| License: Publishing license for publications excluding print on demand (20MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-234770
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.23477
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 7 September 2012 |
| Referee: | Prof. Dr. Ruth M. Gschwind and Dr. Kirsten Zeitler and Prof. Dr. Manfred Scheer |
| Date of exam: | 19 August 2011 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Arbeitskreis Prof. Dr. Ruth Gschwind |
| Keywords: | NMR, peptides, organocatalysis, photocatalysis, DOSY, supramolecular chemistry, container molecules |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 23477 |
Abstract (English)
Over the last decade the field of organocatalysis, i.e. the use of small organic molecules as catalysts, has grown to a prospering area of general concepts and widely useful reactions connected with a vast increase of the research activities. Various generic activation modes, such as H-bond, counterion, enamine, iminium, SOMO or photoredox catalysis, have been identified and successfully applied ...
Abstract (English)
Over the last decade the field of organocatalysis, i.e. the use of small organic molecules as catalysts, has grown to a prospering area of general concepts and widely useful reactions connected with a vast increase of the research activities. Various generic activation modes, such as H-bond, counterion, enamine, iminium, SOMO or photoredox catalysis, have been identified and successfully applied for a broad variety of asymmetric reactions. Despite the great number of synthetic applications of organo- and photocatalysis, conformational and mechanistic studies for a better understanding of the underlying origin of stereoselectivity, activation modes and mechanisms are rather scarce. But for a further development and improvement of catalysis in general, this knowledge is highly desirable, since it may allow the optimization of existing methodologies as well as the design of new catalytic systems and activation modes for organo- and photocatalysis. The goal of this thesis was therefore the elucidation of several conformational and mechanistic issues of organo- and photocatalysis by means of modern NMR spectroscopic methodologies. In addition, these NMR techniques were also applied for investigations on the field of supramolecular chemistry and electrochemical research.
In the first part of this thesis, conformational studies of three tripeptidic foldamers were performed in a combined NMR/MD study in the field of peptidic organocatalysts. Thereby, especially the influence of the configuration of (±)-cis-ß-ACC was investigated, since the configuration of ß-ACC was found to be devisive for the selectivities in their organocatalytic and pharmaceutical applications. Residual dipolar couplings were applied for the validation of structure coordinates for molecular dynamics simulations and the peptide backbone and sidechain conformations were revealed by NOE and/or RDC-based MD simulations. All three peptides showed independent of the ß-ACC configuration an unexpected high stability of the backbone conformation, induced by a bifurcated H-bond network together with allylic strain in the ß-ACC-Pro3 sub unit. The orientation of the cyclopropane ring and its methoxy substituent could therefore be manipulated by the inversion of the configuration of ß-ACC without changing the peptide conformation. This may explain the different selectivities found in the applications of ß-ACC in organocatalysis and medicinal chemistry and should allow an improvement of these ß-ACC involving applications.
In a mechanistic study in the field of organocatalysis, NMR spectroscopy was used successfully to distinguish between the activation modes of hydrogen bonding and ion pairing in Brønsted acid catalysis. Before this study, it was assumed that full protonation of the imine by the phosphate catalyst resulted in the formation of an ion pair, which would subsequently react with a nucleophile. However, our experiments clearly showed that hydrogen bonded and ion pair complexes (and also a free protonated iminium species) co-exist. The ratio between hydrogen bonding and ion pairing could be manipulated readily by simply introducing substituents with different electronic properties. Contrary to previous assumptions, the hydrogen bond strength and the amount of the hydrogen bonded species present were found to be decisive for the catalytic reaction. These results provided for the first time insight into the different activation modes in Brønsted acid catalysis and are expected to guide the development of more efficient catalytic systems.
