Schubert, Thomas

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Thomas Schubert: Katalytische Hydrierungen mit molekularem Wasserstoff in Abwesenheitvon Übergangsmetallen - Modellsysteme für die metallfreie Hydrogenase methanogenerArchaea. 2001In der Arbeit werden Modellstudien für die metallfreie Hydrogenase methanogener Arachaeabeschrieben. Dieses Enzym katalysiert in Abwesenheit eines Übergangsmetalls die reversibleUmsetzung von Methenyltetrahydromethanopterin mit molekularem Wasserstoff zuMethylentetrahydromethanopterin. Der erste Teil befaßt sich mit der von Walling und Bollykybeschriebenen basenkatalysierten Hydrierung von Benzophenon und untersucht diese Reaktionhinsichtlich ihrer Eignung als niedermolekulares Modellsystem für die metallfreie Hydrogenase. Diebeobachtete, formale Hydridübertragung ist in Analogie zum enzmatischen System auf eineheterolytische Spaltung von molekularem Wasserstoff zurückzuführen. Es wurde gezeigt, daß dieReaktion irreversibel ist und daß ein ausgeprägter kinetischer Isotopeneffekt von etwa kH /kD  = 40vorliegt. Letzteres spricht für eine Aktivierung von H2  durch den Katalysator. Da zwischen demSolvens tert-Butanol und D2  ebenfalls ein basenkatalysierter Austausch erfolgt, ist für dieBeobachtung des Isotopeneffekts der Einsatz von tert-Butanol-d zwingend erforderlich. Ergebnisseaus kinetischen Untersuchungen der Temperaturabhängigkeit der Reakion deuten darauf hin, daß beiniedrigen Temperaturen Kalium-tert-butylat allein katalytisch wirksam ist, während bei höherenTemperaturen eine weitere Spezies aktiv wird, welche höhere Umsätze ermöglicht. Bei zunehmenden H2 -Druck beobachtet man eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit und höhere Endumsätze. LängereReaktionszeiten führten zu einer Deaktivierung der Base, welche die Reaktion bei niedrigerenDrücken früher zum Stillstand kommen läßt. Zudem wird Benzophenon auch in Gegenwart anderer,schwächerer Basen (z.B. KOH u. DBU) reduziert. Auch andere nicht-enolisierbare Ketone könnenunter diesen Bedingungen reduziert werden. Beim Einsatz von chiralem Kalium-(R)-1-phenylethanolatals Katalysator gelingt bei niedrigen Temperaturen die asymmetrische Reduktion des prochiralen tert-Butylphenylketons mit einem Enantiomerenüberschuß von 12% zu(R)-2,2-Dimethyl-1-phenylethanol. Im zweiten Teil wurde ein Modellkonzept auf der Basis 6,6’-substituierter [2,2’]-Bipyridineentwickelt. Hierbei sollten der das Enzym und das Substrat repräsentierende Teil durch Koordinationan ein Zn2+ -Kation in geeignete Abstände und Geometrien gelangen und so eine Umsetzung im Sinneder enzymatischen Reakion ermöglicht werden. Dabei wurden Ergebnisse aus ab initio-Berechnungenzum Übergangszustand der enzymatischen Reaktion sowie Bindungswinkel und -abstände ausKristallstrukturen von Bipyridin-Zink-Komplexen berücksichtigt. Von den als Zielverbindungenausgewählten Bipyridin-Liganden konnten einige im Rahmen dieser Arbeit dargestellt werden. DieVersuche, die Modellsubstrate in Gegenwart der Modellenzyme unter verschiedenenReaktionsbedingungen entweder mit H2  zu reduzieren oder aus deren protonierter Form molekularenWasserstoff freizusetzen, führten nicht zum Erfolg. Schließlich konnte durch die Analyse von Kristallstrukturen gezeigt werden, daß6,6’-Dimethyl-[2,2’]-bipyridin in Abhängigkeit von der Protonierung der beidenPyridin-Stickstoffatome Konformationen mit Torsionswinkeln q(N-C-C’-N’) von 180.0° bis 4.4°einnimmt. The subject of this thesis are model-reactions for the metal-free hydrogenase of methanogenic archaeawhich catalyzes the reversible transformation of methenyl-H4 MPT to methylen-H4 MPT. In the first part, the base-catalyzed hydrogenation of benzophenone, first described in 1961 by Wallingund Bollyky, was reinvestigated under the aspect of using this reaction as a low-molecularmodel-system for the metal-free hydrogenase. It was shown, that the observed formal hydride-transfer- as in the enzymatic reaction- is brought about by a heterolytic cleavage of molecular hydrogen. Intwo other aspects, the Walling-Bollyky-reaction does not behave like the enzyme-catalyzedtransformation: According to kinetic studies the reaction is not reversible and shows a strong kineticisotope-effect of about kH /kD  = 40. Furthermore there is a base-catalyzed isotope exchange betweenthe solvent and the gas phase. To detect a kinetic H/D-effect the use tert-butanol-d as solvent is thusnecessary. The temperature dependence of the reaction revealed the conclusion that at lowtemperatures, potassium-tert-butoxide is the only catalytically active species, while at increasedtemperatures, another species, presumably the benzhydrolate-anion, becomes active, leading toincreased turnovers. As expected, an increase of H2 -pressure leads to a higher rate, but also higherturnovers. The latter result could be explained by a deactivation of the base with time. It was possibleto convert benzophenone into the corresponding alcohol even in the presence of weaker bases, e.g.KOH or DBU. The non-enolizable ketones could be reduced under these conditions as well. Theirreversibility of the reaction is necessary for a kinetic control of a asymmetric variation of thereaction. Indeed, the use of chiral potassium-(R)-1-phenyl-ethanolate as a catalyst at low temperaturesled to an asymmetric reduction of the prochiral tert-butylphenylketone to2,2-dimethyl-1-phenylethanol, with an enantiomeric excess of 12%. In summary, the base-catalyzedhydrogenation of ketones may eventually be used preperatively, provided that less drastic conditionscan be found. In the second part of this thesis, a model concept based on 6,6’-substituted [2,2’]-bipyridines wasdevoloped. The part representing the enzyme should be brought together with thesubstrate-representing part in proper distances and angles by using the coordination to a Zn2+ -cation.Therefore, results of ab initio-studies of the transition-state of the enzymatic reaction and data fromcrystal structures of bipyridine-zinc-complexes were considered to carry out force-field-calculations.As a result, bipyridin-ligands were chosen as target molecules, and the some species could besynthesized. Under a variety of conditions, no reduction of any species was observed. The attempt tocatalyze the decomposition by using the protonated catalyst did not prove successful either. Finally, crystal-structures from non-, mono- and diprotonated 6,6’-dimethyl-[2,2’]-bipyridinesrevealed torsion angles q(N-C-C’-N’) ranging from 180.0° to 4.4°. 

Katalytische Hydrierungen mit molekularem Wasserstoff in Abwesenheit von Übergangsmetallen - Modellsysteme für die metallfreie Hydrogenase methanogener Archaea

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