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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-4499
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.10272
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 13 März 2005 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Jörg (Prof. Dr.) Daub |
| Tag der Prüfung: | 14 Dezember 2004 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Organische Chemie |
| Stichwörter / Keywords: | Flavine , sensorische Photorezeptoren , Blaulichtphotorezeptoren , Flavindimere , Modellsysteme , sensory photoreceptors , model systems , synthesis , flavin , flavindimers |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 10272 |
Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese und Charakterisierung von neuen Flavinderivaten - Cryptochrom- und Phototropinmodellsystemen und Flavindimeren vorgestellt. Cryptochrommodellsysteme Die Multichromophorsysteme 12, 13 und 17 sollen einen Einblick in die lichtabhängigen Prozesse verschaffen, die in den natürlichen Cryptochromen verlaufen. Als Bausteine für die Darstellung der ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese und Charakterisierung von neuen Flavinderivaten - Cryptochrom- und Phototropinmodellsystemen und Flavindimeren vorgestellt.
Cryptochrommodellsysteme
Die Multichromophorsysteme 12, 13 und 17 sollen einen Einblick in die lichtabhängigen Prozesse verschaffen, die in den natürlichen Cryptochromen verlaufen. Als Bausteine für die Darstellung der Cryptochrommodellsysteme wurden Pyren-, Phenothiazin- und Flavinderivate synthetisiert. Durch geeignete Verknüpfungsreaktionen gelang es Multichromophorsysteme 12, 13 und 17 aufzubauen. Jedes Konjugat wurde elektrochemisch und spektroelektrochemisch charakterisiert. Diese Untersuchungen zeigen, dass zwischen den Konjugatenbausteinen keine oder sehr schwache Wechselwirkungen im Grundzustand stattfinden. Die Absorptionsspektroskopie bestätigt diese Vermutung, denn die Absorptionsspektren sind die Superposition der Spektren der Konjugatenbausteine. Schließlich wurde mittels Fluoreszenzspektroskopie festgestellt, dass bei allen Systemen die photophysikalischen Prozesse wie Energie- oder Elektronentransfer analog zu den biologischen Systemen auftreten. Es zeigte sich, dass ein Elektronentransferprozess innerhalb der Diade 12 von Phenothiazin zu Flavin stattfindet. Diese Feststellung ist sehr wichtig für die weitere Nachahmung der komplexen Prozesse im Cryptochrom, denn das Flavin ist dann fähig das überschüssige Elektron an einen weite-ren Reaktionspartner abzugeben. In der Diade 13 konnte der Energietransferprozess von Pyren zu Flavin nachgewiesen werden. Die Anregung des Pyrenbausteins zeigt eine schwache Flavinfluoreszenz. Das Verhalten der Triade 17 basiert auf den Prozessen, die innerhalb der Diaden 12 und 13 verlaufen. Wie im Falle von 13 ist auch hier die Pyrenfluoreszenz stark gequencht und eine sehr schwache Emission im Bereich von 425 bis 650nm vorhanden. Die zeitaufgelösten Untersuchungen von 6, 8, 11 und der Diaden 12 und 13, wie auch der Triade 17 zeigen, dass die Fluoreszenzlebensdauer und Quantenausbeute der Konjugate sich stark von den Daten der Konjugatenbausteine unterscheiden. Weiter wurde festgestellt, dass nach der Bestrahlung der Diade 12 und der Triade 17 ein Photoprodukt entsteht. Dieses Photoprodukt rührt vom Phenothiazinbaustein her, das mit seiner Fluoreszenzkinetik die Kinetikmessungen der Konjugate überdeckt. Der Energietransfer in 17 verläuft nach dem Schema Antenne-Charge-Transfersystem. Die Auswertung der Prozesse in 17 scheint kompliziert zu sein, da Energie- und Elektronentransferprozess kompetitiv verlaufen können, was wiederum zu strahlungsloser Deaktivierung führen kann. Zusammenfassend kann man sagen, dass das Flavin in den Cryptochrommodellsystemen ein ähnliches Verhalten, wie im natürlichen Cryptochrom aufweist.
