Angewandte Chemie

Wie ein Uhrwerk: Durch eine organokatalytische Reaktionskaskade mit chiraler Abgangsgruppe lassen sich komplexe Molekülstrukturen effizient aufbauen. K. A. Jørgensen und Mitarbeiter beschreiben in ihrer Zuschrift auf S. 6976 ff. einen solchen Prozess mit natürlichem Vorbild, der zu 4,5-disubstituierten Isoxazolin-N-oxiden führte. Die Produkte sind vielseitige Bausteine für die De-novo-Synthese von Naturstoffen wie Ribophytosphingosin, Aminozuckern und hoch funktionalisierten α-Aminosäure-Derivaten.

Einen empfindlichen und selektiven kolorimetrischen Nachweis von DNA-Sequenzen beschreiben X. Liu et al. in der Zuschrift auf S. 6981 ff. Ihr Verfahren nutzt eine Kombination aus Endonuclease- Nicking-Reaktion und Nanopartikel-Amplifizierung und eignet sich beispielsweise zum Nachweis langer (z. B. 80-merer) Oligonucleotide mit Einzelbasen-Fehlpaarungs-Selektivität und einer 1000-mal besseren Amplifizierung, ohne dass komplizierte Verfahren angewendet werden müssen, die teure Geräte erfordern.

„Kurz gesagt gilt meine Forschung Biomaterialien sowie chemischen und biomedizinischen Technologien. Meine Arbeit ist bedeutsam, weil sie Menschen hoffentlich hilft, in besserer Gesundheit zu leben …“ Dies und mehr von und über Robert S. Langer finden Sie auf Seite 6890.

Wiley-VCH, Weinheim 2009. 543 S., geb., 149.00 €.—ISBN 978-3527319374

Maßschneider am Werk: Für Thiopeptidantibiotika konnte nachgewiesen werden, dass sie in vivo aus genetisch codierten linearen Peptidvorstufen durch zuvor unbekannte Modifizierungsenzyme synthetisiert werden. Diese Befunde stellen bisherige Vorstellungen zur Biosynthese solcher Verbindungen infrage und dürften weitere Erkenntnisse über die chemischen und biologischen Eigenschaften von Peptidnaturstoffen nach sich ziehen.

Carben als Schlüssel: Die Verwendung eines N-heterocyclischen Carbenliganden eröffnet den Zugang zum neutralen, oktaedrischen closo-Cluster 1, dem Prototyp einer neuen Klasse von Carben-stabilisierten Hauptgruppenmetallclustern. Quantenchemische Methoden sind erforderlich, um die Bindungsverhältnisse in solchen Clustern zu verstehen und systematische Zusammenhänge aufzudecken.

Ihre Störungstoleranz macht weiche Poly(N-isopropylacrylamid)-Mikrogele zu guten Kandidaten für die Synthese großer kolloidaler Kristalle; selbst stark abweichende Störteilchengrößen ergeben keine Gitterfehler (Bild: Kristall mit einem einzelnen, eingekreisten Störteilchen). Dieser Befund zusammen mit Fortschritten bei Kern-Schale-Mikrogelen mit anorganischen Kernen sollte es ermöglichen, mit diesen Materialien große fehlerlose photonische Kristalle herzustellen, die sogar eine durchstimmbare Bandlücke aufweisen könnten.

Radikale machen neue Reaktionspfade zugänglich (1→2 und 1→4), die Zweielektronenschritten verschlossen bleiben (1→3). Während 4 durch vorübergehende Einelektronenoxidation und zwei Deprotonierungen gebildet wird, erfordert die Addition von H₂O an 1 unter Bildung von 2 ein energiereiches Elektron als Cofaktor, das nach jeder Umsetzung rezykliert wird. Organiker nutzen nun dasselbe Prinzip, das die Natur wohl schon drei Milliarden Jahre zuvor erfunden hat.

