2019 jährte sich Erwin Schrödingers Buch „What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell”, in dem er seine Sicht auf lebende Prozesse in Bezug auf Vererbungsmechanismus, Mutationen, Ordnung, Unordnung und Entropie darlegt. Obwohl das Buch von mehreren seiner Kollegen kritisiert wurde, hat es Generationen von Wissenschaftlern als Inspiration gedient.

Biopsien aus Blutproben: Dieser Kurzaufsatz diskutiert die Entwicklung von Sensoren für die nicht-invasive Krebsdiagnose und -behandlung, ein als „Flüssigbiopsie” bezeichneter Ansatz. Die Methodik hat sehr hohe Leistungsanforderungen, da eine hohe Sensitivität und Spezifität erforderlich sind, um blutgetragene Nukleinsäuren in Patientenproben nachzuweisen. Elektrochemische und spektroskopische Ansätze, die Potenzial für dieses wichtige biomedizinische Problem aufweisen, werden diskutiert.

Einzelatom-Nanozyme enthalten atomar aktive Zentren und ähneln natürlichen Metalloenzymen. Es sind vielversprechende Systeme für die Sensorik, den Abbau organischer Schadstoffe und therapeutische Anwendungen. Sie ermöglichen außerdem die Erstellung von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen für Einblicke in die Natur von Biokatalysatoren auf Einzelatomebene.

Wege zu Batterien der Zukunft: Die Entwicklung neuartiger Kathodenmaterialien ebnet den Weg zur nächsten Generation wiederaufladbarer Lithiumbatterien. Wesentliche Voraussetzungen zum Erreichen dieses Ziels sind das Verständnis der Materialprinzipien und die Identifizierung der Schwachstellen derzeitiger Kathodenmaterialien.

Superdünne 2D-CuO@SAPO-4-Nanoblätter mit ≈7 nm Schichtdicke und monokristalliner Struktur wurden synthetisiert. Die Nanoblätter zeigen hervorragende katalytische Aktivität für die selektive Oxidation von Cyclohexan zu Adipinsäure unter Verwendung von molekularem Sauerstoff als Oxidationsmittel in einem Katalysemechanismus am Poreneingang.

Unter dem Regenbogen: Farbreiche Beschichtungen können durch das Festhalten elektrischer Ladungen erhalten werden. Eine nanoskalige Doppelschicht aus verschiedenen Metallkomplexen wurde genutzt, um zu zeigen, dass Einfangen und Freigabe von Ladung mit mehrfarbigem Elektrochromismus korelliert.

Hochliegende SOMO-Radikale, die in situ unter Photoredox-Bedingungen mit sichtbarem Licht gebildet werden, vollziehen eine effiziente Addition an hoch gespannte Bicyclo[1.1.0]butane, was einen unkomplizierten Zugang zu wertvollen alkylierten Cyclobutanen ermöglicht.

Nimm zwei: Ein seltenes Beispiel von Substrat-induzierter Dimerierungsanordnung chiraler makrocyclischer Katalysatoren wird vorgestellt. Dabei entsteht ein hoch kooperatives Wasserstoffbrücken-Aktivierungsnetzwerk für effiziente und enantioselektive Umwandlungen.

Darm mit Charme: Eine Echtzeit-in-vivo-Bildgebungsmethode zur Visualisierung der Darmflora kombiniert d-Aminosäure-basierte metabolische Markierung und NIR-II-Fluoreszenzbildgebung. Die Vielseitigkeit dieser Technik wurde durch Darstellung verschiedener Bakterienspezies sowie beim Studium gastrointestinaler motilitätsinduzierter Veränderungen der Biogeographie der Darmflora demonstriert.

Zwei Fliegen mit einer Klappe: Aufwärtskonvertierende Janus-MOFs wurden entwickelt, die eine mitochondrienspezifische Freisetzung sowie die mit 808 nm NIR-Licht gesteuerte Erzeugung von Singulett-Sauerstoff ermöglichen. Das System erlaubt eine verstärkte photodynamische Therapie mit minimiertem Überhitzungseffekt durch den Laser.

