Obwohl die Bewegung von Atomen den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegt, war die Erkenntnis, dass eine klassisch mechanische Beschreibung atomarer Bewegung in den meisten Fällen ausreicht, der Schlüssel zur Simulation der Dynamik komplexer Systeme, einschließlich Biomolekülen. Die Grundlagen hierfür legte M. Karplus bereits in den 1960er Jahren mit Rechnungen der symmetrische Austauschreaktion H+H₂→H₂+H.

Die Computerindustrie hätte nach Michael Levitt einen Teil des Nobelpreises für Chemie 2013 vedient, denn ihre Forschungs- und Entwicklungsleistung hatte zu drastisch höheren Rechengeschwindigkeiten geführt (siehe Tabelle). Darum sind die Kosten einer einzelnen Rechnung heute 100 000 000-mal geringer als zu Beginn von Levitts wissenschaftlicher Karriere, wie er in seinem sehr persönlichen Bericht anlässlich der Verleihung des Nobelpreises betonte.

Ein detailliertes Verständnis der Wirkungsweise biologischer Moleküle ist eine Voraussetzung für Fortschritte in der Medizin, allerdings ist es praktisch unmöglich, eine vollständige quantenmechanische Beschreibung großer molekularer Systeme zu verwenden. Die Lösung für dieses Problem ist die Aufteilung großer Systeme in einen quantenmechanischen und einen durch empirische Kraftfelder beschreibbaren Teil.

Sehen, wie das Rad sich dreht: Die Selbstorganisation eines molekularen {Pd₈₄}-Rades wurde durch Elektrophorese und Größenausschlusschromatographie untersucht (siehe Bild). In Verbindung mit Elektrospray-Massenspektrometrie konnte seine Bildung im Verlauf von 6 Tagen durch die Aggregation von {Pd₆}⁻-Bausteinen direkt verfolgt werden.

Supramolekulare Hydrogele wurden durch Nutzung der Wirt-Gast-Wechselwirkungen des Makrocyclus Cucurbit[8]uril (CB[8]) mit verschiedenen Gastmolekülen erzeugt. Die mechanische Stärke dieser Materialien korreliert direkt mit der Energiebarriere für die Dissoziation der ternären CB[8]-Komplexe, während für die Selbstheilung eine niedrige Energiebarriere der Assoziatbildung notwendig ist.

Zucker ist das Ziel: QM/MM-Rechnungen mit mehr als 1000 QM-Atomen zur Beschreibung der katalytischen Tasche entschlüsseln den Basenexzisionsmechanismus der bakteriellen Glycosylase MutM. Entgegen bisheriger Annahmen greift MutM zuerst den Ribosering an. Aktivitätsassays und eine neue Kristallstruktur des MutM-Läsionskomplexes belegen diesen Reparaturprozess, der sich durch eine stärkere Beteiligung des Zuckerringes auszeichnet.

Per Anhalter: Ein neuartiges bioorthogonales und reversibles chemisch induziertes Dimerisierungssystem wurde entwickelt. Die Translokation eines konstitutiv aktiven Rac1 zur Plasmamembran führte zur raschen und reversiblen Bildung von Lamellipodien in lebenden Zellen.

Die Notwendigkeit für modifizierte und immobilisierte Zielmoleküle ist noch immer ein erheblicher Nachteil bei der Selektion DNA-kodierter Bibliotheken gegen biologische Zielmoleküle. Durch den Schutz von Endpositionen und Ligand-induzierte Photoverknüpfung des Targets werden nun iterative Selektionen DNA-kodierter Bibliotheken mit unmodifizierten und nicht immobilisierten Zielproteinen möglich.

Ordentlich aufgereiht: Eine Bibliothek von Janustektonen mit kleinen chemischen Gruppen oder funktionalen Einheiten wurde synthetisiert. Die Selbstorganisation auf sp²-hybridisiertem Kohlenstoff führt gemäß STM zur Bildung organisierter adsorbierter Lagen mit den gleichen Gitterparametern. Die exponierte äußere Oberfläche bietet vielfältige Funktionalitäten, die mit präziser lateraler Ordnung positioniert sind.

Klare Vorlieben: PEGylierung und Lipidierung verstärken die Präferenz von Liganden für anorexigene G-Protein-gekoppelte humane Y-Rezeptoren. Die Lipidierung erhöht die Neigung des Agonisten hin zur Arrestinrekrutierung und Internalisierung, während die PEGylierung eine Internalisierung des Rezeptors verhindert und die Signalgebung unabhängig vom Zellsystem und dem modifizierten Rest verlängert; dies spricht für eine neuartige Wirkweise.

