Aktuelle Durchbrüche in der regioselektiven und direkten Funktionalisierung von freien Phenolen durch Übergangsmetall-katalysierte C-O- oder C-H-Bindungsaktivierung werden geschildert, als Vorbild für die vollständige und schaltbare Positionskontrolle in den Transformationen wichtiger Strukturkerne.

Ein Graph für Graphene: Die Erwartungen bezüglich der Anwendungsmöglichkeiten von Graphen sind enorm. Ein klares System zur Bezeichnung von Graphenderivaten fördert eine präzise Fachsprache für die Familie der graphenbasierten Materialien. Im Rahmen des GRAPHEN-Flagship-Projekts der EU wurden drei physikalisch-chemische Eigenschaften von Graphen definiert, um die Klassifizierung von solchen Materialien zu erleichtern (siehe Klassifizierungsraster).

Die kontrollierte Synthese neuer Graphen- und Graphenoxidderivate sowie die Bestimmung der atomaren Struktur sind Schlüsselaufgaben für Synthesechemiker. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen müssen erarbeitet werden, um das Potenzial von Graphenderivaten für zukünftige Anwendungen auszuschöpfen. Dieser Aufsatz beleuchtet Konzepte zur Chemie von Graphen und Graphenoxid und soll Chemiker ermutigen, dieses Forschungsfeld voranzutreiben.

Bildung von Naphthalin: Die Bildung des prototypischen polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffs Naphthalin in der Gasphase durch Reaktion eines Phenylradikals mit zwei Ethinmolekülen wird mittels Photoionisationsmassenspektrometrie gezeigt (siehe Bild). Der erste direkte experimentelle Beweis für den Mechanismus der Wasserstoffabstraktion und Ethinaddition, über den bisher nur theoretisch spekuliert wurde, wird geliefert.

Geänderte Verkehrsführung: Die endocytotische Internalisierung von tetraedrischen DNA-Nanostrukturen (TDNs) in Zellen durch einen Caveolin-abhängigen Prozess wurde auf Einzelpartikelebene untersucht. Der anschließende Mikrotubuli-abhängige Transport der TDNs zu den Lysosomen (siehe Bild) konnte durch Funktionalisierung der TDNs zum Kern umgeleitet werden.

¹⁸F-Markierung für PET: Die nucleophile ¹⁸F-Fluorierung von Arenboronsäurepinakolylestern ist im Schema gezeigt (OTf=Trifluormethansulfonat). Dieses Verfahren liefert klinisch nutzbare Mengen an 6-[¹⁸F]Fluor-L-DOPA in zwei Stufen (Fluorieren und anschließendes Entschützen) ausgehend von einem leicht verfügbaren Boronsäureester (RCY: zerfallskorrigierte radiochemische Ausbeute).

Dicalciumsilicate Ca_2−xEu_xSiO₄ leuchten bei Anregung mit blauem Licht im roten Bereich. Das Bild zeigt die tiefrote Phosphoreszenz von Ca_1.20Eu_0.80SiO₄ nach Anregung bei 450 nm mit blauen LEDs. Die Quantenausbeuten betrugen 44 % (extern) und 50 % (intern).

Welcher Weg ist der richtige? Mechanistische Studien der Hydroaminierung belegen die Bildung konformativ flexibler Goldiminiumsalze (Au-Im), die durch Protonierung der Vinyl-Gold-Verbindung B entstehen. Der Stereospezifitätsverlust der Protodeaurierung ist auf die Rotation um die C-CAu-Bindung zurückzuführen, die frühere stereochemische Ergebnisse erklärt. Somit wurde nachgewiesen, dass die Reaktion über den Außensphärenmechanismus verläuft.

Antikörper in Bewegung: Stoßquerschnitte der Immunglobuline G1 und G4 wurden mit Ionenbeweglichkeits-Massenspektrometrie bestimmt. Intakte Antikörper und als Scharnier wirkende Fc-Fragmente sind viel flexibler als Proteine vergleichbarer Größe. Den Grund dafür zeigen MD-Simulationen über dynamische Beziehungen zwischen verknüpften gefalteten Domänen. In Abwesenheit eines Lösungsmittels ist die IgG1-Unterklasse weniger dynamisch als die IgG4-Unterklasse.

