Einleitung

Kombinatorische Chemie

Vor 1990 synthetisierten Chemiker in der pharmazeutischen Industrie 2-6 Verbindungen/Monat zu Preis von $2,500-$10,000/Verbindung. Danach wurde die Aktivität jeder Verbindung mit einem geeigneten Assay einzeln getestet.

Mit Entwicklungen in der Biotechnologie, Robotertechnik und in der Chemie wurde es möglich, die Aktivitäten von 2000-100,000 Proben/Tag in miniaturisierten mikrobiologischen Assays zu untersuchen (high-throughput screening, ultra-high-throughput screening).

Im Zuge davon erwuchs ein Bedarf, die Geschwindigkeit der Synthese organischer Verbindungen deutlich zu beschleunigen. Dieser Bedarf führte zur Entwicklung der Kombinatorischen Chemie.

Definition: Die Kombinatorische Chemie ist eine Technologie, die es ermöglicht, eine große Anzahl strukturell wohldefinierter Verbindungen zeit- und resourcenschonend zu synthetisieren, um sie dann verschiedenen Anwendungen zuzuführen.

Templateffekte

Das Metall fungiert als Templat, welches das Reaktionsgleichgewicht auf die Seite des gewünschten Liganden verschiebt, indem es an dessen Lewis- basische Positionen bindet (Produktstabilisierung).

Die Definition von Busch besagt: "... a chemical template organizes an assembly of atoms with respect to one or more geometrical loci, in order to achieve a particular linking of atoms."

[Quellen: Thomson, M. C.; Busch, D. H. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 9197-9198: <doi>. Busch, D. H. J. Inclusion Phenom. 1992, 12, 389-395: <doi>.]

Ein schönes Beispiel für die Wirksamkeit von Templateffekten in der dynamischen kovalenten Chemie sind die im Kapitel über die Synthese von Catenanen, Rotaxanen oder Knoten durch Metallkoordination vorgestellten molekularen Borromäischen Ringe.

Dynamische Kombinatorische Chemie

Konzeptionell entstand die Dynamische Kombinatorische Chemie (DCC) maßgeblich in den Gruppen von J.-M. Lehn (Strasbourg) and J. K. M. Sanders (Cambridge). DCC ist eine Vereinigung der Kombinatorischen Chemie und der Dynamischen Kovalenten Chemie.

In der Dynamischen Kombinatorischen Chemie werden Substanzbibliotheken generiert, indem einzelne molekulare Bausteine mittels reversibler Reaktionen miteinander kovalent verknüpft werden. Der kontinuierliche Austausch der einzelnen Bausteine in den Produkten führt dazu, dass sich alle Produkte in einem dynamischen Gleichgewicht befinden. Der Anteil jedes Bausteins im Gleichgewicht wird durch dessen thermodynamische Stabilität bestimmt.

Versetzt man die dynamische kombinatorische Bibliothek mit einem Templatmolekül, das an Bibliotheksbestandteile bindet und diese dadurch thermodynamisch stabilisiert, kommt es gemäß dem Prinzip von Le Châtelier zu einer Verschiebung des Gleichgewichts zugunsten der besten Bindungspartner und zu Lasten der anderer Bibliotheksbestandteile.

Templatstrategien

• Identifizierung eines Rezeptors für ein gegebenes Substrat (moulding)
• Identifizierung eines Substrats für einen gegebenen Rezeptor (casting)
• Intramolekulare Selbsterkennung (Foldamere)
• Intermolekulare Selbsterkennung (Selbstaggregation)

Außer durch ein Templat kann ein Gleichgewicht auch durch Änderungen von Temperatur, Druck, pH-Wert, Lösungsmittel usw. beeinflusst werden.