Beside organocatalysis, also mechanistic issues in the field of photocatalysis have been addressed in this thesis:
For the photocatalytic water reduction by intramolecular Ru/Pt catalysts, the formation and relevance of Pt-colloids and the supposed cleavage of a chloride from the photocatalyst [(tbbpy)2Ru(tpphz)PtCl2](PF6)2 under irradiation with visible light was investigated by NMR spectroscopy. The detection methods for the 3J1H,195Pt coupling acting as a sensor for a potential Pt-cleavage were optimized by means of a model compound and subsequently applied for the photocatalyst. It could be successfully shown that without the sacrificial electron donor triethylamine TEA no cleavage of the Cl-/PtCl2 unit from the photocatalyst or a Cl-/OH- exchange upon irradiation with blue light (470 nm) in CD3CN/D2O takes place. First irradiation experiments in the presence of TEA showed a decomposition of the photocatalyst upon the photocatalytic reaction. These results offer several starting points for the further detailed elucidation of mechanistic issues of the photocatalytic water reduction.
To allow for online-monitoring of this and other photocatalytic reactions, a glass fiber-based NMR-illumination unit was constructed, which allows simultaneous illumination inside the NMR spectrometer. First measurements for the photooxidation of MBA with RFT were successfully performed with this setup. Upon illumination the decrease of the MBA signals and simultaneous increase of the aldehyde signals could be observed. This NMR-illumination unit opens up the door to further investigations of flavin photocatalysis, the photocatalytic water reduction with Ru/Pt catalysts and other photocatalytic reactions and is expected to elucidate these and other issues in photocatalysis in even more detail.
The flavin photocatalysis was also investigated by means of DOSY experiments dealing with the self aggregation of riboflavin tetraacetate RFT and a potential association with para-methoxybenzyl alcohol MBA. In pure acetonitrile RFT is a dimer, whereas in water it is a monomer. These aggregation tendencies could be successfully correlated with the solvent dependency of the quantum yield of the photooxidation of MBA with RFT and are used for the design of sterically hindered (chiral) flavin derivatives with potentially higher quantum yields. No hints for an association of RFT and MBA are observed by NMR spectroscopy.
In cooperation with the research group of Prof. H. J. Gores, for the first time four different methods for the measurement of cationic transference numbers of several non-aqueous lithium ion electrolytes were compared to each other, especially regarding their concentration dependence. The transference number, which is one of the most important properties of lithium ion electrolytes, was determined by galvanostatic polarization, potentiostatic polarization, electromotive force method and NMR DOSY for the recently developed lithium difluoro-mono(oxalato)borate (LiDFOB) in EC/DEC and other promising Li+ electrolytes. Whereas the three electrochemical methods yielded transference numbers decreasing with concentration, NMR DOSY measurements showed increasing transference numbers with increasing concentration. The different concentration dependences obtained by electrochemical methods and NMR measurements could be explained by ion association and solvation effects.
In cooperation with the research group of Prof. M. Scheer, the soluble, self-assembling supramolecular system composed of the monomer [CpBnFe(η5 P5)] and CuX (X = Cl, Br) was investigated. The CpBn ligand is conducive to the stability of the supramolecules as well as responsible for their solubility, which for the first time allowed detailed NMR investigations on the self-assembly process of spherical molecules based on polyphosphorus ligand complexes and Cu(I) halides in solution. Four different supramolecules were discovered and characterized by solution state NMR and related to the newly discovered crystals of [(CpBnFe(η5-P5))12(CuX)16±x], [(CpBnFe(η5-P5))12(CuX)20] and [(CpBnFe(η5-P5))12(CuX)48±x] the latter possessing a completely new scaffold for such pentaphosphaferrocene-based complexes. Their solution characteristics, formation pathways, optimal formation conditions and their ability to incorporate guests were investigated. Their template-independent formation was found to be dependent on the CuX content, the overall concentration and the CD3CN/CD2Cl2 mixture. The manipulation of the solvent mixture delivers a self-assembling reversible supramolecular four-state switch. The switching process was found to be independent of the presence of a ferrocene guest inside two of the capsules. Furthermore, first preliminary investigations with CuI indicated a similar behavior compared to the CuBr- and CuCl-derived systems. Altogether, these detailed NMR investigations in the field of supramolecular chemistry on the hitherto unknown self-assembly process of spherical molecules based on polyphosphorus ligand complexes and Cu(I) halides in solution will considerably contribute to the improvement of synthesis strategies of such supramolecules and to the further progress of supramolecular chemistry in general.
