Organische Chemie

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Pushing the upper limit of nucleophilicity scales by mesoionic N‐heterocyclic olefins
(2023-08-04) Eitzinger, Andreas; Reitz, Justus; Antoni, Patrick W.; Mayr, Herbert; Ofial, Armin R.; Hansmann, Max M.
A series of mesoionic, 1,2,3-triazole-derived N-heterocyclic olefins (mNHOs), which have an extraordinarily electron-rich exocyclic CC-double bond, was synthesized and spectroscopically characterized, in selected cases by X-ray crystallography. The kinetics of their reactions with arylidene malonates, ArCH=C(CO2Et)2, which gave zwitterionic adducts, were investigated photometrically in THF at 20 °C. The resulting second-order rate constants k2(20 °C) correlate linearly with the reported electrophilicity parameters E of the arylidene malonates (reference electrophiles), thus providing the nucleophile-specific N and sN parameters of the mNHOs according to the correlation lg k2(20 °C)=sN(N+E). With 21
Ph3PCN2: a stable reagent for carbon atom transfer
(2024-07-18) Koike, Taichi; Yu, Jhen-Kuei; Hansmann, Max M.
Precise modification of a chemical site in a molecule at the single-atom level is one of the most elegant yet difficult transformations in chemistry. A reagent specifically designed for chemoselective introduction of monoatomic carbon is a particularly formidable challenge. Here we report a straightforward, azide-free synthesis of a crystalline and isolable diazophosphorus ylide Ph3PCN2, a stable compound with a carbon atom bonded to two chemically labile groups, triphenylphosphine (PPh3) and dinitrogen (N2). Without any additives, the diazophosphorus ylide serves as a highly selective transfer reagent for fragments including Ph3PC to deliver phosphorus ylide-terminated heterocumulenes and CN2 to produce multi-substituted pyrazoles. Ultimately, even exclusive C-atom transfer is possible: In reactions with aldehydes, acyclic and cyclic ketones (R2C=O), the C-atom substitution forms a vinylidene (R2C=C:) en route to alkynes or butatrienes.
Synthesis of redox-responsive core–shell nanoparticles: insights into core-crosslinking efficiency
(2023-07-25) Olszowy, Yannik; Wesselmann, Janick; Over, Shenja Fabienne; Pätzold, Florian; Weberskirch, Ralf
Core-crosslinked micelles have become an important class of materials for biomedical applications. However, there has been little work attempting to quantify the efficiency of the core crosslinking reaction, instead residual polymers are usually removed by dialysis. In this work we have prepared core crosslinked micelles based on poly(2-ethyl-2-oxazoline)-block-poly(n-butyl acrylate-co-D,L-homocysteine thiolactone acrylamide). Core crosslinking was examined by the addition of six different di- and triamines and nucleophilic ring-opening of the thiolactone ring. By using size exclusion chromatography (SEC) we were able to quantify the amount of crosslinked micelle and free block copolymer and were able to optimize the crosslinking conditions in terms of temperature, reaction time and crosslinker equivalents to obtain up to 80% core-crosslinked micelles. Subsequently, micelles that were crosslinked with cystamine were degraded in the presence of dithiothreitol (DTT) and resulted in degradation times of 1.5 h to 5 h and depended strongly on the composition of the hydrophobic core as shown by dynamic light scattering (DLS) and size exclusion chromatography (SEC). Cytotoxicity assays of the core-crosslinked micelles and block copolymer precursors were performed with COS7 cells and revealed high cell viabilities up to 0.1 mg mL−1.
