SYNTHESE UND PHYSIKO-CHEMISCHE CHARAKTERISIERUNG EINKETTIGER SYMMETRISCHER BOLAAMPHIPHILE DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät I (Biowissenschaften) der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg von Herrn Dipl. Pharm. Simon Drescher geboren am 17. August 1978 in Zwickau Gutachter: 1. Prof. Dr. habil. Bodo Dobner 2. Prof. Dr. habil. Alfred Blume 3. Prof. Dr. habil. Günter Haufe Halle/Saale im April 2008 verteidigt am 03.09.2008 urn:nbn:de:gbv:3-000014614 [http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=nbn%3Ade%3Agbv%3A3-000014614] Simon Drescher Synthese und physiko-chemische Charakterisierung einkettiger symmetrischer Bolaamphiphile Dissertation, 2008 Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Pharmazie, Institutsbereich Pharmazeutische Chemie und Klinische Pharmazie, Abteilung für Biochemische Pharmazie 139 Seiten, 54 Abbildungen, 8 Tabellen I INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis.................................................................................................................I Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole .....................................................................IV Abbildungsverzeichnis......................................................................................................VI Tabellenverzeichnis...........................................................................................................IX 1 Einleitung und Zielstellung .............................................................................................. 1 2 Synthetisch-präparative Arbeiten.................................................................................... 6 2.1 Synthese archaebakterieller Membranlipide – ein Rückblick............................................. 6 2.1.1 Synthese symmetrischer Makrozyklen ............................................................... 6 2.1.2 Synthese azyklischer, symmetrischer Bolaamphiphile ....................................... 7 2.2 Synthese langkettiger, 1,ω-funktionalisierter Alkane als Vorstufen für die Darstellung von Bolaamphiphilen ........................................................................................................ 10 2.2.1 Darstellung der 1,ω-Diene über GRIGNARD-Bis-Kupplung .............................. 10 2.2.2 Darstellung der 1,ω-Diole ................................................................................. 11 2.2.2.1 Synthese der 1,ω-Diole durch Hydroborierung und Oxidation der analogen Diene ................................................................................................................. 11 2.2.2.2 Synthese langkettiger ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane....... 13 2.2.2.3 Synthese der 1,ω-Diole über GRIGNARD-Mono-Kupplung............................... 15 2.3 Darstellung der Bis(phosphocholine)................................................................................ 16 2.3.1 Synthese der Bis(phosphocholine) mit Kettenlängen zwischen 22 und 32 Kohlenstoffatomen............................................................................................ 16 2.3.2 Reinigung der Bis(phosphocholine).................................................................. 18 2.3.3 Zugang zu Bis(phosphocholinen) mit Kettenlängen von 34 und 36 Kohlenstoffatomen............................................................................................ 19 2.4 Strukturelle Variationen im Kopfbereich der Bolaamphiphile.......................................... 21 2.4.1 Synthese der Bis(phosphodimethylethanolamine)............................................ 21 2.4.2 Synthese des Bis(phosphomonomethylethanolamins) und des Bis(phosphoethanolamins) .................................................................................................... 22 2.4.3 Darstellung von Bis(phosphorsäureestern) als Vorstufen für Kupplungsreaktionen.......................................................................................................... 25 2.4.3.1 Synthese der Bis(phosphorsäurediester) ........................................................... 26 2.4.3.2 Abspaltung der Schutzgruppen ......................................................................... 28 2.4.3.3 Untersuchungen zu Kupplungsreaktionen an Dotriacontan-1,32-diyl-bis- (benzylphosphat) und Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureester)........... 34 2.4.4 Einführung größerer Amine in die Kopfstruktur der Bolaamphiphile.............. 35 2.4.5 Folgereaktionen an Bolaamphiphilen ............................................................... 40 II 2.4.5.1 Reaktionen an unmodifizierten Bolaamphiphilen............................................. 40 2.4.5.2 Reaktionen an funktionalisierten Bis(phosphocholin)-Derivaten..................... 42 2.5 Variationen in der Kettenstruktur der Bolaamphiphile ..................................................... 45 2.5.1 Einführung von deuterierten Kettenabschnitten................................................ 46 2.5.2 Einführung von Heteroatomen.......................................................................... 47 2.5.3 Einführung von polymerisierbaren Diacetylengruppen.................................... 50 2.5.3.1 Darstellung der Alk-2-in-1-ole.......................................................................... 52 2.5.3.2 Baseninduzierte Alkinisomerisierung – Zipperreaktion.................................... 53 2.5.3.3 Oxidative Kupplung der Alk-ω-in-1-ole zu Alkadiin-1,ω-diolen ..................... 55 2.5.3.4 Phosphorylierung und Quarternierung der Alkadiin-1,ω-diole......................... 56 3 Physiko-chemische Charakterisierungen...................................................................... 57 3.1 Aggregationsverhalten amphiphiler Moleküle.................................................................. 57 3.2 Untersuchungen zum Aggregationsverhalten von Bolaamphiphilen in wässriger Volumenphase ................................................................................................................... 59 3.2.1 Charakterisierung der Bis(phosphocholine)...................................................... 59 3.2.2 Charakterisierung der Bis(phosphodimethylethanolamine).............................. 66 3.2.3 Charakterisierung des Bis(phosphomonomethylethanolamins)........................ 70 3.2.4 Einfluss größerer Kopfgruppen auf das Aggregationsverhalten der Bolaamphiphile......................................................................................................... 71 3.2.5 Einfluss der Kettenmodifikationen auf das Aggregationsverhalten der Bolaamphiphile......................................................................................................... 72 3.3 Untersuchungen zum Aggregationsverhalten von Bolaamphiphilen in Mischungen ....... 74 3.3.1 Mischungen der Bolaamphiphile ...................................................................... 74 3.3.2 Mischungen der Bolaamphiphile mit konventionellen Lipiden........................ 78 3.4 Untersuchungen zur Polymerisation ................................................................................. 78 3.5 Untersuchungen zur Fixierung von Gold-Nanopartikeln.................................................. 80 4 Zusammenfassung und Ausblick ................................................................................... 82 5 Experimentelles ............................................................................................................... 86 5.1 Analysemethoden.............................................................................................................. 86 5.2 Physiko-chemische Methoden .......................................................................................... 88 5.3 Verwendete Chemikalien .................................................................................................. 90 5.4 Synthesevorschriften......................................................................................................... 92 5.4.1 Synthese der Ausgangsverbindungen................................................................ 92 5.4.1.1 Darstellung der ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane................. 92 5.4.1.2 Darstellung schwefelhaltiger 1,ω-Dichloralkane durch Photoaddition ............ 94 5.4.2 Synthese langkettiger Kohlenstoff-Grundgerüste ............................................. 95 5.4.2.1 Darstellung der 1,ω-Diene ................................................................................ 95 5.4.2.2 Darstellung der 1,ω-Diole ................................................................................. 99 III 5.4.3 Synthese der N-Methyl-substituierten Bis(phosphoethanolamine)........................ 104 5.4.3.1 Darstellung der Bis(phosphocholine).............................................................. 104 5.4.3.2 Darstellung der Bis(phosphodimethylethanolamine)...................................... 108 5.4.3.3 Darstellung der Bis(phosphomonomethylethanolamine)................................ 111 5.4.4 Abwandlungen in der Kopfstruktur der Bolaamphiphile................................ 112 5.4.4.1 Synthese der Bis(phosphorsäurediester) als Vorstufen der Polymethylen-1,ω- diyl-bis(phosphorsäureester)........................................................................... 112 5.4.4.2 Selektive Hydrogenolyse der Benzylschutzgruppen....................................... 115 5.4.4.3 Synthese N-alkylsubstituierter Bis(phosphoethanolamine) über Phosphorylierung und Quarternierung der 1,ω-Diole..................................... 116 5.4.4.4 Folgereaktionen an funktionalisierten Bis(phosphocholinen) ........................ 119 5.4.5 Abwandlungen in der Kettenstruktur der Bolaamphiphile ............................. 120 5.4.5.1 Einbau von deuterierten Kettenabschnitten .................................................... 120 5.4.5.2 Einführung von Heteroatomen........................................................................ 122 5.4.5.3 Einführung polymerisierbarer Diacetylengruppen.......................................... 126 6 Literaturverzeichnis...................................................................................................... 133 Anhang IV VERZEICHNIS DER ABKÜRZUNGEN UND SYMBOLE a Halbachse eines zylindrischen Stäbchens oder eines Rotationsellipsoiden Å Ångström = 10-10 Meter abs. absolut b breites Signal (NMR) Halbachse eines zylindrischen Stäbchens ber. berechnet (theoretische Werte für EA) bt Streulänge d Dublett (NMR) D mittlerer Durchmesser einer Mizelle oder einer Faser DAP 1,3-Diaminopropan DC Dünnschichtchromatographie DCC N,N’-Dicyclohexylcarbodiimid dd doppeltes Dublett (NMR) DMAP 4-Dimethylaminopyridin DME Dimethoxyethan DMF Dimethylformamid DMPU 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2(1H)-pyrimidinon DMSO Dimethylsulfoxid DPPC Diphenylphosphorsäurechlorid DSC Differential Scanning Calorimetry EA Elementaranalyse ESI Electro Spray Ionisation Fp. Schmelztemperatur FT–IR Fourier Transformation – Infrarotspektroskopie GC Gaschromatographie gef. gefunden (gemessene Werte für EA) HPLC High Performance Liquid Chromatography (Hochleistungs–Flüssigchromatographie) IR infraroter Spektralbereich LM Laufmittel m Multiplett (NMR) m/z Massezahl pro Ladung (EA) M Masse einer Mizelle M+ Molpeak (MS) MCPBA m-Chlorperbenzoesäure MesCl Methansulfonsäurechlorid (Mesylchlorid) V MG Molekulargewicht ML Masse einer Faser (pro Längeneinheit) MPLC Middle Pressure Liquid Chromatography (Mitteldruck–Flüssigchromatographie) MS Massenspektrum Nagg Aggregationszahl NMR Nuclear Magnetic Resonance (Kernmagnetresonanz) ppm parts per million PyrTos Pyridiniumtosylat quar Quartett (NMR) quin Quintett (NMR) RCS,g Gyrationsradius eines zylindrischen Stäbchen (radius of gyration of cross section) Rg Gyrationsradius (radius of gyration) Rf Retention factor s Singulett (NMR) SANS Small Angle Neutron Scattering (Kleinwinkel–Neutronenstreuung) t Triplett (NMR) TEA Triethylamin TEM Transmission–Elektronenmikroskopie THF Tetrahydrofuran THP Tetrahydropyran TMEDA N,N,N’,N’-Tetramethylethylendiamin TPS 2,4,6-Triisopropylbenzolsulfonsäurechlorid TosCl p-Toluolsulfonsäurechlorid (Tosylchlorid) UV ultravioletter Spektralbereich VIS sichtbarer Spektralbereich VM Molekülvolumen δ Chemische Verschiebung (NMR) ν Valenz- oder Streckschwingung (IR) ν ~ Wellenzahl λ Wellenlänge λmax Absorptionsmaximum VI ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abb. 1: Natürliche Lipidstrukturen der Archaebakterien...................................................... 2 Abb. 2: Modelllipide der Archaebakterien nach (a) MENGER und (b) nach YAMAUCHI. ...... 3 Abb. 3: Beispiele für einkettige Bolaamphiphile nach (a) NAKAZAWA, (b) ZHAN und (c) KÖHLER. ................................................................................................................... 4 Abb. 4: Im Rahmen der Bolalipidsynthesen verwendete C-C-Kupplungsreaktionen nach (a) GLASER, (b) MCMURRY und (c) JULIA................................................................ 7 Abb. 5: Synthese des Dotriacontan-1,32-diols 5 als Vorstufe für die Darstellung bipolarer Amphiphile............................................................................................................... 9 Abb. 6: Darstellung der 1,ω-Diene 4, 13-18 über GRIGNARD-Bis-Kupplung..................... 10 Abb. 7: Darstellung der 1,ω-Diole 5, 21-28 über Hydroborierung und Oxidation der analogen Diene 4, 13-20......................................................................................... 11 Abb. 8: Bildung eines höhermolekularen Nebenprodukts während der GRIGNARD-BisKupplung................................................................................................................ 11 Abb. 9: Synthese des THP-geschützten Dotriacontan-1,32-diols nach MOHR. .................. 12 Abb. 10: Darstellung der ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane 53-58 aus Lactonen 32,33 bzw. Dicarbonsäuren 38-40.......................................................... 13 Abb. 11: Darstellung der 1,ω-Diole 5, 21-25 über GRIGNARD-Mono-Kupplung. ................ 15 Abb. 12: Synthese der Bis(phosphocholine) 6, 65-72 mit einer Kettenlänge von 32 bis 22 Kohlenstoffatomen. ................................................................................................ 17 Abb. 13: Synthese der Bis(phosphocholine) 79 und 80 mit einer Kettenlänge von 34 (a) und 36 (b) Kohlenstoffatomen. .............................................................................. 20 Abb. 14: Synthese der Bis(phosphodimethylethanolamine) 81-87 mit 34 bis 22 Kohlenstoffatomen............................................................................................................. 21 Abb. 15: zwitterionische Kopfgruppe des Me2PE ................................................................ 22 Abb. 16: Varianten für die Synthese des Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(methylammonio)- ethylphosphats] 88.................................................................................................. 23 Abb. 17: Synthesevarianten für die Darstellung des Dotriacontan-1,32-diyl-bis(2-ammonioethylphosphats) 92.................................................................................................. 24 Abb. 18: Alternativer Zugang zum Dotriacontan-1,32-diyl-bis(2-ammonioethylphosphat) 92 über Kupplung von Ethanolamin an Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureester) 95.......................................................................................................... 25 Abb. 19: Synthese der Bis(phosphorsäurediphenylester) 96-100. ........................................ 26 Abb. 20: Synthese der Bis(phosphorsäuredibenzylester) 101 und 102................................. 27 Abb. 21: Synthese des Dotriacontan-1,32-bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylesters)] 103.......................................................................................................................... 28 VII Abb. 22: Abspaltung der Schutzgruppen – Synthese der Bis(phosphorsäureester) 104....... 29 Abb. 23: Selektive Hydrogenolyse ausgehend vom Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäuredibenzylester)................................................................................................. 33 Abb. 24: Synthese kopfgruppenmodifizierter Bis(phosphocholine)..................................... 36 Abb. 25: Synthese des Et2PE-C32-Et2PE 115....................................................................... 39 Abb. 26: Folgereaktionen am Me2PE-C32-Me2PE 82 und MePE-C32-MePE 88................ 40 Abb. 27: Modifizierungen an funktionalisierten Bis(phosphocholinen): a) Photokupplung von Alkylthiolen an APC-C32-APC 108; b) Clickreaktion substituierter Azide an PPC-C32-PPC 109; c) Veresterung der Hydroxygruppe des HEPC-C32-HEPC 110. ......................................................................................................................... 42 Abb. 28: Synthese des Bis(phosphocholins) 124 (R = CH3) und des Bis(phosphodimethylethanolamins) 125 (R = H) mit deuteriertem Kettenmittelstück............................ 46 Abb. 29: Synthese kettenmodifizierter Bolaamphiphile I – Darstellung schwefelhaltiger 1,ω-Dibromide........................................................................................................ 47 Abb. 30: Synthese kettenmodifizierter Bolaamphiphile II.................................................... 49 Abb. 31: Zielstruktur der polymerisierbaren Bolaamphiphile. ............................................. 51 Abb. 32: Überblick über die Darstellung von Bolaamphiphilen mit polymerisierbaren Diacetylengruppen. ................................................................................................ 52 Abb. 33: Typische Aggregatstrukturen monopolarer, amphiphiler Moleküle nach ISRAELACHVILI........................................................................................................ 57 Abb. 34: Hydrogel einer wässrigen Lösung von PC-C32-PC 6 (1 mg/ml)........................... 58 Abb. 35: DSC-Kurven der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml) bei einer Heizrate von 20 K/h: a) PC-C32-PC 6 bis PC-C22-PC 69. b) PC-C34-PC 79 und PC-C36-PC 80 im Vergleich zu PC-C32-PC 6................................................................................ 59 Abb. 36: DSC-Kurven der ungeradzahligen Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml, 20 K/h)... 60 Abb. 37: Cryo-TEM-Aufnahmen der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml) präpariert bei verschiedenen Quenching-Temperaturen: a) quervernetzte Fasern; b) lange, flexible Fasern; c) steife Stäbchen; d) kugelförmige Mizellen. ............................. 