Synthese und Untersuchung der Erkennungseigenschaften von auf BINOL basierenden Rezeptoren zur Erkennung von Kohlenhydraten Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades (Dr rer nat.) der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn vorgelegt von Anke Laures aus Prüm Bonn, 2013 Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Juli 2010 bis Dezember 2013 am Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn unter Anleitung von Herrn Prof Dr Arne Lützen angefertigt Tag der Promotion: 24.02.2014 Erscheinungsjahr: 2014 Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Gutachter: Prof Dr Arne Lützen Gutachter: Prof Dr Andreas Gansäuer Danksagung Mein Dank gilt zunächst Herrn Prof Dr Arne Lützen für die Weiterführung der interessanten Themenstellung der Diplomarbeit, für die hervorragende Betreuung, Unterstützung und Begutachtung dieser Arbeit Herrn Prof Dr Andreas Gansäuer danke ich herzlich für die Übernahme des Zweitgutachtens Desweiteren danke ich Herrn Prof Dr Johannes Beck für die Übernahme des fachnahen und Herrn Prof Dr Gerd Bendas für die Übernahme des fachangrenzenden Gutachtens Für die Aufnahme der NMR- und Masse-Spektren sowie für die Anfertigung der Elementaranalysen bedanke ich mich bei der analytischen Abteilung der chemischen Institute der Universität Bonn Aerdem mưchte ich allen ehemaligen und aktuellen Mitgliedern des Arbeitskreises für die angenehme Arbeitsatmosphäre danken Dem „hinteren Labor“ möchte ich für die Hilfsbereitschaft und gute Laune bei der Laborarbeit danken Es freut mich sehr, dass die Arbeitsgruppe durch das gemeinsame Mittagessen, die netten Kaffeerunden und diverse Freizeitaktivitäten so gut zusammen gewachsen ist, wobei vor allem Louie hierbei nicht unerwähnt bleiben sollte Ich hoffe, dass die Arbeitsgruppe diesen Zusammenhalt pflegt und ich auch weiterhin bei den außeruniversitären Veranstaltungen willkommen bin Anna und Katharina danke ich für die gemütlichen Mädelsabende und dafür, dass sie immer ein offenes Ohr für mich haben Mein grưßter Dank gilt meinem Vater für die Unterstützung während der nicht immer leichten Zeit Andi danke ich für die wundervolle gemeinsame Zeit Inhaltsverzeichnis Einleitung 1.1 Optische Chemosensoren 1.2 Artifizielle Kohlenhydratrezeptoren Aufgabenstellung 14 Rezeptoren mit stereochemisch definierten Bindungstaschen 17 3.1 3.1.1 Retrosynthetische Betrachtung 21 3.1.2 Synthese der BINOL-Einheit 23 3.1.3 Synthese der Anthracen-Dicarbonsäure 25 3.1.4 Synthese des Bipyridinbausteins 26 3.1.5 Synthese des BINOL-Bipyridyl-Alkohols 31 3.1.6 Synthese des Rezeptors 34 Optische Chemosensoren 37 4.1 Retrosynthetische Betrachtung 46 4.1.2 Synthese des BODIPYs 50 4.1.3 Synthese des an 4-Position substituierten BINOLs 53 4.1.4 Synthese des BODIPY-Rezeptors 59 Thiophene 63 4.2.1 Retrosynthetische Betrachtung vom Thiophenrezeptor 70 68 4.2.2 Synthese vom Thiophenrezeptor 82 70 4.2.3 Retrosynthetische Betrachtung vom Thiophenrezeptor 88 79 4.2.4 Synthese vom Thiophenrezeptor 88 80 Erkennungsexperimente 84 5.1 Theoretische Hintergründe 84 5.2 Qualitative Auswertung der Erkennungsexperimente 89 5.3 Quantitative Auswertung der Erkennungsexperimente 96 5.4 Erkennungsexperimente mit dem Rezeptor 88 100 5.4.1 BODIPY 42 4.1.1 4.2 Design neuer Rezeptoren 17 Extraktionsexperimente 106 5.5 Erkennungsexperimente mit dem Rezeptor 82 110 5.6 Auswertung der Erkennungsexperimente 114 Zusammenfassung und Ausblick 120 Experimenteller Teil 125 7.1 Allgemeine Angaben 125 7.2 Experimenteller Teil 128 7.2.1 Rezeptoren mit stereochemisch definierter Bindungstasche 128 7.2.2 BODIPY-Rezeptor 