Austauschreaktionen

Voraussetzungen für geeignete Austauschreaktionen:

• Die Gleichgewichtseinstellung muss innerhalb einer angemessenen Zeit erfolgen.
• Da Gleichgewichtseinstellung und Erkennungsprozesse idealerweise gleichzeitig erfolgen sollen, muss die Austauschreaktion mit den Bedingungen kompatibel sein, unter denen eine Wechselwirkung des Templats mit den Bibliotheksbestandteilen zu erwarten ist. Für den Erkennungsprozess notwendige funktionelle Gruppen in den Bibliotheksbausteinen oder im Templat dürfen nicht in der Austauschreaktion stören.
• Die Reaktionsbedingungen müssen so mild sein (Temperatur, Druck, Konzentrationen, pH-Wert usw.), dass die z.T. schwachen intermolekularen Wechselwirkungen, die für den Selektionsprozess verantwortlich sind, nicht beeinträchtigt werden.
• Während der Reaktion müssen alle Bibliotheksbestandteile (Edukte und Produkte) im gewählten Lösungsmittel löslich bleiben, da unlösliche Anteile als thermodynamische oder kinetische Fallen wirken und dadurch das Gleichgewicht zu unerwünschten Produkten verschoben wird.
• Es muss möglich sein, durch Veränderung der Reaktionsbedingungen den Austausch zu stoppen und die Bibliothek dadurch kinetisch "einzufrieren", um selektierte Bibliotheksbestandteile isolieren und weiter untersuchen zu können.
• Idealerweise sollten alle Bibliotheksbestandteile ungefähr gleich stabil sein. Liegt das Gleichgewicht in Abwesenheit des Templats schon weit auf der Seite eines thermodynamisch stabilen Produkts, sind hohe Energiebeträge erforderlich, die durch den Erkennungsprozess aufgebracht werden müssen, um eine Veränderung der Gleichgewichtslage zu erreichen.

Reversible Reaktionen können auf nichtkovalenten Wechselwirkungen (z.B. Wasserstoffbrücken) sowie der Bildung kovalenter oder koordinativer Bindungen beruhen.

Beispiele häufig verwendeter Austauschreaktionen:

Wird immer der "beste" Bindungspartner selektiert?

Eine dynamische Bibliothek reagiert auf einen äußeren Einfluss, z.B. den Zusatz eines Templats, durch Minimierung der freien Enthalpie des gesamten Systems.

Bei Überschuss eines Templats kann es dazu kommen, dass eine Reaktion ...

... die Bildung einer größeren Anzahl kleinerer Makrocyclen anstelle einer geringeren Anzahl größerer Makrocyclen bevorzugt, obwohl der größere Makrocyclus der bessere Rezeptor ist.

... oder die Bildung gemischter Makrocyclen anstelle solcher aus nur einem Baustein aufgebauten Makrocyclen bevorzugt, obwohl letzterer der bessere Rezeptor ist.

Wie kann man dieses Problem lösen?

Durch Reduktion der Templatkonzentration!

Die Korrelation zwischen Reaktionsbedingungen und Selektion gibt interessante Einblicke in das Verhalten des Gesamtsystems. Dieses Verhalten ist komplex und kann nicht immer mittels einfacher Regeln vorhergesagt werden.

Experiment

Casting

Carboanhydrase Inhibitor

Wird die Bibliothek in Anwesenheit von Carboanhydrase generiert, beobachtet man die Verdopplung der Konzentration eines Produkts, das strukturell einem bekannten Carboanhydraseinhibitor ähnelt. Wird dieser Inhibitor der Bibliothek während der Äquilibrierung zugesetzt, fällt die Selektion desselben Bibliotheksbestandteils wesentlich geringer aus, was zeigt, dass die Selektion auf spezifische Wechselwirkungen mit dem aktiven Zentrum des Enzyms zurückzuführen ist und der bekannte Inhibitor mit dem selektierten um die Bindungsstelle am Enzym konkurriert.

[Quelle: Huc, I.; Lehn, J.-M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1997, 94, 2106-2110: <doi>.]

Concanavalin A Inhibitor

Die Umsetzung der Homodimere in Gegenwart von DTT bei neutralem pH bewirkt den Austausch der Untereinheiten. Durch Absenken des pHs kann der Austausch abgebrochen werden. In Gegenwart des Pflanzenlectins Concanavalin A, welches auf einem Träger immobilisiert vorlag, wurde die Selektion eines Bis(mannosids) beobachtet.

[Quelle: Ramström, O.; Lehn, J.-M. ChemBioChem 2000, 1, 41-48: <doi>.]

