@phdthesis{Weickert2023,
  author    = {Weickert, Anastasia},
  title     = {Theoretische Untersuchungen zur Aufkl{\"a}rung der reversiblen Hemmung durch kovalente Inhibitoren der Enzyme Golgi-alpha-Mannosidase und Rhodesain},
  doi       = {10.25972/OPUS-32818},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-328181},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Die Entwicklung maßgeschneiderter Proteinliganden ist ein integraler Bestandteil unterschiedlicher wissenschaftlicher Disziplinen, wie z.B. Wirkstoffentwicklung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der reversiblen Inhibition in Form von kovalent gebundenen Enzym-Inhibitor-Komplexen der humanen Golgi-alpha-Mannosidase II (GM II) und der Cysteinprotease Rhodesain. Beide Enzyme sind erfolgversprechende Targets in der Bek{\"a}mpfung von zwei sehr unterschiedlichen Erkrankungen. Einerseits die Golgi-alpha-Mannosidase bei der Behandlung der Tumorprogression und andererseits die Cysteinprotease Rhodesain bei der Behandlung der Afrikanischen Schlafkrankheit. Die Arbeit an den zwei Enzymen unterteilt sich in zwei Teilprojekte. Die Entwicklung von maßgeschneiderten kovalent-reversiblen Inhibitoren f{\"u}r die genannten Enzyme wurde im Rahmen eines in-house entwickeltes Protokolls zwecks des rationalen Designs kovalenter Inhibitoren, durchgef{\"u}hrt. Dieses Protokoll basiert auf einer sich gegenseitig unterst{\"u}tzenden Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den theoretischen Untersuchungen mit Hilfe der quantenmechanischen (QM) als auch mit Hilfe der kombinierten quantenmechanisch/molek{\"u}lmechanischen (QM/MM) Methoden zu den genannten Enzymen. In einem ersten Schritt des Protokolls geht es um die Anwendung von Screeningverfahren. In einem Screening werden Leitstrukturen, zun{\"a}chst in L{\"o}sung (Schritt I), f{\"u}r eine weitere Untersuchung im Enzym (Schritt II) evaluiert. So k{\"o}nnen die Inhibitoren, f{\"u}r die experimentelle Mess- oder theoretische Dockingdaten vorhanden sind, als eine Leitstruktur betrachtet werden. Durch das Screening unter Verwendung der quantenmechanischen (QM-Modell) Methode kann eine Reihe von Inhibitoren nach einem sich konsistent ver{\"a}nderndem Muster erstellt werden und auf Bindungsparameter hin untersucht werden (Schritt I). Diese Parameter sind Reaktionsenergien und H{\"o}hen der Reaktionsbarriere einer Inhibitionsreaktion. Reaktionsenergien werden in dieser Betrachtung quantenmechanisch innerhalb der Born-Oppenheimer-(BO)-N{\"a}herung und im Rahmen des Konzeptes der Potentialhyperfl{\"a}chen (PES) als relative Energien zwischen den optimierten Geometrien der Produkte und der Edukte auf einer Potentialhyperfl{\"a}che f{\"u}r die Inhibitionsreaktion ermittelt. Die H{\"o}hen der Reaktionsbarrieren werden durch die relativen Energien zwischen den Geometrien der Edukte und der Zwischenstufen oder {\"U}bergangszust{\"a}nde abgesch{\"a}tzt. Unter Inhibitionsreaktion wird eine chemische Reaktion verstanden, bei der eine kovalente Bindung zwischen dem Inhibitormolek{\"u}l und den Aminos{\"a}uren in der aktiven Tasche eines Enzyms ausgebildet wird. F{\"u}r den Schritt I werden die Aminos{\"a}uren der aktiven Tasche durch kleine Molek{\"u}le, wie Essigs{\"a}ure und Methanthiol, angen{\"a}hert. Die kovalent-reversiblen Inhibitoren sollten in dieser Betrachtung nur leicht exotherme Reaktionen mit den relativen Energien im Bereich -5 bis -10 kcal/mol aufweisen. Der experimentelle Teil liefert w{\"a}hrenddessen die Synthese der neuen Inhibitoren und die Nachweise zur kovalenten Bindung mit Hilfe massenspektrometrischer Messungen (Schritt I). Die passenden Kandidaten aus dem ersten Schritt des Protokolls, d.h. Inhibitoren mit gew{\"u}nschten Bindungsparametern, werden durch die QM/MM-Berechnungen im Enzym (Schritt II) und durch die experimentellen Messungen an den Enzym-Inhibitor-Komplexen in Assays (Schritt II) analysiert. Die Untersuchungen f{\"u}r die Stufe II des Protokolls umfassen die Berechnungen der Reaktionsprofile und Minimumenergiereaktionspfade f{\"u}r die chemischen Reaktionen von Inhibitoren im Zielenzym. Ein Pfad minimaler potentieller Energie, der zwei Minima (hier Edukt und Produkt) verbindet, stellt ein Reaktionsprofil f{\"u}r eine chemische Reaktion dar. In der vorliegenden Arbeit wird dies auch als Minimumenergiepfad (MEP) bezeichnet. Der Letztere l{\"a}sst sich durch die Nudged Elastic Band (NEB)-Methode und mittels Potentialhyperfl{\"a}chen darstellen. Die Reversibilit{\"a}t der Inhibitoren wurde anhand der berechneten chemischen Reaktionen in Form von erstellten Reaktionsprofilen analysiert und diskutiert. Durch Protein-Ligand Docking (Schritt III) wird ein Screening von variierbaren Erkennungseinheiten der neuen Inhibitoren durchgef{\"u}hrt. Die Ergebnisse der Untersuchungen aus dem dritten Schritt liefern Hinweise zur Weiterentwicklung der ausgew{\"a}hlten Inhibitoren. Die letzte Stufe des in-house Protokolls besteht in der erneuten Untersuchung der optimierten Inhibitoren mit Hilfe von Theorie und Experiment (Schritt IV). Die theoretische Untersuchung anhand von QM/MM-Berechnungen {\"u}berpr{\"u}ft, ob die Inhibitionsreaktion der reaktiven Kopfgruppe nach der {\"A}nderung der Erkennungseinheit des Inhibitors weiterhin effektiv und nach dem gleichen Mechanismus mit der aktiven Seite des Enzyms ablaufen kann. Die experimentelle Untersuchung liefert, {\"a}hnlich wie im Schritt II, die messbaren Ergebnisse der Inhibition in Hinblick auf die Bindungseigenschaften und die Entstehung der Nebenprodukte. Die Untersuchungen am System Mannosidase GM II wurden in Zusammenarbeit mit den Arbeitskreisen von Prof.Dr. J. Seibel und Prof.Dr. T. Schirmeister durchgef{\"u}hrt. Die Leitstruktur zur Entwicklung des kovalent-reversiblen Inhibitors stellt der cyclische O,O-Acetal-Inhibitor (bestimmt anhand von Dockingexperimenten an der beta-L-Anhydrogulose durch Arbeitskreis Prof.Dr. J. Seibel) dar. Die Ergebnisse der theoretischen Studie liefern f{\"u}r den ersten Schritt im Rahmen des Protokolls den geeigneten Kandidaten aus einer Menge von insgesamt 22 modellierten Inhibitoren f{\"u}r die reversible Inhibition der Mannosidase GM II