Flexibel und doch zielbewusst: Cyclodextrine wurden mit Pyridin-„Beinchen“ versehen, um chirale Template für die Synthese von Nanoringen aus sechs oder sieben Zinkporphyrin-Makrocyclen zu erhalten. Die Flexibilität der Cyclodextrinderivate mindert nicht ihre Effizienz als Template, und sie reduziert die Kooperativität ihrer Wechselwirkungen mit den Nanoringen auch nur in geringem Maß.

Säuberlich sortiert: Das Konzept des proportionalen Stapelns, das an das Stapeln von Büchern in einem Regal erinnert, wurde genutzt, um hoch selektive Strukturen für die para-Xylol-Abtrennung zu entwickeln. Das MOF MAF-X8 besitzt diese Eigenschaft und trennt besser als derzeit verwendete Materialien wie BaX-Zeolith.

NO-Problem: Die Polymerisation von NO-responsiven Monomeren mit o-Phenylendiamin-Funktion ergab NO-responsive makromolekulare Ketten, die sich wie biomimetische Polymere verhalten. Bei NO-Behandlung bilden die thermoresponsiven Copolymere mizellare Strukturen (siehe Beispiel). Diese NO-vermittelte Selbstorganisation, durch die eine Fluoreszenz aktiviert wird, diente auch zur Visualisierung von endogenem NO.

Praktisch reduziert: In situ durch einen Mikroorganismus und einen biokompatiblen Palladiumkatalysator erzeugter Wasserstoff reduziert Alkene im synthesetechnisch relevanten Maßstab. Diese Methodenkombination zur Produktion niedermolekularer Verbindungen stellt eine neue Strategie für die chemische Synthese dar.

Das Verhalten von Zellen in einer 3D-Umgebung wurde durch die Chiralität von Nanofasern stark beeinflusst. Nur eines der Enantiomere eines 1,4-Benzoldicarboxamidphenylalanin-Derivats 1 bildete Nanofasern, die hohe Zelladhäsions- und Zellproliferationsdichten bewirkten (unten rechts). Modelle der extrazellullären Matrix, die mithilfe dieser Strategie entworfen werden, könnten eine gewünschte Zelldichte für die Gewebezüchtung bereitstellen.

Höchst ungesättigt. Die ersten Gene für einen bakteriellen Polyin-Biosyntheseweg wurden im Pflanzenpathogen Burkholderia caryophylli entdeckt. Die Caryoynencin-Biosynthese erfordert spezifische Desaturasen/Acetylenasen und eine Cytochrom-P450-Monooxygenase. Höchst instabile Polyine wurden direkt im Kulturextrakt über eine In-situ-Klick-Reaktion stabilisiert und isoliert. Homologe Polyin-Gencluster wurden in diversen bakteriellen Genomen entdeckt.

Kälte setzt stabilen α-Synuclein-Fibrillen zu, sodass sie dissoziieren, wobei sich Monomere direkt von den Fibrillenenden ablösen. Diese Kältedenaturierung ist auf die amyloidspezifische Ladungsabstoßung wegen des Einschlusses geladener Reste im Fibrilleninneren zurückzuführen. Bei erhöhten Temperaturen kommt es ebenfalls zur Monomerdissoziation von den Fibrillenenden, zusätzlich verstärkt durch Bruchbildung in den Fibrillen.

Pulsmessung für Moleküle: Konformationsspezifische Cirkulardichroismusspektren von „kalten“ chiralen Molekülen in einem Ultraschallstrahl wurden mithilfe von circular polarisierten Laserpulsen erhalten, die durch synchronisiertes Abfeuern von Nanosekunden-Laserpulsen mit der Schwingung des photoelastischen Modulators (PEM) erzeugt wurden. Das Ergebnis waren die ersten CD-Spektren von Ephedrin mit resonanter Zweiphotonenionisation (R2PI).