Der Gast als Vermittler: Der Photoredoxzyklus eines Ruthenium-Palladium-Nanokäfigs wird von einem Tetrathiafulvalen (TTF)-Gastmolekül als Elektronenrelais vermittelt. Dies resultiert in einer lichtgetriebenen Wasserstoffproduktion.

Aufbewahrungsboxen: Kupfersubstituierte doppelschalige CoS₂@Cu_xS-Nanoboxen wurden durch eine mehrstufige MOF-basierte Templatstrategie synthetisiert (siehe Bild). Mit ihrer einzigartigen Hüllenarchitektur und ihrer komplexen Zusammensetzung zeigten diese doppelwandigen Nanoboxen eine verbesserte Natriumspeicherleistung, mit hoher reversibler Kapazität, überlegener Ratenfähigkeit und langer Lebensdauer.

Kubisch-raumzentrierte (BCC) PdCu-Nanopartikel erweisen sich als aktiver, selektiver und stabiler Elektrokatalysator für die Stickstoffreduktion und zeigen eine weitaus bessere Leistung als der herkömmliche kubisch-flächenzentrierte (FCC) PdCu-Elektrokatalysator.

S-Se-Teamarbeit: Organisch-anorganische Hybridkathodenmaterialien vereinen die Vorteile beider Komponenten. Die Kombination von organischem Polysulfid mit Selen kann nicht nur die Nutzung aktiver Materialien, sondern auch die Zyklenleistung verbessern, was eine Folge der Bildung kovalenter S-Se-Bindungen ist.

Schafft es ganz alleine: Eine Reihe von auf stabilen heterometallischen Fe₂M-Clustern basierenden MOFs ermöglicht die Umwandlung von CO₂ und H₂O in HCOOH und O₂ ohne Hilfe eines zusätzlichen Opferagens und Photosensibilisators. Eine Strategie zur Entwicklung kristalliner Photokatalysatoren zur Umsetzung künstlicher Photosynthese wird außerdem vorgeschlagen.

Die effiziente Dimerisierung und erste erfolgreiche Polymerisation von Lignocellulose-basiertem β-Angelicalacton wurde durch einen Lewis-Paar-Katalysator erreicht. Eine Bioraffinerieplattform wird eingeführt, in der zwei Produkte – eine dimere Vorstufe für Biokraftstoff und ein hitze- und lösungsmittelresistenter acrylischer Biokunststoff – aus einem Rohstoff synthetisiert werden können.

Mut zur Lücke: Ein zweidimensionales Metall-organisches Einzelschichtgerüst hat eine direkte Bandlücke von 1.5 eV sowie ein hoch dispersives Leitungsband. Seine effektive Masse beträgt 0.45 m_e, und es liefert eine ausgezeichnete Ladungsmobilität.

Eine terminierende, sauerstoffbasierte Reaktion wurde entwickelt, die auf einem Pd⁰/Pd^II-Katalysezyklus beruht; sie weist eine große Substratbandbreite auf und funktioniert mit einer Reihe acider, sauerstoffbasierter Additive. Mechanistische Studien gaben entscheidende Hinweise für den Erfolg der Reaktion, wodurch eine kurze Syntheseroute zu zwei Mitgliedern der Botrydienal-Naturstoffe ermöglicht wurde.

PolyP statt Poly-M: Ein anorganisches Polyphosphat-Polymer, polyP, kann mit positiv geladenem, grün fluoreszierendem Protein +36GFP in Zellen interagieren, was in einer Flüssig/Flüssig-Phasentrennung (LLPS) durch intermolekulare elektrostatische Wechselwirkungen resultiert. Die Koazervate können verwachsen, was ihre flüssigkeitsartigen Eigenschaften belegt. Somit lassen sich Protein-Protein-Wechselwirkungen durch LLPS manipulieren.

Links- und Rechtshänder: Eine neuartige durch sichtbares Licht getrieben reversible Inversion der Händigkeit gelang in einer photoresponsiven, selbstorganisierten, helikalen Superstruktur, die unter Verwendung molekularer, chiraler Halogenbindungsdonor-Schalter entwickelt wurde. Außerdem wurde eine durch sichtbares Licht angetriebene, reversible Entwindung der helikalen Superstruktur erreicht.

