C. M. Thiele, A. Kolmer
Response to “Comment on „Conformational Analysis of Small Organic Molecules using NOE and RDC data: A discussion of strychnine and alpha-methylene-gamma-butyrolactone“” by I. A. Khodov, M. G. Kiselev, V. V. Klochkov, S. V. Efimov – or Life is about compromises
J. Magn. Reson. 2016, 266, 69-72.

Eine meiner Veröffentlichungen beschäftigt sich mit der Evaluation der Genauigkeit von Abständen aus NOE-Daten.¹A. Kolmer, L. J. Edwards, I. Kuprov C. M. Thiele, J. Magn. Reson. 2015, 261, 101–109. Dazu werden unter anderem die Ergebnisse verschiedener Näherungsverfahren zur Mittelung von Abständen diskutiert.

Diese Verfahren lösten anscheinend Unzufriedenheit aus, denn ein Kommentar zweifelte an der Gültigkeit dieser Näherungsverfahren und verlangte stattdessen eine exakte Behandlung der Mittelungen.²I. A. Khodov, M. G. Kiselev, S. V. Efimov, V. V. Klochkov, J. Magn. Reson. 2016, 266, 67-68.

In dieser Antwort auf den Kommentar wird gezeigt, dass diese literaturbekannte Mittelung³J. Tropp, J. Chem. Phys. 1980, 72, 6035-6043. ⁴D. Neuhaus, M. P. Williamson, The Nuclear Overhauser Effect in Structural and Conformational Analysis, 2 Aufl., Wiley, Chichester, 2000. eine valide Annahme darstellt. Gleichzeitig führt ihre Anwendung zu einer besseren Beschreibung der experimentellen Daten. Daher wird die im Kommentar vorgeschlagene Vorangehensweise als unpraktisch zurückgewiesen.

N. Kolmer-Anderl, A. Kolmer, C. M. Thiele, M. Rehahn
Exploration of the photodegradation of naphtho[2,3-g]quinoxalines and pyrazino[2,3-b]phenazines
Chem. Eur. J. 2016, 22, 5277-5287.

2,3-Dimethylnaphtho[2,3-g]chinoxalin 1 ist ein Vertreter der Klasse der Naphtho[2,3-g]chinoxaline, die von Kolmer-Anderl und Rehahn als funktionale Binder in anorganisch-organischen Feldeffekttransistoren entwickelt wurden.¹N. Kolmer-Anderl, N-Heteroacene als funktionale Halbleiter in anorganisch-organischen Feldeffekttransistoren, Dissertation, TU Darmstadt, 2014. Das LUMO-Energieniveau dieser Molekülklasse kann durch die variablen Substitutionen (im Falle von 1 entsprechen die Substituenten zwei Methylgruppen) variiert und somit idealerweise an die Leitungsbandkante des anorganischen Partners angepasst werden. Außerdem bietet sie dank ihrer Löslichkeit in organischen Lösemitteln die Möglichkeit, durch Druckprozesse verarbeitet zu werden.

Zur Verwendung der Verbindungen in Feldeffekttransistoren ist es wichtig, dass sie zersetzungsstabil gegenüber Licht sind. Die Verarbeitung durch Druckprozesse fordert weiterhin eine Stabilität gegenüber Sauerstoff in Lösung. Es soll daher anhand des für die Molekülklasse der Naphtho[2,3-g]chinoxaline beispielhaften 2,3-Dimethylnaphtho[2,3-g]chinoxalins 1 herausgefunden werden, ob und wie eine Zersetzung unter Einfluss von Licht und Sauerstoff stattfindet.

Analog zu Tetracen²D. W. Bjarneson, N. O. Petersen, J. Photochem. Photobiol. A 1992, 63, 327–335. kann angenommen werden, dass 2,3-Dimethylnaphtho[2,3-g]chinoxalin 1 entweder einer Oxidation über die Peroxide 2 zu den Chinonen 3 unterliegt. Alternativ ist eine [4+4]-Cycloaddition denkbar,³J. Reichwagen, H. Hopf, A. Del Guerzo, J.-P. Desvergne, H. Bouas-Laurent, Org. Lett. 2004, 6,1899–1902. ⁴A. G. L. Olive, A. Del Guerzo, J.-L. Pozzo, J.-P. Desvergne, J. Reichwagen, H. Hopf, J. Phys. Org. Chem. 2007, 20, 838–844. deren Produkte die Dimere 4 darstellen.

Mögliche Photooxidation von 2,3-Dimethylnaphtho[2,3-g]chinoxalin 1.

Mögliche Dimerisierungsprodukte von 2,3-Dimethylnaphtho[2,3-g]chinoxalin 1.

Sowohl 1 als auch die Zersetzungsprodukte sind als starr anzusehen. Aufgrund der Spiegelsymmetrie sowie des geringen Protonierungsgrades der Verbindungen ist davon auszugehen, dass nur wenige strukturaufklärungsrelevante Informationen erhalten werden können. Daher wird die Frage der Konstitution der Zersetzungsprodukte durch Kombination der Aufnahme von HMBC-Spektren und der Berechnung chemischer Verschiebungen untersucht.

2,3-Dimethylnaphtho[2,3-g]chinoxalin 1 wurde in THF-d₈ gelöst, das NMR-Röhrchen verschlossen und die Lösung mit einer Glühbirne (100 W) bestrahlt. Nach jeweils einer Stunde Bestrahlung wurden ¹H-Spektren aufgenommen, die zeigten, dass eine Zersetzung stattfindet. Nach fünf Stunden sind keine Signale von 1 mehr sichtbar. Außerdem erscheinen neue Signale, die durch Aufnahme von HSQC- und HMBC-Spektren nach vier Stunden Bestrahlungszeit und Vergleich mit berechneten chemischen Verschiebungen den Peroxiden 2a und 2b zugeordnet werden konnten. Im weiteren Verlauf der Bestrahlung erscheinen auch Signale der Chinone 3a und 3b. Der Hauptzersetzungspfad wird dabei durch 2b und 3b dargestellt.

Durch Verschließen einer Probe unter Vakuum konnte eine sauerstofffreie Lösung hergestellt werden. Erneut wurden ¹H-Spektren aufgenommen, in denen jedoch keine Oxidation mehr zu erkennen ist. Stattdessen erschienen Signale, die durch Vergleich mit berechneten chemischen Verschiebungen den Dimeren 4g–4l zugeordnet wurden.

