Konkave Reagenzien
Die hohe Selektivität enzymatischer Reaktionen ist zu einem großen Teil auf die spezielle Struktur um das aktive Zentrum he- rum zurück zu führen. Diese ähnelt einer Glühbirne (das reakti- ve Zentrum) in einem Lampenschirm
(die sterische Abschirmung). Über- setzt man dieses Lampenmodell in molekulare Dimensionen, so muss zumindest ein Bimakrocyclus synthe- tisiert werden, in dem ein Makro- cyclus den Rand des Lampenschirms darstellt, der dann durch eine Brücke überspannt wird, die die funktionelle Gruppe trägt.
Unsere Gruppe hat eine Vielzahl Kon- kaver Reagenzien synthetisiert: Kon- kave Säuren, Konkave Basen, Kon- kave Redox-Reagenzien [1]. Diese Bimakrocyclen können als Reagen- zien oder als Katalysatoren verwen- det werden. Besonders interessant ist die Klasse der Konkaven 1,10-Phenan- throline (Bild 1), da diese über ihre Stickstoffatome Metallionen binden können. Viele der resultierenden Komplexe sind katalytisch aktiv und zeigen bemerkenswerte Selektivi- täten, z. B. in Übergangsmetall-kata- lysierten Diels-Alder-Reaktionen, in Palladium-katalysierten Allylierungen,
Concave Reagents
The high selectivity of enzymatic reactions is largely caused by the special geometry around the active site which resembles a light-bulb (the reactive center) in a lamp shade (the steric shield- ing). If this lamp geometry is trans- lated into molecular dimensions, bi- macrocycles have to be synthe- sized in which at least one macro- cycle resembles the rim of the lamp shade and an additional bridge car- ries the functional group, the light bulb.
Numerous classes of concave reagents have been synthesized by our group: concave acids, con- cave bases, concave redox sys- tems [1]. These bimacrocycles can be employed as reagents or as cat- alysts. The class of concave 1,10- phenanthrolines (Figure 1) is espe- cially useful because catalytically active metal ions can be bound to the nitrogen atoms of the heterocy- cle. Many of the resulting complex- es are catalytically active and the concave ligand determines the se- lectivities. Remarkable selectivity enhancements have been found in transition metal ion catalyzed Diels-Alder reactions, in palladium
Supramolecular Chemistry and Molecular Recognition
The Lüning group works on supramolecular chemistry and molecular recognition, on dynamical combinatorial libraries and on dendrimers.
Ulrich Lüning, Institut für Organische Chemie
Supramolekulare Chemie und Molekulare Erkennung
Die Arbeiten der Lüning-Gruppe beschäftigen sich mit Supramolekularer Chemie und Molekularer Erkennung sowie mit Dynamischer Kombinatorik und Dendrimeren.
Bild 1 / Figure 1
Ein konkaves 1,10-Phenanthrolin als Beispiel für eine bimakrocyclische Konkave Base mit einer Geometrie in Lampenform: Ein Makrocyclus (in rot) wird überspannt durch eine Brücke (in blau), die die funktionelle Gruppe trägt (hier: die Stickstoffatome).
A concave 1,10-phenanthroline as an example of a bimacrocyclic concave base having a lamp-like geo- metry: A macrocycle (in red) is spanned by a bridge (in blue) carrying the functional group (here: the nitrogen atoms).
Supramolecular Chemistry
catalyzed allylations, in copper(II) catalyzed solvolyses, and in copper(I) catalyzed cyclopropanations [2]. Concave pyridines proved to be selective catalysts for the base catalyzed addition of alcohols to ketenes; excellent regioselectivities have been found with carbohydrates.
Dendrimers
The synthetic effort to obtain concave reagents can only be jus- tified if the reagents or catalysts can be recycled. Therefore we have attached concave pyridines to polymer resins. In order to allow reactions in homogeneous media, concave pyridines have also been attached to dendrimers of the Fréchet type (Figure 2).
The resulting nanometer-sized, functionalized dendrimers [3]
can be separated from the reaction mixtures by ultrafiltration.
in Kupfer(II)-katalysierten Solvolysen und in Kupfer(I)-katalysier- ten Cyclopropanierungen [2]. Konkave Pyridine stellten sich als selektive Katalysatoren in der basenkatalysierten Addition von Alkoholen an Ketene heraus. Besonders gute Regioselektivitä- ten wurden mit Kohlenhydraten erzielt.
Dendrimere
Die aufwändige Synthese Konkaver Reagenzien lohnt sich nur, wenn die Reagenzien oder Katalysatoren recyclisiert werden können. Darum wurden Konkave Pyridine an Polymere gebun- den. Um ein Arbeiten in homogener Phase zu ermöglichen, wur- den auch Dendrimere des Fréchet-Typs mit Konkaven Pyridinen beladen (Bild 2). Die resultierenden, nanometergroßen, funktio- nalisierten Dendrimere [3] können durch Ultrafiltration aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt werden.
