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Titel:Untersuchungen zur Synthese und Hydrolyse von aminosäure- und peptidfunktionalisierten Organozinnsulfidclustern
Autor:Engel, Annikka
Weitere Beteiligte: Dehnen, Stefanie (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2019
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0464
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0464
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-04646
DDC:540 Chemie
Titel(trans.):Studies on the synthesis and hydrolysis of amino acid and peptide functionalized organotin sulfide clusters

Dokument

Schlagwörter:
Click-Chemie, bioorganic functionalized, bioorganische Funktionalisierung, Peptide, Aminosäuren, click chemistry, amino acids, peptides, Organozinnsulfidcluster, organotin sulfide cluster

Zusammenfassung:
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die Anbindung von Aminosäuren sowie Peptiden an Organozinnsulfidcluster über zwei verschiedene synthetische Ansätze untersucht. Ziel sollte es sein, die Löslichkeit dieser Cluster zu erhöhen und eine bessere Stabilität gegenüber Luftsauerstoff und Wasser zu erreichen. Der erste Ansatz stellte eine neuartige Syntheseroute zur Darstellung von organisch funktionalisierten Zinnsulfidclustern dar.Bisherige Arbeiten beschrieben die Synthese eines ketofunktionalisierten Clusters, welcher im Nachhinein organisch mit einer Hydrazidverbindung funktionalisiert wurde. Da das bei der Funktionalisierung entstehende Wasser unter Umständen zur Zersetzung des Clusters führt, wurde hier das weniger sensible Organozinntrichlorid funktionalisiert. Die Reaktionen wurden mit verschiedenen unpolaren (L-Alanin, L-Valin, L-Leucin, L-Phenylalanin und L-Methionin) sowie polaren (L-Tyrosin und L-Serin) und basischen (L-Histidin) Aminosäuren durchgeführt. Um eine intramolekulare Kondensationsreaktion zu verhindern, wurde zusätzlich das Amin der Aminosäure durch eine Boc-Schutzgruppe geschützt, welche mit Trifluoressigsäure zumindest teilweise entschützt werden konnte. Die Umsetzung der funktionalisierten Organozinntrichloride mit Bistrimethylsilylsulfid führte zur Bildung von Organozinnsulfidclustern mit defektheterokobanartiger Struktur. Dies konnte über 1H-NMR-, 13C-NMR- sowie 119Sn-NMR-Spektroskopie und ESI(+)-Massenspektrometrie nachgewiesen werden. Durch Umsetzung des Organozinntrichlorids mit Natriumsulfid konnte der doppeldeckerartige Cluster synthetisiert werden. Eine Abgrenzung zum defektheterokubanartigen Cluster konnte über 119Sn-NMR-Spektroskopie getroffen werden, da 1H-NMR- und 13C-NMR-Spektroskopie sowie ESI(+)-Massenspektrometrie in dieser Hinsicht keine aussagekräftigen Ergebnisse lieferten. Es wurde zudem die Hydrolyse von keto- und phenylalaninfunktionalisierten Zinnsulfidclustern unter sauren Bedingungen untersucht. Durch Zugabe von Salzsäure im Überschuss konnte das Organozinntrichlorid unter Freisetzung von H2S ohne Nebenprodukte zurückgebildet werden. Dies wurde über 1H-NMR-Spektroskopie sowie massenspektrometrisch bewiesen. Die Verwendung von Bromwasserstoffsäure führte laut ESI(–)-Massenspektrometrie zu einem Gemisch aus chlorid- (X) und bromidsubstituierten (Y) Organozinnverbindungen (RSnX3-nYn). Bei Umsetzung mit Schwefelsäure kommt es zur Zersetzung des Clusters unter Bildung von Polysulfiden und Zinnsulfid. Zugabe von Essigsäure oder Ammoniumchlorid führt laut ESI(+)-Massenspektrometrie sowie 1H-NMR-Spektroskopie nicht zur Zersetzung des Clusters, auch wenn im Fall von Essigsäure ein Überschuss zum Ausfall eines schwarzen, nicht charakterisierten Niederschlags führt. Für den zweiten Ansatz zur Anbindung von Biomolekülen wurde von Jan-Philipp Berndt (Arbeitskreis Schreiner) ein Adamantylazidhydrazid synthetisiert, das erfolgreich an den defektheterokubanartigen Organozinnsulfidcluster angebunden werden konnte. Die weitere Umsetzung dieses funktionalisierten Clusters an der terminalen Azid-Funktion über „Click-Chemie“ mit einem Alkin führte ebenfalls zum gewünschten Produkt. Lediglich im Fall der Reaktion mit einem unsymmetrisch aufgebauten Alkin, welches eine terminale Amin-Funktion trägt, konnte eine Nebenreaktion beobachtet werden. Hier kam es zu einem Ringschluss, wodurch zwei Zinnatome des Organozinnsulfidclusters über den organischen Substituenten intramolekular verbrückt wurden. Diese Struktur eröffnet die Möglichkeit einer selektiven Funktionalisierung an der Peripherie eines organischen Substituenten. Durch das Anbringen von Tripeptiden durch Jan-Philipp Berndt an das unsymmetrisch aufgebaute, wie auch ein weiteres symmetrisch aufgebautes Alkin konnten größere Biomoleküle an den Cluster angebunden werden. Es kam zur gewünschten dreifach substituierten Zielverbindung. Im Fall der Reaktion mit dem symmetrisch aufgebauten Alkin konnte das Produkt über ESI(+)-Massenspektrometrie sowie 13C-NMR- und 119Sn-NMR-Spektroskopie charakterisiert werden. Durch diese Arbeit wurde ein Grundstein zur Anbindung von großen Biomolekülen an Organozinnsulfidcluster gelegt, wodurch die Löslichkeit dieser Cluster in polaren und donierenden Lösungsmitteln wie Dimethylformamid, Methanol und Acetonitril deutlich verbessert werden konnte. Dies könnte bis hin zur potentiellen biologischen Anwendung ausgebaut werden.

