Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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Die Arbeiten im Rahmen des vorliegenden Projektes beschäftigen sich im Wesentlichen mit der Synthese neuartiger Liganden auf Pyrimidinbasis. Der Abstand zwischen dem aromatischen Grundgerüst und weiterer Donorzentren – hier Phosphane – wird dabei so angepasst, dass für die zu insertierenden Zentralmetalle kooperative Effekte erwartet werden können. Mögliche Anwendungen werden erprobt.
Schon jetzt durchlaufen mehr als vier von fünf chemischen Produkten bei der Herstellung einen Katalysezyklus. In zunehmendem Maße findet man katalytische Anwendungen neben dem Einsatz in der Synthesechemie auch in den Biowissenschaften, beim Klima- und Umweltschutz sowie zur Energieversorgung. Durch gezieltes Ligandendesign werden dabei kontinuierlich bekannte Katalysatorsysteme optimiert und die Anwendungsbreite erweitert. Für zweizähnige, pyrimidinhaltige Ligandensysteme ist aus anderen Forschungsarbeiten der AG Thiel eine intramolekularen C-H-Aktivierung im Pyrimidinring bekannt, die zu einer carbanionkoordination am Übergangsmetallzentrum führt. Diese Reaktivität wurde im Rahmen dieser Arbeit mit der stabilisierenden Wirkung eines N-heterocyclischen Carbenliganden (NHC) zu einem neuen Ligandensystem kombiniert. Verschiedene Imidazoliumvorstufen neuer NHC-Liganden mit einem in der 2-Position aminosubstituierten Pyrimidinring als N-Substituent wurden über zwei neu erarbeitete Syntheserouten dargestellt und mit verschiedenen Übergangsmetallvorstufen umgesetzt. In Palladium(II)-Komplexen von pyrimidinyl- und mesitylsubstituierten NHC-Liganden wurden verschiedene Koordinationsmodi in Abhängigkeit von der verwendeten Synthesemethode beobachtet. Über Silber-Carben-Komplexe als Carben-Transferreagenzien konnten für verschieden tertiär amino- und mesitylsubstituierten Liganden die nicht C-H-aktivierten, d.h. C,N-koordinierten Palladiumkomplexe dargestellt werden. Eine direkte Umsetzung der ionischen Imidazoliumverbindungen mit Palladiumvorstufen wie PdCl2 führte in Pyridin und Pyridinderivaten als Lösungsmittel bei Reaktionstemperaturen direkt zu einer C-H-Aktivierung im Pyrimidinring des Liganden. Der leicht basische Pyridinligand stabilisiert während der Komplexbildung die hochreaktive, C-H-aktivierte Spezies und verhindert so Neben- und Zersetzungsreaktionen. Über die Abspaltung des labilen Pyridinliganden durch Erhitzen in schwach koordinierenden Lösungsmitteln wurden die zweikernigen, unlöslichen, pyridinfreien Palladiumkomplexe erhalten und mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie charakterisiert. Diese Reaktion ist vollständig reversibel und wurde zum Einführen verschiedener Pyridinderivate als labile Liganden genutzt. In schwach koordinierenden Lösungsmitteln mit einem Siedepunkt < 80 °C, wie THF, wurde durch eine direkte Umsetzung der ionischen Vorstufen der Liganden mit PdCl2 eine weitere Art von Pd(II)-Komplexen erhalten, für welche die Strukturformel eines N-koordinierten Palladates postuliert wurde. In NMR-spektroskopischen Experimenten wurde die Reversibilität der C-H-Aktivierung im Pyrimidinring der Pd(II)-Komplexe in Abhängigkeit von pH-Wert und Temperatur nachgewiesen. Auch hier erwies sich der stabilisierende Pyridinligand für die C-H-Aktivierung und HCl-Eliminierung als notwendig. Die Rückreaktion wurde unter schwach sauren Reaktionsbedingungen bei Raumtemperatur über eine NHC-gebundene, pyridinhaltige Spezies, strukturanalog der literaturbekannten PEPPSI-Komplexe, beobachtet.
Für die stark Lewis-aciden Übergangsmetallzentren Iridium (III) und Ruthenium (II) wurden mit den entsprechenden ionischen Ligandenvorstufen über in situ dargestellte Silber-Carben-Komplexe ausschließlich die C-H-aktivierten, C,N-koordinierten Halbsandwichkomplexe der neuen 2-Amino-4-(imidazolylidenyl)pyrimidinliganden erhalten, trotz variierter Reaktionsbedingungen. Die C-H-Aktivierung mit anschließender HCl-Eliminierung erfolgte bei diesen Übergangsmetallzentren bereits bei Raumtemperatur irreversibel.