Polymerbasierte Nanopartikel zur Anwendung in tandemkatalytischen Reaktionen
(2023) Dieter, Marvin; Weberskirch, Ralf; Krause, Norbert
Die nicht-orthogonale Tandemkatalyse ermöglicht es mehrstufige Synthesen chemischer Produkte auf einen Schritt zu reduzieren. Dadurch ist es möglich auf eine intermediäre Aufarbeitung der Zwischenprodukte zu verzichten, was zu einer starken Reduktion der in mehrstufigen Synthesen benötigten Mengen an Lösungsmitteln und Energie führt und den Prozess stark vereinfacht. Eine Schlüsselrolle bei der Realisierung eines solchen Ansatzes ist die Kompartimentierung der beteiligten Katalysatoren, da diese sich möglicherweise gegenseitig inhibieren oder deren spezifische Reaktionsbedingungen nicht kompatibel miteinander sind. Es sind mehrere Prinzipien zur räumlichen Separation von Katalysatoren auf verschiedenen Trägermaterialien bekannt, jedoch sind dabei insbesondere polymerbasierte Systeme aufgrund ihrer einfachen und vielfältigen Funktionalisierungsmöglichkeiten besonders geeignet. In dieser Arbeit wurde das auf einem Mikropartikel immobilisierte Enzym Candida Antarctica Lipase B in Kombination mit maßgeschneiderten, amphiphilen Polymeren eingesetzt. Die amphiphilen Polymere wurden dabei jeweils im Kern mit einem Kupfer- und L-Prolin-Katalysator funktionalisiert und bildeten in Wasser Mizellen aus. Um eine gegenseitige Inhibierung der beteiligten Katalysatoren durch Vermischung der Mizellen zu verhindern, wurden diese im Kern vernetzt. Die so erhaltenen kernvernetzten Nanopartikel wurden im Rahmen einer dreistufigen tandemkatalytischen Eintopf-Reaktion, bestehend aus einer Esterhydrolyse, einer aeroben Alkoholoxidation und einer asymmetrischen Aldolreaktion in Wasser eingesetzt.
Organische Hybrid-Verbindungen auf Basis elektronenreicher Olefine
(2023) Antoni, Patrick Wolf; Hansmann, Max; Strohmann, Carsten
Synthesis and characterization of cationic hydrogels from thiolated copolymers for independent manipulation of mechanical and chemical properties of cell substrates
(2022-02-20) Pätzold, Florian; Stamm, Nils; Kamps, Dominic; Specht, Maria; Bolduan, Patrick; Dehmelt, Leif; Weberskirch, Ralf
Cells sense both mechanical and chemical properties in their environment and respond to these inputs with altered phenotypes. Precise and selective experimental manipulations of these environmental cues require biocompatible synthetic materials, for which multiple properties can be fine-tuned independently from each other. For example, cells typically show critical thresholds for cell adhesion as a function of substrate parameters such as stiffness and the degree of functionalization. However, the choice of tailor-made, defined materials to produce such cell adhesion substrates is still very limited. Here, a platform of synthetic hydrogels based on well-defined thiolated copolymers is presented. Therefore, four disulfide crosslinked hydrogels of different composition by free radical polymerization are prepared. After cleavage with dithiothreitol, four soluble copolymers P1–P4 with 0–96% cationic monomer content are obtained. P1 and P4 are then combined with PEGDA3500 as a crosslinker, to fabricate 12 hydrogels with variable elasticity, ranging from 8.1 to 26.3 kPa and cationic group concentrations of up to 350 µmol cm−3. Systematic analysis using COS7 cells shows that all of these hydrogels are nontoxic. However, successful cell adhesion requires both a minimal elasticity and a minimal cationic group concentration.
Organic four‐electron redox systems based on bipyridine and phenanthroline carbene architectures
(2022-03-17) Antoni, Patrick W.; Golz, Christopher; Hansmann, Max M.
Novel organic redox systems that display multistage redox behaviour are highly sought-after for a series of applications such as organic batteries or electrochromic materials. Here we describe a simple strategy to transfer well-known two-electron redox active bipyridine and phenanthroline architectures into novel strongly reducing four-electron redox systems featuring fully reversible redox events with up to five stable oxidation states. We give spectroscopic and structural insight into the changes involved in the redox-events and present characterization data on all isolated oxidation states. The redox-systems feature strong UV/Vis/NIR polyelectrochromic properties such as distinct strong NIR absorptions in the mixed valence states. Two-electron charge–discharge cycling studies indicate high electrochemical stability at strongly negative potentials, rendering the new redox architectures promising lead structures for multi-electron anolyte materials.