Dynamische Kombinatorische Racematspaltung

Der Generierung dieser dynamischen Bibliothek liegt die Nitroaldol Reaktion (Henry Reaktion) zugrunde. Die Reaktionsbedingungen sind so mild, dass die Reaktion in Gegenwart einer Lipase als Templat durchgeführt werden kann. Die Acylierung des bevorzugten Produkts (als reines Enantiomer!) dient als kinetische Falle zum Nachweis der Selektion und ermöglicht dessen Isolierung.

[Quelle: Vongvilai, P.; Angelin, M.; Larsson, R.; Ramström, O. Angew. Chem. 2007, 119, 966-968: <doi>.]

Dynamisches Kombinatorisches Substratscreening

Das von dem Enzym bevorzugte Substrat in der dynamischen Bibliothek wird am schnellsten hydrolysiert. Es resultiert eine Verringerung der Menge der Acylkomponente in der Bibliothek wodurch sich die Gleichgewichtslage verschiebt und mehr von dem bevorzugten Enzymsubstrat gebildet wird. Am schnellsten verarmt die Bibliothek an Thioestern mit Acetylgruppen und in geringerem Umfang Propionylgruppen, was zeigt dass diese bevorzugte Enzymsubstrate darstellen. Nur bei langen Reaktionszeiten wurde auch die Spaltung der anderen Ester beobachtet.

[Quelle: Larsson, R.; Ramström, O. Eur. J. Org. Chem. 2006, 285-291: <doi>.]

Moulding

Kronenether

Die Produktverteilung innerhalb der Bibliothek kann durch die Zugabe von Erdalkalimetallkationen kontrolliert werden, welche an die Imine in der dynamischen Bibliothek koordinieren. Die Ringgröße der gebildeten Makrocyclen korreliert mit den Ionenradien der Metalltemplate. Allerdings sind die makrocyclischen Amine, die nach Reduktion der Imine als stabile Produkte erhalten werden, nicht mehr in der Lage, an die Metallionen zu binden.

[Quelle: Storm, O.; Lüning U. Chem. Eur. J. 2002, 8, 793-798: <doi>.]

Membrantransport

[Quelle: Saggiomo, V.; Lüning, U. Chem. Commun. 2009, 3711-3713: <doi>.]

Rezeptoren für quaternäre Ammoniumionen

Nach Spaltung des Acetals mit Trifluoressigsäure kann der freigesetzte Aldehyd mit den Hydraziden zu Hyrazonen reagieren. Zunächst kommt es zur Bildung einer komplexen Produktmischung, die Makrocyclen bis zum 15mer enthält. Im thermodynamischen Gleichgewicht sind in der Mischung 88% des cyclischen Dimers und 11% des cyclischen Trimers vorhanden, was zeigt, dass das Cyclodimer das thermodynamisch stabilere Produkt ist. Nach Zugabe von quaternären Ammoniumionen verändert sich die Gleichgewichtslage und das Cyclotrimer wird angereichert.

	Cyclodimer	Cyclotrimer
kein Templat	88%	11%
	41%	56%
	13%	86%

Die Affinität des cyclischen Trimers für Acetylcholin in CDCl₃/CD₃OD, 95:5 (v/v) beträgt 230 M^-1.

[Quelle: Cousins, G. R. L.; Furlan, R. L. E.; Ng, Y.-F.; Redman, J. E.; Sanders, J. K. M. Angew. Chem. 2001, 113, 437-442: <doi>.]

Rezeptoren für Cinconaalkaloide

Unter den Reaktionsbedingungen sind die Template protoniert und damit positiv geladen.

[Quelle: Bulos, F.; Roberts, S. L.; Furlán, R. L. E.; Sanders, J. K. M. Chem. Commun. 2007, 3092-3093: <doi>.]

Rezeptor für Acetylcholin

Von allen möglichen Stereoisomeren des Produkts wird nur eines gebildet. Die Affinität des Catenans für Acetylcholin in CHCl₃/DMSO, 95:5 (v/v) beträgt 1.4 × 10⁷ M^-1.

[Quelle: Lam, R. T. S.; Berlenguer, A.; Roberts, S. L.; Naumann, C.; Jarrosson, T.; Otto, S.; Sanders, J. K. M. Science 2005, 308, 667-669: <doi>.]

Rezeptoren für quaternäre Ammoniumionen

[Quelle: Otto, S.; Furlán, R. L. E.; Sanders, J. K. M. Science 2002, 297, 590-593: <doi>.]