ATP lässt sich sehen: Die Fluoreszenz der gezeigten Triarylborverbindung (DPTB-IMI-EG) nimmt in Abhängigkeit von ATP zu. Der Analyt ATP induziert eine begrenzte Aggregation, verleiht dem Indikator eine gewisse Photobeständigkeit und erhöht dessen Toleranz gegen vorhandene Elektrolyte. Daher konnte DPTB-IMI-EG eingesetzt werden, um ATP-Konzentrationen in vitro und in vivo nachzuverfolgen. ATP=Adenosin-5′-triphosphat.

Kontrollierte Tautomerie: Für das Titelsystem existieren zwei 18-π-Elektronen-Tautomere: eine schwach aromatische Phenol- und eine stark aromatische Chinoid-Form. Ihr Gleichgewicht kann über chemische Modifizierung und über Lösungsmitteleffekte beeinflusst werden. Dadurch lassen sich Aromatizität und Nah-IR-Absorption einstellen.

Kronenether inklusive: Das Metall-organische Gerüst SNU-200 verfügt über 18-Krone-6-Einheiten als Kationenbindestellen. Dadurch kann SNU-200 K⁺, NH₄⁺ und das Methylviologen-Dikation (MV²⁺) samt zugehöriger Anionen aufnehmen. Die Gassorptionseigenschaften hängen vom gebundenen Kation ab; SNU-200 mit K⁺/SCN⁻ zeigte die höchste isosterische H₂-Adsorptionswärme (9.92 kJ mol⁻¹).

Von allem etwas: Tris(zweizähnige) Ligandenstränge, deren Länge sich nur um zwei Atome unterscheidet, sortieren sich selbsttätig: Mit einem Monoamin bilden sie zirkuläre Helicate verschiedener Größen, mit einem Diamin sogar verschiedene Molekültopologien – einen molekularen Salomonsknoten und einen fünffach verschlungenen Knoten.

Der Einbau von Pyrrol in ein Peptidrückgrat liefert einfache Makrocyclen mit β-Strang-Geometrie. Wird ein Aminoaldehyd in P1-Position an dieses Templat angeknüpft, so erhält man wirksame Proteasehemmer (siehe Strukturformel; K_i=440 und 920 pM gegen die Cysteincathepsine L bzw. S). Eine Kristallstruktur eines Derivats im Komplex mit Chymotrypsin (unten) bestätigt das Design.

Der Naturstoff (−)-Clusianon wurde durch eine stereodivergente asymmetrische Totalsynthese in sechs Stufen ausgehend von kommerziell erhältlichem Material hergestellt. Höhepunkt der Synthese ist eine Ameisensäure-vermittelte kationische Cyclisierung, die eine Bindung zwischen zwei sterisch überladenen quartären Kohlenstoffzentren erzeugt.

Eine Serie von hoch aktiven Halbleiterphotokatalysatoren wurde durch Kristallisation von Wurtzit-Tetraedern auf CdS-, CdSe- und CdTe-Quantenpunkten hergestellt. Die heterostrukturierten CdX/ZnO-Nanokristalle weisen ausgedehnte Typ-II-Nanokontakte auf und bewirken die schnelle photokatalytische Zersetzung von organischen Molekülen in wässrigen Medien.

Ganz ohne Häme: Die Einelektronreduktion einkerniger Nicht-Häm-Fe^III-OOH- und -Fe^III-OOR-Komplexe mit Ferrocenderivaten führt letztlich zu Fe^IVO-Komplexen. Im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt (r.d.s.) wird die Fe^III- zur Fe^II-Spezies reduziert, dann liefert die O-O-Heterolyse die Fe^IVO-Komplexe. Fe^IVO-Zwischenstufen aus Reaktionen von Nicht-Häm-Eisenenzymen und Fenton-Reaktionen konnten erstmals auf diesem Weg erhalten werden.