Gold(I) NHC catalysts immobilized to amphiphilic block copolymers: a versatile approach to micellar gold catalysis in water
(2022-06-23) Petersen, Hanne; Ballmann, Monika; Krause, Norbert; Weberskirch, Ralf
Fifteen gold(I)-NHC-functionalized amphiphilic block copolymers that differ in the type of linker (ethyl, pentyl, octyl and benzyl) that attaches the gold(I) NHC catalyst to the block copolymer backbone, as well as, the substitution pattern of the NHC ligand (i. e. mesityl, methyl, 2,6-diisopropylphenyl and n-hexyl) were synthesized by a reversible addition and fragmentation transfer (RAFT) polymerization process. Micelle formation of the gold(I) NHC polymers was analyzed by electron microscopy and dynamic light scattering and revealed spherical and rod-like particles from 12 to 96 nm. In the micellar, gold(I) catalyzed cycloisomerization of an allene to the corresponding dihydrofuran, linker flexibility and substitution pattern of the NHC-ligand showed a strong effect on the catalytic activity. Best results were obtained were obtained for gold(I) NHC catalysts bound to the polymer backbone by pentyl linker whereas the rather stiff benzyl linker gave lowest catalyst conversion. Moreover, the polymer catalyst could be recycled in four consecutive runs and gave activities from 35 to 84 % in the fourth run and underscores the importance of fine tuning structural parameters to achieve high conversion under micellar reaction conditions.
Transition metal-free cycloisomerization of propargylic amides to oxazoles in hexafluoroisopropanol (HFIP)
(2022-08-08) Jankowski, Nicholas; Dietrich, Julian; Krause, Norbert
A transition metal-free method for the cycloisomerization of propargylic amides to oxazoles was developed. The reaction utilizes in situ generated hydrogen chloride in hexafluoroisopropanol (HFIP). With the aid of Design of Experiments optimization a wide range of substrates was transformed into the desired oxazoles. The method allows product formation without side reactions eliminating the need for extensive work-up and purification.
Efficient synthesis of macromolecular DO3A@Gn derivatives for potential application in MRI diagnostics: from polymer conjugates to polymer nanoparticles
(2022-09-10) Kampmann, Anne-Larissa; Hiller, Wolf; Weberskirch, Ralf
Herein, the synthesis of three different macromolecular DO3A@Gn conjugates based on poly(2-oxazoline)s is presented. Therefore, poly(2-methyl-2-oxazoline) is synthesized by a ring-opening, cationic polymerization and the polymerization is terminated with DO3A(tBu)3. The best results are obtained after 48 h at 120 °C with degree of termination of 86%. After deprotection of the DO3A ligand and complexation with Gn3+, relaxivity as measured with a magnetic field strength of 9.4 T (400 MHz) reveals values for r1 of up to 2.32 mm−1 s−1. The concept is extended to a block copolymer based on 2-heptyl-2-oxazoline and 2-methyl-2-oxazoline that is again terminated with DO3A(tBu)3 to form micelles with a size of 12.6 ± 0.7 nm after DO3A(tBu)3 termination and deprotection of the 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-N,N,N,N-tetraacetic acid ligand. After complexation with Gn3+, relaxivity r1 is 10.1 mm−1 s−1 as determined from the slope of the plot of 1/T1 against the gadolinium(III) concentration at 9.4 T. Finally, crosslinked nanoparticles are prepared from amphiphilic macro-monomers that form micelles in water and are crosslinked throughout the core in the presence of azoisobutyronitrile (AIBN). The nanoparticle is 32.9 ± 7.8 nm in size after Gn3+ complexation and reveals a relaxivity r1 of 6.77 mm−1 s−1.