Rezeptor für Tetramethylammoniumionen

[Quelle: Corbett, P. T.; Tong, L. H.; Sanders, J. K. M.; Otto, S. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8902-8903: <doi>.]

Rezeptor für Spermin

Der selektierte Rezeptor hat eine außerordentlich hohe Affinität für Spermin (K_a = 1.5 × 10⁷ M^-1 in 3 mM TRIS Puffer, pH 7.4) und er bindet diesen Gast durch Bildung eines Pseudorotaxans. Die Bindung ist so stark, dass Spermin aus dem Komplex mit DNA entzogen werden kann. Da Spermin eine DNA Konformation mit einer linkshändigen Helix (Z-DNA) induziert, kommt es bei Dissoziation des Spermin-DNA Komplexes zu einer Umorganisation der DNA und der Regeneration der typischerweise rechtsgängigen Doppelhelix (B-DNA).

Katalyse

Katalysator für die Diels-Alder Reaktion

Nach Templatzugabe werden beide Makrocyclen selektiert, was zeigt, dass beide Rezeptoren für das Templat darstellen. Der größere Makrocyclus (aber nicht der kleinere) führt außerdem zu einer zehnfachen Beschleunigung der Diels-Alder-Reaktion. Diese Beschleunigung fällt geringer aus, wenn die Reaktion in Gegenwart des Produkts durchgeführt wird, was kompetitive Produktinhibition anzeigt. Dennoch wird Turnover beobachtet, das Produkt ist also nicht permanent im Hohlraum des Makrocyclus gebunden, sondern kann von den Reaktionspartnern verdrängt werden.

[Quelle: Brisig, B.; Sanders, J. K. M.; Otto, S. Angew. Chem. 2003, 115, 1308-1311: <doi>.]

Katalysator für die Acetalhydrolyse

Der Makrocyclus beschleunigt die Acetalhydrolyse um das Zweifache. Es ist allerdings unklar, ob die Reaktion durch die Stabilisierung des Übergangszustands beschleunigt wird, ob die Gastbindung das vorgelagerte Pronierungsgleichgewicht zugunsten der protonierten Form verschiebt oder ob beide Effekte zusammen wirken.

[Quelle: Vial, L.; Sanders, J. K. M.; Otto, S. New J. Chem. 2005, 29, 1001-1003: <doi>.]

Sensoren

Dynamische Sensorbibliotheken

Um die Leistungsfähigkeit solcher Sensorbibliotheken zu testen, wurden auch Dipeptide ohne Histidinuntereinheiten als Analyte untersucht. Der Einfluss der Dipeptide auf das UV/Vis-Spektrum der Bibliothek wurde mittels Diskriminanzanalysen evaluiert. Es zeigte sich, dass sogar strukturell eng verwandte Verbindungen, wie die beiden Dipeptide Ala–Phe und Phe–Ala or bzw. die Stereoisomere Phe–Ala und D-Phe–Ala, auf diese Weise eindeutig unterschieden werden können.

Die Sensorbibliothek kann leicht optimiert werden, z.B. bezüglich der Unterscheidung sequenzisomerer Tripeptide mit einer Histidin- und zwei Glycineinheiten, indem man die Gesamtkonzentrationen der Metallionen und/oder deren relatives Verhältnis bei konstanter Farbstoffkonzentration variiert. Im Allgemeinen beobachtet man, dass hohe Metallkonzentrationen günstig sind und dass das Verhältnis Ni²⁺/Cu²⁺ einen signifikanten Einfluss auf die Genauigkeit der Analyse hat.

[Quellen: Buryak, A.; Severin, K. Angew. Chem. 2005, 117, 8149-8152: <doi>. Buryak, A.; Severin, K. J. Comb. Chem. 2006, 8, 540-543: <doi>.]

Dynamere

Dynamere sind Polymere, die ihre Bausteine in einem dynamischen Gleichgewicht austauschen können. Es handelt sich also um langkettige Verbindungen aus monomeren Einheiten, die über reversible Bindungen miteinander verbunden sind und die dadurch die Fähigkeit besitzen, ihre Struktur durch Austausch der Art und Sequenz der Untereinheiten zu ändern.