Variationen eines Themas: Eine kombinatorische Bibliothek von RanBP2-artigen Zinkfinger(ZF)-Domänen wurde modifiziert, um Varianten mit bestimmten RNA-Bindevorlieben zu selektieren. Eine Variante bevorzugte GCC gegenüber GGU und AAA, wenn auch nur im Rahmen eines Drei-ZF-Polypeptids. Die Spezifität von RNA-Bindemodulen auf ZF-Basis konnte demnach erfolgreich verändert werden.

Endlich fündig geworden: Das bislang unauffindbare ^#4348C₆₆-Fulleren wurde zum ^#4348C₆₆Cl₁₀ exohedral stabilisiert, das mittels Einkristall-Röntgenbeugung identifiziert wurde (siehe Bild). Die Isolierung dieses Chlorfullerens stützt die Existenz von ^#4348C₆₆ im Kohlenstoff-Lichtbogen.

Luft anhalten: Genombasiertes metabolisches Profiling von Clostridium beijerinckii führte zu Clostrubin, dem ersten Polyketid, das aus einem strikt anaeroben Organismus isoliert werden konnte. Das ungewöhnliche Polyphenol wirkt hoch aktiv gegen ein Spektrum bakterieller Pathogene. Isotopenmarkierungsexperimenten zufolge entsteht das neuartige Ringsystem durch eine Kettenfaltung, die in den Biosynthesepfaden aerober Mikroorganismen nicht auftritt.

Sehr dünne WS₂-Nanoflocken wurden nach einer neuen Hochtemperaturmethode in der Flüssigphase synthetisiert. Diese Nanoflocken sind effiziente Katalysatoren der Wasserstoffentwicklung und stellen eine mögliche Alternative zu teuren Platin-basierten Katalysatoren dar.

So dehnbar! Eine neue und sichere drahtförmige Lithiumionen-Batterie enthält zwei Kompositgarne aus ausgerichteten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) und Lithiumtitanoxid (LTO) oder Lithiummanganoxid (LMO) als Anode bzw. Kathode. Diese drahtförmigen Batterien wurden zu leichten, flexiblen und dehnbaren Batteriegeflechten verwoben.

Rein und einfach: Die erste Gold-katalysierte Reaktionssequenz aus C(sp³)-H/C(sp)-H-Kreuzkupplung, Cyclisierung und oxidativer Alkinylierung von 1,3-Dicarbonylverbindungen mit terminalen Alkinen wurde entwickelt. Der Schlüssel für die Umsetzung sind die spezifischen Redoxeigenschaften und carbophile π-Acidität des Goldkatalysators. Mehrfach substituierte 3-Alkinylfurane wurden regiospezifisch aus einfachen Ausgangsverbindungen synthetisiert.

C(CH₃)₅⁺ ist eine Spezies mit fünffach koordiniertem Kohlenstoffatom und separaten (einzähnigen) Kohlenstoffliganden, für die nicht-Lewis-konforme Elektronenmangelbindungen zwischen dem hyperkoordinierten Kohlenstoffatom und den Methylgruppen postuliert werden. C(CH₃)₅⁺ ist zwar unter Standard-Laborbedingungen kinetisch unbeständig, die Dissoziationsbarrieren schließen aber eine kurzfristige Existenz nahe 0 K nicht aus.

Ein einfaches thermodynamisches Modell und Rechnungen mit dispersionskorrigierten Dichtefunktionalen können Löslichkeitsunterschiede zwischen enantiomerenreinen und racemischen Festphasen vorhersagen. Der Ansatz kommt in der Regel auf Enantiomerenüberschüsse in Lösung, die sich im Bereich von 10 % um die Ergebnisse experimenteller Messungen bewegen (siehe Bild).

