Bir beta-laktam (β-laktam) halkası dört üyeli bir laktamdır.^[1] Bir laktam siklik bir amiddir ve beta-laktamlar, azot atomunun karbonile göre β-karbon atomuna bağlı olması nedeniyle bu şekilde adlandırılır. Mümkün olan en basit β-laktam 2-azetidinon'dur. β-laktamlar, birçok β-laktam antibiyotikte görüldüğü gibi ilaçların önemli yapısal birimleridir.^[2] 1970'e kadar β-laktam araştırmalarının çoğu penisilin ve sefalosporin gruplarıyla ilgiliydi, ancak o zamandan beri çok çeşitli yapılar tanımlanmıştır.^[3][4]

β-laktam halkası, başlıcaları penisilinler, sefalosporinler, karbapenemler ve monobaktamlar olmak üzere çeşitli antibiyotik ailelerinin çekirdek yapısının bir parçasıdır ve bu nedenle β-laktam antibiyotikler olarak da adlandırılırlar. Bu antibiyotiklerin neredeyse tamamı bakteriyel hücre duvarı biyosentezini inhibe ederek çalışır. Bunun bakteriler üzerinde öldürücü bir etkisi vardır, ancak herhangi bir bakteri popülasyonu tipik olarak β-laktam antibiyotiklere dirençli bir alt grup içerecektir. Bakteriyel direnç, β-laktam halkasını kıran bir enzim sınıfı olan β-laktamazların üretimi için birçok genden birinin ekspresyonunun bir sonucu olarak ortaya çıkar.^[5]

Çeşitli bakteri türlerinde 1.800'den fazla farklı β-laktamaz enzimi belgelenmiştir.^[6] Bu enzimler kimyasal yapıları ve katalitik etkinlikleri bakımından büyük farklılıklar göstermektedir. Bakteri popülasyonları bu dirençli alt gruplara sahip olduğunda, β-laktam ile tedavi, dirençli suşun daha yaygın ve dolayısıyla daha virülan hale gelmesine neden olabilir. β-laktam türevi antibiyotikler, en önemli antibiyotik sınıflarından biri olarak kabul edilebilir ancak klinik dirence yatkındır. β-laktam antibiyotik özelliklerini, penisilin bağlayıcı proteinler (PBP) olarak bilinen ve bakterilerin hücre duvarının peptidoglikan kısmını çapraz bağlama işlevine sahip bir grup enzim için doğal olarak oluşan d-Ala-d-Ala substratını taklit ederek gösterir.^[7]

β-laktam halkası, kolesterol emilim inhibitörü ilaç Ezetimib gibi diğer bazı ilaçlarda da bulunur.

İlk sentetik β-laktam 1907 yılında Hermann Staudinger tarafından anilin ve benzaldehitin Schiff bazının difenilketen ile [2+2] siklokatılma reaksiyonu sonucu hazırlanmıştır^[8][9] (Ph fenil fonksiyonel grubunu gösterir):

β-laktamların sentezi için birçok yöntem geliştirilmiştir.^[8][10][11]

Breckpot β-laktam sentezi,^[12] bir Grignard reaktifi kullanılarak beta amino asit esterlerinin siklizasyonu yoluyla sübstitüe β-laktamlar üretir.^[13] Mukaiyama reaktifi modifiye Breckpot sentezinde de kullanılır.^[12]

Halka gerginliği nedeniyle, β-laktamlar doğrusal amidlere veya daha büyük laktamlara göre daha kolay hidrolize olur. Bu zorlanma, çoğu β-laktam antibiyotikte bulunduğu gibi, ikinci bir halkaya füzyonla daha da artar. Bu eğilim, β-laktamın amid karakterinin sistemin aplanaritesi tarafından azaltılmasından kaynaklanmaktadır. İdeal bir amidin azot atomu rezonans nedeniyle sp²-hibritleşmiştir ve sp²-hibritleşmiş atomlar trigonal düzlemsel bağ geometrisine sahiptir. Piramidal bir bağ geometrisi, halka gerilmesi tarafından azot atomuna zorlandıkça, amid bağının rezonansı azalır ve karbonil daha keton benzeri hale gelir.

Nobel ödüllü Robert Burns Woodward, azot (tepe noktası olarak) ve üç komşu atomu tarafından tanımlanan trigonal piramidin yüksekliğinin bir ölçüsü olarak bir h parametresi tanımlamıştır. h, β-laktam bağının gücüne karşılık gelir ve daha düşük sayılar (daha düzlemsel; daha ideal amidler gibi) daha güçlü ve daha az reaktiftir.^[14] Monobaktamlar 0,05 ile 0,10 angstrom (Å) arasında h değerlerine sahiptir. Cephemler 0.20-0.25 Å arasında h değerlerine sahiptir. Penamlar 0.40-0.50 Å aralığında değerlere sahipken, karbapenemler ve klavamlar 0.50-0.60 Å değerlerine sahiptir ve β-laktamların hidrolize karşı en reaktif olanlarıdır.^[15]

• β-laktamların sentezi (İngilizce)