Phagen und andere Viren können genetisch oder chemisch in einer Weise modifiziert werden, dass sie ein selektives Erkennungsmotiv für Analyte wie Explosivstoffe, Proteine, Bakterien, Sporen oder Toxine erhalten. Solche zielspezifischen Viren lassen sich auf einem Sensorchip verankern und in ein Analysesystem integrieren. Die Bindung des Analyts durch das Virus wird dann durch einen Signalwandler in ein Ausgabesignal umgewandelt.

Der Kreis schließt sich: Ammoniakboran ist ein potenzieller H₂-freisetzender Brennstoff. Aus Polyborazylen, einer Form des verbrauchten Brennstoffs, lässt sich durch schrittweise Zugabe von abbauenden und reduzierenden Reagentien in einem Eintopfprozess H₃B-NH₃ regenerieren. Ein besonderes Merkmal dieses Prozesses ist die Bildung von NH₃, das von einigen der Abbauprodukte fixiert wird.

Enzym ausgetrickst: Hochauflösende Proteinkristallographie zeigt, dass nichtnatürliche 1,2-Dihydro-1,2-azaborine in die unpolare Tasche des T4-Lysozyms L99A (siehe Bild) in einer Weise binden, die der Bindung ihrer „natürlichen“ All-Kohlenstoff-Isostere stark ähnelt. Die Studie belegt, dass 1,2-Azaborine in der biomedizinischen Forschung als Bor-haltige, hydrophobe Arenmimetika fungieren können.

Von einer T-förmigen DNA-Kreuzung zu unterschiedlichen DNA-Nanostrukturen (siehe Bild, Maßstab 100 nm): Mit dieser Technik wird eine größere Vielfalt an DNA-Nanostrukturen zugänglich, und man erhält gut definierte Formen für das Strukturdesign. Außerdem können diese Strukturen in einer Substrat-unterstützten Assoziation über die ganze Substratoberfläche wachsen.

Trägerfixierte Nanoplättchen bestehend aus einer Gold-Silber-Legierung (siehe Bild) wurden durch Abscheidung von Silber-Nanoplättchen auf einem Galliumarsenid-Wafer und anschließendes Überwachsen und Legieren mit der Goldkomponente synthetisiert. Die hohe spezifische Oberfläche der Nanoplättchen sorgt für eine hohe katalytische Effizienz dieses Materials.

Vereint erfolgreich: Eine rekombinante Dockingdomäne (blaues Band im Bild), kombiniert mit einem chemischen Sensor (grüne Sechsecke), liefert einen hochselektiven ERK-Sensor, der ERK1/2-Aktivität in nichtfraktionierten Zelllysaten nachweist, ohne dass Inhibitoren für Nicht-Zielkinasen gebraucht würden. Seine Selektivität und biophysikalischen Parameter ermöglichen eine Hochdurchsatzanalyse der ERK1/2-Aktivität ohne Enzymreinigung.

Verpackt, versandt und geliefert: Eine Methode wurde entwickelt, die den Inhalt wässriger Pfropfen, die in einer Ölphase immergiert sind, automatisch in eine wässrige Flussphase transferiert. Dies ermöglicht eine verdünnungslose Elektrospray(ESI)-Massenspektrometrieanalyse in der tröpfchenbasierten Mikrofluidik.

Ringelreigen: 3-Methyl-1-phenylphospholan-1-oxid (4–10 Mol-%) und ein als Reduktionsmittel fungierendes Organosilan sind die Hauptbestandteile der ersten bezüglich des Phosphans katalytischen Wittig-Reaktion. Das Verfahren bewährte sich auch in größerem Maßstab: Bei einem 30-mmol-Ansatz wurden 3.39 g Produkt erhalten, was einer Ausbeute von 67 % entspricht.

Prickelnd! Die enantioselektive palladiumkatalysierte decarboxylierende Alkylierung von Ketonenolaten verläuft über η¹-σ-Allylpalladium-Carboxylat-Komplexe wie 1 (Pd gelb, O rot, N blau, P violett) durch langsamen CO₂-Verlust. An Brausepulver erinnert das Verhalten unreiner Proben von 1, die im festen Zustand ein Gas (vermutlich CO₂) ausstoßen und in Lösung aufschäumen.