Entwicklung und Synthese neuartiger Silicium-basierter Fluorid-Akzeptoren für Anwendungen als Radiotracer in der Positronen-Emissions-Tomographie
(2023) Mawick, Matthias; Krause, Norbert; Jurkschat, Klaus
Die Positronen-Emissions-Tomographie zählt zu den wichtigsten diagnostischen Methoden der Nuklearmedizin. In Kombination mit der Computertomographie ermöglicht sie eine nichtinvasive Bildgebung zur morphologischen und funktionellen Darstellung von Gewebe. Für die Aufnahme der Bilder werden den behandelten Personen Radiopharmazeutika verabreicht, die einen radioaktiv markierten Tracer enthalten und die Aufnahme der Schnittbilder erst ermöglichen. Abhängig vom jeweiligen Einsatzgebiet kann eine Vielzahl von Verbindungsklassen als Radiotracer eingesetzt werden. Eine noch relativ neue, aber bereits klinisch eingesetzte Variante stellen die Silicium-basierten Fluorid-Akzeptoren (SiFA-Verbindungen) dar. Diese enthalten eine 19F Si-Bindung, die unter milden Reaktions-bedingungen durch einen Isotopenaustausch mit radioaktivem 18F markiert werden kann. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Erweiterung des Spektrums einsetzbarer Markierungsvorläufer. Zunächst wurde versucht, die bekannten SiFA-Verbindungen durch Konjugation an wasserlösliche, bifunktionalisierte Cyclodextrine hydrophiler zu machen, um die Anwendbarkeit in vivo zu vereinfachen. Anschließend konnten SiFA-Derivate mit bisher unbekanntem Substitutionsmuster am Siliciumatom synthetisiert, sowie einige ihrer experimentellen und theoretischen hydrolytischen Halbwertszeiten ermittelt werden. Schließlich gelang die Synthese neuartiger CycloSiFA-Derivate als Weiterentwicklung der klassischen [19F]SiFA-Markierungsvorläufer. Diese enthalten eine Si N-Bindung und lassen sich unter Ringöffnung markieren. Dabei werden Gleichgewichtsreaktionen umgangen, sodass idealerweise Radiotracer mit hohen Aktivitäten zugänglich sind. Zusätzlich konnte eine kleine Bibliothek funktionalisierter CycloSiFA-Verbindungen aufgebaut werden, die eine effiziente On-Demand-Kupplung an biologisch aktive Moleküle ermöglichen sollte. Neben Experimenten zu Folgereaktionen sowie Testreaktionen zur Kupplung an kleinere Moleküle, konnte durch eine Kooperation mit der Forschungsgruppe SCHIRRMACHER auch ein Protokoll zur Radiomarkierung der CycloSiFA-Derivate mit 18F erarbeitet werden.
Entwicklung Übergangsmetall-freier Cycloisomerisierungen in Hexafluorisopropanol
(2023) Jankowski, Nicholas; Krause, Norbert; Strohmann, Carsten
Die zielgerichtete Entwicklung Metall-freier Reaktionen, um damit Übergangsmetalle in chemischen Prozessen zu substituieren, ist Thema aktueller Forschung. Dies hat den Hintergrund, dass Metall-Kontaminationen in Erzeugnissen der Industrie stark reguliert sind, da sie das Potential bergen, Menschen und Umwelt zu schädigen. Zudem wenden sich viele Zweige der Industrie nachhaltigeren Prozessen zu. Metalle sind in dieser Hinsicht ambivalent, da sie zwar sehr gut rezykliert werden können, aber die Gewinnung und Reinigung mit Belastungen verbunden ist. Diese Arbeit zeigt eine Möglichkeit auf, wie typischerweise Metall-katalysierte Reaktionen durch BRØNSTEDT-Säuren ersetzbar sind. Dazu wird das von AUBÉ publizierte System von Acetylchlorid (AcCl) in Hexafluorisopropanol (HFIP) verwendet und auf Trimethylsilylchlorid (TMSCl) erweitert. Die Reaktion der beiden Reagenzien mit HFIP erzeugt in situ HCl. Dieses kann genutzt werden um Propargylamide zu cyclisieren. Für Propargylamide mit terminalen Dreifachbindungen werden Oxazole (und ihre Hydrochloride) gewonnen, die Reaktion von Propargylamiden mit internen Dreifachbindungen ergeben in der Mehrzahl Oxazoline mit (Z) konfigurierten exo-ständigen Doppelbindung.