Die spektroskopischen, elektrochemischen und spektroelektrochemischen Untersuchun-gen der Diade S-29 zeigten wie im vorherigen Fall keine elektronische Kopplung im Grundzustand. Diese Verbindung weist unerwartet keine Fluoreszenz und daher keinen Energietransferprozess von Deazaflavin zu Flavin auf, wie es im Cryptochrom üblich ist. Dies geschieht wahrscheinlich aufgrund einer Geometriereorganisierung des Binaphtylgrundkörpers im angeregten Zustand.
Die Verbindungen 33 und 34 unterscheiden sich von den anderen Flavindiaden in der Verknüpfung der Phenothiazin- und Flavingrundkörper. Die aromatischen p-Systeme sind in diesem Fall direkt verbunden und durchkonjugiert. Die Absorptionsspektren zeigen, dass im Grundzustand eine elektronische Kopplung vorhanden ist. Diese Kopplung ist aber nicht groß genug, um sie mit elektrochemischen Methoden nachzuweisen. Daraus kann man schließen, dass die Veränderung im Absorptionsspektrum aufgrund eines Charge-Transfer-Zustandes erfolgt. Die Diade 34 weist in mittel- und unpolaren Lösungsmitteln eine negative Solvatochromie aufgrund der schon erwähnten Ladungstrennung im Grundzustand auf. Aus den Ergebnissen der Absorptionsspektroskopie konnte die Abhängigkeit des Absorptionsmaximums vom Lösungsmittel bestimmt werden. Durch die numerische Auswertung dieser Abhängigkeit wurde eine Gleichung erstellt, mit der die Absorptionmaxima für verschiedene Lösungsmittel berechnet werden können. Die Fluoreszenzuntersuchungen zeigten, dass die Emission der Diaden 33 und 34 entweder durch den CT-Zustand oder andere Deaktivierungsprozesse gequencht ist.
Phototropinmodellsysteme
Die untersuchten Thiol-Flavine zeigen keine Abweichung vom charakteristischen Flavinverhalten in der Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie, Cyclovoltammetrie und der Spektroelektrochemie. Die Bestrahlung der Flavine mit geschützten Thiolgruppen 47, 48 (C57M-Mutant) unter Sauerstoffausschluss führte zu irreversiblen Photoprodukten (Alkylierung an der N(5)-Position). Bei Flavinen mit der unsubstituierten Thiolgruppe 39, 41, 44 (Wildtyp) konnte keine photochemische Reaktion nachgewiesen werden aufgrund der im Vergleich zum Photozyklus langsameren Detektion.
Flavindimere
Die Flavindimere 51, 52, 53, 56, 57 und 58 konnten in einem großen Maßstab dargestellt werden. Die Synthese wurde optimiert und die Ausbeute von 10% auf 60% erhöht. Durch die Anwendung von verschiedenen analytischen Messtechniken wurde die Struktur der Flavindimere gelöst. Die Ethen-Flavindimere zeigen im Vergleich zu Riboflavin in Absorptions-, Fluoreszenzspektroskopie, Circulardichroismus, Elektrochemie und Spektroelektrochemie ein anderes Verhalten. Dagegen weisen Ethan-Flavindimere das charakteristische Verhalten der Flavine auf. Der Extinktionskoeffizient von Ethan-Flavindimeren beträgt das Doppelte von Riboflavin, was auf die doppelte Anzahl der Flavineinheiten im Molekül zurückzuführen ist. Die elektrochemischen Untersuchungen der Ethan- und Ethen-Flavindimere zeigen, dass sich die Isoalloxazineinheiten nicht beeinflussen, keine Wechselwirkung stattfindet und die Reduktion über einen Zweielektronenprozess verläuft. Das Halbstufenpotential der ersten Reduktion der Ethen-Flavindimere ist im Vergleich zu Riboflavintetraacetat und Ethan-Flavindimeren positiver verschoben. Während der ersten Reduktion entsteht im Absorptionsspektrum eine neue sehr starke Bande bei 730nm (125000M-1cm-1). Der Zweielektronentrans-fer wurde mittels Computersimulation und mittels UV/Vis-Titration mit 1,3-Propandithiol bestätigt. Die angewendete ESR-Messung hat den Charakter des Dianion untersucht. Es zeigte sich aber, dass die Reduktion unter den ESR-Messbedingungen nicht kontrollierbar ist. Demnach kann eine Synproportionierung stattfinden, so dass das schwache Signal vom Radikalanion stammt. Da das Radikalanion im gesamten konjugierten System delokalisiert ist, gelang es nicht ein ENDOR-Spektrum aufzunehmen.