durch die Ausbildung einer kovalenten Bindung. Hierzu z{\"a}hlen zun{\"a}chst die thermodynamischen Modellberechnungen der Inhibitionsreaktion, welche die Reaktionsenergien f{\"u}r alle Kandidaten des Screenings liefern. Die Inhibitionsreaktion wird in diesem Schritt als Additionsreaktion von Essigs{\"a}ure an den Inhibitor-Kandidaten modelliert. F{\"u}r die Leitstruktur resultiert eine thermoneutrale Beschreibung der Reaktion mit Essigs{\"a}ure und dient im Weiteren als Referenz. Der Inhibitor Nr.7 (der cyclische N,O-Acetal-Inhibitor) zeigt mit -7,7 kcal/mol eine leicht exotherme Reaktion und somit eine bessere Triebkraft der untersuchten Reaktion im Vergleich zur Referenz. Die beiden Inhibitoren wurden dann f{\"u}r Stufe 2 des Protokolls untersucht, in der eine Analyse der Reaktionsprofile im Enzym mit Hilfe der QM/MM-Methodik durchgef{\"u}hrt wurde. Die Ergebnisse des zweiten Teils der Studie zeigen, dass der cyclische N,O-Acetal-Inhibitor eine deutlich bessere Affinit{\"a}t zur aktiven Seite der GM II im Vergleich zu seiner Leitstruktur aufweisen sollte. Dies zeigt sich auch in der deutlich h{\"o}heren Triebkraft der Inhibitionsreaktion von ca. -13 kcal/mol. Dieser Energiebeitrag ist klein genug, um eine Reversibilit{\"a}t der Inhibitionsreaktion gew{\"a}hrleisten zu k{\"o}nnen. Das bedeutet auch, dass der N,O-Acetal-Inhibitor im Vergleich zur Referenzstruktur eine deutlich st{\"a}rkere Inhibition bedingen sollte. Ber{\"u}cksichtigt man dann noch, dass die Reaktion laut Berechnungen nur leicht exotherm sein sollte, erh{\"a}lt man die M{\"o}glichkeit einer reversibel stattfinden kovalenten Hemmung. Zusammenfassend liefert dieser Teil der Arbeit, der mit Hilfe der QM- und QM/MM-Berechnungen durchgef{\"u}hrt wurde, ein reaktives molekulares Ger{\"u}st mit den gew{\"u}nschten Eigenschaften. Durch die theoretischen Untersuchungen (MD-Simulationen am Enzym-Inhibitor-Komplex) konnte außerdem eine zur Komplexbildung geeignete Konformation der Leitstruktur sowie des neuen Inhibitors gefunden werden. Die reversibel agierenden Acetal-Inhibitoren befinden sich in der aktiven Tasche in einer energetisch h{\"o}her liegenden Twist-Boot-Konformation und beg{\"u}nstigen mit zwei entstehenden Bindungen zum Zn2+-Ion die oktaedrische Koordination im Enzym. Als Teil dieser Arbeit wurden NEB-Berechnungen zur Bestimmung von Minimumenergiepfadendurchgef{\"u}hrt. Dies lieferte erweiterte Einblicke in der Berechnung von Reaktionsmechanismen jeweils auch in Kombination von 2- bzw. 3-dimensionalen Scans. Auch in der Beschreibung von Protonen{\"u}bertragungsreaktionen nach Grotthus, die einem Umklappen der kovalenten Bindungen entsprechen, erh{\"a}lt man hier Geometrien f{\"u}r die Teilschritte und somit eine detaillierte Beschreibung des Vorgangs. Der Mechanismus der Inhibition von GM II durch die Leitstruktur beinhaltet einen Wasser-katalysierten (oder auch Wasser-vermittelten) Ring{\"o}ffnungsschritt in der Tasche des Enzyms. Die Testrechnungen zum Protontransfer haben gezeigt, dass der Protontransfer {\"u}ber ein oder mehrere Wassermolek{\"u}le unter Verwendung von Standard-PES-Berechnungen nicht spontan stattfindet. Die Berechnung des MEP durch das Erstellen einer 3-dimensionalen Potentialhyperfl{\"a}che kann nur dann sinnvolle Ergebnisse liefern, wenn der Protontransfer vom Aspartat Asp341 zum Inhibitor {\"u}ber zwei Wassermolek{\"u}le explizit ber{\"u}cksichtigt wird. In diesem Fall ist die Berechnung der PES kein Standard und erfordert eine zus{\"a}tzliche Variation der Bindungsabst{\"a}nde O-H der beteiligten Molek{\"u}le des Protontransfers. Die Details f{\"u}r die zus{\"a}tzliche Variation der Bindungsabst{\"a}nde O-H bei der Berechnung der 3-dimensionalen PES haben die NEB-Berechnungen geliefert. Der NEB-Formalismus hat sich in der Beschreibung dieser komplexen Reaktionskoordinaten als besser geeignet erwiesen und wurde in dieser Arbeit aus diesem Grund haupts{\"a}chlich verwendet. Die Berechnung des Protonentransfers w{\"a}hrend einer Hemmungsreaktion durch zwei Wassermolek{\"u}le mit der NEB-Methode hat den MEP ermittelt, welcher zun{\"a}chst nicht auf der Grundlage eines 3-dimensionalen Scans ermittelt werden konnte. Solche QM/MM-Rechnungen wurden im Rahmen des in-house Protokolls zum ersten Mal durchgef{\"u}hrt. Dieser Protontransfer ist mit dem Grotthus-Mechanismus konform und kann plausibel anhand einer Klapp-Mechanismus-Betrachtung nachvollzogen werden. Mit Hilfe der NEB-Methode ist es m{\"o}glich MEPs effektiv und relativ schnell zu ermitteln. Es werden sowohl die Geometrien entlang des Pfades wie auch die einzelnen relativen Energien erhalten. Zur {\"U}berpr{\"u}fung der gefundenen {\"U}bergangszust{\"a}nde wurden die einzelnen Strukturen mit Hilfe der Normalmodenanalyse weiter untersucht und konnten verifiziert werden. Die MEP-Berechnungen f{\"u}r den Inhibitor Nr.1 erm{\"o}glichen die Etablierung eines Protokolls zur Berechnung eines Reaktionspfades {\"u}ber mehrere Molek{\"u}le, welches anschließend zur Berechnung des MEP f{\"u}r den Inhibitor Nr.7 angewendet wird. Das Protokoll beinhaltet in seiner einfachen Form die Ermittlung der Two-End-Komponenten einer chemischen Reaktion - Geometrien von Reaktant und Produkt. Betrifft dies eine Reaktion, die {\"u}ber mehrere Molek{\"u}le, z.B. Wassermolek{\"u}le oder deren Netzwerk, stattfindet, wird die Aufgabe komplexer. In diesem Fall ist eine Berechnung mit Hilfe des NEB-Moduls wesentlich produktiver als die Charakterisierung mit Hilfe der 3-dimensionalen PES. Der Vorteil liegt in der kollektiven Beschreibung der Reaktionskoordinaten, sodass die entscheidenden Reaktionskoordinaten und Variablen f{\"u}r die Durchf{\"u}hrung von Scans nicht einzeln bestimmt werden m{\"u}ssen. Dennoch kann es hier bei komplexen Reaktionskoordinaten auch zu Konvergenzproblemen bzw. zu langwierigen Optimierungszyklen kommen. Als weiteres Resultat liefern die durchgef{\"u}hrten MEP-Berechnungen Einblicke in die katalytischen Eigenschaften der Wassermolek{\"u}le f{\"u}r den Proton{\"u}bertragungsmechanismus nach Grotthus. Die Daten zeigen, dass die Barriere am niedrigsten wird, wenn zwei Wassermolek{\"u}le beim Protontransfer beteiligt