Angewandte Chemie

Breite, uninterpretierbare Banden in Festkörper-NMR-Spektren gehören längst der Vergangenheit an. Neue Implementierungen von Methoden wie Magic-Angle-Spinning, Kreuzpolarisation, hetero- und homonucleare Ent- und Wiedereinkopplung etc. ermöglichen die Aufnahme von Spektren mit „flüssigphasenähnlicher“ Auflösung und machen darüber hinaus die für Festkörper charakteristischen Anisotropieparameter zugänglich.

Altbekannte Verbindungen wiederentdeckt: Calciumphosphate wie der polykristalline Fluorapatit (Bild oben) sind weit verbreitete anorganische Mineralien, die auch biologisch gebildet werden. Dieser als Biomineralisation bezeichnete Prozess wird jedoch bisher noch nicht vollständig verstanden. Ein umfassenderes Verständnis der Struktur, Bildung und Auflösung von Biomineralien würde zu einer verbesserten Behandlung von z. B. Knochenerkrankungen durch Endoprothesen (Bild unten) führen. Die biologische und medizinische Bedeutung der Calciumphosphate wird aus dem Blickwinkel eines Chemikers beleuchtet und an Beispielen erläutert.

Die Erforschung des Ursprungs der Chiralität führt zu der Beschäftigung mit selektiven und atomökonomischen Synthesen von enantiomerenreinen Molekülen aus nichtchiralen Ausgangsverbindungen. Neue Entwicklungen in der asymmetrischen Photochemie (als Beispiel siehe die photochemische cis-trans-Isomerisierung unter Bildung von chiralem (E)-Cycloocten 1) und Photochirogenese mit einem besonderen Schwerpunkt auf der absoluten asymmetrischen Synthese werden beschrieben.

Ein großer Forscher, Kommunikator und Mensch: Max Perutz, der 1962 den Nobelpreis für Chemie zusammen mit John Kendrew für bahnbrechende Arbeiten zur Aufklärung der Struktur von Hämoglobin und Myoglobin erhielt, war ein begnadeter Chemiker und Leiter des äußerst erfolgreichen Laboratoriums für Molekularbiologie in Cambridge. Vor allem aber war er ein freimütiger und großzügiger Mensch, der jedermann ohne Unterschied mit dem gleichen Respekt begegnete.

Gerichtete Fällung von Kieselsäure wird bei dem Zellwandaufbau von Diatomeen (Kieselalgen) durch Polyamine (siehe Bild) und Peptide vermittelt. Diese organischen Matrices, die die Biomineralisierung zum amorphen SiO₂ artspezifisch lenken, waren erst nach Flusssäureaufschluss der Kieselschalen zugänglich.

Im Set wirkungsvoll und ergiebig: Die stereo- und chemoselektive Olefin-Kreuzmetathese kann als ein selektives und effizientes Reaktionsset eingesetzt werden, das zu den gleichen Produkten führt wie die selektive C-H-Aktivierung und allylische Oxidation (siehe Schema für ein Beispiel). Damit steht ein aktiveres Katalysatorsystem zur effizienten Synthese von funktionalisierten Produkten ausgehend von leicht zugänglichen Olefinen zur Verfügung. Cy=Cyclohexyl.

Selbsterkennung der Ligandenchiralität führt zur Bildung einer propellerförmigen supramolekularen Kapsel durch vollständig stereospezifische Selbstorganisation, die durch ein starres chirales Tris(oxazolin) als tris(einzähniger) Ligand und Ag^I-Ionen mit tetraedrischer Koordinationsumgebung ausgelöst wird (die Struktur eines helicalen Komplexes ist gezeigt).

Die katalytische Aktivität und die Enantioselektivität der zur Deracemisierung von D,L-α-Methylbenzylamin eingesetzten Aminoxidase (siehe Schema) wurden durch Methoden der In-vitro-Evolution erhöht. Das Verfahren liefert α-Methylbenzylamin in 77 % Ausbeute und mit 93 % ee.

