Wissenschaft & Forschung

Biowissenschaften kurz notiert<h2>Teilmechanismus der Carotinbiosynthese geklärt</h2>Biochemiker der Universität Freiburg haben aufgedeckt, wie sich Phytoen an der Lipiddoppelschicht photosynthetisch aktiver Plastide umwandelt – das farblose Phytoen ist ein Vorläufer von b-Carotin in den Blättern der Reispflanze. Das Molekül gelangt zunächst über einen Kanal ins Reaktionszentrum einer Phytoen-Desaturase. Das entstehende Zwischenprodukt reagiert anschließend an einem benachbarten Enzym. Die Wissenschaftler klärten mit Röntgenbeugung die Struktur der Phytoen-Desaturase.<ul><li>
1 A. Brausemann, S. Gemmecker, J. Koschmieder et al., Structure 2017, doi: 10.1016/j.str.2017.06.002</li></ul>
<h2>Drei Schlüsselmoleküle für Lernen und Erinnern</h2>Makromolekulare Komplexe aus ephrinB2 und ApoER2 beeinflussen in Interaktion mit dem Protein GRIP1 die Gedächtnisleistung im Erwachsenenalter, wie eine Arbeitsgruppe der Universität Frankfurt herausfand. Sie hemmte das Zusammenspiel der Komplexe, was den Kontakt zwischen Nervenzellen störte. Das Gehirn passt ephrinB2 und ApoER2 jedes Mal an, wenn es sich auf neue Situationen einstellt. Die Erkenntnisse stehen im Zusammenhang mit Alzheimer. Der zugrunde liegende Mechanismus ist noch unbekannt.<ul><li>
2 S. Pfennig, F. Foss, D. Bissen et al., Cell Rep. 2017, doi: 10.1016/j.celrep.2017.09.019</li></ul>
<h2>Schädliche Eiweißablagerungen</h2>Unlösliche Proteine lagern sich als Amyloidfibrillen zwischen Zellen ab und schädigen diese. Proteinbiochemiker der Universität Ulm schleusten ein bei Immunreaktionen entstehendes Protein in Makrophagenzellen ein, das Zellorganellen verdauten. Bei einem Proteinüberschuss aggregierten die ursprünglich löslichen Proteine. Dadurch rissen die Verdauungsorganellen auf, und die Zellen starben. An den austretenden Amyloidfibrillen sammelten sich weitere Proteinfasern. Bei einer Amyloidose schädigen diese Ablagerungen Organe wie Leber, Niere oder Milz.<ul><li>
3 S. Claus, K. Meinhardt, T. Aumüller et al., EMBO Rep. 2017, doi: 10.15252/embr.201643411</li></ul>
Lea van Alst

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Biowissenschaften kurz notiert

Biowissenschaften kurz notiertTeilmechanismus der Carotinbiosynthese geklärtBiochemiker der Universität Freiburg haben aufgedeckt, wie sich Phytoen an der Lipiddoppelschicht photosynthetisch aktiver Plastide umwandelt – das farblose Phytoen ist ein Vorläufer von b-Carotin in den Blättern der Reis...

Viele Chemiker vermuten bei sperrigen Substituenten ausschließlich sterische Abstoßung. Häufig wird diese jedoch durch die anziehende London-Dispersion kompensiert. Diese oft wenig beachtete Wechselwirkung beeinflusst zudem Struktur und Reaktivität.