Clever dotiert: Bei der Pyrolyse von Fe-dotierten ZIF-8-Einkristallen verteilen sich katalytisch aktive FeN₄-Zentren atomar in einer dreidimensionalen, hierarchisch geordneten, porösen Kohlenstoffmatrix. Das vernetzte Kohlenstoffgerüst erfüllt die Stofftransfer-Anforderungen zur Verstärkung der katalytischen Effizienz für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR).

Effektive Transfektion: Herkömmliche mRNA-Nanovektoren sind auf die Funktion als Transfektionsagentien beschränkt. Nun werden Nanopartikel mit reduzierbarem Tetrasulfidmotiv vorgestellt, die nicht nur als Transfektionsagentien wirken, sondern auch die mRNA-Translation hochregulieren und damit eine höhere in-vitro- und in-vivo-mRNA-Transfektionswirkung in schwer zu transfizierenden Zellen erzielen.

Selen gegen Krebs: Diselenid-Pemetrexed-Assemblate wurden entwickelt, um Krebsimmuntherapie mit Radio- und Chemotherapie zu kombinieren. Unter γ-Strahlung wird Diselenid zu Selensäure oxidiert, welche die Expression von HLA-E in Krebszellen unterdrückt und damit die Immunaktivität der NK-Zellen aktiviert. Das Chemotherapeutikum Pemetrexed kann gleichzeitig freigesetzt werden, um eine Kombinationstherapie zu erreichen.

Eine kooperative Wirt-Gast-Strategie für den Aufbau von Einzelatomkatalysatoren (SACs) wurde entwickelt, welche die Bandbreite an verfügbaren Vorstufen von stickstoffhaltigen auf nicht-stickstoffhaltige MOFs erweitert. Ni-SACs (Ni_SA-N_x-C; x=2, 3, 4) mit unterschiedlichen Koordinationszahlen am Stickstoff werden bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen erhalten. Der beste Katalysator, Ni_SA-N₂-C, zeigt eine ausgezeichnete Aktivität und Selektivität in der CO₂-Elektroreduktion.

Silanole und Silane wurden mit Parawasserstoff und einem Iridium-Katalysator hyperpolarisiert. Die erzielten ²⁹Si-NMR-Signalgewinne erreichten einen Faktor von fast 3000 und wurden für die quantitative Nachverfolgung einer Substitutionsreaktion verwendet.

Nitreniumsalze werden als Lewis-Säure-Katalysatoren in fünf organischen Transformationen untersucht. Trotz ihres schwach sauren Charakters erweisen sich diese Spezies als kompetente Katalysatoren in einer Reihe von Transformationen. Da die Salze wasserstabil sind, können die Reaktionen ohne vorgetrocknete Lösungsmittel durchgeführt werden.

Dehnungsübungen: Hybride biomimetische Hydrogele mit erhöhter Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) unter 600-nm-Bestrahlung zeigen antibakterielle Aktivität. Außerdem imitieren sie recht genau die mechanischen Eigenschaften biologischer Gele wie Collagen und Fibrin, darunter Dehnungsversteifung bei geringer mechanischer Spannung.

Die Selbstsortierung der beiden inkompatiblen Seitenketten von X-förmigen Polyphilen in getrennte Netzwerke führt zu einer chiralen kubischen Gyroid-Phase („Single gyroid” I4₁32) mit zwei chemisch ungleichen Netzwerken und Sub-10-nm-Periodizität. Dies ist der erste kubische Netzwerk-Gyroid-Flüssigkristall und der erste Flüssigkristall, dessen Chiralität ausschließlich auf Mikrophasentrennung basiert.

Nitridspinell: Mittels einer laserbeheizten Diamantstempelzelle wurde BeP₂N₄ bei 47 GPa und 1800 K vom Phenakit-Typ in den Spinell-Typ umgewandelt. Dessen Kristallstruktur wurde in situ mit druckabhängigen Synchrotron-XRD-Messungen untersucht und der isotherme Kompressionsmodul wurde auf >300 GPa bestimmt, was die Spinell-Form von BeP₂N₄ als ultra-inkompressibles Material klassifiziert.

