Angewandte Chemie

Die reichhaltige Chemie der Carbonsäuren als Substrate in übergangsmetallkatalysierten Reaktionen hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt, sodass die Nutzung nachwachsender Rohstoffe in einer neuen Generation organischer Syntheseverfahren möglich wird. Das Titelbild illustriert die Vielzahl von Verbindungsklassen, die aus Carbonsäuren zugänglich sind, und demonstriert deren großes Synthesepotenzial. In ihrem Aufsatz auf S. 3144 ff. liefern L. J. Gooßen et al. einen Überblick über dieses Gebiet und geben einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.

Ein spezieller Reaktor erhitzt nur einen kleinen Teil der Oberfläche einer Pd-Folie während einer Suzuki-Miyaura-Reaktion, wie C. M. Crudden et al. in der Zuschrift auf S. 3324 ff. berichten. Die Herauslösung von Pd erfolgt nur in der erhitzten Zone und nur in Gegenwart des Aryliodids. Mithilfe von SEM und XPS wurde die Oberfläche vor und nach der Reaktion untersucht. Die weit von der erhitzten Zone entfernten Bereiche bleiben glatt (linkes SEM-Bild), während sich am Rand dieser Zone wieder Pd abscheidet (rechtes SEM-Bild).

Synthetische Schleusen: Der Einschub von amphiphilen, geladenen Homo-, Pfropf- oder Blockcopolymeren in Lipidmembranen ist eine Methode zur Bildung von definierten Membranporen. Neuere Erkenntnisse zu den Mechanismen der Porenbildung werden diskutiert; das Bild zeigt als Beispiel den „Teppich-Mechanismus“ für den Einschub von amphiphilen Pfropfpolymeren in eine Membran.

Kupfer macht den Unterschied: Seit der Wiederentdeckung der kupferkatalysierten Ullmann-Reaktionen vor einigen Jahren konnten bereits wichtige Ziele erreicht werden. Zu den wesentlichen aktuellen Fortschritten auf diesem Gebiet zählt die enantio- und chemoselektive Arylierung von Nucleophilen (Nu) unter Verwendung eines Kupferkatalysators (siehe Schema).

Immer mehr Beachtung finden übergangsmetallkatalysierte Verfahren, bei denen Carbonsäurederivate als Substrate wirken. Beispiele, die in diesem Aufsatz vorgestellt werden, sind Synthesen von Estern, Vinylestern, Biarylen, Vinylarenen, Aldehyden und Ketonen. Dabei wird besonders auf die Bedeutung dieser Verfahren für eine nachhaltige Synthesechemie eingegangen.

Als Basen und Zuschauerliganden haben heterocyclische Carbene (siehe Schema) erhebliche Bedeutung in der organischen Synthese und der metallorganischen Chemie erlangt. Durch Variation der Ringgröße sowie der Heteroatome lassen sich die Eigenschaften der Carbene und ihrer Metallkomplexe über einen weiten Bereich einstellen.

Moleküle in Ketten: Die konformative Beweglichkeit eines Moleküls kann eingeschränkt werden, indem man es in einem [2]Rotaxan mit einem Makrocyclus umgürtet (siehe Schema), der eine bestimmte Form erzwingt. Nach schnellem Abkühlen wird der Ring durch einen Laserpuls entfernt. Ein derart ausgeformtes Molekül lässt sich mit hochauflösender Elektronenanregungsspektroskopie charakterisieren.

Anpassungsfähig: METAMORPhos-Liganden sind eine Klasse von flexiblen und adaptiven wasserstoffverbrückten mehrzähnigen Phosphorliganden mit Sulfonamidfunktion. Die selektive Bildung von Rhodiumkomplexen mit zwei unterschiedlichen METAMORPhos-Liganden (siehe Schema), die ein ungewöhnliches kinetisches Verhalten zeigen, führt zu einem neuartigen Mechanismusvorschlag. Die Komplexe sind hoch reaktiv und katalysieren die enantioselektive asymmetrische Hydrierung von Alkenen.