Goldporen: Membranen mit einstellbarem Porendurchmesser zwischen 3 und 20 nm wurden hergestellt und für Nanopartikeltrennungen und den kontrollierten Proteintransport getestet. Die Porengröße konnte dabei durch die stromlose Abscheidung von Gold gesteuert werden. Die präzise Größenselektivität, einfache Herstellung und Biokompatibilität legen Anwendungen in der Aufreinigung von Nanomaterialien und im Wirkstofftransport nahe.

Zielgenau: Ein lipidierter Cathepsin-B(CtsB)-Inhibitor wurde in einen liposomalen Nanoträger eingebaut, um CtsB-bindende Wirkstofftransportsysteme zu erhalten, die mit diagnostischen oder therapeutischen Stoffen beladen werden können. Die Liposome wurden selektiv von Tumor und Bindegewebszellen aufgenommen, sodass die Zielführung auf CtsB einen vielversprechenden Ansatz für Krebsdiagnose und -therapie darstellt.

Optische Einzelmolekülmikroskopie wurde verwendet, um die Rotation eines Doppeldecker-Porphyrins zu untersuchen. Mit einem magnetischen Kügelchen als Sonde konnte die Drehdiffusion dieses Nanorotors in 90°-Schritten visualisiert werden; sie ist im Einklang mit der Vierfachsymmetrie des Moleküls.

Wenn schon in die Zelle, dann besser zu zweit: Eine fast quantitative Aufnahme in eukaryotische Zellen und eine effektive Hemmung der Elongation des kurzen Haarnadel-RNA-Transkripts TAR bei niedrigen nanomolaren Konzentrationen gelang mit dimeren α-helicalen Peptidbündeln auf Basis von Leucin (L) und Lysin (K). Die wirksame Inhibition der HIV-1-Replikation spricht für das große Potenzial dieser Dimere als Anti-HIV-1-Wirkstoffe.

Aussortieren von CO: Neuartige Syntheseprotokolle für Palladium-katalysierte reduktive Carbonylierungen und Alkoxycarbonylierungen von Arylbromiden mit Paraformaldehyd als externe CO-Quelle wurden entwickelt. Der Vorteil: Auf die Verwendung von Kohlenmonoxidgas kann verzichtet werden.

Heterogene Katalyse gegen chemische Waffen: Ein bifunktionales Nb^V-haltiges Saponit-Tonmineral wurde hergestellt und als Katalysator für die oxidative Beseitigung chemischer Kampfstoffe verwendet. Im Vergleich zum Ausgangsmaterial und einem herkömmlichen Dekontaminationspulver wurde eine erstaunliche Aktivität und hohe Selektivität für die Oxidation von (2-Chlorethyl)ethylsulfid, einem Simulans für Senfgas, bei Raumtemperatur gefunden.

Feuertaufe: Eine nichtentzündbare Schwefelkompositkathode zeigt eine stabile elektrochemische Aktivität über 750 Zyklen und eine Entladungskapazität von über 800 mA h⁻¹ g⁻¹(Schwefel) mit einer Entladerate von 10 C in einem feuersicheren Elektrolyten. Der Elektrolyt wurde aus einem Phosphitadditiv erzeugt, das an Grenzflächenreaktionen an der Kathode teilnimmt und die Lithiumionendiffusion um das mehr als Zehnfache beschleunigt.

In der Tasche: Eine einzige Mutation in der aktiven Tasche kann die Substratspezifität einer nichtribosomalen Peptidsynthetase umprogrammieren und ermöglicht dadurch den effizienten Einbau nichtnatürlicher, aromatischer Aminosäuren mit funktionellen Gruppen für die bioorthogonale Markierung.

GO-Chemilumineszenz: Frisch hergestelltes Graphenoxid enthält eine hohe Zahl von Kohlenstoffradikalen in seiner π-Ebene. Diese Radikale resultieren aus der Addition von Hydroxylradikalen aus Wasserstoffperoxid an die konjugierten Doppelbindungen des Graphenoxids und können die langandauernde, sichtbare Lumineszenz von Luminol auslösen.