Aus diesen Untersuchungen konnten zwei Rückschlüsse gezogen werden: Erstens ist eine Unterdrückung der Chinonbildung durch sauerstofffreie Verarbeitung von 1 möglich. Zweitens ist die reaktivste Position von 1 diejenige, deren Reaktion zu 2b und 3b führt.

Zur Blockierung dieser reaktivsten Position wurden daher von Kolmer-Anderl weitere Stickstoffatome an Stelle der reaktivsten CH-Gruppe in das Molekülgerüst eingeführt. Dies führt zur Klasse der Pyrazino[2,3-b]phenazine,⁵A. M. Amer, A. A. El-Bahnasawi, M. R. H. Mahran, M. Lapib, Monatsh. Chem. 1999, 130, 1217–1225. und gleichzeitig zu einer weiteren Absenkung der LUMO-Energieniveaus. Auch diese Klasse wurde auf Zersetzungsreaktionen untersucht. Dies geschah an 2,3-Dimethylpyrazino[2,3-b]phenazin 5. Für 5 sind erneut sowohl Oxidationsreaktionen zu den Peroxiden 6 und den Chinonen 7 als auch [4+4]-Cycloadditionen zu den Dimeren 8 als Zersetzungsmechanismen denkbar.

Mögliche Photooxidation von 2,3-Dimethylpyrazino[2,3-b]phenazin 5.

Mögliche Dimerisierungsprodukte von 2,3-Dimethylpyrazino[2,3-b]phenazin 5.

Aufgrund der geringen Löslichkeit von 5 in THF-d₈ konnten die Zersetzungsprodukte der Bestrahlung nicht aufgeklärt werden. Es zeigte sich aber, dass die Zersetzung deutlich langsamer stattfindet, da nach 20 Stunden Bestrahlungszeit noch signifikante Mengen von 5 vorhanden waren.

Zur Aufklärung der Zersetzungsprodukte wurde 2,3-Dimethylpyrazino[2,3-b]phenazin 5 daher auch in CDCl₃ gelöst. Die Zersetzung findet darin noch langsamer als in THF-d₈ statt, nach 61 Stunden sind noch ca. 45% von 5 vorhanden. Außerdem können die Zersetzungsprodukte zugeordnet werden. Erneut bildet sich zuerst das Peroxid 6a, allerdings in deutlich geringeren Mengen als im Falle des 2,3-Dimethylnaphtho[2,3-g]chinoxalins 1. Die Weiterreaktion zu Chinon 7a kann ebenfalls beobachtet werden, ist aber ebenfalls deutlich langsamer als zuvor. Gleichzeitig finden sich Signale, die durch Vergleich mit berechneten chemischen Verschiebungen den Dimeren 8c und 8d zugeordnet werden konnten.

Zusammenfassend konnten die Zersetzungsmechanismen von 2,3-Dimethylnaphtho[2,3-g]chinoxalin 1 unter Lichteinfluss bei Sauerstoffan- und -abwesenheit aufgeklärt werden. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die Einführung zweier zusätzlicher Stickstoffatome die Oxidationsempfindlichkeit von 2,3-Dimethylpyrazino[2,3-b]phenazin 5 im Vergleich zu 2,3-Dimethylnaphtho[2,3-g]chinoxalin 1 deutlich reduziert, sodass auch unter Sauerstoffatmosphäre verarbeitet werden kann. Gleichzeitig zur erhöhten Stabilität konnte von Kolmer-Anderl auch gezeigt werden, dass die LUMO-Energieniveaus abgesenkt werden, was für die Verwendung der Molekülklasse in organischen Feldeffekttransistoren vorteilhaft ist.

A. Kolmer, L. J. Edwards, I. Kuprov C. M. Thiele
Conformational analysis of small organic molecules using NOE and RDC data: A discussion of strychnine and α-methylene-γ-butyrolactone
J. Magn. Reson. 2015, 261, 101–109.

Die Extraktion von genauen Abständen aus NOE-Daten wird evaluiert. Dazu wird eine Auswertungssoftware entwickelt und die Ergebnisse mit RDC-Ergebnissen verglichen, um Stärken und Schwächen beider Methoden herauszufinden.

Die von Butts et al.¹C. P. Butts, C. R. Jones, J. N. Harvey, Chem. Commun. 2011, 47, 1193–1195. an Strychnin 1 diskutierte Methode zur Extraktion genauer Abstände aus NOE-Daten enthält verschiedene Annahmen, die zu Über- oder Falschinterpretationen der Ergebnisse führen könnten. Es wäre daher möglich, dass die Schlussfolgerung von Butts et al., die experimentell bestimmten Abstände nur durch konformationelle Flexibilität im Siebenring erklären zu können, im Falle der Ungültigkeit dieser Annahmen eine Fehlinterpretation darstellt. Daher müssen diese Annahmen überprüft werden.

Die untersuchten Moleküle.

Gegen die Gültigkeit dieser Annahmen sprechen die folgenden möglichen Probleme oder Fehlerquellen. Die von Butts et al. verwendete Probe von Strychnin 1 wurde unter Sauerstoffatmosphäre abgeschmolzen. Allerdings gilt Sauerstoff als paramagnetischer Relaxationspartner, dessen Anwesenheit zu einer Veränderung der NOE-Intensitäten führen kann. Außerdem wurde ein einziger Datenpunkt bei einer Mischzeit von 500 ms aufgenommen, sodass die Gültigkeit der initial-rate-approximation nicht überprüft werden kann. Zusätzlich ist fraglich, ob die Wartezeit zwischen den Scans, die auf 1 s gesetzt wurde, ausreichend für komplette Relaxation ist bzw. ob trotz unterschiedlicher Relaxationszeitkonstanten ein „stationärer“ quantifizierbarer Zustand entsteht.

