Quantum mechanics studies of the tautomers of dlhydrodiacetylformoin, an important Maillard intermediate and the synthesis of furaneol

Conformational analyses have been carried out on the acyclic and cyclic forms of dihydrodiacetylformoin, an important Maillard intermediate and precursor for furaneol. For the acyclic forms, the 2,5-dicarbonyl isomers have the lowest energy, while for the cyclic forms, the 3-carbonyl are favoured over the 4-carbonyl isomers. The likely path for cyclisation is investigated and it is shown that the favoured path is dependent upon the relative chiralities of the carbon atoms and in particular that the reaction proceeds more readily if C2 and C3 have different chiralities. After cyclisation, the reaction path to produce furaneol proceeds via the loss of a water molecule. This reaction has been studied with a model including two water molecules and a hydroxide anion and shows relatively low-energy barriers. (C) 2008 Published by Elsevier B.V.

Quantum mechanics studies of the tautomers of diacetylformoin, an important maillard product and odorant

Diacetylformoin (3,4-dihydroxy-3-hexene-2,5-dione) has 16 tautomers, many with several possible conformations and all have been geometry optimised using quantum mechanics at the HF/6-31+G* level. Eleven structures have been identified with energies within 10 kcal mol(-1) of the minimum energy structure. Of these eight are acyclic and three cyclic. Calculations of NMR spectra have clarified the identity of the acyclic and cyclic structures found experimentally. The mechanism for cyclisation has been investigated and transition states obtained. The lowest energy reaction path requires the loss and gain of a proton during cyclisation. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Formation of novel photoadducts from irradiation of 5(S)-5-O-tert-butyldimethylsiloxymethylfuran-2(5H)-one

Irradiation of 5S-5-O-tert-butyldimethylsiloxymethylfuran-2(5H)-one 1 in acetonitrile yields the C2-symmetric bis(lactone), 1S,2S,6S,7S-[3S,10S]-bis-tert-butyldimethylsiloxymethyl-4,9-dioxatricyclo[5.3.0.02,6]deca-5,8-dione 6, and a 3-substituted intramolecular product resulting from an apparent 8-endo-trig cyclisation.

An efficient and rapid microwave-assisted synthesis of 1-acetyl-1H-indol-3-YL acetates

An efficient and rapid synthesis of 1-acetyl-1H-indol-3-yl acetate 1 and its derivatives 7 via the microwave-assisted cyclisation and decarboxylation of 2-[(carboxymethyl)amino]benzoic acids 5 is described. The latter were left to react with acetic anhydride using triethylamine as the base and were subjected to microwave irradiation for 1 minute, at 80 °C with initial power of 300 W. The target 1-acetyl-1H-indol-3-yl acetate 1 and derivatives 7 were isolated in 34-71% yield. In particular, synthesis of 1-acetyl-6-(trifluoromethyl)-1H-indol-3-yl acetate 7f and 1-acetyl-3-methyl-1H-indol-3-yl acetate 7h is reported for the first time.