Translation of the abstract (German)
Im Laufe der letzten 10 Jahre ist die Organokatalyse, d. h. die Katalyse mit kleinen organischen Molekülen als Katalysatoren, zu einem blühenden Gebiet mit allgemeinen Konzepten und breit anwendbaren Reaktionen gewachsen, verbunden mit einem enormen Anstieg der Forschungsaktivitäten. Einige grundlegende Aktivierungsmodi, wie Wasserstoffbrücken-, Gegenion-, Enamin-, Iminium-, SOMO- oder ...
Translation of the abstract (German)
Im Laufe der letzten 10 Jahre ist die Organokatalyse, d. h. die Katalyse mit kleinen organischen Molekülen als Katalysatoren, zu einem blühenden Gebiet mit allgemeinen Konzepten und breit anwendbaren Reaktionen gewachsen, verbunden mit einem enormen Anstieg der Forschungsaktivitäten. Einige grundlegende Aktivierungsmodi, wie Wasserstoffbrücken-, Gegenion-, Enamin-, Iminium-, SOMO- oder Photoredoxkatalyse wurden identifiziert und erfolgreich auf eine breite Palette asymmtrischer Reaktionen angewandt. Trotz der großen Anzahl von synthetischen Anwendungen der Organo- und Photokatalyse sind konformationelle und mechanistische Untersuchungen, die zu einem verbesserten Verständnis des Ursprungs der Stereoselektivität, der Aktivierungsmodi und der Reaktionsmechanismen führen, eher selten. Für eine Weiterentwicklung und Verbesserung dieser Katalysen ist dieses Verständnis jedoch höchst wünschenswert, da damit eine Optimierung bereits existierender Methoden ebenso wie das Design neuer katalytischer Systeme und Aktivierungsmodi ermöglicht werden sollte. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Aufklärung einiger konformationeller und mechanistischer Fragen auf den Gebieten der Organo- und Photokatalyse mit Hilfe moderner NMR-spektroskopischer Methoden. Darüber hinaus wurden diese NMR-Techniken ebenso für Untersuchungen auf dem Gebiet der Supramolekularen Chemie und der elektrochemischen Forschung eingesetzt.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden auf dem Gebiet der Organokatalyse die Konformationen dreier tripeptidischer Foldamere in einem kombinierten NMR/MD-Ansatz bestimmt. Dabei wurde insbesondere der Einfluss der Konfiguration der dabei verwendeten unnatürlichen Aminosäure (±)-cis-ß-ACC untersucht, da die ß-ACC-Konfiguration für die Selektivität in den organokatalytischen und pharmazeutischen Anwendungen entscheidend ist. Residuale dipolare Kopplungen wurden für die Validierung von Strukturkoordinaten für die nachfolgenden MD-Simulationen verwendet. NOE und/oder RDC-basierte MD-Simulationen offenbarten die Peptidrückgrat- und Seitenkettenkonformationen. Alle drei Peptide zeigten unabhängig von der ß-ACC-Konfiguration eine unerwartet hohe Stabilität des Peptidrückgrats, welche von einem gegabelten Wasserstoffbrückennetzwerk in Kombination mit allylischer Spannung in der ß-ACC-Pro3-Untereinheit induziert wird. Die räumliche Orientierung des Cyclopropanrings und dessen Methoxysubstituent konnte dabei durch die Inversion der ß-ACC-Konfiguration manipuliert werden, ohne dass dabei das Peptidrückgrat verändert wurde. Dies könnte die unterschiedliche Selektivität in den ß-ACC-Anwendungen in der Organokatalyse und Medizinischen Chemie erklären und sollte zu einer Verbesserung dieser Anwendungen beitragen.