Ein Weg zu sauberen Motoren: Die Konzentration eines chemischen Systems, das ein Azobenzolderivat enthält, kann zyklisch durch Licht variiert werden, und diese Schwankungen lassen sich ihrerseits in kontinuierliche Arbeit umsetzen. Die zyklische Konzentrationsänderung des Systems resultiert aus einer lichtgesteuerten Selbstorganisation/Dissoziation.

Silberschrauben: Eine Cobalt(I)-katalysierte Triin-Cyclotrimerisierung mit anschließender Aromatisierung durch MnO₂ unter Mikrowellenbestrahlung schließt eine praktische Synthese von Diaza[5]helicenen und Aza[6]helicenen ab. Die Aza[6]helicen-Enantiomere wurden getrennt, die Energiebarriere für die Racemisierung bestimmt und Röntgenstrukturanalysen an Silberkomplexen ausgeführt (siehe Bild; Cp = C₅H₅, OTf = Triflat).

Gebändigte Kraft: Ein photoaktivierbares cyclisches Peptid, das auf einer Oberfläche verankert ist, kann die zeitlich und örtlich definierte Anlagerung von Zellen bei Bestrahlung mit λ=351 nm bewirken. Das inaktive Peptid bindet nicht an Integrin, während die aktivierte Form nach der Bestrahlung effizient die Zelladhäsion vermittelt, wie das Mikroskopiebild von Zellen auf einer Oberfläche belegt, die durch eine Maske in 100 μm breiten Streifen belichtet wurde.

Die Bindung an Plasmaproteine verbessert die pharmakokinetischen Eigenschaften anderenfalls kurzlebiger Moleküle. Ein niedermolekularer Albuminbinder wurde genutzt, um die Halbwertszeiten zweier verbreiteter Kontrastmittel im Blutkreislauf zu erhöhen. Die Verbindung steigert die Leistungsfähigkeit von Fluorescein bei der angiographischen Analyse der Netzhaut im Mausmodell (siehe Bild).

Durchschuss: Guanidinium-Phosphat-Wasserstoffbrücken haben einen spürbaren Einfluss auf Struktur und Aktivität des antimikrobiellen Peptids PG-1. Festkörper-NMR-Daten zufolge ordnet sich eine Mutante von PG-1 mit zweifach methylierten Arg-Resten in der Membranebene an und dreht sich um deren Normale (siehe Schema). Die weniger aktive Mutante verletzt die Membran durch diese Bewegung, der aktivere Wildtyp von PG-1 bildet dagegen ortsfeste β-Fass-Strukturen, die ringförmige Membranporen öffnen.

Bis ans Limit: Werden CC-π-Bindungen durch Push-push-Substitution aufs Äußerste gespannt, so entstehen gebogene Allene (siehe Struktur; C türkis, N blau). In einem acyclischen Allen beträgt der CCC-Bindungswinkel nur noch 134.8°; das üblicherweise sp-hybridisierte zentrale Kohlenstoffatom nähert sich daher einer Konfiguration mit zwei freien Elektronenpaaren an und wirkt als sehr starker η¹-Donorligand für Übergangsmetallzentren.

Carbophile Lewis-Säuren können eine koordinierte π-Bindung nach einem Gleitmechanismus polarisieren. Eine Reihe stabiler Ylid- oder Enolat-Goldkomplexe von En-1,1-diaminen ahmt diese Eigenschaft nach und offenbart die außergewöhnliche Donorwirkung solcher elektronenreicher Olefinliganden. Zudem wird vom ersten Metallkomplex eines Tetraaminoallens berichtet; dieser enthält einen prototypischen, an ein Übergangsmetalltemplat gebundenen „Carbodicarben“-Liganden.

Perfekt verdrahtet: Hoch kristalline kolloidale PbS- und CdS-Nanodrähte wurden über den SLS-Mechanismus (solution–liquid–solid) an Bi-Nanopartikeln gezüchtet. Die Verwendung von Einkomponentenvorstufen könnte ein allgemeiner Ansatz für die Synthese von kolloidalen Halbleiternanodrähten sein.