Formtreue organische Makrocyclen mit polarem Innenraum

Zusammenfassung Die Arbeit beschreibt die Synthese und Eigenschaften von formtreuen organischen Makrocyclen mit intraannularen polaren Gruppen. Dabei wurden zunächst entsprechende bifunktionalisierte Acetylenbausteine (Halbringe) hergestellt, welche anschließend in einer oxidativen Glaser-Eglington Kupplung zu den Makrocyclen umgesetzt wurden.Am Anfang wurden Sulfonat-funktionalisierte Makrocyclen untersucht. Diese ließen sich mittels der Templatmethode in hohen Ausbeuten synthetisieren. Nach der Abspaltung des Templatbausteins, der gleichzeitig als Schutzgruppe für die Sulfonsäure diente, erhielt man den entsprechenden Makrocyclus als Tetra-n-butylammonium-Salz. Vor dem Hintergrund ionenleitfähige Materialien zu erhalten, wurde anschließend das organische Kation durch anorganische Kationen (z.B. Li+, Na+) ausgetauscht. Dies führte jedoch zur Bildung unlöslicher Produkte, die sich nicht eindeutig charakterisierten ließen.Ein anderer Ansatz zu löslichen Makrocyclen mit polarem Innenraum zu gelangen war die Synthese eines Dipeptid-funktionalisierten Makrocyclus. Dies geschah im Hinblick auf die eventuelle Eignung der Makrocyclen als Rezeptormoleküle für Gäste biologischen Ursprungs. Dabei ließen sich die entsprechenden Dipeptid-funktionalisierten Halbringe auf einfache Weise darstellen, jedoch trat bei der anschließenden Glaser-Kupplung, wahrscheinlich bedingt durch den hohen molaren Überschuß an Kupfersalzen, als Hauptreaktion die Abspaltung des Peptidrests auf. Daher wurde sich nun der Carbonsäuregruppe als polaren Baustein im Inneren der Ringe zugewandt. Diese sollten eine anschließende Peptidankupplung zulassen.Es wurden vier verschiedene Makrocyclen mit intraannularen Carboxylatgruppen synthetisiert. Auch hier waren die Makrocyclen in Form ihrer Methylester noch gut, in Form der Säuren oder deren Salze oftmals nur noch sehr gering löslich. Um die Löslichkeit zu verbessern, wurde dabei die Polaritätsverteilung am Ring (polarer Innenraum, unpolarer Außenraum) durch das Anbringen von löslichkeits-vermittelnden Gruppen zum Teil aufgegeben. Dabei hat sich gezeigt, daß es erst durch die Verwendung von verzweigten (S)-Methylbutoxy-Gruppen innerhalb des Rings oder langen Alkoxyketten außerhalb des Rings möglich war, zu löslichen Systemen zu gelangen. Im ersten Fall ist es zum ersten Mal gelungen, einen löslichen Makrocyclus mit zwei freien intra-annnularen Carbonsäuregruppen zu erhalten. Durch die Optimierung der Syntheseroute ist es nunmehr möglich, den Ring im Grammmaßstab herzustellen. Außerdem wurden als Testreaktion beide Säuregruppen mit Methylamin zum Säureamid vollständig umgesetzt. Somit wurde ein System entwickelt, an das sich in Zukunft beliebige Aminosäuren an den Ring anbinden lassen sollten. Zusätzlich sollte sich die Chiralität der (S)-Methylbutoxygruppen auf das Erkennen von chiralen Gästen auswirken.Im zweiten Fall wurden durch das Anbringen von vier Tris(hexadecyloxy)-benzol- oder Tris(dodecyloxy)-benzol- Gruppen an der Peripherie der Ringe nach Hydrolyse der Methylestergruppen ebenfalls lösliche, Carboxylat-funktionalisierte Makrocyclen erhalten. Eine eingehende Untersuchung der Methylester-geschützten Ringe ergab, daß diese beim Schmelzen das Auftreten einer thermotropen flüssigkristallinen Phase zeigen. Die Natur der Mesophase konnte mittels Polarisations-Lichtmikroskopie sowie Röntgenbeugungsmethoden eindeutig als kolumnar-schiefwinklig (colob) charakterisiert werden. Hierbei ist zu bemerken, daß bei ähnlichen Makrocyclen, die über keinen polar gefüllten Innenraum verfügen, keine Mesophase auftritt. Das bedeutet, daß die Raumerfüllung im Inneren der Makrocyclen, bedingt durch die polaren Gruppen, zur Ausbildung einer flüssigkristallinen Phase unbedingt notwendig ist.