In einer mechanistischen Studie auf dem Gebiet der Organokatalyse wurde die NMR-Spektroskopie erfolgreich genutzt, um zwischen den Aktivierungsmodi in der Brønstedsäurekatalyse (Wasserstoffbrückenbindung bzw. Ionenpaarbildung) zu unterscheiden. Vor dieser Studie wurde angenommen, dass vollständige Protonierung des Imins durch den Phosphatkatalysator unter Bildung eines Ionenpaares stattfindet, welches dann mit dem Nukleophil reagiert. Unsere Untersuchungen zeigten jedoch deutlich, dass sowohl Wasserstoffbrücken- als auch Ionenpaarkomplexe (und ebenso eine nicht-koordinierte Iminiumspezies) in Lösung nebeneinander vorliegen. Das Verhältnis zwischen Wasserstoffbrückenbindung und Ionenpaarung kann dabei durch Substituenten mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften einfach manipuliert werden. Im Gegensatz zu früheren Annahmen stellten sich die Wasserstoffbrückenstärke und der Anteil der wasserstoffbrücken-gebundenen Spezies als entscheidend für die katalytische Iminaktivierung heraus. Diese Ergebnisse erlaubten zum ersten Mal einen Einblick in die verschiedenen Aktivierungsmodi in der Brønstedsäurekatalyse.
Neben organokatalytischen wurden auch mechanistische photokatalytische Fragestellungen bearbeitet:
Für die photokatalytische Wasserreduktion mittels intramolekularer Ru/Pt-Katalysatoren wurde die Bildung und Relevanz von Pt-Kolloiden und die vermutete Abspaltung eines Chlorids von dem Photokatalysator [(tbbpy)2Ru(tpphz)PtCl2](PF6)2 bei Belichtung mit sichtbarem Licht mit Hilfe der NMR-Spektroskopie untersucht. Die Detektionsmethoden für die skalare 3J1H,195Pt-Kopplung, welche als Sensor für eine potentielle Pt-Abspaltung dient, wurden mit Hilfe einer Modelverbindung optimiert und anschließend auf den Photokatalysator angewandt. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass ohne den Elektronendonor Triethylamin TEA keine Cl-/PtCl2-Abspaltung bzw. kein Cl-/OH--Austausch bei Belichtung mit blauem Licht (470 nm) in CD3CN/D2O stattfindet. Erste Belichtungsexperimente in Gegenwart von TEA zeigten eine Zersetzung des Photokatalysators durch die photokatalytische Reaktion. Diese Ergebnisse bieten mehrere Startpunkte für weitere detailierte mechanistische Untersuchungen der photokataytischen Wasserspaltung.
Für die Online-Verfolgung dieser und anderer photokatalytischer Reaktionen wurde eine Glasfaser-basierte NMR-Belichtungseinheit konstruiert, welche eine Belichtung direkt im NMR-Spektrometer erlaubt. Erste Untersuchungen der Photooxidation von Methoxybenzylalkohol MBA mit Riboflavintetraacetat RFT wurden bereits erfolgreich damit durchgeführt, wobei eine Abnahme der MBA-Signale und eine simultane Zunahme der entsprechenden Aldehyd-Signale beobachtet wurden. Diese NMR-Belichtungseinheit öffnet die Tür zu weiteren Untersuchungen der Flavinphotokatalyse, der photokatalytischen Wasserreduktion mit Ru/Pt-Katalysatoren und anderen photokatalytischen Reaktionen und sollte zur Aufklärung dieser und anderen Fragestellungen in der Photokatalyse beitragen.
