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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-18632
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1863/


Steinfeld, Gunther

Makrozyklische Zweikernkomplexe als synthetische Rezeptoren zur Aktivierung kleiner Moleküle

Macrocyclic binuclear complexes as synthetic receptors for activation of small molecules

Dokument1.pdf (8.913 KB) (md5sum: cf77ad81bfbeaa5172419ee0492446e1)

Kurzfassung in Deutsch

Als Ziel der vorliegenden Arbeit galt es zu zeigen, daß sich nach natürlichem Vorbild kleine Moleküle mit Hilfe zweikerniger, synthetischer Übergangsmetallkomplexe binden und aktivieren lassen. Dazu wurde ein achtzähniger, makrozyklischer Amin-Thiolatliganden (H2LH) konzipiert, welcher mit zwei Metallionen eine stabile Einheit bilden sollte, um mit weiteren Substraten definierte Reaktionen einzugehen.
Dem Konzept entsprechend wurde zunächst der Steuerligand H2LH dargestellt (sechs sek.-Amin- und zwei Thiol-Funktionen). Dieser bildete den homodinuklearen Komplex [LHNi2(Cl)]+ (2), in dem die Nickel(2+)-Ionen dreifach verbrückt sind über zwei Thiolat-Schwefelatome von H2LH und ein zusätzliches Chlorid-Ion. Letzteres wurde als labil-gebunden vermutet, stellte sich jedoch gegenüber Substitutionsreaktionen als inert heraus.
Durch vollständige Methylierung der sekundären Amin-Funktionen, wurde der modifizierte achtzähnige Amin-Thiolatligand H2LMe erhalten. Dieser bildete den zu (2) analogen Komplex [LMeNi2(Cl)]+ (5) und reagierte bereitwillig mit Natrium-Acetat zu [LMeNi2(OAc)]+ (6).
Als Ursache der Inertheit von Komplex (2) wurden jetzt die zahlreichen Möglichkeiten des Steuerliganden H2LH zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken erkannt, welche die Nukleophilie angreifender Substrate reduzieren. Im Umkehrschluß konnte die Reaktivität des Komplexes (5) mit der Bildung einer hydrophoben Molekültasche durch den Steuerliganden H2LMe erklärt werden. Diese Erklärung entspricht weitgehend dem Verständnis der Funktionsfähigkeit zahlreicher Enzyme, deren Reaktionszentren nur in hydrophoben Umgebungen reaktiv sein können.
Die Bindung unterschiedlicher Substrate an das Zweikernzentrum [LMeNi2]2+ gelang mit mue1,2- und mue1,3-verbrückenden, neutralen und anionischen Liganden, z. B. Nitrat, Nitrit, Perchlorat, Pyridazin und Phthalazin (7, 8, 9, 11, 12). Für Hydrazin (13, ekliptisch: 1.9°) und para-Nitrophenolat (10, über Nitro-Funktion, chinoid, lambda(MAX) = 467 nm) wurden ungewöhnliche Konformationen beobachtet.
Am Beispiel Acetato-verbrückter Komplexe wurde gezeigt, daß auch andere Übergangsmetall-Ionen (als Ni(2+) verwendet werden können (Mn(2+), Co(2+), Fe(2+): 17, 16, 15). Hinsichtlich Struktur, Schwingungsspektrum und Ligandenfeldaufspaltung unterschieden sich die Komplexe (17), (16), (15) und (6) kaum. Mittels Cyclovoltammetrie ließen sich alle zweimal oxidieren (reversibel, bis zur M(3+)M(3+)-Stufe). Die Halbstufenpotentiale (E1/2) unterschieden sich erwartungsgemäß jedoch recht deutlich, auch in den Signalbreiten (deltaEp, anod./kath. Spitzenpotential) und in den Distanzen zwischen den jeweiligen beiden Halbstufenpotentialen (deltaE1/2).
Daneben wurde ein bequemer Zugang zu heterodinuklearen Komplexen gefunden. Als Ausgangsverbindung eignete sich der inerte, einkernige Komplex [H2LMeNi]2+ (18, fünffach koordiniertes Ni(2+)-Ion, diamagnetisch). Nach Deprotonierung reagiert (18) bei Temperaturen um 65° C leicht mit weiteren Metallionen (Fe(2+), Co(2+), Ni(2+), Zn(2+)), jedoch nur, sofern ein geeignetes mue1,2- oder mue1,3-verbrückendes Substrat zugegen ist (19, 20, 6, 21).
Das abschließende Kapitel B6 behandelt die Reaktion von [LMeCo(3+)Co(3+) (Cinnamat)]3+ (24) mit Brom. Die eingekapselte Doppelbindung des koordinierten E-Cinnamat-Ions reagiert nur langsam (20-50° C / 3-2 h). Es kommt zu einer ungewöhnlichen diastereoselektiven syn-Addition des Brom-Moleküls (de > 90 %). Die Aktivierungsparameter der Reaktion deltaH, deltaS und deltaG(T) wurden bestimmt. Der betraglich extrem große Ordnungsparameter deltaS (-220 J/K x Mol) charakterisiert die Reaktion als sterisch anspruchsvoll und erklärt die lange Reaktionszeit. Das Reaktionsprodukt, die threo-2,3-Dibrom-3-phenyl-propionsäure, ist ein prinzipiell nur schwer zugängliches Molekül. Somit könnte diese letzte Reaktion richtungsweisend für eine zukünftige Bedeutung von Molekültaschen und Mikroreaktionsräumen in der präparativen Synthese sein.