Neben diesen experimentellen Aspekten ist zu berücksichtigen, dass bei 600 MHz stark gekoppelte Protonen vorliegen. Trotz der Verwendung eines Moduls zur ZQS²M. J. Thrippleton, J. Keeler, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3938–3941. ³K. E. Cano, M. J. Thrippleton, J. Keeler, A. Shaka, J. Magn. Reson. 2004, 167, 291–297. ⁴M. J. Thrippleton, R. A. E. Edden, J. Keeler, J. Mag. Reson. 2005, 174, 97–109. ist es möglich, dass dieses abhängig von Kopplungskonstanten nicht effektiv arbeitet.⁵K. E. Cano, M. J. Thrippleton, J. Keeler, A. Shaka, J. Magn. Reson. 2004, 167, 291–297. Ein weiteres mögliches Artefakt entsteht durch Spindiffusion. Obwohl Spindiffusion nichtlinear sein sollte,⁶D. Neuhaus, M. P. Williamson, The Nuclear Overhauser Effect in Structural and Conformational Analysis, 2 Aufl., Wiley, Chichester, 2000. ⁷S. Macura, B. T. Farmer II, L. R. Brown, J. Magn. Reson. 1986, 70, 493–499. ist es möglich, dass diese Nichtlinearität durch Streuung der Datenpunkte nicht entdeckt wird.

Um diese möglichen Fehlerquellen zu untersuchen und auszuschließen, wurden Mischzeitserien von 50 – 400 ms in Schritten von 25 ms des 1D PFGSE NOE-Experiments⁸J. Stonehouse, P. Adell, J. Keeler, A. J. Shaka, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 6037–6038. ⁹K. Stott, J. Stonehouse, J. Keeler, T.-L. Hwang, A. J. Shaka, J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4199–4200. ¹⁰K. Stott, J. Keeler, Q. N. Van, A. J. Shaka, J. Magn. Reson. 1997, 125, 302–324. mit ZQS¹¹M. J. Thrippleton, J. Keeler, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3938–3941. ¹²K. E. Cano, M. J. Thrippleton, J. Keeler, A. Shaka, J. Magn. Reson. 2004, 167, 291–297. ¹³M. J. Thrippleton, R. A. E. Edden, J. Keeler, J. Mag. Reson. 2005, 174, 97–109. aufgenommen und nach dem PANIC-Ansatz¹⁴S. Macura, B. T. Farmer II, L. R. Brown, J. Magn. Reson. 1986, 70, 493–499. ¹⁵H. Hu, K. Krishnamurthy, J. Magn. Reson. 2006, 182, 173–177. ausgewertet. Die Probe wurde unter Sauerstoffausschluss abgeschmolzen, und die Wartezeit zwischen den Scans wurde auf 15 s gesetzt (dies entspricht ). Auf diese Art konnte ein Großteil der Abstände von Butts et al. reproduziert und verfeinert werden.

Der Einfluss der Nullquantenübergänge wurde durch Simulation von PANIC-Auftragungen mittels der Software SPINACH¹⁶Spinach version 1.3.1980, http://spindynamics.org/Spinach.php. ¹⁷H. J. Hogben, M. Krzystyniak, G. T. P. Charnock, P. Hore, I. Kuprov, J. Magn. Reson. 2011, 208, 179–194. ¹⁸I. Kuprov, J. Magn. Reson. 2011, 209, 31–38. ¹⁹A. Karabanov, I. Kuprov, G. T. P. Charnock, A. van der Drift, L. J. Edwards, W. Köckenberger, J. Chem. Phys. 2011, 135, 084106. getestet. Dazu wurden von Edwards die Möglichkeit konformationeller Flexibilität von Strychnin 1 sowie ein ZQS-Modul zur Verwendung in SPINACH entwickelt.

Dabei stellte sich heraus, dass das ZQS-Modul nicht immer perfekt arbeitet. Trotzdem stimmten die simulierten PANIC-Auftragungen nur dann mit den experimentellen überein, wenn konformationelle Flexibilität berücksichtigt wurde. Dies führt zur Schlussfolgerung, dass selbst wenn die bestimmten Abstände Nullquantenartefakte aufweisen, trotzdem konformationelle Flexibilität nötig ist, um die experimentellen Daten zu erklären. Da außerdem durch die Wahl der Größe des Basis-Sets auch Spindiffusion korrekt beschrieben werden kann, bedeutet dies analog, dass auch Spindiffusion keinen oder einen zu vernachlässigenden Einfluss auf den bestimmten Abstand hat.

Zur korrekten Beschreibung der Mittelung durch konformationelle Flexibilität bei der Auswertung von NOE-Daten wurde die Software WEEDHEAD entwickelt. Diese Software basiert auf dem Ansatz, dass durch Gleichung 1 gemittelte Abstände mit experimentellen Abständen verglichen werden sollen. Dazu werden Qualitätsfaktoren verwendet. Dabei wird keine Strukturoptimierung durchgeführt, stattdessen wird anhand der vorgegebenen Strukturvorschläge nach Minima der Konformerenpopulationen gesucht. Als Eingabedateien werden Strukturvorschläge als .xyz-Dateien sowie eine Datei mit den gemessenen Abständen benötigt.

Gleichung 1.

Mit Hilfe der bestimmten Abstände und der Software WEEDHEAD konnte ein Minimum des Qualitätsfaktors gefunden werden, welches der besten Übereinstimmung von gemittelten und experimentellen Daten entspricht. Dies liegt für Strychnin 1 bei 98% des Haupt- und 2% des Konformers mit alternativer Konformation des Siebenrings. Außerdem konnte die von Bifulco et al.²⁰G. Bifulco, R. Riccio, G. E. Martin, A. V. Buevich, R. T. Williamson, Org. Lett. 2013, 15, 654–657. postulierte Flexibilität im Fünfring nicht beobachtet werden.

In der Literatur vorhandene RDC-Daten²¹C. M. Thiele, S. Berger, Org. Lett. 2003, 5, 705–708. ²²C. M. Thiele, J. Org. Chem. 2004, 69, 7403–7413. ²³ B. Luy, K. Kobzar, H. Kessler, Angew. Chem. 2004, 116, 1112–1115. ²⁴N.-C. Meyer, A. Krupp, V. Schmidts, C. M. Thiele, M. Reggelin, Angew. Chem. 2012, 124, 8459–8463. ²⁵N.-C. Meyer, Helikal chirale Polyacetylene in Katalyse und Analytik, Dissertation, TU Darmstadt, 2012. konnten mittels der MCST-Methode von RDC@hotFCHT²⁶V. Schmidts, Entwicklung einer Auswertungssoftware zur Anwendung Residualer Dipolarer Kopplungen in der organischen Strukturaufklärung, Dissertation, TU Darmstadt, 2013. ebenfalls auf ihren Informationsgehalt bezüglich konformationeller Flexibilität des Siebenrings überprüft werden. Die Unterschiede der Qualitätsfaktoren sind allerdings nicht signifikant, sodass die RDC-Daten nur Hinweise auf Flexibilität beinhalten.