Die Verknüpfung der Monomere kann durch nicht-kovalente oder durch kovalente reversible Bindungen erfolgen, um die dynamischen Eigenschaften der Polymere zu gewährleisten. Zwei Beispiele werden im Folgenden vorgestellt.

Polyacylhydrazone

In Gegenwart eines Überschusses der einen Monomersorte (Dialdehyd oder Dihydrazid) kommt es außerdem zu einer Reduktion des Polymerisationsgrads des Produkts.

[Quelle: Skene, W. G.; Lehn, J.-M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2004, 101, 8270-8275: <doi>.]

Polyimine

[Quelle: Giuseppone, N.; Lehn, J.-M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 11448-11449: <doi>.]

Systems Chemistry

Definition

Systems Chemistry (Systemchemie) ist ein neues Forschungsgebiet, in dem das Verhaltens von komplexen Netzwerken miteinander wechselwirkender Moleküle untersucht wird.

Der Begriff Systems Chemistry wurde in Analogie zu dem Begriff Systems Biology gewählt, dem Forschungsgebiet, das sich mit dem Verständnis des Wechselspiels aller Komponenten in einer Zelle beschäftigt. Andere Beispiele komplexer Systeme sind der Finanzmarkt, das World Wide Web, die Ökologie usw. Komplexe Netzwerke in der Chemie sind beispielsweise die Komponenten innerhalb einer Dynamischen Kombinatorischen Bibliothek, deren Verhältnis empfindlich von äußeren Einflüssen abhängt.

Zusammenhang zwischen Amplifikationsfaktor und freier Enthalpie der Rezeptor-Templat-Wechselwirkung innerhalb einer simulierten dynamischen kombinatorischen Bibliothek für zwei Bibliotheken, die sich in der Templatkonzentration unterscheiden.

Der Amplifikationsfaktor AF beschreibt das Verhältnis der Konzentrationen eines Bibliotheksbestandteils in einer Bibliothek ohne Templat und in einer Bibliothek mit Templat.

[Quelle: Corbett, P. T.; Otto, S.; Sanders, J. K. M. Chem. Eur. J. 2004, 10, 3139-3143: <doi>.]

Musterbildung - Emergentes Verhalten

Einfluss eines Templats:

Korrelation zwischen Amplifikationsfaktor und der freien Enthalpie der Rezeptor-Templat-Wechselwirkung in dynamischen kombinatorischen Bibliothek aus 322 Komponenten. Die Simulationen unterscheiden sich in den den einzelnen Rezeptoren zufällig zugeordneten Bindungskonstanten.

Die Berechnungen zeigen, dass die Gegenwart eines bestimmten Bausteins in die Bibliothekskomponenten einer dynamischen kombinatorischen Bibliothek einen charakteristischen Einfluss auf die freie Enthalpie der Rezeptor-Templat-Wechselwirkung besitzen kann. Der energetische Nachteil der Anwesenheit dieses Bausteins ist um so höher, je größer die Zahl der Einheiten dieses Bausteins in der Bibliothekskomponente, und er verhält sich vollständig additiv.

Einfluss zweier Template:

T₁ bindet an A–B und T₂ an C–D. Keiner der anderen Bibliotheksbestandteile bindet an T₁ oder T₂. Die Anwesenheit von T₁ oder T₂ führt indirekt zu einem Anstieg der Konzentration von E–E, denn alternative Bindungspartner für E werden für die Bildung der Bindungspartner für die Template, also A–B oder C–D, benötigt. Die stärkste Amplifikation von E–E wird bei simultaner Zugabe beider Templatmoleküle beobachtet, obwohl E–E an keines davon bindet.

[Quelle: Corbett, P. T.; Sanders, J. K. M.; Otto, S. Angew. Chem. 2007, 119, 9014-9017: <doi>.]

Selbstreplikation

Das blaue Templat katalysiert seine eigene Bildung. Dadurch sinkt die Konzentration des roten Nitrons in der Bibliothek, welches kontinuierlich nachgeliefert werden muss.

[Quelle: Sadownik, J. W.; Philp, D. Angew. Chem. 2008, 120, 10113-10118: <doi>.]