Bild 2 / Figure 2
Um eine bessere Abtrennbarkeit Konkaver Katalysatoren oder Konkaver Reagenzien aus einem Reaktionsgemisch zu ermöglichen, können diese an ein Dendrimer des Fréchet-Typs gebunden werden. Das resultierende Dendrimer, hier ein Dendrimer zweiter Generation, das mit zwölf Konka- ven Pyridinen beladen ist, kann aus Reaktionsmischungen durch Ultrafiltration abgetrennt werden.
To enable a better separation of a concave catalyst or a concave reagent, these can be attached to dendrimers of the Fréchet type. The resulting dendrimer, here a second generation dendrimer loaded with twelve concave pyridines, can be separated from reaction mixtures by ultrafiltration.
Multiple Wasserstoffbrücken
Eine der wichtigsten supramolekularen Wechselwirkungen ist die Wasserstoffbrückenbindung, da sie reversibel ausgebildet wird und gerichtet ist. Eine einfache Wasserstoffbrücke ist recht schwach, aber die Kombination vieler Wasserstoffbrücken führt zu sehr stabilen Gebilden, wie die Natur zeigt: Proteine, DNA- Doppelhelices, Cellulose. Durch die Richtung enthält eine und vor allem die Kombination
mehrerer Wasserstoffbrü- cken eine Information. Dies nutzen die Nucleinsäuren aus, in denen zwei oder drei Wasserstoffbrücken für die selektive Bildung der Basen- paare verantwortlich sind.
Die Verwendung einer größeren Zahl von Wasser- stoffbrücken sollte Systeme mit festeren Assoziations- konstanten ergeben, die zu- sätzlich mehr Information enthalten. Während ein Re- zeptor mit zwei Wasserstoff- brücken drei verschiedene Muster besitzen kann (zwei Akzeptoren AA, zwei Dono- ren DD oder ein Donor kom- biniert mit einem Akzeptor DA), führt die Verwendung von vier Wasserstoffbrücken zu zehn verschiedenen Mustern. Zwei davon sind selbstkomplementär (DDAA, DADA), aber acht sind es nicht. Für jeden dieser zehn Rezeptoren gibt es immer nur einen komplementären Partner. Unsere Arbeiten wollen diese Systeme zu- gänglich machen [4] und versuchen, über kovalente Verknüpfung mehrerer die- ser Muster größere supra- molekulare Gebilde zu schaffen. So würde zum Beispiel ein kovalent gebun- denes DDAD-DAAD-Mole- kül mit einer AADA-ADDA- Einheit ein supramolekula- res Polymer bilden (Bild 3).
Multiple Hydrogen Bonds
One of the most important supramolecular interactions is the hy- drogen bond because of its reversibility and its directionality. A single hydrogen bond is relatively weak but the combination of many hydrogen bonds leads to very stable ensembles as nature proves: proteins, DNA double helices, cellulose. Due to the di- rectionality of a hydrogen bond, one and especially more than one hydrogen bond con- tain information. This is exploited in the nucleic acids which use two or three hydrogen bonds for the selective formation of the base pairs.
The use of more than three hydrogen bonds would give systems with larger asso- ciation constants, which in addition would contain even more information. While a receptor with two hydrogen bonds can have three dif- ferent patterns (two ac- ceptors AA, two donors DD, or one donor combined with one acceptor DA), the use of four hydrogen bonds gives ten different patterns.
Two of these are selfcom- plementary (DDAA, DADA) but eight are not. These form four heterodimers with different binding modes.
For each of the ten recep- tors with four hydrogen bonds there exists only one complementary partner.
Our research provides these systems [4] and we are trying to construct larg- er supramolecular entities by combining several of these recognition patterns covalently. Thus, for in- stance a covalently bound DDAD-DAAD molecule would form a supramole- cular polymer with AADA- ADDA (Figure 3).
Bild 3 / Figure 3
Multiple Wasserstoffbrückenbindungen (hier: vier) kombinieren große Assozi- ationskonstanten mit Information. Nur der jeweils komplementäre Partner wird stark gebunden. Wenn verschiedene Rezeptoren kovalent miteinander verbunden werden, führt die supramolekulare Wechselwirkung zu größeren Gebilden, hier zu einem Polymer aus DDAD-DAAD (in blau) und ADDA- ADAA (in rot).
Multiple hydrogen bonds (here: four) combine high association constants with information. Only the complementary partner will be strongly bound. If different receptors are attached covalently, the selective supramolecular interaction will lead to larger assemblies, a polymer from DDAD-DAAD (in blue) and ADDA-ADAA (in red) in this case.