Nickel sortiert Aminosäuren: Eine chemische Methode für die Racematspaltung ungeschützter β-Aminosäuren rac-1 durch Bildung und Spaltung von Nickel(II)-Komplexen ergibt β-substituierte β-Aminosäuren in guten Ausbeuten und mit ausgezeichneten Enantioselektivitäten. Die chiralen Liganden können quantitativ zurückgewonnen werden, und das Verfahren wurde in der Synthese des Diabetesmedikaments Sitagliptin eingesetzt.

Heiße Ernte: Der plasmonengetriebene Elektronentransfer (PMET) in plasmonischen Photoanoden (Au/TiO₂) bietet die einzigartige Möglichkeit, Elektronen im angeregten Zustand zu erzeugen, deren Lebensdauer den typischen Zeitskalen von solar-photochemischen Prozessen entspricht. Diese langlebigen Elektronen werden zur Wasserstoffentwicklung aus Wasser mithilfe von sichtbarem Licht verwendet (siehe Bild).

Hydratisierung von Alkinen: Die von 5,5′-Bis(trifluormethyl)-2,2′-bipyridin abgeleiteten Halbsandwich-Rutheniumkomplexe zeigen eine hohe Aktivität bei der Anti-Markownikoff-Hydratisierung terminaler Alkine (siehe Bild). Eine Reihe von Alkinen wurde mit nur 2 Mol-% Metallbeladung in 8–24 h zu Aldehyden hydratisiert.

Heterocyclensynthese: Chirale Isoindolone werden durch die Rhodium(III)-katalysierte enantioselektive Reaktion von Arylhydroxamaten mit alkylsubstituierten Diazoestern bei milden Bedingungen erhalten. Chirale Cyclopentadienylliganden mit einem Biarylgerüst liefern sehr gute Enantioselektivitäten.

Um Größenordnungen besser: Ein synthetisches Metalloenzym katalysiert die Hydratisierung von Kohlendioxid 1400-mal effizienter als Carboanhydrase II, das selbst eines der effizientesten Enzyme überhaupt ist. Das entwickelte Zinkenzym übertrifft auch niedermolekulare Carboanhydrasemodelle. Bild: Zn violett, N dunkelblau, O rot, C cyan.

Gold trifft Alkylidencyclopropan: Kationische Goldkatalysatoren vermitteln die stark exotherme (ca. 60 kcal mol⁻¹) Cycloisomerisierung von 1,6-Diinen, die eine Alkylidencyclopropan-Einheit tragen. Diese diastereoselektive Methode erzeugt 1,2-Trimethylennorbornane, die ein wichtiger Baustein für abiotische Zielmoleküle und Sesquiterpen-Naturstoffe sind. DCE=1,2-Dichlorethan, Tf=Trifluormethansulfonyl, Tol=Tolyl.

Chirale Dihydroisochinoline werden durch eine effiziente diastereoselektive Pd⁰-katalysierte Carboiodierung hergestellt. Die Zugabe der sterisch anspruchsvollen tertiären Aminbase 1,2,2,6,6-Pentamethylpiperidin (PMP) führt zu einem deutlichen Anstieg der Diastereoselektivität. Die Methode wurde auf die asymmetrische Formalsynthese von (+)-Corynolin angewendet.

Explosives Trio: Geminale Triazide sind einfach und in großer Breite herstellbar, wenn man Oxocarbonsäuren, Iodmethylketone oder terminale Olefine als Ausgangsmaterialien für oxidative Azidierungen mit Natriumazid und einem milden 2-Iodoxybenzoesäurederivat nutzt. Zusätzlich zu dieser bislang nicht in Erscheinung getretenen Klasse von Aziden können auch α-Azidoester über die beschriebenen Verfahren aufgebaut werden.

Ein neuer Titan-Katalysator mit 2,6-Bis(phenylamino)pyridinato-Liganden ermöglicht erstmals hoch regioselektive Hydroaminoalkylierungen von Styrolen unter Bildung der linearen Produkte. Hierdurch eröffnet sich ein neuer und flexibler einstufiger Zugang zur pharmakologisch wichtigen Stoffklasse der 3-Arylpropylamine. In analoger Weise lassen sich auch (E)-1-Phenyl-1,3-butadiene zu den entsprechenden linearen Produkten umsetzen.