Selbstreplikation und Selfassoziation

Das cyclische Hexamer und das cyclische Heptamer assoziieren jeweils unter Faserbildung.

Interpretation: Werden die sich bildenden Fasern durch mechanische Belastung gebrochen, erhöht sich die Anzahl der Kettenenden wodurch die Geschwindigkeit des Faserwachstums steigt. Bei Schütteln der Lösung werden bevorzugt die Fasern des cyclischen Hexamers gebrochen, wodurch dessen Konzentration schneller ansteigt als die des Heptamers. Bei Rühren werden sowohl die Fasern des Hexamers als auch die des Heptamers gebrochen. Nun nimmt die Konzentration des Heptamers schneller zu als die des Hexamers, da ersteres die stabileren Fasern bildet und das Wachstum der Fasern des Heptamers schneller ist.

Diese Ergebnisse haben eine große Bedeutung:

• Sie zeigen, dass die Kombination zweier reversibler Prozesse zu einem Verhalten innerhalb eines Netzwerks interagierender Moleküle führen kann, das nicht durch Thermodynamik, sondern durch Kinetik bestimmt wird.
• Sie zeigen, dass selbstreplizierende Moleküle spontan aus einem Pool geeigneter Startmaterialien entstehen können.
• Sie zeigen das Potential der Dynamischen Kombinatorischen Chemie auch für die Entwicklung neuer selbstassoziierender Materialien.

Literatur

Bücher

• Reek, J. N. H.; Otto, S. "Dynamic Combinatorial Chemistry" Wiley-VCH: Weinheim, 2010.
• Miller, B. L. "Dynamic Combinatorial Chemistry" Wiley: Hoboken, 2010.

Reviews

• Lehn, J.-M. "Dynamic Combinatorial Chemistry and Virtual Combinatorial Libraries" Chem. Eur. J. 1999, 5, 2455-2463: <doi>.
• Greig, L. M.; Philp, D. "Applying biological principles to the assembly and selection of synthetic superstructures" Chem. Soc. Rev. 2001, 30, 287-302: <doi>.
• Lehn, J.-M.; Eliseev, A. V. "Dynamic combinatorial chemistry" Science 2001, 291, 2331-2332: <doi>.
• Rowan, S. J.; Cantrill, S: J.; Cousins, G. R. L.; Sanders, J. K. M.; Stoddart, J. F. "Dynamische kovalente Chemie" Angew. Chem. 2002, 114, 938-993: <doi>.
• Reymond, J.-L. "Outrunning the bear" Angew. Chem. 2004, 116, 5695-5697: <doi>.
• Corbett, P. T.; Leclaire, J.; Vial, L.; West, K. R.; Wietor, J.-L.; Sanders, J. K. M.; Otto, S. "Dynamic Combinatorial Chemistry" Chem. Rev. 2006, 106, 3652-3711: <doi>.
• de Bruin, B.; Hauwert, P.; Reek, J. N. H. "Dynamic combinatorial chemistry: the unexpected choice of receptors by guest molecules" Angew. Chem. 2006, 118, 2726-2729: <doi>.
• Ladame, S. "Dynamic combinatorial chemistry: on the road to fulfilling the promise" Org. Biomol. Chem. 2008, 6, 219-226: <doi>.
• Ludlow, R. F.; Otto, S. "Systems chemistry" Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 101-108: <doi>.
• Herrmann, A. "Dynamic mixtures and combinatorial libraries: imines as probes for molecular evolution at the interface between chemistry and biology" Org. Biomol. Chem. 2009, 7, 3195-3204: <doi>.
• Lehn, J.-M. "Dynamers: Dynamic Molecular and Supramolecular Polymers" Aust. J. Chem. 2010, 63, 611-623: <doi>.
• Barboiu, M. "Dynamic interactive systems: dynamic selection in hybrid organic-inorganic constitutional networks" Chem. Commun. 2010, 46, 7466-7476: <doi>.
• Safont-Sempere, M. M.; Fernandez, G.; Würthner, F. "Self-sorting phenomena in complex supramolecular systems" Chem. Rev. 2011, 111, 5784-5814: <doi>.
• Hunt, R. A. R.; Otto, S. "Dynamic combinatorial libraries: new opportunities in systems chemistry" Chem. Commun. 2011, 47, 847-858: <doi>.