In Rahmen dieser Arbeit wurde außerdem die Notwendigkeit eines sterisch anspruchsvollen, stabilisierenden Mesitylrestes am NHC-Liganden für stabile und isolierbare C-H-aktivierte Komplexe beobachtet. Mit anderen, sterisch weniger anspruchsvollen Resten an dieser Position des Liganden wurden unter den Reaktionsbedingungen für potentielle C-H-Aktivierungen nur Zersetzungsprodukte erhalten. Von jedem Komplextyp der neuen C-H-aktivierten Übergangsmetallkomplexe wurden messbare Kristalle für eine Kristallstrukturanalyse erhalten, welche tiefere Einblicke in die Bindungssituation der neuen Liganden ermöglichte.
Die C-H-aktivierten Übergangsmetallkomplexe der neuen Liganden zeigen sehr gute Aktivitäten in verschiedenen katalytischen Anwendungen. Neben der stabilisierenden Wirkung des NHC mit starkem σ-Donorcharakter wird die hohe Elektronendichte am Übergangsmetallzentrum durch die Koordination des Carbanions weiter erhöht. Unter optimierten Bedingungen wurden in der Suzuki-Miyaura-Kupplung mit geringeren Katalysatorkonzentrationen der C-H-aktivierten Pd(II)-Komplexe eine große Bandbreite von sterisch und elektronisch gehinderten Chlorarylen mit verschiedenen Boronsäurederivaten erfolgreich zu Biarylen umgesetzt. Mit den C-H-aktivierten Ru(II)- und Ir(III)-Halbsandwichkomplexen der neuen Liganden wurden in der katalytischen Transferhydrierung von Acetophenon bereits bei geringen Katalysatorkonzentrationen von 0.15 mol% sehr hohe Ausbeuten erhalten. Die katalytisch hochaktiven Komplexe zeichneten sich außerdem durch eine hohe Stabilität unter den optimierten Reaktionsbedingungen aus. Die C-H-Aktivierung weist zwar keine Abhängigkeit vom sterischen Anspruch der variierten tertiären Aminosubstituenten auf, wurde aber für die anderen Reste in der 2-Position des Pyrimidinrings nicht beobachtet.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten 4-Pyrrolidin-1,8-naphthalimidomethylphenyl-N-tert-butylnitron (PNIMPN, 11), 4-Pyrrolidin-1,8-naphthalimidophenyl-N-tert-butylnitron (PNIPN, 34), 4-Pyrrolidin-1,8-naphthalimidomethyl-N-tert-butylnitron (PNIMN, 29) und das cyclische 4-Pyrrolidin-1,8-naphthalimidoethylpiperazin-N-oxid (PNIEPO, 24) synthetisiert werden. Die Synthese des 4-Pyrrolidin-1,8-naphthalimidophenyl-α-methyl-N-tert-butylnitron (21), ein Nitron mit einer α-Methyl-Gruppe zur Stabilitätserhöhung der gebildeten Radikale, wurde nicht erreicht. Diese Verbindungen ermöglichen die Identifizierung gebildeter Radikale, mittels ESR-Untersuchungen und gleichzeitig deren Entstehungsort innerhalb der Zelle, mittels in vitro-Messungen mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (c-LSM). Dies beruht auf der Tatsache, dass die Nitrone fluoreszierend, aber ESR-inaktiv sind und nach der Reaktion mit Radikalen, ein persistentes Radikal bilden, welches nun keine Fluoreszenz aufweist, allerdings ESR-aktiv ist.
Die ESR spektroskopischen Untersuchungen ergaben, dass die Verbindungen 24, 29 und 34, analog zum bereits von S. Hauck untersuchten p-Nitrostilbennitron, spin trapping-Eigenschaften besitzen. Der Nachweis und die Detektion von Hydroxyl-Addukten nach Arbeiten von Mitchell konnte nicht nachgewiesen werden. Als Grund kann eine zu geringe Enzymaktivität der eingesetzten Xanthinoxidase und/oder eine geringer Stabilität der radikalischen Addukte aufgeführt werden. Spätere Untersuchungen von A. Karbach unterstützen diese Annahmen.
Messungen der Absorptionsmaxima der Verbindungen zeigten keine erwartete bathochrome Verschiebung nach Vergrößerung des π-Elektronensystems. Dies könnte durch eine mögliche sterische Hinderung der Rotation um die Imidbindung zurückzuführen sein. Kraftfeld- und ab initio-Berechnungen müssen dies noch bestätigen. Das PNIMPN (11) zeigt einen ungewöhnlichen „Pump-Effekt“ bei diesen Messungen. Dabei steigert sich die Intensität der Fluoreszenz bei einer Anregungswellenlänge von 488 nm, wenn zuvor mit 405 nm angeregt wurde. Dieser Effekt ist ebenfalls in Umgekehrter Reihenfolge zu beobachten. Genauere Untersuchungen zu dieser Beobachtung wurden nicht durchgeführt.
Bei der Zytotoxizitätsmessung mittels des SRB-Tests, wurde festgestellt, dass alle synthetisierten Verbindungen innerhalb des eingesetzten Konzentrationsbereiches atoxisch für die verwendeten Zelllinien sind. Eine Ausnahme bildet hierbei, PNIMN (29) ist in einem Konzentrationsbereich ab 25 µM sehr toxisch.