Summary:
Within the framework of this doctoral thesis, the attachment of amino acids and peptides to the surface of organotin sulfide clusters were investigated via two different synthetic approaches. The main goal was to improve clusters’ solubility and stability against air and moisture. The first approach followed a novel strategy for the synthesis of organo-functionalized tin sulfide clusters. Up to date, keto-functionalized clusters were prepared and post-functionalized with organic substituents. The presence of water, which arises during this functionalization, decomposition of the clusters took place in some cases. Therefore, is was decided to functionalize the less sensitive organotintrichloride reactant. This was realized with non-polar (L-alanine, L-valine, L-leucine, L-phenylalanine und L-methionine) as well as polar (L-tyrosine und L-serine) and basic (L-histidine) amino acids. To avoid an intramolecular condensation reaction, the amino group of the amino acid was protected with a boc protection group. Later on, we were also able to partially cleave this protection group off the ligands by addition of trifluoroacetic acid. The reaction of the functionalized organotintrichlorides with bistrimethylsilylsulfide led to the formation of defect-heterocubane-type organotin sulfide clusters. This was proven by 1H-NMR, 13C-NMR and 119Sn-NMR spectroscopy, and ESI(+) mass spectrometry. Reactions of the organotintrichlorides with sodium sulfide yielded the related “doppeldecker”-type clusters. Discrimination from the defect-heterocubane-type cluster was allowed by 119Sn-NMR spectroscopy, whereas 1H-NMR and 13C-NMR spectroscopy as well as ESI(+) mass spectrometry showed no significant differences. Moreover, the hydrolysis of keto- and phenylalanine-functionalized organotin sulfide clusters was investigated under acid conditions. Upon addition of hydrochloric acid, the organotintrichloride was re-constituted under the release of H2S without any further side products. This was demonstrated by means of 1H-NMR spectroscopy and mass spectrometry. The use of hydrobromic acid led to a mixture of chloride (X) and bromide substituted (Y) organotin compounds (RSnX3-nYn), as shown by ESI(–) mass spectrometry. Reaction with sulfuric acid caused complete decomposition of the clusters under formation of polysulfides and tin sulfide. The addition of acetic acid as well as ammonium chloride did not lead to decomposition of the clusters according to ESI(+) mass spectrometry and 1H-NMR spectroscopy. In the presence of an excess of acetic acid, a black solid precipitated, which was not further investigated due to low solubility. The second approach addressed the attachment of biomolecules. It was realized in cooperation with Jan-Philipp Berndt (Schreiner group). Jan-Philipp Berndt synthesized an adamantylazide moiety, which we were able to attach to the surface of organotin sulfide clusters. Subsequent reactions of the terminal azide group of the functionalized cluster with an alkyne via “click-chemistry” led to the desired product. In the case of an unsymmetrical alkyne containing a terminal amine function, a side reaction took place. By ring-closing during an intramolecular condensation reaction, two tin atoms were linked via an organic substituent. However, this structure may allow selective functionalization at one organic substituent. Through the attachment of tripeptides (by Jan-Philipp Berndt) at the side chain of the unsymmetrical and at another, symmetrical, alkyne, larger biomolecules were attached to the tin sulfide cluster. The target product was a threefold-substituted compound, which we were able to detect. For reactions with the symmetrical alkyne, the product could be characterized by means of ESI(+) mass spectrometry and 13C-NMR and 119Sn-NMR spectroscopy. This work showcased the attachment of large biomolecules to the surface of organotin sulfide clusters. This way, the clusters’ solubility in polar and donor solvents like dimethylformamide, methanol and acetonitrile, was improved considerably. This may be the base for potential biological applications in the future.


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