Eine aerobe Alkoholoxidation mit anschließender regioselektiver reduktiver Kupplung von Styrolen und Arylboronsäureestern unter Palladiumkatalyse wurde entwickelt (siehe Schema). Der Mechanismus könnte mit der Oxidation des Lösungsmittels unter Bildung eines Palladium(II)-hydrids beginnen, das dann das Alken und den Arylboronsäureester über die neue C-C-Bindung verknüpft.

Besser als Lindlar und ohne Wasserstoff: Die Transferhydrierung interner Alkine in Gegenwart eines Palladium(0)-Katalysators mit N-heterocyclischem Carbenliganden ergibt Z-Alkene ohne Überreduktion zu den Alkanen (siehe Schema). Anders als bei den meisten bekannten Transferhydrierungen werden Ketone nicht reduziert. Somit wird der erste Katalysator für die hoch stereo- und chemoselektive Semihydrierung von Alkinen ohne Wasserstoffgas beschrieben.

Natriumdotiertes Calciumoxid wirkt als Heterogenkatalysator für die Beseitigung von N₂O durch Reaktion mit Ethan unter Bildung von H₂ und Ethylen. Die Ethylenausbeute und das H₂/C₂H₄-Verhältnis sind ähnlich wie bei der industriellen Dampfspaltung von Ethan. Der Prozess könnte bei der Produktion von Adipinsäure und Salpetersäure zur N₂O-Entfernung genutzt werden (siehe Bild).

Passgenau für zwei Metalle: Die Kombination aus Pd und La in einem Schiff-Base-Liganden führt zu einer anti-selektiven katalytischen asymmetrischen Nitroaldolreaktion (siehe Schema). Mithilfe des Heterodimetallkatalysators gelingen kurze Synthesen von β-Adrenozeptor-Agonisten.

Verdrillte Ether: Die Einführung eines sperrigen Alkylsulfinylsubstituenten ortho zur C-O-Achse eines Diarylethers erzeugt eine starke Konformationspräferenz (siehe Schema). Diese bleibt bei der Oxidation des Sulfoxids zum Sulfon erhalten, sodass eine thermodynamische Racematspaltung der Ether möglich wird. Damit gelang die erste enantioselektive Synthese eines atropisomeren Diarylethers, der nicht Teil eines Makrocyclus ist.

Phasenweise Polycyclen: Eine milde, direkte stereokontrollierte Route zu pharmakologisch aktiven Pyrazinoindol-1-onen wurde entwickelt. Der Ringschluss unter optimierten Phasentransferbedingungen liefert verschiedenartig funktionalisierte Verbindungen mit hoher Ausbeute und Enantioselektivität (siehe Schema; X=H, F, Cl, Me, OMe; Ar=Ph, β-Naphthyl; R′= tBu, Et, Me; R=Benzyl, para-Methoxyphenyl).

Kleine Ringe, große Ringe: Ein entscheidender Schritt bei der Totalsynthese von (+)-Neopeltolid war die intramolekulare Prins-Makrocyclisierung einer Aldehyd-Homoallylalkohol-Zwischenstufe (siehe Schema).

Trinkfeste Katalysatoren: Rhodiumamidkomplexe mit Sägebockstruktur sind hoch effiziente Katalysatoren für die Transferhydrierung von Ketonen und aktivierten Olefinen mit Ethanol als Wasserstoffdonor. Unter milden Bedingungen entstehen in dieser irreversiblen Reaktion Alkohole und Ethylacetat, und die Umsatzfrequenzen übersteigen teilweise 500 000 h⁻¹.

Jeckyll und Hyde: Das stabile Silylen 1 reagiert bei Raumtemperatur bereitwillig mit Acetylen zum 1,1-Addukt 2, während die gleiche Umwandlung bei −78 °C zum Silacycloprop-3-en 3 führt. Sobald 3 in der Reaktionsmischung ausreichend vorhanden ist, kann es seine Bildung sogar bei Raumtemperatur katalysieren. Sowohl die einfache C-H-Insertion eines Silylens in terminale Alkine als auch die autokatalytische Bildung von Silacycloprop-3-enen sind in der siliciumorganischen Chemie ohne Beispiel. R=2,6-iPr₂C₆H₃.