Ein neues Hilfsmittel für Hochdurchsatz-Untersuchungen von Kohlenhydrat-Protein-Wechselwirkungen: Maleinimid-verknüpfte Kohlenhydrate wie 1 werden an Thiol-derivatisierten Glasträgern immobilisiert und die Mikrospots anschließend mit Fluorescein-markierten Lectinen untersucht (siehe Bild). Die Bindung der Lectine an die Kohlenhydrate auf dem Träger hängt von der Konzentration der immobilisierten Kohlenhydrate und von der Länge des Spacers ab.

Im Dampf leuchtend: Im Acetonitril- oder Ethanoldampf wird bei einem zweikernigen Platin(II)-Komplex eine beträchtliche Farb- und Lumineszenzverschiebung beobachtet (siehe Schema), die auf die Anwesenheit der solvatisierten organischen Moleküle zurückzuführen ist.

Bis zu zwei oder vier Elektronen werden bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht und in Gegenwart von Triethylamin in den Komplexen P bzw. Q reversibel gespeichert. Darauf aufbauend könnten Photokatalysatoren entwickelt werden, mit denen sich Substrate in einer konzertierten Multielektronenreduktion umsetzen lassen.

Stabile Zwischenstufe: Die Pyrrolcarbinole 2, die in Ausbeuten von 76–95 % bei der Reaktion von N-Acylpyrrolen 1 mit Grignard-Reagentien und Hydriden entstehen [Gl. (1)], sind derart stabil, dass sie sich für die chromatographische Aufreinigung und weitere synthetische Umsetzungen eignen.

Biomimetische Totalsynthese: Für die asymmetrische Synthese der Angiogenese-Inhibitoren (+)-Epoxychinol A und B wurde zunächst durch eine hoch stereoselektive HfCl₄-vermittelte Diels-Alder-Reaktion von Furan und dem chiralen Acrylatester des Corey-Auxiliars das Epoxid 1 hergestellt. Im Weiteren wurde mit oxidativer 6π-Elektrocyclisierung und anschließender Diels-Alder-Reaktion des unprotonierten Monomers der postulierte Biosyntheseweg der Epoxychinole nachgeahmt (siehe Schema).

Von der Größe hängt es ab: Durch Selbstorganisation von Glycodendrimeren, die sowohl einen Liganden als auch eine selbstorganisierende Gruppe enthalten, werden nichtkovalente Nanopartikel gebildet. Optimale Partikelgrößen werden mit der zweiten und dritten Generation erreicht, größere Dendrimerspezies zeigen weniger effiziente Selbstorganisation. Es sind die Nanopartikel, nicht die einzelnen Moleküle, die sowohl in vitro als auch in vivo als polyvalente Rezeptorhemmer wirken (siehe Schema).

Immer noch eine Herausforderung ist die Bestimmung der molekularen Zusammensetzung von flüssigem Schwefel. Mit einem quantenstatistischen Modell konnte nun gezeigt werden, dass der flüssige Schwefel unterhalb der Temperatur der λ-Umwandlung hauptsächlich als cyclisches Molekül S_8c (siehe Struktur) vorliegt, begleitet von Spuren anderer Ringe wie S_7c, S_6c, S_9c, S_10c und S_12c.

Das inverse Quadrupolmoment der Phenyl- und Pentafluorphenylreste des abgebildeten nichtwasserstoffverbrückten künstlichen Basenpaares führt zu starken intramolekularen Stapelwechselwirkungen in Oligonucleotidduplexen. Je mehr dieser neuartigen Basenpaare eingebaut werden, desto größer wird die thermodynamische Stabilität des entsprechenden Duplexes, wenn sie alternierend angeordnet sind.

Nur ein einziges Aminosäuremuster (das GGG(A)X-Motiv) in Hydrolasen bestimmt deren Aktivität gegenüber tertiären Alkoholen. Über einen Sequenzvergleich konnte eine Reihe von aktiven Lipasen und Esterasen identifiziert werden, die die Umsetzung von Acetaten verschiedener tertiärer Alkohole effizient katalysieren (siehe Schema). Damit ist nun der Zugang zu dieser wichtigen Verbindungsklasse für die organische Synthese sowie zu Geruchs- und Aromastoffen möglich. Hydrolasen, die das alternative GX-Motiv tragen, sind inaktiv.