Einfach komplex: Eine neuartige organokatalytische Strategie mit chiralen Abgangsgruppen führt ausgehend von einfachen Startmaterialien schnell und effizient zu komplexen Molekülen. In einer organokatalytischen dreistufigen Eintopfreaktion wurden in hoher Ausbeute und Enantioselektivität 4,5-disubstituierte Isoxazolin-N-oxide erhalten, die Anwendung als vielseitige Bausteine für Naturstoffe fanden (siehe Schema).

Einzelstrang-DNA-Sequenzen lassen sich mithilfe eines Systems aus Nicking-Endonuclease und Nanopartikeln besser nachweisen (siehe Schema). Bestimmte Oligonucleotide sind binnen Stunden in Konzentrationen von nur 0.5 fmol kolorimetrisch detektierbar. Der Nachweis von DNA-Sequenzen mit einer abweichenden Base oder unterscheidlicher Länge ist auch möglich.

Hand in Hand: Zwei Paare von Iminodiessigsäure(Ida)-Einheiten wurden in das Leucin-Zippersegment des GCN4-bZIP-Proteins so eingebaut, dass sich die Ida-Einheiten eines jeden Paars an den Positionen i und i+2 befanden. Komplexbildung zwischen den Ida-Gruppen und Co^II bewirkte eine Destabilisierung der helicalen Struktur, was ein reversibles Schalten der Bindung des Proteins an die Zielposition AP-1 ermöglichte (siehe Bild).

Interessiert an Chiralität? Absolut! Eine absolute asymmetrische Synthese liegt vor, wenn es in Abwesenheit einer chiralen Spezies zu einem Symmetriebruch kommt. In einer rein geometrischen Methode für die enantioselektive Reduktion prochiraler Ketone wurde die passende Oberfläche eines achiralen Keton-Einkristalls dem Reduktionsmittel NaBH₄ ausgesetzt, wobei die relative räumliche Orientierung der achiralen Reaktanten die Händigkeit des Produkts festlegte (siehe Bild).

Seidenweich: CdSe-Nanoblätter (rechts) und lamellare zweidimensionale CdSe-Nanokristalle (links) mit nur 1.4 nm Dicke werden durch eine Kolloidsynthese erhalten. Der Aufbau der zweidimensionalen Nanokristalle lässt sich durch Variation der Wechselwirkung zwischen organischen Schichten in den weichen Templaten steuern. Eine Maßstabsvergrößerung ist leicht möglich, sodass mehrere Gramm des Produkts auf einmal erhältlich sind.

Bleib flexibel: 3D-Koordinationspolymere mit flexiblen Säulen (links im Bild) adsorbieren CO₂ hoch selektiv gegenüber N₂, H₂ und CH₄ (rechts im Bild), sind bis 300 °C thermisch stabil sowie luft- und wasserbeständig und ermöglichen eine effiziente CO₂-Bindung, -Speicherung und -Identifizierung.

Reaktionskaskaden, beispielsweise die Umwandlung des TMS-Epoxytetraens 1 in Verbindung 2 mit der tricyclischen Hirsutellon-Kernstruktur, gaben den Ausschlag bei der ersten Totalsynthese des antituberkulotischen Pilzmetaboliten Hirsutellon B. TMS=Trimethylsilyl, LA=Lewis-Säure.

Zweifaches Motiv: Bis(σ-Aminboran)-Rhodium-Komplexe mit neuartigem Bindungsmotiv (zwei Aminboranliganden) wurden hergestellt (siehe Bild; Rh gelb, P grün, B rosa, N blau). Die Komplexe gehen Dehydrokupplungen unter Bildung von di- und trimeren cyclischen Aminoborylprodukten ein.

Praktisch und sehr nützlich ist die Reaktion einfach zugänglicher (2-Chlorphenyl)acetylen- und Hydrazinsubstrate, die in wenigen Stunden unter sehr milden Reaktionsbedingungen zu substituierten 2H-Indazolen führt (siehe Schema; DMF=N,N-Dimethylformamid). Die katalysierte Dominosequenz umfasst eine regioselektive Kupplung mit anschließender intramolekularer Hydroaminierung und Isomerisierung der gebildeten exocyclischen Bindung.

