Het Anabolenboek

Willem Koert
Aede de Groot

Minsk, 22/7/2007

16. Esters, Enol-esters, Carbonaat-esters en Carbamaten

Aede de Groot, Willem Koert

Er is naast de prohormonen nog een groep preparaten die als een onwerkzame stof in het lichaam komt, waar enzymen ze omzetten in werkende anabole steroiden. We bedoelen dan in de eerste plaats esters van steroiden, maar ook acetalen, enol-ethers en gewone ethers vallen onder die categorie. We noemen die stoffen hier hormoonderivaten.

Het verschil tussen prohormonen en hormoon derivaten zit hem in de plaats van de enzymatische omzetting in het steroid. In prohormonen vindt de omzetting in een echt hormoon plaats door een enzymatische reactie aan het steroidskelet. In hormoonderivaten vindt de omzetting in een echt hormoon plaats door een vaak enzymatische reactie aan een substituent. Bij anabole steroiden is meestal de hydroxylgroep op C17-gederivatiseerd, soms is dat de hydroxylgroep of carbonylgroep op C3 en een enkele keer zit het derivaat ergens anders.

We behandelen de karakteristieke chemische en biochemische eigenschappen van hormoonderivaten zodat we kunnen begrijpen op welke manier het lichaam het derivaat omzet in het werkende anabool.

- Een enzym kan het derivaat omzetten in het vrije anabole steroid. Een esterase kan esters zoals testosteronpropionaat of nandrolondecanoaat in het lichaam omzetten in vrij testosteron of nandrolon.
- Een gewone chemische reactie kan het derivaat omzetten in het vrije anabole steroid. Maagzuur kan oraal ingenomen acetalen of enol-ethers hydrolyseren.

We zullen in dit hoofdstuk ingaan op de esters, in het volgende hoofdstuk zullen we de andere derivaten bespreken.

Chemische eigenschappen van carbonzuren en esters

Er zijn duizenden carbonzuren en alcoholen bekend. Alcoholen en carbonzuren kunnen op alle mogelijke manieren met elkaar reageren tot esters. Er komt ook een grote variatie aan esters voor in de natuur. We zullen daarom eerst aandacht schenken aan de naamgeving van carbonzuren, hun zouten en esters en aan hun meest karakteristieke reacties.

De carboxylgroep is de karakteristieke functionele groep van een carbonzuur (zie Schema 1). Eigenlijk is een carboxylgroep een combinatie van een carbonylgroep en een hydroxylgroep aan hetzelfde C-atoom. Omdat ze aan hetzelfde C-atoom zitten, is interactie tussen die twee groepen mogelijk. Daaraan dankt de carboxylgroep een geheel eigen karakter en reactiepatroon.

Een van de eigenschappen van de carboxylgroep is zijn zure karakter. Daarom heten verbindingen met een carboxylgroep ook carbonzuren. Als je een carbonzuur oplost in water, dan splitst het voor een deel in een carboxylaat en een proton (een H⁺) dat gebonden zit aan water (zie Schema 1). Gewone tafelazijn is een drie tot vier procent oplossing van azijnzuur (ethaanzuur) in water.

We kunnen het H-atoom van de carboxylgroep vervangen door een metaal-ion zoals natrium of kalium (Na⁺ of K⁺). Dan krijgen we een natrium- of kaliumzout van een carbonzuur. Het H-atoom van de carboxylgroep kan ook vervangen worden door een methyl- of ethylgroep of door een of ander gesubstitueerd C-atoom. Dan krijgen we een ester. In beide gevallen verandert de uitgang in de naam carboxyl in carboxylaat (zie Schema 1).

Schema 1

In Tabel 1 zijn de namen en de uitgangen van de eerste tien lineaire carbonzuren, esters en zouten weergegeven. Lineair betekent dat de koolstofketen niet vertakt is. Verderop in Figuur 1 zien we dat esters met vertakte en cyclische ketens of met aromaten ook voorkomen.

In Tabel 2 staan de namen van een aantal hogere vetzuren die in esters van anabole steroiden voorkomen.