Wer im Haushalt auf einen Nagel oder eine Schraube verzichten will, um etwas an der Wand zu befestigen, kann seit einiger Zeit auf Gecko-Klebeband zurückgreifen. Dieses Material ist von der Natur inspiriert: Es ahmt die Fußsohle eines Geckos nach. Dieses Schuppenkriechtier klettert problemlos an einer glatten Glasfläche empor, da seine Füße mit Millionen auf Lamellen angeordneten Fortsätzen ausgestattet sind, die in etwa 0,2 µm dicke pinselähnliche Enden übergehen.1) Jedes dieser Enden entwickelt über Van-der-Waals-Wechselwirkungen eine Haftkraft von bis zu 200 µN, was bei der Vielzahl an Borsten die vertikale Fortbewegung über Glasflächen erlaubt.<h2>Aus Sicht des Chemikers</h2>Mathematisch wird die Wechselwirkung zweier nicht geladener Atome oder Moleküle durch die Van-der-Waals-Wechselwirkung (Abbildung 1) beschrieben. Die Wechselwirkungsenergie zwischen den beiden Teilchen besteht aus einem repulsiven und einem attraktiven Teil. Der anziehende Teil der Van-der-Waals-Wechselwirkung heißt auch London-Dispersion. Für kleine Abstände überwiegt der repulsive Term, was dazu führt, dass sich die Moleküle abstoßen. Für große Abstände hingegen werden beide Terme sehr klein. Bei mittleren Abständen überwiegt der anziehende Anteil, und es kommt zu einer attraktiven Wechselwirkung zwischen den Teilchen. Obwohl die einzelne Wechselwirkung zwischen zwei Teilchen nur schwach ist, summieren sich die paarweisen Dispersionswechselwirkungen in großen Molekülen schnell zu wichtigen Beiträgen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/zYMPRI2bRIiJHs7OsQRS"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Zusammensetzung der Van-der-Waals-Wechselwirkung (schwarz) als Lennard-Jones-Potenzial aus einem anziehenden (London-Dispersion, grün) und einem abstoßenden Teil (rot).</figcaption></figure>
<h2>Korsetteffekt und Protobranche</h2>Obwohl die London-Dispersion seit mehr als 100 Jahren bekannt ist,2) wurden oftmals andere Wörter benutzt, um ihren Effekt zu erklären. So der Begriff „Korsetteffekt“, mit dem im Jahr 1978 die Stabilität des Tetra-tert-butyltetrahedrans (3) erklärt wurde.3) Die Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) von Tetra-tert-butylcyclopentadien (1) führt zur Abspaltung von Kohlenmonoxid und liefert dadurch das an Luft stabile, kristalline Tetrahedran (3) (Abbildung 2, oben). Mit dem weniger substituierten Tri-tert-butylcyclopentadien ließ sich kein entsprechendes Tetrahedran herstellen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/EmEUrYraT0enjUfqAeSQ"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Synthese des Tetra-tert-butyltetrahedrans (3) sowie eine homodesmische Reaktion zur Berechnungen der dispersiven Stabilisierung.3,4)</figcaption></figure>
Ohne genauer auf die Art der Wechselwirkungen einzugehen, haben Maier und Kollegen einen „Korsetteffekt“ als Erklärung für die überraschende Stabilität von (3) vorgeschlagen: In einer tetraedrischen Struktur sind die vier Substituenten maximal voneinander entfernt. Eine Dehnung der Ringbindungen schiebt die tert-Butylgruppen aufeinander, was sterisch ungünstig ist. Neuere Rechnungen legen jedoch nahe, dass zusätzlich eine dispersive Wechselwirkung zwischen den tert-Butylgruppen entscheidend für die Stabilität von (3) ist.4)Wie die homodesmische Reaktion in Abbildung 2 (unten, S. 505) zeigt, ist die Kombination aus einem unsubstituierten und einem tetrasubstituierten Tetrahedran ((3) + (5) in Abbildung 2) thermodynamisch günstiger als zwei disubstituierte Systeme ((4) + (4)). Grund sind die zusätzlichen C-H···H-C-Wechselwirkungen zwischen den einzelnen tert-Butylgruppen, die das sonst labile Tetrahedrangerüst stabilisieren.Stabilisierende C-H···H-C-Wechselwirkungen erklären auch, wieso verzweigte Alkane stabiler sind als lineare. Schleyer und Kollegen führen die höhere Stabilität von iso-Butan und neo-Pentan (Abbildung 3) auf die unterschiedliche Zahl von 1,3-Alkyl-Alkyl-Wechselwirkungen (Protobranche) zurück.5) Bei den in Abbildung 3 gezeigten Butan- und Pentanisomeren trägt jeder zusätzliche Protobranch in den verzweigten Alkanen etwa 7 kJ · mol–1 an Stabilisierungsenergie bei.