2,3-Divinyl- und 2-Aryl-3-vinylindole als Bausteine zu Carbazolen und Versuche zur photochemischen und Ultraschall-induzierten 1,6-Elektrocyclisierung

Es wurden neue funktionalisierte Carbazole und anellierte Benzo[a]carbazole als potentielle pharmakologische Therapeutika durch 1,6-pi-Elektrocyclisierung auf photo-chemischem, thermischem und sonochemischem Weg synthetisiert und die Synthesemethoden der 1,6-pi-Elektrocyclisierung sowie der 2,3-Divinylindole und der 2-Aryl-3-vinylindole als entsprechende Ausgangsprodukte validiert und evaluiert. Es gelang weder das nach den Woodward-Hoffmann-Regeln erwartete primäre Cyclisierungsprodukt mit Indolochinodimethanstruktur noch die Existenz des in einer photochemischen Abfangreaktion daraus resultierenden Cycloprodukts NMR-spektroskopisch nachzuweisen, um den stereochemischen Verlauf der Cyclisierung vorherzusagen. Ergebnisse der quantenchemischen Berechnungen der Eduktmoleküle (AO-Koeffizienten der MO's, HOMO/LUMO-Energien) sowie der Übergangszustandsgeometrien der Cyclisierungen decken sich mit den experimentellen Daten. Divinyl- und 2-Aryl-3-vinylindole sind als Systeme mit Hexatriensymmetrie aufzufassen, deren Cyclisierungsverhalten sich mit den Woodward-Hoffmann-Regeln beschreiben läßt. Im Vergleich der verschiedenen 1,6-pi-Elektrocyclisierungsmethoden zeigte sich, daß die photochemische Variante eine elegante Synthesemethode darstellt, um funktionalisierte Carbazole und Benzo[a]carbazole mit unterschiedlichen pharmakologischen Aktivitäten unter schonenden Reaktionsbedingungen mit den vergleichbar höchsten Ausbeuten zu erhalten. Demgegenüber lieferten die Ultraschallreaktionen keine nachweisbaren Cyclisierungsprodukte. Die thermische Cyclisierung führte zur Gruppe der 1,2-Dihydrocarbazole. Sie bildeten sich in einer Folgereaktion durch [1,5s]-H-Verschiebung aus dem primär entstandenen Woodward-Hoffmann-Cyclisierungsprodukt. In abschließenden DNA-Bindestudien mit verschiedenen Testsystemen zeigte keine der synthetisierten Testsubstanzen DNA-Bindungsaktivität.

Asymmetrische Synthese von 2-substituierten N-Galactosyl-piperidinderivaten und deren Verwendung zum Aufbau bicyclischer Heterocyclen

Ziel dieser Arbeit war es, ausgehend von auxiliargebundenen Piperidinderivaten, unterschiedliche chirale bi- und tricyclische Verbindungen darzustellen. Dazu wurde das 2,3,4,6-Tetra-O-pivaloyl--D-galactosylamin durch Kondensation mit Aldehyden in die entsprechenden Galactosylaldimine überführt, die in einer Lewissäure-katalysierten hochdiastereoselektiven Tandem-Mannich-Michael-Reaktionssequenz mit Danishefsky-Dien zu 2-substituierten Dehydropiperidinonen umgesetzt wurden. Die auf diese Weise zugänglichen chiralen Heterocyclen wurden diastereoselektiv in trans-konfigurierte 5-Bromverbindungen überführt. In einer Thiazolsynthese nach Hantzsch konnten die -Bromketone mit ambidenten Nukleophilen, wie Thiobenzamiden und unsymmetrischen Thioharnstoffderivaten, in niedrigen Ausbeuten zu bicyclischen Tetrahydro-thiazolo[5,4-c]pyridinen umgesetzt werden. Weitere bicyclische Heterocyclen mit einem Tetrahydro-thieno[2,3-c]pyridin-System konnten durch eine Gewald-Cyclisierung an 2-substituierten N-Galactosyl-piperidinonen erhalten werden. Durch Palladium-katalysierte Kreuzkupplungen an heterocyclischen Enoltriflaten, die ausgehend von den N-Galactosyl-dehydropiperidinonen synthetisiert wurden, gelang die Einführung von Aryl-, Alkinyl- und Alkenylsubstituenten in 4-Position des Piperidinringes. Zur Freisetzung der 2,4-disubstituierten Dehydropiperidinen wurde die N-glycosidische Bindung im sauren Milieu gespalten. Verbindungen mit einer exocyclischen Doppelbindung wurden einer Diels-Alder-Reaktion mit N-Phenylmaleinimid zum Aufbau von Isochinolinderivaten eingesetzt. Des Weiteren gelang die Synthese von 2-benzylsubstituierten N-Galactosyl-dehydropiperidinonen, wobei ortho-halogensubstituierte Phenylacetaldehyde eingesetzt wurden. Die in hohen Diastereomerenüberschüssen gebildeten Dehydropiperidinone wurden in die entsprechenden Enoltriflate überführt und einer Domino-Suzuki-Heck-Reaktion unterworfen. In dieser Kaskadenreaktion konnten tricyclische diastereomerenreine Benzomorphanderivate synthetisiert werden.