Eine asymmetrische Pd^II-katalysierte Aminofluorierung nichtaktivierter Alkene mithilfe chiraler Chinolin-Oxazolin-Liganden eröffnet einen einfachen Zugang zu enantiomerenangereicherten β-Fluorpiperidinen in guten Ausbeuten und mit exzellenten Enantioselektivitäten. Et₄NF⋅3 HF spielt eine große Rolle bei der Enantioselektivitätskontrolle, und das Additiv CsOCF₃ verhindert eine ArIF₂-geförderte Aminofluorierung von Alkenen.

Effizient und selektiv: Eine hocheffiziente enantioselektive [3+2]-Anellierung zwischen Cyclopropenonen und α,β-ungesättigten Ketonen/Iminen wurde entwickelt. Dieses System vereint eine intermolekulare C-C-Spaltung von Cyclopropenonen und eine enantioselektive Funktionalisierung mit der Carbonyl-/Iminogruppe.

Von B nach N: Das H₂N-DABCO-Salz wurde als Aminierungsreagens für die direkte Aminierung von (primären, sekundären und tertiären) Alkyl- und Arylpinakolboronaten entwickelt. Eine Anti-Markownikow-Hydroaminierung von Olefinen gelang durch katalytische Hydroborierung mit HBpin und In-situ-Aminierung mittels H₂N-DABCO. Zudem ermöglichte eine 1,2-Diborierung von Olefinen mit nachfolgender Aminierung erstmals eine 1,2-Diaminierung von Olefinen.

Enantiomerenangereicherte Cyclobutene wurden durch eine Kupfer-katalysierte Tandemreaktion aus Cyclobutenonen generiert. Diese Eintopfreaktion beinhaltet eine enantioselektive konjugierte Addition oder Reduktion des Cyclobutenons gefolgt von einer Abfangreaktion mit einem Chlorphosphat.

Ungeschützte Aldosen in Wasser durchlaufen bei Bestrahlung mit Licht in Gegenwart von wasserlöslichem Benzophenon eine radikalische Isomerisierungsreaktion. Während der anomere Kohlenstoff (C1) zu einer Carboxygruppe oxidiert wird, wird die Hydroxygruppe am C2-Kohlenstoff durch Wasserstoff ersetzt. Die erzeugten 2-Desoxylactone werden leicht auf die entsprechenden 2-Desoxyaldosen reduziert, die oft in bioaktiven Verbindungen enthalten sind.

Die organokatalytische Reduktion aktivierter Alkene zu den entsprechenden Alkanen gelang durch Phosphor-Redoxkatalyse, mit Wasser als Wasserstoffquelle und 1.0 Mol-% eines Methyl-substituierten Phosphetanoxids als Katalysator. Aufgrund der hohen Selektivität dieser Reaktion werden funktionelle Gruppen, die ansonsten ebenfalls leicht reduziert werden, toleriert.

Pd und Cu kooperieren: Eine hoch enantioselektive, Pd/Cu-katalysierte Heck/Sonogashira-Kupplung liefert chirale Oxindole mit quartären Stereozentren, insbesondere solche mit Trifluormethylrest. Die Nützlichkeit der Methode wurde anhand mehrerer stereospezifischer Derivatisierungen und der Synthese von EGIS-12,233, einem potenten und selektiven Antagonisten für 5-HT_6/7-Rezeptoren, demonstriert.

Eine Palladium-katalysierte Arylalkinylierung von Alkenen durch eine Heck/Sonogashira-Sequenz ermöglicht die effiziente Synthese chiraler benzanellierter Heterocyclen mit einem propargylischen quartären Stereozentrum. Diese Reaktion zeichnet sich durch leicht zugängliche Substrate, hohe Selektivitäten und eine große Substratbreite aus.