sind. Wenn nur ein oder gar kein Wassermolek{\"u}l die Ring{\"o}ffnung katalysiert, steigt die Barriere auf 12 und 17 kcal/mol. Die Untersuchung in diesem Teil der Arbeit l{\"a}sst zudem Einblicke in die nukleophile Substitution der Vollacetale in der Enzym-Tasche der GM II erlangen. Die Rechnungen deuten darauf hin, dass die Vollacetal-Inhibitoren durch Wassermolek{\"u}le in der Tasche aktiviert werden. Die ausgebildeten Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen beg{\"u}nstigen die Geometrie des Enzym-Inhibitor-Komplexes. Dies bef{\"o}rdert die Ring{\"o}ffnungreaktion gleichzeitig mit dem nucleophilen Angriff des Aspartatrestes an dem C1-Atom des Inhibitors. Im Falle des gemischten Acetal-Inhibitors hingegen wird die Treibkraft bereits durch die Einf{\"u}hrung des Stickstoffatoms deutlich erh{\"o}ht. Durch die richtig angeordneten Grotthus-Wassermolek{\"u}le ist in diesem Fall die Barriere der Proton{\"u}bertragung durch das Aspartat-Aspartat-System der GM II (Asp341/Asp240) sekund{\"a}r. Betrachtet man die Schwingungsbewegung entlang der imagin{\"a}ren Moden der {\"U}bergangszust{\"a}nde, sind diese in beiden E-I-Komplexen {\"a}hnlich. Hierbei wird eine synergistische Bewegung der Bindungsabst{\"a}nde OD2-C1-O6 (Inhibitor Nr.1) bzw. OD2-C1-N (Inhibitor Nr.7) beobachtet. Die Entwicklung der kovalent-reversiblen Inhibitoren f{\"u}r das Enzym Rhodesain wurde in Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Prof.Dr. T. Schirmeister durchgef{\"u}hrt. Als Leitstruktur zur Entwicklung des neuen kovalent-reversiblen Vinylsulfon-Inhibitors 4-Pyridyl-Phenylalanyl-Homophenylalanyl-alpha-Fluor-Phenylvinylsulfon dient in diesem Projekt der kovalent-irreversibel bindende Inhibitor K777, f{\"u}r den kristallographische Daten bekannt sind. Im Rahmen des Protokolls wurde eine Reihe von Inhibitoren untersucht, in denen ein alpha-H-Atom der Vinylsulfon-Einheit (im Weiteren VS f{\"u}r Vinylsulfon) durch verschiedene Gruppen X substituiert wurde. F{\"u}r den zun{\"a}chst vorgeschlagenen Cyano-Substituent (CN) in einem VS-Inhibitor ergab sich bei Berechnungen in einem polaren L{\"o}sungsmittel eine relativ niedrige Reaktionsenergie, d.h. es wurde eine reversible Reaktion vorhergesagt. Dies wurde experimentell best{\"a}tigt. Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse von Schritt II widersprechen sich aber. W{\"a}hrend experimentell eine schwache reversible Hemmung gefunden wurde, sagten die Berechnungen keine Hemmung voraus. Tats{\"a}chlich zeigte sich im Nachhinein, dass die experimentell gefundene Hemmung nicht-kompetitiv ist, d.h. nicht in der aktiven Tasche stattfindet. Im Rahmen des Protokolls werden dagegen nur die kompetitiv interagierenden Inhibitoren ausgewertet. An dieser Stelle lassen sich die anhand theoretischen Methoden erhaltenen Daten {\"u}ber die Reversibilit{\"a}t der Hemmung (Reaktion im aktiven Zentrum) mit den Ergebnissen aus den experimentellen Untersuchungen (Reaktion außerhalb des aktiven Zentrums) nicht vergleichen. Durch den Wechsel von CN zu Halogenen wurde schließlich eine neue Reihe von Inhibitoren auf VS-Basis entwickelt. Die Berechnungen von Reaktionsenergien in L{\"o}sung und im Enzym haben f{\"u}r diese Inhibitoren eine reversible Hemmung vorhergesagt. Allerdings findet man eine einfache Additionsreaktion an der Doppelbindung der Vinylsulfon-Gruppe. F{\"u}r X=CN wurde von einer SN2-Reaktion ausgegangen. F{\"u}r X=Br fand man, dass sich nach der Addition ein HBr-Molek{\"u}l abspaltet, sodass die Hemmung insgesamt irreversibel ist. Da die Substitutionsreaktion ein irreversibler Prozess ist und die Freisetzung von Bromwasserstoff durch die experimentellen Untersuchungen best{\"a}tigt werden konnte, scheint Fluor ein geeigneter Substituent zu sein (X=F). Hier konnte man auch experimentell eine deutlich bessere Hemmung messen. Es wurden daher die Berechnungen im Enzym f{\"u}r Systeme mit den Inhibitoren K777-X mit X=F und X=H (K777-F- und K777-H-Inhibitor) durchgef{\"u}hrt und analysiert. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, die Reversibilit{\"a}t des K777-F-Inhibitors gegen die Irreversibilit{\"a}t des K777-H-Inhibitors durch die quantenmechanischen Berechnungen im Rahmen des Protokolls darzulegen. Die QM/MM-Berechnungen unterteilen sich in zwei Bereiche. Zun{\"a}chst wurde das Reaktionsprofil (auch Reaktionspfad) der Additionsreaktion des K777-X-Inhibitors an die aktive Tasche von Rhodesain ausgehend von der vorhandenen Kristallstruktur (PDB-Datei) berechnet. Im Folgenden wird dieses Teilergebnis als XP-Berechnung (im Weiteren XP f{\"u}r X-ray-Pfad) bezeichnet. Alle vier PES (X=H, F, Br und Cl) weisen prinzipiell die gleiche Form auf. Es ergeben sich aber Unterschiede in den berechneten Reaktionsenergien der Additionsreaktion (-20, -16, -10 und -11 kcal/mol). Die Reaktionsenergien der Substituenten Brom und Chlor entsprechen dem Bereich f{\"u}r reversible Reaktionen (ca. -10 kcal/mol), wobei Fluor mit -16 kcal/mol einen Grenzfall darstellt. Die Konturen der beiden PES (X=H vs. X=F) sind allerdings sehr {\"a}hnlich: In beiden F{\"a}llen findet sich f{\"u}r das anionische Intermediat kein Minimum. In der Potentialhyperfl{\"a}che f{\"u}r X=F steigt die Barriere der R{\"u}ckreaktion zwischen dem Intermediat und dem nicht-kovalenten Komplex auf etwa 5 kcal/mol an, die R{\"u}ckreaktion ist im Vergleich zu dem X=H mit ca. 1,5 kcal/mol leicht exotherm. Das ver{\"a}nderte Verh{\"a}ltnis zwischen der H{\"o}he der Reaktionsbarriere und dem Betrag der Reaktionsenergie (der {\"U}bergang von der endothermen zur exothermen Reaktion) auf diesem Abschnitt der PES k{\"o}nnte dazu beitragen, dass die Gesamtreaktion insgesamt reversibel ablaufen kann. Die Reversibilit{\"a}t des Inhibitors mit dem Substituenten Fluor l{\"a}sst sich auf diesem Schritt der Untersuchung durch die Absenkung der Reaktionsenergie der Additionsreaktion auf etwa 16 kcal/mol erkl{\"a}ren, denn die irreversible Reaktionen wurden bisher mit deutlich h{\"o}heren Reaktionsenergien assoziiert. Die erhaltenen nicht-kovalenten Enzym-Inhibitor-Komplexe der XP-Berechnungen wurden in einem zweiten Teilergebnis weiter verwendet, indem der Reaktionspfad der