Supramolecular Chemistry
Dynamic Combinatorial Libraries
Combinatorial chemistry provides large numbers of different molecules (a "library") by combining several starting materials in every conceivable way. Traditionally, the new bonds are formed irreversibly, the mixture of the new products contains stable mol- ecules. However, if the starting materials are connected by re- versible reactions, products and starting materials are in equilib- rium, the library is dynamic. The ratio of all the possible products is determined by their relative thermodynamical stabilities. If a reaction or reaction conditions exist which stop the reversibility, the products can be isolated and separated.
We use the formation of imines to generate a dynamic combi- natorial library from several dialdehydes and diamines. The equilibrium can be frozen by reduction of the imines to amines.
When additional compounds are added to the dynamic combi- natorial library which interact differently with each product and may lead to a stabilization of some products, the product ratio in the dynamic library can be shifted, desirably to only one product.
Using metal ions as templates we were able to generate sever- al different macrocycles from the same mixture of starting mate- rials (Figure 4, [5]).
Dynamische kombinatorische Bibliotheken
Durch beliebige Kombination vieler Ausgangsmaterialien er- zeugt die kombinatorische Chemie eine große Zahl verschie- dener Moleküle. Gewöhnlich werden dabei neue Bindungen irre- versibel gebildet, d.h. die Produktmischung enthält stabile Mole- küle. Wenn jedoch die Startmaterialien durch reversible Bindun- gen miteinander verknüpft werden, stehen Produkte und Aus- gangsmaterialien in einem Gleichgewicht, die Bibliothek ist eine dynamische. Das Verhältnis aller möglichen Produkte hängt von ihrer relativen thermodynamischen Stabilität ab. Wenn eine Re- aktion oder Reaktionsbedingungen existieren, die eine Reversi- bilität unterbinden, können die Produkte isoliert und getrennt werden.
Wir verwenden die Bildung von Iminen, um eine dynamische kombinatorische Bibliothek aus Dialdehyden und Diaminen zu generieren. Das Gleichgewicht kann eingefroren werden durch Reduktion der Imine zu Aminen. Setzt man zusätzliche Teilchen der dynamischen Bibliothek zu, die mit den verschiedenen Pro- dukten auf unterschiedliche Weise interagieren können, kann es zur Stabilisierung einiger Produkte kommen, und es wird mög- lich, das Produktgemisch zu nur einem, gewünschten Produkt zu verschieben.
Mit verschiedenen Metallionen als Templat-Teilchen waren wir in der Lage, aus ein und derselben Mischung verschiedene Makrocyclen zu generieren (Bild 4, [5]).
Bild 4 / Figure 4
Die Mischung verschiedener bifunktio- neller Moleküle, z. B. Dialdehyde, als geknickter Stab dargestellt, mit Diami- nen, als U-förmige Teilchen verschiede- ner Längen dargestellt, führt zur Bildung einer Bibliothek von Polyiminen, die Ho- mo- und Heteropolymere aber auch Makrocyclen verschiedener Größe ent- hält. Ein Zusatz jeweils eines Metallions vorgegebener Größe (farbige Vielecke) stabilisiert genau einen Makrocyclus.
Das Gleichgewicht verschiebt sich da- durch zum entsprechenden Komplex und dessen Makrocyclus kann durch Reduk- tion der Imine zu Aminen fixiert werden.
The mixture of different bifunctional molecules, for example a dialdehyde represented by a bent bar in the drawing, and three diamines, repres- ented as U-shapes of varying length, will form a large library of polyimines in which homo- and heteropolymers but also macrocycles of different sizes exist. The addition of one metal ion of a given size (polygons of different colours) stabilizes just one macrocycle. The equilibrium shifts to- wards its complex and the resulting macrocycle can be fixed by reduction of the imines to amines.
Ansprechpartner / Contact:
Prof. Dr. Ulrich Lüning Institut für Organische Chemie Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Olshausenstr. 40
D-24098 Kiel Tel: 0431-880-2450 Fax: 0431-880-1558
E-Mail: luening@oc.uni-kiel.de URL: http://scholle.oc.uni-kiel.de
Literaturangaben / References
[1] U. Lüning, Concave Reagents, J. Mater. Chem. 7, 175 (1997).
[2] M. Gelbert, C. Körber, O. Friedrich, F. Fahrenkrug, M. Keller, U.
Lüning, Concave Reagents, 36: Transition Metal Complexes With Concave 1,10-phenanthrolines, Supramolecular Chem.
14, 199 (2002).
[3] U. Lüning, T. Marquardt, Concave Reagents, 29: Dendrimer Fixed Concave Pyridines, J. Prakt. Chem. 341, 222 (1999).
[4] S. Brammer, U. Lüning, C. Kühl, Multiple Hydrogen Bonds, 3: A New Quadruply Bound Heterodimer DDAD-AADA and In- vestigations into the Association Process, Eur. J. Org. Chem., 4054 (2002).
[5] O. Storm, U. Lüning, How to synthesize macrocycles efficiently using virtual combinatorial libraries, Chem. Eur. J. 8, 793 (2002).