Schichtarbeit: Eine neue Art der Nanotheranostik wurde durch die Kombination von Mehrkomponenten-Eigenschaften und Tumor-Targeting-Fähigkeiten einer schichtweisen Anordnung funktionaler Biosensor-Peptide entwickelt. siRNA-beladene Nanopartikel, die mit einem synthetischen Peptid funktionalisiert sind, das in der Lage ist, MMP9-Überexpression in der Tumor-Mikroumgebung zu überwachen, vermittelt nicht-invasive Urin-basierte Diagnostik sowie Gen-Silencing.

Robuste und dynamische supramolekulare Polymergele mit Knotenpunkten in Form kuboktaedrischer Metall-organischer Cu₂₄L₂₄-Käfige mit hoher Cumarinligand-Dichte (polyMOCs) lassen sich reversibel zwischen Cu^II-, Cu^I- und Cu⁰-Zuständen schalten, von denen jeder spezifische mechanische, optische und katalytische Eigenschaften aufweist. Der Cu^I-Zustand wurde genutzt, um die Bildung neuartiger kovalenter polyMOC-Doppelnetzwerke zu katalysieren.

Ausgezeichnet: Eine bioinspirierte Nitroalkylierungsstrategie ermöglicht die chemoselektive Modifikation von Proteinen, die eine wichtige posttranslationale Modifikation (PTM) nachahmt. Verschiedene Tags wurden schnell und mit hohen Umsätzen (99 %) unter milden Reaktionsbedingungen an Proteinen installiert. Die Nitro-Peptid-Konjugate bieten einen Ansatzpunkt für die positionsselektive Fluorierung von Peptiden.

Weißer als Weiß: Das Dotieren von (TDMP)PbBr₄ mit geringsten Mengen an Mn²⁺ ergibt einen Leuchtstoff mit heller, reiner, weißer Emission mit sehr hoher Effizienz (PLQY=60 %) und ultrahohem Farbwiedergabeindex (CRI=96). TDMP=trans-2,5-Dimethylpiperazinium.

F-orm und F-unktion: Die Fluorierung des zentralen Bausteins DCAO3TBDTT bietet eine effektive Möglichkeit, die molekulare Kristallisation und Orientierung für Solarzellen aus kleinen Molekülen (NFSM-OSCs) zu regulieren. Die resultierende BTEC-2F-basierte Solarzelle zeigte den höchsten Wirkungsgrad zur Energieumwandlung (PCE) für NFSM-OSCs von 13.34 %.

Molekular geprägte Polymer-Nanopartikel (MIP-NPs) blockieren die N-terminale Region von Cadherinen, das für Zell-Zell-Adhäsion verantwortliche Zentrum. Die MIP-NPs imitieren in Krebsbehandlungen eingesetzte therapeutische Antikörper durch Störung der Zell-Zell-Adhäsion, wie durch die Auflösung dreidimensionaler Tumor-Sphäroide menschlicher Gebärmutterhals-Adenokarzinom-Zellen (HeLa) bestätigt wird.

Die periodische Fällung von Calciumphosphat wurde durch eine biokatalytische Reaktion erreicht, die das System fernab vom Gleichgewicht hält. Ein einfaches Modell, das die explosionsartige Nukleation von Nanopartikeln bei einer kritischen Übersättigung beinhaltet, reproduziert die Ergebnisse und deutet auf einen möglichen Mechanismus für Selbstorganisation in der Biomineralisation hin.

Zielgerichtete Suche: Isotopenmarkierte Desthiobiotinazid(isoDTB)-Tags wurden auf einfache Weise synthetisiert und ermöglichten die aminosäurespezifische Untersuchung des Cysteinoms in S. aureus. Auf diese Weise wurden 268 Cysteine identifiziert, die mit kovalenten Inhibitoren adressiert werden können und damit als Zielstrukturen für die Entwicklung von Antibiotika mit neuartigen Wirkungsweisen erforscht werden können.

Rollenspiel: Kristallstrukturen von Übergangszustandsmimetika und Produkten deuten darauf hin, dass zwei hydratisierte Metallionen an der Spaltungschemie des Pistol-Ribozyms beteiligt sind. Eines der Ionen bleibt an N7 eines Guanosins koordiniert und spielt eine Schlüsselrolle in der Katalyse.