Alle getesteten Verbindungen akkumulieren vorwiegend in den Mitochondrien der Zellen, wodurch sie sich für die Untersuchung und Detektion von ROS innerhalb der Atmungskette eignen. PNIMN (29) und PNIEPO (24) akkumulieren zudem in den nucleoli im Zellkern.
Die Versuche zur in vitro Fluoreszenzlöschung mittels c-LSM, dass alle Verbindungen eine Löschung der Fluoreszenz, nach Zugabe von Atmungsketteninhibitoren (Rotenon und Antimycin A), zeigen, die deutlich rascher erfolgt im Vergleich mit den bleaching Experimenten.
Versuche zur Antibiotikawirkung von Daptomycin und der Immunsuppression bei Myasthenia gravis
(2015)
Versuche zur Antibiotikawirkung von Daptomycin und der Immunsuppression bei Myasthenia gravis
Daptomycin ist ein cyclisches Lipopeptidantibiotikum, das zur Behandlung schwerer gram-positiver Infektionen entwickelt wurde. Daptomycin weißt in vitro eine schnelle Aktivität gegen klinisch signifikante Stämme gram-positiver Pathogene auf. Außerdem ist die Aktivität von Daptomycin abhängig von der physiologischen Calciumkonzentration. Es wird postuliert, dass in einem ersten Schritt die Calciumionen mit dem Antibiotikum interagieren und dieser Komplex dadurch positiv geladen ist. Somit kann es an negativ geladene Membranen, die Phosphatidylglycerol enthalten, binden. In einem nächsten Schritt interagiert der hydrophobe Schwanz des Daptomycins als Anker, da dieser in wässriger Lösung einen hohen \(\Delta\)G-Wert besitzt und dieser dadurch erniedrigt wird. Schließlich nimmt die Fluidität der Membran ab und durch den Kollaps des Membranpotentials findet ein Zusammenbruch verschiedener Zellfunktionen statt.
Die Versuche wurden zum größten Teil an Liposomen als Modelmembranen durchgeführt. Dabei wurden zwei Liposomensysteme genutzt. Einerseits Liposomen die aus Avanti Polar Lipid Mix bestanden und durch Behandlung mit Ultraschall hergestellt wurden. Andererseits wurden Liposomen aus Bakterien hergestellt. Zudem wurden kompette Bakterienzellen untersucht.
Der bakterielle Wachstum wurde durch UV/VIS-Spekroskopie gemessen. Veränderungen in der Fluidität der Membran wurden mittels ESR-Spektroskopie festgestellt. Die Morphologie wurde mittels Elektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie aufgenommen. Zusätzlich wurde ein Leakage Assay durchgeführt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei den ESR-Untersuchungen eine Änderung der Fluidität gemessen wurde. Aufgrund der Ergebnisse verschiedener Spinlabel lag allerdings die Vermutung nahe, dass sich bei Daptomycin keine diskrete Pore ausbildet, sondern es zur Krümmung der Membran kommt was schließlich zum Aufplatzen der Zelle führt. Deshalb wurden im weiteren Messungen am Elektronenmikroskop sowie am Rasterkraftmikroskop durchgeführt, um Rückschlüsse auf die Morphologie machen zu können. Diese Messungen bestätigten die obige These, dass sich keine Pore ausbildet sondern es zur Krümmung der Membranoberfläche kommt.
Bei Autoimmunerkrankungen richtet der Körper Autoantikörper gegen körpereigene Strukturen. Bei Myasthenia gravis sind es Antikörper, die gegen Strukturen der postsynaptischen Membran im Bereich der neuromuskulären Endplatte gerichtet sind. Hierbei richten sich diese gegen Acetylcholinrezeptoren, die als Transmembrankanäle bei der Signalweiterleitung fungieren.
In früheren Arbeiten konnte unter anderem Hossann gentechnisch die \(\alpha\)-Untereinheit des Acetylcholinrezeptors mit dem Ribosomeninaktivierenden Protein Gelonin koppeln, es lag hier allerdings eine niedrige Löslichkeit vor und das Fusionsprotein lies sich nur schwer zurückfalten.
In diesem Teil der Arbeit wurde die Cytotoxizität von Gelonin mittels Zellkuturexperimenten untersucht, ein von Li zur Verfügung gestelltes Plasmid mit der \(\alpha\)-Untereinheit des Acetylcholinrezeptors, fusioniert an den der Löslichkeitstag MBP, überprüft. Außerdem sollte ein Plasmid kloniert werden, das für ein Fusionsprotein aus MBP-Gelonin-Achetylcholinrezeptor codiert. Hierbei versprach man sich durch den zusätzlichen MBP-Tag eine höhere Löslichkeit.