Nicht auf gleicher Wellenlänge: Die sequenzielle Stummschaltung von Genen in Zebrafischembryos gelingt mithilfe von photoaktivierbaren Morpholinooligonukleotiden, die auf Licht verschiedener Wellenlängen ansprechen (siehe Bild). Diese optochemischen Hilfsmittel ermöglichen die Untersuchung genetischer Wechselwirkungen, die die Entstehung von Mesodermmustern dynamisch steuern.

Komplexe Therapie: Der lumineszierende Pt^II-Pinzettenkomplex [Pt(C N N)(CNtBu)]ClO₄ interkaliert in DNA und bildet einen ungewöhnlichen emissiven Exciplex. Das Emissionsprofil und die Lebensdauer des angeregten Zustands hängen von der Nucleinsäurestruktur ab, was zur Differenzierung zwischen dsRNA und dsDNA genutzt wird. Der Komplex zeigt starke Cytotoxizität in vitro und unterdrückt das Tumorwachstum in einem Tiermodell.

Die Kartierung von Pyrrol/Imidazolpolyamiden über mehrere Genloki mit ausgeprägten Chromatineigenschaften in lebenden Zellen wird erstmals beschrieben. Eine bioinformatische Analyse zeigt, dass geclusterte Bindungsstellen die Bindung in Zellen am besten wiedergeben. Hierdurch bietet sich eine neue Methode für die Verwendung von Polyamiden und vielleicht auch anderen synthetischen Molekülen zur effektiven Identifizierung spezifischer Stellen im Genom.

Süße Oligocatechine: Die erste stereoselektive Synthese von doppelt verbrückten Procyanidinen, (+)-Procyanidin A₂ und (+)-Cinnamtannin B₁, gelang durch doppelte Aktivierung der elektrophilen Flavaneinheiten an C2 und C4. Die Catechin-Anellierung verläuft mit hoher Ausbeute und Regioselektivität.

Alles ändert sich: Nukleinsäure-funktionalisierte pNIPAM-Copolymere vollziehen in Gegenwart von H⁺/OH⁻ oder Ag⁺/Cysteamin zyklische und reversible Gel-Lösungs-Phasenübergänge. Beim Erwärmen und Abkühlen führen die Hydrogele außerdem zyklische und reversible Hydrogel-Festkörper-Übergänge aus.

Chalkogenbindungen in Thiaboranen erweisen sich als deutlich stärker als σ-Loch-Wechselwirkungen in organischen Verbindungen. Der Grund ist der stark positive Gürtel aus σ-Löchern am positiv geladenen Schwefelatom. Die Ladungsverteilung ist die treibende Kraft für die Bildung von Chalkogenbindungen von Thiaboranen.

Dünn gesät: Die Synthese und kristallographische Charakterisierung eines Komplexes mit definiertem {2Fe3S(μ-H)}- Kern führt unter Beibehaltung der Kerngeometrie zu einem paramagnetischen verbrückten Hydrid. Das chemische Verhalten dieser 35-Elektronen-Spezies im beschränkten Raum einer spektroelektrochemischen FTIR-Dünnschichtzelle liefert den Nachweis eines beispiellosen hoch reduzierten Fe^I(μ-H)Fe^I-Intermediats (siehe Schema).

Ohne Rissbildung: Ein Trocknungsverfahren durch Sublimation eines organischen Lösungsmittels ermöglicht die zügige Herstellung rissfreier monolithischer Aerogele aus anorganischen Oxiden aus feuchten Gelen. Auf das endotherme Verdampfen des organischen Lösungsmittels von der äußeren Oberfläche folgt dabei die Sublimation von verfestigtem Lösungsmittel (siehe Bild).

Dreifach fluoriert: Eine neuartige Fluorierung wandelt Thiazole selektiv in trifluorierte Heterocyclen um. Robuste Reaktionen führen über kurze Sequenzen zu einer Familie wirksamer p53-unabhängiger proapoptotischer Antitumorsubstanzen. Pull-down-Experimenten zufolge sind diese Derivate selektive Prohibitin-Liganden. NP=Nanopartikel.

Vollständig funktionalisierte 1,2,3-Triazole wurden durch eine metallfreie Dreikomponenten-Reaktion erhalten. Leicht zugängliche Ausgangsmaterialien wurden in dieser organokatalytischen Reaktion eingesetzt, die die gewünschten Produkte in guter Ausbeute und mit hoher Regioselektivität lieferte. Die meisten der synthetisierten Triazole waren bislang nicht zugänglich.