Einheitliche Pd-Ikosaeder (siehe die TEM-Bilder) wurden in hoher Ausbeute in einem einfachen Polyol-Prozess synthetisiert. Durch Variieren der Reaktionsparameter lässt sich die Partikelgröße zwischen 15 und 42 nm einstellen. Scharfe Oberflächenkanten und eine hohe Dichte an Verzwillingungsgrenzen machen die Nanopartikel zu geeigneten Kandidaten für verschiedene Anwendungen, z. B. in der Katalyse.

In Plastik verpackt: Die Oberfläche einer auf einkristallinen Goldstäbchen abgeschiedenen polykristallinen Platinhülle kann mit organischen Molekülen kovalent funktionalisiert werden, wobei Au/Pt/PS-Nanostäbchen entstehen (siehe Bild, PS=Polystyrol), die in organischen Solventien löslich sind. Die aufgepfropften Polymerketten lassen sich elektronenmikroskopisch sichtbar machen und ¹H-NMR-spektroskopisch nachweisen.

Träges C-H zu attraktivem C-N: Ein neues Protokoll für die Pd-katalysierte intramolekulare direkte Amidierung von nichtaktivierten C(sp³)-H-Bindungen vereint C-H-Aktivierung und C-N-Bindungsknüpfung in einem effizienten Schritt. Unter den optimierten Bedingungen konnten zahlreiche Indoline in mitunter ausgezeichneten Ausbeuten erhalten werden (siehe Schema). Das Verfahren ist mit vielen funktionellen Gruppen verträglich.

In Reih und Glied: Mithilfe multifunktioneller Bausteine und einer Kombination verschiedener nanotechnologischer Oberflächenpräparationsmethoden wurden aus Lipo-Glycopolymeren neuartige biomimetische Zellmembranen konstruiert (siehe Schema; LB=Langmuir-Blodgett). Erstmals wurde die selektive photochemische Anbindung multifunktioneller polymerer Amphiphile mit definierter Ausrichtung der resultierenden supramolekularen Architekturen auf Metalloberflächen demonstriert.

Konformerentrennung: Stereoisomere komplexer Moleküle haben im Allgemeinen sehr unterschiedliche elektrische Dipolmomente bei gleicher Masse. Diese unterschiedlichen Dipolmoment-Masse-Verhältnisse können zur Trennung solcher neutraler Spezies mittels elektrischer Felder genutzt werden. Die erzeugten reinen Proben versprechen einzigartige Möglichkeiten für isomerspezifische und stereoselektive Untersuchungen.

Farbberatung: Mithilfe einer einfachen und allgemeinen Methode zum reversiblen Photoschalten kommerziell erhältlicher Alexa-Fluor- und ATTO-Farbstoffe aus dem gesamten sichtbaren Bereich wurde eine optische Auflösung von ungefähr 20 nm erreicht. Das Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten für die hochauflösende Mehrfarbenmikroskopie in fixierten und lebenden Zellen.

Fünfmal gut: Die Titelreaktion gelang an Katalysatoren auf der Basis triazinbasierter Polymere, die durch Trimerisierung von 2,6-Dicyanpyridin in einer ZnCl₂-Schmelze hergestellt wurden und Bipyridin-Struktureinheiten zur Koordination von Platin aufweisen. Die Katalysatoren zeigen hohe Aktivität und können leicht vom Reaktionsgemisch abgetrennt sowie mindestens fünfmal ohne signifikanten Aktivitätsverlust wiederverwendet werden.

Mit Bor kommt die Selektivität: Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), die mit Boroxid modifiziert wurden, katalysieren die oxidative Dehydrierung von Propan zu Propen mit einer beachtlichen Selektivität. Nanokohlenstoff könnte eine attraktive Alternative zu konventionellen Metalloxiden sein, da er eine grundlegende Untersuchung des Reaktionsmechanismus ermöglicht und eine nachhaltige Technologie für die chemische Verwertung von Alkanen bietet.