Der Cytotoxizitätstest wurde durchgeführt, da in der Literatur teils widersprüchliche Ergebnisse veröffentlicht wurden, bestätigte aber, dass Gelonin als ein Typ I RIP ohne Membrandomäne keine Cytotoxizität aufweißt.
Das Plasmid MBP-Achetylcholinrezeptor wurde in E. coli Zelllen transformiert, das Protein exprimiert und mittels Amylosesäule und HiTrap-Säule isoliert. Es besahs eine hohe Löslichkeit und lag in gefalteter Form in Lösung vor.
Die zur Synthese des MBP-Gelonin-Acetylcholinrezeptors-Konjugats notwendigen Plasmide waren im Arbeitskreis vorhanden. Das Plasmid pET-gel codierte für Gelonin und die DNA-Sequenz für die \(\alpha\)-Untereinheit des Acetylcholinrezeptors war bereits in den pAChRex-Vektor einkloniert. Der Löslichkeitstag MBP war im Plasmid pmal-c5x enthalten.
Auf Basis dieser Plasmide wurde eine Klonierungsstrategie entwickelt und in Teilen durchgeführt.
Mit der Entdeckung von Acrylamid in Lebensmitteln und seiner krebserzeugenden Wirkung wurde der Fokus auf prozessgebildete Kontaminierungen gelenkt. Weitere hitzebedingte, kanzerogene Substanzen wurden in einer Vielzahl von Nahrungsmitteln entdeckt, eine davon ist Furan. Studien an Ratten und Mäusen zeigten eindeutig seine Karzinogenität und auch weitere toxikologische Untersuchungen stützen diesen Befund. Dennoch konnte der Weg der durch Furan hervorgerufenen Krebsentstehung noch nicht aufgeklärt werden. So steht nach wie vor zur Debatte, ob es sich um eine direkt genotoxische, oder eine indirekt resultierende Bildungsform handelt.
Als Teil des europäischen Furan-RA-Projektes sollte in dieser Arbeit ein Beitrag zur Beantwortung dieser Frage geleistet werden. Speziell im Niedrigdosisbereich unter 2 mg/kg KG wurde nach Gewebsveränderungen und zytotoxischen Effekten gesucht.
Für histologische Untersuchungen der Leber wurden Ratten in drei Dosisgruppen mit 0,1 sowie 0,5 und 2,0 mg/kg KG jeweils 28 Tage lang behandelt. Neben der Kontrollgruppe zum Vergleich wurde eine weitere Gruppe mit anschließenden zwei Wochen Erholungszeit betrachtet. Die Parafinschnitte der fünf Leberlappen wurden mit Hämatoxylin-Eosin und einem PCNA-Antikörper angefärbt.
Die randomisierte Begutachtung unter dem Mikroskop ließ keine dosisbezogenen Gewebsveränderungen erkennen, und es konnten auch keine Hinweise auf krebspromovierende Proliferationen gefunden werden.
Um einen Einblick auf zellulärer Ebene zu erlangen, wurden Hepatomzellen und Primäre Hepatozyten der Ratte mit verschiedenen Furankonzentrationen inkubiert. Wegen des hohen Dampfdruckes von Furan geschah dies im dafür entwickelten, geschlossenen Gefäß, in dem sich ein Gleichgewicht zwischen dem Medium und dem ausreichend dimensionierten Gasraum einstellen konnte. Die Kontrolle der wirkenden Konzentrationen erfolgte mit Hilfe einer geeigneten Headspace-Gaschromatographie. An Primären Hepatozyten zeigte sich eine konzentrationsabhängige Zytotoxizität von Furan mit einem ermittelten EC50 von 0,0188 mM.
Auch die weiteren Metabolite wurden auf ihre Wirkung an Zellen getestet. Der wichtigste Phase-I-Metabolit wies dabei einen EC50-Wert von 1,64 mM an Primären Hepatozyten und 0,55 mM an H4IIE auf. Die sehr hohe Reaktivität dieses cis-1,2-Butendials deutet darauf hin, dass bereits ein Großteil im Medium abreagiert, bevor es an den Zellen wirken kann. Daher resultiert die im Vergleich zum Furan enorm hohe Wirkkonzentration.
Bei einer weiteren Metabolisierung mit Glutathion stieg die gemessene Zytotoxizität wiederum an. Das Produktgemisch dieser beiden Reaktanden zeigte bereits ab einer Gesamtkonzentration von 0,025 mM signifikante Effekte. Die physiologisch gewollte Entgiftung findet also nicht statt. Wie dieser Effekt zustande kommt konnte leider nicht genau geklärt werden. Mit steigendem Butendial-Anteil stieg die schädigende Wirkung jedoch deutlich an.
Dies zeigt unter anderem, dass eine Verarmung an Glutathion die Wirkung von Furan steigert und die Detoxifizierung mit diesem Schritt noch nicht beendet ist. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass Furan an sich und zumindest einige seiner Metabolite in der Leber toxisch wirken. Das gilt auch für Konzentrationen in einem Bereich, der keinen ausreichenden Sicherheitsabstand zur möglichen täglichen Aufnahme des Menschen lässt.
