Synthetischer Teil:Kohlenhydrate (Zucker) sind die größte Klasse von Biomolekülen in der Natur und stellen eine erneuerbare, enantiomerenreine Ressource dar. Aufgrund ihrer verschiedenen Kohlenstoffkettenlängen, hohen Dichte an Stereozentren und nahezu perfekter Enantiomerenreinheit, machen sie zu attraktiven Ausgangsmaterialien für die Totalsynthese. Trotzdem sehen sie kaum Verwendung in der Literatur, hauptsächlich weil es kaum generelle und einfach handzuhabende Strategien gibt, Zucker sinnvoll zu derivatisieren. Darüber hinaus wird Kohlenhydratchemie oft als wenig zuverlässig und technisch schwer beschrieben. Diese Arbeit adressiert diese Probleme in zwei Publikationen.Im ersten Projekt wird eine kurze und generelle Route beschrieben, um von Pentosen einfach zu Cyclopentanonen und Cyclopentenonen zu gelangen. Ausgehend vom entsprechenden Methylpyranaosid führt Benzylschützung, Hydrolyse, Wittig Olefinierung und DMP-Oxidation zu einem Molekül, mit einem Aldehyd und α,β-ungesättigtem Ester. Diese Zwischenstufe kann mittels intramolekularer NHC-katalysierter Stetter Reaktion zu einem Cyclopentanon Ring zyklisiert werden. Während der Zyklisierung wird die Stereoinformation von drei Stereozentren des Ausgangszuckers erhalten. Die Route kann für alle Standard-Pentosen angewendet werden und führt in allen Fällen zu exzellenten Ausbeuten (bis zu 97%). Außerdem wird eine Vielzahl verschiedener Ester akzeptiert. In einem optionalen Schritt kann selektiv eine Benzylgruppe eliminiert werden, um zu Cyclopentenonen zu gelangen. Diese Elimination kann parallel zur Zyklisierung oder sequenziell durchgeführt werden.Im zweiten Projekt wurde die Wittig Olefinierung von Kohlenhydraten mittels mechanochemischer Reaktionsführung untersucht. Traditionelle Wittig-Reaktionen am anomeren Zentrum des Zuckers in der Flüssigphase, leiden unter schlechter Reaktionskinetik, weil das Mutarotationsgleichgewicht weit auf der Ringseite liegt. Typischerweise benötigen solche Reaktionen hohe Temperaturen und lange Reaktionszeiten, sowie minutiösen Ausschluss von Wasser. Wir konnten zeigen, dass mittels mechanochemischer Aktivierung, diese Reaktionen deutlich beschleunigt werden können, und gute Ausbeuten innerhalb einer Stunde unter Atmosphärenbedingungen erreichbar sind. Wir haben die Methode an einer Vielzahl von Kohlenhydraten mit verschiedensten relativen Stereokonfigurationen getestet und konnten zeigen, dass gute Ausbeuten ebenfalls mit verschiedenen Schutzgruppen, sowie nur teilgeschützten Zuckern erzielbar sind. Diese Arbeit erweitert die verfügbaren Möglichkeiten, um Kohlenhydrate in synthetisch wertvolle Bausteine zu verwandeln.Strukturaufklärungsteil:Im Kontext von Klimawandel und Verknappung von fossilen Ressourcen erfährt die Chemie aktuell einen Wandel hin zu „Grünen Technologien“. Traditionell petrochemische Produkte werden immer öfter aus erneuerbaren Quellen hergestellt, oder mit alternativen Substanzen ersetzt. Daher ist es essenziell, die Prozesse zur Gewinnung von Chemikalien aus biologischen Systemen zu verbessern und zu erforschen. Im Zuge dessen, werden Stoffwechselwege untersucht, und untersucht welche Gensequenzen und damit verbunden Enzyme am Auf- und Abbau von Naturstoffen beteiligt sind. In diesem Licht ist die NMR-Spektroskopie ein wichtiges analytisches Werkzeug, um die Struktur von Zwischen- und Endprodukten von Stoffwechselpfaden aufzuklären. In dieser Arbeit sind 4 Publikationen enthalten in denen NMR als Analysetechnik eingesetzt wurde, um enzymatische Reaktionen und deren Produkte zu analysieren.Im ersten Projekt wird eine neuartige Acyltransferase beschrieben, welche hydrophile Substrate in wässrigen Medien akzeptiert, und somit die Acetylierung von Glukosebasierten Oligomeren ermöglicht. NMR-Analytik konnte zeigen, dass die Acetylierung spezifisch für die O6-Position am nicht-reduzierenden Zucker ist, und dass Glucose, Maltose und Maltotriose dabei sehr effizient umgesetzt werden.Zwei weitere Projekte fokussieren sich auf maritime Polysaccharide Ulvan (ein komplexes Polymer das aus vielen seltenen Zuckern zusammengesetzt ist) und Xylan (verschieden gebundene Xyloseeinheiten), welche von Makroalgen gewonnen werden können. Hierbei war das Ziel der Gruppe von Uwe Bornscheuer (Universität Greifswald) den Stoffwechsel der Algen beim Abbau dieser Polymere besser zu verstehen, um dadurch seltene Zucker aus der Algenbiomasse gewinnen zu können. Es wurden eine Vielzahl beteiligter Enzyme identifiziert und isoliert. Durch systematische, schrittweise Anwendungen verschiedener Enzymkombinationen wurde die Biomasse verdaut. Die entstandenen Produkte wurden an uns übergeben, und mittels NMR und MS strukturell aufgeklärt. So konnten die Funktionen und genauen Schnittmuster dieser Enzyme aufgeklärt werden.Die letzte Publikation befasst sich mit einem neuartigen antifungalen Stoff, „Ilicicolin K“, welchen wir erstmals in der Literatur beschrieben haben. Der Stoff wurde durch Aktivierung des eigentlich abgeschalteten Genclusters für Ilicicoline im Pilz Trichoderma reesei erzeugt und isoliert. Die mikrobielle Arbeit wurde von der Birner-Grünberger Gruppe durchgeführt, die volle Strukturaufklärung war unsere Aufgabe. Der neue Stoff wurde auf seine Effektivität als Anti-Pilz-Mittel untersucht und zeigte vielversprechende Testergebnisse.Insgesamt zeigen die 4 Publikationen, wie wichtig interdisziplinäre Kooperationen zwischen Biologie und organisch-chemischer Analytik sind, um erneuerbare Ressourcen besser nutzbar zu machen.
Christoph Suster (Sun,) studied this question.