Additionsreaktion des K777-X-Inhibitors vom nicht-kovalenten Enzym-Inhibitor-Komplex zum kovalenten Enzym-Inhibitor-Komplex hin berechnet wurde. Im Folgenden wird dieses Teilergebnis als NP-Berechnung (NP f{\"u}r Nicht-kovalente-Pfad) bezeichnet. Die Berechnung der Reaktionsprofile der Additionsreaktion des VS-Inhibitors f{\"u}r X=H und X=F am alpha-Kohlenstoffatom der VS-Kopfgruppe lieferte konsistente Ergebnisse in Bezug auf die Reaktionsenergien. {\"A}hnlich den XP-Berechnungen, wurde ebenfalls die Tendenz der Absenkung der Reaktionsenergie von -7 kcal/mol (X=H) auf -4,3 (X=F) und -0,9 kcal/mol (X=Br) beobachtet. Die Thermodynamik der Additionsreaktion wurde durch einen Wechsel des Substituenten X von H nach F in der VS-Kopfgruppe des K777-X Inhibitors beeinflusst, indem die niedrigere Energiedifferenz zwischen den Edukten und den Produkten erzielt werden konnte. F{\"u}r beide Teile der Arbeit (XP- und NP-Berechnungen) implizierte dies einen Wechsel von einem irreversiblen zum einem reversiblen Verlauf in der Beschreibung der Reaktionsprofile. Die Ergebnisse des zweiten Teils der Arbeit (NP-Berechnungen) liefern nicht nur die konsistent geringeren Reaktionsenergien (Thermodynamik) sondern auch die h{\"o}heren Reaktionsbarrieren der Additionsreaktion im Vergleich zu den Ergebnissen der XP-Berechnungen. Die {\"A}nderungen der Reaktionsbarrieren im NP-Ansatz weisen zus{\"a}tzliche Diskrepanzen auf, wenn diese jeweils mittels der PES-Scan- und CI-NEB-Dimer-Methodik berechnet werden. W{\"a}hrend die Barriere des irreversiblen Inhibitors K11777 mit dem NEB-Ansatz ca. 11 kcal/mol betr{\"a}gt und durch den PES-Scan nur um 4 kcal/mol h{\"o}her liegt, ergibt sich eine umgekehrte Situation beim {\"U}bergang zu Fluor als Substituent: Durch die NEB-Berechnung liegt die Barriere bei ca. 18 kcal/mol und durch den PES-Scan ergibt sich eine um 4 kcal/mol niedrig liegende Barriere. Um die Ergebnisse der NP-Berechnungen zu {\"u}berpr{\"u}fen, wurden diese QM/MM-Rechnungen wiederholt durchgef{\"u}hrt. In den beiden neu durchgef{\"u}hrten Berechnungen f{\"u}r die Inhibitoren K777-X mit X=H und X=F wurden nur sehr kleine Abweichungen gefunden, die kleiner als die Fehler der Berechnung sind. Die Startstrukturen f{\"u}r die Berechnung des MEP stammten aus der erneut durchgef{\"u}hrten MD-Simulation an der Geometrie des nicht-kovalenten Enzym-Inhibitor-Komplexes, welche die XP-Berechnung resultierte. Die Gesamtdauer der MD-Simulation wurde zu einem Wert von 9 ns gew{\"a}hlt, welche insgesamt 900 Startstrukturen entlang der Simulation lieferte. Die Berechnung ergab die Reaktionsenergie von -8,4 kcal/mol (-7,0 kcal/mol als erstes Ergebnis) und die relative Energie des Int-Komplexes von 13,2 kcal/mol. Somit betr{\"a}gt die Barriere der R{\"u}ckreaktion zur Freisetzung des Inhibitors K11777 (X=H) in Form von einem nicht-kovalenten Enzym-Inhibitor-Komplex einen Wert von 21,6 kcal/mol. In analoger Vorgehensweise wurde die Evaluierung der NP-Berechnung f{\"u}r den Inhibitor K777-X mit X=F durchgef{\"u}hrt. Die Reaktionsenergien in den beiden Berechnungen unterscheiden sich in einem marginalen Abstieg zu den Werten von -2,9 kcal/mol und -3,3 kcal/mol (-4,3 kcal/mol als erstes Ergebnis). Beide Berechnungen liefern zudem die relativ kleinen Anstiege der Reaktionsbarriere zu den Werten von 19,8 kcal/mol und 20,9 kcal/mol. F{\"u}r die Inhibitoren K777-X mit X=H und X=F entsprechen die gefundenen Barrieren einer verzerrten Konformation des nicht-kovalenten Enzym-Inhibitor-Komplexes, die als eine bioaktive Konformation bezeichnet werden kann. Der anionische {\"U}bergangszustand Int*, der oft in der Literatur als ein anionisches Intermediat der Additionsreaktion bezeichnet wird, wurde nur f{\"u}r den Inhibitor mit dem Substituenten Brom (K777-X mit X=Br) identifiziert. Da der {\"U}bergangszustand (Int* mit der relativen Energie von 11,1 kcal/mol) nur 1,5 kcal/mol {\"u}ber der bioaktiven Konformation (Int mit der relativen Energie von 12,6 kcal/mol) liegt und die NEB-Reaktionspfade alleine die Barrieren {\"u}bersch{\"a}tzen, besitzen die anionischen {\"U}bergangszust{\"a}nde der Additionsreaktion der Inhibitoren mit X=H und X=F eine gesch{\"a}tzte relative Energie mit vergleichbaren Abweichungen von ca. 2 kcal/mol zu den identifizierten Int-Geometrien. Die durchgef{\"u}hrten Berechnungen zeigen, dass die Substituenten X=H und X=F im Vergleich zum Brom die anionischen Geometrien der nicht-kovalenten Enzym-Inhibitor-Komplexe jedoch mangelhaft bis ausreichend stabilisieren k{\"o}nnen. Zus{\"a}tzlich liegt die gesch{\"a}tzte Energiedifferenz zwischen den Geometrien Int* und Int unter der m{\"o}glichen Fehlergrenze der Berechnungen (ca. 3-4 kcal/mol). Aus diesem Grund misslang die Optimierung in Richtung der metastabilen anionischen Geometrien Int* mit Hilfe der CI-NEB-Dimer-Methodik im Fall der VS-Inhibitoren K777-X mit X=H und X=F. Der direkte Vergleich der geometrischen Parameter der nicht-kovalenten Enzym-Inhibitor-Komplexe f{\"u}r den Inhibitor K777-F aus den XP-Berechnungen mit solchen aus den NP-Berechnungen l{\"a}sst darauf schließen, dass die Geometrien der Enzym-Inhibitor-Komplexe der XP-Berechnung nur die lokalen Minima mit der verzerrten Geometrie des Inhibitors auf der PES darstellen und die Gesamtinformation {\"u}ber die Barrieren der Reaktion durch die Ergebnisse aus der NP-Berechnung erg{\"a}nzt werden sollten. Zusammenfassend sagen die Berechnungen f{\"u}r die reaktiven Kopfgruppen der Substanzklasse der halogenierten Vinylsulfone K777-X (X=Br, Cl und F) im Vergleich zur Leitstruktur des Vinylsulfon-Inhibitors K11777 deutlich geringere exotherme Additionsreaktionen im aktiven Zentrum von Rhodesain voraus. Dar{\"u}berhinaus konnte anhand der QM/MM-Berechnungen ein experimentell gemessenen verlangsamten Verlauf der reversiblen Inhibition im Falle von X=F (Inhibitor K777-X) durch die relativ erh{\"o}hte Reaktionsbarriere im Vergleich zur Leitstruktur erkl{\"a}rt werden. Dieser Inhibitor dient zun{\"a}chst als ein erfolgreich selektiertes reaktives Ger{\"u}st des neuen Inhibitors K777-X-S3 mit X=F und S3=4-Pyridyl (K777-F-Pyr), welcher mit Hilfe des Docking-Experiments (Schritt III durch