Total syntheses of keramaphidin B and nominal njaoamine I & studies towards the total synthesis of providencin
(2023) Spohr, Simon Marcel; Fürstner, Alois; Krause, Norbert
After the discovery of manzamine A, a macrocyclic marine alkaloid, Baldwin and Whitehead proposed the biogenesis of a whole class of natural products arising from partly reduced alkylpyridine derivatives. Although manzamine A was quickly conquered by total synthesis around the turn of the millennium, a family of alkaloids emerging early in the biogenesis of these natural products remained elusive. In a total synthesis campaign, alkaloids of the ingenamine estate were targeted, pursuing an approach purely based on chemical logic. Therein, a Michael/Michael cascade was developed forging the common tricyclic core in diastereoselective fashion. Furthermore, the transformation proved highly flexible concerning the introduction of requisite handles for macrocyclization. For the total synthesis of keramaphidin B the macrocyclization strategy relied on the use of ring-closing alkyne metathesis (RCAM) for the 13-membered macrocycle and ring-closing olefin metathesis (RCM) for the 11-membered macrocycle. While the RCAM proved highly reliable, the RCM reaction had to be optimized carefully. Eventually, however, the inaugural total synthesis of keramaphidin B was accomplished in 19 steps along the longest linear sequence (LLS) and 0.93% overall yield. As the more recently discovered njaoamines carry an additional Lewis basic amine functionality in the quinoline annulated to one of the macrocycles, the use of RCM became less inviting. After the identification of vic-dibromoalkenes as sufficient alkyne surrogates, nominal njaoamine I was synthesized employing two subsequent RCAMs in 21 steps LLS and 1.14% overall yield. The total synthesis revealed a positional misassignment of the triple bond in the 17-membered macrocycle, which was revised by an in-depth NMR study. Furanocembranoids are a diverse family of diterpenes. Their macrocyclic framework features, in most cases, a furan and butenolide moiety of some sort. One of the most intriguing molecules found within this class is providencin. Apart from its highly oxygenated nature it is recognized easily by the trans-fused cyclobutane bearing an allylic alcohol and an exocyclic methylene unit. Despite numerous efforts to bring this target down by total synthesis, providencin remains elusive. In particular the exceptionally high ring-strain of the macrocycle and the highly functionalized cyclobutane represent major challenges in an attempted synthesis. Herein, a new route towards the cyclobutane sector of providencin was established, which was used to evaluate the application of RCAM in the context of macrocyclization. At the centerpiece, an Ir-catalyzed photosensitized [2+2] cycloaddition was harnessed to build the furanyl-cyclobutanol fragment. Stereochemical relay of a neighboring stereocenter onto the cyclobutane rendered this approach asymmetric. Furthermore, this handle served as the linchpin to open the thus constructed bicycle via oxidative cleavage. Subsequent functionalization of the furan with a highly electrophilic hypoiodite reagent opened entry into a 2-iodofuran paramount for coupling requisite handles for macrocyclization. At this stage, Suzuki coupling was found to be optimal and an alkyne-bearing E-olefinic fragment could be introduced into the molecule. After accessing a viable diyne it became clear that the macrocycle was too strained to be forged by RCAM, because this reaction is largely entropically driven. These setbacks notwithstanding, a Suzuki coupling could be carried out with potassium vinyltrifluoroborate giving rise to an intermediate, which is expected to be elaborated into providencin via a literature known route previously established in the group of Mulzer.
Synthese und Charakterisierung von funktionalisierten Hydrogel Matrices und deren Anwendung in der Kultivierung von neuralen Stammzellen
(2023) Stamm, Nils; Weberskirch, Ralf; Tiller, Jörg
Durch die immer älterwerdende Bevölkerung steigt mit hohem Alter auch die Anzahl an Krankheiten, welche mit einem Verlust von Zellen verbunden sind. Die Verwendung von Stammzellen stellt eine Möglichkeit zur Regeneration der verlorenen Zellen dar. Die begrenzte Verfügbarkeit von Stammzellen mit fortschreitendem Alter macht eine Kultivierung dieser Stammzellen in vitro notwendig. Zur Kultivierung von Stammzellen eignen sich Hydrogele, welche mit ihren mechanischen Eigenschaften dem natürlichen Gewebe ähneln. Wegen ihrer vielfältigen Eigenschaften finden Hydrogele Anwendung in vielen Bereichen der Medizin, aber auch im alltäglichen Leben. Durch die Verwendung von vollsynthetischen Präpolymeren auf Basis von 4 Acryloylmorpholin und N,N` Bis(methacryloyl)cystamid durch die Vernetzung mit Poly(ethylenglykol)diacrylat wurden verschieden funktionalisierte Hydrogele hergestellt und das Verhalten von neuralen Stammzellen während der Kultivierung auf diesen Hydrogelen untersucht. Die Untersuchung von neuralen Stammzellen und Tumorzellen auf kationischen Hydrogelen zeigte eine Erhöhung der Adhäsion der Zellen in Abhängigkeit der kationischen Ladung. Zusätzlich war es für neurale Stammzellen möglich die Kombination von kationischen Gruppen mit dem Wachstumsfaktor FGF zu untersuchen und einen synergistischen Effekt zwischen diesen Komponenten nachzuweisen, wodurch die Adhäsion und Überlebensfähigkeit der Stammzellen enorm gesteigert wurde. Neben dem bereits beschriebenen Polymersystem wurde ebenfalls ein weiteres Polymersystem auf Basis von Thiolactonen entwickelt.