Synthese eines 67-gliedrigen [2]Catenans und seines Konstitutionsisomeren als Bausteine für Polymere

Im Rahmen der Dissertation zum Thema „Synthese eines 67-gliedrigen [2]Catenans und seines Konstitutionsisomeren als Bausteine für Polymere“ ist die Darstellung eines neuen, funktionalisierten [2]Catenans mit 67-gliedrigen Ringen gelungen. Zum Aufbau der Catenanuntereinheiten wurde die Synthese einer langen Kette entwickelt, die zu einem 67-gliedrigen Makrozyklus führte. Die im Catenan eingebauten Ester-Funktionalitäten konnten in die Säure überführt werden, die entweder direkt oder auch nach einer nochmaligen Derivatisierung in einer Polymerisationsreaktion eingesetzt werden könnte. Durch die Darstellung des neuen [2]Catenans wurde die in der Arbeitsgruppe von A. Godt entwickelte Catenan-Synthesestrategie optimiert und gezeigt, dass sie auf ein Molekül mit kleineren Ringgrößen übertragen werden kann. Das Konstitutionsisomere des Catenans, das zyklische Dimer, wurde durch die Änderung der Abfolge einzelner Stufen der Synthesestrategie erhalten. Die Kombination beider Zyklisierungsschritte in einer Reaktion führte in hoher Ausbeute zum zyklischen Dimer. Die neu gefundene Syntheseroute lieferte das zyklische Dimer, ausgehend von der Zyklusvorstufe, in nur drei Stufen und löst die sehr aufwendige Templatsynthese, die zuvor entwickelt wurde, ab. Die Modellexperimente zur Derivatisierung der Catenandisäure mit einem Alkinol, Diol, Diamin oder Aminol wie auch zur Polymerisation mit oxidativer Alkindimerisierung führten nicht zu voll befriedigenden Ergebnissen, jedoch erweist sich die Methode der oxidativen Alkindimerisierung in den Modellversuchen als eine explizit geeignete Variante, ein [2]Catenan zu einem Polymer umzusetzen.