die Arbeitsgruppe Prof.Dr. T. Schirmeister) deutlich verbessert werden konnte. Die Affinit{\"a}t des durch Docking verbesserten VS-Inhibitors mit Fluor als Substituent durch die eingef{\"u}hrte Seitenkette S3=4-Pyridyl (4-Pyridyl-Phenylalanyl-Homophenylalanyl-(Phenyl)-alpha-F-Vinylsulfon) stieg im Rhodesain von 190 nM zu 32 nM (Schritt IV, experimenteller Teil). Gleichzeitig konnte durch die QM/MM-Berechnungen in Schritt IV gezeigt werden, dass die Reaktion der reaktiven Kopfgruppe im neuen Inhibitor immer noch eine kovalent-reversible Hemmung von Rhodesain darstellt, auch wenn die Erkennungseinheit ge{\"a}ndert wurde. Hierf{\"u}r kann man die beiden Reaktionsprofile der NP-Berechnungen vergleichen. Die beiden fluorierten VS-Inhibitoren weisen eine {\"A}hnlichkeit bez{\"u}glich der Barrierenh{\"o}he und der Reaktionsenergie auf. Der fluorierte Vinylsulfon-Inhibitor K777-F wurde somit als ein neuer kovalent-reversibler Vinylsulfon-Inhibitor der Cysteinprotease Rhodesain erfolgreich eingef{\"u}gt.},
  subject      = {Computational Chemistry},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Zell2011,
  author    = {Zell, Thomas},
  title     = {NHC-stabilisierte Nickel-Komplexe in der st{\"o}chiometrischen und katalytischen Element-Element-Bindungsaktivierung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-57484},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen von Element-Element- Bindungsaktivierungsreaktionen des dinuklearen Nickel(0)-NHC-Komplex [Ni2(iPr2Im)4(COD)] A mit verschiedenen reaktionstr{\"a}gen Substraten, die ihrerseits wichtige Ausgangsstoffe f{\"u}r katalytische Anwendungen sind. Die Arbeit gliedert sich dabei in vier verschiedene Teile.},
  subject      = {Heterocyclische Carbene <-N>},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schmidt2013,
  author    = {Schmidt, David},
  title     = {N-Heterocyclische Carbene und NHC stabilisierte Nickelkomplexe in der Aktivierung von Element-Element- und Element-Wasserstoff-Bindungen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-90141},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit befasst sich sowohl mit der st{\"o}chiometrischen als auch mit der katalytischen Aktivierung von Element-Element-Bindungen an NHC-stabilisierten Nickel(0) Komplexen.},
  subject      = {Nickelkomplexe},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Weismann2015,
  author    = {Weismann, Julia},
  title     = {Methandiid-basierte Cabenkomplexe: Von ihrer Synthese und elektronischen Struktur zur Anwendung in Bindungsaktivierungsreaktionen und katalytischen Umsetzungen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-121549},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Anwendung des Sulfonyl-stabilisierten Methandiids 20-Li2 als Ligand in {\"U}bergangsmetallkomplexen. Dabei konnte 20-Li2 mit ver-schiedenen {\"U}bergangsmetallhalogeniden in Salzmetathesereaktionen umgesetzt werden. Insgesamt wiesen die synthetisierten Methandiid-basierten Komplexe flexible Bindungsverh{\"a}ltnisse bez{\"u}glich der MC-Bindung und unterschiedliche Koordinationsmodi der Sulfonyl-Gruppe auf, die die Stabilit{\"a}t und Reaktivit{\"a}t der Komplexe signifikant beeinflussten. In Abh{\"a}ngigkeit von der chemischen Natur des Metallfragmentes und der Co Liganden konnten Carbenkomplexe mit einer ylidischen M-C-Wechselwirkung (A) und solche mit einer echten M=C-Doppelbindung (B) zug{\"a}nglich gemacht werden. Dabei gelang die Etablierung einer Vielzahl an neuen Komplexen sowohl mit fr{\"u}hen (Zirkonium) als auch sp{\"a}ten (Palladium, Ruthenium, Iridium) {\"U}bergangsmetallen. Die synthetisierten Verbindungen zeigten dabei unterschiedliche strukturelle und elektronische Eigenschaften, was zu deren Unterteilung in die zwei Komplexklassen A und B f{\"u}hrte. So konnte bei der Umsetzung von Methandiid 20-Li2 mit Zirkonocendichlorid die selektive Bildung des Zirkonocenkomplexes 50 beobachtet werden, bei dem NMR spektroskopische (z.B. Hochfeldverschiebung des 13C NMR-Signals des Carben-Kohlenstoffatoms) und r{\"o}ntgenstrukturanalytische (z.B. Pyramidalisierung des „Carben"-Kohlenstoffatoms) Untersuchungen erste Hinweise darauf lieferten, dass sich 50 nicht als Carbenkomplex mit einer Zr=C-Doppelbindung beschreiben l{\"a}sst. Dies konnte durch quantenchemische Rechnungen best{\"a}tigt werden, wobei die „Natural Bond Orbital"-Analyse (NBO-Analyse) eine deutliche negative Ladung am zentralen Kohlenstoffatom (qc = 1.42) und somit dessen nukleophilen Charakter aufdeckte. Zus{\"a}tzlich lieferten die Rechnungen eine deutlich positive Ladung am Zirkoniumatom (qZr = 1.35), weshalb die Zr-C-Interaktion in 50 am besten mit einer ylidischen Wechselwirkung beschrieben wird. {\"A}hnliche Resultate konnten auch bei den aus den Umsetzungen von 20-Li2 mit [(PPh3)2PdCl2] bzw. [(PPh3)3RuCl2] erhaltenen Komplexen 51a bzw. 52-Int beobachtet werden. Wie f{\"u}r Verbindung 50 ergab die NBO-Analyse von 51a bzw. 52-Int zwar eine  Bindung zwischen Metall- und Kohlenstoffatom, interessanterweise aber keine  Wechselwirkung. Aufbauend auf der elektronischen Struktur von 51a bzw. 52-Int zeichnen sich die beiden Komplexe durch eine hohe Instabilit{\"a}t und Reaktivit{\"a}t aus. Dabei bildete 51a in L{\"o}sung diverse Zersetzungsprodukte, w{\"a}hrend der Ruthenium-Carbenkomplex 52-Int selektiv die Phenylgruppe des Sulfonyl-Substituentens in ortho Position unter Ausbildung der cyclometallierten Spezies 52 intramolekular deprotonierte. Das Cyclometallierungsprodukt 52 konnte in einer Ausbeute von 62\% isoliert und vollst{\"a}ndig charakterisiert werden. Die schwache -Interaktion zwischen Metall- und Kohlenstoffatom konnte im Falle der Palladium- und Rutheniumkomplexe auf den Elektronenreichtum der sp{\"a}ten {\"U}bergangsmetalle zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden, welcher durch die guten  Donor- und schlechten  Akzeptoreigenschaften der Phosphan-Liganden zus{\"a}tzlich verst{\"a}rkt wurde. Durch Austausch der Triphenylphosphan-Liganden in der Rutheniumdichlorid-Vorstufe gegen das Aren p-Cymol konnte die elektronische Natur am Metallfragment derartig beeinflusst werden, dass ein selektiver Zugang zu Ruthenium-Carbenkomplex 