61 Abb. 38: Schematischer Aufbau des SANS-1-Instruments................................................... 62 Abb. 39: Darstellung der Streuintensität in Abhängigkeit des Streuvektors q für PC-C32-PC 6 (c = 1 mg/ml)....................................................................................................... 63 Abb. 40: SANS-Kurven und IFT-Fits der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml) bei verschiedenen, in den DSC-Kurven markierten Temperaturen.............................. 64 Abb. 41: Phasendiagramm der Bis(phosphocholine)............................................................ 65 Abb. 42: a) DSC-Kurven der Bis(phosphodimethylethanolamine) Me2PE-C32-Me2PE 82 bis Me2PE-C22-Me2PE 87 (c = 1 mg/ml, 20 K/h) in Pufferlösung (pH = 5). b) SANS-Kurven und IFT-Fits von Me2PE-C28-Me2PE 84 und Me2PE-C24-Me2PE 86 (c = 1 mg/ml) bei verschiedenen Temperaturen................................................ 67 VIII Abb. 43: Phasendiagramm der Bis(phosphodimethylethanolamine) bei pH = 5.................. 69 Abb. 44: Links: DSC-Kurve des MePE-C32-MePE 88 (c = 1 mg/ml, 60 K/h, pH = 5). Rechts: Cryo-TEM-Aufnahme des MePE-C32-MePE 88 (c = 1 mg/ml) bei pH = 5 und 20 °C................................................................................................................ 70 Abb. 45: DSC-Kurven der kopfgruppenmodifizierten Bolaamphiphile (c = 1 mg/ml, 20 K/h): a) EPC-C32-EPC 107, APC-C32-APC 108, PPC-C32-PPC 109, HEPC-C32-HEPC 110 und DMAEPC-C32-DMAEPC 113 im Vergleich zum PC-C32-PC 6. b) Et2PE-C32-Et2PE 115 im Vergleich zum Me2PE-C32-Me2PE 82 bei pH = 5............................................................................................................... 71 Abb. 46: a) DSC-Kurven und Darstellung der modifizierten Alkylketten (ohne Kopfgruppen) der kettenmodifizierten Bis(phosphocholine) PC-C32SS-PC 140 (gelb: Schwefelatome) und PC-C32OO-PC 141 (rot: Sauerstoffatome) im Vergleich zum PC-C32-PC 6 (c = 1 mg/ml, 20 K/h). b) SANS-Kurven und IFT-Fits des PC-C32SS-PC 140 (c = 1 mg/ml) bei verschiedenen Temperaturen. .................... 73 Abb. 47: DSC-Kurven äquimolarer Mischungen von Bis(phosphocholinen) (c = 1 mg/ml, 20 K/h) im Vergleich zu den Reinsubstanzen: a) PC-C28/32-PC; b) PC-C24/32- PC. .......................................................................................................................... 75 Abb. 48: SANS-Kurven und IFT-Fits äquimolarer Mischungen der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml) bei unterschiedlichen Temperaturen................................................ 75 Abb. 49: DSC-Kurve einer äquimolarer Mischung von Me2PE-C32-Me2PE 82 und Me2PEC28-Me2PE 84 (c = 1 mg/ml, pH = 5, 20 K/h) im Vergleich zu den Reinsubstanzen....................................................................................................... 76 Abb. 50: a) DSC-Kurve einer äquimolarer Mischung von PC-C32-PC 6 und Me2PE-C32- Me2PE 82 (c = 1 mg/ml, pH = 5, 20 K/h) im Vergleich zu den Reinsubstanzen. b) SANS-Kurven und IFT-Fits der Mischung PC/Me2PE-C32 bei unterschiedlichen Temperaturen. .............................................................................................. 77 Abb. 51: Selbstaggregation und Polymerisation von Bolaamphiphilen mit mittelständiger Diacetylengruppierung........................................................................................... 78 Abb. 52: zeitabhängiges UV-VIS Spektrum der Polymerisation einer wässrigen Suspension des PC-C32diAc-PC 158 (c = 5 mg/ml, Raumtemperatur).................................... 79 Abb. 53: UV-VIS-Spektren und Fotos der Küvetten einer polymerisierten Probe des PC-C32diAc-PC 158 (c = 5 mg/ml) bei verschiedenen Temperaturen.................. 80 Abb. 54: TEM-Aufnahmen negativ-kontrastierter, wässriger Suspensionen von: a) PC-C32-PC : AuNP = 1000 : 1; b) PC-C32-PC : AuNP = 100 : 1; c) LAPC-C32-LAPC/PC-C32-PC : AuNP = 100 : 1.............................................. 81 IX TABELLENVERZEICHNIS Tab. 1: Laufmittelzusammensetzung für chromatographische Reinigung der Bis(phosphocholine) via MPLC. ................................................................................................ 19 Tab. 2: Laufmittelzusammensetzung für chromatographische Reinigung der Bis(phosphodimethylethanolamine) via MPLC. ........................................................................ 21 Tab. 3: Übersicht der Reaktionsansätze zur katalytischen Hydrierung der Bis(phosphorsäurediphenylester)................................................................................................. 31 Tab. 4: Übersicht der Reaktionsansätze zur katalytischen Hydrierung der Bis(phosphorsäuredibenzylester)................................................................................................. 32 Tab. 5: Struktur und Ausbeute der kopfgruppenmodifizierten Bis(phosphocholine)......... 37 Tab. 6: Ergebnisse der SANS-Untersuchungen der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml).. 65 Tab. 7: Ergebnisse der SANS-Untersuchungen der Bis(phosphodimethylethanolamine) (c = 1 mg/ml; pH = 5)............................................................................................. 68 Tab. 8: Ergebnisse der SANS-Untersuchungen des PC-C32SS-PC 140 (c = 1 mg/ml)...... 73 1 1 EINLEITUNG UND ZIELSTELLUNG Seit den frühen Achtziger Jahren des letzten Jahrhunderts stellen Untersuchungen an bipolaren Amphiphilen (Bolaamphiphilen) aus synthetischer wie auch aus physikochemischer Sicht ein stets wachsendes Forschungsgebiet dar, welches bis heute nichts an Aktualität eingebüßt hat.1-3 Die dabei untersuchten bipolaren Amphiphile bestehen im Allgemeinen aus zwei hydrophilen Kopfgruppen, welche über einen hydrophoben Spacer, in den meisten Fällen lange Alkylketten, miteinander verbunden sind. Natürliche Vorbilder dieser Bolaamphiphile und zugleich Ausgangspunkt für eine Vielzahl synthetischer Variationen sind die in den Membranen der Archaebakterien vorkommenden Tetraetherlipide. Die Archaebakterien, welche neben den Bakterien und Eukaryoten eine dritte Domäne der belebten Welt bilden,4 nehmen eine Sonderstellung im Reich der Organismen ein.5 Diese Spezies, die wiederum in zwei Subspezies (Eurearcheota und Crenarcheota) unterteilt werden kann, umfasst einige Arten an Extremophilen – Lebewesen, die sich durch Anpassung an extreme Umweltbedingungen auszeichnen. Hierzu zählen, eingeteilt nach ihrem Lebensraum, die Halophilen, welche einer hohen Salzkonzentration bedürfen, die Methanogenen, welche unter strikt anaeroben Bedingungen gedeihen und die unter hohen Temperaturen und niedrigen pH-Werten lebenden Thermoacidophilen. 6-9 Die extremen Lebensbedingungen unter denen die Archaebakterien existieren, spiegeln sich u.a. in der Struktur der Zellmembranlipide wider. Insbesondere die Lipide der Thermoacidophilen und der Methanogenen weichen in ihrem Aufbau in entscheidendem Maße von denen anderer Organismen ab. Kennzeichnend sind gesättigte, isoprenoid verzweigte Ketten unterschiedlicher Länge, die an beiden Enden über Etherbindungen an Glycerol mit sn-2,3-Konfiguration gebunden sind. Als Hauptlipide werden dabei die Diphytanylglyceroldiether (Archaeol) und dessen Dimere, die Di(biphytanyl)diglyceroltetraether (Caldarchaeol) unterschieden (siehe Abb. 1).10-12 Eine strukturelle Abwandlung innerhalb dieser langen Alkylketten kann durch Hydroxylierung einer der beiden Ketten,13,14 sowie durch den Einbau 1,3- verknüpfter Cyclopentanringe erfolgen (siehe Abb. 1). Insbesondere die Variation von der Anzahl und Position dieser Fünfringe wird für die Rigidität und Stabilität der Membran thermoacidophiler Archaebakterien verantwortlich gemacht.15,16 Die verbleibende sn-1-Position des Glycerols bietet weiteren Raum für eine strukturelle Kopfgruppen-Modifikation der Archaebakterienlipide. So sind neben unsubstituierten Derivaten Vertreter mit verschiedenen, phosphorylierten und nicht-phosphorylierten Zuckerresten bekannt. Besonders hervorzuheben ist hier der Nonitolrest, welcher zum einen in offenkettiger Form und zum anderen in einer geschlossenen Fünfringform vorliegen kann.14,17 Zu erwähnen bleibt außerdem, dass die dargestellten Reste sowohl symmetrisch als auch unsymmetrisch an die beiden Glycerol-Kopfgruppen gebunden sein können, was zu einer großen Anzahl an archaebakteriellen Membranlipiden führt (siehe Abb. 1).11,14,18-22 2 Einleitung und Zielstellung Die bipolaren Tetraetherlipide der Archaebakterien besitzen aufgrund ihrer außergewöhnlichen Struktur viele vorteilhafte Eigenschaften. So bilden sie, allein oder in Mischungen mit konventionellen Lipiden, verschiedene Modellsysteme, wie Monoschichten23 („black-lipidmembrane“) oder Liposomen,24 die auf dem Gebiet der Pharmazie, der Biotechnologie und der Materialwissenschaften einen hohen Stellenwert besitzen. Dabei durchspannen sie – in Mischungen mit konventionellen Lipiden – die Lipid-Doppelschichten und fungieren somit als eine Art „Niete“, welche die Membranen stabilisiert.16 Für sich genommen bilden die Tetraetherlipide Monoschichten, die sich sowohl durch eine sehr hohe mechanische Stabilität als auch eine hohe chemische und enzymatische Beständigkeit,14,25 bedingt durch das Vorhandensein von Etherbindungen und vollständig gesättigten Ketten, auszeichnen. Ferner zeigen sie eine hohe thermische Stabilität, welche die Hitzesterilisation gebildeter Liposomen ermöglicht,26,27 und eine geringe Permeabilität gegenüber kleinen Molekülen und Ionen.28 Die aufgeführten Eigenschaften der Archaebakterienlipide führten in den letzten Jahren zu einem stark gestiegenen Interesse an diesen Verbindungen. Besonders hervorzuheben sind hierbei die Möglichkeiten zur Stabilisierung von wirkstoff- oder antigentragenden Vesikeln29,30 sowie die Stabilisierung feststoffunterstützter Membranen für Biosensoren.31 Dieser Umstand und die Tatsache, dass reine Tetraetherlipide nur schwierig aus den Membranen der Archaebakterien isoliert werden können, führte zur Suche nach neuen synthetischen Zugängen zu diesen Membranlipiden. RO O O Archaeol RO O O O O OR' Caldarchaeol O O RO O O OR' Caldarchaeol mit Cyclopentan-modifizierten Ketten R = R' = H, Zuckerreste, Phosphatreste H, Polyolreste Abb. 1: Natürliche Lipidstrukturen der Archaebakterien.2,11 Die Strukturvielfalt der Membranlipide ergibt sich aus einer variablen Anzahl (0 bis 8) von Cyclopentanringen, sowie der symmetrischen oder unsymmetrischen Substitution der Kopfgruppen durch verschiedene Polyole, Zucker- und Phosphatreste. 3 So wurden seit Beginn der Neunziger Jahre des letzten Jahrhunderts viele Versuche unternommen, die archaebakteriellen Membranlipide totalsynthetisch darzustellen, was KAKINUMA 1994 für den kurzkettigen32 und 1997/98 schließlich für den langkettigen33,34 Makrozyklus gelang (siehe Kap. 2.1). Daneben wurde geprüft, inwieweit sich die Strukturen der bekannten Tetraetherlipide vereinfachen ließen, ohne dass sie die besonderen Eigenschaften verlieren würden. So tauschte neben KAKINUMA auch MENGER35 die isoprenoid verzweigten Alkylketten durch unverzweigte Polymethylenketten aus, während YAMAUCHI36,37 eine durchspannende Kette durch zwei kürzere Kettenfragmente ersetzte (siehe Abb. 2). Weiterhin wurden die Zuckerreste durch einfache Phosphocholin- bzw. Phosphorsäure-Kopfgruppen substituiert. In der Folgezeit führten weitere strukturelle Vereinfachungen zu einkettigen Bolaamphiphilen, indem die beiden Glycerolreste ersetzt und die hydrophilen Kopfgruppen direkt mit einer Alkylkette verknüpft wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass viele dieser vereinfachten Bolaamphiphile ebenfalls zu Monoschichten aggregieren. Es bestand jedoch ein komplexer Zusammenhang zwischen dem Aufbau der Bolaamphiphile und den ausgebildeten Aggregatstrukturen,38,39 so dass neben den Monoschichten auch andere Strukturen, wie lange Fasern, kurze Faserstücke, Stäbchen, Scheiben oder Mizellen gefunden wurden. Äußerst bemerkenswert ist dabei die Tatsache, dass einige dieser einkettigen, bipolaren Amphiphile imstande sind, in geringen Konzentrationen stabile Hydrogele auszubilden.40 Beispielhaft anzuführen sind hier Polymethylen-1,ω-dicarbonsäuren mit Kettenlängen zwischen 8 und 20 Kohlenstoffatomen, welche über eine Amidbindung mit Tris(hydroxymethyl)methylamin,41 Glucosaminen,42 Aminosäuren43 oder Dipeptiden44 verknüpft sind sowie langkettige Polymethylen-1,ω-diole, die ihrerseits mit Nukleotiden45 oder Phosphocholin46 über die Phosphatgruppe verestert sind (siehe Abb. 3a und b). RO O O O O OR (b) RO O O (a) P O O O O R = N Abb. 2: Modelllipide der Archaebakterien nach (a) MENGER35 und (b) nach YAMAUCHI. 36,37 4 Einleitung und Zielstellung Insbesondere das von ZIETHE47 erstmals in größeren Ausbeuten synthetisierte und von KÖHLER46 untersuchte Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat], PCC32-PC (siehe Abb. 3c), zeigt in wässriger Suspension und bei Raumtemperatur eine ausgeprägte Aggregationsneigung zu langen Fasern mit einem Durchmesser von etwa 5 nm. Diese Nanofasern sind in der Lage, über hydrophobe Wechselwirkungen miteinander zu vernetzen und dadurch ein stabiles, thermoreversibles Gel auszubilden.48 Die Formierung schaltbarer Hydrogele durch niedermolekulare Gelbildner eröffnet weitere Anwendungsgebiete in Bereichen der Pharmazie und Medizin, wie der kontrollierten Wirkstofffreisetzung oder der Verkapselung und injizierbaren Anwendung von Zellen.49 Trotz umfangreicher Synthese- und Charakterisierungsbemühungen sind wir derzeit noch weit davon entfernt, die Eigenschaften und die ausgebildeten Aggregatstrukturen neuer synthetischer Bolaamphiphile vorhersagen zu können. Die vorliegende Dissertation hat – in Anknüpfung an frühere Arbeiten47,50 – die Synthese und physiko-chemische Charakterisierung einkettiger, symmetrischer Bolaamphiphile zum Ziel und richtet das Hauptaugenmerk auf folgende Punkte: ▪ In Anlehnung an das bereits dargestellte PC-C32-PC soll ein effektiver synthetischer Zugang zu weiteren Polymethylen-1,ω-diyl-bis(phosphocholinen) mit Kettenlängen zwischen 22 und 32 Kohlenstoffatomen etabliert werden (siehe Kap. 2.3). ▪ Weiterhin sollen die Kopfgruppen der Bolaamphiphile in weiten Bereichen variiert werden, um zum einen die synthetischen Grenzen dieser Synthese auszuloten (siehe Kap. 2.4) und zum anderen den Einfluss der Größe der Kopfgruppe auf die ausgebildeten Aggregatstrukturen näher zu untersuchen. O P O O N P O O O N O 2 O O N O OH HO OH HO N O O OH OH OH HO H H O N N H O H COOH COOH HOOC HOOC (a) (b) (c) Abb. 3: Beispiele für einkettige Bolaamphiphile nach (a) NAKAZAWA, 42 (b) ZHAN43 und (c) KÖHLER. 46 5 ▪ Ferner soll die Alkylkette strukturell verändert werden, wobei der Einbau von Heteroatomen (siehe Kap. 2.5) und die Untersuchung der sich daraus ergebenden Änderungen im Aggregationsverhalten hier im Vordergrund stehen. ▪ Die synthetisierten Bolaamphiphile werden abschließend einer intensiven physikochemischen Charakterisierung unterzogen, die sich sowohl auf die Einzelsubstanzen als auch auf Mischungen aus zwei unterschiedlichen Bolaamphiphilen bezieht. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollen zum näheren Verständnis der in Abhängigkeit vom Molekülaufbau gebildeten Aggregatstrukturen beitragen (siehe Kap. 3). 6 2 SYNTHETISCH-PRÄPARATIVE ARBEITEN 2.1 SYNTHESE ARCHAEBAKTERIELLER MEMBRANLIPIDE – EIN RÜCKBLICK Nach dem Bekanntwerden der außergewöhnlichen Eigenschaften der archaebakteriellen Membranlipide und des Umstands, dass diese nur in ungenügender Menge und nicht-kettenreiner Form aus den natürlichen Spezies isoliert werden konnten, entstand ein verstärktes Interesse an der Synthese dieser bipolaren Amphiphile. Die Bestrebungen richteten sich in erster Linie auf die Totalsynthese der Bolaamphiphile, welche sich aufgrund der strukturellen Eigenheiten dieser Lipide, wie isoprenoid verzweigte Alkylketten, Etherverknüpfungen, Makrozyklenstruktur und sn-2,3-Konfiguration des Glycerolgerüsts, als schwierig erwies. Daneben wurde versucht, durch geringe strukturelle Abwandlungen Bolaamphiphile zu synthetisieren, die den natürlichen Vorbildern verhältnismäßig ähnlich waren. So etablierten sich nahezu zeitgleich die Synthese von symmetrischen, makrozyklischen Bolaamphiphilen mit einer Ringgröße zwischen 40 und 72 Atomen und die Darstellung azyklischer, symmetrischer Bolalipide, bei denen eine der durchspannenden Alkylketten durch zwei kürzere Ketten ersetzt wurde. Ferner wurde eine Vielzahl von unsymmetrischen Bolaamphiphilen synthetisiert. Da diese jedoch nicht Bestandteil der vorliegenden Dissertationsschrift sind, sei hierzu auf vorhandene Übersichtsartikel1-3 verwiesen. 2.1.1 SYNTHESE SYMMETRISCHER MAKROZYKLEN Erste Erfolge verzeichnete JUST, 51 als dieser 1992 einen 32-gliedrigen, monopolaren Makrozyklus synthetisierte. Im Vergleich zu den nativen Bolaamphiphilen war dieser jedoch über zwei Esterbindungen mit dem Glycerolgerüst verknüpft. Zentraler Bestandteil dieser Darstellung war die Hochtemperatur-GLASER-Kupplung – eine kupferkatalysierte, oxidative Kupplung terminaler Alkine zu Bisacetylenen. Diese Reaktion wird in einem späteren Abschnitt der vorliegenden Arbeit noch von Bedeutung sein (siehe Kap. 2.5.3). Ein großer Fortschritt gelang KAKINUMA52 1993, als er ein dem Archaeol ähnlichen, 36- gliedrigen, monopolaren Makrozyklus jedoch ohne isoprenoide Verzweigung darstellte. Kernstück dieser Synthese war die titankatalysierte, reduktive Kupplung von Aldehyden zu Olefinen, welche in der Literatur unter dem Namen MCMURRY-Kupplung53-55 bekannt ist. Zeitgleich gelang es MENGER35 ebenfalls einen monopolaren Makrozyklus zu synthetisieren, welcher sowohl über Ester- als auch über Etherbindungen mit dem Glycerolgerüst verknüpft war und Ringgrößen zwischen 32 und 44 Atomen aufwies. Wie schon JUST verwendete auch MENGER die kupferkatalysierte GLASER-Kupplung. Bereits ein Jahr nach der Synthese des methylgruppenfreien Makrozyklus konnte KAKINUMA die gleiche Verbindung mit isoprenoid Darstellung archaebakterieller Membranlipide – ein Rückblick 7 verzweigter Kohlenstoffkette darstellen.32 Schlüsselreaktion war hierbei wiederum die titankatalysierte MCMURRY-Kupplung. Im Jahr 1996 konnten die ersten Erfolge im Hinblick auf die Darstellung des 72-gliedrigen, bipolaren Makrozyklus verzeichnet werden. Erneut waren es KAKINUMA56 und MENGER, 57 welche nahezu parallel die Synthese dieses Makrozyklus ohne Methylengruppenverzweigung publizierten. Auch hier gelang es KAKINUMA33,34 ein Jahr später, die Verbindung mit isoprenoid verzweigter Kohlenstoffkette zu synthetisieren und somit erstmalig ein archaebakterielles, bipolares Membranlipid totalsynthetisch darzustellen (siehe Abb. 1, Mitte). KAKINUMA verwendete dabei neben der MCMURRY-Kupplung die JULIA-Kupplung,58,59 eine Additionsreaktion von Phenylsulfoncarbanionen an Aldehyde bzw. Ketone, welche nach reduktiver Eliminierung mit Natrium-Amalgam bzw. Samarium(II)iodid trans-substituierte Alkene lieferte, die ihrerseits zu Alkanen hydriert werden konnten. Abbildung 4 gibt einen kurzen, schematischen Überblick über die bis hierhin vorgestellten Kupplungsreaktionen. 