<figure><img src="https://media.graphcms.com/9lOLfXnS1uf5Por6lDDQ"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Standardbildungsenthalpien (ΔfH0) und Anzahl der Protobranche für lineare und verzweigte Alkane.5)</figcaption></figure>
<h2>Stabilisierung, Struktur und Reaktivität</h2>Wie das im Folgenden beschriebene Hexaphenylethan-Rätsel zeigt, ist unsere Vorstellung einer rein abstoßenden Wirkung zwischen sperrigen Substituenten fehlerhaft. Nachdem er das Triphenylmethylradikal (6) erzeugt hatte, beobachtete Gomberg im Jahr 1900, dass sich ein farbloser Feststoff bildete. Dessen Struktur beschrieb er als Dimer (7), also Hexaphenylethan (Abbildung 4, links).6) Allerdings handelte es sich dabei gar nicht um diese Verbindung, sondern um das isomere Additionsprodukt (8), wie andere Untersuchungen zeigten.7) Später synthetisierten Mislow und Kollegen das Hexaarylethan (10), indem sie das sterisch anspruchsvolle all-meta-tert-Butyl-substituierte Radikal (9) (Abbildung 4, rechts) dimerisierten.8) Der dabei entstandene Feststoff ist in inerter Atmosphäre stabil und schmilzt erst bei 214 °C.<figure><img src="https://media.graphcms.com/ljJEMPZjTqcDfRCbUW3n"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Dimerisierung unterschiedlich substituierter Tritylradikale.6,7)</figcaption></figure>
Eine Erklärung, wieso eine vermeintliche sterische Hinderung eine labile Struktur stabilisieren kann, fanden erst im Jahr 2011 Grimme und Schreiner durch computerchemische Untersuchungen.9) Demnach ist die Dimerisierung des unsubstituierten Radikals (6) zu (7) thermodynamisch ungünstig (+38 kJ · mol–1). Im Gegensatz dazu wurde die Dimerisierung des all-meta-tert-Butyl-substituierten Radikals (9) zu (10) als exergoner Prozess (–57 kJ · mol–1) berechnet. Die Ursache hierfür sind die vielen stabilisierenden C-H···H-C-Wechselwirkungen, die diese Struktur wie ein molekularer Kleber zusammenhalten.Neben dem Einfluss auf die Struktur organischer Verbindungen kann die London-Dispersion auch die Reaktivität und Selektivität von Reaktionen entscheidend beeinflussen. Im Rahmen der Synthese des chiralen Naphthalinderivats (17) untersuchten Yamaguchi und Mitarbeiter die [4 + 2]-Cycloaddition zwischen dem intermediär gebildeten Arin (13) und dem Furan (14) (Abbildung 5).10) Dabei bildet sich nicht wie erwartet das sterisch weniger gehinderte 1,5-Diadamantyladdukt (16) als Hauptprodukt, sondern das sterisch anspruchsvollere 1,8-Diadamantyladdukt (15). Aufgrund der stabilisierenden dispersiven Wechselwirkungen und des sterischen Anspruchs der Adamantylgruppen ist (17) bei Zimmertemperatur stabil und racemisiert nicht.<figure><img src="https://media.graphcms.com/RwadJaa0Tne3rzbEzezk"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Bei der Synthese chiraler Naphthalinderivate entsteht bevorzugt das vermeintlich sterisch ungünstigere Cycloaddukt (15) (Ad = Adamantyl).10)</figcaption></figure>