Auch wenn in den histologischen Untersuchungen noch keine Hinweise auf Tumore zu erkennen waren, so deuten die Daten in vitro doch deutlich auf ein hohes Potential vor allem des Furanmetaboliten Butendial hin. In wie weit dieser zur in Ratten beobachteten Krebsentstehung beisteuert, sollte Thema weiterer Untersuchungen sein.
Maltose binding protein (MBP) is a monomeric, two domain protein containing 370 amino acids. Seven double cysteine mutants of maltose binding protein (MBP) were generated with one each in the active cleft at position 298 and the second cysteine distributed over both domains of the protein. These cysteines were spin labeled and distances between the labels in biradical pairs determined by pulsed double electron–electron resonance (DEER) measurements. The values were compared with
theoretical predictions of distances between the labels in biradicals constructed by molecular modeling from the crystal structure of MBP without maltose and were found to be in excellent agreement.
MBP is in a molten globule state at pH 3.3 and is known to still bind its substrate maltose.
The ligand-binding affinity of the molten globule and the native states of MBP was studied by isothermal titration calorimetry. Ligand binding affinity measured by isothermal titration calorimetry for the native state of MBP was found to be comparable to that from the literature.
Simultaneous measurements to investigate the molten globule state of MBP were implemented, including the use of far-and near-UV CD and the 8-anilino-1-naphthalene sulfonate (ANS) binding employing fluorescence techniques. Guanidine hydrochloride, urea and thermal denaturation studies have been carried out to compare the stability of the two states of maltose binding protein.
In cw- experiments, the X-band EPR measurements at low temperature confirm indirect that all distances of the biradicals are above 20 Å, otherwise no evidence of dipolar interactions in the immobilized spectra were observed.
DEER measurements of MBP in a molten globule state were yielding a broad distance distribution as was to be expected if there is no explicit tertiary structure and the individual helices pointing into all possible directions.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Reaktivität und Selektivität anellierter, verbrückter und tertiärer O-Radikale, in drei Teilprojekten, untersucht. Die zur Erzeugung primärer und sekundärer O-Radikale benötigten Thiohydroxamsäure-O-ester stammen aus Reaktionen von Cyclopentenyltosylaten mit 3-Hydroxy-4-methylthiazol-2(3H)-thion-Tetraethylammoniumsalz (Salz-Methode). Für tertiäre Thiohydroxamsäure-O-ester hat sich die Umsetzung tertiärer O-Alkylisoharnstoffe mit 3-Hydroxy-4-methylthiazol-2(3H)-thionen bewährt (Isoharnstoff-Methode). Die anschließende Freisetzung der O-Radikale, aus den O-Alkylthiohydroxamaten, erfolgte photochemisch oder thermisch unter pH-neutralen und nicht oxidativen Bedingungen in Gegenwart von Bromtrichlormethan. Relative Reaktivitäten der O-Radikale in Sauerstoff-Elementarreaktionen beruhen auf Abschätzungen mit Hilfe unimolekularer Vergleichsreaktionen (Radikaluhr Konzept). Beobachtete Selektivitäten und Stabilitäten wurden anhand theoretischer Analyseverfahren (Twist-Modell, Dichtefunktional-Rechnungen und Møller-Plesset-Störungsrechnung 2. Ordnung), in Kooperation mit Jens Hartung, interpretiert und quantifiziert. Die synthetisierten \({\beta}\)-bromierten, bicyclischen, tricyclischen sowie tertiären Tetrahydrofurane erweitern die bis dato auf primäre und sekundäre Monocyclen beschränkte Vielfalt der 5-Ring-Strukturen über Sauerstoff-Radikalreaktionen. Beispiele für Synthesen mittels intermolekularer O-Radikaladditionen liefern funktionalisierte Bromalkoxybicyclo[2.2.1]heptane und tert-Butoxybromalkane.