2.1.2 SYNTHESE AZYKLISCHER, SYMMETRISCHER BOLAAMPHIPHILE Neben der Darstellung makrozyklischer Bolaamphiphile etablierte sich im gleichen Zeitraum die Synthese azyklischer, symmetrischer Bolalipide. Hierbei wurde auf das Konzept der Makrozyklen verzichtet und eine durchspannende Kette, vorwiegend in sn-2-Position des Glycerolgerüsts, durch zwei kürzere, isoprenoid-verzweigte60 oder nicht-verzweigte,61,62 Alkylketten ersetzt. Die Einführung der membrandurchspannenden Kette erfolgte dabei in den meisten Fällen nicht über eine C-C-Kupplungsreaktion zweier kurzkettiger Fragmente, wie in den zuvor dargestellten Beispielen. Die geschützten Glycerole wurden stattdessen mit 1,ω-Dihalogeniden entsprechender Kettenlänge verknüpft. YAMAUCHI36,63 verwendete hierfür R H R O H RCS O O H H R H O R H R H H R' O R R H R R H O R' R S O O Ac 2 + Ac2O AcOEt THF / EtOH MeOH Na (Hg) R R R R' TiCl3 / Zn-Cu DME H2 / Pd-C Cu(OAc)2 oder CuCl Pyridin oder TMEDA / O2 H2 / Pd-C n-BuLi / THF (a) (b) (c) Abb. 4: Im Rahmen der Bolalipidsynthesen verwendete C-C-Kupplungsreaktionen nach (a) GLASER, (b) MCMURRY und (c) JULIA. 8 Synthetisch-präparative Arbeiten 1,32-Dibromdotriacontan bzw. 1,20-Dibromcosan, um zwei Moleküle 3-O-Benzylglycerol, welches über die entsprechende Dibutylstannylenverbindung aktiviert wurde, zu verknüpfen. Die von THOMSON61,62,64 synthetisierten Bolaamphiphile besaßen mit 16 bzw. 20 Kohlenstoffatomen kürzere, membrandurchspannende Ketten, die über eine WILLIAMSONsche Ethersynthese61 oder mittels säurekatalysierter Ringöffnung an Epoxidverbindungen durch langkettige 1,ω-Diole62,64 in das Molekül eingeführt wurden. In diesem Zusammenhang ebenfalls zu erwähnen sind die Synthesen von WANG und HOLLINGWORTH, 65 jedoch mit dem Unterschied, dass hier die hydrophoben Ketten über Esterbindungen mit dem Glycerol verknüpft wurden. Die durchspannende C30-Alkylkette war dabei über das Dichlorid der Triacontandicarbonsäure und Acylierung der in sn-1-Position des Glycerols befindlichen Hydroxygruppe in das Molekül eingeführt worden. Eine weitere Synthesevariante für azyklische, symmetrische Bolaamphiphile wurde von BERKOWITZ66 beschrieben. Er griff auf eine Variante der KOCHI-Kupplung67 zurück, indem er Alkylmagnesiumiodide unter Katalyse von Silber kuppelte. Neben der Darstellung von glycerolhaltigen, azyklischen Bolaamphiphilen wurde ferner eine Vielzahl von einkettigen, bipolaren Amphiphilen synthetisiert, bei denen die Glycerolreste durch andere hydrophile Kopfgruppen ersetzt wurden.41-46 Die Basis dieser Synthesen stellt in den meisten Fällen die Darstellung langkettiger 1,ω-funktionalisierter Polymethylene – wie Dicarbonsäuren oder Diole – dar, welche in einem abschließenden Syntheseschritt mit den verschiedenartigen Kopfgruppen über Ester- oder Amidbindungen verknüpft wurden. Zahlreiche synthetische Zugänge zu den zentralen, lipophilen Bestandteilen dieser Bolaamphiphile sind in der Literatur bekannt und am Beispiel langkettiger Dicarbonsäuren ausführlich beschrieben worden.68 Häufig Anwendung fanden dabei die Reaktion von Carbonylverbindungen mit Alkylidenphosphoranen, die anodische Kupplung von Halbestern der Dicarbonsäuren im Sinne einer KOLBE-Elektrolyse69 sowie die Zweifach-Acylierung von zyklischen Enaminen mit 1,ω-Dicarbonsäuredichloriden und anschließender Ringöffnung sowie WOLFF-KISHNER-Reduktion nach HÜNIG. 70 Weiterhin war die Doppel-WITTIG-Reaktion von 1,ω-Bis(phosphoryliden) und ω-substituierten Aldehyden71 eine Möglichkeit, zu langkettigen 1,ω-Diolen zu gelangen. Die Nachteile der hier aufgezeigten Synthesevarianten lagen vor allem in der langwierigen, mehrere Stufen umfassenden Reaktionsführung und den teilweise nur mäßigen Ausbeuten an 1,ω-funktionalisierten Polymethylenen. Ein weiterer, alternativer Zugang zu langkettigen, terminal modifizierten Polymethylenen bestand in der durch verschiedene Übergangsmetallionen katalysierten Reaktion von entsprechenden GRIGNARD-Reagenzien mit verschiedenen Alkylhalogeniden.67,72,73 Die Wahl des Übergangsmetalls richtete sich dabei nach der Reaktionsführung, wobei neben Silber67 vor allem Kupfer in verschiedenen Verbindungen zum Einsatz kam. Neben der Anwendung von hochkoordinierten Organo-Kupfer(I)-Komplexen nach LIPSHUTZ74,75 hatte sich besonders der Einsatz von katalytischen Mengen an Lithiumchlorocupraten76-79 während der GRIGNARD- Darstellung archaebakterieller Membranlipide – ein Rückblick 9 Kupplung bewährt. Die sehr gute katalytische Wirksamkeit dieser Kupferverbindungen – oft sind 1 bis 5 mol% schon ausreichend – war auf das hohe Chelatisierungs- und Koordinationsvermögen von Kupfer zurückzuführen, wodurch unter Beibehalten der Nukleophilie die Basizität der metallorganischen Reagenzien vermindert wurde.80 Erfahrungen in der Arbeitsgruppe haben gezeigt, dass die kupferkatalysierte GRIGNARDKupplung eine sehr effektive Möglichkeit darstellt, langkettige, 1,ω-funktionalisierte Polymethylene zu synthetisieren.47,50,81 So konnte ZIETHE das Dotriacontan-1,32-diol 5 in sehr guten Ausbeuten darstellen (siehe Abb. 5), welches als Vorstufe für die Synthese des bipolaren Amphiphils PC-C32-PC 6 diente. Ausgangspunkt hierfür war das kommerziell erhältliche 11-Bromundec-1-en 1, welches in das GRIGNARD-Reagenz 2 überführt und im Sinne einer doppelten GRIGNARD-Kupplung (GRIGNARD-Bis-Kupplung) mit 1,10-Dibromdecan 3 zur Reaktion gebracht wurde. Das so entstandene Dotriaconta-1,31-dien 4 wurde anschließend mittels Hydroborierung und oxidativer Aufarbeitung in das Diol 5 überführt. Die vorgestellte GRIGNARD-Bis-Kupplung bot einen hervorragenden Ansatzpunkt für die Synthese von 1,ω-funktionalisierten Polymethylenen. Durch Variation der Edukte 1 und 3 konnten auf diesem Weg Kettenlängen zwischen 22 und 32 Kohlenstoffatomen realisiert werden. Br Br 14 5 Li2CuCl4 / 0 °C Br 2. EtOH / NaOH / H2O2 MgBr HO OH Mg / Et2O / THF 16 4 5 1. Disiamylboran / THF 1 3: O O 16 P P O N O O O N O O 6 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br / CHCl3 / TEA 2. THF / H2O 3. CHCl3 / CH3CN / EtOH / N(CH3)3 2 Abb. 5: Synthese des Dotriacontan-1,32-diols 5 als Vorstufe für die Darstellung bipolarer Amphiphile.47 10 Synthetisch-präparative Arbeiten 2.2 SYNTHESE LANGKETTIGER, 1,ω-FUNKTIONALISIERTER ALKANE ALS VORSTUFEN FÜR DIE DARSTELLUNG VON BOLAAMPHIPHILEN 2.2.1 DARSTELLUNG DER 1,ω-DIENE ÜBER GRIGNARD-BIS-KUPPLUNG Ausgangspunkt für die Darstellung langkettiger 1,ω-Diene war die von ZIETHE beschriebene, kupferkatalysierte GRIGNARD-Bis-Kupplung. Hierzu wurde das 11-Bromundec-1-en 1 bzw. das 8-Bromoct-1-en 7 in abs. Diethylether in das analoge GRIGNARD-Reagenz überführt und mit 1,ω-Dibromiden 3, 8-12 entsprechender Kettenlänge gekuppelt (siehe Abb. 6). Als Katalysator kam hierbei eine Lösung von Dilithiumtetrachlorocuprat(II) in THF zum Einsatz, welche vor der Reaktion aus Lithiumchlorid und Kupfer(II)chlorid frisch hergestellt wurde. Auf die Verwendung von Dilithiumtrichlorocuprat82,83 wurde verzichtet, da HEISER50 in diesem Zusammenhang keine erhöhten Ausbeuten feststellen konnte. Des Weiteren fand auch der von CAHIEZ84 beschriebene Zusatz von N-Methylpyrrolidin-2-on keine Anwendung, da dies ebenfalls keinen positiven Einfluss auf den Reaktionsverlauf erwarten lies. Durch diese GRIGNARD-Bis-Kupplung konnten 1,ω-Diene 4, 13-20 mit geradzahliger (32 bis 24) und ungeradzahliger (31, 29 und 27) Anzahl an Kohlenstoffatomen synthetisiert werden. Das analoge Docosa-1,21-dien 17 wurde durch GRIGNARD-Mono-Kupplung dargestellt.47 Die Reinigung der Rohprodukte erfolgte durch wiederholtes Ausfällen aus einer THF/Diethylether-Mischung durch sukzessive Zugabe von Aceton (im Falle von 4, 13, 14) bzw. Methanol (für 15 bis 20). Dadurch konnten die kurzkettigen Nebenprodukte, wie nicht umgesetztes Edukt oder das Mono-Kupplungsprodukt (1+1 bzw. 7+7), entfernt werden. Als hilfreich erwies sich außerdem ein dem Umfällen vorgeschaltetes Filtrieren des in Heptan gelösten Rohprodukts über Kieselgel, um die polaren Bestandteile aus dem Produktgemisch zu entfernen. Die Ausbeuten an gereinigtem 1,ω-Dien bewegten sich reproduzierbar zwischen 70 und 87 %, wobei sie zu kürzeren Kettenlängen hin abnahmen, was auf eine erhöhte Löslichkeit der Diene in dem zur Reinigung verwendeten Lösungsmittelgemisch zurückzuführen war. Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang die Tatsache, dass die ungeradzahligen Diene 18 bis 20 sich nicht durch Aceton sondern erst durch den Zusatz von Methanol ausfällen ließen. Br Br Br Br x y x + + 1,7 3,8-12 1,7 1. Mg / Et2O / Rückfluss 2. THF / Li2CuCl4 / 0 °C z = 2x + y 4,13-20 1: 7: x = 9 x = 6 3: 8: 9: y = 10 y = 8 y = 6 10: 11: 12: y = 9 y = 7 y = 5 4: 13: 14: z = 28 z = 26 z = 24 18: 19: 20: z = 27 z = 25 z = 23 15: 16: 17: z = 22 z = 20 z = 18* Abb. 6: Darstellung der 1,ω-Diene 4, 13-18 über GRIGNARD-Bis-Kupplung. (* Das Docosa-1,21-dien 17 wurde durch GRIGNARD-Mono-Kupplung aus 11-Bromundec-1-en 1 synthetisiert.47) Darstellung 1,ω-funktionalisierter Alkane 11 2.2.2 DARSTELLUNG DER 1,ω-DIOLE 2.2.2.1 Synthese der 1,ω-Diole durch Hydroborierung und Oxidation der analogen Diene Die dargestellten Diene 4, 13-20 wurden in einem nächsten Schritt in die analogen 1,ω-Diole überführt. Eine hierfür gängige Methode ist die Hydroborierung und die oxidative Spaltung von Bor-Kohlenstoff-Bindungen nach vorhergehender, regioselektiver Addition von Boranen an Doppelbindungen. Die heute gebräuchlichen Hydroborierungsreagenzien, wie das Bis(3- methylbut-2-yl)boran85 (Disiamylboran), das 2,3-Dimethylbut-2-ylboran86 (Thexylboran) oder das 9-Borabicyclo[3.3.1]nonan87 (9-BBN), wurden von BROWN entwickelt. Erfahrungen in der Arbeitsgruppe haben gezeigt, dass für die Überführung bipolarer Diene in die analogen 1,ω-Diole das Disiamylboran am geeignetsten und dem sonst üblichen 9-BBN vorzuziehen ist.50 Die Hydroborierung der Diene 4, 13-20 und nachfolgende Oxidation mit Wasserstoffperoxid lieferte die Diole 5, 21-28 in sehr guten Ausbeuten zwischen 82 und 95 % (siehe Abb. 7). Die abschließende Reinigung erfolgte durch mehrfaches Umkristallisieren aus Heptan bzw. Heptan/Methanol-Mischungen. Massenspektroskopische Untersuchungen der Diole zeigten jedoch, dass diese mit einem geringen Prozentsatz (max. 5 %) an höhermolekularem Nebenprodukt verunreinigt waren. Die MS-Analysen ergaben, dass es sich dabei um ein Dimerisierungsprodukt eines Zwischenprodukts der GRIGNARD-Bis-Kupplung handelte. Abbildung 8 zeigt beispielhaft die Bildung dieses Nebenprodukts während der Synthese des Dotriaconta-1,31-diens 4. Durch Transmetallierung – erstmals beschrieben in Arbeiten von KOCHI67 – wurde Magnesium auf das intermediär gebildete 21-Bromhencos-1-en 29 übertragen. Das so neu entstandene GRIGNARD-Reagenz 30 konnte im weiteren Verlauf der Reaktion mit 29 zu dem höhermolekularen Nebenprodukt 31, einem Dotetraconta-1,41-dien (C42H82 – MG = 587.1 g/mol), dimerisieren. Das entsprechende Massenspektrum ist im Anhang abgebildet. Dieses Verhalten wurde bei allen durch GRIGNARD-Bis-Kupplung synthetisierten 1,ω-Dienen gefunden. 1. THF / BH3 / 2-Methylbut-2-en / 0 °C 2. EtOH / NaOH / H2O2 / 50 °C z 4,13-20 z 5,21-28 5: 21: 22: z = 28 z = 26 z = 24 26: 27: 28: z = 27 z = 25 z = 23 23: 24: 25: z = 22 z = 20 z = 18 HO OH Abb. 7: Darstellung der 1,ω-Diole 5, 21-28 über Hydroborierung und Oxidation der analogen Diene 4, 13-20. Br 2 3 30 29 31 MgBr Br Br MgBr 9 10 19 19 38 R MgBr R Br + 29 Abb. 8: Bildung eines höhermolekularen Nebenprodukts während der GRIGNARD-Bis-Kupplung. 12 Synthetisch-präparative Arbeiten Zahlreiche Versuche, dass längerkettige Nebenprodukt auf der Stufe der Diene bzw. der Diole durch wiederholtes Umfällen und Umkristallisieren zu entfernen, blieben aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit zwischen Haupt- und Nebenprodukt erfolglos. Auch Abwandlungen im Reaktionsverlauf der GRIGNARD-Bis-Kupplung, wie „Vorbrüten“ des Katalysators bei tiefen Temperaturen,88 geänderte Reihenfolge der Zugabe der Reaktanden oder Reaktion bei niedrigen Temperaturen, zeigten keinen limitierenden Effekt auf die Bildung des Nebenprodukts. Eine andere Methode, langkettige 1,ω-Diole zu synthetisieren, beschrieben SCHILL89 und später auch MOHR. 90 Beide verwendeten eine kupferkatalysierte GRIGNARD-Bis-Kupplung von THP-geschützten ω-Bromalkoholen mit 1,ω-Dibromiden bzw. 1,ω-Diiodiden unterschiedlicher Kettenlänge (siehe Abb. 9). Die Autoren beschrieben jedoch nicht die Bildung eines höhermolekularen Nebenprodukts. Es zeigte sich dennoch, dass auch bei exakter Wiederholung der Synthesevorschrift nach MOHR90 die Formierung dieses längerkettigen Dimerisierungsprodukts nicht ausblieb. Somit war die Transmetallierung während einer GRIGNARD-Bis-Kupplung und die damit verbundene Entstehung höhermolekularer Nebenprodukte unabhängig von der Reaktionsführung und damit ein generelles Problem dieses Reaktionswegs. Zur Vermeidung der Nebenproduktbildung musste ein alternativer Reaktionsweg gefunden werden. Mit Rückblick auf die Synthese des Docosa-1,21-diens 17 kam hierfür nur eine GRIGNARD-Mono-Kupplung in Betracht, da bei dieser Reaktionsführung die Bildung höhermolekularer Nebenprodukte ausgeschlossen werden konnte. Für die Darstellung der 1,ω-Diole 5, 21-25 wären somit ω-funktionalisierte Alkylbromide mit einer Kettenlänge von 12 bis 16 Kohlenstoffatomen notwendig, welche in einer GRIGNARD-Kupplung miteinander verknüpft werden können. Die Verwendung von langkettigen ω-Bromalkenen schied hierfür aus, da diese kommerziell nicht erhältlich waren und nur schwer, über mehrere Stufen zu synthetisieren sind. Alternativ kamen langkettige ω-Bromalkohole in Betracht, wie sie bereits MOHR90 für die GRIGNARD-Bis-Kupplung verwendete. Diese könnten nach Blockieren der Hydroxyfunktion mittels 3,4-Dihydro-2H-pyran in die entsprechenden GRIGNARD-Reagenzien überführt und mit einem weiteren ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkan zur Reaktion gebracht werden. Über diese GRIGNARD-Mono-Kupplung bestände nun die Möglichkeit, die langkettigen 1,ω-Diole in kettenreiner Form, d.h. ohne höhermolekulare Nebenprodukte, zu synthetisieren. O Br X X Br O 11 10 11 + + 1. Mg / THF 2. Li2CuCl4 / Dihalogenid O O 32 O O O O X = Br, I Abb. 9: Synthese des THP-geschützten Dotriacontan-1,32-diols nach MOHR. 90 Darstellung 1,ω-funktionalisierter Alkane 13 2.2.2.2 Synthese langkettiger ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane Für die Darstellung langkettiger 1,ω-Diole im Multigramm-Maßstab war ein effektiver Zugang zu geschützten ω-Bromalkoholen mit Kettenlängen zwischen 12 und 16 Kohlenstoffatomen notwendig. Als Ausgangsverbindungen schienen hierfür großgliedrige Lactone und Dicarbonsäuren besonders geeignet, da diese in größeren Mengen und hoher Reinheit kommerziell erhältlich waren. Die Abbildung 10 gibt einen Überblick über die verschiedenen Synthesewege zu den ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkanen 53-58, welche nachfolgend näher erläutert werden sollen. Die Darstellung der ω-Bromalkohole 47 und 48 mit 16 bzw. 15 Kohlenstoffatomen erfolgte aus den analogen Lactonen 32 und 33. Die zyklischen Ester wurden nach einer Vorschrift von CUNDY91 durch 24-stündiges Erhitzen mit p-Toluolsulfonsäure (pTosOH) in Methanol quantitativ in die entsprechenden ω-Hydroxyalkansäuremethylester 34 und 35 überführt. Der sich anschließende nukleophile Austausch der Hydroxygruppe gegen Brom ergab die ω-Bromalkansäuremethylester 36 und 37. 92 Dabei erwies sich die Aktivierung mit MethansulfonO Br O z 53-58 HO Br z 47-52 HO OH y 44-46 O O O O y 41-43 HO O OH O y 38-40 O Br O x 36,37 O OH O x 34,35 O H2C O x 32,33 47/53: 48/54: 49/55: z = 15 z = 14 z = 13 50/56: 51/57: 52/58: z = 12 z = 11 z = 10* 32/34/36: 33/35/37: x = 15 x = 14 38/41/44: 39/42/45: 40/43/46: y = 12 y = 11 y = 10 MeOH MeOH H2SO pT 4 osOH 1. MesCl / CHCl3 / TEA 2. Aceton / LiBr Et 2O / LiAlH4 / 0 °C Et2O / LiAlH4 0 °C HBr / Benzen 3,4-Dihydro-2H-pyran PyrTos / CH2Cl2 Rückfluss Abb. 10: Darstellung der ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane 53-58 aus Lactonen 32,33 bzw. Dicarbonsäuren 38-40. (* 58 wurde aus kommerziell erhältlichem 11-Bromundecan-1-ol 52 synthetisiert.) 14 Synthetisch-präparative Arbeiten säurechlorid (MesCl) in Chloroform/TEA als vorteilhaft. Eine ebenfalls durchgeführte Aktivierung mit p-Toluolsulfonsäurechlorid (TosCl) in Pyridin bzw. MesCl in Pyridin resultierte in Aufarbeitungsschwierigkeiten, da die gebildeten Tosylate bzw. Mesylate der Hydroxymethylester 34 und 35 relativ gut wasserlöslich sind. Das gleichzeitig als Lösungsvermittler fungierende Pyridin konnte hierbei nur schwerlich aus dem Reaktionsgemisch durch Waschen mit verdünnter Schwefelsäure entfernt werden, was zu Produktverlust führte. Die nachfolgende Reduktion der ω-Bromalkansäuremethylester 36 und 37 zu den ω-Bromalkoholen 47 und 48 erfolgte in Diethylether mittels Lithiumaluminiumhydrid.93 Dabei ist eine Reaktionstemperatur von 0 °C nicht zu überschreiten, um eine reduktive Bromabspaltung gering zu halten (≤ 2 %). Des Weiteren hat sich eine vorab durchgeführte chromatographische Reinigung der Brommethylester 36 und 37 unter Verwendung eines Heptan/Chloroform-Gradienten steigender Polarität als dienlich erwiesen, wodurch die Ausbeuten der Reduktion auf eine nahezu quantitative Umsetzung gesteigert werden konnten. Die Synthese der analogen ω-Bromalkohole 49-51 mit 14 bis 12 Kohlenstoffatomen erfolgte aus den entsprechenden Dicarbonsäuren 38-40. Diese wurden mit Methanol/Schwefelsäure zu den Dimethylestern 41-43 quantitativ verestert und anschließend zu den 1,ω-Diolen 44-46 unter Verwendung von Lithiumaluminiumhydrid in Diethylether reduziert. Die Überführung in die ω-Bromalkohole 49-51 erfolgte durch mehrtägiges Erhitzen der 1,ω-Diole am Wasserabscheider mit Bromwasserstoff in Benzen.94 Dieser Schritt erwies sich mit Ausbeuten zwischen 40 und 60 % als limitierender Faktor in der Synthese der ω-Bromalkohole 49-51, da die 1,ω-Diole nur schwierig in Lösung zu bringen waren. Auf der anderen Seite bestand die Gefahr, dass eine zu lange Reaktionsdauer die Zweitsubstitution und somit die Bildung von Dibromiden begünstigte. So musste die Reaktion nach zwei Tagen unterbrochen werden, da DC-Untersuchungen (Chloroform/Diethylether, 8/2, V/V) des Ansatzes keine weitere Zunahme an gewünschtem Produkt und eine erhöhte Bildung an Dibromiden zeigten. Der letzte Reaktionsschritt, die Einführung der THP-Schutzgruppe, erfolgte in Anlehnung an die von MIYASHITA95 beschriebene Synthese durch Umsetzung der ω-Bromalkohole 47-52 mit 3,4-Dihydro-2H-pyran in Methylenchlorid unter Zusatz von katalytischen Mengen an Pyridiniumtosylat (PyrTos). Nach 24-stündigem Rühren bei Raumtemperatur war diese Schutzgruppeneinführung abgeschlossen, wie DC-Untersuchungen (Chloroform/Heptan, 6/4, V/V) bestätigten. Nach der abschließenden chromatographischen Reinigung unter Verwendung eines Heptan/Diethylether-Gradienten steigender Polarität konnten die ω-Brom-1- [(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane 53-58 in Ausbeuten zwischen 88 und 96 % mit Bezug auf die ω-Bromalkohole bzw. in einer Gesamtausbeute zwischen 41 und 52 % bezüglich der analogen Lactone 32 und 33 resp. Dicarbonsäuren 38-40 erhalten werden. Alternativ zu den hier aufgezeigten Synthesewegen wurden noch weitere Darstellungsvarianten untersucht. So bestand die Möglichkeit, die Hydroxygruppe der ω-Hydroxyalkansäuremethylester 34 und 35 mit 3,4-Dihydro-2H-pyran zu blockieren, die Esterfunktion zum Alkohol zu reduzieren und diese in einem letzten Schritt in ein Bromid zu überführen. Weiter- Darstellung 1,ω-funktionalisierter Alkane 15 hin wurde versucht, die in Tetrachlorkohlenstoff/Methanol gelösten Lactone 32 und 33 durch gasförmigen Bromwasserstoff zu spalten, um so direkt zu den ω-Bromalkansäuremethylester 36 und 37 zu gelangen. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass keiner dieser Versuche in einer Steigerung der Ausbeuten bzw. in einer vereinfachten Reaktionsführung resultierte. 2.2.2.3 Synthese der 1,ω-Diole über GRIGNARD-Mono-Kupplung Die gewonnenen THP-geschützten ω-Bromalkohole 53-58 konnten im nächsten Schritt im Sinne einer GRIGNARD-Mono-Kupplung zu den Bis(tetrahydropyranylethern) 59-64 verknüpft werden, welche nach abschließender Schutzgruppenabspaltung die 1,ω-Diole ergaben. (siehe Abb. 11). Hierzu wurde nach der von MOHR90 beschriebenen Bis-Kupplung verfahren. Die ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane 53-58 wurden dazu in trockenem THF gelöst und langsam unter Argonatmosphäre zu Magnesiumspänen hinzugetropft. Nach vollständiger Zugabe des Edukts und Abklingen der exothermen Reaktion wurde der Ansatz für drei Stunden auf 55 °C erhitzt, wodurch eine nahezu quantitative Bildung des GRIGNARDReagenzes erreicht wurde. Durch inerte Filtration konnte im Anschluss das nicht umgesetzte Magnesium abgetrennt und die Ausbeute an GRIGNARD-Reagenz bestimmt werden. Da diese in allen Fällen zwischen 90 und 95 % lag, wurde für die nachfolgende Kupplungsreaktion mit dem analogen ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkan generell 10 % weniger eingesetzt, um den Substanzverbrauch so gering wie möglich zu halten. Als Katalysator für die GRIGNARD-Mono-Kupplung kam erneut eine Lösung von Dilithiumtetrachlorocuprat(II) in THF zum Einsatz, welche vorab aus Lithiumchlorid und Kupfer(II)chlorid frisch hergestellt wurde. Die Katalysatorlösung wurde in die auf –5 °C heruntergekühlte GRIGNARD-ReagenzLösung eingespritzt. Anschließend wurde das in trockenem THF gelöste THP-geschützte Bromid 53-58 hinzugegeben und die Mischung für mindestens drei Stunden bei 0 °C gerührt. Der Zugabezeitpunkt des Katalysators besaß dabei keinen Einfluss auf den Reaktionsverlauf bzw. auf die Ausbeuten. Jedoch wurde bei einigen Ansätzen ein Farbumschlag des Katalysators festgestellt. So änderte sich die Farbe im Augenblick des Zuspritzens von anfänglich rotbraun nach grün. Diese HO OH 5,21-25 z + 1 O O O O 59-64 z + 1 O Br O z 53-58 1. Mg / THF / Rückfluss 2. THF / Li2CuCl4 / 0 °C 3. / THF 5/53/59: 21/54/60: z = 15 z = 14 22/55/61: 23/56/62: z = 13 z = 12 24/57/63: 25/58/64: z = 11 z = 10 MeOH PyrTos O Br O z 53-58 Abb. 11: Darstellung der 1,ω-Diole 5, 21-25 über GRIGNARD-Mono-Kupplung. 16 Synthetisch-präparative Arbeiten Grünfärbung blieb auch während der gesamten Reaktion bestehen. DC-Untersuchungen in Chloroform/Heptan (6/4, V/V) zeigten nur eine geringe Umsetzung zum gewünschten Bis- (tetrahydropyranylether) 59-64, wobei auch durch eine längere Reaktionsdauer die Ausbeuten nicht über 10 % gesteigert werden konnten. Die Ursache hierfür schien in einer Desaktivierung des Kupferkatalysators zu liegen, da die aufgetretene Grünfärbung für die Bildung von Kupfer(II)chlorid bei gleichzeitiger Zersetzung des GRIGNARD-Katalysators sprach. Weiterhin könnten sich Spuren von PyrTos, welche durch die Schutzgruppeneinführung bei der Darstellung der THP-geschützten Bromide 53-58 eingeschleppt wurden, störend auf die Katalyse auswirken. Durch eine erneute säulenchromatographische Reinigung der ω-Brom-1- [(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane 53-58 unter Verwendung eines Heptan/DiethyletherGradienten steigender Polarität konnte dieses Problem umgangen werden. Die erhaltenen Bis(tetrahydropyranylether) 59-64 wurden nachfolgend in die 1,ω-Diole 5 und 21-25 durch Erhitzen in Methanol mit katalytischen Mengen an PyrTos überführt. Eine vorgeschaltete Reinigung der Bis(tetrahydropyranylether) konnte entfallen, da die gebildeten Diole unlöslich in siedendem Methanol waren und somit aus der Reaktionsmischung ausfielen und abgetrennt werden konnten. Nach dem Umkristallisieren aus Heptan lagen die Diole als weiße Kristalle vor. Die Kettenreinheit konnte durch MS-Analysen bestätigt werden. Die hier vorgestellte GRIGNARD-Mono-Kupplung stellt eine innovative Methode zur Darstellung geradzahliger, kettenreiner 1,ω-Diole im Multigramm-Maßstab dar. 2.3 DARSTELLUNG DER BIS(PHOSPHOCHOLINE) Im Folgenden wird auf den Zusatz „Polymethylen-1,ω-diyl-“ vor den Namen der Bolaamphiphile – mit Ausnahme der IUPAC-Namen – verzichtet. 2.3.1 SYNTHESE DER BIS(PHOSPHOCHOLINE) MIT KETTENLÄNGEN ZWISCHEN 22 UND 32 KOHLENSTOFFATOMEN Für die Darstellung von Phosphocholinen aus den entsprechenden Alkoholen sind in der Literatur verschiedene Verfahren beschrieben. So verwendete HIRT96 das β-Bromethylphosphorsäuredichlorid als Phosphorylierungsmittel, während EIBL97 auf das 2-Chlor-2-oxo-1,3,2- dioxaphospholan zurückgriff. Erfahrungen in der Arbeitsgruppe zeigten, dass mit beiden Reagenzien gute bis sehr gute Phosphorylierungsergebnisse zu erzielen sind. Bei bipolaren Verbindungen jedoch ist das β-Bromethylphosphorsäuredichlorid aufgrund einer effizienteren Phosphorylierung98,99 und einer einfacheren chromatographischen Reinigung zu bevorzugen. Die Phosphorylierungsreaktionen erfolgten nach einer von ZIETHE47 beschriebenen Methode. Hierzu wurde frisch destilliertes β-Bromethylphosphorsäuredichlorid in Chloroform vorgelegt und mit ebenfalls frisch destilliertem TEA bei 0 °C aktiviert. Die 1,ω-Diole 5, 21-28 wurden Darstellung der Bis(phosphocholine) 17 anschließend in fester Form hinzugegeben. Um die Diole vollständig in Lösung zu bringen und die Reaktion im homogenen Zustand ablaufen zu lassen, war es notwendig, die Ansätze kurzzeitig zu erwärmen. Der Grad der Erwärmung richtete sich dabei nach der Kettenlänge des verwendeten Diols: Während die kurzkettigen Diole 24 und 25 bereits bei 30 bis 35 °C in Lösung gingen, waren für die langkettigen Diole 5 und 21 Temperaturen von 50 bis 55 °C erforderlich. Nach dem Lösen der 1,ω-Diole wurden die Ansätze rasch auf Raumtemperatur abgekühlt, um eine Zersetzung des Phosphorylierungsmittels zu vermeiden. Eine erneute Niederschlagsbildung wurde dabei nicht festgestellt. Die Aufarbeitung der Phosphorylierungsreaktion erfolgte durch Zugabe von Eiswasser und mehrfacher Extraktion der abgetrennten wässrigen Phase mit Chloroform. Ein Zusatz von Natriumchlorid hat sich dabei zur Vermeidung einer Emulsionsbildung als vorteilhaft erwiesen. Zur vollständigen Hydrolyse wurde die eingeengte, organische Phase in THF/Wasser (9/1, V/V) aufgenommen und für ein bis zwei Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Der dabei zu beobachtende Farbwechsel von gelborange zu einem helleren Gelb bei gleichzeitiger Trübung der Lösung zeigte den Endpunkt der Reaktion an. Die anschließende Aufarbeitung erfolgte im Gegensatz zu der von ZIETHE47 beschriebenen Methode nicht durch Zugabe von Chloroform, Methanol und Ammoniumchlorid-Lösung, sondern durch vorsichtiges Einengen des kompletten Ansatzes und nachfolgendem Trocknen über Phosphorpentoxid. Dadurch konnte die störende Ausbildung stabiler Emulsionen, wie sie bei der Variante nach ZIETHE beobachtet wurden, umgangen werden. Die abschließende Quarternierung, d.h. der nukleophile Austausch der beiden Bromatome des Bis(2-bromethylphosphorsäureesters) gegen Trimethylamin, erfolgte in einer Mischung aus abs. Chloroform und Acetonitril sowie einer ethanolischen Lösung des Amins. Der klare, gelborange bis orangebraun gefärbte Reaktionsansatz wurde in einem geschlossenen Kolben für ein bis zwei Tage auf 40 – 45 °C erhitzt und für weitere zwei bis vier Tage bei Raumtemperatur aufbewahrt. Die sich anschließende Aufarbeitung und Reinigung der Bis(phosphocholine) ist im nachfolgenden Kapitel genauer erläutert. Mit der hier beschriebenen Zwei-Stufen-Methode der Phosphorylierung und Quarternierung gelang es, die 1,ω-Diole 5, 21-28 in die analogen Bis(phosphocholine) 5, 65-72 (PC-Cn-PC) in reproduzierbaren Ausbeuten zwischen 54 und 65 % zu überführen (siehe Abb. 12). O O z 6,65-72 P P O O O N O O O N HO OH z 5,21-28 5/6: 21/65: 22/66: z = 32 z = 30 z = 28 23/67: 24/68: 25/69: z = 26 z = 24 z = 22 26/70: 27/71: 28/72: z = 31 z = 29 z = 27 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br / CHCl3 / TEA 2. THF / H2O 3. CHCl3 / CH3CN / EtOH / N(CH3)3 Abb. 12: Synthese der Bis(phosphocholine) 6, 65-72 mit einer Kettenlänge von 32 bis 22 Kohlenstoffatomen. 18 Synthetisch-präparative Arbeiten 2.3.2 REINIGUNG DER BIS(PHOSPHOCHOLINE) Die Reinigung der Bis(phosphocholine) 5, 65-72 erfolgte zum einen durch herkömmliche Säulenchromatographie unter Verwendung von Kieselgel der Korngröße 0.063 – 0.200 mm und zum anderen durch eine MPLC-Anlage der Firma Büchi. Hierbei handelt es sich um eine Mitteldruck–Flüssigchromatographie. Die Vorzüge dieser zuletzt genannten Methode lagen in einer im Vergleich zur präparativen HPLC (High Performance Liquid Chromatography – Hochleistungs–Flüssigchromatographie) hohen Probenbeladung verbunden mit einem geringen Zeit- und Materialaufwand. Als Säulen für die chromatographische Trennung standen vier verschiedene Größen mit einer Probenkapazität von 200 mg, 400 mg, 1 g und 5 g zur Verfügung. Die Säulen wurden über einen Cartriger mit Kieselgel einer Korngröße von 0.040 bis 0.063 mm unter Stickstoffatmosphäre befüllt und anschließend für mindestens 15 min mit einer Mischung aus abs. Chloroform und Methanol (1/1, V/V) bei einer Flussrate von 30 ml/min konditioniert. Für die Probenvorbereitung hat sich folgende Verfahrensweise bewährt: Die gelb bis orange gefärbte und zum Teil leicht trübe Lösung des Quarternierungsansatzes wurde vorsichtig bei 40 °C zur Trockne eingeengt und für mindestens einen Tag über Phosphorpentoxid getrocknet, um das Trimethylamin vollständig zu entfernen. Der gelb bis orangebraune Rückstand wurde anschließend in einem geringen Volumen (ca. 5 bis 10 ml) an abs. Chloroform und Methanol (1/1, V/V) aufgenommen, auf 4 °C heruntergekühlt und mit dem 10-fachen Volumen an abs. Aceton versetzt. Dabei entstand ein weißer bis cremefarbener Niederschlag, welcher durch Zentrifugation vom Überstand abgetrennt wurde. Die DC-Untersuchung (Chloroform/Methanol/Ammoniak, 50/50/15, V/V/V) des über Phosphorpentoxid getrockneten Niederschlags ergab, dass dieser vorwiegend aus den gewünschten Bis(phosphocholinen) bestand. Die Verunreinigungen durch polare Bestandteile nahmen im Vergleich zum Rohprodukt ab. Weiterhin wurde in der Mutterlauge kaum Produkt nachgewiesen, so dass dieses Verfahren des Umfällens eine sehr gute Methode zur Vorreinigung der Bolaamphiphile darstellte, was sich darüber hinaus in einer Ersparnis an benötigtem Kieselgel und Laufmittel widerspiegelte. Für die chromatographische Reinigung wurde der Niederschlag in Chloroform/Methanol (1/1, V/V, 5 bis 15 ml) nötigenfalls unter leichtem Erwärmen gelöst und über den Einspritzport auf die MPLC-Säule aufgetragen. Als Laufmittel kamen verschiedene Mischungen aus abs. Chloroform, Methanol und Wasser zum Einsatz, deren Polarität während der Chromatographie diskontinuierlich erhöht wurde (siehe Tab. 1). Dabei erwies sich eine Flussrate von 20 ml/min für die 400 mg-Säule bzw. 30 ml/min für die 1 g-Säule als optimal. Darstellung der Bis(phosphocholine) 19 Die erhaltenen Fraktionen zu 20 ml wurden mittels DC auf Produkt überprüft, vereinigt und eingeengt. Für physiko-chemische Untersuchungen wurden die Produkte abermals in sehr wenig abs. Chloroform/Methanol (1/1, V/V) aufgenommen, auf 4 °C abgekühlt und mit dem 10-fachen Volumen an Aceton versetzt. Der sich bildende weiße Niederschlag wurde abschließend bei 4 °C abzentrifugiert und getrocknet. Durch dieses Verfahren konnte eine Gleichbehandlung aller Proben sichergestellt und Einflüsse seitens der Chromatographie ausgeschlossen werden. 2.3.3 ZUGANG ZU BIS(PHOSPHOCHOLINEN) MIT KETTENLÄNGEN VON 34 UND 36 KOHLENSTOFFATOMEN In physiko-chemischen Untersuchungen (siehe Kap. 3.2.1), welche sich an die Synthese anschlossen, zeichnete sich ab, dass die ausgebildeten Aggregatstrukturen sowie das thermische Verhalten derer sehr stark von der Kettenlänge der Bis(phosphocholine) abhängig war. Dieser Umstand machte es erforderlich, weitere, längerkettige Vertreter dieser Klasse der Bolaamphiphile zu synthetisieren. Für die Darstellung des Tetratriacontan-1,34-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphats] 79 (PC-C34-PC), einem Bis(phosphocholin) mit einer Kettenlänge von 34 Kohlenstoffatomen, wurde auf die in Kapitel 2.2.1 beschriebene kupferkatalysierte GRIGNARD-Bis-Kupplung zurückgegriffen. Hierzu wurde das 11-Bromundec-1-en 1 in das analoge GRIGNARDReagenz überführt und mit 1,12-Dibromdodecan 73 zur Reaktion gebracht. Das so erhaltene Tetratriaconta-1,33-dien 74 wurde im Anschluss über das aus Kapitel 2.2.2.1 bekannte Verfahren der Hydroborierung und Oxidation in das analoge Tetratriacontan-1,34-diol 77 überführt und abschließend zum gewünschten PC-C34-PC 79 umgesetzt (siehe Abb. 13a). Tab. 1: Laufmittelzusammensetzung für chromatographische Reinigung der Bis(phosphocholine) via MPLC. Laufmittelmenge Volumenteile [V/V/V] an [ml] Chloroform Methanol Wasser Bemerkungen 200a /400b 50.0 50.0 0.0 Vorlauf 150/300 50.0 50.0 2.5 Leerfraktionen 150/300 50.0 50.0 5.0 150/300 50.0 50.0 7.5 Fraktionen mit Nebenprodukten 150/300 50.0 50.0 10.0 Leerfraktionen je 100/200 50.0 50.0 11.0–16.0c Fraktionen mit Hauptprodukt a für eine 400 mg-Säule b für eine 1 g-Säule c in Einerschritten 20 Synthetisch-präparative Arbeiten Für die Synthese des um zwei weitere CH2-Gruppen verlängerten Hexatriacontan-1,36-diylbis[2-(trimethylammonio)ethylphosphats] 80 (PC-C36-PC) wurde auf die von MOHR90 beschriebene GRIGNARD-Bis-Kupplung von THP-geschützten ω-Bromalkoholen mit 1,ω-Dibromiden zurückgegriffen. Das hierfür notwendige 1,14-Dibromtetradecan 75 wurde aus dem analogen Tetradecan-1,14-diol 41 durch eine Aktivierung der Alkoholfunktionen mit TosCl/ TEA in Chloroform und anschließendem nucleophilen Austausch mit Lithiumbromid in abs. Aceton erhalten. Die nachfolgende kupferkatalysierte GRIGNARD-Bis-Kupplung dieses Dibromids mit dem GRIGNARD-Reagenz des 11-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]undecans 58 zum Bis(tetrahydropyranylether) 76, die Abspaltung der THP-Schutzgruppen zum Hexatriacontan-1,36-diol 78 sowie die abschließende Phosphorylierung und Quarternierung zum gewünschten PC-C36-PC 80 (siehe Abb. 13b) erfolgten nach den bekannten und bereits in dieser Arbeit vorgestellten Synthesemethoden. Zu erwähnen ist allerdings, dass beide Ansätze zu Beginn der Phosphorylierungsreaktion auf bis zu 65 °C erhitzt werden mussten, um die gesamte Menge des 1,ω-Diols vollständig in Lösung zu bringen. Ein alternativer Syntheseweg über eine GRIGNARD-Mono-Kupplung (siehe Kap. 2.2.2.3) konnte nicht realisiert werden, da die hierfür notwendigen THP-geschützten ω-Bromalkohole mit einer Kettenlänge von 17 bzw. 18 Kohlenstoffatomen nicht ohne größeren synthetischen Aufwand darstellbar waren. Nachteil der hier verwendeten GRIGNARD-Bis-Kupplungen ist die Entstehung eines höhermolekularen Nebenprodukts, wie in Kapitel 2.2.2.1 bereits beschrieben. Dieses Nebenprodukt konnte jedoch in beiden Fällen durch eine mehrfach durchgeführte chromatographische Reinigung mittels MPLC abgetrennt werden. O O P P O O O N O O O N 79,80 z HO OH 77,78 z O O O O 36 76 O O Br 11 58 30 74 Br Br 73 12 Br 9 1 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br / CHCl3 / TEA 2. THF / H2O 3. CHCl3 / CH3CN / EtOH / N(CH3)3 Br Br 75 14 77/79: 78/80: z = 34 z = 36 1. Mg / THF / Rückfluss 2. THF / Li2CuCl4 / 0 °C 2 1. Mg / Et2O / Rückfluss 2. THF / Li2CuCl4 / 0 °C 2 1. BH3 / 2-Methylbut-2-en / THF / 0°C 2. EtOH / NaOH H2O2 / 50 °C MeOH + + PyrTos a) b) Abb. 13: Synthese der Bis(phosphocholine) 79 und 80 mit einer Kettenlänge von 34 (a) und 36 (b) Kohlenstoffatomen. Variationen im Kopfgruppenbereich 21 2.4 STRUKTURELLE VARIATIONEN IM KOPFBEREICH DER BOLAAMPHIPHILE Neben der Darstellung der Bis(phosphocholine) unterschiedlicher Kettenlänge sollte im Weiteren der hydrophile Kopfbereich der Bolaamphiphile variiert werden. Die Ziele dieser strukturellen Veränderungen waren die Einführung pH-sensitiver Kopfgruppen, die Anbindung weiterer funktioneller Gruppen, um die Möglichkeit für Folgereaktionen zu eröffnen, sowie die physiko-chemische Charakterisierung des Einflusses der Größe der Kopfgruppe auf die ausgebildeten Aggregatstrukturen. 2.4.1 SYNTHESE DER BIS(PHOSPHODIMETHYLETHANOLAMINE) Die Darstellung der Polymethylen-1,ω-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphate] 81-87 (Me2PE-Cn-Me2PE) gestaltete sich problemlos. Die langkettigen 1,ω-Diole wurden analog der in Kapitel 2.3.1 beschriebenen Methode mittels β-Bromethylphosphorsäuredichlorid phosphoryliert und die beiden Bromatome nachfolgend durch Dimethylamin substituiert (siehe Abb. 14). Die gegenüber den Bis(phosphocholinen) leicht gesteigerten Ausbeuten (56 – 72 %) waren auf eine erhöhte Reaktivität des Dimethylamins und eine geringere sterische Abschirmung des Stickstoffatoms im Vergleich zum Trimethylamin zurückzuführen. Die Aufarbeitung und Reinigung der erhaltenen Bis(phosphodimethylethanolamine) erfolgte analog der im Kapitel 2.3.2 beschriebenen Verfahren. Für die Aufreinigung mittels MPLC wurde jedoch eine Laufmittelzusammensetzung mit geringerer Polarität verwendet (siehe Tab. 2). O O z P P O N OH O O N OH O 81-87 HO OH z 5,21-25,77 77/81: 5/82: z = 17 z = 16 21/83: 22/84: z = 15 z = 14 23/85: 24/86: z = 13 z = 12 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br / CHCl3 / TEA 2. THF / H2O 3. CHCl3 / CH3CN / EtOH / HN(CH3)2 25/87: z = 11 Abb. 14: Synthese der Bis(phosphodimethylethanolamine) 81-87 mit 34 bis 22 Kohlenstoffatomen. Tab. 2: Laufmittelzusammensetzung für chromatographische Reinigung der Bis(phosphodimethylethanolamine) via MPLC. Laufmittel- Volumenteile [V/V/V] an menge [ml] Chloroform Methanol Wasser 200a /400b 65.0 35.0 0.0 150/300 50.0 50.0 0.0 je 150/300 50.0 50.0 2.0–10.0c a für eine 400 mg-Säule b für eine 1 g-Säule c in Zweierschritten 22 Synthetisch-präparative Arbeiten Durch die Einführung der Phosphodimethylethanolamin-Kopfgruppe wurde ein pH-sensitives Bolaamphiphil erhalten, welches in neutralem Milieu im Gleichgewicht mit der zwitterionischen Form vorliegt (siehe Abb. 15). Durch Veränderungen des pH-Werts kann diese Kopfgruppe einen positiv geladenen Zustand (im sauren pHBereich) sowie einen negativ geladenen Zustand (im Basischen) einnehmen. Die entsprechenden pKS-Werte wurden mittels Potentiometrie zu pKS1 = 3.3 für die Phosphatgruppe bzw. pKS2 = 6.5 für die Dimethylammoniogruppe bestimmt100 und entsprachen den Grenzen für das Existenzgebiet dieser zwitterionischen Struktur. Der Einfluss dieser variierenden Ladungszustände der Kopfgruppe auf das Aggregationsverhalten der Bolaamphiphile ist in Kapitel 3.2.2 erörtert. 