. Aminer kan virke som HBD, hvis nitrogenatomet er bundet til et hydrogen, og som HBA via nitrogenatomets ledige elekronpar.

 

Figur 9. Aminer


Amid
Amider har et oxygenatom, der er dobbeltbundet til et karbonatom. Til dette karbonatom er der også bundet et nitrogenatom. Amider er de grupper, der danner peptidbindinger, som sætter aminosyrer sammen til proteiner. Amider kan fungere både som HBA og HBD (men er ikke virkelig gode til det).

 

Figur 10. Amid

Heterocycliske ringe

Som beskrevet iartiklen "Organisk kemi og lægemidler", findes der ringsystemer der kaldes aromatiske ringe, når der er tre dobbeltbindinger i en seksleddet ring. Disse aromatiske ringe kan, hvis de er tilstede i et lægemiddel lave Van der Waals interaktioner med target. Nitrogen kan også være en integreret del af forskellige ringsystemer. Disse kaldes for heterocykliske molekyler. Som helhed kan ringsystemet være en del af en hydrofobisk interaktion, hvor nitrogenet nogle gange kan fungere som HBA. Udover nitrogen kan oxygen og svovl også være en del af et heterocyklisk molekyle.



Figur 11. Heterocycliske ringe

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  



Nukleofiler er elektronrige molekyler, der kan donere et elektronpar, fx OH- og Cl- 
Elektrofiler er elektronfattige molekyler, der kan acceptere et elektronpar.
Et transition state er en tilstand, hvor bindingen til reaktanten er delvist dannet, og bindingen til det dannede produkt er delvist ødelagt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




Ammoniak

Ammoniak