Die intramolekulare Knüpfung von C-C-Bindungen auf Basis einer Titanocen-katalysierten Epoxidringöffnung führt selektiv zu tri- und tetrasubstituierten Alkenen (siehe Schema). Damit steht eine effiziente Synthesemethode für diese bislang nur schwer zugänglichen Verbindungsklassen zur Verfügung.

Ungebremste Mobilität: Der Angriff des tert-Butylkations an Benzol führt zu einem π-Komplex, dessen Stabilität der des σ-Komplexes ähnelt. Die häufig verwendete Schreibweise für reale oder vermutete π-Komplexe (siehe Bild) verdeutlicht hier die Beweglichkeit des Kations entlang der Benzol-Peripherie: Die Position des Kations über dem delokalisierten π-Elektronengürtel kann nicht festgelegt werden.

Das ehrgeizige Ziel der Nanobiowissenschaften ist die Kombination der Funktionalität und Stabilität nanostrukturierter anorganischer Festkörper mit der strukturellen Vielfalt und den selbstorganisierenden Fähigkeiten biochemischer Moleküle. Wie die Ligandenhülle der Nanopartikel aufgebaut sein muss, damit eine stabile und spezifische Konjugation mit Biomolekülen erfolgt und die chemischen Eigenschaften von Nanoteilchen und Biomolekülen aufeinander abgestimmt sind, wird hier am Beispiel von Avidin-konjugierten Gold-Nanopartikeln beschrieben (siehe Bild).

Immer näher rückt die Einzelmolekül-Sequenzierung, denn es stellte sich heraus, dass das E.-coli-Enzym Exonuclease III die prozessive sequenzielle Hydrolyse von DNA katalysiert, deren einer Strang an jedem Pyrimidinrest mit einem Rhodaminfarbstoff markiert ist. Die Aktivität dieses außergewöhnlichen Enzyms wurde durch quantitative Fragmentlängenbestimmung charakterisiert.

Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft: Zintl-Ionen können zum Aufbau komplexer Strukturen mit interessanten elektronischen Eigenschaften eingesetzt werden. Die Reaktion von Ge₉-Ionen mit elementarem Quecksilber führt zu dem gezeigten Polymer [HgGe₉]²⁻, das in Form des K[2.2.2]Cryptand-Salzes strukturell charakterisiert wurde.

Zwei plus zwei plus zwei mal zwei: Mit einer doppelten Cobalt-katalysierten Cycloisomerisierung ließen sich geeignete Hexaine in die Kohlenwasserstoffe 1 und 2 überführen. Diese haben laut Röntgenstrukturanalyse eine deutlich helicale Topologie, doch ihre Enantiomerisierungsbarrieren sind niedriger als die der Helicene.

Sechs der Cyclobutadienringe im gewinkelten [8]Phenylen und [9]Phenylen 1 entstehen bei der neuartigen Cobalt-katalysierten dreifachen Cyclisierung geeigneter Nonaine. Diese gespannten Produkte sind die größten bekannten Phenylene und konfigurativ ungewöhnlich labil. Ihre Synthese ermöglichte eine erste Abschätzung der Eigenschaften des hypothetischen Polyheliphens.

Die Carbaminierung von Alkinen wird durch eine Pd⁰-Cu^I-Dimetallspezies katalysiert. Die Pd⁰-Spezies wird als Vorstufe eines π-Allylpalladium-Intermediats eingesetzt, und die Cu^I-Zentren wirken gegenüber den CC-Bindungen als Lewis-Säuren. Mit diesem Katalysator gelingt die Synthese von Indolen aus Isocyanaten und Allylcarbonaten (siehe Schema).

Eine Möglichkeit, den Syntheseaufwand zu reduzieren, der mit FRET-basierten Techniken zur Proteasenanalyse und -charakterisierung verbunden ist, wird hier vorgestellt. Die Proteasen-vermittelte Spaltung fluoreszenter Peptide, die an ein Dendrimer gebunden sind, führt zu einer starken Zunahme der Fluoreszenz (siehe Schema).

Durch die Kombination elektrostatischer Wechselwirkung mit kovalenter Bindung wurden schichtweise Filme mit niedermolekularen Chromophoren erhalten. Mit einem gängigen, kommerziell erhältlichen roten Farbstoff waren auf diese Art nichtzentrosymmetrische Filme zugänglich (siehe Schema), die eine zweite Harmonische erzeugen (rot→grün), wobei die χ⁽²⁾-Werte bis zu 11.3×10⁻⁹ esu betragen, d. h. sechsmal so groß sind wie der von Quarz.