141 7.2.3 Thiophen-Rezeptoren 161 Literatur 189 NMR-Titrationen I 9.1 Auswertung der 1:1-Komplexe I 9.2 Auswertung der 2:1-Komplexe XII Einleitung Einleitung Neben Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden sind Kohlenhydrate ein Bestandteil der vier wichtigsten natürlich vorkommenden Stoffklassen Zu der Stoffklasse der Kohlenhydrate gehören vor allem Zucker und Stärken, welche jährlich in einem 200 Milliarden Tonnen Maßstab durch Photosynthese hergestellt werden Lange Zeit waren Kohlenhydrate vor allem als Energiespeichersubstanzen (z.B Zucker in der Nahrungsaufnahme) oder als Bauund Stützstoffe (z.B Cellulose oder Chitin zum Aufbau von Zellwänden) bekannt Eine weitere wichtige Rolle nehmen die Kohlenhydrate in Form von Ribosen oder Desoxyribosen als Grundbausteine der RNA und DNA ein Seit den sechziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts weiß man allerdings, dass den Kohlenhydraten eine weitaus grưßere Bedeutung zukommt als angenommen Durch die Verknüpfung verschiedener Kohlenhydrate wird eine Vielzahl an möglichen Di- bzw Oligosacchariden erhalten, welche somit ideale Informationsspeicher darstellen Durch Vergleich der Anzahl der Verknüpfungsmöglichkeiten von Aminosäuren mit der von Sacchariden wird deutlich, welche Bedeutung dieser Substanzklasse zukommt Bei der Peptidknüpfung von zwei gleichen Aminosäuren kann ein Dimer erhalten werden, bei der Verknüpfung von zwei gleichen Monohexapyranosen bereits elf verschiedene Dimere, da ein Monosaccharid fünf Hydroxyfunktionen trägt, die glycosidisch verknüpft werden können und entweder als - oder als β-Anomer vorliegen kann Diese strukturelle Vielfalt wird durch die Verknüpfung von mehreren Zuckern bis hin zu Oligosacchariden exponentiell erweitert Die Natur macht sich dies in verschiedenen Prozessen wie der Zelladhäsion, der Zell-Zell-Kommunikation, der viralen und bakteriellen Infektion, bestimmten Immunprozessen bei Entzündungen, der Bildung von Metastasen oder bei der Reaktion von bestimmten Enzymen und Proteinen zu Nutze, wie in Abb 1 gezeigt ist.[1], [2], [3], [4] 1 Einleitung Abb 1 Verschiedene Prozesse, die auf Kohlenhydraten basieren (Zellmembran mit Glycokonjugaten) [1] In der Natur sind solche Oligosaccharidstrukturen kovalent an Proteine oder Lipide als Glycokonjugate gebunden, die aus bis zu 20 Monosaccharideinheiten bestehen können Obwohl die Natur sich nicht aller Verknüpfungsmöglichkeiten bedient, entsteht so ein riesiger Pool an Glycokonjugaten Die Glycokonjugate verankern sich mit ihrem Lipid- bzw Peptidteil in der Zellmembran von Eukaryonten Somit ragt die Oligosaccharidkette in den extrazellulären Raum und bildet eine Art Zuckermantel um die Zelle, die sogenannte Glycocalix (Abb 2).[5] Abb Schematische Darstellung der Lipiddoppelschicht und elektronenmikroskopische Aufnahme der [2] Glycocalix Literatur [106] G Venkataramana, P Dongare, L N Dawe, D W Thompson, Y Zhao, G J Bodwell, Org Lett 2011, 13, 2240-2243 [107] P Thordarson, Chem Soc Rev 2011, 40, 1305-1323 [108] F P Schmidtchen "Isothermal Titration Calorimetry in Supramolecular Chemistry", Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, 2007 [109] L Fielding, Tetrahedron 2000, 56, 6151-6170 [110] K Hirose, Incl Phenom Macrocycl Chem 2001, 39, 193-209 [111] G Das, A D Hamilton, Tetrahedron Lett 1997, 38, 3675-3678 [112] R P Bonar-Law, J K M Sanders, J Am Chem Soc 1995, 117, 259-271 [113] C Grave, D Lentz, A Schäfer, P Samori, J P Rabe, P Franke, A D Schlüter, J Am Chem Soc 2003, 125, 6907-6918 [114] A B Naidu, E A Jaseer, G Sekar, J Org Chem 2009, 74, 3675-3679 193 NMR-Titrationen 