De reactie van een carbonzuur met een alcohol geeft een ester en water. De reactie is een evenwicht, dus hij kan ook weer terug. Je kunt een ester weer hydrolyseren met water tot een carbonzuur en een alcohol. Het lichaam gebruikt deze laatste reactie om het werkende anabole steroid vrij te maken uit de ester. Esterases katalyseren die hydrolyse.

In Schema 2 hebben we de vorming en hydrolyse van de ester van azijnzuur met ethanol weergegeven. Daaronder staat de hydrolyse van de ester nandrolondecanoaat. De hydroxylgroep kan in een eenvoudige verbinding zitten, zoals in ethanol, of deel uitmaken van een groter molecuul zoals het steroid nandrolon. Het zuur kan eenvoudig zijn zoals azijnzuur, maar het kan ook een langere koolstofketen hebben zoals decaanzuur. Andere meer ingewikkelde structuren staan in de voorbeelden in Figuur 1 en Figuur 4 verderop.

Esterases komen voor in het bloed en in het spierweefsel. Ze zijn niet erg selectief. Ze accepteren veel verschillende steroidderivaten als substraat. Ze hydrolyseren dus veel verschillende esterderivaten van steroiden.

Schema 2

Esters van steroiden

In Figuur 1 hebben we de esters van testosteron bijeengebracht die op de markt zijn.

Figuur 1

In Figuur 2 hebben we de esters van nandrolon verzameld die op de markt zijn. Deze esters zijn van dezelfde aard als die van testosteron in Figuur 1. Saillant detail: er zijn dertien producenten van nandrolonesters, en daarvan komen er negen uit China, eentje uit India, eentje uit Italie, eentje uit Hongarije en eentje uit Nederland.

Figuur 2

Niet alleen testosteron en nandrolon zijn als esters te koop. In principe zijn er geen beperkingen. We geven een aantal voorbeelden in Figuur 3.

Figuur 3

Esters van 17-methyl-steroiden bestaan wel, maar je ziet ze niet veel op de markt. Methandrioldipropionaat (zie Figuur 3, rechts onderaan) is een van de weinige voorbeelden. Het is niet nodig 17-methylsteroiden om te zetten in een ester omdat ze van zichzelf oraal beschikbaar zijn en minder snel metaboliseren. Daarnaast is de tertiaire hydroxylgroep (zie hoofdstuk 12, Schema 3) in 17-methyl-steroiden meer sterisch gehinderd, waardoor hij moeilijker omzet in een ester. Esterases hebben ook meer moeite dat soort esters weer te hydrolyseren.

De structuur van de ester bepaalt de snelheid waarmee esterases kunnen hydrolyseren. Meer sterische hinder betekent in de regel een langzamer hydrolyse. Andere randvoorwaarden zoals vetoplosbaarheid, transport in het lichaam, kwetsbaarheid voor metabole omzettingen en patentmogelijkheden bepalen welke combinatie van steroid en carbonzuur bedrijven uiteindelijk als ester op de markt brengen.

In anabole preparaten vinden we soms ook mengsels van sneller en langzamer hydrolyserende esters, om snel na injectie en voor langere tijd een anabool effect te hebben. In Tabel 3 zijn een aantal mengsels van C17-esters van testosteron bijeengebracht die een eigen handelsnaam hebben gekregen.

In patenten en wetenschappelijke artikelen vind je veel esters van anabole steroiden die om een of andere reden nooit op de markt zijn verschenen. Hun anabole activiteit is vastgesteld, maar er is nooit iets mee gedaan. Om een indruk te geven van de vaak wat exotische structuren hebben we een aantal van deze esters verzameld in Figuur 4.

De structuren op de bovenste rij in Figuur 4 zijn gesynthetiseerd en getest om de invloed van sterische hinder op de hydrolyse snelheid van de esters na te gaan [1] [2]. In deze sterk gehinderde esters verloopt de hydrolyse inderdaad langzaam, maar hij treedt wel op. Het zijn lang-werkende anabole steroiden.