Nachdem die genaue Bestimmung von Distanzen aus NOE-Daten und deren Beschreibung implementiert ist, soll nun deren Robustheit geprüft werden. Dazu wird ein Molekül ausgewählt, das flexibler ist als Strychnin 1.

Für α-Methylen-γ-butyrolacton 2 existieren umfassende Studien zur Bestimmung konformationeller Flexibilität aus RDC-Daten.²⁷C. M. Thiele, A. Marx, R. Berger, J. Fischer, M. Biel, A. Giannis, Angew. Chem. 2006, 118, 4566–4571. ²⁸C. M. Thiele, V. Schmidts, B. Böttcher, I. Louzao, R. Berger, A. Maliniak, B. Stevensson, Angew. Chem. 2009, 121, 6836–6840. ²⁹C. M. Thiele, A. Maliniak, B. Stevensson, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12878–12879. ³⁰B. Böttcher, Studien zu Konformation und Dynamik eines Palladium-Allyl-Komplexes und eines Wirkstoffes mit residualen dipolaren Kopplungen, Dissertation, TU Darmstadt, 2011. Ursprünglich war die Konfiguration der beiden Stereozentren im flexiblen Fünfring unbekannt, diese konnte mit RDCs zu trans bestimmt werden.³¹C. M. Thiele, A. Marx, R. Berger, J. Fischer, M. Biel, A. Giannis, Angew. Chem. 2006, 118, 4566–4571. Die Population des Hauptkonformers wurde dabei per MCST zu 60%, per MCMT zu 65% und per Kopplungskonstantenanalyse zu 60% bestimmt.³²C. M. Thiele, V. Schmidts, B. Böttcher, I. Louzao, R. Berger, A. Maliniak, B. Stevensson, Angew. Chem. 2009, 121, 6836–6840. ³³C. M. Thiele, A. Maliniak, B. Stevensson, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12878–12879. ³⁴B. Böttcher, Studien zu Konformation und Dynamik eines Palladium-Allyl-Komplexes und eines Wirkstoffes mit residualen dipolaren Kopplungen, Dissertation, TU Darmstadt, 2011.

Nun sollte anhand des α-Methylen-γ-butyrolactons 2 getestet werden, ob mittels des NOEs ebenfalls gleichzeitig Konfiguration und Konformation bestimmt werden können. Dazu wurden erneut quantitative NOE nach der an Strychnin 1 erprobten Methode bestimmt. Anschließend wurde die Software WEEDHEAD erweitert, damit Mittelungsvorgänge von Methylgruppen nach Gleichung 2 korrekt beschrieben werden. Die beste Übereinstimmung zwischen experimentellen und gemittelten Daten wurde für die trans-Konfiguration beim Konformerenverhältnis 67:33% gefunden.

Gleichung 2.

Dieses Ergebnis ist in exzellenter Übereinstimmung mit dem Ergebnis der RDC-Analyse. Es konnte deshalb gezeigt werden, dass genaue NOE extrahiert werden können. Diese können so wie RDC-Daten zur Konfigurations- und Konformationsanalyse genutzt werden. Im Falle von Strychnin 1 ist es durch die NOE-Analyse sogar möglich, Flexibilität zu detektieren, die anhand der RDC-Daten nicht eindeutig sichtbar ist. Um die Stärken beider Methoden auszunutzen, ist es daher empfehlenswert, beide Parameter komplementär zu verwenden.

M. Fredersdorf, R. Göstl, A. Kolmer, V. Schmidts, P. Monecke, S. Hecht, C. M. Thiele
Exploring the Conformational Space of Bridge-Substituted Dithienylcyclopentenes
Chem. Eur. J. 2015, 21, 14545-14554.

Bei der Photocyclisierung von Dimethyldithienylcyclopenten 1 zu den geschlossenen Formen 2 und 3 entstehen zwei neue Stereozentren, deren Konfiguration entweder R,R,S,S (2) oder S,S,S,S (3) sowie deren Enantiomere entspricht. Die beiden entstehenden Moleküle sind Diastereomere, und können nicht ohne Ringöffnung ineinander umgewandelt werden.

Cyclisierung von Dimethyldithienylcyclopenten 1.

Durch chromatographische Trennung kann das Verhältnis der beiden Diastereomere nach der Photocyclisierung bestimmt werden. Es zeigt sich, dass ein Diastereomerenüberschuss von 82-84% erreicht wird.¹R. Göstl, B. Kobin, L. Grubert, M. Pätzel, S. Hecht, Chem. Eur. J. 2012, 18, 14282–14285. Allerdings ist nicht bekannt, welches der beiden Diastereomere gebildet wird. Ebenso ist der Grund für die Selektivität dieser Reaktion unbekannt.

Eine mögliche Erklärung ist eine helikale Vororientierung von 1 in Lösung. Die beiden cyclisierbaren Konformere 1a und 1b können durch Rotation um die Fünfring-Aryl-Bindung ineinander überführt werden und liegen in Lösung daher im Gleichgewicht vor. Gleichzeitig kann durch diese Rotation eine nicht-helikale Orientierung 1c erzeugt werden, die laut Woodward-Hoffmann-Regeln nicht cyclisierbar sein sollte. Analog zum Modell der konformationellen Selektion sollte das relative Verhältnis der Konformere 1a:1b das Diastereomerenverhältnis 2:3 beeinflussen.

Alternativ ist es möglich, dass die Photocyclisierungseffizienz der beiden Pfade unterschiedlich ist. Dies würde ebenfalls zur bevorzugten Bildung eines der beiden Diastereomere führen. Ebenso ist denkbar, dass beide Phänomene vorliegen und die Selektivität der Reaktion nur durch Berücksichtigung beider Aspekte erklärbar ist.