Grubbs-Carbene aus der gem-Hydrierung von Alkinen und Totalsynthese von Prorocentin
(2023) Zachmann, Raphael Jonas; Fürstner, Alois; Krause, Norbert
Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der geminalen Hydrierung, welche die einzigartige Möglichkeit bietet, interne Alkine direkt in Metallcarbenkomplexe umzuwandeln. Es konnte mit [(NHC)(Cymol)RuCl2] erstmalig ein zweites Katalysatorsystem identifiziert werden, welches zur lichtgetriebenen Bildung von Grubbs-Carbenen befähigt ist. Diese Entdeckung war maßgeblich für die Entwicklung einer „hydrierenden Metathese“ von Eninen sowie zweier neuartiger Syntheserouten zur Herstellung von Metallcarbenkomplexen des Hoveyda-Grubbs-Typs. Im zweiten Teil sind die Synthese und die strukturelle Revision des polyketidischen Naturstoffs Prorocentin beschrieben. Vor Beginn dieser Arbeit wurde bereits eine mögliche Fehlzuordnung in der vom Isolationsteam vorgeschlagenen Struktur diskutiert. Unser Projekt begann daher mit der Reevaluation sämtlicher verfügbarer NMR-Daten, wobei wir Prorocentin einer wahrscheinlicheren Isomerstruktur zuordnen konnten. Diese Hypothese konnte anhand konvergenter Totalsynthesen beider Verbindungen zweifelsfrei bestätigt werden.
Studien zur Totalsynthese des marinen Tetraterpenoids Gukulenin A und Darstellung substituierter Cyclohepta[d][1,3]dioxin-7-one durch intramolekulare Alkin-de Mayo-Reaktion
(2022) Bednarzick, Ulf; Hiersemann, Martin; Krause, Norbert
Der erste Teil der vorliegenden Dissertation befasst sich mit den Studien zur Totalsynthese von Gukulenin A, einem marinen Tetraterpenoid, über dessen Isolierung, Strukturaufklärung und biologische Evaluierung die Arbeitsgruppe um Rho et al. im Jahr 2010 berichtete. Der strukturell anspruchsvolle Naturstoff wurde aus dem roten Meeresschwamm Phorbas gukhulensis isoliert, welcher nahe der Insel Gageodo vor der südkoreanischen Küste beheimatet ist. Die präzedenzlose Molekülarchitektur von Gukulenin A ist durch ein pseudodimeres Tetraterpen-Grundgerüst sowie hochsubstituierte Cyclopentanoide und α-Tropolone charakterisiert. Daneben besticht das Tetraterpenoid durch eine bemerkenswerte Zytotoxizität gegenüber unterschiedlichen menschlichen Krebszelllinien im nanomolaren Bereich. Ausgehend von (–)-Piperiton konnte der Zugang zu einem fortgeschrittenen Gukulenin A-Vorläufer in Form eines C2-dissymmetrischen Bis-α-Tropolonetheracetals erschlossen werden. Schlüsselschritte der 26-stufigen „ex-chiral-pool“-Synthese waren eine ringkontrahierende Meinwald-Umlagerung, eine photochemisch induzierte Zweikohlenstoffatom-Ringerweiterung durch intramolekulare Alkin-de Mayo-Reaktion, eine präzedenzlose Kupfer(II)-vermittelte Lactolether-Methanolyse sowie eine abschließende Alken-Homometathese. Ziel des zweiten Teils der Arbeit war es, das Anwendungsspektrum der intramolekularen Alkin-de Mayo-Reaktion zum Aufbau mittelgroßer Carbocyclen durch die Etablierung eines Acetal-basierten und potenziell spaltbaren Linker-Systems zu erweitern. In diesem Zusammenhang wurden die Grenzen der photochemisch induzierten Zweikohlenstoffatom-Ringerweiterung unter Anwendung eines Methylenacetals als verknüpfendes Linker-Templat durch explorative Substratvariationsstudien ergründet. Durch die Bestrahlung der synthetisch leicht zugänglichen vinylogen Carbonsäure-Derivate konnten die korrespondierenden siebengliedrigen Cyclohepta[d][1,3]dioxin-7-one erhalten werden. Zudem ließ sich der Kurs der Photochemie durch einen Lösungsmittelwechsel beeinflussen und die Alkin-de Mayo-Reaktion in Abhängigkeit des Substrats gezielt unterbrechen. Auf diese Weise konnten die entsprechenden Bicyclo[3.2.0]heptenoide vereinzelt durch Enon–Alkin-(2+2)-Photocycloaddition zugänglich gemacht und als stabile Verbindungen isoliert werden.
