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Forschung im AK Dr. Steffen Lüdeke

Chirale Moleküle lassen sich nur schwer von ihrem spiegelbildlich aufgebauten Enantiomer unterscheiden. Sie können jedoch untersucht werden, indem man Lichtwellen mit asymmetrischen Eigenschaften (zirkular polarisiertes Licht) erzeugt und deren Wechselwirkungen mit dem Molekül misst. Man spricht hier von Zirkulardichroismus. Je nach eingestrahltem Wellenlängenbereich unterscheidet man zwischen elektronischem Zirkulardichroismus (Einstrahlung im sichtbaren und ultravioletten Bereich) und Schwingungs-Zirkulardichroismus oder VCD (engl.: „vibrational circular dichroism“), bei dem die Differenz zwischen der Absorption von links- bzw. rechtszirkular polarisiertem Infrarotlicht gemessen wird. Es ergeben sich Spektren mit positiven und negativen Banden, die für ein Enantiomerenpaar zwar die gleichen Intensitäten, aber entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.

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Die am weitesten verbreitete ANwendung von VCD ist die Zuordnung der absoluten Konfiguration eines chiralen Moleküls (R oder S), also die Bestimmung der eindeutigen Anordnung der Molekülatome im dreidimensionalen Raum. Hierfür werden die experimentell erhaltenen Spektren mit quantenchemisch berechneten Spektren verglichen. Vor allem durch das charakteristische Bandenmuster der VCD-Spektren ist dieses Verfahren besonders zuverlässig.

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Untersuchung der Stereo-Selektivität Enzym-katalysierter Reduktionen

Zur selektiven Herstellung chiraler sekundärer Alkohole können enzymatisch katalysierte Reduktionen von Ketonen ausgenutzt werden. Werden bereits chirale Substrate als Razemat eingesetzt, liefert der enzymatische Reduktionsschritt Produkte mit zwei Stereozentren. Wenn das Enzym nur eines der beiden Enantiomere als Substrat akzeptiert, erhält man als Produkt selektiv eines von vier möglichen Stereo-Isomeren:

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Die Stereoselektivität der Reduktasen kann in Abhängigkeit von den Resten R1 und R2 stark variieren oder sich sogar umkehren. VCD erlaubt eine schnelle und zuverlässige Aufklärung der Stereochemie. Durch die Kenntnis der Raumstruktur verschiedener Biosyntheseprodukte können dann Rückschlüsse auf die Stereoselektivität des Enzyms gezogen werden. Dies ermöglicht nicht nur einen gezielten Einsatz von Biokatalysatoren für spezifische Fragestellungen in der organischen Synthese, sondern trägt auch zum Verständnis enzymatischer Reaktionen im Allgemeinen bei.
 
Lüdeke, S., Richter, M., Müller, M. (2009) Stereoselective Synthesis of Three Isomers of tert-Butyl 5-Hydroxy-4-methyl-3-oxohexanoate through Alcohol Dehydrogenase-Catalyzed Dynamic Kinetic Resolution. Adv Synth Catal 351:253-259.
 

Komplexe mit chiralem Metallatom – Ein Modell für die Induktion übergeordneter Chiralität

Supramolekulare Chiralität beschreibt die übergeordnete Raumstruktur eines chiralen Moleküls. Beispiele hierfür sind die Windung eines Peptid- oder eines DNA-Moleküls als P- oder M-Helix. Auch schraubenartig angeordnete Liganden in Komplexmolekülen können als Helix aufgefasst werden. Dadurch wird auch das Zentralatom chiral. Hierbei spricht man von - bzw. -konfigurierten Metallatomen. Die Entstehung von supramolekularer Chiralität wird von im Molekül vorhandenen Stereozentren beeinflusst, hängt aber auch von der nicht-chiralen Umgebung ab. Die unten dargestellten Salicylaldiminderivat-Komplexe mit chiralem Zinkatom stellen ein besonders anschauliches Modell für die Untersuchung der übergeordneten Chiralität dar. VCD eignet sich hier zur Zuordnung der - bzw. -Konfiguration besonders gut, da die Kopplung helikal angeordneter Molekülschwingungen im Spektrum deutliche Banden hervorruft.
 
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Chamayou, A. C., Lüdeke, S., Brecht, V., Freedman, T. B., Nafie, L. A., Janiak, C. (2011) Chirality and Diastereoselection of D/L-Configured Tetrahedral Zinc Complexes through Enantiopure Schiff Base Complexes: Combined Vibrational Circular Dichroism, Density Functional Theory, 1H NMR, and X-ray Structural Studies. Inorg Chem 50:11363-11374.
 

Laser-basiertes VCD

Die Einsatzgebiete für VCD-Analytik beschränken sich nicht nur auf die Aufklärung der absoluten Konfiguration. Beispielsweise kann die Abhängigkeit der VCD-Intensitäten vom Enantiomeren-Überschuss (ee) auch für quantitative Analysen ausgenutzt werden. Zudem ergibt sich aus der hohen Empfindlichkeit von VCD gegenüber konformativen Gleichgewichten ein enormes Potential, etwa für die Analyse von Biomolekülen wie Peptiden oder DNA. Limitierend sind in der Regel die kleinen Signalintensitäten. Durch Erhöhung der Schichtdicke oder Verwendung von höher konzentrierten Proben kann die Signalstärke zwar erhöht werden, dies geht aber meist zu Lasten des Signal/Rausch-Verhältnisses, da schlicht weniger Lichtintensität am Detektor ankommt. Problematisch an der Untersuchung von Biomolekülen ist die unvermeidbare Verwendung des Lösungsmittels Wasser, das wegen der starken Eigenabsorption für die Infrarot- und VCD-Spektroskopie wenig geeignet ist.
Wir haben einen VCD-Spektrometer-Aufbau entwickelt, der statt der in kommerziellen Geräten üblichen Glühstäbe einen Quantenkaskaden-Laser (QCL) als Infrarot-Lichtquelle benutzt. Der Laser scannt über einen Bereich von 100 Wellenzahlen. Die hohe Lichtintensität des Lasers ermöglicht die Messung von VCD-Spektren bei Proben mit hoher optischer Dichte, wie z. B. wässrige Lösungen.
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Dank gilt der Baden-Württemberg Stiftung für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Eliteprogramms für Postdoktorandinnen und Postdoktoranden.
 
Lüdeke, S., Pfeifer, M., Fischer, P. (2011) Quantum-Cascade Laser-Based Vibrational Circular Dichroism. J Am Chem Soc 133:5704-5707.
Pfeifer, M., Lüdeke, S., Fischer, P. (2012) Mid-IR laser-based vibrational optical activity. Proc SPIE 8219:821906.
 
 

 

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