2.4.2 SYNTHESE DES BIS(PHOSPHOMONOMETHYLETHANOLAMINS) UND DES BIS(PHOSPHOETHANOLAMINS) In den folgenden Versuchen sollten noch kleinere Kopfgruppen in das Bolaamphiphil eingeführt werden. Entsprechend der homologen Reihe der für die Quarternierung verwendeten Amine wurde zunächst versucht, die Bromatome des Bis[phosphorsäuremono(2-bromethyl)- esters] gegen Methylamin zu substituieren, um so zum Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(methylammonio)ethylphosphat] 88 (MePE-C32-MePE) zu gelangen. Eine erste Reaktion mit wässriger Methylamin-Lösung führte aufgrund von Löslichkeitsproblemen nur unzureichend zum gewünschten Produkt. Während der Quarternierung in Chloroform/Acetonitril (1/1, V/V) blieb ein schmutziggelber Niederschlag bestehen, welcher sich auch nach mehrtägigem Erhitzen auf 45 °C nicht auflöste. DC-Untersuchungen (Chloroform/ Methanol/Ammoniak, 65/35/5, V/V/V) zeigten sowohl in der Lösung als auch im Niederschlag die Entstehung eines Produkts an, welches durch MS-Analysen als MePE-C32-MePE 88 identifiziert werden konnte; jedoch versagte die abschließende Reinigung mittels MPLC. Während der Chromatographie wurde fortwährend ein Ausfallen des Rohprodukts auf der Säule beobachtet, was sich auch durch ein Erwärmen der Säule nicht umgehen ließ. Eine Aufreinigung des Rohprodukts war somit auf diesem Weg unmöglich. In einem zweiten Ansatz wurde ethanolische Methylamin-Lösung für die Quarternierung verwendet. Die Löslichkeit des Edukts wurde durch den Wechsel auf Ethanol ein wenig gesteigert, jedoch blieb auch hier während der gesamten Reaktion ein feiner, gelboranger Niederschlag bestehen. DC-Untersuchungen (Chloroform/Methanol/Ammoniak, 65/35/5, V/V/V) der Lösung zeigten nur eine geringe Bildung des gewünschten Produkts an, welche auch durch eine Verlängerung der Reaktionszeit nicht nennenswert gesteigert werden konnte. Nach einer Standzeit von insgesamt 14 Tagen wurde der gesamte Ansatz vorsichtig eingeengt und einer chromatographischen Reinigung unterzogen. Dabei bildete sich während des O P O N OH O O P O N O O H Abb. 15: zwitterionische Kopfgruppe des Me2PE Variationen im Kopfgruppenbereich 23 Lösens des Rückstands in Chloroform/Methanol (1/1, V/V) ein relativ stabiles Gel aus, was die Aufreinigung erheblich erschwerte. Nur durch ein Herabsenken der Flussrate der MPLC auf 2.5 ml/min bei gleichzeitigem Erwärmen der Säule konnte eine Trennung erzielt werden. Die Ausbeuten lagen mit 20 % eher niedrig, so dass sich dieser Syntheseweg (siehe Abb. 16, oben) für die Darstellung des MePE-C32-MePE 88 nur bedingt eignete. Ein alternativer Zugang zum MePE-C32-MePE 88 bestand in der Phosphorylierung des Diols 5 mit Dichlorphosphorsäuremethylester zum Bis(phosphorsäuremonomethylester) 89. Dieser Diester der Phosphorsäure könnte im Anschluss in Analogie zu Arbeiten von ANEJA101 über die freie Hydroxygruppe mit Ethanolamin zu Verbindung 90 gekuppelt werden. Unter schwach sauren Bedingungen bestände nunmehr die Möglichkeit, dass die Methylgruppe von der Sauerstofffunktion auf die Aminogruppe in Analogie zu Untersuchungen von KERTSCHER102 übertragen wurde und somit das gewünschte Produkt 88 entstand (siehe Abb. 16, unten). Jedoch versagte bereits die anfängliche Phosphorylierungsreaktion zum Bis(phosphorsäuremonomethylester) 89, da das Diol 5 zusammen mit dem Phosphorylierungsmittel nur sehr schwer in Lösung zu bringen war. Auch verschiedene Abwandlungen von der klassischen Reaktionsführung (siehe Kap. 2.3.1), wie mehrstündiges Erhitzen auf 50 °C, brachten nicht den gewünschten Erfolg, so dass dieser Weg nicht weiter verfolgt wurde. Im folgenden Schritt wurde versucht, die Bromatome des Bis[phosphorsäuremono(2-bromethyl)esters] 91 gegen Ammoniak zu substituieren, um dadurch zum Dotriacontan-1,32-diylbis(2-ammonioethylphosphat) 92 (PE-C32-PE) zu gelangen. Erste Quarternierungsversuche mit wässriger Ammoniak-Lösung in Chloroform/Acetonitril (1/1, V/V) scheiterten erneut an einer zu geringen Löslichkeit des Bromesters 91. Auch durch Zugabe von Methanol, Ethanol oder Isopropanol konnte dieses Problem nicht umgangen werden. Ein weiterer Versuch in O O 16 P P O N OH H O O N H OH O 88 HO OH 16 5 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br / CHCl3 / TEA 2. THF / H2O 3. CHCl3 / CH3CN / EtOH / H2NCH3 O O 16 P P O NH2 O O O H2N O O (90) O O 16 P P OH O O HO O O (89) HO NH2 Pyridin / TPS 1. Cl2P(O)OCH3 / CHCl3 / TEA 2. THF / H2O Abb. 16: Varianten für die Synthese des Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(methylammonio)ethylphosphats] 88. 24 Synthetisch-präparative Arbeiten wasserfreiem Medium und unter Einleiten von gasförmigem Ammoniak ergab eine Zersetzung des Bromester 91. Es konnten Spaltprodukte wie die Ammoniumsalze verschiedener Phosphorsäuremonoester (in Verbindung mit und ohne C32-Alkylkette) mittels MS nachgewiesen werden. Es war somit nicht möglich, das PE-C32-PE 92 auf dem herkömmlichen Weg der Phosphorylierung und Quarternierung von 1,ω-Diolen darzustellen. Alternative Syntheserouten zum PE-C32-PE 92 sind in Abbildung 17 schematisch dargestellt. Ausgehend vom bereits bekannten Bromester 91 bestand zum einen die Möglichkeit, die Bromatome nucleophil gegen eine Azid-Gruppe auszutauschen, um so zum Bis[phosphorsäuremono(2-azidoethyl)ester] 94 zu gelangen. Die Azid-Funktionen könnten in einer nachgeschalteten Reaktion mit Triphenylphosphin zur Amino-Gruppe reduziert werden.103,104 Die Substitutionsreaktionen, welche in DMF sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 60 °C durchgeführt wurden, zeigten jedoch nicht das gewünschte Ergebnis. DC-Untersuchungen in Chloroform/Methanol/Ammoniak (65/35/5, V/V/V) des Reaktionsverlaufs belegten zwar die Umsetzung des Bromesters 91, allerdings konnte das Produkt 94 massenspektrometrisch nicht nachgewiesen werden. Ein anderer Weg führte über die Phosphorylierung des Diols 5 mit 2-Chlor-2-oxo-1,3,2-dioxaphospholan zum Bis(phospholan) 93. Hier bestand die Hoffnung, den Phospholanring in Analogie zur Ringöffnung mit Lithiumbromid97 mittels Natriumazid nucleophil zu spalten, und so zum Bis[phosphorsäuremono(2-azidoethyl)ester] 94 zu gelangen. Die Ringspaltung wurde unter Feuchtigkeitsausschluss mit einem 10-fachen Überschuss an Natriumazid zum einen in Chloroform/Aceton-Mischungen und zum anderen in DMF, jeweils bei RaumHO OH O O P P O O O O O O O O P P O NH2 OH O O H2N OH O O O P P O N3 OH O O N3 OH O CHCl3 / TEA 1. 2-Chlor-2-oxo-1,3,2-dioxaphospholan 2. THF / H2O CHCl3 / TEA O O P P O Br OH O O Br OH O 16 16 91 16 93 16 16 5 (92) (94) PPh3 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br 2. THF / H2O CHCl3 DMF / NaN3 / CH3CN / NH3 CHCl3 / Aceton oder DMF NaN3 Abb. 17: Synthesevarianten für die Darstellung des Dotriacontan-1,32-diyl-bis(2-ammonioethylphosphats) 92. Variationen im Kopfgruppenbereich – Darstellung der Bis(phosphorsäureester) 25 temperatur und bei 60 °C durchgeführt. Jedoch konnte bei keiner dieser Umsetzungen eine Ringöffnung beobachtet werden, so dass davon ausgegangen werden muss, dass der Phospholanring gegenüber Natriumazid eine hohe Stabilität besitzt. Weitere Versuche zur Ringspaltung wurden aufgrund mangelnder Erfolgschancen nicht unternommen. Da keiner der bisher beschriebenen Synthesewege zum gewünschten PE-C32-PE 92 führte, wurden weitere Möglichkeiten evaluiert, diese Substanz darzustellen. In der Phospholipidchemie ist die durch 2,4,6-Triisopropylbenzolsulfonsäurechlorid (TPS) und Pyridin katalysierte Kupplung von Alkoholen an Phosphatidsäuren bekannt und beschrieben (siehe Abb. 18).101 Dieser Syntheseweg hätte neben einer möglichen Darstellung des PE-C32-PE 92 ferner den Vorteil, auch größere Strukturen, wie substituierte Cholinchloride, an den Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureester) 95 zu kondensieren. Somit wäre ein weiterer, alternativer Zugang zu bipolaren Amphiphilen geschaffen. Die möglichen synthetischen Zugänge zu 95, welches für eine Kupplungsreaktion benötigt wurde, sind im folgenden Kapitel näher beschrieben. 2.4.3 DARSTELLUNG VON BIS(PHOSPHORSÄUREESTERN) ALS VORSTUFEN FÜR KUPPLUNGSREAKTIONEN Da die zuvor beschriebenen Methoden zur Darstellung des PE-C32-PE 92 allesamt erfolglos waren, wurde im Folgenden versucht, über die Zwischenstufe des Bis(phosphorsäureesters) 95 diese Verbindung und nachfolgend auch weitere Vertreter dieser Klasse von Verbindungen zu synthetisieren. In der Literatur ist für die Überführung von monopolaren Alkoholen in die entsprechenden Phosphate, die in Verbindung mit Glycerol auch unter der Bezeichnung Phosphatidsäuren geläufig sind, eine Vielzahl von Verfahren beschrieben. Im einfachsten Fall wird der Alkohol mittels Phosphoroxychlorid und einer entsprechenden Hilfsbase phosphoryliert und im Anschluss mit wässriger Natronlauge hydrolysiert.102 Die Übertragung dieser Synthese auf die in dieser Arbeit bereits dargestellten 1,ω-Diole führte jedoch nicht zum gewünschten Produkt. In vielen Fällen wurde nur eine Monophosphorylierung beobachtet. Variationen im Lösungsmittel (Chloroform, THF) sowie der verwendeten Hilfsbase (Pyridin, TEA bzw. HÜNIG-Base) zeigten keinen Vorteil im Hinblick auf die Darstellung des Bis(phosphorsäureesters) 95. O O 16 P P O NH2 OH O O H2N OH O 92 5 O O 16 P P OH OH O HO OH O HO NH2 Pyridin / TPS 95 Abb. 18: Alternativer Zugang zum Dotriacontan-1,32-diyl-bis(2-ammonioethylphosphat) 92 über Kupplung von Ethanolamin an Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureester) 95. 26 Synthetisch-präparative Arbeiten Da die direkte Phosphorylierung über Phosphoroxychlorid keinen Erfolg brachte, wurde ein Umweg über die Synthese der Bis(phosphorsäurediester) mit anschließender Abspaltung der Schutzgruppen eingeschlagen. Als Schutzgruppen sollten einerseits hydrogenolytisch spaltbare Phenyl- und Benzylester und andererseits 2,2,2-Trichlorethylester, welche durch Dehydrohalogenierung zum Bis(phosphorsäureester) umgesetzt werden können, zum Einsatz kommen. 2.4.3.1 Synthese der Bis(phosphorsäurediester) Synthese der Bis(phosphorsäurediphenylester) Für die Darstellung der Bis(phosphorsäurediphenylester) 96-100 wurde auf Synthesevorschriften von UHLENBROEK, 105 HANCOCK106 und BRACHWITZ107 zurückgegriffen. Hierzu wurden die 1,ω-Diole 5, 21-24 in einer Mischung aus Chloroform und Pyridin (2/1, V/V) suspendiert, mit Diphenylphosphorsäurechlorid (DPPC) versetzt und bis zum vollständigen Lösen der Diole auf 60 °C erhitzt (siehe Abb. 19). Nach einer Standzeit des Reaktionsansatzes von ein bis drei Tagen bei Raumtemperatur belegten DC-Untersuchungen einen vollständigen Umsatz zum gewünschten Bis(phosphorsäurediphenylester). Das entsprechende Monophosphorylierungsprodukt konnte nach dieser Zeit nicht mehr detektiert werden. Die Aufarbeitung durch Versetzen des Ansatzes mit Wasser und mehrfacher Extraktion mit Chloroform gestaltete sich problemlos. Ein sich zwischenzeitlich bildender weißer Niederschlag während des Verdünnens löste sich nach ca. 30 min intensiven Rührens wieder auf. Für eine erfolgreiche Umkristallisation der erhaltenen Rohprodukte aus Petrolether (50–70) war es notwendig, die organischen Phasen sorgfältig mit verdünnter Schwefelsäure zu waschen, um das als Hilfsbase eingesetzte Pyridin vollständig zu entfernen. Die Bis(phosphorsäurediphenylester) 96-100 konnten so als weiße, kristalline Substanzen in sehr guten Ausbeuten zwischen 75 und 80 % isoliert werden. O O z P P O O O O O O HO OH z 5,21-24 5/96: 21/97: 22/98: 23/99: 24/100: z = 16 z = 15 z = 14 z = 13 z = 12 DPPC / CHCl3 / Pyridin 96-100 Abb. 19: Synthese der Bis(phosphorsäurediphenylester) 96-100. Variationen im Kopfgruppenbereich – Darstellung der Bis(phosphorsäureester) 27 Synthese der Bis(phosphorsäuredibenzylester) Für die analoge Synthese der Bis(phosphorsäuredibenzylester) wurde zunächst versucht, diese durch Phosphorylierung der 1,ω-Diole mit Dibenzylphosphorsäurechlorid (DBPC) darzustellen. DBPC, welches nach ATHERTON108 durch Umsetzung von Dibenzylphosphit mit N-Chlorsuccinimid in Benzen zu erhalten ist, wurde hierfür in Chloroform gelöst, mit TEA aktiviert und mit Dotriacontan-1,32-diol 5 zur Reaktion gebracht. Jedoch konnte auf diesem Weg kein Produkt isoliert werden. Oftmals wurde nur eine Monophosphorylierung beobachtet, so dass dieser Weg nicht weiter verfolgt wurde. Eine weitere Möglichkeit zur Darstellung der Bis(phosphorsäuredibenzylester) stellte die von FRASER-REID109 erstmals beschriebene Zwei-Stufen-Synthese dar, welche erfolgreich von den von ihm synthetisierten, partiell phosphorylierten Inositolen auf die in dieser Arbeit verwendeten langkettigen 1,ω-Diole übertragen werden konnte. Hierzu wurden die Diole 5 und 22 zunächst mittels Dibenzyl-N,N-diisopropylphosphoramidit in Chloroform unter Zuhilfenahme von 1H-Tetrazol zu den entsprechenden Bis(phosphinsäuredibenzylestern) umgesetzt. Als vorteilhaft erwies sich dabei ein 30-minütiges Aktivieren des Phosphorylierungsreagenzes mit dem als Hilfsbase eingesetzten 1H-Tetrazol bei Raumtemperatur unter Argonatmosphäre bevor das Diol in fester Form hinzugegeben und der Ansatz für drei Stunden auf ca. 60 °C erhitzt wurde. In einem zweiten Schritt wurden die erhaltenen Bis(phosphinsäuredibenzylester) mittels m-Chlorperbenzoesäure (MCPBA) zu den analogen Bis(phosphorsäuredibenzylestern) oxidiert (siehe Abb. 20). Zu diesem Zweck wurde die schwach opaleszierende Lösung aus dem ersten Reaktionsschritt auf –20 °C abgekühlt, mit MCPBA versetzt und für zwei Stunden bei –15 °C gerührt. DC-Kontrollen (Chloroform/Diethylether, 8/2, V/V) während der Oxidation bestätigten eine vollständige Umsetzung. Die Aufarbeitung erfolgte durch Verdünnen des Ansatzes mit Methylenchlorid und sorgfältiges Waschen mit Natriumsulfit und Natriumhydrogencarbonat, um das überschüssige Oxidationsmittel vollständig zu entfernen. Die in hoher Ausbeute (85 – 90 %) erhaltenen Bis(phosphorsäuredibenzylester) 101 und 102 ließen sich abschließend sehr gut aus Petrolether (30–50) umkristallisieren. O O z P P O O O O O O 101,102 HO OH z 5,22 5/101: 22/102: z = 16 z = 14 1. Dibenzyl-N,N-diisopropyl- 1. phosphoramidit / CHCl3 1. 1H-Tetrazol / 60 °C 2. MCPBA / 2. CH2Cl2 / -15 °C Abb. 20: Synthese der Bis(phosphorsäuredibenzylester) 101 und 102. 28 Synthetisch-präparative Arbeiten Für diese, in Abbildung 20 dargestellte Reaktion ist ferner anzumerken, dass wiederholte Versuche mit bereits länger gelagertem Phosphorylierungsmittel zu einer schlechteren Umsetzung führten. Durch DC- und MS-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass ein erheblicher Teil an monophosphoryliertem Produkt entstand, welcher auch durch mehrfaches Umkristallisieren nicht entfernt werden konnte. Eine vollständige Bisphosphorylierung gelang durch eine Verlängerung der Reaktionszeiten nicht. Unter Umständen trat während der Lagerung eine durch Luftsauerstoff induzierte Oxidation bzw. ein Zerfall des Phosphorylierungsmittels ein, was in beiden Fällen eine verminderte Reaktivität nach sich ziehen würde. Folglich ist bei der Synthese der Bis(phosphorsäuredibenzylester) auf neues Phosphorylierungsreagenz zu achten. Synthese der Bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylester)] Als dritte Vorstufe für die Darstellung der Bis(phosphorsäurediester) sollten Bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylester)] nach einer von LAMMERS110 beschriebenen Vorschrift synthetisiert werden. Die Umsetzung des Diols 5 mit Bis(2,2,2-trichlorethyl)phosphorsäurechlorid in Chloroform unter Zusatz von Pyridin als Hilfsbase ergab den Dotriacontan-1,32- diyl-bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylester)] 103 mit 95% in sehr guten Ausbeuten (siehe Abb. 21). Bei der Synthese wurde dabei auf das bewährte Temperaturregime zurückgegriffen. Nach der langsamen Zugabe des Phosphorylierungsmittels bei Raumtemperatur wurde der Ansatz für eine Stunde auf ca. 60 °C erhitzt, um das Diol vollständig in Lösung zu bringen, und im Anschluss für weitere 24 Stunden bei Raumtemperatur gelagert. Dadurch konnte eine nahezu quantitative Umsetzung erreicht und das entsprechende Monophosphorylierungsprodukt nach der angegebenen Reaktionszeit nicht mehr nachgewiesen werden. Das erhaltene weiße, kristalline Produkt konnte abschließend sehr gut aus Petrolether (50–70) umkristallisiert werden. 2.4.3.2 Abspaltung der Schutzgruppen Nach der erfolgreichen Darstellung der Bis(phosphorsäurediester) 96-103 sollte im Folgenden versucht werden, die Schutzgruppen unter milden Bedingungen abzuspalten, um auf diese Weise zu den Bis(phosphorsäureestern) 104 zu gelangen (siehe Abb. 22). Diese könnten ihrerseits einen Ausgangspunkt für weitere Modifizierungen im Kopfbereich der Bolaamphiphile O O P P O O O O O O CCl3 Cl3C Cl3C CCl3 Bis(2,2,2-trichlorethyl)- phosphorsäurechlorid CHCl3 / Pyridin 5 103 HO OH 16 16 Abb. 21: Synthese des Dotriacontan-1,32-bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylesters)] 103. Variationen im Kopfgruppenbereich – Darstellung der Bis(phosphorsäureester) 29 bilden. Als Möglichkeiten kamen hierbei die Dehydrohalogenierung der 2,2,2-Trichlorethylschutzgruppe sowie die hydrogenolytische Abspaltung der Phenyl- bzw. Benzylschutzgruppen in Betracht. Dehydrohalogenierung der 2,2,2-Trichlorethylschutzgruppen Die Abspaltung der 2,2,2-Trichlorethylschutzgruppen aus 103 erfolgte in Analogie zu einer Vorschrift nach LAMMERS. 