9.1 Auswertung der 1:1-Komplexe Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,05 0,99426 Value Standard Error dppm T1 17,74874 0,67069 dppm T2 41,1472 3,41125  [ppm] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 c [mM] Abb (S,S)-88 mit Methyl-β-D-galactopyranosid I 10 0,030 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,99638 Value 0,025 Standard Error M T1 13,82699 1,86209 M T2 217,91287 14,50873  [ppm] 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 10 c [mM] Abb (S,S)-88 mit Methyl-β-D-ribopyranosid 0,05 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,99827 Value Standard Error R T1 16,50419 0,50868 R T2 68,66716 3,15658 0,04 ppm 0,03 0,02 0,01 0,00 c [mM] Abb (S,S)-88 mit Methyl-β-D-xylopyranosid II 10 0,05 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,99297 Value Standard Error L T1 18,49938 0,72273 L T2 41,52038 3,62616 0,04 ppm 0,03 0,02 0,01 0,00 10 c [mM] Abb (S,S)-88 mit n-Octyl-β-D-galactopyranosid 0,06 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Squar 0,99573 Value Standard Erro dppm T1 17,0726 0,3138 dppm T2 14,9140 0,92605 0,05 ppm 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 c [mM] Abb (S,S)-88 mit n-Octyl-β-D-glucopyranosid III 10 0,030 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,99462 Value 0,025 Standard Error dppm T1 9,68664 2,81214 dppm T2 287,3067 22,93659 ppm 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 10 c [mM] Abb (S,S)-88 mit n-Octyl-β-D-mannopyranosid Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,05 0,98305 Value Standard Error dppm T1 18,20378 0,96601 dppm T2 34,57434 4,51848  [ppm] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 c [mM] Abb (R,R)-88 mit Methyl-β-D-galactopyranosid IV 10 Equation 0,040 0,035 y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,99083 Value Standard Error F T1 19,0623 1,26862 F T2 71,70825 7,66071 0,030 0,025  [ppm] 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 10 c [mM] Abb (R,R)-88 mit Methyl-β-D-ribopyranosid 0,06 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,96887 Value 0,05 Standard Error F T1 16,09581 1,26373 F T2 33,91532 6,16892  [ppm] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 c [mM] Abb 9 (R,R)-88 mit Methyl-β-D-xylopyranosid V 10 Equation 0,06 y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,95898 Value Standard Error F T1 15,25447 1,19707 F T2 25,58822 5,27325 0,05 0,04  [ppm] 0,03 0,02 0,01 0,00 10 c [mM] Abb 10 (R,R)-88 mit n-Octyl-β-D-galactopyranosid Equation 0,07 y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,98722 Value Standard Error dppm T1 14,42997 0,40693 dppm T2 11,00155 1,09239 0,06  [ppm] 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 c [mM] Abb 11 (R,R)-88 mit n-Octyl-β-D-glucopyranosid VI 10 0,06 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,97631 Value 0,05 Standard Error dppm T1 15,66514 1,28693 dppm T2 43,0616 6,99792  [ppm] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 10 c [mM] Abb 12 (S,S)-82 mit Methyl-β-D-galactopyranosid Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,025 0,95974 Value Standard Error dppm T1 29,57028 3,81006 dppm T2 111,49006 22,99351  [ppm] 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 c [mM] Abb 13 (S,S)-82 mit Methyl-β-D-ribopyranosid VII 10 0,05 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,98489 Value Standard Error dppm T1 8,0618 2,28339 dppm T2 136,80525 17,91239 0,04  [ppm] 0,03 0,02 0,01 0,00 10 c [mM] Abb 14 (S,S)-82 mit Methyl-β-D-xylopyranosid Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,05 0,98353 Value Standard Error dppm T1 