Synthese und Reaktivitätsstudien an niedermolekularen Modellkomplexen für die Darstellung kupferkatalysierter Enzymreaktionen

Wendt, Franziska

Von Seiten der bioanorganischen Chemie besteht ein großes Interesse daran, Modellsysteme zu entwickeln, welche die Funktionen nativer Enzyme nachahmen. Hierbei besteht das Ziel in der Synthese von niedermolekularen Katalysatoren, die unter moderaten Bedingungen eine hohe ökonomische und ökologische Effizienz aufweisen und gleichzeitig in der Lage sind, ein großes Substratspektrum mit hoher Stereoselektivität umzusetzen. Motiviert durch die Mannigfaltigkeit kupferkatalysierter Enzymreaktionen, wird im ersten Abschnitt dieser Arbeit ein Modellsystem der Galactose Oxidase hinsichtlich der Oxidations-Reaktion von Ethanol zu Acetaldehyd untersucht. Hierbei konnte der Phenoxylradikal-Komplex, die wichtigste reaktive Zwischenstufe des Katalysezyklus, auf unterschiedliche Weise in Lösung generiert und charakterisiert werden. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Synthese und Untersuchung von fünf bidentaten Imidazol-basierten Modellsystemen für die Catechol Oxidase- und Tyrosinase-Reaktion. Zunächst werden die Catechol Oxidase-Aktivitäten der synthetisierten Modellsysteme unter Berücksichtigung der sterischen und elektronischen Einflüsse untersucht. Insbesondere die kinetischen Untersuchungen der Reaktion und die damit verbundene Detektion und Charakterisierung von Zwischenstufen erlauben erste Aussagen über den Mechanismus. Im Anschluss wird die weitaus komplexere Reaktionsfolge der Tyrosinase untersucht. Der Einsatz von unterschiedlichen niedermolekularen Katalysatoren und einer Vielfalt an monophenolischen Substraten liefert erste Hinweise für die notwendigen Eigenschaften des Ligandensystems. Die Detektion charakteristischer Intermediate während der Katalyse zeigt weitere Unterschiede der eingesetzten Kupfer(I)-Katalysatoren auf, was ein besseres Verständnis für die Entwicklung bzw. Verbesserung von Tyrosinase-Modellsystemen erlaubt. Die empirisch gewonnenen Daten werden hierbei durch DFT-Rechnungen begleitet.

The fascinating but challenging mission of bioinorganic chemistry is to develop model systems that mimic the function of these native enzymes. This task involves synthesis of low molecular weight catalysts which simultaneously exhibit high economic and ecological efficiency, work under moderate conditions and are capable to convert a wide variety of substrates with high stereoselectivity. Due to the diversity of copper-catalyzed enzymatic reactions, the first part of this thesis deals with a model system of galactose oxidase catalytically mediating the reaction of ethanol to acetaldehyde. In this context the phenoxyl radical, which represents the most important reactive intermediate in the catalytic cycle, could be generated and investigated in solution in different ways. The second part of this work focuses on the synthesis and characterization of five bidentate imidazole-based model systems mimicking the copper enzymes catechol oxidase and tyrosinase. Initially, the catechol oxidase activity of the synthesized models systems was investigated whereby steric and electronic effects were taken into account. In particular, kinetic studies of the reaction and the associated detection and characterization of intermediates allowed determination of the mechanism. Afterwards, the more complicated tyrosinase reactivity was examined. Applying different low molecular weight copper(I) catalysts to a broad range of monophenols as employed substrates provided indications for the required properties of the ligand systems. The detection of characteristic intermediates during the catalysis revealed further differences of the developed copper catalysts, leading to a more detailed understanding of tyrosinase model systems. These empirical data were analyzed with the help of DFT calculations.

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Wendt, Franziska: Synthese und Reaktivitätsstudien an niedermolekularen Modellkomplexen für die Darstellung kupferkatalysierter Enzymreaktionen.

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