Das komplexierungstaugliche Motiv der Flavine wurde für die Bindungsstudien der Wasserstoffbrückenbildung und der Metallkomplexierung bei Flavindimeren ausgenutzt. Die Wasserstoffbrückenbildung wurde mittels NMR-Technik beobachtet und die Assoziationskonstanten der Komplexe mit verschiedenen Rezeptoren bestimmt. Die besten Ergebnisse der Aggregation von 56 durch die Wasserstoffbrücken wurden mit dem Rezeptor S-61 erzielt, unter der Ausbildung von einem Oligomer. Als Modell für die Berechnung der Assoziationskonstante wurde aufgrund des Kooperativitätseffektes auf den 1:1-Komplex angenommen. Die Durchführung einer CV-Titration von 56 mit S-61 zeigt im Cyclovoltammogramm eine Veränderung der Reduktionsprozesse, wie es Rotello beschrieben hat. Die Komplexierung der Flavindimere mit Metallionen wurde mittels Absorptionsspektroskopie nachgewiesen. Es konnten die Komplexierungskonstanten und die Stöchiometrie für verschiedene Metallione bestimmt werden.
Ein ganz besonderes Verhalten ergibt sich bei Ethen-Flavindimeren (56) durch Selbstaggregation in mittel- und unpolaren Lösungsmitteln. Mittels Absorptionsspektroskopie wurden die Veränderungen der Absorption beobachtet und aufgrund der Ergebnisse dieser Messungen als J-Aggregation ausgewertet. Wie erwartet, zeigen solche Aggregate eine Temperatur- (Absorptions-, CD- und Fluoreszenzspektroskopie) und Lösungsmittelabhängigkeit. Leider gelang es nicht Kristalle in einer ausreichenden Größe zu züchten, um eine Röntgenstrukturanalyse durchzuführen. Die durchgeführte Rasterkraftmikroskopiemessung (Atomic Force Microscopy, AFM) hat die Aussage über die 2D-Struktur der Aggregate geleistet. Es zeigte sich, dass in mittelpolaren Lösungsmitteln wie Chloroform eher die Wasserstoffbrückenbildung überwiegt. Durch Zugabe von einem unpolaren Lösungsmittel wird die Aggregation mittel p-p-Stacking hervorgerufen. Die Struktur in Chloroform ist ungeordnet in Form breiter Stäbchen mit einem Durchmesser von ca. 8nm. Dagegen bildet sich nach der Zugabe von n-Hexan (Chloroform/n-Hexan - 9:1) eine geordnete Struktur mit Fischgrätenmuster und einer Linien-breite von 4nm, die von der Struktur des Graphitträgers beeinflusst wird. Beim Lösungsmittelverhältnis Chloroform/n-Hexan - 5:1 werden Nanokristalle gebildet. Die Struktur der Aggregate deutet auf die J-Aggregation hin. Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass die beobachteten Veränderungen in der Absorption von 56 nicht aufgrund der J-Aggregation entstanden sind, sondern aufgrund der Nanokristallisation.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Synthetic flavin systems for the modelling of natural sensory photoreceptors.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 13:24
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