Dehydroaryloxylierungen fest im Griff: Die Spaltung der Alkyl-C-O-Bindung von Arylethern ohne zusätzliche Reagentien wird durch Iridium-Pincerkomplexe katalysiert. In teilweise nur einstündigen Reaktionen werden Umsätze von bis zu 99 % zu den entsprechenden Phenolen erzielt.

Umschaltspiel: Die kovalente Modifikation (PSM; siehe Bild) eines säulenartigen Liganden in einem porösen Fe^II-Spin-Crossover-Gerüst liefert ein verwandtes Gerüst mit einem anderen Schaltverhalten und erfolgt unter Erhaltung der Einkristallinität. Die Studie etabliert die kovalente Modifikation als neue Methode zur Steuerung des Spin-Crossovers in dieser Klasse von porösen multifunktionellen Materialien.

Entgegen der allgemeinen Auffassung kann man Graphit als Elektrodenmaterial in Natriumionenbatterien verwenden, indem man die Bildung ternärer Graphit-Interkalationsverbindungen nutzt. Die wichtigen Merkmale dieser Elektrodenreaktion sind eine geringe irreversible Kapazität, niedrige Überspannungen und verbesserte Zyklisierbarkeit. Mit einer Kapazität nahe 100 mAh g⁻¹ ist die Elektrode vielversprechend für stationäre Anwendungen.

Die Palladium-katalysierte selektive C-H-Trifluorethylierung von Aryliodiden ermöglicht die effiziente Synthese einer Vielzahl an ortho-Trifluorethyl-substituierten Styrolen. Mechanistische Studien zeigen, dass die Reaktion über eine geschwindigkeitsbestimmende oxidative Addition von CF₃CH₂I an einen Palladacyclus verläuft.

Offen und geschlossen: Die ¹¹⁹Sn-Mößbauer- and DNP-SENS-NMR-spektroskopischen Signaturen von Sn-β-Zeolith deuten gemeinsam mit Dichtefunktionalrechnungen an einem Modell eines T-Zentrums darauf hin, dass es sich bei den aktiven Zentren um zwei oktaedrisch koordinierte Sn^IV-Zentren handelt. Bei einem sind zwei Wassermoleküle an das Sn-Gerüstatom gebunden (geschlossenes Zentrum), bei dem anderen wurde eine der Sn-O-Si-Bindungen durch ein Wassermolekül gespalten (offenes Zentrum).

Copy-Cat: Sechsfach koordinierte Nickel(II)/(III)-Komplexe wurden hergestellt, die den Katalysezyklus der Superoxid-Dismutase (NiSOD) durch einen Außenschalen-Elektronentransfermechanismus nachahmen. Die Komplexe enthalten einen doppelt dreizähnigen N₂S-Donorcarboxamidliganden, N-2-Phenylthiophenyl-2′-pyridincarboxamid (HL^Ph), und wurden auf ihre Strukturen und SOD-Aktivitäten untersucht.

Ein Reaktionsmechanismus und ein kinetisches Profil für die Oxidation von Graphen werden vorgeschlagen. Die Oxidation läuft unter hoher Korrelation zwischen den Oxidationszentren ab und umfasst drei entscheidende Faktoren: 1) die Spaltung von delokalisierten π-Bindungen, 2) sterische Hinderung und 3) Wasserstoffbrückenbildung.

Elektronische Effekte beider Silylgruppen sind in der Titelreaktion entscheidend für die selektive Cycloaddition unter Verschiebung einer Silylgruppe. Die Silylgruppen des Cycloaddukts können durch Oxidation regioselektiv in Hydroxygruppen umgewandelt werden. Röntgenstruktur: C grau, H weiß, Si gelb, O rot.

Ligandentausch: Ein dimerer Magnesium(I)-Komplex wurde durch eine einfache Redoxreaktion mit einem bekannten Magnesium(I)-Komplex synthetisiert. Der neue Komplex wird durch einen hochoxidierten Phosphoranliganden stabilisiert und geht eine C-C-Kupplung mit tert-Butylisocyanat ein.

'SO'₂ vielseitig: Ein Reaktionsgemisch aus einem Arylhalogenid, dem SO₂-Surrogat DABSO, einem Pd⁰-Katalysator, Isopropylalkohol und Triethylamin bietet effizienten Zugang zu Ammoniumsulfinatsalzen. Der Isopropylalkohol dient als Lösungs- und formales Reduktionsmittel zugleich, sodass die Sulfinat-Zwischenstufen ohne gasförmige Reagentien oder anorganische Reduktionsmittel erhalten werden. Die Salze können in Sulfone, Sulfonamide und Sulfonylchloride überführt werden.