Im Jahr 2015 untersuchte die Arbeitsgruppe Wegner, wie Dispersionselemente die Z→E-Isomerisierung von Azobenzolen beeinflussen.11) Das weniger stabile Z-Isomer lässt sich dabei in das stabilere E-Isomer überführen. Wie die experimentell bestimmten freien Aktivierungsbarrieren zeigen (Abbildung 6), reagiert die sterisch anspruchsvollere adamantylsubstituierte Verbindung langsamer als das unsubstituierte Stammsystem. Dies ließ sich nicht mit konventioneller Dichtefunktionaltheorie erklären. Sie lieferte nahezu identische Aktivierungsbarrieren für die unterschiedlich substituierten Systeme. Erst die dispersionskorrigierte Dichtefunktionaltheorie12) erlaubt, die experimentellen Ergebnisse korrekt zu beschreiben, reproduziert also die experimentellen Ergebnisse.<figure><img src="https://media.graphcms.com/BKIPIYLFTmaG8eNTSWkp"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Freie Aktivierungsenthalpien ΔG‡ für die Z→E-Isomerisierung substituierter Azobenzole. Grau: experimentelle Daten, rot: berechnet ohne Dispersionskorrektur, blau: berechnet mit Dispersionskorrektur.11)</figcaption></figure>
Nach der quantenmechanischen Analyse tritt die London-Dispersion fast ausschließlich in den Z-Isomeren auf und stabilisiert diese. Zur Stabilisierung der entsprechenden Übergangszustände und der E-Isomere hingegen trägt die London-Dispersion nur wenig bei.<h2>Supramolekulare Chemie und Katalyse</h2>Ein Beispiel zum Einfluss von London-Dispersion in der supramolekularen Chemie haben vor Kurzem Albrecht und Kollegen veröffentlicht.13) In Gegenwart von Lithiumionen können estersubstituierte Titan(IV)triscatecholate dimerisieren. Mit steigender Kettenlänge des Esters (CO2R) nimmt die Gleichgewichtskonstante Kdim von 175 (für R = Methyl) auf 2690 (für R = n-Heptyl) zu, sinkt aber bei noch größeren Resten wieder (810 für n-Undecyl) (Abbildung 7, S. 508).<figure><img src="https://media.graphcms.com/SAofSyrBRu3NJQWq4sU8"><figcaption><label>Abb. 7: </label>Gleichgewichtskonstanten für die Dimerisierung estersubstituierter Titan(IV)triscatecholate in d6-DMSO.13)</figcaption></figure>
Wie eine Analyse der Wechselwirkungsenergien (ΔG = ΔH – TΔS) zeigt, stabilisiert die London-Dispersion die Dimere mit zunehmender Kettenlänge enthalpisch (ΔH). Gleichzeitig steigt jedoch auch der Entropiebeitrag zur freien Energie (–TΔS), da nur noch bestimmte Kettenkonformationen möglich sind. Diese gegenläufigen Effekte führen dazu, dass mittellange Alkylketten (Heptyl bis Nonyl, Abbildung 7) die größten Gleichgewichtskonstanten aufweisen.London-Dispersion lässt sich auch für verschiedene katalytische Prozesse einsetzen. So synthetisierte kürzlich die Arbeitsgruppe Carrow das sterisch anspruchsvolle Tri(1-adamantyl)phosphan P(Ad)3.14) Es ist ein noch stärkerer σ-Donor als P(tBu)3, das sowieso schon einer der stärksten σ-Donoren unter den Phosphanen ist. Die Winkel in P(Ad)3 sind kleiner als die in P(tBu)3, was auf attraktive C-H···H-C-Wechselwirkungen zwischen den Adamantylresten hinweist. Tri(1-adamantyl)phosphan erwies sich daher wie erwartet als hervorragender Katalysator in der Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung (99 % nach vier Stunden, Abbildung 8, oben) und übertrifft Phosphane wie P(tBu)3 oder P(c-Hex)3 deutlich in der katalytischen Aktivität, die bei diesen Phosphanen nach vier Stunden weniger als zehn Prozent beträgt.<figure><img src="https://media.graphcms.com/1Thjf6oWTeOZ8nxavPJ9"><figcaption><label>Abb. 8: </label>Beispiele für Dispersionseffekte in der Metallkatalyse.14,15)</figcaption></figure>
Eine weitere Anwendung der London-Dispersion ist die Mangan(I)-katalysierte C-H-Aktivierung substituierter Indole, die anschließend mit Vinylcyclopropanen reagieren (Abbildung 8, unten).15) Quantenmechanische Untersuchungen zeigen dabei dispersive Wechselwirkungen zwischen dem π-System des Pyridins und den Estergruppen wie auch zwischen der Indoluntereinheit und der entstehenden C-C-Doppelbindung.