Kurzfassung in Englisch

The intention of this work was to prove that binding and activation of small molecules can be achieved by synthetic binuclear transition metal complexes. The scheme of binuclear activation was transferred from natural enzymatic systems and realized by the arrangement of two metal ions embedded into a multidentate ligand system. The generated unit was anticipated to undergo defined reactions after being exposed to further substrates. The design of the target system focused on a macrocyclic octadentate ligand (H2LH) with amine and thiolate donor atoms for metal coordination.
Accordingly, the macrocyclic amine-thiolate ligand (H2LH) was prepared. Its identifying feature was the combination of six sec.-amine and two thiophenolate functions. The intended formation of the binuclear complex [LHNi2(Cl)]+ (2) was achieved. Complex (2) revealed a central core composed of two nickel(2+) ions triply bridged by two thiolate sulfur atoms of H2LH and one additional chloride ion. The latter was assumed to be labil bound, but turned out to be substitution inert.
Being aware of the unexpected inertness of complex (2), ligand H2LMe was prepared next. It represents the hexa-N-methylated derivative of the octadentate amine-thiolate system H2LH. Complex [LMeNi2(Cl)]+ (5) could be prepared in an analogous manner to (2). Contrary to complex (2) the permethylated (5) was found to undergo rapid substitution reactions, as for instance with sodium-acetate to produce complex [LMeNi2(OAc)]+ (6).
The inertness of complex (2) could be unambiguously assigned to its acidic protons which reduce the nucleophilicity of substrates by engaging them into hydrogen bonds. Vice versa, the reactivity of methylated (5) is associated with the formation of a hydrophobic pocket about the active coordination site. These findings match well with basic principles of enzymatic reactivity, where catalytically active groups are often located in hydrophobic environments.
Further binding of substrates to the binuclear core of [LMeNi2]2+ could be realized with a variety of mue1,2- and mue1,3-bridging neutral and anionic ligands such as nitrate, nitrite, perchlorate, pyridazine and phthalazine (7, 8, 9, 11, 12). Unusal conformations have been detected for complexes of hydrazine (13, ekliptic: 1.9°) and para-nitrophenolate (10, via nitro group, chinoide, lambda(MAX) = 467 nm).
From a series of acetato bridged complexes it could be shown that other transition metals (Mn(2+), Co(2+), Fe(2+): 17, 16, 15) react in almost the same manner as nickel(2+). The complexes hardly differ regarding to structure, molecular vibrations and ligand field splitting (dq). All complexes (6, 15, 16 und 17) could be reversibly oxidised up twice to the M(3+)M(3+) stage by cyclic voltammetry. As expected, the half-wave potentials (E1/2) differ decisively for each complex, just like the signal broadening (deltaEp, anod./cath. peak pot.) and the distances between both half-wave potentials (deltaE1/2).
Furthermore a suitable access was found for hetero binuclear complexes taking as educt the comparatively inert, mononuclear complex [H2LMeNi]2+ (18, fivefold coordinated Ni(2+) ion, diamagnetic). A prerequisite for the easy reaction of (18) was its double deprotonation combined with the presence of a further metal ion (Fe(2+), Co(2+), Ni(2+), Zn(2+), leading to 19, 20, 6, 21), a reaction temperature around 65° C and the presence of a substrate which is able to bridge two metal ions in the mue1,2- oder mue1,3-coordination mode.
The final chapter B6 deals with the reaction of [LMeCo(3+)Co(3+)(Cinnamat)]3+ (24) with bromine. The encapsulated double bond of coordinating E-cinnamate reacts rather slowly (20-50° C / 3-2 h), but the bromine molecule undergoes a remarkable diastereoselective syn-addition (de > 90 %). The reactions activation parameters deltaH, deltaS und deltaG(T) could be determined. A large, negative activation entropy (-220 J/K x Mol) is indicative for a sterically demanding reaction and causes the large reaction time extension. Truly, no convenient synthesis had been known for this product (threo-2,3-dibrom-3-phenyl-propionic acid) so far. Accordingly, this last reaction could be trend-setting for the use of molecular pockets and micro reaction sites in preparative synthetical chemistry.


