Angewandte Chemie

Die Aktivierung von Kohlendioxid ist heute eine der größten Herausforderungen in der Katalyse. CO₂ ist ein ubiquitärer und billiger C₁-Baustein für die Synthese verschiedener Grund- und Feinchemikalien, wird als Reaktant in der industriellen Synthese jedoch verhältnismäßig selten eingesetzt. Die Umwandlung von CO₂ zu Säuren, Estern, Lactonen und Polymeren mit molekularen Übergangsmetallkatalysatoren ist eine künftige Alternative für seine Verwendung. B. Rieger, F. E. Kühn et al. stellen die derzeitigen Katalysatoren und Produkte in ihrem Aufsatz auf S. 8662 ff. vor.

Stickstoffatome im Hexacengerüst stabilisieren die entstehende Verbindung beträchtlich im Vergleich zum entsprechenden reinen Kohlenwasserstoff. In ihrer Zuschrift auf S. 8747 ff. beschreiben U. H. F. Bunz und Mitarbeiter die Synthese eines Tetraaza- und eines Hexaazahexacens durch die Pd-katalysierte Kreuzkupplung eines geeigneten Diaminoanthracen- oder Diaminophenazin-Derivats mit Dichlorchinoxalin. Die erhaltenen Materialien sind interessant im Hinblick auf Anwendungen in der organischen Elektronik.

Die Decarboxylierung von Aryl-, Allyl- und Alkyl-Metallcarboxylaten ist aufgrund der leichten Zugänglichkeit von Carbonsäuren ein attraktiver Ansatz zur Erzeugung der entsprechenden Organometallverbindungen. In der Zuschrift auf S. 8773 ff. berichten A. Studer et al. über hoch stereospezifische decarboxylierende Palladierungen von 2,5-Cyclohexadien-1-carbonsäuren. Anschließende stereoselektive Arylierung führt zu optisch aktiven arylierten Cyclohexadienen.

„Mein Motto ist: Unterrichte Studenten so, wie du gerne unterrichtet worden wärst. Wenn ich mir mein Alter aussuchen könnte, wäre ich 47. Es hat keinen Sinn, sich über die vergangene Zeit zu ärgern …“ Dies und mehr von und über Paul Floreancig finden Sie auf Seite 8618.

John Wiley & Sons, Hoboken 2010. 428 S., geb., 149.00 €.—ISBN 978-0470749869

Wiley-VCH, Weinheim 2011. 470 S., geb., 139.00 €.—ISBN 978-3527323579

Reaktion und Gegenreaktion: Tetracycline sind wirksame Antibiotika gegen ein breites Spektrum von Mikroorganismen – eine Schattenseite dieses Erfolgs ist aber die Entwicklung bakterieller Resistenzen, was im Gegenzug die systematische Suche nach neuen Tetracyclin-Analoga ausgelöst hat. In den letzten Jahren wurden einige Methoden entdeckt, die Zugang zu einer Bandbreite von Tetracyclinderivaten ermöglichen.

Gratwanderung: Jüngere Fortschritte bei Alkinmetathese-Katalysatoren beruhen auf der Entwicklung maßgeschneiderten Liganden, die einerseits die Aktivität der Katalysatoren und andererseits ihre Beständigkeit verbessern (siehe Schema; M=W, Mo; R=CR′, N). Wichtige Kriterien sind die Elektrophilie und die Substrat-Bindestellen am Übergangsmetallzentrum.

Verantwortlichkeit in den Naturwissenschaften in Bildung und fachlicher Praxis umzusetzen, damit Wissenschaftler ethischen Herausforderungen nicht länger wegen der geringen Kenntnis entsprechender Konzepte aus dem Weg gehen und das Vorsorgeprinzip kategorisch ablehnen, ist nach Meinung der Autoren eine zentrale Herausforderung, um eine friedliche und zugleich freigeborene Entfaltung des Individuums in einer wohlwollenden Gesellschaft zu erreichen, im fairen Geben und Nehmen. Welche Wege dahin führen können, wird sowohl anhand grundsätzlicher Überlegungen als auch an konkreten Beispielen wie einem Kurs in angewandter Ethik für Chemiestudenten und einem Förderprojekt im Kongo erläutert.

