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Wie Proteine sich innerhalb weniger Millisekunden korrekt falten können, ist eine der fundamentalen Fragen in der Biochemie. Ein beim Faltungsprozess durchlaufener Übergangszustand ist der molten globule Zustand (MG Zustand), der sich unter bestimmten Bedingungen stabilisieren und untersuchen lässt. In diesem Zustand ähnelt die Sekundärstruktur dem nativen Zustand, während die Tertiärstruktur eher dem vollständig entfalteten Zustand entspricht. In dieser Arbeit wurde der MG Zustand am Beispiel des Maltose bindenden Proteins (MBP) untersucht. Dazu wurde MBP bei pH 3,2 im MG-Zustand stabilisiert und dies mittels Fluoreszenz Spektroskopie bestätigt. Die Abstände zwischen definierten Aminosäuren im MG Zustand wurden durch Spinlabels, die an gezielt mutierten Cysteinpaaren angebracht wurden, mittels Elektronenspinresonanz (EPR) gemessen und mit den Abständen derselben Aminosäuren im nativen Zustand verglichen. Anhand von sieben verschiedenen Doppelmutanten wurde die periphere Struktur mittels gepulster EPR analysiert, zwei weitere Doppelmutanten dienten dazu, die Struktur der molekularen Bindungstasche von MBP mittels CW EPR zu untersuchen. Die Anwesenheit von Maltose führte im MG Zustand zu einer deutlichen Veränderung der Abstände bestimmter Spinlabels in der peripheren Struktur. Dies deutet darauf hin, dass MBP Maltose sogar im MG Zustand binden kann. Durch isotherme Titrationskalorimetrie (ITC) wurde diese Vermutung bestätigt: die Ergebnisse zeigen jedoch, dass der Bindungsprozess zwischen MBP und Maltose im MG Zustand mit 11 fach geringerer Bindungsenthalpie erfolgt wie im nativen Zustand. Die Abstände der Spinlabel Paare neben der Bindungstasche von MBP unterschieden sich im MG Zustand vom nativen Zustand weder mit noch ohne Maltose. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass MBP im MG Zustand rund um die Bindungstasche bereits eine klar ausgebildete Tertiärstruktur besitzt. Um diese Befunde zu bestätigen, sollten nun Untersuchungen anhand weiterer Doppelmutanten und mittels empfindlicherer Messungen wie z.B. DQC durchgeführt werden.
Redox-neutral decarboxylative coupling reactions have emerged as a powerful strategy for C-C bond formation. However, the existing reaction conditions possess limitations, such as the coupling of aryl halides restricted to ortho-substituted benzoic acids; alkenyl halides were not applicable in decarboxylative coupling reaction. Within this thesis, the developments of Pd/Cu bimetallic catalyst systems are presented to overcome the limitations.
In the first part of the PhD work, a customized bimetallic PdII/CuI catalyst system was successfully developed to facilitate the decarboxylative cross-coupling of non-ortho-substituted aromatic carboxylates with aryl chlorides. The restriction of decarboxylative cross-coupling reactions to ortho-substituted or heterocyclic carboxylate substrates was overcome by holistic optimization of this bimetallic Cu/Pd catalyst system. All kinds of benzoic acids regardless of their substitution pattern now can be applied in decarboxylative cross-coupling reaction. This confirms prediction by DFT studies that the previously observed limitation to certain activated carboxylates is not intrinsic. The catalyst system also presents higher performance in the coupling of ortho-substituted benzoates, giving much higher yields than those previously reported. ortho-Methyl benzoate and ortho-phenyl benzoate which have never before been converted in decarboxylative coupling reactions, gave reasonable yields. These together further confirm the superiority of the new protocol.
In the second part of the PhD work, arylalkenes syntheses via two different Pd/Cu bimetallic-catalyzed decarboxylative couplings have been developed. This part consists of two projects: 2a) decarboxylative coupling of alkenyl halides; 2b) decarboxylative Mizoroki-Heck coupling of aryl halides with α,β-unsaturated carboxylic acids.
In project 2a, widely available, inexpensive, bench-stable aromatic carboxylic acids are used as nucleophile precursors instead of expensive and sensitive organometallic reagents that are commonly used in previously reported transition-metal catalyzed cross-couplings of alkenyl halides. With this protocol, alkenyl halides for the first time are used in decarboxylative coupling reaction, allowing regiospecific synthesis of a broad range of (hetero)arylalkenes in high yields. Unwanted double bond isomerization, a common side reaction in the alternative Heck reactions especially in the coupling of cycloalkenes or aliphatic alkenes, did not take place in this decarboxylative coupling reaction. Polysubstituted alkenes that hard to access with Heck reaction are also produced in good yields. The reaction can easily be scaled up to gram scale. The synthetic utility of this reaction was also demonstrated by synthesizing an important intermediate of fungicidal compound in high yield within 2 steps.
In project 2b, a Cu/Pd bimetallic catalyzed decarboxylative Mizoroki-Heck coupling of aryl halides with α, β-unsaturated carboxylic acids was successfully developed in which the carboxylate group directs the arylation into its β-position before being tracelessly removed via protodecarboxylation. It opens up a convenient synthesis of unsymmetrical 1,1-disubstituted alkenes from widely available precursors. This reaction features good regioselectivity, which is complementary to that of traditional Heck reactions, and also presents excellent functional group tolerance. Moreover, a one-pot 3-step 1,1-diarylethylene synthesis from methyl acrylate was achieved, where solvent changes or isolation of intermediates are not required. This subproject presents an example of carboxylic acids utility in synthesizing valuable compounds which are hard to access via conventional methodologies.