Mechanismen der lichtinduzierten Freisetzung von Abgangsgruppen aus 2-Nitrobenzylverbindungen

Photolabile Schutzgruppen werden in der pr�parativen organischen und kombinatorischen
Synthese, der Photolithographie und der Biochemie h�ufig verwendet. Die Besonderheit
dieser Schutzgruppen ist, dass sie ohne Erw�rmung und ohne Reagenzien einfach durch
Photolyse abgespalten werden k�nnen. Biologisch aktive Verbindungen (Wirkstoffe) k�nnen
durch Bindung an eine solche Schutzgruppe in eine biologisch inaktive Form �berf�hrt
werden (die inaktiven Verbindungen nennt man auch ãCaged CompoundsÒ). Mit Hilfe der
Lasertechnik ist es m�glich, durch Bestrahlung die biologisch inaktiven Verbindungen gezielt
an ihrem Wirkungsort in k�rzester Zeit wieder in ihre aktive Form zu transformieren. Dies
er�ffnet den photolabilen Schutzgruppen ein breites Anwendungsgebiet in der biologischen
Grundlagenforschung. Mit den oben genannten Eigenschaften ist es m�glich, schnelle, durch
Wirkstoffe induzierte Prozesse in physiologischer Umgebung zu beobachten, beispielsweise
bei der Untersuchung der Substratbindung von Enzymen, der Elementarschritte einer
Proteinfaltung, der lichtaktivierten Gen-Expression und der Potential�nderung von
Nervenzellen. Trotz der Anwendung von photolabilen 2-Nitrobenzyl-Schutzgruppen seit �ber drei
Jahrzehnten ist erstaunlich wenig �ber die Mechanismen bekannt, die letztendlich zur
Abspaltung der Schutzgruppen f�hren. Zielsetzung dieser Arbeit war es, diese Mechanismen
im Detail zu untersuchen.
Zu den wichtigsten experimentellen Methoden f�r diese Aufgabenstellung z�hlt die
Blitzlichtphotolyse. Mit einem kurzzeitigen Laserpuls wird die in L�sung vorliegende
Verbindung bestrahlt und die dadurch verursachten Änderungen des UV/Vis- bzw. IRSpektrums
als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Damit erh�lt man Informationen �ber
Spektren und Kinetiken kurzlebiger Intermediate, womit man auf deren Struktur und
Reaktivit�t schliessen kann.
Um eine �bersicht �ber alle Elementarreaktionen zu gewinnen, die zur Freisetzung der
gesch�tzten Abgangsgruppe f�hren, wurden mehrere Modellverbindungen untersucht. Im
ersten Teil werden photoinduzierte Reaktionen von 2-Nitrobenzylverbindungen ohne
Abgangsgruppe beschrieben, um sie mit den Abspaltungsreaktionen von photolabilen 2-
Nitrobenzyl-Schutzgruppen zu vergleichen. Der zweite Teil befasst sich mit den
Mechanismen der Schutzgruppenabspaltung von photolabilen 2-Nitrobenzyletherderivaten
und NPE-Caged APT.
Allen in dieser Arbeit untersuchten 2-Nitrobenzylderivaten ist die photochemische Bildung
des aci-Nitro-Tautomers gemeinsam, das in Abh�ngigkeit von der Substitution der 2-
Nitrobenzylgruppe und dem verwendeten L�sungsmittel unterschiedliche Reaktivit�ten zeigt.