110 Hierzu wurde der Bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylester)] 103 in einer Mischung aus Pyridin und Essigsäure (20/1, V/V) suspendiert, mit der ca. 20-fachen Menge an feinem Zinkstaub versetzt und bei Raumtemperatur gerührt. DC-Untersuchungen in Chloroform/Methanol/Wasser (95/35/0.5, V/V/V) zeigten bereits nach einer Stunde eine nahezu vollständige Umsetzung des Edukts und die Bildung von zwei Produkten an. Wahrscheinlich handelte es sich dabei um eine Verbindung mit zwei verbleibenden Schutzgruppen (Rf = 0.45) im Molekül sowie um die gewünschte Endverbindung (Rf = 0.12). Nach weiteren zwei Stunden des Rührens war der Produktfleck bei Rf = 0.45 ebenfalls verschwunden. Jedoch entstand zeitgleich ein weiterer, durch Phosphatspray111 anfärbbarer Fleck am Start der DC-Platte, welcher auf eine Abspaltung der Phosphatgruppe von der Alkylkette und somit auf eine Zersetzung des gewünschten Produkts hindeutete. Zur Aufarbeitung wurde der Reaktionsansatz mit Chloroform verdünnt und durch Zentrifugation vom überschüssigen Zinkpulver getrennt. Nach dem Entfernen des Lösungmittels blieb ein dunkelgelber, öliger Rückstand zurück, welcher selbst durch Herabkühlen nicht auskristallisierte. Auch durch wiederholte Versuche der Lyophilisierung konnte kein einheitliches, kristallines Produkt erhalten werden. Zugleich zeigte der von LAMMERS110 beschriebene Zusatz von Triethylammoniumbicarbonat-Lösung während der Lyophilisierung keinen positiven Effekt auf die Kristallbildung. Abwandlungen im Syntheseweg, wie der Austausch des Pyridins gegen TEA, brachten ebenfalls keinen Erfolg. Weiterhin konnte auch die Identität des Produkts durch MS-Untersuchungen nicht bestätigt werden. Es musste demnach davon ausgegangen werden, dass die Bis(phosphorsäureester) 104 nicht durch Dehydrohalogenierung aus den entsprechenden Bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylestern)] darstellbar sind. O O P P OH OH O HO OH O O O P P O O O O O O R R R R z 96-103 CCl3 z 104 R = Abb. 22: Abspaltung der Schutzgruppen – Synthese der Bis(phosphorsäureester) 104. 30 Synthetisch-präparative Arbeiten Hydrogenolytische Spaltung der Phenyl- bzw. Benzylschutzgruppen Wie bereits aus der Literatur hinreichend bekannt, lassen sich die als Schutzgruppen verwendeten Phenyl- bzw. Benzylester durch katalytische Hydrierung spalten.112 Die Hydrogenolyse läuft dabei in den meisten Fällen unter milden Bedingungen wie Raumtemperatur und Normaldruck ab. Für die Realisierung der hydrogenolytischen Spaltungsversuche stand zum einen eine Schüttelapparatur, welche ein Arbeiten unter Atmosphärendruck (AD) erlaubte, und zum anderen ein Hydrierreaktor (Compact Reactor 5500) der Firma Parr Instruments zur Verfügung. Dieser Reaktor gestattete die Anwendung kontrollierter Temperatur- (20 – 50 °C) und Druckbedingungen (1 – 100 bar) sowie eine Probenentnahme während der Reaktion. Als Lösungsmittel kamen Ethanol, Essigester, Chloroform bzw. Dioxan zum Einsatz; als Katalysatoren standen Platin(IV)oxid, Palladiumhydroxid auf Aktivkohle (20 %) sowie Palladium auf Aktivkohle (5 und 10 %) zur Verfügung. Gegebenenfalls wurden sauer reagierende Additive wie Perchlorsäure oder Eisessig bzw. basisch reagierende Zusätze wie TEA bzw. Natriumhydroxid hinzugefügt. Für die Durchführung der Hydrierung wurden die Bis(phosphorsäurediester) 96- 102 im jeweiligen Lösungsmittel suspendiert, mit Katalysator und ggf. Additiv versetzt, in das entsprechende Reaktionsgefäß überführt und hydriert. Dabei erfolgte in regelmäßigen Abständen die Kontrolle des Reaktionsverlaufs mittels DC. Die detaillierten Ansatzmengen und Reaktionsbedingungen sowie die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 für die Phenylester bzw. in Tabelle 4 für die Benzylester im Überblick aufgeführt. Variationen im Kopfgruppenbereich – Darstellung der Bis(phosphorsäureester) 31 Tab. 3: Übersicht der Reaktionsansätze zur katalytischen Hydrierung der Bis(phosphorsäurediphenylester). Bemerkungen / isoliertes Produkt Edukt in Ethanol schwer löslich; keine Umsetzung – Edukt isoliert keine Umsetzung – Edukt isoliert Edukt am Ende der Reaktion in Lösung, keine Umsetzung – Edukt isoliert Katalysator 10 min bei 5 bar vorhydriert; keine Umsetzung – Edukt isoliert kein Edukt vorhanden; lt. DC dennoch Pro- duktmischung: Tri- und Diphenylester keine Umsetzung – Edukt isoliert Produktmischung: wenig Edukt + Diphenylester Edukt und Spaltprodukte vorhanden kein Edukt vorhanden; überwiegend Spaltprodukte Produktmischung: Mono- und Diphenyl- ester, sowie Phosphorsäurediphenylester Edukt nicht mehr vorhanden; Spaltprodukte keine Umsetzung; Edukt isoliert Produktmischung: Edukt, Tri- und Diphenylester Dauer [h] 5 20 48 20 3 3 3 16 3 16 24 48 72 72 24 24 24 24 Druck [bar] AD AD AD AD 20 30 20 2 2 70 70 AD AD AD AD AD 20 20 Temp. [°C] 20 20 20 30 40 50 40 20 20 25 30 20 20 20 20 30 30 30 Additiv ⁄ Eisessig ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ TEA TEA TEA ⁄ Perchlors. ⁄ ⁄ ⁄ TEA TEA 15 15 20 50 30 50 15 15 20 20 30 20 20 25 15 15 80 20 Katalysator m [mg] PtO2 PtO2 Pd/C 10 % PtO2 Pd/C 5 % Pd/C 5 % PtO2 PtO2 PtO2 PtO2 PtO2 Pd/C 10 % Pd/C 10 % Pd(OH)2/C 20 % PtO2 PtO2 Pd/C 10 % PtO2 20 20 20 20 80 80 60 60 50 50 50 20 20 40 15 15 50 50 Lösungsmittel V [ml] Essigester Essigester Essigester Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Dioxan Dioxan Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol m [mg] 100 100 300 200 140 200 150 100 100 100 150 250 150 150 Edukt Nr. 96 Ansatz 1 96 96 96 Ansatz 4 96 Ansatz 5 97 Ansatz 6 97 99 99 99 99 100 100 100 Ansatz 1 1a 2 3 4 4a 5 5a 6 6a 7 8 9 10 11 12 13 14 32 Synthetisch-präparative Arbeiten Tab. 4: Übersicht der Reaktionsansätze zur katalytischen Hydrierung der Bis(phosphorsäuredibenzylester). Bemerkungen / isoliertes Produkt keine Umsetzung – Edukt isoliert wenig Edukt vorhanden; Spaltprodukte, wie Dibenzylphosphorsäure verschiedene Spaltprodukte, wie Dibenzyl- phosphorsäure Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäure- ester) 105 als Bis-TEA-Salz isoliert NaOH löste sich nur schlecht; kaum Umsetzung NaOH in Ethanol vorgelöst; Dotriacontan- 1,32-diyl-bis(benzylphosphat) 106 als Di- natriumsalz isoliert keine Umsetzung – Edukt isoliert lt. MS entstand Octacosan-1,28-diyl-bis- (phosphorsäureester) als Bis-TEA-Salz lt. MS entstand das Dinatriumsalz des Octacosan-1,28-diyl-bis(benzylphosphats) Dauer [h] 24 3 3 3 3 2 3 3 24 3 3 3 Druck [bar] AD 30 30 10 2 2 2 2 AD 30 2 2 Temp. [°C] 20 20 20 20 25 25 25 25 20 20 25 25 Additiv ⁄ ⁄ Perchlors. ⁄ TEA TEA NaOH NaOH ⁄ ⁄ TEA NaOH 40 40 40 40 50 65 50 65 50 50 65 65 Katalysator m [mg] Pd/C 5 % Pd/C 5 % Pd/C 5 % Pd/C 5 % Pd/C 5 % Pd/C 10 % Pd/C 5 % Pd/C 10 % Pd/C 5 % Pd/C 5 % Pd/C 10 % Pd/C 10 % 50 50 50 60 50 50 50 50 50 50 50 50 Lösungsmittel V [ml] Ethanol Ethanol Ethanol Chloroform Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol m [mg] 150 150 100 100 150 100 100 150 150 100 100 Edukt Nr. 101 101 Ansatz 16 101 101 101 101 101 102 102 102 102 Ansatz 15 16 16a 17 18 19 20 21 22 23 24 25 AD – Atmosphärendruck (Verwendung der Schüttelapparatur) Perchlors. – Perchlorsäure Variationen im Kopfgruppenbereich – Darstellung der Bis(phosphorsäureester) 33 Zusammenfassend kann gesagt werden, dass keine der in Tabelle 3 aufgeführten katalytischen Hydrierungen der Bis(phosphorsäurediphenylester) 96-100 ein einheitliches Produkt lieferten. In über der Hälfte der Ansätze wurde nach der Reaktion das Edukt in unveränderter Form isoliert. Ein generelles Problem stellte hierbei die geringe Löslichkeit der langkettigen Ausgangsstoffe 96, 97 in den verwendeten Elutionsmitteln wie Essigester, Ethanol oder Dioxan dar. Eine Temperaturerhöhung während der Reaktion verbesserte zwar die Löslichkeit, jedoch konnte auch dann in vielen Fällen keine Umsetzung beobachtet werden. Sowohl die Wahl des Katalysators als auch die des Lösungsmittels besaßen keinen Einfluss auf den Reaktionsverlauf. Ebenso konnte durch Zugabe von Additiven wie Eisessig, Perchlorsäure oder TEA keine Verbesserung erzielt werden. In einigen Fällen, vorwiegend bei der Umsetzung der kürzerkettigen Bis(phosphorsäurediphenylester) 99 und 100, wurde eine Abspaltung von ein bis drei der vier im Molekül vorhandenen Phenylringe beobachtet. Bisweilen traten zusätzliche Spaltprodukte wie Phosphorsäurediphenylester auf. Nach den bisherigen Versuchen ist die von Bis(phosphorsäurediphenylestern) ausgehende Hydrogenolyse keine adäquate Methode zur Darstellung der Bis(phosphorsäureester) 104. Ein anderes Bild zeigte sich bei der katalytischen Hydrierung der Bis(phosphorsäuredibenzylester) 101 und 102 (siehe Tab. 4). Durch die Wahl des Zusatzes konnte die Hydrogenolyse selektiv gestaltet werden. So führte die Zugabe von sauer reagierenden Additiven wie Perchlorsäure vermehrt zu Zersetzungsreaktionen und zur Bildung des Phosphorsäuredibenzylesters. Die Beifügung von alkalisch reagierenden Additiven bewirkte hingegen eine Abspaltung der Benzylschutzgruppen, wobei die Anzahl derer durch die Basenstärke des Additivs variiert werden konnte. Ein Zusatz von TEA führte zur Abspaltung von vier Benzylgruppen und zur Bildung des Bis-TEA-Salzes des Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureesters) 105. Die Zugabe von Natriumhydroxid während der Hydrierung bewirkte indes eine symmetrische Abspaltung von nur zwei Benzylresten und somit die Formierung des Dinatrium-dotriacontan-1,32-diyl-bis(benzylphosphats) 106 (siehe Abb. 23). Die Struktur beider Verbindungen konnte durch MS- und NMR-Analysen bestätigt werden. O O P P O O O O O O O O P P OH OH O HO OH O O O P P O O O O O O 16 101 16 105 16 106 Pd/C 10 % / H2 / 2 bar EtOH / NaOH EtOH / TEA Pd/C 10 % / H2 / 2 bar 2 Na + 2 TEA Abb. 23: Selektive Hydrogenolyse ausgehend vom Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäuredibenzylester). 34 Synthetisch-präparative Arbeiten Die Ursache für die Selektivität während der katalytischen Hydrierung lag in der unterschiedlichen Basenstärke der zugesetzten Additive begründet. Im Falle des TEA reichte die Basizität nicht aus, um das während der Hydrierung durch Abspaltung eines Benzylrests gebildete Monobenzylphosphat zu deprotonieren. Als Folge wurde die verbleibende Benzylgruppe ebenfalls hydrogenolytisch gespalten und es kam zur Bildung des Bis-TEA-Salzes des Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureesters) 105, da nun die Basizität des TEA ausreichend hoch war, ein Proton der Phosphatgruppe zu abstrahieren. Im Gegensatz dazu war das stärker basische Natriumhydroxid imstande, das Monobenzylphosphat zu deprotonieren, wodurch eine fortschreitende Hydrogenolyse unterbunden wurde und 106 als Produkt der katalytischen Hydrierung fassbar war. Die Reproduzierbarkeit dieser Selektivität konnte durch wiederholte Versuche bestätigt werden. Die erhaltenen Produkte 105 und 106 dienten als Ausgangspunkt für die im nachfolgenden Kapitel beschriebenen Kupplungsversuche. Das gleiche Reaktionsverhalten wurde für die hydrogenolytische Spaltung ausgehend vom Octacosan-1,28-diyl-bis(phosphorsäuredibenzylester) 102 beobachtet. Auch hier konnte eine Selektivität durch Wahl des Additivs erreicht und die analogen Produkte mittels MS nachgewiesen werden. 2.4.3.3 Untersuchungen zu Kupplungsreaktionen an Dotriacontan-1,32-diyl-bis(benzylphosphat) und Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureester) Ausgehend vom Bis-TEA-Salz des Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureesters) 105 bzw. vom Dinatrium-dotriacontan-1,32-diyl-bis(benzylphosphat) 106 wurden nachfolgend Versuche unternommen, eine freie Hydroxyfunktion der Phosphatgruppe mit substituierten Alkoholen wie Ethanolamin (siehe Abb. 18, Seite 25) bzw. Cholinchlorid zu verestern. Ziel dieser Untersuchungen war es, auf der einen Seite einen alternativen Weg für die Darstellung der Bis(phosphocholine) zu etablieren und auf der anderen Seite das noch fehlende PE-C32- PE 92 zu synthetisieren. Einen positiven Ausgang dieser Kupplungsreaktionen vorausgesetzt, wäre diese Syntheseroute eine sehr vielversprechende Methode, auch größere, funktionalisierte Choline in die Kopfgruppenstruktur der Bolaamphiphile einzuführen, welche ihrerseits einen Ausgangspunkt für weitere Modifizierungen bilden könnten. Erste Untersuchungen zu den Kupplungsreaktionen gehen auf die Arbeiten von ANEJA, CHADHA und DAVIES101 zurück, welche Phosphatidsäuren mit Alkoholen unter Zuhilfenahme von TPS in Pyridin kondensierten. Einer relativ guten Ausbeute an Phosphatidylethanolamin stand dabei eine nur schlechte Umsetzung zum Phosphatidylcholin gegenüber. Der Grund hierfür lag in der äußerst schlechten Löslichkeit des Cholinchlorids im verwendeten Pyridin. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen führten weitergehende Versuche dieser Arbeitsgruppe113 zur Anwendung von Cholinacetat und erhöhten Temperaturen. Die stark schwankenden Ausbeuten an Phosphatidylcholin blieben dennoch mit bestenfalls 40 bis 60 % eher mäßig. Mit der Verwendung von lipophileren Cholinsalzen – wie Cholinperiodat nach Variationen im Kopfgruppenbereich – Einführung größerer Amine 35 KINGSLEY114 oder Cholintetraphenylborat nach HARBISON115 – konnten das Löslichkeitsproblem umgangen und die Ausbeuten an Phosphatidylcholin schließlich auf über 70 % gesteigert werden. Bei der Übertragung dieser Kupplungsreaktionen auf die Bisphosphate 105 bzw. 106 wurde zunächst geprüft, ob diese Substanzen nach einer ausreichenden Trocknung über Phosphorpentoxid in trockenem Pyridin löslich waren. Dabei stellte sich heraus, dass diese Verbindungen nur mäßig in Lösung gingen. Ein leichte Temperaturerhöhung auf ca. 40 °C verschaffte hier keine Abhilfe. Dennoch wurde versucht, die in Pyridin angelösten Phosphate 105 und 106 mit TPS und 4-Dimethylaminopyridin (DMAP) zu aktivieren und im Anschluss mit Cholinchlorid zu kondensieren. Wie jedoch zu erwarten war, stellte sich aufgrund der geringen Löslichkeit des Cholinchlorids und der Bisphosphate 105 und 106 keine Reaktion zum gewünschten Kondensationsprodukt ein. Auch eine mehrtätige Reaktionsdauer bei einer Temperatur von 65 °C zeigte keine positive Veränderung hinsichtlich der Produktbildung. Nachfolgend wurde das Cholinchlorid nach der Vorschrift von HARBISON115 in das analoge Cholintetraphenylborat überführt und die Kupplungsreaktion erneut durchgeführt. Aufgefallen war dabei die bessere Löslichkeit des verwendeten Cholinsalzes. Jedoch zeigten DCUntersuchungen, dass sowohl bei einer Reaktion bei Raumtemperatur als auch nach gelindem Erwärmen keine Umsetzung stattgefunden hat. Auch in MS-Analysen konnte das gewünschte Kupplungsprodukt nicht nachgewiesen werden. Der Grund hierfür könnte die weiterhin vorhandene schlechte Löslichkeit der Bisphosphate 105 und 106 in Pyridin sein. Die analoge Reaktion mit 2-Aminoethanol wurde aufgrund der geringen Erfolgschancen nicht durchgeführt. Abschließend bleibt dennoch anzumerken, dass in den Kupplungsreaktionen zwischen den Bis(phosphorsäureestern) 104 und substituierten Cholintetraphenylboraten ein großes Potential für die Synthese funktionalisierter Bis(phosphocholine) liegt. Fortführende Untersuchungen zu diesem Ansatz bleiben somit weiteren Arbeiten vorbehalten. 2.4.4 EINFÜHRUNG GRÖßERER AMINE IN DIE KOPFSTRUKTUR DER BOLAAMPHIPHILE Da die im vorherigen Kapitel beschriebenen TPS-vermittelten Kondensationen substituierter Cholintetraphenylborate an die Bisphosphate 105 und 106 keine Erfolge erbrachten, stellte die Quarternierung des Bromesters 91 mit größeren, funktionalisierten Aminen eine weitere Variante dar, kopfgruppenmodifizierte Bolaamphiphile zu synthetisieren. Über die Einführung funktioneller Gruppen sollte so die Möglichkeit geschaffen werden, weitere, im Hinblick auf physiko-chemische Untersuchungen interessante Moleküle, wie Fluoreszenzmarker und Peptidfragmente an die Bolalipide anzuknüpfen. Überdies sollte der Frage nachgegangen werden, ob das für die Quarternierung benutzte Amin einen Einfluss auf den Reaktionsverlauf und die Ausbeuten aufweist. 36 Synthetisch-präparative Arbeiten Synthetische Abwandlungen der Cholin-Kopfgruppe von monopolaren Phospholipiden sind in der Literatur in erster Linie durch die Arbeiten von EIBL und ENGEL bekannt,116-118 die sich seit den frühen Neunziger Jahren mit der Darstellung dieser abgewandelten Phosphocholine und deren oraler und topischer Anwendung bei Protozoeninfektionen wie Leishmaniose beschäftigten. Bipolare Phospholipide mit veränderter Cholinstruktur sind hingegen in der Literatur bislang nicht beschrieben und bilden somit einen interessanten Ansatzpunkt für weitere synthetische Arbeiten. Als Ausgangspunkt für die Synthese dieser kopfgruppenmodifizierten Bolaamphiphile diente die in Kapitel 2.3 vorgestellte Phosphorylierung des Diols 5 mit β-Bromethylphosphorsäuredichlorid, welche im Ergebnis zum Bromester 91 führte. Die Einführung der quarternären Stickstoffatome erfolgte durch Umsetzung des Bromesters 91 mit verschiedenartigen tertiären Aminen, welche aus zwei Methylgruppen und einem größeren, z.T. mit funktionellen Gruppen versehenem Rest aufgebaut waren (siehe Abb. 24 und Tab. 5, Seite 37). Da die verwendeten Amine als reine Substanzen und nicht als ethanolische Lösung kommerziell erhältlich waren, wurde die Quarternierung in einem Lösungsmittelgemisch aus abs. Chloroform, abs. Acetonitril und Ethanol im Verhältnis 3/3/1 (V/V/V) durchgeführt. Der Zusatz von Ethanol erwies sich hierbei als notwendig, da bei einigen Quarternierungen eine Phasenseparation des zugefügten Amins beobachtet wurde, welche durch die Zugabe von Ethanol aufgehoben werden konnte. Weiterhin galt es zu beachten, bei luftempfindlichen Aminen wie N,N-Dimethyl-N-ethylamin oder N-Allyl-N,N-dimethylamin unter Argonatmosphäre zu arbeiten, um eine mögliche oxidative Zersetzung der Amine zu unterbinden. Kamen leicht flüchtige Amine wie N,N-Dimethyl-N-ethylamin oder N,N-Dimethyl-N-propinylamin zum Einsatz, so wurden diese vor dem Zusetzen zur Reaktionsmischung auf Trockeneis heruntergekühlt, um hauptsächlich den Verdampfungsverlust neben der geruchlichen Belastung während der Zugabe minimal zu halten. 