Synthese und Charakterisierung bioabbaubarer, polymerer Nanopartikel für biomedizinische Anwendungen
(2022) Olszowy, Yannik; Weberskirch, Ralf; Tiller, Jörg
Krebserkrankungen zählen neben Herz-Kreislauferkrankungen immer noch zu den häufigsten frühzeitigen Todesarten weltweit. Ein wichtiges Ziel der modernen Tumortherapie ist daher die Entwicklung neuartiger Wirkstoffe und Diagnostika. Dabei kann auch die Formulierung dieser Stoffe einen signifikanten Einfluss auf die Effizienz einer Therapie bzw. eines diagnostischen Verfahrens besitzen. Besonders vernetzte polymere Nanopartikel sind dabei seit einigen Jahrzehnten in den Fokus der Forschenden gerückt. Diese Nanopartikel bestehen zumeist aus einer hydrophilen Hülle und einem vernetzten, hydrophoben Kern. In dieser Arbeit wurden solche Nanopartikel mit einem hydrophilen Segment bestehend aus Poly(2-Oxazolin)en dargestellt, da die Peptid-ähnliche Struktur dieser Polymere zu exzellenter Bio- und Blutkompatibilität der Nanopartikel führen sollte. Das hydrophobe Segment wurde durch eine RAFT-Polymerisation aufgebaut, da durch die einfache Synthese Acrylat-basierter Monomere ein breites Spektrum an Modifikationen ermöglicht werden sollte. Die Kernvernetzung der Nanopartikel sollte reversibel sein, um mögliche Akkumulation der Nanopartikel im Körper zu verhindern. Daher wurden Disulfid-haltige Vernetzer verwendet, welche unter den reduktiven intrazellulären Bedingungen abgebaut werden sollten. Nach ausgiebiger Untersuchung und Optimierung dieses Nanopartikelsystems, sowie dessen Abbauverhalten, wurden im letzten Schritt erste Modifikationen für konkrete biomedizinische Anwendungen im Bereich der Tumortherapie und -diagnostik durchgeführt und evaluiert.
Totalsynthese von Limaol
(2022) Hess, Stephan; Fürstner, Alois; Krause, Norbert
Limaol ist ein aus dem benthischen Dinoflagellaten Prorocentrum lima isoliertes C40-Polyketid mit auffälligen Strukturmerkmalen wie vier nicht-konjugierten exo-Methylengruppen im nördlichen Teil und einem chiralen Spiroketalkern. Diese Dissertation beschreibt die Synthese von Limaol. Aufgrund der Größe des Zielmoleküls wurde ein fragmentbasierter Ansatz gewählt. Retrosynthetisch wurde das Molekül in drei Bausteine von ungefähr gleicher Komplexität aufgeteilt, was eine konvergente Synthese ermöglichte. Das zentrale und das südliche Fragment wurden durch eine asymmetrische Allylierung vereinigt, welche entgegen der erwarteten Cram-Chelat-Selektivität verlief und eine Inversion der Stereochemie an C27 nötig machte. Das nördliche Trien-Fragment wurde durch eine Allyl-Alkenyl-Kreuzkupplung mit dem Rest des Zielmoleküls verbunden. Insgesamt wurden auf diese Weise 3,3 mg Limaol hergestellt. In dem Bestreben, die Materialausbeute für biologische Tests zu erhöhen, wurde eine Synthese der zweiten Generation entwickelt. Die größten Engpässe des ersten Ansatzes waren auf die ungünstige Sterik des Zentralfragments zurückzuführen. Ein Wechsel der Schutzgruppen verbesserte die Effizienz der neuen Route erheblich. Die Gesamtausbeute wurde gegenüber dem Ansatz der ersten Generation vervierfacht. Darüber hinaus erwies sich die überarbeitete Route als skalierbar und lieferte 277 mg Limaol in einem Durchgang.