Proton ist nicht gleich Proton: Die stereospezifische Wechselwirkung des mikrobiellen Enzyms 4-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydratase mit den drei prochiralen Zentren seines Substrats 4-Hydroxybutyryl-CoA kann als anti-Eliminierung der 2Re- und 3Si-Wasserstoffatome mit Retention der Konfiguration während der Substitution der Hydroxygruppe durch Wasserstoff beschrieben werden. Die Resultate bestätigen die Verwandtschaft der Dehydratase zu den Acyl-CoA-Dehydrogenasen und weisen dem Fe₄S₄-Cluster die Funktion einer Lewis-Säure zu.

Wirkstoffe aus dem Meer: Drei neue Netropsin-artige Antibiotika (1–3) mit einer bisher unbekannten Furangrundstruktur wurden aus marinen Actinomyceten isoliert und ihre Struktur mithilfe von Massenspektrometrie und 2D-NMR-Spektroskopie aufgeklärt. Sie haben Antitumoraktivität und induzieren im Unterschied zu Netropsin eine Hochregulation von p53 und des Cyclinkinase-Inhibitors p21.

Jedes Atom zählt: Neue Daten zum adsorptionschromatographischen Verhalten einzelner Atome des Elements 112 bestätigen dessen metallischen Charakter in der Wechselwirkung mit einer Goldoberfläche ähnlich zu seinen Homologen Zn, Cd und Hg. Den experimentellen Resultaten zufolge hat Element 112 eine deutlich höhere Flüchtigkeit als die leichteren Homologen der Gruppe 12 des Periodensystems.

Als Präkatalysatoren für die ringöffnende Metathesepolymerisation mit UV-Licht wurden kationische Ru^II-Komplexe mit einem N-heterocyclischen Carbenliganden verwendet (siehe Molekülstruktur). Sie ermöglichen die Synthese von Polymeren in Lösung sowie die Oberflächenmodifizierung durch Polymerbeschichtung. Auf der Grundlage von Laserpulsradiolyse, NMR-Experimenten und quantenchemischen Rechnungen wird ein Mechanismus für den einleitenden Schritt vorgeschlagen.

Familiäre Verhältnisse: Die Pd-katalysierte Hydrierung der „isolierten“ CC-Doppelbindungen von Fe^II-koordiniertem Dibenzo[c,g]fluorenid bestätigt die elektronische Struktur dieses Liganden in metallorganischen Verbindungen, die mit der des Cyclopentadienids verwandt ist. Das entstehende 3,4,3′,4′-Tetrahydrodibenzo[c,g]fluorenid ist ein neuer chiraler Cyclopentadienidligand (Molekülstruktur des Fe-Komplexes siehe Bild).

Ein möglicher SARS-Wirkstoff wurde mithilfe von dynamischem Ligationsscreening (DLS) entwickelt. Beim DLS werden nucleophile Fragmente durch reversible Reaktion mit einem Aldehydinhibitor zum aktiven Zentrum des Proteins gelenkt. Ihre Inhibitorwirkung wird durch Konkurrenzexperimente mit einem fluorogenen Substrat bestimmt. So lassen sich Fragmente niedriger Affinität, die spezifisch an das aktive Zentrum eines funktionalen Enzyms binden, schnell identifizieren.

Eben war es noch da …: Mithilfe eines Miniaturreaktors, in dem ein kleiner Teil einer Palladiumfolie gezielt erhitzt werden kann, wurden die Veränderungen der Katalysatoroberfläche während der Suzuki-Miyaura-Kupplung beobachtet. Das Pd löste sich nur in der erhitzten Zone und nur in Gegenwart von Aryliodid auf, während die Ablagerung von Pd vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der erhitzten Zone stattfand. SEM- und XPS-Untersuchungen liefern Informationen über den Zustand der Pd-Oberfläche vor und nach der Reaktion.