Nachhaltige organische Synthesen sowie computergestützte Mechanismus- und Naturstoffaufklärung

Abstract

Die chemische Industrie versucht durch ihre Transformation in den Bereichen Nachhaltigkeit und Umweltschutz einen wichtigen Beitrag zu der politisch angestrebten vollständigen Klimaneutralität zu leisten. Eine Möglichkeit bietet die Verwendung von Biomasse als erneuerbare Rohstoffquelle, jedoch sind kontinuierliche Prozessentwicklungen im Sinne der grünen Chemie nötig, um bestehende Prozesse sicherer, effizienter und ökologischer zu gestalten. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden nachhaltige organische Synthesen unter Beachtung der Grundprinzipen der grünen Chemie erforscht. Die Verwendung einer Kugelmühle in Kombination mit rotem Blutlaugensalz als ungiftige Cyanidquelle erlaubte eine lösungsmittelfreie Umwandlung organischer Thiole in die entsprechenden Thiocyanate, wobei höhere Ausbeuten und deutlich geringere Reaktionszeiten im Vergleich zu dem komplementären Prozess im zweiphasigen Lösungsmittelgemisch erzielt werden konnten. Neben der Darstellung von 27 Substraten konnte die Reaktion erfolgreich in der ersten Totalsynthese des Naturstoffs Psammaplin B angewendet werden. Performante Prozessoren und Grafikkarten ermöglichen seit einigen Jahren die Durchführung quantenmechanischer Berechnungen für große organische Systeme in kurzer Zeit und mit hoher Genauigkeit. Die implementierten Modelle aus dem Gebiet der theoretischen Chemie lassen sich für die Simulation von Reaktionsmechanismen anwenden, welche ein besseres Verständnis der auf molekularer Ebene ablaufenden Prozesse erlauben, die oft experimentell nicht zugänglich sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ermöglichte der Einsatz quantenchemischer Berechnungen auf Dichtefunktionaltheorie (DFT)- und Coupled-cluster (CC)-Level die Simulation von Reaktionspfaden einer formalen [3+2]-Cycloaddition sowie einer Diels-Alder-Reaktion, womit einerseits auftretende angeregte Zustände und andererseits eine beobachtete Diastereoselektivität erklärt werden konnten. Des Weiteren wurde das unterschiedliche Polymerisationsverhalten substituierter N-Carbonsäureanhydride untersucht, allerdings ergaben die in silico Modellierungen keine konsistenten Ergebnisse. Außerdem konnten bei einer photochemischen Dehydrierung von N-Heterozyklen niedrige Umsätze ausgewählter Substrate durch Substituenteneinflüsse und den daraus resultierenden verringerten Orbitalüberlapp erklärt werden. Die Erforschung und Nutzbarmachung von Naturstoffen ist ein wichtiges Teilgebiet der organischen Chemie und besitzt seit jeher eine große Bedeutung für die Menschheit, insbesondere bei der Entwicklung von neuen Materialien oder Wirkstoffen. Die Isolierung und Strukturaufklärung unbekannter Sekundärmetaboliten aus Pilzen und Pflanzen sowie die Untersuchung ihrer inhärenten biologischen Aktivitäten kann die Suche nach potentiellen Leitstrukturen für die pharmazeutische Anwendung unterstützen. Da die dabei erhaltenen Substanzmengen häufig nicht für eine vollständige Charakterisierung, insbesondere die Bestimmung der Konfiguration chiraler Moleküle, ausreichen, können spektroskopische Methoden in Verbindung mit quantenmechanischen Berechnungen zu Hilfe genommen werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten diese sowohl bei synthetischen Molekülen als auch isolierten Naturstoffen angewendet werden. Der systematische Vergleich von simulierten vibrational circular dichroism (VCD)-Spektren mit aufgenommenen Spektren ausgewählter Moleküle ermöglichte eine Bewertung der Genauigkeit verschiedener Kombinationen von DFT-Funktionalen, Basissätzen und Solvatationsmodellen. Diese Methode wurde außerdem genutzt, um sowohl in der Synthese des Humanen Immundefizienz-Virus (HIV)-Integrase-Inhibitors Dolutegravir zwischen potentiell auftretenden Diastereomeren zu unterscheiden, als auch bei der Totalsynthese eines Makrozyklus aus der Gruppe der Oxacyclododecindione die absolute Konfiguration zu bestimmen. Darüber hinaus wurden DFT-Berechnungen zur Strukturaufklärung isolierter Verbindungen aus Pilz- und Pflanzenextrakten eingesetzt. Neben der Bestimmung der absoluten Konfiguration zweier Perylenstrukturen, die in einem Pilz der Gattung Alternaria vorkommen, konnte auch die Struktur eines Dihydroxanthons, das aus einem Pilz der Gattung Diaporthe isoliert wurde, vollständig charakterisiert werden. Für ein neuartiges Sesquiterpenlacton, das aus der zentralafrikanischen Pflanze Vernonia tufnelliae extrahiert wurde, konnte mit Hilfe der diastereomeric probability 4+ (DP4+)-Methode die wahrscheinlichste relative Konfiguration vorhergesagt werden.