Die molekulare Komplexität liegt zum einen in der konformationellen Flexibilität der rotierbaren Fünfring-Aryl-Bindung, und zum anderen in der durch die Flexibilität des Fünfrings erzeugte Pseudosymmetrie. Aufgrund der Anzahl der Signale wird von schnellem Austausch ausgegangen. Aufgrund der Symmetrie und dem niedrigen Protonierungsgrad ist davon auszugehen, dass wenig experimentelle Parameter erhalten werden können, sodass eine kombinierte NOE-RDC-Analyse in Zusammenarbeit mit Fredersdorf angestrebt wurde.

Um also den Einfluss des Konformerengleichgewichts und der Photocyclisierung zu bestimmen, wird die Konformation von Dimethyldithienylcyclopenten 1 in Lösung untersucht. Als Lösemittel zur NOE- und isotropen Kopplungskonstantenbestimmung wurde CDCl₃ gewählt, als anisotropes Medium wurde von Fredersdorf sowohl quervernetztes PBLG²T. Montag, C. M. Thiele, Chem. Eur. J. 2013, 19, 2271–2274. als auch Polyacetylen³N.-C. Meyer, A. Krupp, V. Schmidts, C. M. Thiele, M. Reggelin, Angew. Chem. 2012, 124, 8459–8463. verwendet.

Die Fragestellung der Vororientierung bezieht sich auf die Konformation der Fünfring-Aryl-Einfachbindung. Wird der Abstand des Thienylprotons zum Fünfringproton betrachtet, so ergeben sich für 1a und 1b zwei unterschiedliche Situationen. Im Falle von 1a befinden sich die Methylgruppen und die Protonen jeweils auf der gleichen Seite. Im Falle von 1b dagegen unterscheiden sich jeweils die Seiten, sodass der Abstand deutlich größer sein sollte.

Diese unterschiedlichen Abstände werden durch Berechnungen der Konformerenstrukturen von Fredersdorf und Schmidts bestätigt. Zusätzlich zu den zwei helikalen Strukturen 1a und 1b existiert die Orientierung 1c und ein weiteres Konformer 1d, die aber aufgrund der Woodward-Hoffmann-Regeln nicht zur Cyclisierung beitragen sollten. Eine besondere Herausforderung ist die Flexibilität des zentralen Fünfrings, die zu zwei gleich populierten Konformeren und somit zu einem pseudosymmetrischen Konformerenensemble führt. Für die vier Orientierungen 1a, 1b, 1c und 1d müssen somit insgesamt acht Konformere betrachtet werden.

Durch die Anwendung der quantitativen NOE-Auswertung⁴A. Kolmer, L. J. Edwards, I. Kuprov, C. M. Thiele, J. Magn. Reson. 2015, 261, 101–109. kann der Abstand des Thiophen-Protons zum Fünfringproton zu 2,62 ± 0,1 Å bestimmt werden. Mittels der Software WEEDHEAD⁵A. Kolmer, L. J. Edwards, I. Kuprov, C. M. Thiele, J. Magn. Reson. 2015, 261, 101–109. wird dieser Abstand mit aus Konformerenensembles gemittelten Abständen verglichen. Eine perfekte Übereinstimmung kann für Konformerenpopulationen von 83% bis 91% 1a gefunden werden.

Vergleich des experimentellen und des gemittelten Abstandes. Die Konformere 1a und 1a’ sind durch die Flexibilität des Fünfrings ineinander überführbar. Die zu 100% fehlenden Konformerenpopulationen können durch 1b–1b’, 1c–1c’ oder 1d–1d’, oder durch eine Mischung derselbigen besetzt sein.

Da aufgrund der Pseudosymmetrie nur ein Abstand quantifiziert werden konnte, wird dieses Ergebnis von Fredersdorf durch Aufnahme und Analyse von RDC-Daten verifiziert. Dazu müssen, ebenfalls aufgrund der Pseudosymmetrie, zusätzlich zu RDCs aus CLIP-HSQC⁶A. Enthart, J. C. Freudenberger, J. Furrera, H. Kessler, B. Luy, J. Magn. Reson. 2008, 192, 314–322. und HETLOC⁷M. Kurz, P. Schmieder, H. Kessler, Angew. Chem. 1991, 103, 1341–1342. ⁸D. Uhrín, G. Batta, V. J. Hruby, P. N. Barlow, K. E. Kövér, J. Magn. Reson. 1998, 130, 155–161. zwei weitere RDCs aus dem J-modulierten 1,1-ADEQUATE⁹B. Reif, M. Köck, R. Kerssebaum, J. Schleucher, C. Griesinger, J. Magn. Reson. B 1996, 112, 295–301. ¹⁰K. E. Kövér, P. Forgó, J. Magn. Reson. 2004, 166, 47–52. ¹¹C. M. Thiele, W. Bermel, Magn. Reson. Chem. 2007, 45, 889–894. bestimmt werden.

Mit der Software RDC@hotFCHT¹²V. Schmidts, Entwicklung einer Auswertungssoftware zur Anwendung Residualer Dipolarer Kopplungen in der organischen Strukturaufklärung, Dissertation, TU Darmstadt, 2013. wurden die so gemessenen acht RDC mit den Konformeren verglichen. Es kann kein eindeutiges Minimum des Qualitätsfaktors gefunden werden. Stattdessen existiert ein Bereich an gleich guten Qualitätsfaktoren, deren Wert unter 0,1 liegt. Dieser Bereich umfasst ausschließlich Konformerenensembles, bei denen die Population von 1a größer als 50% ist. Dieses Ergebnis ist also im Einklang mit dem Resultat der NOE-Analyse.

Da die Konformerenpopulationen ungefähr dem Diastereomerenüberschuss entspricht, ist davon auszugehen, dass das Hauptprodukt der Photocyclisierung von 1 die R,R,S,S-Form 2 ist. Eventuell vorhandene Unterschiede der Photocyclisierungsraten scheinen keine oder nur eine untergeordnete Rolle zu spielen.