Großartig, aber wie heißt das noch gleich? Die asymmetrische Organokatalyse wurde erfolgreich in eine Vielzahl von mehrstufigen Eintopf-Sequenzen implementiert (siehe Bild; A–G sind Reagentien). In diesem Kurzaufsatz wird ein Klassifizierungssystem für die systematische Beschreibung von Eintopf-Reaktionen vorgestellt. Ausgewählte Beiträge aus dem Gebiet der organokatalysierten Eintopf-Reaktionen werden gemäß diesem neuen System besprochen.

Erneuerbare Kohlenstoffquellen wie Kohlendioxid sind von enormem Interesse für den Zugang zu industriell wichtigen Chemikalien wie Ameisensäure, Salicylsäure, Harnstoff und (Poly-)Carbonaten. Dieser Aufsatz beschreibt die Verwendung von CO₂ als C₁-Rohstoff sowie seine Umwandlung mithilfe molekularer Übergangsmetall-Homogenkatalysatoren.

Vor 100 Jahren entdeckten Pictet und Spengler die nach ihnen benannte Kondensationsreaktion zwischen Arylethylaminen und Aldehyden, die sich zur wichtigsten Methode für die Synthese von Alkaloidgerüsten entwickelt hat. Effiziente enzymatische und nichtenzymatische Methoden sind für diese Reaktion heute verfügbar.

Nanoskiving ist eine einfache und kostengünstige Methode zur Nanofertigung, die es ermöglicht, Nanostrukturen aus Materialien und in Formen zu erstellen, für die herkömmliche Methoden der Nanofertigung ungeeignet sind. Der Vorgang besteht aus drei Stufen: 1) Auftragen eines dünnen Films auf ein Epoxidharz; 2) Einbetten dieses Films in einen Epoxidharzblock und 3) Aufteilen des Epoxidharzblocks in dünne Scheiben mithilfe eines Ultramikrotoms.

Das Zuckerbrot-und-Peitsche-Prinzip wurde auf die Selektion enantioselektiver Esterasevarianten aus einer Mutantenbibliothek übertragen und mit Zellsortierung kombiniert. Die durch gerichtete Evolution generierte Diversität lässt sich nun leicht mit diesem Hochdurchsatzsystem erschließen. Gemäß dem Selektionskonzept ergibt die Hydrolyse von 1 Glycerin, das das Bakterienwachstum unterstützt, während das Produkt der Hydrolyse von 2 zum Zelltod führt.

Stickstoff stabilisiert Hexacene: Tetraazahexacene (siehe Bild; grau C, weiß H, blau N, braun Si) können einfach und in guten Ausbeuten hergestellt werden. Die modulare Synthese dieser Acene ermöglicht die Einführung beliebiger Substituenten durch die Wahl geeigneter Chinoxalin-Derivate.

DNA-Schablone für niedermolekulare Verbindungen: Durch Klick-Reaktionen wurden Steroidanaloga mit DNA verknüpft und über ternäre DNA-Komplexe bivalent präsentiert. Die räumliche Rasterung des Östrogenrezeptors zeigte den Abstand zwischen den gebundenen Liganden auf und gab Hinweise auf eine zweite hydrophobe Bindungsstelle. Das Bild zeigt einen DNA(schwarz)-Raloxifen(orange)-Komplex in der Ligandenbindungsdomäne des Rezeptors.

Künstliche Modelle der natürlichen SNARE-Proteine, bestehend aus den nativen Linkern (hellblau/grau) und Transmembrandomänen (TMDs) von Synaptobrevin (Syb, violett) und Syntaxin-1A (Sx, orange) sowie einem Peptidnucleinsäure(PNA)-Erkennungsmotiv, haben die Möglichkeit zur antiparallelen (siehe Bild) oder parallelen Orientierung der interagierenden Stränge. Die Systeme induzieren die Hemi- und zum Teil die Doppelschichtfusion von Phospholipidvesikeln.