15,20579 1,19144 dppm T2 51,36945 6,9532  [ppm] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 c [mM] Abb 15 (S,S)-82 mit n-Octyl-β-D-galactopyranosid VIII 10 0,07 0,06 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Squar 0,99807 dppm dppm Value Standard Erro 11,1239 0,36027 45,7032 2,22793 T1 T2  [ppm] 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 10 c [mM] Abb 16 (S,S)-82 mit n-Octyl-β-D-glucopyranosid Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,05 0,98788 Value Standard Error dppm T1 16,13006 1,12956 dppm T2 55,40818 6,62691  [ppm] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 c [mM] Abb 17 (R,R)-82 mit Methyl-β-D-galactopyranosid IX 10 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,025 0,96992 Value Standard Error dppm dppm 23,9352 3,92165 dppm dppm 145,97956 26,92911  [ppm] 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 10 c [mM] Abb 18 (R,R)-82 mit Methyl-β-D-ribopyranosid 0,040 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,97253 Value 0,035 Standard Error dppm T1 15,82914 2,98156 dppm T2 125,20489 21,26934 0,030  [ppm] 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 c [mM] Abb 19 (R,R)-82 mit Methyl-β-D-xylopyranosid X 10 Equation 0,06 y = x/(T1*x+T2) Adj R-Square 0,9772 Value Standard Error dppm T1 9,8773 2,32364 dppm T2 80,38725 17,97786 0,05  [ppm] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 10 c [mM] Abb 20 (R,R)-82 mit n-Octyl-β-D-galactopyranosid 0,06 Equation y = x/(T1*x+T2) Adj R-Squar 0,98483 Value Standard Erro dppm T1 13,8416 0,74359 dppm T2 25,3279 3,70209 0,05  [ppm] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 c [mM] Abb 21 (R,R)-82 mit n-Octyl-β-D-glucopyranosid XI 10 9.2 Auswertung der 2:1-Komplexe -1 -1 Abb 22 (R,R)-88 mit Methyl-D-β-xylopyranosid, K1 = 400 M , K2 = 50 M -1 -1 Abb 23 (S,S)-88 mit Methyl-β-D-galactopyranosid, K1 = 550 M , K2 = 20 M XII -1 -1 Abb 24 (R,R)-82 mit Methyl-β-D-ribopyranosid, K1 = 76 M , K2 = 11 M -1 -1 Abb 25 (S,S)- 82 mit Methyl-β-D-galactopyranosid, K1 = 230 M , K2 = 10 M Shinkai Aoyama Davis Diederich Diederich Kral Resor cinaren Davis Frank 10 Marko XIII 11 AL50 12 Spiro 13 Einarmig Frank 14 15 16 17 18 19 20 Literatur 21 3-symmetrie 22 Bipy 23 Anthracenre zeptor 24 Anthracenre zeptor mit silber 25 AL15 26 AL58 27 AL54 28 Reduziertes AL7 29 BIN OL 30 MOM-BIN OL 31 AL33 32 AL34 33 AL39 34 AL36 35 Negishi 36 AL43 37 AL53 38 AL125 39 AL126 40 AL73 41 AL74 42 AL59 43 AL61 44 Glucose-Oxidase 45 Boronsäure 46 BODI PY 47 Fluoresze nzreze ptor 48 BODI PY an sich 49 Indacen 50 AL139 51 AL99 52 AL96 53 AL91 54 AL89 55 AL87 56 Bromnaphthol 57 Dibromnaphthalin 58 AL98 59 AL97 60 AL93 61 AL101 br -BODIPY 62 AL130 63 Literatur Sonogas hira BODIPY 64 AL134 65 Weißlicht 66 Phos phat 67 Fluoresze nz marker 68 Thiophen H öger 69 Thiophen H öger 70 AL105 71 AL92 72 AL46 73 dibromthiophen 74 AL44 75 AL60 76 AL57 77 AL56 78 AL55 79 AL76 80 AL48 81 AL94 82 AL121 (A) 83 AL90 84 AL86 85 AL85 86 AL80 87 AL78 88 AL113 (B) XIV ... in der Nahrungsaufnahme) oder als Bauund Stützstoffe (z.B Cellulose oder Chitin zum Aufbau von Zellwänden) bekannt Eine weitere wichtige Rolle nehmen die Kohlenhydrate in Form von Ribosen oder... Prozessen wie der Zelladhäsion, der Zell-Zell-Kommunikation, der viralen und bakteriellen Infektion, bestimmten Immunprozessen bei Entzündungen, der Bildung von Metastasen oder bei der Reaktion von bestimmten... selektive Erkennung der veränderten Zellen und somit der veränderten Saccharidstrukturen eine krankhafte Veränderung zu erkennen wäre, was zum Beispiel zur Krebstherapie nutzbar wäre.[6], [7] Die Erkennung