53 gelang. Verbindung 53 konnte in einer guten Ausbeute von 86\% in Form eines dunkelvioletten Feststoffes isoliert und vollst{\"a}ndig charakterisiert werden. Dass es sich bei 53 tats{\"a}chlich um einen Carbenkomplex mit einer M=C-Doppelbindung handelt, konnte mithilfe der Molek{\"u}lstruktur im Festk{\"o}rper, den NMR-spektroskopischen Daten und der berechneten elektronischen Struktur best{\"a}tigt werden. So wies 53 eine kurze Ru=C-Bindung und eine planare Koordinationsumgebung des zentralen Kohlenstoffatoms [Winkelsumme: 358.9(1) {\AA}] auf. Zus{\"a}tzlich sprachen die im Vergleich zu Methandiid 20-Li2 verl{\"a}ngerten P-C- und C-S-Abst{\"a}nde f{\"u}r geschw{\"a}chte elektrostatische Wechselwirkungen im Ligand-R{\"u}ckgrat und somit f{\"u}r einen effizienten Elektronentransfer vom Methandiid zum Metall. Die NBO-Analyse ergab sowohl eine - als auch -Wechselwirkung der M-C-Bindung mit einer nur leichten Polarisierung zum Kohlenstoffatom. {\"A}hnliche Beobachtungen (kurzer Ir-C-Abstand, Planarit{\"a}t am Kohlenstoffatom, reduzierte elektrostatische Wechselwirkungen im Ligand-R{\"u}ckgrat, NBO-Analyse) wurden ebenfalls f{\"u}r den Iridium-Carbenkomplex 53 gemacht.Die negativere Ladung am Carben-Kohlenstoffatom wies hierbei allerdings auf einen leicht ylidischeren Charakter der MC-Bindung als im Ruthenium-Analogon 53 hin. Aufbauend auf der elektronischen Natur der M=C-Bindung ergaben sich unterschiedliche Reaktivit{\"a}ten der Carbenkomplexe. W{\"a}hrend der Zirkonocenkomplex 50 gegen{\"u}ber Aldehyden, Ketonen und Disulfiden entweder keine Reaktivit{\"a}t oder Zersetzung zum zweifach protonierten Liganden zeigte, erfolgte ausgehend von Ruthenium-Carbenkomplex 52-Int die intramolekulare CH-Aktivierung zu 52. Im Gegensatz dazu konnte der Ruthenium-Carbenkomplex 53 in einer Vielzahl von EH-Bindungsaktivierungen eingesetzt werden. Dabei konnten zahlreiche E-H-Bindungen bei Raumtemperatur aktiviert und das nicht-unschuldige Verhalten des Methandiid-Liganden unter Beweis gestellt werden. So konnten die O-H- und N-H-Bindungen in einer Serie von Alkoholen und Aminen, die P-H-Bindung in sekund{\"a}ren Phosphanoxiden und die hydridischen SiH- und BH-Bindungen in Silanen und Boranen durch 53 gespalten werden. Durch r{\"o}ntgenstrukturanalytische Aufkl{\"a}rung der Molek{\"u}lstrukturen im Festk{\"o}rper konnte gezeigt werden, dass die Bindungsaktivierung im Allgemeinen unter 1,2-Addition der Substrate auf die Ru=C-Doppelbindung unter Bildung der entsprechenden cis-Additionsprodukte erfolgte. Die Aufhebung der Metall-Kohlenstoffdoppel- zu einer -einfachbindung machte sich in einer Verl{\"a}ngerung der Ru=C-Bindung von 1.965(2) {\AA} in 53 auf etwa 2.2 {\AA} bemerkbar. Zudem konnte in allen Molek{\"u}lstrukturen der Aktivierungsprodukte eine Pyramidalisierung des ehemals planaren Carben-Kohlenstoffatoms detektiert werden. Bez{\"u}glich der Regioselektivit{\"a}t verliefen die Umsetzungen mit Substraten, in denen das Wasserstoffatom einen protischen (O-H, N-H-Bindungen) bzw. m{\"a}ßig protischen/hydridischen (P-H-Bindungen) Charakter aufweist, erwartungsgem{\"a}ß unter Protonierung des nukleophilen Carben-Kohlenstoffatoms. Interessanterweise f{\"u}hrten die O-H- und N-H-Aktivierungsreaktionen z.T. zur Ausbildung eines Gleichgewichts zwischen Carbenkomplex und Additionsprodukt. Dabei konnte ein derartiger Gleichgewichtsprozess in der Chemie Methandiid-basierter Carbenkomplexe bisher nicht beobachtet werden, was die außerordentliche Stabilit{\"a}t des Rutheniumkomplexes 53 unterstreicht. Diese Reversibilit{\"a}t wurde bspw. anhand der Umsetzung von Komplex 53 mit p Methoxyphenol mittels VT-NMR-Studien untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich das Gleichgewicht beim Abk{\"u}hlen auf 80 °C gem{\"a}ß entropischer Effekte fast vollst{\"a}ndig auf die Seite des Additionsproduktes verschieben l{\"a}sst, w{\"a}hrend beim Erw{\"a}rmen auf Raumtemperatur das Gleichgewicht auf der Seite des Carbenkomplexes liegt. {\"A}hnliche Gleichgewichtsprozesse konnten bei der N-H-Aktivierung beobachtet werden. Bei der Aktivierung von Ammoniak konnte das Additionsprodukt 60 nicht isoliert werden, da auch hier ein stark temperaturabh{\"a}ngiges Gleichgewicht vorlag, wobei erst ab 90 °C das Gleichgewicht vollst{\"a}ndig auf der Seite des Aktivierungskomplexes 60 lag. Daher konnte 60 nicht isoliert und eindeutig identifiziert werden. In folgenden Arbeiten sollte die Isolierung von 60 im Festk{\"o}rper angestrebt und somit dessen Existenz nachgewiesen werden. Zudem k{\"o}nnten auch hier {\"U}bertragungsreaktionen des aktivierten Ammoniaks auf unges{\"a}ttigte Substrate durchgef{\"u}hrt werden. {\"U}berraschenderweise zeigte die Si-H-Bindungsaktivierung von unterschiedlich substituierten aliphatischen und aromatischen Silanen ein analoges Reaktionsmuster und f{\"u}hrte zur selektiven Bildung der entsprechenden Silylkomplexe 66a-66f anstelle der aufgrund der Polarit{\"a}ten zu erwartenden Hydrido-Spezies. Mittels DFT-Rechnungen konnte gezeigt werden, dass der Reaktionsmechanismus der SiH-Aktivierung nicht {\"u}ber eine konzertierte 1,2-Addition, sondern {\"u}ber einen zweistufigen Prozess verl{\"a}uft. Dabei erm{\"o}glichen die flexiblen Koordinationseigenschaften des Liganden in 53 eine oxidative Addition der Si-H-Bindung an das Ruthenium-Zentrum, auf die ein Hydrid-Transfer zum Methandiid-Kohlenstoffatom folgt. Neben einfachen Bindungsaktivierungen wurde das Potential der synthetisierten Silylkomplexe 66a-66c in Hydrosilylierungsreaktionen untersucht. In diesem Zusammenhang wurde die Hydrosilylierung von Norbornen angestrebt. W{\"a}hrend bei Raumtemperatur keine Reaktion stattfand, konnte nach Erh{\"o}hung der Temperatur auf 80 °C das gew{\"u}nschte Hydrosilylierungsprodukt 68 zwar mittels GC-MS-Analytik nachgewiesen werden, jedoch entstand bei den gew{\"a}hlten Reaktionsbedingungen das ROMP-Produkt 69 als Hauptprodukt. In weiterf{\"u}hrenden Arbeiten m{\"u}ssen noch Optimierungsversuche der Reaktionsbedingungen zu einem selektiveren Umsatz zum Hydrosilylierungsprodukt durchgef{\"u}hrt werden. Interessante Ergebnisse lieferten zudem die Umsetzungen des Ruthenium-Carbenkomplexes 