Strukturauflkärung und Anwendung kombinierter Methoden
komplexe Strukturen, mechanistische Studien, dynamische Prozesse

Viele unserer Projekte haben die Bestimmung von Konstitution und Konfiguration kleiner organischer Verbindungen in Lösung mit Hilfe der NMR-Spektroskopie (engl. nuclear magnetic resonance) zum Ziel. Auf Basis der so bestimmten Struktur einer Verbindung erhoffen wir uns mehr über ihre (bio-)chemische Funktion zu lernen und ihre Reaktionen besser zu verstehen (Struktur-Wirkungsbeziehungen). Häufig ist ein starres Bild einer Struktur nicht geeignet um die tatsächlichen experimentellen Beobachtungen zu erklären, so dass auch das Konformationsgleichgewicht einbezogen werden muss. Wir untersuchen ebenfalls Reaktionsmechanismen mit unbekannten Intermediaten in der Organo- und Übergangsmetallkatalyse, dynamische Prozesse in Verbindungen und intermolekulare Wechselwirkungen, um zu einem besseren Verständnis von Struktur-Wirkungsbeziehungen beizutragen.

Bei der Strukturaufklärung kombinieren wir meist Informationen aus komplementären NMR-Parametern, wie z.B. der Kern-Overhauser-Verstärkung (NOEs), skalaren Koppluungen (J-Kopplungen) und residualen dipolaren Kopplungen (RDCs). In Fällen, in denen der J-Kopplungspfad unterbrochen ist oder der NOE keine eindeutige Unterscheidung erlaubt, kann durch Auswertung von RDCs die Zuordnung diastereotoper Protonen geklärt werden, wie wir bereits 2003 am Beispiel der Modellverbindung Strychnin zeigen konnten.

Darüber hinaus nutzen wir RDCs auch zur vollständigen Aufklärung der Relativkonfiguration stereogener Zentren, wie beim marinen Naturstoff Dibromopalau’amin, wo klassische J/NOE-basierte Methoden keine eindeutige Lösung aufgrund des ungewöhnlichen, hochsubstituierten polycyclischen Gerüsts erlauben. Eine zusätzliche Herausforderung ergibt sich im Falle flexibler Verbindungen, wo NMR-Parameter nur als gemittelte Werte experimentell bestimmt werden können und der Rückschluss auf die beitragenden Konformere häufig nicht möglich ist. Für das α-Methylen-γ-Butyrolacton war die Bestimmung der relativen Konfiguration durch die Flexibilität des Fünfrings erschwert. Erst die Verwendung von RDCs erlaubt die eindeutige Bestimmung der Konfiguration der Zentren als trans zueinander und eröffnet gleichzeitig den Zugang zur Beschreibung des Konformationsgleichgewichts in Lösung.

Aktuell forschen wir an weiteren Fragestellungen zur Strukturaufklärung herausfordernder Moleküle, welche bspw. Stereozentren an exozyklischen Positionen mit potentiell frei drehbaren Einfachbindungen aufweisen. Dies erfordert eine noch viel größere Anzahl an Strukturmodellen und experimentellen RDCs, um den vollständigen Konfigurations- und Konformationsraum mit ausreichender Genauigkeit abzurastern. Auf Grund dieser zunehmenden Komplexität ist ein übergeordnetes Ziel unserer Forschung die unlängst etablierte modellfreie RDC-Auswertungsmethode, welche die akkurate Beschreibung der Struktur erlaubt, ohne auf explizite Strukturmodelle angewiesen zu sein (de novo Strukturaufklärung), auch für flexible Verbindungen anwendbar zu machen.

Wir interessieren uns auch für die Untersuchung von organokatalysierten und übergangsmetallkatalysierten Reaktionen. In einigen Fällen verbinden wir Erkenntnisse aus verschiedenen Methoden, wie z.B. der NMR- und UV-Vis Spektroskopie, oder wenden kombinierte UV-Vis-NMR-Methoden an. Konkret handelt es sich bei den übergangsmetallkatalysierten Reaktionen um eisenkatalysierte Kreuzkupplungen , rutheniumkatalysierte Metathesereaktionen und palladiumkatalysierte stereoselektive allylische Alkylierungen, bei denen jeweils elementare Schritte des Katalysezyklus und beteiligte Intermediate unbekannt sind. Im letztgenannten Beispiel wird durch die Verwendung spezieller Palladium-Ligand-Komplexe eine gleichzeitige Deracemisierungen und Deepimerisierung der Substrate erreicht, so dass Produkte mit sehr hohem Diastereomeren- als auch Enantiomerenüberschuss erhalten werden können . Die Ursachen für dieses Verhalten sind nicht aufgeklärt, so dass das Ziel unserer Forschung die Identifizierung möglicher Intermediate und der Mechanismen während der Reaktion ist.

Neben metallkatalysierten Reaktionen untersuchen wir auch einen Peptidkatalysator, der als Organokatalysator sehr hohe Selektivität in der kinetischen Racematspaltung von Cyclohexandiolen aufweist . Berechnungen legen nahe, dass das Tetrapeptid eine Konformation einnimmt, welche einer katalytischen Enzymtasche entspricht. Das Erbringen eines spektroskopischen Nachweises dieser Konformation im Katalysator gelang uns bereits. Den Zusammenhang dieser Struktur mit der Struktur eines potentiellen Intermediats herzustellen bzw. in Anwesenheit der Substrate zu ergründen ist eines unserer Ziele. Von besonders großem Interesse ist herauszufinden, warum die Interaktion mit einem der beiden Enantiomere offensichtlich deutlich schneller abläuft als mit dem anderen Enantiomer. Hierfür ist das Untersuchen intermolekularer Interaktionen essentiell.

Nicht nur bei katalytischen Prozessen, sondern auch bei schaltbaren Verbindungen, spielen deren Struktur und vor allem Dynamik in Lösung eine maßgebliche Rolle. Durch die Bestrahlung photochromer Verbindungen, beispielsweise Azobenzole, Spiropyrane und Diarylethene, mit einer charakteristischen Wellenlänge, können gezielt Struktur und damit die Eigenschaften dieser Verbindungen (reversibel) geschaltet werden. Besonders viel Information bekommt man, wenn man die Verbindungen im NMR Spektrometer bestrahlt. Dies tun wir mit unserer in-situ Belichtungs-Apparatur. Wir nutzen diese Methoden aber nicht nur um photochrome Systeme genauer zu charakterisieren, sondern interessieren uns auch für photokatalysierte Prozesse. Auch konnten wir mit RDCs die Dynamik eines photoschaltbaren Organokatalysators untersuchen und konnten hier wertvolle Beiträge zum Verständnis der Reaktivität leisten.

Diese Projekte haben uns inspiriert Licht als Stimulus auch in anderen Forschungsprojekten einzubeziehen. So versuchen wir derzeit photoschaltbare Orientierungsmedien herzustellen.

Wir führen ebenfalls Messungen mit lokalisierter NMR Spektroskopie und bildgebenden MRT Methoden durch. Hierbei können dynamische Prozesse in Flüssigkeitstropfen, die auf einer Festkörperoberfläche aufsitzen, untersucht werden. Dadurch lassen sich Zusammensetzung und Tropfendynamik binärer Flüssigkeitsmischungen untersuchen. Dies ermöglicht die zeitliche Entwicklung der Zusammensetzung z.B. während der Verdunstung des Tropfens zu verfolgen.