16 107-114 HO OH O O P P O Br OH O O Br OH O 16 91 16 5 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br 1. CHCl3 / TEA 2. THF / H2O O O P P O N R O O O N R O O CHCl3 / CH3CN EtOH / N(CH3)2R 107: 108: 109: 110: (111): (112): 113: (114): R = CH2CH3 R = CH2CH=CH2 R = CH2 R = CH2CH2OH R = CH2CH2SH R = CH2CH2NH2 R = CH2CH2N(CH3)2 R = CH2CH2CH2N(CH3)2 C CH Abb. 24: Synthese kopfgruppenmodifizierter Bis(phosphocholine). Variationen im Kopfgruppenbereich – Einführung größerer Amine 37 In ersten Quarternierungsreaktionen kamen verschiedene tris-alkylierte Amine, wie N,N-Dimethyl-N-ethylamin (Produkt 107), N-Allyl-N,N-dimethylamin (Produkt 108) bzw. N,N-Dimethyl-N-propinylamin (Produkt 109) zur Anwendung. Die Reaktionen verliefen vergleichbar mit der Synthese des PC-C32-PC 6. Ein zu Beginn der Quarternierung auftretender sandfarbener Niederschlag ungeklärter Zusammensetzung ging nach 2 – 4 Stunden des Erwärmens auf ca. 45 °C wieder in Lösung und trat danach nicht wieder in Erscheinung. Die Ausbeuten an modifizierten Bis(phosphocholinen) 107-109 fielen mit 45 – 55 % (siehe auch Tab. 5) verglichen zum PC-C32-PC 6 mit 60 % etwas geringer aus. Die Ursache hierfür ist in der etwas größeren sterischen Ausdehnung der verwendeten Amine im Vergleich zum Trimethylamin zu suchen, welche einen nukleophilen Austausch der Bromatome erschwerte. Die Aufarbeitung und Reinigung der erhaltenen Produkte 107-109 verlief nach den bereits in Kapitel 2.3.2 beschriebenen Methoden. Im Falle des APC-C32-APC 108 bzw. des PPC-C32-PPC 109 war während der MPLC auf ein schnelles und sorgsames Arbeiten unter Lichtausschluss und Schutzgasatmosphäre zu achten, um eine chemische Zersetzung der Mehrfachbindungen zu vermeiden. Im Anschluss an die Reinigung waren Endprodukte für mindestens neun Monate bei –18 °C stabil, was durch DC-Untersuchungen belegt werden konnte. In einem nächsten Quarternierungsansatz kam 2-(Dimethylamino)ethanol (Produkt 110) als Aminkomponente zum Einsatz, welches hinsichtlich Handhabung und Reaktionsführung keiner besonderen Anpassungen bedurfte. Die Ausbeute an HEPC-C32-HEPC 110 lag mit Tab. 5: Struktur und Ausbeute der kopfgruppenmodifizierten Bis(phosphocholine). Nr. Aminkomponente N(CH3)2R mit R= Ausb. [%] chemischer Name Dotriacontan-1,32-diyl-bis Label 6 CH3 60 [2-(trimethylammonio)ethylphosphat] PC-C32-PC 107 CH2CH3 55 [2-(N,N-dimethyl-N-ethylammonio)ethylphosphat] EPC-C32-EPC 108 CH2CH=CH2 52 [2-(N-allyl-N,N-dimethylammonio)ethylphosphat] APC-C32-APC 109 CH2C≡CH 45 [2-(N,N-dimethyl-N-propinylammonio)ethylphosphat] PPC-C32-PPC 110 CH2CH2OH 50 [2-[N,N-dimethyl-N-(2-hydroxyethyl)ammonio]- ethylphosphat] HEPC-C32-HEPC (111) CH2CH2SH 0a [2-[N,N-dimethyl-N-(2-thioethyl)ammonio]- ethylphosphat] TEPC-C32-TEPC (112) CH2CH2NH2 0b [2-[N-(2-aminoethyl)-N,N-dimethylammonio]- ethylphosphat] AEPC-C32-AEPC 113 CH2CH2N(CH3)2 25 [2-[N,N-dimethyl-N-(2-dimethylaminoethyl)- ammonio]ethylphosphat] DMAEPC-C32- DMAEPC (114) CH2CH2CH2N(CH3)2 0c [2-[N,N-dimethyl-N-(2-dimethylaminopropyl)- ammonio]ethylphosphat] DMAPPC-C32- DMAPPC a ein Produkt konnte isoliert werden; das Massenspektrum war jedoch nicht eindeutig zuzuweisen b die Reaktion resultierte in einer Produktmischung; Aufreinigung via MPLC war nicht möglich c das Produkt war mittels MS nachweisbar; die Reinigung schlug jedoch fehl 38 Synthetisch-präparative Arbeiten 50 % im Bereich der bereits durchgeführten Quarternierungen. Eine O-Alkylierung, d.h. eine Reaktion der Aminkomponente über den Sauerstoff, wurde im Verlauf der Reaktion nicht beobachtet. Als Nebenprodukt dieser Quarternierung konnte das Me2PE-C32-Me2PE 82 durch MS-Analysen nachgewiesen werden, welches jedoch durch die Reinigung mittels MPLC abgetrennt wurde. Ursache für die Entstehung dieses Nebenprodukts war eine Verunreinigung des für die Quarternierung verwendeten Amins mit Dimethylamin. Durch die Einführung der Hydroxygruppe stand nunmehr ein zusätzliches reaktives Zentrum für Folgereaktionen zur Verfügung. In einem weiteren Versuch sollte in Analogie zum HEPC-C32-HEPC 110 eine freie Thiolgruppe in die Kopfstruktur des Bolaamphiphils eingebaut werden (Produkt 111), um so die Möglichkeit der Anbindung von Gold-Nanopartikeln an die Faserstrukturen der Bolaamphiphile zu ermöglichen. Da das benötigte Amin, das 2-(Dimethylamino)ethanthiol, nicht als reines Amin bzw. als ethanolische Lösung kommerziell erhältlich war, wurde dieses zunächst aus dem analogen Hydrochlorid freigesetzt. Hierzu wurde die benötigte Menge des Hydrochlorids unter Argonatmosphäre in Wasser gelöst, mit der entsprechenden Menge an Natronlauge versetzt und mehrfach mit Diethylether und Chloroform vorsichtig extrahiert. Nach dem Abtrennen und Trocknen der organischen Phase wurde diese zur Hälfte eingeengt, mit dem gleichen Volumen an Acetonitril/Ethanol (3/1, V/V) verdünnt und sodann als Lösungsmittelgemisch für die Quarternierungsreaktion verwendet. Aufgrund der enormen geruchlichen Belastung war dabei stets in einem gut ziehenden Abzug zu arbeiten. Bereits nach 8- stündigem Erhitzen auf 45 °C zeigte jedoch die DC-Kontrolle in Chloroform/Methanol/ Ammoniak (50/50/10, V/V/V) ein unbefriedigendes Ergebnis. Es waren mehrere, phosphathaltige Produktflecke unterschiedlicher Polarität zu erkennen, wobei keine eindeutige Zuordnung getroffen werden konnte. Eine Verlängerung der Reaktionsdauer erbrachte keine Verbesserung bezüglich der Produktzusammensetzung, so dass nach fünf Tagen die Quarternierung abgebrochen wurde. Durch eine dennoch durchgeführte MPLC zur Auftrennung und Reinigung des entstandenen Produktgemisches konnte ein weißer, wachsartiger, dc-reiner Stoff isoliert werden, dessen Masse jedoch mit 921.9 g/mol über der Masse des gewünschten TEPC-C32-TEPC 111 mit 905.3 g/mol lag. Die Ursache für dieses Mehrgewicht von ca. 16 g/mol könnte zum einen ein zusätzliches Sauerstoffatom im Molekül oder zum anderen der Austausch eines Sauerstoffatoms gegen ein Schwefelatom sein. Keine der Vermutungen konnte durch Elementaranalysen bzw. NMR-Untersuchungen bestätigt werden. Die genaue Charakterisierung des isolierten Produkts sowie die erneute Synthese des TEPC-C32-TEPC 111 wurde an dieser Stelle nicht weiter verfolgt. Nachdem die Einführung einer Thiolgruppe in die Kopfgruppenstruktur der Bolaamphiphile nicht gelungen war, sollte im Folgenden der Einbau einer freien Aminogruppe versucht werden (Produkt 112). Die entsprechende Aminkomponente – das N,N-Dimethylethylendiamin – stand als reines Amin zur Verfügung und konnte in bewährter Weise für die Quarternierung verwendet werden. Bedingt durch die zwei reaktiven Zentren am Amin, dem Variationen im Kopfgruppenbereich – Einführung größerer Amine 39 primären und dem tertiären Stickstoffatom, wurde in einem ersten Versuch die Quarternierung bei 35 °C durchgeführt, um eine thermodynamisch kontrollierte Reaktion, d.h. eine Reaktion am tertiären Stickstoffatom zu erzwingen. In einem zweiten Versuch wurde die Aminkomponente in Chloroform/Acetonitril (1/1, V/V) gelöst, im Anschluss dem Quarternierungsansatz langsam bei 0 °C zugetropft und dieser sodann vorsichtig auf 40 °C erhitzt. Durch dieses Verfahren sollte ebenfalls eine Reaktion am tertiären Stickstoffatom forciert werden. Aufgrund der Vielzahl der im Chromatogramm ersichtlichen Produktflecke musste jedoch davon ausgegangen werden, dass bei beiden Quarternierungen keine Präferenz bezüglich des tertiären Stickstoffatoms erreicht wurde. Die große Anzahl an Nebenprodukten und das ähnliche Laufverhalten derer bedingte auch die nicht durchzuführende Aufreinigung und Isolierung einzelner Produkte mittels MPLC. Somit war die Synthese des AEPC-C32-AEPC 112 auf diesem Weg nicht möglich. In den abschließenden Umsetzungen sollten zwei größere Amine Anwendung finden. Das Ziel war die Bestätigung der Annahme, dass die Ausbeute der Quarternierungsreaktion direkt von der Größe des verwendeten Amins abhängig ist. Verwendet wurde das N,N,N’,N’-Tetramethylethylendiamin (TMEDA) (Produkt 113) und das um eine Methylengruppe größere N,N,N’,N’-Tetramethylpropylendiamin (Produkt 114). Für beide Umsetzungen wurde auf das bewährte Reaktionsschema zurückgegriffen. Das DMAEPC-C32-DMAEPC 113 konnte dabei in einer Ausbeute von 25 % isoliert werden. Für das analoge DMAPPC-C32-DMAPPC 114 wurde zwar das entsprechende Signal im Massenspektrum identifiziert, jedoch scheiterte die Isolierung des Produkts mittels MPLC aufgrund der zu geringen Ausbeute. Abgesehen von den soeben beschriebenen Bis(phosphocholinen) 107-114 wurde in Analogie zum Me2PE-C32-Me2PE 82 das entsprechende Dotriacontan-1,32-diyl-bis[(2-diethylammonio)ethylphosphat] 115 (Et2PE-C32-Et2PE) synthetisiert (siehe Abb. 25). Reaktionsführung, Aufarbeitung sowie Reinigung wurden nach der etablierten Methode durchgeführt. Die Ausbeute fiel mit 57 % im Vergleich zum Me2PE-C32-Me2PE mit 70 % etwas geringer aus, was auch hier auf die leicht größere sterische Ausdehnung des verwendeten Amins im Vergleich zum Dimethylamin zurückzuführen war. Bei der vergleichenden Betrachtung der durchgeführten Quarternierungsversuche war festzustellen, dass die Ausbeute an isoliertem Bolaamphiphil mit zunehmender sterischer Beanspruchung des verwendeten Amins abnahm. Dies war auf einen erschwerten nucleophilen 16 115 91 O O P P O N OH O O N OH O CHCl3 / CH3CN / EtOH / NH(CH2CH3)2 Abb. 25: Synthese des Et2PE-C32-Et2PE 115. 40 Synthetisch-präparative Arbeiten Austausch der Bromatome zurückzuführen. Die über diese Reaktionen in die Kopfgruppenstruktur der Bolaamphiphile eingeführten funktionellen Gruppen, wie Hydroxygruppen oder Doppel- und Dreifachbindungen, waren nunmehr ein vielversprechender Ausgangspunkt für weitere Modifizierungen, welche im nachfolgenden Kapitel näher beschrieben sind. 2.4.5 FOLGEREAKTIONEN AN BOLAAMPHIPHILEN Sowohl die unmodifizierten Bolaamphiphile, wie das Me2PE-C32-Me2PE 82 und das MePEC32-MePE 88, als auch die im Kopfgruppenbereich funktionalisierten Bis(phosphocholine) 108-110 gaben Anlass für Folgereaktionen, welche im Folgenden näher erläutert werden sollen. Zweck dieser Untersuchungen war die Klärung der Fragestellung, ob und unter welchen Reaktionsbedingungen sich bereits synthetisierte Bolaamphiphile weiter modifizieren lassen – mit dem Ziel, einen synthetischen Zugang für die Anbindung größerer Moleküle, wie Fluoreszenzmarker oder Peptidfragmente, an die Bolalipide zu etablieren. 2.4.5.1 Reaktionen an unmodifizierten Bolaamphiphilen Zunächst wurde versucht, die tertiären Stickstoffatome des Me2PE-C32-Me2PE 82 mit verschiedenen Alkylhalogeniden zu alkylieren, um so zu modifizierten Bis(phosphocholinen) zu gelangen. Ein Vorteil dieses Reaktionswegs wäre die Möglichkeit der nachträglichen Einführung größerer Amine in die Kopfgruppenstruktur der Bolaamphiphile, was über die Quarternierung (siehe Kap. 2.4.4) nicht möglich gewesen war. Ferner sollte der Versuch unternommen werden, die Aminofunktionen des MePE-C32-MePE 88 mit aktivierten Säurederivaten zu acylieren (siehe Abb. 26). O O 16 P P O N OH R O O N R OH O 82,88 16 (116) O O P P O N O O O N O O S S 16 (117) O O P P O N Lip OH O O N Lip OH O 82: 88: R = CH3 R = H Lip = O S S X S für 88: LipCl CHCl 3 / TEA für 82: (X = Cl, Br, I) Abb. 26: Folgereaktionen am Me2PE-C32-Me2PE 82 und MePE-C32-MePE 88. Variationen im Kopfgruppenbereich – Folgereaktionen an Bolaamphiphilen 41 In Analogie zu der von EIBL durchgeführten Alkylierung der Phosphodimethylethanolamine wurde das Me2PE-C32-Me2PE 82 in Chloroform/Acetonitril (1/1, V/V) suspendiert, mit der fünffachen Menge an 2-Chlorethylmethylsulfid versetzt und sodann für mehrere Stunden auf 60 °C erhitzt. Jedoch zeigten DC-Verlaufskontrollen, dass keine Umsetzung zum gewünschten Produkt stattgefunden hatte. Verschiedene Versuche, die Reaktion zu forcieren, wie Erhitzen unter Rückfluss oder die Umsetzung in reinem Alkylhalogenid unter erhöhter Temperatur, ergaben keine Verbesserungen hinsichtlich einer Produktbildung. Auch die Überführung des Alkylierungsmittels vom Chlorid in das analoge Bromid – durch Zusatz von äquimolaren Mengen an Lithiumbromid – brachte keinen Erfolg. Lediglich nach einem FINKELSTEIN-Austausch des Chlorids gegen Jodid, durch Umsetzung des 2-Chlorethylmethylsulfids mit Natriumiodid in abs. Aceton, und einer nachfolgenden Alkylierung in Chloroform/Acetonitril (1/1, V/V) bei 60 °C über mehrere Tage konnte die Bildung von zwei Produkten mittels DC nachgewiesen werden. Durch MS-Untersuchungen stellte sich heraus, dass es sich hierbei um das monoalkylierte Produkt mit einer Massezahl von 859.8 [M+ + H] und um das gewünschte bisalkylierte Produkt 116 mit einer Massezahl von 933.6 [M+ + H] handelte (siehe Abb. 26, oben). Daneben waren im MS noch die Peaks für das Edukt Me2PEC32-Me2PE 82 mit 785.8 für [M+ + H] und 807.7 für [M+ + Na] deutlich erkennbar (vollständiges Spektrum siehe Anhang). Eine Isolierung und genauere Charakterisierung der entstandenen Produkte war aufgrund der marginalen Ausbeuten nicht möglich. Jedoch konnte durch diese Umsetzung gezeigt werden, dass eine nachträgliche Alkylierung der Stickstoffatome im Me2PE-C32-Me2PE 82 mit Alkyliodiden unter Anwendung erhöhter Temperaturen und langer Reaktionszeiten prinzipiell möglich ist. Für die Untersuchung einer möglichen Acylierung der Stickstoffatome des MePE-C32-MePE 88 wurde auf die Umsetzung mit aktivierter Liponsäure zurückgegriffen. Die racemische α-Liponsäure wurde hierzu nach einer Vorschrift von SABAPATHY119 durch Umsetzung mit Oxalsäuredichlorid in abs. Methylenchlorid und Zusatz von TEA in das analoge Säurechlorid (LipCl) überführt und mit MePE-C32-MePE 88 in Chloroform sowie äquimolaren Mengen an Pyridin zur Reaktion gebracht (siehe Abb. 26, unten). Der Ansatz wurde für mehrere Tage bei Raumtemperatur stehengelassen und fortwährend mittels DC auf eine Umsetzung hin überprüft. Es konnte jedoch keine Acylierung der Stickstoffatome und somit kein Produkt 117 festgestellt werden. Ein mehrstündiges Erwärmen des Ansatzes auf 45 °C zeigte ebenfalls keine Verbesserung im Hinblick auf eine Produktbildung. Da sich im weiteren Verlauf das Reaktionsgemisch grün verfärbte, wurde die Umsetzung abgebrochen und von einer wiederholten Reaktion abgesehen. Eine nachträgliche Acylierung der Stickstoffatome des MePEC32-MePE schien somit auf diesem Weg nicht möglich. 42 Synthetisch-präparative Arbeiten 2.4.5.2 Reaktionen an funktionalisierten Bis(phosphocholin)-Derivaten Da die Folgereaktionen an unmodifizierten Bolaamphiphilen, wie Me2PE-C32-Me2PE 82 und MePE-C32-MePE 88, nicht den gewünschten Erfolg brachten, wurde nunmehr der Versuch unternommen, die bereits im Kopfgruppenbereich funktionalisierten Bolaamphiphile weiter zu modifizieren. Als Ausgangspunkt standen hierfür das APC-C32-APC 108 mit einer für Photokupplungen zugänglichen Allylfunktion, das PPC-C32-PPC 109 mit einer Dreifachbindung, welche ihrerseits im Sinne einer Cycloaddition mit Aziden weiter umgesetzt werden könnte, sowie das HEPC-C32-HEPC 110 mit einer veresterbaren Hydroxygruppe in der Kopfgruppenregion des Bolaamphiphils zur Verfügung (siehe Abb. 27). Photoaddition an endständigen C-C-Doppelbindungen Die Allylgruppen des APC-C32-APC 108 sollten für eine UV-induzierte Additionsreaktion von Thiolen zugänglich zu sein. Diese nach einem Radikal-Kettenmechanismus und nach anti-MARKOWNIKOW Orientierung ablaufende Addition wurde von POSNER120 im Jahre 1905 entdeckt und durch GRIESBAUM121 Anfang der Siebziger Jahre in ihrer Gesamtheit beschrieben. In der heutigen Zeit findet diese, unter milden Bedingungen stattfindende Reaktion in der Kohlenhydrat-122,123 und Cyclodextrinchemie124-126 Anwendung. Zudem wurde sie in der 16 108-110 O O P P O N R O O O N R O O 16 (118) O O P P O N O O O N O O 16 119 O O P P O N O O O N O O 16 120 O O P P O N O O O N O O S S R1 R1 N S S N N N N N O O S S O O S S 108: 109: 110: R = CH2CH=CH2 R = CH2 R = CH2CH2OH 2 2 108 109 110 CCl4 oder H2O / Thiol HS-R1 UV-Licht (254 nm) H2O / EtOH / Azidomethylphenylsulfid Na-Ascorbat / Cu(OAc)2 1. CCl4 / DCC 1. α-Liponsäure 2. 110 / CHCl3 / DMSO 2. DMAP / 50 °C a) b) c) C CH R1 verschiedene Reste Abb. 27: Modifizierungen an funktionalisierten Bis(phosphocholinen): a) Photokupplung von Alkylthiolen an APC-C32-APC 108; b) Clickreaktion substituierter Azide an PPC-C32-PPC 109; c) Veresterung der Hydroxygruppe des HEPC-C32-HEPC 110. Variationen im Kopfgruppenbereich – Folgereaktionen an Bolaamphiphilen 43 Arbeit von SCHMIDT127 zur Darstellung von Clusterglycolipiden erfolgreich eingesetzt. Allen hier dargelegten Umsetzungen war jedoch die Addition an Allylacetalen gemeinsam. Eine erfolgreiche Übertragung dieser Reaktion auf das APC-C32-APC 108 erschien aufgrund der durch das quarternäre Stickstoffatom desaktivierten Doppelbindung fraglich. Für die Umsetzung wurde das APC-C32-APC 108 in einem Quarzglaskolben in abs. Tetrachlorkohlenstoff unter Argonatmosphäre suspendiert, mit der dreifachen Menge an 2-Mercaptoethanol versetzt und für mehrere Stunden mit einer Quecksilber-Niederdruck-UV-Lampe (254 nm, 15 W) bestrahlt. Kontinuierliche DC-Kontrollen in Chloroform/Methanol/ Ammoniak (50/50/15, V/V/V) zeigten nur eine äußerst schwache Umsetzung. Ein Problem schien die schlechte Löslichkeit des Bolaamphiphils in Tetrachlorkohlenstoff zu sein. Der Zusatz geringer Mengen an Methanol bzw. ein Wechsel zu Methylenchlorid schafften hier zwar Abhilfe, eine erhöhte Produktbildung konnte dennoch nicht verzeichnet werden. Wiederholte Versuche mit anderen Thio-Verbindungen, wie Ethylmercaptan oder 2-(Dimethylamino)ethanthiol-Hydrochlorid, bzw. eine Reaktion in Wasser ohne den Zusatz weiterer organischer Lösungsmittel zeigten ebenfalls keine nennenswerten Umsetzungen zum gewünschten Bolaamphiphil 118 (siehe Abb. 27a). Es konnte demnach davon ausgegangen werden, dass eine photochemische Additionsreaktion von Thiolen an endständige Doppelbindungen nach den hier aufgezeigten Methoden nicht durchführbar ist. „Click“-Reaktion an endständigen C-C-Dreifachbindungen Die endständigen Dreifachbindungen des PPC-C32-PPC 109 eröffneten die Möglichkeit einer Cycloaddition von Alkylaziden, welche in der Literatur unter der Bezeichnung „Click“- Reaktion Eingang gefunden hat. Mit diesem Terminus wurden hierbei Umsetzungen definiert, die sich durch moderate Reaktionsbedingungen, einfache Aufarbeitungs- und Reinigungsschritte, hohe Ausbeuten sowie eine große molekulare Diversität der entstandenen Produkte durch den Einsatz verschiendenartiger Building Blocks auszeichneten.128 SHARPLESS hatte unter diesem Gesichtspunkt eine Reihe von Reaktionen zusammengestellt, auf welche die genannten Kriterien zutrafen,129,130 wobei sich eine der ursprünglich von HUISGEN131 entwickelten 1,3-dipolaren Cycloaddition von Aziden und endständigen Alkinen zu 1,2,3- Triazolen als potenteste Umsetzung herausstellte. Nachteilig hierbei war die Bildung von 1,4- und 1,5-substituierten, stellungsisomeren Triazolen. Erst durch den Einsatz von Kupfer(I)- Salzen, wie Kupfer(I)iodid oder Tetrakis(acetonitril)kupfer(I)hexafluorophosphat als Katalysator konnte diese [2+3]-Cycloaddition regioselektiv gestaltet werden und man erhielt nahezu ausschließlich das 1,4-substituierte Triazol.132,133 Weiterhin wurde in Arbeiten von SHARPLESS132 gezeigt, dass sich die in situ Präparation des Katalysators durch Reduktion von Kupfer(II)-Salzen (z.B. Kupfer(II)sulfat oder Kupfer(II)acetat) mittels Ascorbinsäure oder Natriumascorbat vorteilig auf die Reaktionsführung und Produktbildung auswirkte. Für die Umsetzung wurde das PPC-C32-PPC 109 in einer Wasser/Ethanol-Mischung (2/1, V/V) unter leichtem Erwärmen gelöst, mit 40 mol% Natriumascorbat, 20 mol% Kupfer(II)- 44 Synthetisch-präparative Arbeiten acetat sowie Azidomethylphenylsulfid versetzt und sodann bei Raumtemperatur kräftig gerührt. Die Mengen des Katalysators wurden hierbei einer Vorschrift von KUIJPERS134 entnommen. DC-Kontrollen in Chloroform/Methanol/Ammoniak (50/50/10, V/V/V) zeigten bereits nach 90 Minuten neben dem Eduktfleck (Rf = 0.20) zwei neu