Zucker kann's auch: Viele Proteine bilden thermodynamisch reversibel Oligomere durch nichtkovalente Wechselwirkungen, die die Funktion der Proteine maßgeblich bestimmen. Erstmals wird nun die Bildung definierter Oligomere einer Klasse von Polysaccharidderivaten, den 6-Desoxy-6-aminocellulosen, beschrieben. Die Oligomerisierung wurde durch Ultrazentrifugations-Experimente belegt.

Metallfrei: Eine atomökonomische, umweltverträgliche und organokatalytische Methode zur intramolekularen C-H-Aminierung wurde entwickelt. Die Bildung der C-N-Bindung findet bei Raumtemperatur durch Abstraktion von zwei Wasserstoffatomen statt, mit Essigsäure und Wasser als Begleitprodukten. Darüber hinaus wurde die Methode auf die zuvor noch nicht beschriebene metallfreie Kreuz-C-H-Aminierung von nichtaktivierten Arenen ausgeweitet.

Eine der größten Hürden für weitere Fortschritte bei der nichtwässrigen Li-O₂-Batterie (links im Bild) bildet der Elektrolyt. Zwar ermöglichen etherbasierte Elektrolyten beim ersten Entladen die Bildung von Li₂O₂, allerdings tritt, wie nun gezeigt wurde, auch eine Zersetzung auf, die mit dem wiederholten Laden und Entladen zunimmt, während die Li₂O₂-Bildung abnimmt, wie unter anderem durch Röntgenbeugung (Mitte) und IR-Spektroskopie (rechts) nachgewiesen wurde.

Keinen Seitenwechsel, bitte! Die Titelreaktionen verlaufen über hoch stereospezifische 1,3-Metallwanderungen. Die dabei eingesetzten Carbonsäuren sind über eine Birch-Reduktion leicht zugänglich, und das neue Protokoll bietet einen einfachen Zugang zu enantiomerenreinen 5-Aryl-1,3-cyclohexadienen (siehe Schema).

Lange Ketten brauchen länger: Ausgehend von ω-Arylalkanolen führt eine atomökonomische Route zu α,ω-Diarylalkanen, wobei je nach der Länge der Alkylkette eine oder zwei Stufen benötigt werden. Die Reaktionsfolge umfasst die Bildung von β-Methylhydroxy-α,ω-diarylalkanen durch Dehydrierung und β-Alkylierung sowie eine anschließende Dehydrierung und Decarbonylierung.

Acylierung mit Additiv: Bei der Titelreaktion, einer Kondensation von Carbonsäuren mit Ketensilylacetalen (siehe Schema), wird dem Additiv (MeO)₃SiH eine wichtige Rolle zugeschrieben. Die Umsetzung ist kompatibel mit verschiedenartigen funktionellen Gruppen, darunter auch Alken-, Alkin-, Chlorid-, Alkohol-, Ester- und Nitrofunktionen.

Hoch stereokontrolliert verlief die Totalsynthese der Titelverbindung, in der eine Reaktion mit einem chiralen N-Acylpyridinium-Salz, eine neuartige, durch Trifluoressigsäureanhydrid vermittelte Addition eines Allylstannans an ein vinyloges Amid sowie eine allylische Tsuji-Trost-Aminierung und eine Ringschlussmetathese für den Aufbau des zentralen Gerüsts genutzt wurden. TIPS = Triisopropylsilyl.

Ein Reagens namens IDSI, [(Et₂SI)₂Cl⋅ SbCl₆], löst eine sorgsam entworfene Reaktionskaskade aus, die den zentralen [3.2.2]Bicyclus beider Zielverbindungen, 1 und 2, in einer einzigen stereokontrollierten Operation liefert. Auf dem weiteren Weg zu den Naturstoffen wurden Spannungsenergien genutzt.

Die Reaktion von ionischen Flüssigkeiten mit Dicyanamid-Ionen mit Salpetersäure hat eine hypergole Zündung und die Bildung eines stabilen Niederschlags zur Folge. Dieser besteht aus cyclischen Triazinen, darunter Melamin und seine Polymere wie Melam und Melem (siehe Schema). Diese Studie führt einen neuen Syntheseansatz für cyclische Azine ein, der hohe Temperaturen und Drücke umgeht.