Derivate des Ionentransporters Valinomycin

In der vorliegenden Arbeit wurden Derivate des Ionentransporters Valinomycin synthetisiert und als Sensorelemente in Modellmembransysteme inkorporiert. Als Modellmembranen wurden festkörpergestützte Lipiddoppelschichten (tBLMs, tethered bilayer lipid membranes) verwendet. rnValinomycin transportiert selektiv Kalium-Ionen durch Membranen, was durch einen Rückgang des Widerstandes über elektrochemische Messmethoden nachgewiesen werden kann. Es ist ein zyklisches Dodecadepsipeptid, das aus zwei verschiedenen Aminosäuren (L- und D-Valin) und  Hydroxysäuren (L Milchsäure und D Hydroxyisovaleriansäure) besteht. In dieser Arbeit wurde ein L Valin durch ein L-Lysin ausgetauscht, um eine freie Aminogruppe zum Anbinden verschiedenster Liganden zu erhalten. rnDie Synthese erfolgte in Lösung über einen linearen Decadepsipeptid-Precursor, hierbei wurde hauptsächlich mit Benzyl- und Boc-Schutzgruppen gearbeitet. An den Precursor wurden dann unterschiedlich modifizierte Lysin-Didepside gebunden und das daraus erhaltene lineare Dodecadepsipeptid zyklisiert.rnInsgesamt wurden sechs verschiedene Derivate synthetisiert, deren Ionentransportfähigkeit mit Hilfe eines angebundenen Liganden blockiert wurde. Diese Blockade kann entweder mechanisch durch Festhalten des Ionencarriers an der Oberfläche der Membran oder chemisch durch Einbringen einer Ladung erfolgen, da geladene Moleküle eine Membran nicht überwinden können. rnAcetyl-Lysin-Valinomycin wurde als Testsystem hergestellt, um zu zeigen, dass die Synthese einen funktionsfähigen Ionencarrier ergeben hatte. Im nächsten Schritt wurde Lysin-Valinomycin mit freier Aminogruppe synthetisiert, um es als pH-Sensor zu nutzen und damit zu überprüfen, ob das chemische Einbringen einer Ladung möglich ist. Es konnte ein pH abhängiger Kalium-Transport nachgewiesen werden, die Blockade der Ionentransportfähigkeit über eine eingebrachte Ladung ist somit möglich. rnAuf dem gleichen Konzept beruht Ferrocen-Valinomycin. Wird der Ferrocen-Ligand oxidiert, liegt eine positive Ladung vor und der Ionencarrier kann die Membran nicht mehr überwinden. Eine Reduktion macht diesen Prozess reversibel. Ferrocen-Valinomycin konnte innerhalb einer tBLM chemisch oxidiert und reduziert werden, dieses System kann somit als chemischer Redox-Sensor eingesetzt werden.rnEine mechanische Blockade liegt dem Biotin- und dem Sulfonamid-Valinomycin zugrunde. Dabei soll die Zugabe von Streptavidin bzw. BCA II (bovine Carboanhydrase) den Ionentransport durch die Membran stoppen. Beide Valinomycin-Derivate zeigten aber keine Ionentransportfähigkeit, eine Inkorporation in tBLMs konnte jedoch über SPR gezeigt werden. rnDie Synthese eines fluoreszenz-markierten (FITC) Valinomycins ergab zwar auch keinen transportfähigen Ionencarrier, aber mit diesem Derivat konnte der Diffusionskoeffizient von Valinomycin in sBLMs mit Hilfe von Fluorescence Recovery after photobleaching (FRAP) bestimmt werden.rn

Synthesis of novel ribose-based thioimidate n-oxides

This work is based on the study of new synthetic paths to obtain thioimidate N-oxides (TINOs) from D-ribose and to study their reactivity with the purpose to obtain ketonitrones. TINOs, aren’t well known molecules, but these enantiomerically pure backbones could be valuable intermediates in the synthesis of novel ketonitrones which are key intermediates in the synthesis of iminosugars. TINOs were discovered from the study of glucoraphanin, a particular glucosinolate, that unexpectedly cyclized into a TINO after desulfatation, by a spontaneous intramolecular Michael addition. The first part of this work was to synthetize the TINO 3 from D-ribose 1. The key step was the desilylative cyclisation of a suitably functionalized thiohydroximate 2. Based on precedent work developed in the laboratory, we could obtain the thiohydroximate from D-ribose. We then focused our studies on the cyclisation step trying to find the suitable substituents that could give the TINO in good yield by desilylative cyclisation. The second part of the project is to obtain ketonitrones 4 by palladiumcatalyzed coupling reaction.

Trifluoroacetic acid: A more effective and efficient reagent for the synthesis of 3-arylmethylene-3,4-dihydro-1H-quinolin-2-ones and 3-arylmethyl-2-amino quinolines from Baylis-Hillman derivatives via Claisen rearrangement

Trifluoroacetic acid has been discovered to be a highly effective and efficient reagent for the tandem Claisen rearrangement and cyclisation reaction to yield 3-arylmethylene-3,4-dihydro-1H-quinolin-2-ones from compounds obtained from the SN2 reaction between anilines and acetyl derivatives of Baylis-Hillman adducts of acrylates in the presence of DABCO. In contrast similar compounds obtained from the acetyl derivatives of Baylis-Hillman adduct of acrylonitrile on treatment with trifluoroacetic acid directly furnish 3-arylmethyl-2-amino-quinoline via tandem Claisen rearrangement, cylisation and isomerisation.