SWD-Schlagwörter: Zweikernige Komplexe , Makrocyclische Verbindungen , Biomimetische Reaktion , Übergangsmetallverbindungen , Nickel , Thiolate , Kristallstrukturanalys
Freie Schlagwörter (deutsch): Aktivierung kleiner Moleküle , Konzepte für Steuerliganden
Freie Schlagwörter (englisch): Activation of small molecules , concepts for ligand design
CCS Klassifikation CCS - Klas , MSC - Klas , NASA - Kla , PACS - Kla
Institut: Institut für Anorganische und Analytische Chemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Kersting, Berthold (Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.10.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 08.07.2005
Bemerkung: Teile dieser Arbeit wurden bereits veröffentlicht, sie wurden mit einem Stern (*) markiert. Nichtmarkierte Veröffentlichungen enthalten im Rahmen der Doktorarbeit erzielte Ergebnisse, welche aber keinen Eingang in das vorliegende Manuskript fanden.

Publikationen:
1. B. Kersting, G. Steinfeld, Z. Naturforsch. B 1998, 53, 1239-1240: On the Metallation of 2,6-Dimethyl-4-tert.-butyl-thiophenol.
2. B. Kersting, G. Steinfeld, J. Hausmann, Eur. J. Inorg. Chem. 1999, 179-187: Reactions at the N2Ni(m2-SR)2NiN2 Core in Dinuclear Nickel(II) Amine-Thiolate Complexes.
3. B. Kersting, G. Steinfeld, J. Hausmann, T. Fritz, Eur. J. Inorg. Chem. 1999, 2167-2172: Novel Synthesis of Macrocyclic Amine-Thiophenolate Ligands: X-ray Crystal Structure of a Ni4 Complex of an N8S4 Ligand.
4. G. Steinfeld, B. Kersting, Chem. Commun. 2000, 205-206: Characterisation of a Triply Thiolate-bridged Ni-Fe Amine-Thiolate Complex: Insight into the Electronic Structure of [NiFe] Hydrogenase.
5.* B. Kersting, G. Steinfeld, Chem. Commun. 2001, 1376-1377: The Effect of N-Methylation on the Chemical Reactivity of Binuclear Ni Amine-Thiophenolate Complexes.
6.* G. Steinfeld, B. Kersting, J. Inorg. Biochem. 2001, 86, 443: Synthesis, Structures and Properties of Heterobinuclear Complexes of a Binucleating Ligand.
7. B. Kersting, G. Steinfeld, D. Siebert, Chem. Eur. J. 2001, 7, 4253-4258: Binuclear Complexes as Building Blocks for Polynuclear Complexes with High-spin Ground States: Synthesis and Structure of a Tetranuclear Nickel Complex with an S = 2 Ground State.
8.* M.H. Klingele, G. Steinfeld, B. Kersting, Z. Naturforsch. B 2001, 56, 901-907: Synthesis and Coordination Chemistry of Novel Binucleating Ligands with Amine-Thioether and Amine Thiophenolate Donor Functions.
9.* B. Kersting, G. Steinfeld, Inorg. Chem. 2002, 41, 1140-1150: Carboxylate and Alkyl Carbonate Coordination at the Hydrophobic Binding site of Redox-active Dicobalt Amine Thiophenolate Complexes.
10.* G. Steinfeld, V. Lozan, B. Kersting, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 2261-2263: Cis-Bromination of Encapsulated Alkenes.
11.* Hausmann J., Klingele M.H., Lozan V., Steinfeld G., Siebert D., Yournaux Y., Girerd J.J., Kersting B. Chem. Eur. J. 2004, 10, 1716-1728: Realization of unusual ligand binding motifs in metalated container molecules: Synthesis, Structures and Magnetic Properties of the Complexes [LMeNi2(m-L’)]n+ with L’ = NO3-, NO2-, N3-, N2H4, pyridazine, phthalazine, pyrazolate, and benzoate.
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