Angehobenes HOMO: 2,4-Dienale reagieren mit Nitroalkenen in Trienamin-katalysierten asymmetrischen Diels-Alder-Reaktionen (siehe Schema). Entscheidend ist die Anhebung des Dien-HOMO durch die Einführung entsprechender Substituenten. Die Reaktion zeigt eine ungewöhnlich hohe Enantioselektivität sowie exo-Selektivität; die endo-Addition ist vermutlich durch die im Schema dargestellte elektrostatische Abstoßung benachteiligt.

Weiche Riesen, harte Zwerge: Mithilfe von AFM-Nanoindentierung wurde demonstriert, dass sich die mechanischen Eigenschaften millimeter- und nanometergroßer organischer Cokristalle vor, während und nach einer Einkristall-zu-Einkristall-[2+2]-Photodimerisierung von Olefinen verändern; millimetergroße Kristalle werden infolge der Photoreaktion 40 % weicher, entsprechende Nanokristalle hingegen 40 % härter.

Auf die eine oder andere Weise: Die Titelreaktion nichtaktivierter C-H-Bindungen mit Arylaminen wird untersucht (siehe Schema; dba=Dibenzylidenaceton, Tf=Trifluormethansulfonyl). Durch Einstellen der sterischen Eigenschaften des Substrats kann entweder das C-N-Kreuzkupplungsprodukt oder das C-H-Aminierungsprodukt selektiv erhalten werden.

Die Oxidation von Benzol zu Phenol mit Sauerstoff und Wasser erfolgte in Gegenwart des 3-Cyano-1-methylchinoliniumions als Photokatalysator unter Normalbedingungen (siehe Bild). Der Reaktionsmechanismus wurde durch Detektion des π-dimeren Benzolradikalkations, das beim lichtinduzierten Elektronentransfer von Benzol zum Photokatalysator entsteht, und durch Beobachtung der Reaktion von Radikalkationen mit Wassermolekülen aufgeklärt.

Die asymmetrische allylische Substitution von Allylphosphaten mit Aryl- und Alkenylboronsäureestern mit dem Kupferkomplex eines N-heterocyclischen Carbens als Katalysator liefert die γ-Substitutionsprodukte mit hohen Enantioselektivitäten (siehe Schema). Ein vorgeschlagener Katalysezyklus erklärt den beobachteten Einfluss der Reaktionsparameter.

Zwei Nobelkupplungen: Drei und vierfach alkylierte Olefine wurden auf folgendem Weg erhalten (siehe Schema): Einer Zirconocen-vermittelten Carbometallierung von 1-Alkinylboronaten folgten mehrere C-C-Bindungsbildungen mithilfe von Negishi- und Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungen, bei denen Alkylzinkreagentien mit β-H-Atomen und Alkylelektrophile als Kupplungspartner dienten.

Base und Säure bilden zusammen den Katalysator für die Titelreaktion, die diastereoselektiv und hoch enantioselektiv tetracylische Strukturen mit drei Stereozentren liefert (siehe Schema; Ts=4-Toluolsulfonyl). Mit dieser Reaktion wurde das Grundgerüst von (+)-Kreysiginin aufgebaut.

Vergissmeinnicht: Die Einführung von Nanopartikeln verbessert üblicherweise die mechanischen Eigenschaften von Polymeren auf Kosten ihres Formgedächtnisses. Ein neuer Ansatz löst dieses Problem durch Vernetzen von funktionalisierten Poly(ethylenglycol)-Gruppen auf Siliciumdioxid-Nanopartikeln (siehe Bild).

Nur reduziert aktiv: Chirale Metall-organische Gerüste (CMOFs) mit redoxaktiven Ruthenium-Salen-Bausteinen gehen eine reversible Reduktion und Oxidation im Einkristall ein. Nicht katalytisch aktive Ru^III-CMOFs (grün) wurden zu Ru^II-CMOFs (rot) reduziert, die hoch diastereo- und enantioselektive Cyclopropanierungen von Alkenen vermitteln.

Gemischtvalente Eisenhexacyanide (Fe^III, Fe^II und Preußischblau) können Teile eines NaCl-Kristalgitters unter Bildung fester Lösungen ersetzen. Die Mikrokristalle wurden durch ein speziell entwickeltes elektrochemisches Rasterverfahren mit einer Mikrokapillare (SECM) erhalten. Konfokale Raman-Spektren können in situ ohne Kontakt mit einer Flüssigkeit aufgenommen werden. WE=Arbeitselektrode, RE/CE=Referenz-/Gegenelektrode.