[1] R. Göstl, B. Kobin, L. Grubert, M. Pätzel, S. Hecht, Chem. Eur. J. 2012, 18, 14282–14285.
[2] T. Montag, C. M. Thiele, Chem. Eur. J. 2013, 19, 2271–2274.
[3] N.-C. Meyer, A. Krupp, V. Schmidts, C. M. Thiele, M. Reggelin, Angew. Chem. 2012, 124, 8459–8463.
[4] A. Kolmer, L. J. Edwards, I. Kuprov, C. M. Thiele, J. Magn. Reson. 2015, 261, 101–109.
[5] A. Enthart, J. C. Freudenberger, J. Furrera, H. Kessler, B. Luy, J. Magn. Reson. 2008, 192, 314–322.
[6] M. Kurz, P. Schmieder, H. Kessler, Angew. Chem. 1991, 103, 1341–1342.
[7] D. Uhrín, G. Batta, V. J. Hruby, P. N. Barlow, K. E. Kövér, J. Magn. Reson. 1998, 130, 155–161.
[8] B. Reif, M. Köck, R. Kerssebaum, J. Schleucher, C. Griesinger, J. Magn. Reson. B 1996, 112, 295–301.
[9] K. E. Kövér, P. Forgó, J. Magn. Reson. 2004, 166, 47–52.
[10] C. M. Thiele, W. Bermel, Magn. Reson. Chem. 2007, 45, 889–894.
[11] V. Schmidts, Entwicklung einer Auswertungssoftware zur Anwendung Residualer Dipolarer Kopplungen in der organischen Strukturaufklärung, Dissertation, TU Darmstadt, 2013.

L. Kaltschnee, A. Kolmer, I. Timári, V. Schmidts, R. W. Adams, M. Nilsson, K. E Kövér, G. A Morris, C. M. Thiele
„Perfecting“ pure shift HSQC: full homodecoupling for accurate and precise determination of heteronuclear couplings
Chem. Commun. 2014, 50, 15702-15705.

Das BIRD-CLIP-Experiment¹I. Timári, L. Kaltschnee, A. Kolmer, R. W. Adams, M. Nilsson, C. M. Thiele, G. A. Morris, K. E. Kövér, J. Magn. Reson. 2014, 239, 130-138. stellt eine Verbesserung gegenüber dem regulären CLIP-HSQC-Experiment dar. Durch die selektive Unterdrückung der Protonen-Protonen-Kopplung sollte die Extraktion von RDC-Daten mit höherer Genauigkeit möglich sein, wodurch bessere Analysen der zu untersuchenden Moleküle möglich sein sollten. Allerdings ist dieses Experiment noch nicht perfekt, da es keine geminalen Kopplungen von CH₂-Gruppen unterdrücken kann.

Durch Kombination des perfect-echo-Elements mit dem BIRD-Filter konnte von Kaltschnee das perfectBIRD-CLIP-Experiment gestaltet werden. Dieser Filter erlaubt die zusätzliche Unterdrückung von geminalen ²J_HH-Kopplungen in CH₂-Gruppen, sodass reine Dubletts entstehen. Mit Ausnahme von ²J_HH-Kopplungen in Methylgruppen in anisotroper Umgebung können so alle Protonen-Protonen-Kopplungen unterdrückt werden.

Dies konnte im isotropen und im anisotropen Medium gezeigt werden. Dazu wurden Proben von (+)-Isopinocampheol 1 in CD₂Cl₂ und CD₂Cl₂/PBDG hergestellt. Als besonderes Problem erwies sich, dass das gewählte Alignment zu einer totalen Kopplung von -38,4 Hz zwischen den geminalen Protonen H_7a−H_7s führte. Die Unterdrückung dieser Kopplung gelang Kaltschnee durch Reduktion der Länge der aufgenommenen FID-Stücke.

Das untersuchte Molekül.

Die Auswertung der RDC-Daten zeigte, dass die Genauigkeit der RDC-Messung durch die Verwendung des perfectBIRD-Elements gegenüber den BIRD-CLIP-HSQC²I. Timári, L. Kaltschnee, A. Kolmer, R. W. Adams, M. Nilsson, C. M. Thiele, G. A. Morris, K. E. Kövér, J. Magn. Reson. 2014, 239, 130-138. und dem CLIP-HSQC³A. Enthart, J. C. Freudenberger, J. Furrera, H. Kessler, B. Luy, J. Magn. Reson. 2008, 192, 314–322. verbessert werden konnte. Gleichzeitig konnte durch eine systematische Fehlerbestimmung in Zusammenarbeit mit Kaltschnee und Schmidts gezeigt werden, dass der experimentelle Fehler der Kopplungskonstantenbestimmung verringert wird.

Besonders im Hinblick auf konformationelle Flexibilität ist diese Methode vielversprechend. Die erhöhte Genauigkeit ermöglicht es, den experimentellen Fehler der RDCs zu reduzieren. So sollten nicht populierte Konformere leichter identifiziert werden können. Außerdem sollte die Genauigkeit, mit der ein Minimum der RDC-Analyse bestimmt werden kann, ebenfalls erhöht wird. Somit werden wiederum verlässlichere Aussagen über Konformerenpopulationen ermöglicht.

Ein Nachteil der Methode ist die gegenüber dem regulären CLIP-HSQC verringerte Sensitivität und somit Signalintensität sowie die längere Experimentdauer. Bei der Betrachtung von Fällen geringer molekularer Komplexität, sowie bei der Untersuchung von Proben geringer Sensitivität, ist somit abzuwägen, ob der erhöhte Messzeitaufwand durch den erhofften Gewinn an Informationen über das zu untersuchende Molekül gerechtfertigt ist.

I. Timári, L. Kaltschnee, A. Kolmer, R. W. Adams, M. Nilsson, C. M. Thiele, G. A. Morris, K. E. Kövér
Accurate determination of one-bond heteronuclear coupling constants with „pure shift“ broadband proton-decoupled CLIP/CLAP-HSQC experiments
J. Magn. Reson. 2014, 239, 130-138.

Es wird eine Methode an starren Molekülen evaluiert, die die Auflösung eines Korrelationsexperimentes, des HSQCs, und einer Variante davon, verbessert. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Extraktion heteronuklearer Kopplungskonstanten direkt gebundener Kerne zur RDC-Bestimmung. Im Falle kleiner organischer Moleküle erfolgt die Messung von ¹J_CH– und ¹T_CH-Konstanten häufig mit Hilfe des CLIP/CLAP-HSQC-Experiments.¹A. Enthart, J. C. Freudenberger, J. Furrera, H. Kessler, B. Luy, J. Magn. Reson. 2008, 192, 314–322. Die Kopplungskonstante wird hierbei in der direkten Dimension abgelesen. Dies erlaubt eine hohe Auflösung bei geringem Messaufwand zu erzielen. Die Möglichkeit, sowohl inphase- als auch antiphase-Signale zu erzeugen kann zudem im Falle von Überlagerungen nützlich sein.