Die Optimierung des Liganden im Iridiumkatalysator ermöglicht die asymmetrische Hydrierung nichtfunktionalisierter, tetrasubstituierter, acyclischer Olefine, die zwei vicinale Stereozentren mit exzellenten Stereoselektivitäten einführt.

Volle Haftung: Die Thiol-Disulfid-Austauschreaktion zwischen Cystein und Lysozym wird genutzt, um eine proteinartige 2D-Dünnschicht mit circa 100 % optischer Transparenz herzustellen. Die Dünnschicht haftet an einer Reihe von Oberflächen und kann zur Einkapselung und Freigabe funktioneller Moleküle, wie z. B. Proteinen, genutzt werden.

Divergente Strategie: Das verbrückte siebengliedrige Ringsystem 11, das durch eine neuartige palladiumkatalysierte Heck-Reaktion hergestellt wurde, war der gemeinsame Vorläufer für die enantioselektiven Synthesen der Lyconadine A–E (1–5), Lycopecurin (6) und Dehydrolycopecurin (7) – Lycopodiumalkaloide mit vielversprechenden biologischen Aktivitäten.

Gut gerüstet: Die Auswirkungen von Einbettungsmustern auf die Biofunktionalität von MOF-verkapselten Enzymen wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einbettungsmuster durch Enzymoberflächenmodifikation einfach reguliert werden können, daraus resultiert eine neue Strategie zur Konstruktion von Enzymen@MOFs mit ausgezeichneter Bioaktivität und Stabilität.

Aus Zwei mach Eins: Ein Peptid-katalysierter Ansatz für die atropselektive Kupplung von Naphtholen und esterhaltigen Chinonen zu nicht-C₂-symmetrischen BINOL-artigen Gerüsten wird vorgestellt. Dabei werden gute Ausbeuten und Enantioselektivitäten erreicht, und darüber hinaus zeigt die diastereoselektive Funktionalisierung eines Naproxen-Analogons die Nützlichkeit dieses Systems auf.

Fünffache verflochtene Nanokristall-Katalysatoren aus der heterogenen Legierung Ag_xNi_1−x (x=0.01–0.25) werden vorgestellt. Mit nur 5 at % Ag (AgNi-5) wird eine Pt-artige Aktivität bei pH 14 erreicht. Eine Stromdichte von 10 mA cm⁻² benötigt eine Überspannung von 24.0±1.2 mV (20.1±0.8 mV für 20 % Pt/C, beides mit 1.32 mg cm⁻² Katalysatorbeladung). Die Turnoverfrequenz beträgt bis zu 2.1 H₂ s⁻¹ bei 50 mV (vs. RHE).

Die Rhodium(III)-katalysierte C-H-Aktivierung und Cyclopropylierung von O-Sulfonylphenolen gelingt mit hohen Enantio-, Diastereo- und Regioselektivitäten sowie Cyclopropenylalkoholen als Cyclopropylierungsreagenzien. Mechanistische Studien zeigen, dass die Reaktion über ein Rh^V-Nitrenoid-Intermediat verläuft, das an einem konzertierten, Proton-Hydrid-Transfer vom Noroyi-Typ teilnimmt.

Keine Lösung ist auch eine Lösung! Helicale Polymere von Trehalose wurden durch Kristall-zu-Kristall-Synthese über die topochemische Azid-Alkin-Cycloaddition (TAAC) eines Monomers erhalten. Diese lösungsmittel- und katalysatorfreie Polymerisationsmethode eliminiert aufwändige Reinigungsschritte und unterstreicht die Eleganz topochemischer Polymerisationen gegenüber der herkömmlichen Polymerisation in Lösung.

Korrosionsfrei: Zwei Methoden zur Synthese von Vinylhalogeniden durch iridiumkatalysierte Transferhydrohalogenierung von nichtaktivierten Alkinen werden vorgestellt. Die Verwendung von 4-Chlorbutan-2-on oder tert-Butylhalogenid als Donoren von Halogenwasserstoffen ermöglicht diese Umwandlung in Abwesenheit korrosiver Reagenzien. Die Methode liefert Alkenylhalogenide mit säureempfindlichen Gruppen, wie tertiäre Alkohole, Silylether und Acetale.