Dünnhäutig: Die Solvatisierung eines metallischen Nanopartikels in der ionischen Flüssigkeit [C₄C₁im][Ntf₂] wurde in einer Molekülsimulation mit einem spezifischen Wechselwirkungspotential untersucht. Die Grenzflächenschicht der ionischen Flüssigkeit hat eine Dicke von nur einem Ion, wodurch Stabilisierungsmechanismen auf Basis einer elektrostatischen Doppelschicht ausgeschlossen sind.

Starker Stoff: Ein neues Herstellungsverfahren für biomimetische Nanokomposite nutzt maßgeschneiderte Proteine (grüne und blaue Strukturen), Graphenschichten (blaue Flächen) und Cellulose-Nanofasern (grau). Diese Komponenten bilden ein Verbundmaterial, dessen bemerkenswerte mechanische Eigenschaften auf die adhäsiven Matrixproteine zurückzuführen sein könnten.

Ein reversibler Biosensor gibt Auskunft über den Phosphorylierungszustand des Volllängen-Substratproteins STAT3, indem er genetisch 7-Hydroxycumarin in dessen Phosphotyrosin-Bindetasche einbaut (siehe Bild). Eine starke Zunahme der Fluoreszenz mit charakteristischen Emissions- und Anregungseigenschaften tritt bei Phosphorylierung von STAT3 in vitro und endogen in Zellkernextrakten auf.

Innere Werte: Das Titanosilicat-Molekularsieb ETS-10 enthält TiO₃²⁻-Quantendrähte (QWs) unterschiedlicher Länge und lokaler Dichte entlang der [110]- und [10]-Richtung (siehe Bild). Eine Analyse eines Kristalls durch Laser-unterstütztes Raman-mikrospektroskopisches Abrastern zeigt, dass die QWs darin nicht gleichmäßig verteilt sind, sondern ein symmetrisches Muster bilden.

Reduzierte Umstände: Eine vom Co⁺-Ion induzierte H-Brücke wurde mit theoretischen Methoden identifiziert (siehe Bild). Sie spielt eine zentrale mechanistische Rolle bei der proteininduzierten Feinabstimmung des Co²⁺/Co⁺-Redoxprozesses, einem verbreiteten katalytischen Ereignis bei Methyltransferasen und Adenosyltransferasen.

Nützliche Kontakte: Eine neue Methode zur Erzeugung regulärer Muster bietet Zugang zu anisotropen, „gefleckten“ Mikrokügelchen. Ein kolloidaler Kristall wird mit einem Polymer beschichtet, das ausschließlich die Kontaktstellen zwischen den Partikeln maskiert. Die maskierten und unmaskierten Bereiche können anschließend mit zwei verschiedenartigen Proteinen (grün/rot) markiert werden.

Einblick in Zellen: Genmanipuliertes, markiertes Ferritin wurde verwendet, um Nanopartikel mit Köder- (B) und Beutemolekülen (P) in Zellen herzustellen (siehe Bild). Wechselwirkungen zwischen Köder- und Beutemolekülen induzieren die Anordnung der Nanopartikel zu Nanoclustern. Dieser phänotypische Signalprozess mit einem kleinen Molekül als induzierbarer Schalter wurde genutzt, um Wechselwirkungen in lebenden Zellen direkt abzubilden.

Eine Schlinge für Integrine: Lassopeptide sind eine Klasse stabiler bakterieller Peptide, deren einzigartige Merkmale sie vielversprechend für das Wirkstoff-Design machen. Die Übertragung des Epitops des Integrin bindenden Motivs RGD auf die Lassostruktur von Microcin J25 überführt das verknotete Peptid in einen nanomolaren Integrin-Antagonisten (siehe Bild). Künstliche Lassopeptide können also zur Präsentation von Pharmakophoren verwendet werden.