Synthese und Charakterisierung von maßgeschneiderten bioabbaubaren Hydrogelsystemen für eine Anwendung in der Biomedizin
(2022) Pätzold, Florian; Weberskirch, Ralf; Tiller, Jörg
Due to their diverse properties, hydrogels are not only used in everyday life, but also form the basis for a large part of life in the form of animal and plant tissue. In the form of the extracellular matrix, hydrogels not only act as a support scaffold for cells, but also influence various cellular processes such as proliferation, migration and differentiation due to the cell-matrix interactions that occur. In biomedical research, the potential of hydrogels as bioactive carrier materials has been recognized and explored with respect to a variety of potential applications. This work was dedicated to the development of biocompatible hydrogel systems for application in biomedical research as artificial extracellular matrices. Synthetic biofunctionalized thiol-containing prepolymers based on 4-acryloylmorpholine and N,N'-bis(methacryloyl)cystamine were used, which were linked into a network by the use of various polymeric crosslinkers. In addition to the use of poly(ethylene glycol)-based crosslinkers, newly developed biodegradable systems based on poly(2-oxazolines) were also used to prepare the hydrogels. By varying different crosslinkers and gel concentrations, it was not only possible to produce hydrogels with variable stiffness from 0.1 to 51 kPa, but also to control their hydrolytic degradation behavior in such a way that degradation times of several days to months could be realized. Cell experiments were used not only to verify the biocompatibility of the newly developed systems, but also to perform initial studies on the adhesion behavior of cells to the gel surface with COS-7 cells.
Heteroleptische Dirhodium(II)-Komplexe und ihre Rolle als Katalysatoren in der asymmetrischen Cyclopropanierung mit α-metallierten Diazoverbindungen
(2022) Calo, Fabio Pasquale; Fürstner, Alois; Krause, Norbert
Die asymmetrische, intermolekulare Cyclopropanierung mit α-metallierten Diazoverbindungen ermöglicht die Darstellung von stereodefinierten α-metallierten Cyclopropanen. Diese sind wertvolle Bausteine für die Darstellung von Enantiomeren-angereicherten, strukturell vielfältigen Cyclopropanen. Ein neuartiger heteroleptische Dirhodium(II)-Komplex mit einem Amidat-Liganden weist eine einzigartige Reaktivität als Katalysator in dieser Cyclopropanierungsreaktion auf. Ursprünglich wurde dieser als Verunreinigung in Chargen der homoleptischen Stammverbindung [Rh2((R)-TPCP)4] entdeckt. Die N-H-Funktionalität des Amidat-Liganden ist ausschlaggebend für die beobachtete exzellente Enantioselektivität. Dies wird durch die Hypothese erklärt, dass eine inter-Liganden Wasserstoffbrücke im intermediär gebildeten Dirhodium(II)-Carben die Stereochemie der Reaktion bestimmt. Experimentelle Untersuchungen sowie DFT-Rechnungen untermauern diese Hypothese. Die bei der Cyclopropanierung mit diesem neuen Katalysator gebildeten, optisch aktiven Cyclopropylstannane eignen sich für eine stereoretentive Kreuzkupplung. Die in dieser Arbeit gezeigten Beispiele zeigen zum ersten Mal, dass sich chirale, quaternäre Stereozentren durch Stille-Migita Reaktion darstellen lassen. Die Kombination von DFT-Rechnungen mit gezielten Laborexperimenten ermöglichte die Entwicklung einer zweiten Generation von heteroleptischen Dirhodium(II)-Katalysatoren, welche sich nicht nur durch Enantioselektivität sondern auch durch eine hohe Diastereoselektivität in Cyclopropanierungen auszeichnen. Mit den weiterentwickelten Dirhodium(II)-Komplexen der zweiten Generation, ist für eine Vielzahl von Cyclopropanen die Darstellung eines einzelnen Isomers möglich. Ein neues H(C)Rh-Triple-Resonanz-NMR-Experiment ermöglicht die schnelle Bestimmung der bisher unbekannten 103Rh chemischen Verschiebungen mehrerer Dirhodium(II)-Komplexe. Die Analyse der auf diese Weise gewonnen Daten erlaubt Rückschlüsse auf die Einflüsse von äquatorialen-, axialen- und Metallo-Liganden auf die entsprechenden Rhodium-Kerne. Berechnete 103Rh chemische Verschiebungen zeigen eine exzellente Korrelation zu den gemessen Daten und bilden die Grundlage für eine qualitative sowie quantitative Analyse der Abschirmungstensoren in Dirhodium(II)-Komplex

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