Chirale Phosphorsäuren erzeugen in situ H-Brücken-gebundene ortho-Chinomethide, die von β-Diketonen und β-Ketoestern enantioselektiv angegriffen und in einem nachfolgenden Schritt zu wichtigen 4-Aryl-4H-chromenen und verwandten Heterocyclen cyclisiert werden können. Damit wird der Anwendungsbereich der enantioselektiven Phosphorsäure-Katalyse um einen wichtigen Prozess erweitert.

Schnell, schneller, am schnellsten: Aromatische oder heterocyclische Substrate gehen bei Behandlung mit TMPLi eine kinetische Lithiierung ein und können anschließend mit Metallsalzen wie MgCl₂, ZnCl₂ oder CuCN zu den funktionalisierten Organometallreagentien transmetalliert werden. So gelingen die schnelle Metallierung von Pyridinen mit Nitro-, Ester- oder Cyangruppen und die Herstellung kinetischer Regioisomere funktionalisierter Arene und Heterocyclen.

Durchflussbedingungen ermöglichen eine praktikable Metallierung funktionalisierter Heterocyclen und verschiedener Acrylate unter Verwendung der Base TMPMgCl⋅LiCl (TMP=2,2,6,6-Tetramethylpiperidyl). Gewöhnlich können unter Durchflussbedingungen günstigere Temperaturen und sehr kurze Reaktionszeiten erreicht werden. Empfindliche Acrylderivate können unter Flussbedingungen magnesiert werden. Darüber hinaus sind Flussreaktionen ohne weitere Optimierung skalierbar.

Die dynamische Wirt-Gast-Komplex-Bildung wurde unter Verwendung einer neuartigen Kombination aus NMR-Titration und Diffusions-NMR-Spektroskopie untersucht. Der Wirt war hierbei das zweizähnige 1,8-Bis[(diethylgallanyl)ethinyl]anthracen, und als Gast-Komponenten wurden Pyridin und Pyrimidin verwendet. Die genaue Auswertung der Diffusions-NMR-spektroskopischen Experimente erforderte die gezielte Synthese maßgeschneiderter Referenzverbindungen.

Bei der Reaktion von [(Cp*Al)₄] und [(PPh₃CuH)₆] wird selektiv der intermetalloide Cluster [(Cp*AlCu)₆H₄] (Cp*=C₅Me₅) gebildet. Die hohe Affinität von Cp*Al zu Cu ermöglicht die Substitution der Phosphinliganden der Kupferhydridvorstufe und die Stabilisierung des Cu₆-Kerns durch Einbettung in einen Al₆-Käfig. Der Hydridocluster M₁₂H₄ reagiert mit Benzonitril in einer stöchiometrischen Hydrometallierung zu [(Cp*AlCu)₆H₃(NCHPh)].

Tröpfchen für Tröpfchen Quantität: In 10-nL-Tropfen wurden Affinität, Kooperativität und Pufferabhängigkeit des AMP-Aptamers über Thermophorese quantifiziert. Es wurde 50-mal weniger Probe als bei etablierten Kapillarmessungen verbraucht. In den lokal geheizten nL-Proben wurden Temperatur, Marangoni-Fluss und Konzentration mit Fluoreszenzmikroskopie und numerischer Simulation analysiert. Die Methode ist hochdurchsatzfähig und automatisierbar.

Reaktionen auf Nichtleitern: C₆₀-Fullerene wurden auf dem Nichtleiter Calcit photochemisch zur Reaktion gebracht. Die Inselstrukturen wurden vor und nach der Bestrahlung mithilfe von Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie (NC-AFM) untersucht. Es bildeten sich Domänen kovalent verknüpfter Moleküle entlang spezifischer Substratrichtungen. Die hierbei beobachtete gerichtete Reaktion wird durch ein einfaches Modell auf Basis der Gitterfehlanpassung erklärt.