Hohe Toleranz für funktionelle Gruppen wird in der Titelreaktion beobachtet, wobei sowohl interne als auch terminale Alkine als Substrate dienen können. Co(OAc)₂⋅4 H₂O dient als Katalysator, Mn(OAc)₂ als Cokatalysator und Luftsauerstoff als Oxidationsmittel. Piv=Pivalat.

Eine einfache Synthese von Isocumarinen bietet die Dreikomponentenkupplung zwischen 1-Alkinen, 2-(Trimethylsilyl)aryltriflaten und CO₂ (siehe Schema). Der Schlüssel zu dieser Reaktion ist die Verwendung eines vielseitig einsetzbaren Komplexes aus einem N-heterocyclischen Carben und Kupfer, der mehrere Transformationen dieser Dreikompontenreaktion katalysiert.

THF ist die Lösung: THF-Lösungen der luftbeständigen Borane B(C₆Cl₅)_x(C₆F₅)_3−x (x=0–3) aktivieren H₂ für die katalytische Hydrierung ungesättigter Substrate, wobei das Lösungsmittel den Part einer „frustrierten“ Lewis-Base übernimmt. Schwach basische Substrate wie N-Tosylimine sowie Pyrrol- und Furanderivate (neue Substrate für derartige Hydrierungen) werden unter vergleichsweise milden Bedingungen umgesetzt.

Die Kombination aus Cu(OTf)₂ und einem chiralen dreizähnigen P,N,N-Liganden als Katalysator ermöglichte die Titelreaktion, die eine Vielzahl von 2-Methylen-2,3-dihydrofuranen in guten Ausbeuten und guten bis sehr guten Enantioselektivitäten lieferte. Außerdem kann die exocyclische Methylengruppe diastereoselektiv hydriert werden, wobei ungewöhnliche cis-2,3-Dihydrofuranderivate entstehen.

Deutlich mildere und umweltfreundlichere Reaktionsbedingungen erhält man, wenn bei der oxidativen Heck-Reaktion Rhodium- und Photoredoxkatalyse kombiniert werden. Dadurch kann der Rhodiumkomplex katalytisch regeneriert werden. Die Reaktion toleriert eine große Substratbreite und ergibt verschiedenste Amide in guten bis sehr guten Ausbeuten.

Ring, Ring: Eine durch N-heterocyclische Carbene (NHC) katalysierte formale [3+2]-Anellierung von α,β-ungesättigten Aldehyden mit Azaauronen oder Auron wurde entwickelt, die Spiroheterocyclen mit hoher Enantioselektivität liefert. Dieses Protokoll bietet einen einzigartigen Zugang zu spiroheterocyclischen Strukturen mit einem quartären Stereozentrum.

Coiled-Coil-Bildung bringt ein Thioester-verbundenes Reporter-K3-Peptid in räumliche Nähe zum einem E3-tragenden Membranprotein, um den schnellen Transfer des Reporters vom Markierungsreagens auf das Zielprotein auszulösen (links im Bild). Hohe Zielspezifität, Schnelligkeit, geringe Konzentration an Markierungsagens und minimaler Massenzuwachs ermöglichten das fluoreszenzmikroskopische Imaging des humanen Y₂-Rezeptors an lebenden Zellen (rechts).

Mithilfe einer Lipid-basierten Strategie wurden die Struktur und Dynamik des Golgi-Apparats in lebenden Zellen mit hochauflösender Mikroskopie visualisiert. Die Methode basiert auf einem trans-Cycloocten-haltigen Ceramid-Lipid (Cer-TCO) und einem Tetrazin-markierten Nah-IR-Farbstoff (SiR-Tz). Diese reagieren zu Cer-SiR, das die Visualisierung des Golgi-Apparats mit 3D-Konfokalmikroskopie und hochauflösender Mikroskopie ermöglicht.

Fluorogene Sonden: Das „fragile histidine triade protein“ (Fhit) ist eine Diadenosintriphosphat-Hydrolase, die häufig während der Entstehung von Krebs deaktiviert wird. Diese Arbeit beschreibt die Synthese einer neuen fluorogenen Sonde und ihren Einsatz zur Untersuchung der enzymatischen Aktivität von endogenem Fhit in Zelllysaten. Mit dieser Sonde werden Effektoren von Fhit in diesem biologisch relevanten System untersucht; sie wird daher tiefgreifende Einblicke in die Regulation von Fhit liefern.