Ein Nachteil der Methode ist, dass eine eventuell vorhandene ¹H-¹H-Kopplung sichtbar ist. Die Multiplizität des entstehenden Signals ist damit meist deutlich komplizierter als die des gewünschten reinen ¹J_CH-Dubletts.

Im anisotropen Medium sorgen die ¹H-¹H-Kopplungen, die nun durch dipolare Kopplungen verstärkt sein können, dafür, dass die Linienbreite der beiden Dublettäste deutlich erhöht wird. Zur genauen Extraktion von Kopplungskonstanten kann dies hinderlich sein, je kleiner die Linienbreite, desto genauer kann die Kopplungskonstante extrahiert werden. Neben der Linienbreite kann eine Verringerung von aufgrund von Signalüberlagerungen und Effekten starker Kopplung entstehende Asymmetrien der Signale zu einer deutlichen Erhöhung in der Genauigkeit der Kopplungskonstantenmessung führen. Für die RDC-Analyse ist eine genaue Messung der Kopplungskonstanten unabdingbar. Besonders bei sehr schwachem Alignment kann der Fehler der anisotropen Messung in der Größenordnung der gewonnenen RDC liegen, sodass eine Auswertung nicht aussagekräftig ist.

Es ist somit wünschenswert, die Linienbreite deutlich zu reduzieren. Dies kann durch selektive Unterdrückung der ¹H-¹H-Kopplung geschehen, während die ¹H-¹³C-Kopplung nicht unterdrückt wird, sondern sich entwickeln kann. Die selektive Unterdrückung erfolgt im hier diskutierten Fall durch Kombination des BIRD-Filters²J. R. Garbow, D. P. Weitekamp, A. Pines, Chem. Phys. Lett. 1982, 93, 504–509. mit einem ¹H-Inversionspuls. Anschließend wird nur ein sehr kurzer Teil des FID aufgenommen, während dem sich keine homonukleare Kopplung entwickeln kann. Durch das Einführen einer Pseudodimension zum Sammeln mehrerer solcher kurzer FID-Teile kann analog zum Zangger-Sterk-Experiment³K. Zangger, H. Sterk, J. Magn. Reson. 1997, 124, 486–489. ein vollständiger FID in gewünschter Länge aufgenommen werden. Das Resultat ist ein Dublett, dessen Linienbreite im Falle der Unterdrückung homonuklearer Kopplungen reduziert sein kann. Eine auf diese Weise reduzierte Linienbreite kann eine genauere Extraktion der Kopplungskonstanten ermöglichen.

Die Anwendung dieser Methode wird im isotropen und im anisotropen Medium demonstriert. Getestet wurde dies von Timarí mit Tetranatrium-1-methyl-2,3,4-tri-O-sulfonato-6-deoxy-6-C-sulfonatomethyl-α-d-glucopyranosid 1, das in D₂O und in einem Flüssigkristall nach Otting⁴M. Rückert, G. Otting, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7793–7797. zur RDC-Messung eingesetzt wurde. Diese in Kooperation der Arbeitskreise von Thiele, Kövér und Morris entwickelte Modifikation des CLIP-HSQC-Experiments erlaubt es somit, ein pure-shift-HSQC-Spektrum zu erhalten, in denen die Unterdrückung der Protonen-Protonen-Kopplung scharfe Singuletts erzeugt und Artefakte der starken Kopplung verringert werden. Durch leichte Modifikation des BIRD-CLIP-HSQC-Experiments kann außerdem ein heteroentkoppeltes BIRD-HSQC-Spektrum erhalten werden, dessen Intensitäten vergleichbar zu dem des RESET-HSQCs⁵P. Sakhaii, B. Haase, W. Bermel, J. Magn. Reson. 2009, 199, 192–198. ist. Besonders für automatisierte Signalerkennung und -zuordnung kann dies nützlich sein.

Das untersuchte Molekül.

Gleichzeitig zu dieser Entwicklung und unabhängig von diesen Ergebnissen wurde von Reinsperger und Luy ebenfalls an einem BIRD-entkoppelten CLIP-HSQC-Experiment gearbeitet.⁶T. Reinsperger, B. Luy, J. Magn. Reson. 2014, 239, 110–120. Die Publikation der Ergebnisse erfolgte parallel.⁷T. Reinsperger, B. Luy, J. Magn. Reson. 2014, 239, 110–120. ⁸I. Timári, L. Kaltschnee, A. Kolmer, R. W. Adams, M. Nilsson, C. M. Thiele, G. A. Morris, K. E. Kövér, J. Magn. Reson. 2014, 239, 130-138.

A. Kolmer, L. Kaltschnee, V. Schmidts, L. H. Peeck, H. Plenio, C. M. Thiele
The influence of electronic modifications on rotational barriers of bis-NHC-complexes as observed by dynamic NMR spectroscopy
Magn. Reson. Chem. 2013, 51, 695-700.

Die Klasse der Bis-NHC-Komplexe ist eine vielversprechende Klasse an Präkatalysatoren für die Olefinmetathese sterisch anspruchsvoller Substrate. Die Komplexe 1, 2, 3 und 4 wurden von Peeck und Plenio hergestellt.¹V. Sashuk, L. H. Peeck, H. Plenio, Chem. Eur. J. 2010, 16, 3983–3993. Die Bis-NHC-Komplexe tragen je zwei NHC-Liganden. Zum einen den SIMes-Liganden, und zum anderen einen als NHC_ewg bezeichneten Liganden, an dem verschiedene Reste angebracht sein können, die dann die elektronenziehenden Eigenschaften des NHC_ewg bestimmen.

Die untersuchten Bis-NHC-Komplexe.

Die gezeigten Bis-NHC-Komplexe wurden außerdem per Cyclovoltammetrie hinsichtlich des Redoxpotentials des Ru-Zentralatoms charakterisiert und die katalytische Aktivität mittels der folgenden Ringschlussmetathese-Testreaktion untersucht.²V. Sashuk, L. H. Peeck, H. Plenio, Chem. Eur. J. 2010, 16, 3983–3993.

Die von Peeck und Plenio untersuchte Ringschlussmetathesereaktion.³V. Sashuk, L. H. Peeck, H. Plenio, Chem. Eur. J. 2010, 16, 3983–3993.