Durch Variation (1,2-Cyclopentyl und 1,2-Cyclohexyl) und Permutation (Kohlenstoff-Atome C1 und C2 / C2 und C3 / C3 und C4) der Anellierung, sowie durch verbrückte Reste (C2 und C5 / C3 und C5) am 4-Penten-1-oxyl-Gerüst gelang es, im ersten Teilprojekt, diastereomerenreine primäre und sekundäre O-Radikalvorläufer für eine systematische Untersuchung der Stereoselektivität in 5-exo-trig-Reaktionen zu synthetisieren. Umsetzungen der O-Radikalvorläufer zeigten Regelmäßigkeiten im Produktbild, die in Form von Richtlinien für zukünftige Syntheseplanungen zusammengefasst wurden: (I) Für sterisch und elektronisch vergleichbare Substituenten in direkter Nachbarschaft (zum Beispiel C1 und C2) ist der stereochemische Einfluss des Substituenten größer, der der Doppelbindung näher ist (hier Substituent an C2). Die relative Konfiguration der beiden anellierten Substituenten zueinander wirkt sich auf den Stereoselektivitätsgrad aus, wobei trans-anellierte 4-Penten-1-oxyl-Radikale stereoselektiver cyclisieren als cis-konfigurierte Isomere. Hauptprodukte der 1,2- und 2,3-cyclohexyl-anellierten 4-Penten-1-oxyl-Radikale sind 2,4-cis- und 2,3-trans-substituierte Tetrahydrofurane. (II) Ist die Flexibilität der Sauerstoffatom-tragenden Seitenkette konformell eingeschränkt, cyclisieren anellierte (C3 und C4) sowie verbrückte (C2 und C5 / C3 und C5) 4-Penten-1-oxyl-Radikale 2,3- und 2,4-cis-spezifisch an endo- und exo-cyclische \({\pi}\)-Bindungen. Theoretische Berechnungen diesbezüglich haben gezeigt, dass der 2,3-trans-Ringschluss des Modell-Radikals 1-(Cyclohexen-3-yl)-2-ethoxylradikal aufgrund sterischer Effekte eine deutlich höhere Barriere besitzt (89.5 kJ/mol) als der 2,3-cis-Ringschluss (35.4 kJ/mol).
Die Herstellung tertiärer 3-Alkyloxy- und 3-Cumyloxy-5-(4-methoxyphenyl)thiazol-2(3H)-thione und die Untersuchung der Reaktivitäten daraus erzeugter tertiärer O-Radikale in Elementarreaktionen waren Schwerpunkte des zweiten Themengebiets. Experimentell bestimmte relative Geschwindigkeitskonstanten für die \({\delta}\)-H-Abstraktion (\({k^{Subst} = 10^7-10^8 s^{-1}}\)), die 5-exo-trig-Cyclisierung (\({k^{5-exo} = 10^8-10^9 s^{-1}}\)) und die intermolekulare Addition (\({k^{Add} = 10^7 M^{-1}s^{-1}}\)) demonstrieren, dass tertiäre O-Radikale trotz größerer sterischer Hinderung eine ähnliche (Substitution) oder höhere Reaktivität (5-exo-Reaktion) als vergleichbare primäre und sekundäre Analoga aufweisen. Der 5-exo-Rinschluss des 2-Phenyl-5-hexen-2-oxyl-Radikals erfolgt 2,5-cis-selektiv. Intermolekulare Additionen der tert-Butoxyl-, Cumyloxyl- oder p-Chlorcumyloxyl-Radikale an Norbornen verlaufen exo-spezifisch. Dichtefunktional Berechnungen zufolge sind Torsionsspannungen im 2,5-trans-Übergangszustand der 5-exo-trig-Cyclisierung und im endo-Übergangszustand der intermolekularen Addition für die beobachtete Selektivität verantwortlich.
Im dritten Projekt wurden O-(tert-Butyl)thiohydroxamate aus O-(tert-Butyl)-N,N-diisopropylisoharnstoff und dem 3-Hydroxy-4-methylthiazol-2(3H)-thion sowie dem 3-Hydroxy-4-methyl-5-(4-nitrophenyl)thiazol-2(3H)-thion hergestellt. Die gleiche Reaktion zeigt bei Verwendung des 1-Hydroxypyridin-2(1H)-thions eine spontane Umlagerung des O-(tert-Butyl)thiohydroxamats zum O-(tert-Butyl)pyridin-2-sulfenat. Stabilitätsunterschiede der tertiären Thiohydroxamat-Klassen lassen sich der Molekülorbital-Theorie folgend auf drei unterschiedliche, \({\pi}\)-artige Wechselwirkungen der N,O-Bindung mit dem Thiohydroxamat-Kern und dem O-Alkyl-Rest im Grundzustand zurückführen, die die N,O-Bindung insgesamt stärken. Tertiäre 3-Alkoxythiazolthione erfahren dabei eine größere Stabilisierung als vergleichbare Pyridinthione. Photochemische Umsetzungen der tert-Butoxythiazolthione liefern tert-Butoxyl-Radikale, die durch Addition an 5,5-Dimethylpyrrolidin N-Oxid (DMPO) und Styrol nachgewiesen wurden.
Spin and orbital magnetic moments of isolated single molecule magnets and transition metal clusters
(2015)
In the present work, magnetic moments of isolated Single Molecule Magnets (SMMs) and transition
metal clusters were investigated. Gas phase X‐ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD) in
combination with sum rule analysis served to separate the total magnetic moments of the
investigated species into their spin and orbital contributions. Two different mass spectrometry based
setups were used for the presented investigations on transition metal clusters (GAMBIT‐setup) and
on single molecule magnets (NanoClusterTrap). Both experiments were coupled to the UE52‐PGM
beamline at the BESSY II synchrotron facility (Helmholtz Zentrum Berlin) which provided the
necessary polarized X‐ray photons. The investigation of the given compounds as isolated molecules
in the gas phase enabled a determination of their intrinsic magnetic properties void of any influences
of e.g. a surrounding bulk or supporting surface
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten sowohl konzeptionelle Beiträge zur Berechnung
der magnetischen Anisotropie von mehrkernigen Übergangsmetallkomplexen mittels
DFT-Methoden geleistet, sowie zwei Molekülsysteme eingehend untersucht werden.