Die Flavinphotokatalyse war ebenfalls Gegenstand NMR-spektroskopischer Untersuchungen. Dabei wurden die Selbstaggregation von RFT und dessen potentielle Assoziation mit MBA mit Hilfe von DOSY-Experimenten untersucht. In reinem Acetonitril ist RFT ein Dimer, wohingegen in Wasser ein Monomer vorliegt. Diese Aggregationstendenzen konnten mit der Solvensabhängigkeit der Quantenausbeute der Photooxisation von MBA mit RFT korreliert werden und diese Ergebnisse werden für das Design von sterisch gehinderten (teils chiralen) Flavinderivaten mit möglicherweise höheren Quantenausbeuten genutzt.
In Kooperation mit der Forschungsgruppe von Prof. H. J. Gores wurden zum ersten Mal vier verschiedene Methoden für die Bestimmung der kationischen Überführungszahl von mehreren nicht-wässrigen Lithiumionenelektrolyten, und insbesondere deren Konzentrations-abhängigkeit, miteinander verglichen. Die Überführungszahl, welche zu den wichtigsten Charakteristika von Lithiumionenelektrolyten gehört, wurde mit Hilfe der Galvanostatischen Polarisierung, Potentiostatischen Polarisierung, der elektromotorischen Kraftmethode und NMR DOSY-Methode unter anderem für den neu entwickelten Lithiumionenelektrolyten Difluoro(monooxalato)borat (LiDFOB) in EC/DEC bestimmt. Während die drei elektrochemischen Methoden bei steigender Konzentration steigende Überführungszahlen liefern, werden bei der NMR-spektroskopischen Methode fallende Überführungszahlen ermittelt. Diese unterschiedliche Konzentrationsabhängigkeit der drei elektrochemischen Methoden verglichen mit der NMR-Methode konnte mit Ionenassoziation und Solvatierungseffekten erklärt werden.
In Kooperation mit der Forschungsgruppe von Prof. M. Scheer wurde das lösliche, selbst-organisierende supramolekulare System bestehend aus dem Monomer [CpBnFe(η5 P5)] und CuX (X = Cl, Br) untersucht. Der CpBn-Ligand trägt dabei zur Stabilität der Supramoleküle bei und ist verantwortlich für deren Löslichkeit, was zum allerersten Mal eine detailierte NMR-Untersuchung der Selbstorganisation von sphärischen Molekülen auf Basis von Polyphosphorliganden und Cu(I)-Halogeniden in Lösung erlaubt. Vier unterschiedliche Supramoleküle wurden in Lösung entdeckt, NMR-spektroskopisch charakterisiert und mit den dabei neu entdeckten Kristallen von [(CpBnFe(η5-P5))12(CuX)16±x], [(CpBnFe(η5-P5))12(CuX)20] und [(CpBnFe(η5-P5))12(CuX)48±x] korreliert, wobei der letzte ein völlig neuartiges Gerüstmotiv für solche Pentaphosphaferrocen-basierten Komplexe darstellt. Ihre Lösungscharakteristika, ihre Bildungspfade, ihre optimalen Bildungsbedingungen und ihr Vermögen, Gäste einzuschließen, wurden untersucht. Ihre Templat-unabhängige Bildung ist abhängig vom CuX-Gehalt, der Konzentration und vom CD3CN/CD2Cl2-Verhältnis. Die Manipulation der Solvensmischung ergibt einen selbst-organisierenden reversiben supramolekularen Vier-Stufen-Schalter. Der Schaltprozess war dabei unabhängig von der Anwesenheit eines Ferrocen-Gastes eingeschlossen in zwei der Kapseln. Daneben zeigten erste Untersuchungen mit CuI ein ähnliches Verhalten verglichen mit den CuBr- und CuCl-basierten Systemen. Diese detailierten NMR-Untersuchungen auf dem Gebiet der Supramolekularen Chemie an dem bisher unbekannten Selbst-Organisationsprozess von spärischen Molekülen basierend auf Polyphosphorligandkomplexen und Cu(I)-Halogeniden in Lösung wird erheblich zur Verbesserung von Synthesestrategien von solchen Supramolekülen und zum Fortschritt der Supramolekularen Chemie allgemein beitragen.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 05:01
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