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

Thomas J. S. Schubert

ISBN 978-3-89722-716-3
233 pages, year of publication: 2001
price: 40.50 €

In der vorliegenden Arbeit werden Modellstudien für die metallfreie Hydrogenase methanogener Arachaea beschrieben. Diese katalysiert die reversible Umsetzung von Methenyltetrahydromethanopterin zu Methylentetrahydromethanopterin mit molekularem Wasserstoff - in Abwesenheit eines Übergangsmetalls.

Der erste Teil befaßt sich mit der zuerst von Walling und Bollyky beschriebenen basenkatalysierten Hydrierung von Benzophenon und untersucht diese Reaktion hinsichtlich ihrer Eignung als niedermolekulares Modellsystem für die metallfreie Hydrogenase. Anhand von Kontrollexperimenten konnte gezeigt werden, daß die beobachtete, formale Hydridübertragung - wie bei der enzymatische Reaktion - auf eine hetero-lytische Spaltung von molekularem Wasserstoff zurückzuführen ist.

In zwei weiteren Aspekten verhält sich die Walling-Bollyky-Reaktion hingegen nicht wie die enzymkatalysierte Umsetzung: Zum einen ist sie irreversibel, zum anderen wird bei ihr ein ausgeprägter kinetischer Isotopeneffekt von etwa kH/kD = 40 beobachtet, wobei der letzte Befund für eine Aktivierung des Wasserstoffs durch den Katalysator spricht. Da zwischen tert-Butanol und D2 ebenfalls ein basenkatalysierter Austausch erfolgt, ist für die Beobachtung des Isotopeneffekts der Einsatz von tert-Butanol-d zwingend erforderlich.

Die bei der kinetischen Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Reaktion erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, daß bei niedrigen Temperaturen Kalium-tert-butylat allein katalytisch wirksam ist, während bei höheren Temperaturen eine weitere Spezies, z.B. das Benzhydrolat-Anion, aktiv wird, die die höheren Umsätze bedingt. Wie zu erwarten, beobachtet man bei zunehmenden H2-Druck eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit, allerdings auch höhere Endumsätze. Es konnte gezeigt werden, daß als Folge der längeren Reaktionszeiten eine Deaktivierung der Base erfolgt, die die Reaktion bei niedrigeren Drücken früher zum Stillstand kommen läßt.

Darüber hinaus gelang es, Benzophenon auch in Gegenwart anderer, schwächerer Basen wie z.B. KOH oder DBU zu reduzieren und zudem das Substratspektrum der Reaktion auf andere nicht-enolisierbare Ketone zu erweitern. Mit der Irreversibilität der Reaktion ist eine Voraussetzung für die kinetische Kontrolle einer asymmetrischen Variante gegeben. Tatsächlich ließ sich durch den Einsatz von chiralem Kalium-(R)-1-phenylethanolat als Katalysator bei niedrigen Temperaturen das prochirale tert-Butylphenylketon mit einem Enantiomerenüberschuß von 12% in den Alkohol 2,2-Dimethyl-1-phenylethanol überführen. Im zweiten Teil wurde ein Modellkonzept auf der Basis 6,6'-substituierter [2,2']-Bipyridine entwickelt. Hierbei sollen der das Enzym und der das Substrat repräsen-tierende Teil durch Koordination an ein Zn2+-Kation in geeignete Abstände und Geometrien gelangen und so eine Umsetzung im Sinne der enzymatischen Reakion ermöglicht werden. Dabei wurden Ergebnisse aus ab initio-Berechnungen zum Übergangszustand der enzymatischen Reaktion sowie Bindungswinkel und - abstände aus Kristallstrukturen von Bipyridin-Zink-Komplexen berücksichtigt.

Verschiedene Bipyridin-Liganden wurden als Zielverbindungen ausgewählt, von denen einige im Rahmen dieser Arbeit dargestellt werden konnten. Unter verschiedenen Reaktionsbedingungen führte jedoch weder der Hydrierungs-versuch dieser Liganden mit H2, noch der Ansatz, aus dem protonierten Liganden säurekatalysiert molekularen Wasserstoff freizusetzen, zum Erfolg. Schließlich konnte durch die Analyse von Kristallstrukturen gezeigt werden, daß 6,6'-Dimethyl-[2,2']-bipyridin in Abhängigkeit von der Protonierung der beiden Pyridin-Stickstoffatome Konformationen mit Torsionswinkeln q(N-C-C'-N') von 180.0° bis 4.4° einnimmt.

Summary

The subject of this thesis are model-reactions for the metal-free hydrogenase of methanogenic archaea which catalyzes the reversible transformation of methenyl-H4MPT to methylen-H4MPT. In the first part, the base-catalyzed hydrogenation of benzophenone, first described in 1961 by Walling und Bollyky, was reinvestigated under the aspect of using this reaction as a low-molecular model-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. In two other aspects, the Walling-Bollyky-reaction does not behave like the enzyme-catalyzed transformation: According to kinetic studies the reaction is not reversible and shows a strong kinetic isotope-effect of about kH/kD = 40. Furthermore there is a base-catalyzed isotope exchange between the solvent and the gas phase. To detect a kinetic H/D-effect the use tert-butanol-d as solvent is thus necessary.

The temperature dependence of the reaction revealed the conclusion that at low temperatures, potassium-tert-butoxide is the only catalytically active species, while at increased temperatures, another species, presumably the benzhydrolate-anion, becomes active, leading to increased turnovers.

As expected, an increase of H2-pressure leads to a higher rate, but also higher turnovers. The latter result could be explained by a deactivation of the base with time. It was possible to 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.

The irreversibility of the reaction is necessary for a kinetic control of a asymmetric variation of the reaction. Indeed, the use of chiral potassium-(R)-1-phenyl-ethanolate as a catalyst at low temperatures led to an asymmetric reduction of the prochiral tert-butylphenylketone to 2,2-dimethyl-1-phenylethanol, with an enantiomeric excess of 12%. In summary, the base-catalyzed hydrogenation of ketones may eventually be used preperatively, provided that less drastic conditions can be found.

In the second part of this thesis, a model concept based on 6,6'-substituted [2,2']-bipyridines was devoloped. The part representing the enzyme should be brought together with the substrate-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 from crystal 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 be synthesized. Under a variety of conditions, no reduction of any species was observed. The attempt to catalyze 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']-bipyridines revealed torsion angles q(N-C-C'-N') ranging from 180.0° to 4.4°.