Auf der Ebene der Methodenweiterentwicklung konnten die Matrixelemente des Spin-Bahn
mean-field-Operators als effektivem Einteilchenoperator implementiert werden. Diese wurden
sowohl mit SMP als auch mit MPI parallelisiert, so dass eine sehr effektive Berechnung
auch bei großen Systemen möglich ist. Bei Verwendung von Hybridfunktionalen erhöht sich
die Rechenzeit einer sopt-Rechnung durch die Berechnung dieser Integrale um etwa
einen Faktor drei. Die restliche Rechenzeit wird durch das Lösen des CHF-Systems
dominiert.
Bei Verwendung reiner Dichtefunktionale dauern die Rechnungen sehr viel kürzer, da hier
kein CHF-System zu lösen ist. Dadurch verteuert die Berechnung der SOMF-Matrixelemente
diese Rechnungen prozentual deutlich mehr, aber dennoch sind Rechnungen mit reinen
Dichtefunktionalen sehr viel schneller fertig als mit Hybridfunktionalen.
Weiterhin konnte eine neue Methode zur Berechnung von Einzelionentensoren entworfen und
implementiert werden, die mit lokalisierten Orbitalen arbeitet. Diese Methode konnte mit
der bereits bestehenden Methode, bei der die SOC an einzelnen Zentren "ausgeschaltet" wird,
verglichen werden. Die Ergebnisse besitzen in etwa dieselbe
Qualität.
Für die Zuordnung einzelner, lokalisierter Orbitale gibt es keine physikalisch eindeutige
Lösung. Es konnte jedoch ein Zuordnungsschema auf der Basis von Abständen und Winkeln
entwickelt werden, das in den meisten Fällen der chemischen Intuition entspricht, so dass
einem oktaedrisch koordinierten Metallzentrum sechs Bindungselektronenpaare zugeordnet
werden.
Die so entwickelte Methode liefert eine bequeme und einfache Möglichkeit zur Berechnung
aller benötigter Einzelionentensoren im Zuge einer einzigen Rechnung ohne nennenswerten
Mehraufwand. So wurde sie bei den weiteren Untersuchungen der beiden Molekülsysteme ausgiebig
genutzt.
Schließlich wurden zwei Komplexsysteme eingehend analysiert und mit verschiedenen
Übergangsmetallkombinationen untersucht. Es wurde hierbei ein breites Spektrum an
Analysewerkzeugen eingesetzt, sodass die erhaltenen Ergebnisse nicht nur nähere Einsichten
zu den konkret untersuchten Komplexen liefern, sondern auch allgemein wertvolle
Erfahrungen zur Untersuchung der magnetischen Anisotropie an mehrkernigen
Übergangsmetallkomplexen mit DFT-Methoden liefern.
Zuerst wurden Komplexe mit Tripelsalenliganden untersucht, wie sie in der Arbeitsgruppe
von Thorsten Glaser synthetisiert und charakterisiert werden. Der Einfachheit halber
wurden zunächst Komplexe mit nur einer Tripelsaleneinheit untersucht, wobei als
Metallionen in der Tripelsaleneinheit Mn(III)-Ionen verwendet wurden. Hierbei zeigte sich,
dass durch die Substitution von Chrom(III) als Zentralion durch Wolfram(III) bzw.
Rhenium(IV) eine deutliche Steigerung der magnetischen Anisotropie erreicht werden kann.
In einem nächsten Schritt wurden diese Komplexe durch eine weitere Tripelsaleneinheit
erweitert. Diese Komplexe sind also von der Struktur, wie sie auch in der Arbeitsgruppe
Glaser synthetisiert werden. Es zeigt sich, dass die Mn6M-Komplexe eine sehr viel
geringere Anisotropie aufweisen. Dies liegt daran, dass bei den Mn3M-Komplexen die
oktaedrische Koordinationsumgebung um das Zentralion verzerrt ist, da nur 3 der 6
Cyanoliganden an der Koordination der Tripelsaleneinheit beteiligt sind. Durch diese
starke Verzerrung erreicht man bei Verwendung von 5d-Elementen hohe Anisotropien. Bei den
Mn6M-Komplexen ergibt sich die Anisotropie hauptsächlich aus den Beiträgen der
Manganionen.
