18.02.11 Mit Hilfe von dipolaren Restkopplungen Konstitution tricyclischer Verbindung aufgeklärt

Messung dipolarer Restkopplungen zur Strukturaufklärung

NMR-Methode zur Bestimmung der 3D-Struktur von Proteinen taugt auch für die Aufklärung der Konstitution kleiner, organischer Moleküle

Chemiker der Technischen Universität München (TUM) und des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben eine neue Methode zur Identifizierung chemischer Verbindungen vorgestellt. Das angewandte Verfahren stellt eine Verfeinerung einer NMR-Methode dar, die für die Vorhersage der 3D-Struktur von Proteinen verwendet wird. Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse zeigen einen einfachen Zugang zu weiteren Strukturinformationen, wenn sonstige Analysemethoden versagen.

Abb. 1: Molekülstruktur einer tricyclischen Verbindung, die nur mit Hilfe der dipolaren Restkopplungen aufgeklärt werden konnte
Quelle: Technische Universität München

Das Team von Professor Burkhard Luy vom KIT und Juniorprofessor Stefan F. Kirsch von der TUM hat erstmals gezeigt, dass bestimmte NMR-Parameter, sogenannte dipolare Restkopplungen (RDCs), entscheidend zur Aufklärung des grundlegenden Aufbaus von chemischen Verbindungen beitragen können, wenn gewohnte Methoden versagen. Hierzu betteten sie die Moleküle, aus denen die Verbindung besteht, in ein Gel ein, das ihre Beweglichkeit leicht einschränkt. Durch Streckung des Gels lassen sich die Moleküle in einer Vorzugsrichtung anordnen. Während sich in Lösung die dipolaren Restkopplungen herausmitteln, sind sie in solchen teilweise orientierten Proben messbar und liefern schließlich Daten, die sich zu einem Abbild des Moleküls zusammensetzen lassen.

Die Forscher überprüften diesen neuen Ansatz zur Strukturaufklärung, indem sie ein Molekül untersuchten, dessen atomare Zusammensetzung zwar bekannt war, nicht jedoch, wie genau die einzelnen Atome des Moleküls miteinander verknüpft sind. Das Molekül war über eine einzigartige Reaktion erhalten worden, so dass es keine Präzedenzfälle zu seiner Struktur gab; mehrere Analysemethoden versagten aufgrund der Kompaktheit des Moleküls. Die Strukturaufklärung gelang in diesem konkreten Fall einzig durch dipolare Restkopplungen, so dass mit dem gewonnen Wissen Rückschlüsse zur Bildung des Moleküls möglich waren, über die man vorher nur spekulieren konnte.

Prof. Kirsch beschreibt das damalige Dilemma wie folgt: "Tatsächlich haben wir die Struktur der nicht kristallinen Verbindung nicht klassisch klären können, da es sich um ein tricyclisches Molekül mit einem fünf-, drei-, und sechs-Ring handelte und die zunächst angewendeten NMR-Methoden keine eindeutige Strukturzuordnung erlaubten: das ¹H,¹³C-HMBC-Spektrum zeigte 63 und das ¹H,¹⁵N-HMBC-Spektrum 7 Kreuzsignale, wodurch fast jedes Fragment mit jedem anderen Fragmente korreliert wird und somit lediglich auf eine sehr kompakte Struktur geschlossen werden kann. Auch die Aufnahme eines 2D-1,1-ADEQUATE-Spektrums führte überraschenderweise nicht zu Aufklärung der Konstitution. Genau diese dichte und kompakte Struktur war dann aber maßgeblich dafür verantwortlich, dass RDCs zur Konstitutionsaufklärung erfolgreich herangezogen werden konnten. Bei Molekülen mit vielen Freiheitsgraden wäre dies derzeit nicht möglich."

Abb. 2: Das Molekül war ein wichtiges Nebenprodukt bei Untersuchungen zur Cyclisierung von 1,5-Eninen. Ein möglicher Reaktionsweg ist hier aufgezeigt.
Quelle: Technische Universität München

„Nicht alle Strukturen werden sich zukünftig auf diesem Wege analysieren lassen“, so die Wissenschaftler Luy und Kirsch. „Es wird weiterhin Moleküle geben, die sich ihrer Enträtselung trotz aller Bemühungen und modernster Methoden hartnäckig verweigern werden. Die Anwendung der neuen Methode bietet jedoch ein weiteres Werkzeug, um die strukturellen Rätsel der Natur zu entschlüsseln.“

Quelle:

Dipolare Restkopplungen als effektives Instrument der Konstitutionsanalyse: die unerwartete Bildung tricyclischer Verbindungen
G. Kummerlöwe, et. al., Angew. Chem. 2011. DOI: 10.1002/ange.2010007305

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Mit Hilfe von dipolaren Restkopplungen Konstitution tricyclischer Verbindung aufgeklärt
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