Einblick ins Peptid: Für das antimikrobielle Peptid Thurincin H wurde eine Modifizierung nach der Translation vermutet. Eine MS/MS-Sequenzierung identifizierte nun die modifizierten Reste, und NMR-spektroskopische Studien in Lösung ergaben eine 3D-Struktur für Thurincin H, in der vier S-C_α-Thioether-Brücken auftreten (gelb im Bild). Diese Struktur könnte auch für einige andere Bacteriocine mit identischer Masse bedeutsam sein.

Silicium-Nanospalten wurden in situ überbrückt, indem 4-Ethinylbenzaldehyd zur Aktivierung der Elektroden aufgepfropft und diese Beschichtung mit 2,6-Diaminoanthra-9,10-chinon verbunden wurde. Die verbrückten Strukturen weisen bei 1 V Ströme von 11–14 nA auf. Der Prozess lässt sich durch Wässern in einer angesäuerten Lösung umkehren, wodurch der Strom abnimmt.

Eingeschränkter Zugang zu DNA: (Triethylsilyl)ethinyl-modifiziertes 7-desaza-dATP kann durch Primer-Verlängerung oder Polymerase-Kettenreaktion mit KOD XL-Polymerase in DNA eingebaut werden. Die Silylethinyl-geschützte DNA ist gegenüber der Spaltung durch Restriktionsendonukleasen (REs) wie RsaI stabil (siehe Abbildung). Erst nach der Umsetzung mit NH₃ kann die daraufhin ungeschützte DNA durch REs gespalten werden.

Polymere Zwiebel: Ein einfaches Herstellungsverfahren für mehrphasige monodisperse Emulsionstropfen in einem Mikrofluidiksystem wurde entwickelt. Die Tropfen entstehen beim Eingrenzen coaxialer Mehrphasenströme in Mikrokapillaren. Das durch den Kerntropfen ausgelöste Aufbrechen der Phasengrenzflächen führt zu Emulsionstropfen mit zwiebelschalenartigem Aufbau.

Molekulares Design kann für die Untersuchung genutzt werden, ob die Sekundärstruktur von parallelen β-Faltblättern einer längenabhängigen kooperativen Stabilisierung entlang der Strangausrichtung unterliegt (siehe Bild). Die Stabilität von parallelen β-Faltblättern wird durch die Verlängerung der Stränge durch Einführung von geeigneten Resten (B) stetig erhöht, während die Einführung von anderen Resten (A) diese Stabilisierung aufhebt.

An einer schwierigen Stelle für Ringschlüsse – der Spiroketaleinheit des Spirastrellolid-F-methylesters – wurde die Leistungsfähigkeit einer katalytischen Alkinspaltung und -aktivierung gezeigt (siehe Schema). Zudem wurde eine bessere Strategie für das Einführen der labilen Seitenkette entwickelt.

Wählerisch: Eine Familie nichtmakrocyclischer G-Quadruplexbinder mit alternierenden Oxazol- und Pyridinmotiven wurde hergestellt. Das gezeigte heptacyclische Derivat hat eine neuartige Bindungspräferenz für bestimmte Quadruplextopologien: Es erkennt exklusiv den humanen telomeren Quadruplex in Na⁺-, nicht aber in K⁺-Puffer. Dieses einzigartige Quadruplexbindungsprofil hängt stark von der Ligandengröße ab und könnte von Furchenwechselwirkungen herrühren.

Die zeitaufgelöste Lumineszenz-Bildgebung mithilfe von Lanthanoiden ist eine vielversprechende Technik. Eine neuartige Lanthanoid-Lumineszenzsonde (TPA-Eu) für ein β-Lactamase-basiertes Proteinmarkierungssystem (BL-tag) kann selektiv Zelloberflächenproteine (POIs) neben Autofluoreszenzsignalen sichtbar machen. Dadurch gelingt eine Bildgebung mit Serum.

Superkondensator: Über ein π-konjugiertes mikroporöses Polymer mit stickstoffhaltigem Gerüst wird berichtet. Das poröse Gerüst ist leitfähig und lässt Elektrolytionen aufgrund struktureller Merkmale in die Poren (siehe Bild). Das Material wird, wenn sich elektrostatische Schichten bei der Trennung der Ladungen bilden, stark kooperativ, liefert hohe Energiedichten und hat eine hervorragende Lebensdauer.