Verstärkte nichtlineare optische Eigenschaften werden bei einem löslichen dimeren Indium-Phthalocyanin(Pc)-Komplex beobachtet, der als Lewis-Base-Addukt stabilisiert wird. Die In-Zentren liegen etwas außerhalb der makrocyclischen Ringebenen, und die Pc-Liganden sind bezüglich der In-In-Achse um 14.5° gekippt (siehe Bild). Der In-In-Abstand wurde durch EXAFS-spektroskopische Messungen zu 3.24 Å bestimmt.

Zuckermimetika: In einer SmI₂-vermittelten Radikalreaktion können 1,2-Anhydrozucker durch Kreuzkupplung mit Aldehyden und Ketonen unter sehr milden Bedingungen und mit diversen Schutzgruppen unter Bildung von C-Glycosiden in guten Ausbeuten umgesetzt werden (siehe Schema; A=ohne Protonenquelle, B=in Gegenwart von Wasser).

Ringerweiterung an Arinen: Die Addition von Harnstoffderivaten an Arine führt mit mäßigen bis hohen Ausbeuten zu sieben- und achtgliedrigen Stickstoffheterocyclen (siehe Schema; R=Alkoxy, Alkyl, Aryl). Eine ausgezeichnete Regioselektivität wird mit meta-substituierten Arinen erhalten, mit para-substituierten entsteht ein Regioisomerengemisch.

Pyrazolate koordinieren ungewöhnlich: Der neue μ-η²:η¹-Bindungsmodus, der in [Sc₂(Ph₂pz)₆] 1 (Ph₂pz=3,5-Diphenylpyrazolat) auftritt, sowie das erste Beispiel einer einzähnigen η¹-N-Koordination eines Pyrazolats an ein Lanthanoidzentrum in dem Komplex [Nd(η²-Me₂pz)₂(η¹-Me₂pz)(Me₂pzH)₂py)] 2 (Me₂pz=3,5-Dimethylpyrazolat; py=Pyridin) werden beschrieben.

Sicher und effizient zu ¹Δ-O₂: Durch Gas-Feststoff-Reaktionen von Alkalimetallperoxiden mit Halogenwasserstoffen ist Singulett-Delta-Sauerstoff nun leicht zugänglich [Gl. (1)]. Das Verfahren umgeht das in flüssiger Phase störend auftretende Quenching und kommt ohne das instabile, in der Handhabung riskante Wasserstoffperoxid/Chlor-System aus.

Kationen kontrollieren Dendrimer-Aufbau: Durch die Wechselwirkungen von [18]Krone-6-funktionalisierten dendritischen Strukturen mit Bisammoniumionen als Templat werden supramolekulare Dendrimere aufgebaut. Den Abbau löst die Zugabe von Kaliumionen aus, wobei das verkapselte Templat kontrolliert freigesetzt wird (siehe Schema).

Phosphat aus Phosphit: Die Oxidation von Phosphit zu Phosphat durch die Phosphit-Dehydrogenase (PtxD) ist thermodynamisch stark begünstigt, ein Vorzug, der die Anwendung des Enzyms in der Cofaktor-Regenerierung ermöglicht. Durch Deuteriumaustausch in D₂O sind markierte Phosphite für die Herstellung von deuterierten Produkten zugänglich.

Stehen nicht nur auf Metallionen: Speziell entwickelte Liganden aus der Tris(pyrazolyl)borat-Familie bilden mit protonierten Aminen Wirt-Gast-Komplexe (siehe Bild). Die ebenfalls beschriebenen kationischen oktaedrischen Metallkomplexe folgen einem alternativen Prinzip aus der Biologie, dem zufolge sich eher die Gast- als die Wirtmoleküle präorganisieren.

Synthese von (±)-Strychnin in zwölf einfachen Stufen: Zum quantitativen Aufbau des Fünfrings wird zunächst ein [3.3]Cyclophan hergestellt, das anschließend in einer transannularen Diels-Alder-Reaktion mit inversem Elektronenbedarf reagiert. Der Fünfring lässt sich leicht in das Rawal-ABCEG-Intermediat überführen, sodass ausgehend von Tryptamin (±)-Strychnin in insgesamt zwölf Stufen zugänglich ist (siehe Schema).

