Elektronentransfer durch Oligopeptide : Synthese und kinetische Untersuchung von Polyprolin-Modellsystemen

In der vorliegenden Dissertation wurde ein Konzept vorgestellt, das es ermöglicht in einem
Oligopeptid im Sub-Mikrosekunden Zeitraum ein Radikalkation zu erzeugen. Die entwickelte
Methode zeichnet sich dabei durch die hohe Regioselektivität sowie die milden
Reaktionsbedingungen aus.
Bei den untersuchten Modellverbindungen von Typ 37 wurde der C-Terminus von
Oligopeptiden mit einem 2-pivaloyl-modifizierten Tetrahydrofuranderivat verknüpft
(Schema 5.1). Bei der Bestrahlung des Radikalvorläufers 37 kommt es nach einer Norrish-
Typ-I-Eliminierung (ka) und anschließender radikalinduzierter b-Eliminierung der
Diphenylphosphat-Austrittsgruppe (kE) zur Bildung eines Radikalkations der Art 39. Das infolge der Fragmentierung gebildete Radikalkation 39 hat stark oxidierende
Eigenschaften und vermag die Seitenketten geeigneter aromatischer Aminosäuren zu
oxidieren. Bei Flash-Photolyseexperimenten (XeCl-Excimer Laser, l = 308 nm) mit den
Modellverbindungen 67 und 69 (Schema 5.1) konnte gezeigt werden, dass die gebundenen
Aminosäuren Tyrosin und 2,4,6-Trimethoxyphenylalanin, durch das infolge der Bestrahlung
gebildeten Radikalkations der Art 39, oxidiert werden können. Dieser Vorgang wurde anhand der charakteristischen Absorption des gebildeten
Tyrosylradikals (lmax = 410 nm) bzw. des erzeugten Radikalkations von
2,4,6-Trimethoxyphenylalanin (lmax = 550 nm) verfolgt.
Bei anschließenden Experimenten stand die Untersuchung mehrstufiger Elektronentransfer-
Prozesse im Mittelpunkt. Dazu wurden die Modellsysteme 111 - 114 synthetisiert, die drei
verschiedene Redoxzentren aufweisen (Schema 5.2). In den durchgeführten Kaskaden-Experimenten oxidiert das nach der Bestrahlung der
Oligopeptide 111 - 114 entstehende Enolether-Radikalkation 115 in einem ersten
Elektronentransfer-Schritt (kET1) die Seitenkette von 2,4,6-Trimethoxyphenylalanin. Das
dabei gebildete Radikalkation des intermediären Elektronendonors (116) gibt in einem
zweiten Elektronentransfer-Schritt (kET2) die Ladung an Tyrosin, den finalen
Elektronendonor, weiter. Der Abstand des intermediären Elektronendonors zum finalen
Elektronendonor wurde in den Modellsystemen 111 - 114 variiert. Zum Einsatz kamen dabei
n = 0, 1, 3 und 5 verbrückende Prolineinheiten. Der in Schema 5.2 (S. 96) dargestellte Reaktionsablauf konnte durch die Aufnahme von
Transienten-Absorptions-Spektren bestätigt werden (Abbildung 5.2 A). Dabei war es
möglich, die Oxidation und anschließende Reduktion des intermediären Elektronendonors im
Verlauf des mehrstufigen Elektronentransfer-Prozesses zu verfolgen. Aufgrund der spektralen
Eigenschaften der oxidierten Aminosäuren gelang es, den Redoxprozess von
2,4,6-Trimethoxyphenylalanin unbeeinflusst vom Redoxprozess des finalen Elektronendonors
Tyrosin zeitaufgelöst zu untersuchen (Abbildung 5.2 B). Es wurde festgestellt, dass der erste Elektronentransfer-Schritt in den Modellsystemen
113 - 114 konzentrationsunabhängig mit kET1 ≥ 4·107 s-1 abläuft. Durch Auftragung der
beobachteten Geschwindigkeit des zweiten Elektronentransfer-Schritts gegen die
Konzentration gelang es die Geschwindigkeitskonstante für den intramolekularen
Elektronentransfer zwischen dem finalen und intermediären Elektronendonor (kET2,intra) zu
ermitteln. Darüber hinaus konnten durch die Auftragung Informationen zur Geschwindigkeit
des intermolekularen Elektronentransfers (kET2,inter) gewonnen werden (Tabelle 5.1, S. 98).
Die Werte für kET2,intra wurden bezüglich ihrer Distanzabhängigkeit untersucht. Dabei wurde
nur eine schwache Abhängigkeit von kET2,intra gegenüber der Anzahl n der verbrückenden
Prolineinheiten zwischen dem intermediären und finalen Elektronendonor festgestellt. Diese
Beobachtung steht im Einklang mit Untersuchungen des Elektronentransfers in anderen
Prolin-verbrückten Modellsystemen.[12, 74]. Die beobachtete Distanzabhängigkeit kann nicht auf der Grundlage eines Elektronentransfers
durch die Bindung erklärt werden. Vielmehr deuten die Versuchsergebnisse auf einen
Elektronentransfer durch den Raum hin. Dazu müssen in den Modellsystemen 111 - 114
Konformationen realisiert werden, bei denen die Redoxzentren deutlich geringere Abstände
aufweisen, als diese Rechnungen vermuten lassen. Bei Untersuchungen der Flexibilität von
Oligoprolin-Modellsystemen wurde kürzlich gezeigt, dass Konformationen, bei denen die
Enden der Oligopeptide in geringem Abstand zueinander vorliegen, im Zeitfenster des
beobachteten Elektronentransfers erreicht werden können.[157-159] Um ein umfassenderes Bild
vom Mechanismus des Elektronentransfers in den Oligopeptiden 111 - 114 zu erhalten, ist es
erforderlich weitere Untersuchungen zur Struktur der Verbindungen in Lösung
durchzuführen.
Damit exakte Messungen der Distanzabhängigkeit des Elektronentransfers in Modellsystemen
der Art 111 - 114 durchgeführt werden können, muss der Polyprolin-Abstandshalter durch ein
rigideres Strukturelement ersetzt werden. Dabei bietet sich der Einsatz von stabilisierten
Peptidstrukturen mit bekannter Röntgenstruktur an.[163]
Darüber hinaus könnte in zukünftigen Experimenten eine Aminosäure mit
2,4-Dimethoxybenzylseitenketten zum Einsatz kommen. Die erwartete Absorption des bei der
Oxidation dieser Aminosäure entstehenden Radikalkations liegt bei etwa 430 nm.[124]
Eventuell kann der Redoxprozess dieser Aminosäure ungestört neben dem Tyrosylradikal und
dem Radikalkation von 2,4,6-Trimethoxyphenylalanin untersucht werden. Damit wäre die
Synthese von Peptiden möglich, in denen drei Elektronentransfer-Schritte nebeneinander
zeitaufgelöst verfolgt werden können.