53 mit Boranen und verschiedenen Boran-Lewis-Basen-Addukten. Dabei f{\"u}hrte die Reaktion von 53 mit Catecholboran zur Bildung des Hydridokomplexes 73, dessen Molek{\"u}lstruktur im Festk{\"o}rper bestimmt werden konnte. Jedoch konnte der Komplex aufgrund seiner Instabilit{\"a}t in L{\"o}sung bisher nicht vollst{\"a}ndig NMR-spektroskopisch und mittels Elementaranalytik charakterisiert werden. Im Gegensatz zur Si-H-Aktivierung findet hier die Addition entsprechend der Polarit{\"a}t der B-H-Bindung statt. Erstaunlicherweise f{\"u}hrte die BH Bindungsaktivierung in Pinakolboran jedoch nicht zu einer zu 73 analogen Hydrid-Spezies. Der NMR-spektroskopische Verlauf der Umsetzung deutete zun{\"a}chst auf die Bildung des BH-Additionsproduktes unter Protonierung des PCS-R{\"u}ckgrats hin, welches sich in eine andere, bisher nicht identifizierbare Spezies umwandelte. Wiederum zu einem anderen Ergebnis f{\"u}hrte die Umsetzung von 53 mit BH3∙SMe2. Durch Insertion eines Borans in die Thiophosphoryl-Einheit unter Aktivierung der B-H-Bindung wurde hierbei Komplex 76 gebildet, der als zentrales Strukturmotiv einen P-B-S-Ru-C-F{\"u}nfring aufwies. Neben der Spaltung polarer E-H-Bindungen gelang außerdem die Aktivierung der unpolaren Bindung in Diwasserstoff unter Bildung des Hydridokomplexes 77. Mittels R{\"o}ntgenstrukturanalyse konnte auch hier eine cis-Addition von H2 auf die RuC-Doppel-bindung best{\"a}tigt und das Signal des hydridischen Wasserstoffatom eindeutig im 1H NMR-Spektrum der Verbindung bei H = 6.62 ppm detektiert werden. Interessanterweise konnte Verbindung 77 ebenfalls durch Dehydrierung von iso Propanol bzw. Ameisens{\"a}ure (HCOOH) unter Abspaltung von Aceton bzw. CO2 synthetisiert werden. Aufbauend auf der beobachteten Dehydrierung von iPrOH unter Bildung des Hydridokomplexes 77 wurde der Frage nach einer m{\"o}glichen Anwendung des Carbenkomplexes 53 in der katalytischen Transferhydrierung von Ketonen zu Alkoholen nachgegangen. Obgleich die Aktivierung von H2 bzw. die Dehydrierung von iPrOH keine Reversibilit{\"a}t aufwies, sollte ein Katalysezyklus basierend auf einem Wechselspiel zwischen Carben- 53 und Hydridokomplex 77 mit iPrOH als Wasserstoffquelle realisierbar sein. Diesbez{\"u}glich lieferten erste Reduktionsversuche von Acetophenon zu 1 Phenylethanol mit 53 und KOtBu als Hilfsbase allerdings schlechte Alkohol-Ausbeuten im Vergleich zu literaturbekannten, {\"u}bergangsmetallkatalysierten Transferhydrierungen. Ein Katalyseansatz mit 0.50 mol-\% 53 und 19 mol-\% KOtBu ergab nach 24 h bei 75 °C eine Alkohol-Ausbeute von gerade einmal 55\%. Zudem konnte eine starke Abh{\"a}ngigkeit der Ums{\"a}tze von der eingesetzten Basenmenge beobachtet werden, was auf eine konkurrierende, Basen-induzierte Reduktion hindeutete. Eine Optimierung der Katalysebedingungen gelang durch Zugabe von Triphenylphosphan. Mithilfe des Additivs konnte innerhalb von 12 h bei 75 °C mit 0.50 mol-\% 53, 6.20 mol-\% KOtBu und 6.20 mol-\% PPh3 ein nahezu quantitativer Umsatz (94\%) von Acetophenon zu 1-Phenylethanol beobachtet werden. Sogar eine Verringerung der Basen- und Phosphanmenge auf 1.60 und 1.10 mol-\% reichte aus, um Ausbeuten von 90\% zu erreichen (Abb. 4.5., rechts). Dabei konnte Rutheniumkomplex 53 als erster Methandiid-basierter Carbenkomplex mit katalytischem Potential in Transferhydrierungen etabliert werden. Außerdem beschr{\"a}nkte sich die katalytische Aktivit{\"a}t von 53/PPh3 nicht nur auf die Reduktion von Acetophenon, sondern konnte auch erfolgreich auf weitere aromatische und aliphatische Ketone {\"u}bertragen werden. Mittels NMR-spektroskopischer Untersuchungen des Katalyseverlaufs gelang ein Nachweis der katalytisch aktiven Spezies im Katalysezyklus. So konnte bei 75 °C zun{\"a}chst die erwartungsgem{\"a}ße Entstehung des Hydridokomplexes 77 beobachtet werden. Dieser setzte sich anschließend mit PPh3 zum cyclometallierten Phosphankomplex 52 um. Aufbauend auf diesen Beobachtungen wurde ebenfalls Komplex 52 hinsichtlich seines katalytischen Potentials in der Reduktion von Acetophenon untersucht, wobei noch bessere Ums{\"a}tze als mit dem Katalysator 53/PPh3 beobachtet wurden. Hierbei konnte bereits nach 3 h mit 0.50 mol-\% 52 und 1.60 mol-\% KOtBu eine Ausbeute von 95\% erzielt werden. Zudem f{\"u}hrten Ans{\"a}tze mit 52 auch ohne Zugabe einer Base zu Ums{\"a}tzen von ca. 40\%. Eine {\"U}bertragung der Katalysebedingungen auf die Reduktion weiterer Keton-Derivate lieferte ebenfalls gute Ergebnisse und ergab Alkohol-Ausbeuten zwischen 72\% und 96\%. Die f{\"u}r Ruthenium-Carbenkomplex 53 gefundene Reaktivit{\"a}t und das nicht-unschuldige Verhalten des Methandiid-Liganden konnten außerdem auch f{\"u}r Iridium-Carbenkomplex 55 beobachtet werden. So konnten analoge NH, PH- und SiH-Additionsprodukte selektiv synthetisiert und in guten Ausbeuten (etwa 60-90\%) analysenrein erhalten werden. In Analogie zu Rutheniumkomplex 53 f{\"u}hrte die Aktivierung von Substraten mit unterschiedlichen E-H-Bindungen entsprechend der Ladungsverteilung im Ir+C--Fragment zur Protonierung der PCS-Br{\"u}cke in 55. Dabei wiesen auch hier die Additionsprodukte im Allgemeinen eine cis-Anordnung der vorherigen E-H-Einheit auf. Einzige Ausnahme stellte das mit p-Nitroanilin gebildete NH-Aktivierungsprodukt 61b dar. Hierbei konnte mittels R{\"o}ntgenstrukturanalyse eine trans-Anordnung der Amido-Einheit und des PCHS-Br{\"u}ckenprotons detektiert werden, die durch Ausbildung einer Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung zwischen der Amido-NH- Einheit und dem Sauerstoffatom des Sulfonyl-Substituentens beg{\"u}nstigt wird. Zudem konnte f{\"u}r die Bildung von 61b ein bei Raumtemperatur reversibler Reaktionsprozess unter R{\"u}ckbildung des Carbenkomplexes 55 und Abspaltung von p-Nitroanilin beobachtet werden. In k{\"u}nftigen Experimenten sollte untersucht werden, ob aufgrund der Reversibilit{\"a}t katalytische Hydroaminierungen mit 61b realisierbar sind. Trotz des hydridischen Charakters des Si-H-Wasserstoffatoms in Silanen wurden auch mit Carbenkomplex 55 ausschließlich die SiH-Bindungsaktivierungskomplexe 71a-71c gebildet. Zudem konnte bei der Aktivierung