In unserer Gruppe befassen wir uns mit allen Arten von halogenierten Verbindungen, ihren Eigenschaften und wie man sie auf milde und selektive Weise synthetisieren kann. Daher setzen wir unseren Fokus auf die Entwicklung biomimetischer Synthesemethoden.

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Banner mit Reagenzgläsern, Foto: Martin Kretzschmar

Obwohl die Halogenierung von organischen Molekülen eine der am weitesten verbreiteten Techniken zur Funktionalisierung von Substraten ist, sind effiziente katalytische Methoden zum selektiven Einbau von Halogenatomen selten. Unser Forschungsprogramm befasst sich daher mit dem seit langem bestehenden Problem der katalytischen Halogenierung. Die Natur hat verschiedene Strategien entwickelt, um diese Art von Reaktionen mit hoher Chemo-, Regio- und Stereospezifität zu katalysieren. Durch die Erforschung und Nachahmung des Konzepts der Natur werden neue Katalysatoren erarbeitet, die die Entwicklung von milden, allgemein anwendbaren und selektiven katalytischen Methoden für die Bildung von Kohlenstoff-Halogen-Bindungen ermöglichen und damit das Methodenarsenal der modernen Synthese um ein besonders vorteilhaftes Werkzeug erweitern. Mit der Anwendung dieser Katalysatoren sind neuartige Verbindungsklassen mit einzigartigen Strukturen und potenten biologischen Aktivitäten leicht zugänglich, wodurch die Grenzen des chemischen Raums erweitert werden, was zur Entdeckung neuer Leitverbindungen beitragen wird und das Potenzial für die Entwicklung neuer Medikamente und theranostatischer Biomaterialien hat.

Projekte

Viele unserer biomimetischen Halogenierungsbemühungen verwenden Iodane als milde Halogenierungsmittel. Unsere ersten Bemühungen in diese Richtung begannen 2012, als wir unsere Iod(III)-katalysierte Bromcarbocyclisierungssynthese von 3,3-disubstituierten Oxoindolen veröffentlichten.[22] 

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Aufbauend auf diesen ersten Erkenntnissen konnten wir Iodane auch zur Synthese von α,α-dialkylierten α-Hydroxycarboxylamiden[32], Fluorbenzoxazepinen[33] und α-Hydroxy-β-Aminosäuren[36] einsetzen. Wir konnten auch Fluoriodane verwenden, um die α-Funktionalisierung von Ketonen über eine stickstoffgerichtete oxidative Umpolung zu ermöglichen[48].

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Unsere derzeitigen Bemühungen konzentrieren sich auf die katalytische, elektrochemische Iodan-Bildung sowie auf die weitere Entwicklung neuer, enantioselektiver Halogenierungsmethoden.

[22] D. C. Fabry, M. Stodulski, S. Hoerner, T. Gulder; Chem. Eur. J. 201218, 10834-10838. Fulltext

[32] A. Ulmer, M. Stodulski, S. V. Kohlhepp, C. Patzelt, A. Pöthig, W. Bettray, T. Gulder; Chem. Eur. J. 201521, 1444-1448. Fulltext

[33] A. Ulmer, C. Brunner, A. M. Arnold, A. Pöthig, T. GulderChem. Eur. J. 201622, 3660-3664. Fulltext

[36] C. Patzelt, A. Pöthig, T. GulderOrg. Lett. 201616, 3466-3469. Fulltext

[48] G. M. Kiefl; T. GulderJ. Am. Chem. Soc. 2020142, 20577–20582. Fulltext

Während unserer Studien wurden wir zunehmend auf die einzigartigen Eigenschaften von flourierten Alkoholen wie HFIP (Hexafluorisopropanol), TFE (2,2,2-Trifluorethanol) und PFTB (Perfluor-tert-Butanol) aufmerksam. Wir waren besonders erfreut, als wir eine sehr deutliche Verbesserung beobachteten, als wir HFIP als Lösungsmittel für unsere biomimetischen Haliranium-induzierten Polyen-Cyclisierungen einsetzten, die traditionell recht schwierig zu erreichen sind.[42]

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Wir führten diesen Effekt auf die Fähigkeit der HFIPs zurück, mikroheterogene, supramolekulare Assemblies zu bilden, von denen wir annahmen, dass sie in der Lage sind, das Substrat der Reaktion in einer günstigen Konformation anzuordnen. 

Wir konzentrieren uns nun darauf, diese Wechselwirkungen weiter zu untersuchen und zu charakterisieren und die supramolekularen Assemblies in anderen Reaktionen, wie z. B. photochemischen Transformationen, zu nutzen.

[42] A. M. Arnold, A. Pöthig, M. Drees, T. GulderJ. Am. Chem. Soc. 2018140, 4344–4353. Fulltext

Da wir versuchen, die Natur nachzuahmen, indem wir biomimetische Halogenierungsreaktionen etablieren, sind wir natürlich daran interessiert, genau zu untersuchen, wie die Natur diese anspruchsvollen und recht seltenen Transformationen durchführt. Ein Typ von halogenierenden Enzymen, an dem wir besonders interessiert sind, sind Vanadium-abhängige Haloperoxidasen. Wir konnten eine cyanobakterielle Haloperoxidase, AmVHPO, charakterisieren und ihr biokatalytisches Halogenierungspotenzial evaluieren.[38]

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Ausgehend davon konnten wir auch eine photobiokatalytische Halogenierung etablieren, indem wir atomökonomische Elektronendonatoren für die Haloperoxidase einsetzten.[44]

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Im Moment versuchen wir, unser Spektrum an verfügbaren halogenierenden Enzymen zu erweitern und untersuchen die Biosynthesewege von halogenierten Naturstoffen.

[38] A. Frank, C. J. Seel, M. Groll, T. GulderChemBioChem 201617, 2028-2032. Fulltext

[44] C. J. Seel, A. Králík, M. Hacker, A. Frank, B. Koenig, T. GulderChemCatChem 201810, 3960-3963. Fulltext

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