Schließlich wurden Komplexe mit nur einer Tripelsaleneinheit untersucht, bei denen jedoch
in der Tripelsaleneinheit Mo(III)-Ionen koordiniert sind. Hier konnte gezeigt werden, dass
durch die Molybdänionen eine höhere Anisotropie erhalten werden kann als bei den
entsprechenden Mn3M-Komplexen. Bei den leichten Zentralionen (Chrom und Molybdän)
jedoch war die Anisotropie geringer als bei den Mn6M-Komplexen. Dies liegt daran,
dass bei diesen Komplexen der Beitrag der Ionen der Tripelsaleneinheit überwiegt und somit
macht sich bemerkbar, dass bei den Mn6M-Komplexen 6 Ionen in der Tripelsaleneinheit
koordiniert sind und bei den Mo3M-Komplexen lediglich 3.
Bei der Untersuchung der Tripelsalenkomplexe konnte ein Verfahren vorgestellt werden, wie
man sich die Symmetrie von Komplexen bei der Berechnung des anisotropen Austauschs zu
Nutze machen kann, um die Anzahl zu berechnender Konfigurationen zu minimieren.
Als zweites Komplexsystem wurde ein von Habib et al. vorgestellter Oximligand gewählt, der
als Chelatligand fungiert. Der ursprünglich synthetisierte Komplex enthielt zwei
Mn(IV)-Ionen außen und in der Mitte ein Mn(III)-Ion. Auch hier wurde die Kombination
verschiedener Metallzentren analysiert.
Für den Ursprungskomplex konnte ein axialer MAE-Parameter nachgewiesen, der im normalen
Rahmen für Mn(III)-Komplexe liegt. Die Substitution des zentralen Manganzentrums durch
schwerere Metallzentren führt hier jedoch nicht zum gewünschten Ergebnis. Der
Molybdänkomplex liefert eine sehr geringe Anisotropie und der Rheniumkomplex weist einen
positiven axialen MAE-Parameter auf. Für den Wolframkomplex hingegen erhält man
unplausible Ergebnisse.
Im nächsten Schritt wurden die äußeren Manganzentren durch Mo(III) ersetzt. Bei Molybdän,
Wolfram und Rhenium ergeben sich genau dieselben Probleme wie bei den Mn2M-Komplexen.
Der Mo2Mn-Komplex hingegen weist eine deutlich höhere Anisotropie auf als der
Mn2Mn-Komplex.
The aim of this work was to synthesize and characterize new bidentate N,N,P-ligands and their corresponding heterobimetallic complexes. These bidentate pyridylpyrimidine aminophosphine ligands were synthesized by ring closure of two different enaminones ( 3-(dimethylamino)-1-(pyridine-2-yl)-prop-2-en-1-one or 3-(dimethylamino)-1-(pyridine-2-yl)-but-2-en-1-one) with excess amount of guanidinium salts in the presence of base. The novel phosphine functionalized guanidinium salts were prepared from 2-(diphenylphosphinyl)ethylamine or 3-(diphenyl-phosphinyl)propylamine. These bidentate N,N,P-ligands contain hard and soft donor sites which allows the coordination of two different metal centers and bimetallic complexes. These bimetallic complexes can exhibit a unique behavior as a result of a cooperation between the two metal atoms. First, the gold(I) complexes of all these four different ligands were synthesized. The gold metal coordinates only to the phosphorus atom. It was proved by X-Ray crystallography technique and 31P NMR spectroscopy. Addition to the gold(I)-monometallic complexes, trans- coordinated rhodium complex of (2-amino)pyridylpyrimidine aminophosphine ligand was successfully prepared. The characterization of this complex was achieved by NMR and IR spectroscopy. Reacting the mono gold(I) complexes with the different metal salts like Pd(PhCN)2Cl2, ZnCl2, [Ru(p-cymene)Cl2] dimer gave the target heterobimetallic complexes. The second metal centers coordinated to the N,N donor site which was proved by the help of NMR spectroscopy and ESI-MS measurements. The Au(I) and Au-Zn complexes of N,N,P-ligands were examined as catalysts for the hydroamidation reaction of cyclohexene with p-toluenesulfonamide. They did not show activities under the tested conditions. Further studies are necessary to understand the catalytic activities and cooperativity between the two metal atoms. In addition, bi-and trimetallic complexes with the rhodium compound could be synthesized and tested in different organic transformations. Furthermore, the chiral hydroxyl[2.2]paracyclophane substituted with five different aminopyrimidines were accomplished. These aminopyrimidine ligands were synthesized by a cyclization reaction with hydroxyl[2.2]paracyclophane substituted enaminone and excess amount of corresponding guanidinium salts under basic conditions. In the last part of this work, kinetic studies of cyclopalladation reaction of the 2-(arylaminopyrimidin-4-yl)pyridine ligands with Pd(PhCN)2 These measurements were carried out by using UV-Vis spectroscopy. The spectral studies of cyclometallation step showed that the reaction fits a second order kinetics. In addition to this, a full kinetic investigation was performed at different temperatures and the activation parameters of complex formation were calculated.