Die aus einer 2-Nitrobenzylverbindung resultierende aci-Nitrogruppe ist eine schwache S�ure
(pKa = 3Ð5), die in w�ssriger L�sung im Gleichgewicht mit dem Anion vorliegt. Dies ist
insbesondere dann wichtig, wenn das Anion eine geringere Reaktivit�t aufweist und zu
anderen Produkten f�hrt als das neutrale aci-Nitro-Tautomer. In dieser Arbeit wurde gezeigt,
dass dieses Gleichgewicht eine zentrale Rolle in den Reaktionsmechanismen spielt. In stark
saurer L�sung f�hrt eine Protonierung des aci-Nitro-Tautomers zu einem reaktiven Kation,
das �ber ein Nitrosohydrat-Intermediat zum Nitrosoderivat reagiert. Die Elementarreaktionen der Retautomerisierung von aci-Nitrotoluol (aci-1) wurden f�r einen
Vergleich mit den Abspaltungsreaktionen von 2-Nitrobenzyl-Schutzgruppen untersucht. In
w�ssriger L�sung ist die Protonierung des Anions von 2-Nitrotoluol (1Ð) die
Elementarreaktion der Retautomerisierung mit beobachteten Geschwindigkeitskonstanten von
1Ð36 sÐ1. Diese Reaktion muss prinzipiell bei allen aci-Nitro-Tautomeren in Betracht gezogen
werden. Die langsame Retautomerisierung kann also als Benchmark betrachtet werden, mit
der die Abspaltungsreaktionen von photolabilen 2-Nitrobenzyl-Schutzgruppen konkurrieren
m�ssen. Das vorgelagerte Protonierungsgleichgewicht aci-1 1Ð begrenzt die
Geschwindigkeit der Retautomerisierung von 1Ð in saurer w�ssriger L�sung (pH < 4). Anhand
der bestimmten Acidit�tskonstanten von 2-Nitrotoluol (1) und aci-Nitrotoluol (aci-1) konnte
die Tautomerisierungskonstante pKT = 17.0 von 1 aci-1 in w�ssriger L�sung bestimmt
werden. In stark saurer w�ssriger L�sung (pH < 0) wurde eine bislang in der Literatur nicht
dokumentierte, irreversible Reaktion von aci-1 entdeckt, die �ber das Nitrosohydrat 2 zu dem
Produkt 2-Nitrosobenzylalkohol (3) f�hrt. Die photochemisch induzierten Reaktionen von 1-Ethyl-2-nitrobenzol (4) weisen im
Vergleich zu denen von 2-Nitrotoluol (1) erhebliche Unterschiede auf. Die Quantenausbeute
der Bildung des aci-Nitro-Tautomers aci-4 ist ca. 50 ´ gr�sser, die aci-Nitro-Zerfallskinetiken
sind biexponentiell. Das Auftreten zweier aci-Nitro-Tautomere ist durch die E/Z-Isomerie der
C=C~CH3-Gruppe bedingt. In stark saurer L�sung reagiert aci-4 (analog zu aci-1) �ber das
Nitrosohydrat 7 zum Produkt 8. Aus den Produktspektren und L�sungsmittelisotopeneffekten
ging hervor, dass aci-4 bzw. 4Ð (im Gegensatz zu 1Ð) in w�ssriger L�sung nicht mehr zum
Edukt 4 zur�ckreagieren. Je nach L�sungsmittel und pH-Wert wurde entweder der
Nitrosoaromat 8 oder 3-Methylanthranil (6) als Produkt identifiziert. Die Cyclisierung von
aci-4 zu dem bicyclischen Intermediat 5 muss demnach schneller sein als eine
Retautomerisierung von aci-4 bzw. 4Ð. Aus 2-Nitrobenzylalkohol (9) wird photochemisch das aci-Nitro-Tautomer aci-9 gebildet,
dessen bislang bekannter konventioneller Reaktionsweg �ber das bicyclische Intermediat 10
zu 2-Nitrosobenzaldehyd (13) f�hrt. Die UV/Vis- und IR-Spektren sowie die
Zerfallskinetiken der kurzlebigen Intermediate aci-9 , 10, 11 und 12 konnten detektiert
werden. In dieser Arbeit wurde ein neuer Reaktionspfad entdeckt. Alternativ zur Cyclisierung
f�hrt ein (je nach L�sungsmittel intramolekularer) Protonentransfer von aci-9 zu dem
Nitrosohydrat 12, das unter Dehydratisierung zur Nitrosoverbindung 13 zerf�llt. Der
Reaktionspfad �ber das Nitrosohydrat 12 dominiert in Hexan, Acetonitril sowie in saurer und
basischer w�ssriger L�sung, der konventionelle Reaktionspfad �ber das bicyclische