De structuur middenlinks is een vreemde eend in de bijt [3]. De 17-hydroxylgroep heeft eerst een halfacetaal gevormd met chloraal (of trichlooraceetaldehyde). De daardoor gevormde hydroxylgroep in het halfacetaal is daarna veresterd.

Ook de andere esters in Figuur 4 zijn gevormd met ietwat uitzonderlijke carbonzuren [4] [5] [6]. De anabole activiteit van de esters uit Figuur 4 is goed. De scheiding tussen anabole en androgene activiteit is vaak beter dan bij de steroiden alleen.

Figuur 4

Enol-ester- en dienol-esterderivaten

Bijna alle esters die op de markt zijn hebben de estergroep aan C17, maar het is natuurlijk ook mogelijk een ester te maken van een hydroxylgroep op C3. Het zou echter beter zijn als na hydrolyse van die ester niet een hydroxylgroep op C3 zou achterblijven maar een carbonylgroep. Dat is mogelijk met een enol-ester- of een dienol-esterderivaat van de C3-carbonylgroep.

In Hoofdstuk 14 hebben we al uitgelegd dat een enol bestaat uit een dubbele binding (-een) met daaraan een hydroxylgroep (-ol). Een dienol bestaat uit twee dubbele bindingen naast elkaar met aan eentje van die twee een hydroxylgroep. Als die hydroxylgroep is omgezet in een ester, dan krijgen we een enol- of een dienol-ester. In Schema 3 is een dienolester uitgeschreven van testosteron. De carbonylgroep op C3 enoliseert in de richting van de B-ring en de D⁴-dubbele binding schuift een plaatsje op.

In principe kunnen we met bijna elk carbonzuur een (di)enol-ester te maken, maar een acetaat is het eenvoudigst te synthetiseren. In de literatuur vind je een groot aantal dienol-acetaten van steroiden. Als we deze derivaten injecteren, dan kunnen esterases de ester weer langzaam hydrolyseren en zo eerst het dienol vrijmaken. Door een spontane evenwichtsreactie komt de 4-een-3-on structuur van testosteron daarna weer terug.

Het is mogelijk dat bij de synthese van een (di)enol-ester ook de hydroxylgroep op C17 verandert in een acetaat. Dit kunnen we wel voorkomen door daar eerst een geschikte beschermende groep op te zetten en die er later weer af te halen, maar dat kost twee extra reactiestappen en dus geld. Het is niet bezwaarlijk als er ook op C17 een ester zit, want esterases kunnen ook die ester hydrolyseren. We krijgen dan eigenlijk een dubbel derivaat waarin esterases twee esters moeten hydrolyseren om het werkende anabool vrij te krijgen (zie Schema 3).

Schema 3

In Figuur 5 staan een aantal dienol-esters waarvan de anabole activiteit al in de vijftiger en zestiger jaren van de vorige eeuw is vastgesteld en gepatenteerd. De 3-dienol-acetaten van 7a-methyl-testosteron-17-acetaat, het 7a,17a-dimethylderivaat en het acetaat daarvan zijn in een patent van Upjohn beschreven als bruikbare verbindingen met anabole, antiandrogene, antiestrogene en hypocholesterene activiteit [7] (zie Figuur 5). Upjohn had in 1956 al een aantal dienol-esters van nandrolon gepatenteerd, met een hoge en verlengde anabole werking en een goede verhouding tussen anabole en androgene activiteit [8] (zie Figuur 5).

Figuur 5

Schering heeft in 1965 een paar bijzondere dienol- en enolesters gepatenteerd die onderaan in Figuur 5 staan. De combinatie van het 3-butyraat-17-enantaat van 1-methyleen-5a-androst-2-een-3-enol (linksonder) en 17b-hydroxy-1-methyl-5a-androst-1-een-3-on geeft een snel en een langdurig anabool effect in ratten [9].

Het 1a,2a-methyleen-3-enol-diacetaat rechtsonder toonde een sterke anabole en een geringe androgene activiteit [10].