Fractional abundance and indices for brGDGTs and crenarchaeol in dust samples, surface water samples and surface sediment samples

Branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers (brGDGTs) are membrane lipids produced by soil bacteria and occur in near coastal marine sediments as a result of soil organic matter input. Their abundance relative to marine-derived crenarchaeol, quantified in the BIT index, generally decreases offshore. However, in distal marine sediments, low relative amounts of brGDGTs can often still be observed. Sedimentary in situ production as well as dust input have been suggested as potential, though as yet not well constrained, sources. In this study brGDGT distributions in dust were examined and compared with those in distal marine sediments. Dust was sampled along the equatorial West African coast and brGDGTs were detected in most of the samples, albeit in low abundance. Their degree of methylation and cyclisation, expressed in the MBT' (methylation index of branched tetraethers) and DC (degree of cyclisation) indices, respectively, were comparable with those for African soils, their presumed source. Comparison of DC index values for brGDGTS in global soils, Congo deep-sea river fan sediments and dust with those of distal marine sediments clearly showed, however, that distal marine sediments had significantly higher values. This distinctive distribution is suggestive of sedimentary in situ production as a source of brGDGTs in marine sediments, rather than dust input. The presence of in situ produced brGDGTs in marine sediments means that caution should be exercised when applying the MBT'-CBT palaeothermometer to sediments with low BIT index values, i.e. < 0.1, based on our dataset.

Revised calibration of the MBT-CBT paleotemperature proxy

The MBT-CBT proxy for the reconstruction of paleotemperatures and past soil pH is based on the distribution of branched glycerol dialkyl glycerol tetraether (brGDGT) membrane lipids. The Methylation of Branched Tetraether (MBT) and the Cyclisation of Branched Tetraether (CBT) indices were developed to quantify these distributions, and significant empirical relations between these indices and annual mean air temperature (MAT) and/or soil pH were found in a large data set of soils. In this study, we extended this soil dataset to 278 globally distributed surface soils. Of these soils, 26% contains all nine brGDGTs, while in 63% of the soils the seven most common brGDGTs were detected, and the latter were selected for calibration purposes. This resulted in new transfer functions for the reconstruction of pH based on the CBT index: pH = 7.90-1.97 × CBT (r**2 = 0.70; RMSE = 0.8; n = 176), as well as for MAT based on the CBT index and methylation index based on the seven most abundant GDGTs (defined as MBT'): MAT = 0.81-5.67 × CBT + 31.0 × MBT' (r**2 = 0.59; RMSE = 5.0 °C; n = 176). The new transfer function for MAT has a substantially lower correlation coefficient than the original equation (r**2 = 0.77). To investigate possible improvement of the correlation, we used our extended global surface soil dataset to statistically derive the indices that best describe the relations of brGDGT composition with MAT and soil pH. These new indices, however, resulted in only a relatively minor increase in correlation coefficients, while they cannot be explained straightforwardly by physiological mechanisms. The large scatter in the calibration cannot be fully explained by local factors or by seasonality, but MAT for soils from arid regions are generally substantially (up to 20 °C) underestimated, suggesting that absolute brGDGT-based temperature records for these areas should be interpreted with caution. The applicability of the new MBT'-CBT calibration function was tested using previously published MBT-CBT-derived paleotemperature records covering the last deglaciation in Central Africa and East Asia, the Eocene-Oligocene boundary and the Paleocene-Eocene thermal maximum. The results show that trends remain similar in all records, but that absolute temperature estimates and the amplitude of temperature changes are lower for most records, and generally in better agreement with independent proxy data.