Tolerant zu empfindlichen Gruppen: Durch Kupfer-Halogen-Austausch mit (Me₃CCH₂)₂CuLi (Neopent₂CuLi) oder (PhMe₂CCH₂)₂CuLi (Neophyl₂CuLi) lassen sich gemischte Organocuprate auch in Gegenwart von Aldehyd- oder Ketofunktionen synthetisieren (siehe Schema), wobei der sterische Anspruch der Neopentyl- und Neophylgruppen für die Chemoselektivität ausschlaggebend ist. Die Methode eröffnet einen allgemeinen Zugang zu polyfunktionalisierten Organocupraten.

Primäre Alkylradikale lassen sich hoch effizient und zuverlässig aus Alkylallylsulfonvorstufen erzeugen. Diese können effektiv für zinnfreie radikalische C-C-Verknüpfungen eingesetzt werden, darunter Cyanierungen, Vinylierungen und Allylierungen (siehe Schema; V-40=1,1′-Azobis(cyclohexan-1-carbonitril).

Chiralität ein- und ausschalten: Durch reversible Kettenbildung ist es möglich, zwischen achiralen planaren Pd^II-verknüpften Ringen, die eine Pentakis(m-phenylen)-Einheit enthalten, und einem chiralen Catenan mit Doppelhelix-Konformation umzuschalten (siehe Bild). Die molekulare Chiralität wird durch ein chirales Auxiliar am Metall in das Catenan eingeführt.

Reaktionen mit Verzweigungspunkten führen zu einer großen Produktvielfalt. Hier wurden ausgehend von leicht zugänglichen Homoallylalkoholen durch eine neuartige Ringschlussreaktion eines Alkinboronsäureesters in nur zwei Stufen dreifach substituierte Allene und funktionalisierte Enone hergestellt (siehe Schema; Mes=2,4,6-Trimethylphenyl, Cy=Cyclohexyl).

Grenzen der Olefinmetathese neu definiert: Da sich die Coleophomone B 1 und C 2 allein in der Konfiguration der Δ^16,17-Doppelbindung unterscheiden, war die Ringschlussmetathese die Methode der Wahl für ihren Aufbau, bei dem zunächst eine konvergente Synthesestrategie verfolgt wurde. Erst in einer späteren Phase gabelte sich der Weg zu entweder 1 oder 2.

Eine A→ABC- (oder A→ABCD-)Ringbildungs-Strategie erweist sich als äußerst effizient für den Aufbau substituierter Carbazole [Gl. (1); Ts=Tosyl]. Diese werden durch inter- und intramolekulare Alkincyclotrimerisierungen, vermittelt durch den Wilkinson-Katalysator, aufgebaut, was diese Reaktion bedeutsam für die Natur- und Wirkstoffsynthese macht. Die hierzu benötigten Diine werden durch Kombinationen von Sonogashira- und N-Ethinylierungsreaktionen in wenigen Stufen erhalten.

Ein vollkommen selektiver Zugang zur Triquinan-Familie, der von einem hochgespannten Cycloundecadienin-Gerüst ausgeht, wird beschrieben. Welches Produkt entsteht – natürliches Protoilludan A oder lineares Triquinan B – wird dabei ausschließlich durch die Stellung des Radikalstarters zur Propargyleinheit bestimmt (siehe Schema; BMDMS=(Brommethyl)dimethylsilyl, TBS=tert-Butyldimethylsilyl).

Auch auf komplizierte Fälle, die ursprünglich nicht abgedeckt waren, sind die Regeln des von-Baeyer-Systems zur Benennung polycyclischer Verbindungen nun anwendbar. Dies ist einer erweiterten Fassung der ursprünglichen Regeln zu danken, die in der IUPAC-Empfehlung vorgestellt wurde, die dieser Übersetzung zugrunde liegt. Die Übersetzung soll die neuen Regeln nicht nur breit bekannt machen, sondern sie wurde zugleich genutzt, um Unklarheiten und Unstimmigkeiten des Originals zu bereinigen.