Carbonaat-esters en carbamaten

Carbonaat-esters zijn esters van koolzuur. Koolzuur zelf is een onstabiel zuur en ontleedt snel in kooldioxide en water. Beide hydroxylgroepen in koolzuur vormen esters, met dezelfde of met verschillende alcoholen.

Carbonaat-esters zijn wat stabieler dan gewone esters, maar ze zijn alleen stabiel als beide hydroxylgroepen van koolzuur veresterd zijn. Zodra eentje van de esters gehydrolyseerd is tot een hydroxylgroep, valt de overgebleven halfester spontaan uiteen in de tweede alcohol en kooldioxyde. (zie Schema 4).

Trenboloncyclohexylmethylcarbonaat is op de markt, de tweede alcohol aan het carbonaat wordt ook aangegeven met de naam hexahydrobenzyl. Esterases kunnen carbonaatester aan beide kanten hydrolyseren. In het trenboloncarbonaat gebeurt dit het gemakkelijkst aan de minst gehinderde cyclohexylmethylkant. Na spontane afsplitsing van kooldioxide komt het werkzame trenbolon vrij.

Schema 4

In patenten en in de literatuur vind je meer carbonaten. In Figuur 6 hebben we een aantal verzameld. Van testosteron en van nandrolon zijn de cyclohexylmethyl- [11] [12] en de adamantylcarbonaten [13] bekend. Ze zijn gesynthetiseerd en getest met dezelfde bedoelingen als de overeenkomstige gewone esters.

Figuur 6

Ook van andere steroiden dan nandrolon en testosteron kennen we carbonaten. Het 17a-decylcarbonaat van 7a,11b-dimethylnandrolon heeft een vijfmaal hoger activiteit dan methyltestosteron [14]. Ook het ethylcarbonaat van oxymetholon is gesynthetiseerd. Het heeft een activiteit dit vergelijkbaar is met die van oxymetholon zelf. Men neemt aan dat hier eerst hydrolyse optreedt en dat oxymetholon zelf de actieve stof is [15].

Een tweede soort koolzuur derivaat dat onderzocht is als derivaat voor steroiden zijn de carbamaten. Carbamaten zijn gemengde ester-amiden van koolzuur (zie Figuur 7). Ze vertonen een chemisch gedrag dat lijkt op dat van carbonaat-esters.

Figuur 7

Er zijn een aantal carbamaten bekend met een ‘bruikbare’ anabole activiteit [16]. Volgens de literatuur is het hele derivaat, dus het carbamaat zelf, actief. De verbinding hoeft niet eerst te hydrolyseren tot een kaal steroid. In ratten zijn wel enzymen gevonden die carbamaten kunnen hydrolyseren. Het is niet bekend of die ook bij mensen voorkomen.

[1] Rapala R.T., Kraay R.J., Gerzon K. J. Medicinal Chem. (1965) 8 580-583.
[2] Schibmer R.M., Dorfman R.I., Rooks W.H. J. Medicinal Chem. (1970) 13 952-956.
[3] Borrevang P. Deens patent DE 1114488 19611005.
[4] Kincl F.A., Dorfman R.I. Steroids (1963) 3 109-122.
[5] Van der Vies, Ger. Offen. DE 75-2553997.
[6] Doerner G., Kleinert E. Acta Biologica et Medica Germanica (1963) 11 77-85.
[7] Upjohn, Nederlands patent, NL 6604702 19661010.
[8] Upjohn, Engels patent, GB 755129 19560815.
[9] Mueller H., Neumann F., Wiechert E. (Schering), Artzneimittel-Forschung (1966) 16, 1515-1518.
[10] Wiechert R. (Schering) Duits patent DE 1187611 196550225.
[11] Roussel-UCLAF patent BE 615644.
[12] Roussel-UCLAF patent FR M2444 19640504.
[13] Boswell G.A. Zuid Afrikaans patent ZA 6706588 19680308.
[14] Blye R.P., Kim H.K. Patent No WO 2006083618.
[15] Evans D.D., Palmer P.J. Steroids (1965) 5 441-450.
[16] Fahrenholtz K.E., Bloomfield N.J. US patent 3 787 453.