<h2>Carbenkatalyse</h2>In der Carbenkatalyse charakterisierte die Arbeitsgruppe Berkessel die bis dahin lediglich postulierten Breslow-Intermediate (Diaminoenole) durch NMR-Spektroskopie und Kristallstrukturanalyse.16) Dazu befestigten sie C-H-reiche 2,6-Bis(2-propyl)-phenyl-Gruppen an beiden Stickstoffatomen des Imidazolidinylidengerüsts und synthetisierten so beispielsweise das entsprechende Breslow-Intermediat in der Reaktion mit Benzaldehyd.Carbene mit Dispersionselementen ermöglichen zudem neue Reaktionswege. Während etwa die Redoxesterifizierung von α- oder β-substituierten Enalen mit konventionellen Carbenen nicht gelingt, funktioniert dies mit entsprechend substituierten Triazolylidenen. Dies wurde an 22 Enalen gezeigt und in der Einstufensynthese von Nepetalacton rac-(11) praktisch genutzt (Abbildung 9).17)<figure><img src="https://media.graphcms.com/QV3Pt1klQ4uBBUhjVrcn"><figcaption><label>Abb. 9: </label>Einsatz von Carbenen mit Dispersionselementen in der Redoxesterifizierung von Enalen.17)</figcaption></figure>
Die beschriebenen Beispiele zeigen die Konsequenzen, die die London-Dispersion für Struktur und Reaktivität organischer Verbindungen haben kann. Zukünftige experimentelle und theoretische Untersuchungen werden nicht nur neue Dispersionselemente identifizieren, sondern auch ermöglichen, diese nicht kovalente Wechselwirkung in organischen Reaktionen gezielt anzuwenden.Synthese im Blickpunkt will zur Beschäftigung mit neuen synthetischen Verfahren oder eleganten und wichtigen organischen Synthesen anregen. Die Beiträge zur Serie verfassen dieses Jahr im Wechsel Jochen Niemeyer und Martin Breugst.<h2>Vitakasten</h2>Martin Breugst, Jahrgang 1980, leitet seit 2013 als Liebig-Stipendiat eine Arbeitsgruppe an der Universität Köln. Er promovierte in organischer Chemie bei Herbert Mayr an der LMU München. Nach einem Postdoktorat bei Kendall N. Houk an der University of California, Los Angeles, habilitierte er sich im Jahr 2017 an der Universität Köln. Seine Forschungsinteressen gelten nicht-kovalenten Wechselwirkungen und der Aufklärung von Reaktionsmechanismen. Bei diesem Beitrag unterstützte ihn sein Doktorand Jonas König. <email><a href="mailto:mbreugst@uni-koeln.de">mbreugst@uni-koeln.de</a></email><div><img src="https://media.graphcms.com/orLaSbWS9uj3WPKW7iX8">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh et al., Nature 2000, 405, 681.</li><li>
2 F. London, Z. Phys. Chem. 1930, 63, 245.</li><li>
3 G. Maier, S. Pfriem, U. Schäfer, R. Matusch, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1978, 17, 520.</li><li>
4 P. R. Schreiner, L. V. Chernish, P. A. Gunchenko et al., Nature 2011, 477, 308.</li><li>
5 M. D. Wodrich, C. S. Wannere, Y. Mo et al., Chem. Eur. J. 2007, 13, 7731.</li><li>
6 a) M. Gomberg, J. Am. Chem. Soc. 1900, 22, 757; b) M. Gomberg, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1900, 33, 3150.</li><li>
7 H. Lankamp, W. T. Nauta, C. MacLean, Tetrahedron Lett. 1968, 9, 249.</li><li>
8 B. Kahr, D. Van Engen, K. Mislow, J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 8305.</li><li>
9 S. Grimme, P. R. Schreiner, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 12639.</li><li>
10 H. Aikawa, Y. Takahira, M. Yamaguchi, Chem. Commun. 2011, 47, 1479.</li><li>
11 L. Schweighauser, M. A. Strauss, S. Bellotto, H. A. Wegner, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 13436.</li><li>
12 S. Grimme, Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 211.</li><li>
13 D. Van Craen, W. H. Rath, M. Huth et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 16959.</li><li>
14 L. Chen, P. Ren, B. P. Carrow, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6392.</li><li>
15 T. H. Meyer, W. Liu, M. Feldt et al., Chem. Eur. J. 2017, 23, 5443.</li><li>
16 A. Berkessel, V. R. Yatham, S. Elfert, J.-M. Neudörfl, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 11158.</li><li>
17 V. R. Yatham, W. Harnying, D. Kootz et al., J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2670.</li></ul>

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