Intermediat 10 hingegen dominiert in neutraler w�ssriger L�sung. Es konnte weiter gezeigt
werden, dass das bicyclische Intermediat 10 nicht direkt zum Produkt 13 reagiert, sondern zu
dem Carbonylhydrat 11, das dann langsam zum Aldehyd 13 dehydratisiert. Dieser Mechanismus spielt bei einem speziellen Typ von Caged Compounds eine Rolle, den
sogenannten ãNITR"-Verbindungen, die unter Bestrahlung Ca2+ freisetzen. Auch folgender
Aspekt macht diese Reaktionen interessant: Die Hydrate 11 und (die bislang kaum
untersuchten und nur schwer zug�nglichen Nitrosohydrate wie z. B.) 12 lassen sich auf
einfache Weise aus 9 blitzlichtphotolytisch erzeugen und spektroskopisch beobachten. Damit
ist eine einfache M�glichkeit zur Untersuchung dieser kurzlebigen Intermediate gegeben. Teil 2: Die Mechanismen der photoinduzierten Schutzgruppenabspaltung von NPE-Caged
ATP (14) und 1-Methoxymethyl-2-nitrobenzol (17) wurden untersucht. Als wichtigstes
Resultat wurde die in der Literatur weitl�ufig akzeptierte Annahme widerlegt, dass die leicht
detektierbare Zerfallsgeschwindigkeit des aci-Nitro-Tautomers stets der Abspaltungsgeschwindigkeit
der Schutzgruppe gleichgesetzt werden kann. Basierend auf dieser Annahme
wurden Freisetzungsgeschwindigkeiten von Wirkstoffen anhand der beobachteten aci-Nitro-
Zerfallsgeschwindigkeiten publiziert, ohne die effektive Freisetzungsgeschwindigkeit
verifiziert zu haben. Dies kann zu einer fehlerhaften Interpretation der experimentellen Daten
f�hren.
NPE-Caged ATP
Die Untersuchung des photolytisch induzierten Abspaltungsmechanismus von NPE-Caged
ATP (14) hatte eine Revision des allgemein anerkannten Mechanismus nach Trentham et al.
zur Folge. Die in dieser Arbeit erhaltenen pH-Reaktionsgeschwindigkeitsprofile und
kinetischen Isotopeneffekte des Zerfalls von aci-14 und der Bildung von 16 waren nicht
konsistent mit diesem Mechanismus. Die S�urekatalye ist nicht durch eine Phosphat-
Protonierung bedingt, wie von Trentham vorgeschlagen, sondern durch ein vorgelagertes
Protonierungsgleichgewicht des aci-Nitro-Tautomers aci-14 aci-14Ð. Die Sequenz aci-14
® 15 ® 16 konnte mit der Blitzlichtphotolyse beobachtet werden und widerspricht damit
dem von Trentham postulierten schnellen Gleichgewicht aci-14 15. Im pH-Bereich < 6 ist
die Ring�ffnung des bicyclischen Intermediats 15 geschwindigkeitsbestimmend f�r die
Freisetzung von ATP, nicht der Zerfall des aci-Nitro-Intermediats aci-14. 1-Methoxymethyl-2-nitrobenzol (17) wurde als Modellverbindung f�r 2-Nitrobenzylgesch
�tze Hydroxyverbindungen untersucht. Anhand der Blitzlichtphotolyse und der
zeitaufgel�sten FTÐIR-Spektroskopie konnten 5 Intermediate beobachtet werden: zwei Z/EIsomere
des aci-Nitro-Tautomers aci-17, zwei syn/anti-Isomere des bicyclischen Intermediats
18 und das Halbacetal-Intermediat 19. Das bicyclische Intermediat 18 wurde erstmals in
L�sung nachgewiesen, auch konnten die Zerfallskinetiken der Intermediate aci-17, 18 und 19
gemessen werden. Ein von Corrie et al. formulierter Mechanismus muss nun revidiert werden.
Essentiell f�r die Abspaltungsreaktion ist die Zerfallsgeschwindigkeit des Halbacetals 19, im
pH-Bereich < 8 limitiert der Halbacetalzerfall als langsamste Reaktion die
Freisetzungsgeschwindigkeit des Alkohols. Je nach pH-Wert unterscheiden sich die
Reaktionsgeschwindigkeiten des aci-Tautomer-Zerfalls und der Freisetzung der gesch�tzten
Verbindung um bis zu 7 Gr�ssenordnungen. 2-Nitrobenzylether sind damit auch geeignete
Precursor zur Erzeugung und zeitaufgel�sten Beobachtung von Halbacetalen mittels
Blitzlichtphotolyse.