Zweikernige Titan-(IV)-komplexe als Enzymmimikry

Nolting, Rainer; Albrecht, Markus

doi:HT014732448

Zweikernige Titan-(IV)-komplexe als Enzymmimikry = Two-centered Titanium(IV)complexes as Enzyme-Mimikry

Nolting, Rainer (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rainer Nolting

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

Umfang167 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Albrecht, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-10-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-14818
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60967/files/Nolting_Rainer.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; Titankomplexe (frei) ; Supramolekulare Chemie (frei) ; Metalloenzym (frei) ; Brenzcatechinderivate (frei) ; Enzymmimikry (frei) ; Zweikernige Metalloenzyme (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Enzyme sind natürliche molekulare Maschinen, welche das Muster chemischer Umsetzungen in biologischen Systemen bestimmen. Obgleich von hoher Komplexität und Mannigfaltigkeit, sind Enzyme modular aus nur etwa 20 Aminosäuren aufgebaut. Eine wichtige Klasse von Enzymen sind zweikernige Metalloenzyme, die als aktives Zentrum zwei Metallionen beinhalten. Prominente Beispiele sind Proteinphosphatasen, Katecholoxidasen sowie Peroxid-Dismutasen. Die Metallionen dieser Enzyme weisen einen Abstand von 3-5 A voneinander auf. Mit den Methoden der Supramolekularen Chemie ist es möglich im Rahmen von Selbstorganisationsprozessen Modellverbindungen aufzubauen, die die Struktur dieser aktiven Zentren imitieren. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit zunächst Aminosäure-verbrückte Bisbrenzkatechin-Liganden synthetisiert, die bei der Komplexierung mit Titan(IV)ionen zweikernige zweisträngige Koordinationsverbindungen mit verbrückenden Alkoholat-Coliganden bilden. In einem ersten Schritt werden funktionalisierte Bisbrenzkatechin-Liganden synthetisiert. Durch geeignete Reaktionsparameter gelingt es erstmals, diese Aminosäurederivate stereokonservativ darzustellen. Der Syntheseweg ist so optimiert, dass auf diese Weise beliebige Aminosäuren als Spacer in die Liganden eingeführt werden können.In Komplexierungsstudien werden zweikernige Titan(IV)komplexe generiert, in die sich beliebige, auch funktionalisierte Alkoholate als Coliganden einführen lassen, sofern diese sich nicht in 1-Position verzweigen. Diese Koordinationsverbindungen liegen als Gemische von bis zu sieben möglichen Isomeren vor und sind nur in Alkoholen, DMF und DMSO löslich. Unter thermodynamischer Reaktionskontrolle wird in der Regel das stabilste Isomer angereichert. Dies wird insbesonders in Gegenwart von Lithiumkationen begünstigt. Bei Anwesenheit von Natrium- oder Kaliumionen beinhalten die Gemische selbst unter thermodynamischer Reaktionskontrolle mindestens drei Isomere und geringe Mengen eines zweikernigen dreisträngigen Komplexes. In einem weiteren Schritt werden die Alkalimetallgegenionen durch Tetra-n-butylammonium ersetzt. Die so erhaltenen Komplexe sind in den organischen Lösungsmitteln Aceton, Acetonitril, Methylenchlorid und Tetrahydrofuran löslich und liegen selbst unter kinetischer Reaktionskontrolle als ein einzelnes Isomer vor. Somit wird ein methodischer Zugang zu isomerenreinen zweikernigen zweisträngigen Titan(IV)komplexen geschaffen. Ebenso wird das Auftreten dreisträngiger Koordinationsverbindungen durch diese Gegenionen unterbunden. An den auf diese Weise dargestellten Titan(IV)verbindungen können funktionalisierte Alkoholate eingeführt werden, die anschließend durch chemische Reaktionen in der Ligandensphäre transformiert werden. Die durchgeführten Reaktionen beinhalten Hydroborierung, [4+2]-Cycloaddition und Finkelsteinreaktion. Es ist im Rahmen dieser Arbeit gelungen, Emzymmimikry zu synthetisieren, die die Struktur zweikerniger Metalloenzyme imitieren. Diese löslichen, in isomerenreiner Form zugänglichen Titan(IV)komplexe erlauben eventuell in weiterführenden Studien, die Reaktionsmechanismen und Funktionsweise von Metalloenzymen zu verstehen und zu imitieren. Wird die hier nur rudimentär vorhandene Proteinhülle der Komplexe optimiert, können daraus funktionelle Enzymmimetika hervorgehen und als Basisstrukur für eine neue Generation chiraler Auxiliare und Katalysatoren zum Einsatz kommen.

Enzymes are natural molcular machines, which control chemical reactions in biological systems. Although they consist of only about 20 aminoacids, they are highly complex and show great variety. Two-centered metalloenzymes are an important class of enzymes, which contain two metal-ions as active center. Most prominent examples are Proteinphosphatases, Catecholoxidases and Peroxiddismutases. The distance between the metal-ions of these enzymes is about 3-5 A. Using methods of Supramolecular Chemistry, it is possible to build model compounds via self-organisation, which imitate the structure of these active centers.To accomplish this, first it is necessary to find a sure way to synthesize aminoacid-bridged biscatechol-ligands, which may be used to create two-centered titanium(IV)-complexes in later complexion studies.In a first step biscatechol-ligands with functionalized sidechains are synthesized. Optimized reaction-parameters allow access to a stereokonservative synthesis which provides the aminoacid-bridged ligands in excellent yields. Via HBTU-cuppling it is now possible to insert any aminoacid as a spacer into the ligands. In complexion-studies with titanium(IV)ions two-centered, doublestranded conplexes are formed. Under thermodynamic reaction-control and in presence of lithiumions, in most cases, only a single isomer shows up. But under kinetic control up to seven isomers are formed. If sodium- or pottassiumions are present, it is almost impossible to gain access to a single isomer. Furthermore, these larger ions promote the occurrence of two-centered triplestranded complexes.It is possible to insert alcohols with linear carbonchains of any lengh as bridging coligands. However, alcohols which are branched at C1 do not fit in the substrate-pockets of these titaniumcompounds. The solubility of these compounds is limited to alcohols, DMF and DMSO.In a further step, the alkaline counterions are exchanged for tetra-n-butylammonia-ions. This allowed access to two-centered complexes which are soluble in organic solvences like acetone, acetonitrile, dichloromethane and THF and which occur as a single isomere, even under kinetic reaction-control. This is a first systematic access to isomeric pure two-centered doublestranded compounds and a successful method to avoid triplestranded complexes.Functionalised alcohols may now easily be inserted into the binding-pocket of these coordination compounds and transformed by chemical reactions in the ligandsphere. Examples are [2+4]-cycloaddition, hydroboration and Finkelstein-reaction.This thesis succeeded in showing the possibility of creating enzymemimikry which imitate the structure of the active side of two-centered metalloenzymes. These soluble, as a single isomer accessible coordination compounds may in further studies grant insight in the functions and reactionmechanism of enzymes and help along to imitate them. By optimizing the only rudimentary present proteinesphere it should be possible to accomplish functional enzymemimetics, which may prove as a basis for a new generation of chiral auxilliaries and catalysts.

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