von Triphenylsilan zwar das Additionsprodukt 71a mittels NMR-spektroskopischer Untersuchungen in der Reaktionsl{\"o}sung nachgewiesen werden, jedoch setzte sich dieses bereits bei Raumtemperatur zum cyclometallierten Komplex 72 um. Interessanterweise resultierten die Aktivierung von H2 und die Dehydrierung von iPrOH ebenfalls in 72. Mittels NMR-spektroskopischer Untersuchungen des Reaktionsverlaufes konnte hierbei gezeigt werden, dass die Cyclometallierung ausgehend von dem in situ gebildeten Iridium-Hydridokomplex 79 stattfindet. Deuterierungsexperimente mit iPrOH-d8 belegten außerdem, dass die Protonierung der PCS Br{\"u}cke durch iPrOH und nicht durch direkte ortho-C-H-Aktivierung der Sulfonyl-Phenyl-Gruppe erfolgt. Die Isolierung des Iridium-Hydridokomplexes 79 war aufgrund seiner schnellen Umsetzung zu 72 daher nicht m{\"o}glich. Die Nukleophilie des Carben-Kohlenstoffatoms und die ausgezeichnete M=C-Wechselwirkung in Ruthenium-Carbenkomplex 53 erm{\"o}glichten neben EH-Bindungsaktivierungen außerdem [2+2]-Cycloadditionsreaktionen mit Iso- und Thioisocyanaten. In diesem Zusammenhang konnten mit tert-Butyl- und Phenylisocyanat die Cycloadditionsprodukte 80a und 80b synthetisiert, in guten Ausbeuten isoliert (79\% bzw. 80\%) und vollst{\"a}ndig charakterisiert werden. Die mittels R{\"o}ntgenstrukturanalyse durchgef{\"u}hrte Aufkl{\"a}rung der Molek{\"u}lstruktur von 80a im Festk{\"o}rper best{\"a}tigte die Ausbildung eines C-Ru-N-C-Vierringes als zentrales Strukturmotiv, was mit literaturbekannten Umsetzungen dieser Art {\"u}bereinstimmt. Mit tert-Butyl- und Phenylthioisocyanat hingegen wurden die Iminkomplexe 81a/b unter Addition der Ruthenium-Kohlenstoff-Doppelbindung an das CS-Fragment im Thioisocyanat erhalten. Dabei konnte die Ausbildung eines C-Ru-S-C-Vierringes als zentrales Strukturmotiv beobachtet werden. Insgesamt folgte die Selektivit{\"a}t der gebildeten [2+2]-Cycloadditionsprodukte 80a/b und 81a/b den Prinzipien des HSAB-Konzeptes, wonach jeweils das weichere Atom des Heteroallens an das Ruthenium-Zentrum bindet. Obgleich die Reaktivit{\"a}t Methandiid-basierter Carbenkomplexe mit verschiedenen Heteroallenen bereits in der Literatur beschrieben wurde, stellte die Umsetzung mit Thioisocyanaten zu 81a/b ein bisher unbekanntes Reaktionsverhalten dieser Verbindungsklasse dar. Neben der Anwendung des Methandiids 20-Li2 als Ligand f{\"u}r die Synthese neuer {\"U}bergangsmetallkomplexe erwies sich das Dianion außerdem als geeignet f{\"u}r die Darstellung des Li/Cl-Carbenoids 83. Dabei konnte 83 zum einen durch Oxidation von 20-Li2 mit Hexachlorethan (C2Cl6) und zum anderen durch Metallierung des chlorierten Liganden 82 synthetisiert und in guten Ausbeuten (67-82\%) als farbloser, kristalliner Feststoff isoliert werden. Verbindung 83 erwies sich dabei als ein seltenes, bei Raumtemperatur stabiles Li/Cl-Carbenoid. Aufgrund der Stabilit{\"a}t im Festk{\"o}rper als auch in L{\"o}sung bei Raumtemperatur konnte 83 zudem NMR-spektroskopisch und mittels Elementaranalytik vollst{\"a}ndig charakterisiert werden. Ebenfalls gelang die Aufkl{\"a}rung der Molek{\"u}lstruktur von 83 im Festk{\"o}rper. Diese zeigte keinen direkten Kontakt zwischen dem Carbenoid-Kohlenstoff- und Lithiumatom und lieferte damit neben der elektronischen Stabilisierung eine Erkl{\"a}rung f{\"u}r die beobachtete Stabilit{\"a}t von 83. Dabei beteiligt sich das Ligandsystem durch Koordination der Sulfonyl-Gruppen an das Lithiumatom erheblich an der Stabilisierung, sodass eine Lithiumchlorid-Eliminierung erschwert wird. Außerdem zeigte die Molek{\"u}lstruktur keine Verl{\"a}ngerung der C-Cl-Bindung, wie es f{\"u}r unstabilisierte Carbenoide in der Literatur beschrieben wird. Diese Tatsache und die im 13C-NMR-Spektrum beobachtete Abschirmung des Carbenoid-Kohlenstoffatoms im Vergleich zur chlorierten Vorstufe 82 lieferten erste Anzeichen f{\"u}r einen geringen carbenoiden Charakter von 83. Außerdem best{\"a}tigten quantenchemische Rechnungen keine signifikante Polarisierung der CCl-Bindung. Die durch die Stabilisierung resultierende Verringerung des carbenoiden Charakters und somit der Ambiphilie spiegelte sich auch in der Reaktivit{\"a}t von 83 wider. So konnte Verbindung 83 nicht als Cyclopropanierungsreagenz verwendet werden, wie es zumeist f{\"u}r klassische Carbenoide der Fall ist. Gegen{\"u}ber Elektrophilen wie Methyliodid oder Chlordiphenylphosphan reagierte 83 in Analogie zu Organolithiumbasen zu den Verbindungen 84a und 84b. Jedoch konnte 83 als Carbenvorstufe zur Synthese des Palladium-Carbenkomplexes 51a unter LiCl-Eliminierung eingesetzt werden, was den leicht vorhandenen carbenoiden Charakter von 83 wiedergibt. Zudem wurde 83 hinsichtlich seines Aktivierungspotentials von EE-Bindungen untersucht. W{\"a}hrend die Aktivierung der BH-Bindung in Boranen und die BB-Bindung in Diboranen nicht gelang, konnte die SS-Bindung in 2,2'-Dipyridyl- und 4,4'-Dipyridyldisulfid gespalten und Verbindung 90 analysenrein erhalten werden (Schema 4.8.). Studien zur Aufkl{\"a}rung dieses Reaktionsverhaltens stehen jedoch noch aus. Bez{\"u}glich der Aktivierung von P-H-Bindungen in unterschiedlich substituierten aromatischen Phosphanen konnte f{\"u}r 83 eine zu einem Silyl-stabilisierten Carbenoid analoge Reaktivit{\"a}t gefunden werden. Hierbei erfolgte keine Addition der P-H-Bindung an das carbenoide Kohlenstoffatom, sondern die selektive Dehydrokupplung der Phosphane zu Diphosphanen unter LiCl-Eliminierung. Diese {\"u}berraschende und bis dato f{\"u}r Carbenoide unbekannte Reaktivit{\"a}t erfolgte unter milden Reaktionsbedingungen (Raumtemperatur) und ohne Einsatz von {\"U}bergangsmetallkatalysatoren. Insgesamt konnte f{\"u}r Verbindung 83 ein vielf{\"a}ltiges Reaktionsverhalten gefunden werden. Neben dessen Eignung als Carbenvorstufe bei der Synthese von {\"U}bergangsmetall-Carbenkomplexen, konnte die Spezies in der Aktivierung von SS- und PH-Bindungen eingesetzt werden. In zuk{\"u}nftigen Reaktivit{\"a}tsstudien sollte das beobachtete Potential auf weitere Substrate {\"u}bertragen werden.},
  subject      = {Carbenkomplexe},
  language  = {de}
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