Es zeigt sich, dass der Trend der katalytischen Aktivität nicht dem Trend der Redoxpotentiale entspricht, sodass weitere Untersuchungen zum Verständnis der katalytischen Aktivität angestrebt wurden.

Umsatz-Zeit-Kurven der Bis-NHC-Komplexe.⁴V. Sashuk, L. H. Peeck, H. Plenio, Chem. Eur. J. 2010, 16, 3983–3993. Es zeigt sich, dass die Initiierungsgeschwindigkeit für 1, 2 und 3 mit zunehmendem E_½ zunimmt. Für 4, dessen E_½ noch größer ist, ist die Initiierungsgeschwindigkeit dagegen am niedrigsten.

Der erste Schritt des Mechanismus der Olefinmetathese ist die Umwandlung des Präkatalysators in die katalytisch aktive Spezies.⁵P. Jean-Louis Hérisson, Y. Chauvin, Makromol. Chem. 1971, 141, 161–176. ⁶S. J. Connon, S. Blechert, Angew. Chem. 2003, 115, 1944–1968. Dazu muss der NHC_ewg per Bindungsspaltung dissoziieren. Da als zweiter NHC stets SIMes genutzt wird, ist die katalytisch aktive Spezies im Falle der Komplexe 1–4 stets die gleiche. Sämtliche Unterschiede im katalytischen Verhalten müssen nach diesem Modell also aus dem Dissoziationsverhalten des NHC_ewg stammen. Dieses wiederum sollte von der Bindungsstärke der Ru-NHC_ewg-Bindung abhängig sein.

Daher wurden die Bindungsstärken der beiden Ru-NHC-Bindungen in der unter meiner Anleitung durchgeführten Bachelorarbeit von Haus⁷M. Haus, Rotationskinetiken in Bis(NHC)-Komplexen, Bachelorarbeit, TU Darmstadt, 2011. sowie im unter der Anleitung von Schmidts durchgeführten Forschungspraktikum von Kaltschnee⁸L. Kaltschnee, Rotationskinetiken in Bis(NHC)-Komplexen, Studienarbeit, TU Darmstadt, 2011. untersucht. Zuerst konnte durch qualitative Aufnahme von EASY-ROESY-Spekten ⁹C. M. Thiele, K. Petzold, J. Schleucher, Chem. Eur. J. 2009, 15, 585–588. gezeigt werden, dass sich beide Bindungen im Regime des langsamen Austausches befinden. Dementsprechend werden die Methoden des langsamen Austausches angewendet.

Für die Bindungsstärke der beiden Ru-NHC-Bindungen lässt sich aufgrund der trans-Anordnung der beiden NHC-Liganden eine kompetitive Situation vermuten, da beide π-Rückbindungen mit dem gleichen d-Orbital des Ru-Zentralatoms wechselwirken. Die σ-Bindung sollte dagegen keiner kompetitiven Situation unterliegen und wird deshalb als unverändert angenommen. Es ist also vor allem die Stärke der π-Rückbindung, die sich in den veschiedenen Komplexen unterscheidet.

Es wird postuliert, dass die π-Rückbindungsstärke im Falle der vorliegenden Übergangsmetallkomplexe ein mittels NMR zugänglicher Parameter ist: Eine Rotation um die beobachteten Ru-NHC-Bindungen sollte nicht von der Stärke der rotationssymmetrischen σ-Bindung abhängen. Wird angenommen, dass sterische Einflüsse sowie intermolekulare Wechselwirkungen nur einen vernachlässigbaren Anteil der Bindungsrotationsbarriere darstellen, so stellt die experimentell beobachtete Rotationsbarriere um diese Bindungen ein gutes Maß für die π-Rückbindungsstärke dar. Die erforderlichen Rotationsbarrieren sind wiederum über die temperaturabhängige Messung der Austauschratenkonstanten k₁ und k₂ mittels Austauschspektroskopie zugänglich.

Im Falle des langsamen Austausches kann die Rotationsbarriere per quantitativer Austauschspektroskopie bestimmt werden.¹⁰H. Kessler, Angew. Chem. 1970, 82, 237–253. ¹¹D. Neuhaus, M. P. Williamson, The Nuclear Overhauser Effect in Structural and Conformational Analysis, 2 Aufl., Wiley, Chichester, 2000. Dazu wurden die Komplexe unter Ausschluss von Sauerstoff in CD₂Cl₂ gelöst und anschließend qualitativ auf den Temperaturbereich des langsamen Austausches untersucht. Mit Hilfe von 1D PFGSE NOE-Spektren¹²J. Stonehouse, P. Adell, J. Keeler, A. J. Shaka, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 6037–6038. ¹³K. Stott, J. Stonehouse, J. Keeler, T.-L. Hwang, A. J. Shaka, J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4199–4200. ¹⁴K. Stott, J. Keeler, Q. N. Van, A. J. Shaka, J. Magn. Reson. 1997, 125, 302–324. wurden dann die Rotationsbarrieren der beiden Ru-NHC-Bindungen untersucht, deren Auswertung mit Hilfe der PANIC-Methode erfolge¹⁵S. Macura, B. T. Farmer II, L. R. Brown, J. Magn. Reson. 1986, 70, 493–499. ¹⁶H. Hu, K. Krishnamurthy, J. Magn. Reson. 2006, 182, 173–177. erfolgte.

Dabei zeigte sich für die Ru-SIMes-Bindung ein den Ergebnissen der Cyclovoltammetrie vergleichbarer Trend. Da der SIMes-Ligand nicht variiert wird, sollte dessen σ-Donorcharakters gleich bleiben und sich einzig die π-Rückbindung ändern. Die von der σ-Bindung getrennte Betrachtung der π-Bindung ist somit mit dieser Methode möglich. Diese Methode kann außerdem komplementär zur Cyclovoltammetrie genutzt werden, was besonders bei nicht redoxstabilen Verbindungen hilfreich sein kann.

Für die Ru-NHC_ewg-Bindung zeigte sich ein Verhalten, das dem der katalytischen Aktivität entspricht. Es ist somit zum ersten Mal für diese Katalysatorklasse gelungen, einen spektroskopischen Parameter zu finden, der den Trend der katalytischen Aktivität abbilden kann.