entstandene Flecke mit Rf-Werten von 0.35 bzw. 0.50. Durch MS-Untersuchungen konnten diese neuen Flecke als Mono- und Bistriazol identifiziert werden. Nach einer Reaktionszeit von insgesamt 24 Stunden war sowohl der Eduktfleck als auch der obere Fleck (Rf = 0.50), bei dem es sich um das Monotriazol handelte, im Chromatogramm verschwunden. Zugleich verfärbte sich die Lösung rötlich braun, was auf die Bildung von Kupferoxiden in Verbindung mit der Beendigung der Reaktion hindeuten könnte. Dabei wurde angenommen, dass das Kupfer(II)- acetat, welches während der Reaktion zum Kupfer(I)acetat reduziert wurde, sich nach Abschluss der Cycloaddition zu rotgefärbten Kupferoxiden zersetzt hatte. Nach dem Einengen des Ansatzes bei 40 °C und einer chromatographischen Reinigung konnte das Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N-dimethyl-N-[[1-(phenylthiomethyl)-1,2,3-triazol-4-yl]- methyl]ammonio]ethylphosphat] 119 (PTTPC-C32-PTTPC) als weißes Pulver isoliert und vollständig charakterisiert werden (siehe Abb. 27b). Die erzielten Ausbeuten von 75 % belegten dabei eindrucksvoll die gute Umsetzung sowie eine sehr hohe Relevanz der „Click“-Reaktion für nachträgliche Modifizierungen an funktionalisierten Bis(phosphocholinen). Veresterung der Hydroxygruppe Die vorhandenen Hydroxygruppen in der Kopfgruppenstruktur des HEPC-C32-HEPC 110 erlaubten die esterartige Verknüpfung mit aktivierten Säurederivaten. Als Säurekomponente fand hierbei die racemische α-Liponsäure Anwendung, welche in abs. Tetrachlorkohlenstoff gelöst und mittels N,N’-Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) in das entsprechende Anhydrid überführt wurde. Anschließend wurde das Anhydrid in Chloroform aufgenommen und mit dem HEPC-C32-HEPC 110 sowie äquimolaren Mengen an TEA zur Reaktion gebracht. Bedingt durch die schlechte Löslichkeit des Bolaamphiphils in Chloroform konnte jedoch keine Umsetzung beobachtet werden. Der Zusatz von Dimethylsulfoxid (DMSO) und DMAP verbesserte die Löslichkeit und die Reaktivität entscheidend. Ferner wurde erneut DCC (ca. 50 % der ursprünglich eingesetzten Menge) zur Reaktionsmischung hinzugefügt, um die während der Reaktion freiwerdende Liponsäure erneut zum Anhydrid umzusetzen. Diese Verfahrensweise sollte eine optimale Ausnutzung der Reagenzien gewährleisten. Nach einer Reaktionszeit von 48 Stunden bei ca. 50 °C konnte durch DC-Untersuchungen nunmehr die Bildung zweier Produkte nachgewiesen werden. Nach dem Laufverhalten zu urteilen, handelte es sich dabei um das mono- und das bis-veresterte Produkt, welche in etwa zu gleichen Teilen entstanden waren. Überdies war noch eine große Menge an nicht umgesetztem Edukt 110 zu erkennen. Eine Verlängerung der Reaktionszeit brachte indes keine Verbesserung bezüglich der Ausbeuten. Die abschließende Aufarbeitung und Reinigung erfolgte nach den bewährten Methoden (siehe Kap. 2.3.2). Das isolierte Produkt, das Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N- Variationen im Kopfgruppenbereich – Folgereaktionen an Bolaamphiphilen 45 dimethyl-N-[2-[[5-(1,2-dithiolan-3-yl)-1-oxopentyl]oxy]ethyl]ammonio]ethylphosphat] 120 (LAPC-C32-LAPC), wies eine schlechte Löslichkeit in Chloroform, Methanol und DMSO auf, so dass eine Charakterisierung der Substanz nur eingeschränkt möglich war. Die Ausbeuten an LAPC-C32-LAPC 120 blieben mit 15 % unter den Erwartungen, jedoch zeigte diese Umsetzung die prinzipielle Möglichkeit der nachträglichen, beidseitigen Veresterung der Hydroxygruppen des HEPC-C32-HEPC 110 sehr eindrücklich (siehe Abb. 27c). Weitere Modifizierungen an funktionalisierten Bis(phosphocholinen) Es sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Arbeit noch weitere Versuche der Modifizierung funktionalisierter Bis(phosphocholine) unternommen wurden. So wurde geprüft, ob die Dreifachbindungen des PPC-C32-PPC 109 mit Säureaziden eine Cycloaddition eingehen oder ob sich die Hydroxygruppen des HEPC-C32-HEPC 110 mit Säureaziden über die Stufe der Isocyanate zu Urethanen verknüpfen lassen. Ferner wurde die Möglichkeit untersucht, die Aminogruppe des nicht gereinigten AEPC-C32-AEPC 112 (siehe Synthese auf Seite 38) mit Fluorescein-5-isothiocyanat (FITC) zu einem Thioharnstoff-Derivat umzusetzen. Ziel war zum einen die Anbindung eines Fluoreszenzmarkers und zum anderen die daraus resultierende Möglichkeit, eine Aufreinigung mittels präparativer DC durchzuführen. Jedoch führten alle hier aufgezeigten Modifizierungen nicht zum gewünschten Erfolg, so dass von weiteren Untersuchungen zu dieser Fragestellung abgesehen wurde. In einer abschließenden und vergleichenden Betrachtung der durchgeführten Folgereaktionen an funktionalisierten Bis(phosphocholinen) bleibt festzuhalten, dass die „Click“-Reaktion an Propinyl-modifizierten Bolaamphiphilen aufgrund der einfachen Reaktionsführung und der sehr hohen Ausbeuten die Methode der Wahl ist, um verschiedenartige Moleküle an die Kopfgruppenstruktur der Bolaamphiphile anzuknüpfen. 2.5 VARIATIONEN IN DER KETTENSTRUKTUR DER BOLAAMPHIPHILE Neben den im vorangegangenen Kapitel vorgestellten, weitreichenden Abwandlungen in der Kopfgruppenstruktur der Bolaamphiphile sollte im weiteren Verlauf der Arbeiten das Augenmerk auf die synthetischen Veränderungen der Kettenstruktur innerhalb der Bolaamphiphile gerichtet werden. Die Ziele waren hier die Einführung deuterierter Kettenabschnitte (siehe Kap. 2.5.1), sowie der Einbau von Heteroatomen (siehe Kap. 2.5.2) und polymerisierbaren Diacetylengruppen (siehe Kap. 2.5.3). Die einzelnen Modifizierungen sind nachfolgend im Detail beschrieben. 46 Synthetisch-präparative Arbeiten 2.5.1 EINFÜHRUNG VON DEUTERIERTEN KETTENABSCHNITTEN Mit dem Einbau von deuterierten Abschnitten in die Alkylkette der Bolaamphiphile bestand die Möglichkeit, über 2 H-NMR- und IR-spektroskopische Untersuchungen spezifischere Aussagen über die Anordnung und Konformation der Bolalipide innerhalb der ausgebildeten Aggregatstrukturen zu treffen.135 Als Ausgangsmolekül wurde das PC-C34-PC 79 bzw. das Me2PE-C34-Me2PE 81 ausgewählt und ein Kettensegment von 12 CH2-Gruppen inmitten der langen Alkylkette durch entsprechende CD2-Gruppen ersetzt. Aufgrund der Anordnung der CH2- und CD2-Gruppen kam für die Darstellung des teil-deuterierten 1,ω-Diols 123 als Vorstufe der Bolaamphiphile nur eine GRIGNARD-Bis-Kupplung in Betracht (siehe Abb. 28). Als Startreaktion wurde das kommerziell erhältliche, perdeuterierte 1,12-Dibromdodecan 121 im Sinne einer GRIGNARD-Bis-Kupplung nach MOHR90 mit dem GRIGNARD-Reagenz des 11- Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]undecans 58 zur Reaktion gebracht. Im Gegensatz zur Synthese der nicht-deuterierten 1,ω-Diole (siehe Kap. 2.2.2.3) wurden die THP-Schutzgruppen des erhaltenen teil-deuterierten Bis(tetrahydropyranylethers) 122 jedoch nicht sofort abgespalten. Stattdessen wurde das Rohprodukt der Bis-Kupplung über Säulenchromatographie und einen Heptan/Diethylether-Gradienten unter Zusatz von TEA aufgetrennt, um die Nebenprodukte, wie mono-gekuppeltes Produkt oder nicht umgesetztes Dibromid 121 zurückzugewinnen. Im Anschluss wurden die Schutzgruppen des gereinigten Bis(tetrahydropyranylethers) 122 durch Erhitzen in abs. Methanol mit katalytischen Mengen an PyrTos entfernt. Das erhaltene Tetratriacontan-([D24]-12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19, 19,20,20,21,21,22,22,23,23)-1,34-diol 123 konnte aus wenig Heptan umkristallisiert werden. Die abschließende Überführung des teil-deuterierten 1,ω-Diols 123 in das analoge 122 D D D D 6 O O O O 10 10 121 Br Br D D D D O O 10 58 1. Mg / THF / Rückfluss 2. THF / Li2CuCl4 / 0 °C 2 + Br 6 123 D D D D 6 OH HO 10 10 124,125 D D D D 6 O O P 10 10 O O O N R P O O O N R PyrTos / MeOH Rückfluss 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br / 1. CHCl3 / TEA 2. THF / H2O 3. CHCl3 / CH3CN / 3. EtOH / N(CH3)2R Abb. 28: Synthese des Bis(phosphocholins) 124 (R = CH3) und des Bis(phosphodimethylethanolamins) 125 (R = H) mit deuteriertem Kettenmittelstück. Variationen in der Kettenstruktur 47 Bis(phosphocholin) bzw. das Bis(phosphodimethylethanolamin) mittels der bekannten Phosphorylierungs- und Quarternierungsprozedur gestaltete sich problemlos. Das erhaltene Tetratriacontan-1,34-diyl-([D24]-12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,20,20,21,21,22, 22,23,23)-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] 124 (PC-C34d24-PC) und das Tetratriacontan-1,34-diyl-([D24]-12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,20,20,21,21,22,22, 23,23)-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] 125 (Me2PE-C34d24-Me2PE) konnte durch MPLC isoliert und gereinigt werden. Der Gehalt an Deuterium konnte für beide Bolaamphiphile mittels hochauflösender Massenspektrometrie bestimmt werden. Die Verteilung der deuterierten Spezies betrug dabei: 82% für das PC-C34d24-PC 124 bzw. für das Me2PEC34d24-Me2PE 125, 15% für die analogen [D23]-Derivate, sowie 3% für die [D22]-Derivate. Der geringe Verlust an Deuterium im Vergleich zur Ausgangssubstanz 121 ist auf einen Austausch des Deuteriums gegen Wasserstoff während der GRIGNARD-Kupplung zurückzuführen. 2.5.2 EINFÜHRUNG VON HETEROATOMEN Aufgrund der Tatsache, dass der Prozess der Selbstaggregation des PC-C32-PC 6 zu langen flexiblen Nanofasern ausschließlich durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Alkylketten verursacht wird,46,48 stellte sich die Frage, inwieweit diese Aggregationsneigung durch den Einbau von Heteroatomen in die Alkylketten gestört werden würde. Bedingt durch eine gesteigerte Polarität und geänderte Bindungsparameter, wie Bindungslänge und -winkel, der eingebauten Heteroatome im Vergleich zu den substituierten Methylengruppen sollten sich Unterschiede im Aggregationsverhalten zeigen. Zu diesem Zweck wurden in der Folge Bolaamphiphile synthetisiert, welche Schwefel- oder Sauerstoffatome an bestimmten Positionen der Alkylkette aufwiesen. In einem ersten Versuch wurde die GRIGNARD-Bis-Kupplung als Grundlage für die Synthese kettenmodifizierter 1,ω-Diole herangezogen, wobei das hierfür verwendete 1,ω-Dibromid durch ein schwefelhaltiges Analogon ersetzt werden sollte. Als mögliche Synthesevariante für die Darstellung dieser schwefelhaltigen 1,ω-Dibromide kam die schon in Kapitel 2.4.5.2 vorgestellte UV-induzierte Additionsreaktion von Thiolen an Doppelbindungen in Betracht (siehe Abb. 29). Hierzu wurden in einem Quarzglaskolben die endständigen Diene Hexa-1,5-dien Cl S S Cl HS Cl 129,130 z 126,127 z+4 128 129,130 2 CCl4 126/129: 127/130: z = 2 z = 4 UV-Licht (254 nm) Br S S Br z+4 (131) + Aceton / LiBr Rückfluss Abb. 29: Synthese kettenmodifizierter Bolaamphiphile I – Darstellung schwefelhaltiger 1,ω-Dibromide. 48 Synthetisch-präparative Arbeiten 126 bzw. Octa-1,7-dien 127 in abs. Tetrachlorkohlenstoff unter Argonatmosphäre gelöst, mit der ca. 2.3-fachen Menge an 3-Chlorpropanthiol 128 versetzt und mit einer QuecksilberNiederdruck-UV-Lampe (254 nm, 15 W) bestrahlt. Eine dabei auftretende schwache Rauchentwicklung zog indes keine Beeinträchtigung des Reaktionsverlaufs nach sich. DC-Untersuchungen in reinem Heptan zeigten nach drei Stunden der UV-Bestrahlung die vollständige Umsetzung der Diene an. Für die Aufarbeitung wurden die Ansätze mit Chloroform verdünnt und zur Entfernung des nicht umgesetzten Thiols mit Kaliumhydroxid-Lösung (5 %) sowie mit Wasser gewaschen. Die Reinigung der Rohprodukte erfolgte über Säulenchromatographie unter Verwendung eines Heptan/Diethylether-Gradienten, wobei mit einem leichten Argon-Überdruck gearbeitet wurde, um eine Oxidation der Sulfide zu vermeiden. Die Dithiadichloride 1,14-Dichlor-4,11-dithiatetradecan 129 und 1,16-Dichlor-4,13-dithiahexadecan 130 konnten auf diesem Weg als klare, farblose Flüssigkeiten, welche unter Kühlung zu einer weißen, wachsartigen Masse erstarrten, in sehr guten Ausbeuten (79 – 94 %) erhalten werden. Als Nebenprodukt dieser UV-induzierten Additionsreaktion konnte in beiden Fällen das Disulfid 1,8-Dichlor-4,5-dithiaoctan (MG = 218, GC-MS-Spektrum siehe Anhang) identifiziert und durch Chromatographie abgetrennt werden. In einem zweiten Reaktionsschritt sollten die Dithiadichloride über einen FINKELSTEIN-Austausch in die analogen Dibromide überführt werden. Hierzu wurden die Dithiadichloride 129 und 130 in abs. Aceton aufgenommen, mit der fünffachen Menge an Lithiumbromid versetzt und unter Rückfluss erhitzt. Nach einer Reaktionszeit von 12 Stunden konnte in DC-Untersuchungen (Heptan/Diethylether, 8/2, V/V) nur eine minimale Umsetzung beobachtet werden. Oberhalb des Eduktflecks war ein neuer Fleck entstanden, bei dem es sich lt. MS um das mono-substituierte Produkt handelte. Das gewünschte Dithiadibromid 131 (siehe Abb. 29) konnte nicht detektiert werden. Eine Verlängerung der Reaktionszeit erbrachte ebenso wie ein Wechsel des Lösungsmittels (DMF) keinen Erfolg bezüglich der Produktbildung, so dass dieser Reaktionsweg aufgrund mangelnder Erfolgschancen nicht weiter verfolgt wurde. Eine alternative Möglichkeit der Darstellung kettenmodifizierter 1,ω-Diole eröffnete sich in der zweifachen Alkylierung endständiger Dithiole bzw. Diole mittels THP-geschützter ω- Bromalkohole. Um eine dem PC-C32-PC 6 vergleichbare Kettenlänge zu erhalten, wurde Octan-1,8-dithiol 132 bzw. Octan-1,8-diol 133 in THF deprotoniert und mit der doppeltmolaren Menge an 11-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]undecan 58 alkyliert (siehe Abb. 30). Für die vollständige Deprotonierung des Dithiols 132 zum Dianion 134 war hierbei eine halbstündige Reaktion mit Kalium-tert-butylat bei Raumtemperatur ausreichend. Die anschließende Alkylierung mit 58 ergab nach zehn Stunden eine nahezu komplette Umsetzung, was durch DC-Untersuchungen in Chloroform/Heptan (6/4, V/V) bestätigt wurde. Das gebildete 2,2’-[(12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diyl)oxy]bis(tetrahydro-2H-pyran) 136 konnte nach chromatographischer Reinigung mittels eines Heptan/Diethylether-Gradienten unter Zusatz von TEA in sehr guten Ausbeuten (90 %) isoliert werden. Variationen in der Kettenstruktur 49 Für die Umsetzung des Sauerstoff-analogen Diols waren jedoch drastischere Reaktionsbedingungen notwendig. So wurde das Diol 133 unter Argon in THF gelöst, mit der entsprechenden Menge an Natriumhydrid versetzt und für mehrere Stunden unter Rückfluss erhitzt. In der von einer Gasentwicklung begleiteten Reaktion bildete sich nach kurzer Zeit ein weißer Niederschlag, bei dem es sich wahrscheinlich um das Monoanion des Diols 133 handelte. Um dennoch eine vollständige Bildung des Dianions 135 zu erreichen, wurde der Ansatz weiter unter Rückfluss erhitzt. Nach ca. drei Stunden trat eine orange Verfärbung auf, welche vermutlich auf entstehende Zersetzungsprodukte des THF zurückzuführen war. Die Reaktion wurde daraufhin abgebrochen. Für die anschließende Alkylierung mit 58 wurden sehr geringen Mengen an Tetra-n-butylammoniumiodid als Katalysator hinzugegeben, um eine verbesserte Umsetzung zu erreichen. Der Verlauf des über mehrere Tage unter Rückfluss erhitzten Ansatzes wurde mittels DC in Chloroform/Diethylether (8/2, V/V) kontrolliert. Bereits nach zwölf Stunden waren zwei neue Flecke sichtbar, die als mono- (Rf = 0.21) und bisalkyliertes Produkt (Rf = 0.31) identifiziert wurden. Eine Verlängerung der Reaktionszeit brachte nur eine minimale Verbesserung der Produktzusammensetzung und der Ausbeuten, so dass die Alkylierung nach insgesamt 78 Stunden abgebrochen wurde. Nach der Aufreinigung des Reaktionsansatzes mittels Flash-Chromatographie unter Verwendung eines Heptan/ Diethylether-Gradienten konnte das 2,2’-[(12,21-Dioxadotriacontan-1,32-diyl)oxy]bis(tetrahydro-2H-pyran) 137 in Ausbeuten von ca. 10 % isoliert werden. Die erhaltenen Bis-THP-geschützten, kettenmodifizierten Diole 136 und 137 wurden sodann durch Erhitzen in abs. Methanol und katalytischen Mengen an PyrTos in das entsprechende HO X X OH 11 8 138,139 11 HS SH HO OH O O XXOO 8 132 8 133 8 136,137 11 11 140: 141: 142: X = S, R = CH3 X = O, R = CH3 X = S, R = H P O O O N R XX O P O N R O O O PyrTos / MeOH Rückfluss 11 8 140-142 11 134/136/138: 135/137/139: X = S X = O 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br 1. CHCl3 / TEA 2. THF / H2O 3. CHCl3 / CH3CN / 3. EtOH / N(CH3)2R THF X X 8 134,135 THF / NaH K-te Rückfluss rt-Butylat THF / 58 [(n-Bu)4NI für 135] Rückfluss Abb. 30: Synthese kettenmodifizierter Bolaamphiphile II. 50 Synthetisch-präparative Arbeiten 12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diol 138 bzw. 12,21-Dioxadotriacontan-1,32-diol 139 überführt. In Analogie zur Darstellung der unmodifizierten 1,ω-Diole (siehe Kap. 2.2.2.3) fielen auch hier die gebildeten Diole 138 und 139 als weiße, kristalline Verbindungen aus dem siedenden Methanol aus und konnten sogleich abgesaugt werden. Lediglich das Sauerstoffmodifizierte Diol 139 war besser in heißem Methanol löslich, was sich in einer geringeren Ausbeute dessen (90 % an 138 versus 60 % an 139) widerspiegelte. Die erhaltenen Alkohole konnten sehr gut aus wenig Heptan umkristallisiert werden. Für die abschließende Überführung der kettenmodifizierten Diole 138 und 139 in die entsprechenden Bolaamphiphile konnte auf bekannte Phosphorylierungs- und Quarternierungsreaktionen (siehe Kap. 2.3) zurückgegriffen werden. Auf diese Weise wurden die Bis(phosphocholine) 12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] 140 (PC-C32SS-PC) und 12,21-Dioxadotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] 141 (PC-C32OO-PC) sowie das 12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] 142 (Me2PE-C32SS-Me2PE) synthetisiert und isoliert (siehe Abb. 30). Bemerkenswert in diesem Zusammenhang war die Tatsache, dass aufgrund der relativ guten Löslichkeit des Schwefel-modifizierten Diols 138 in Chloroform der Phosphorylierungsansatz nicht auf die üblichen 60 °C erhitzt werden musste, was sich schließlich auch in den sehr guten Ausbeuten von 70 – 77 % an Bolaamphiphil widerspiegelte. Weiterhin wurde festgestellt, dass sich das PC-C32OO-PC 141 nach erfolgreicher chromatographischer Reinigung nur schwer aus einer Chloroform/Methanol-Lösung (1/1, V/V) durch Zugabe von Aceton ausfällen lies, was für eine gute Löslichkeit des PC-C32OO-PC 141 in diesem Lösungsmittelgemisch sprach. Somit musste der letzte Reinigungsschritt für dieses Bolaamphiphil entfallen. Beide Phänomene zeigten im Vergleich zum unmodifizierten PC-C32-PC 6 sehr eindrücklich die Einflüsse der eingeführten Heteroatome, welche in physiko-chemischen Untersuchungen (siehe Kap. 3.2.5) noch eingehender analysiert werden konnten. Abschließend bleibt festzuhalten, dass sich die hier aufgezeigte Synthesevariante zur Darstellung von Bolaamphiphilen mit Schwefel- und Sauerstoff-modifizierten Alkylketten ohne weiteres auf längerkettige Vertreter gleichen Typs durch Umsetzung mit verschiedartigen THP-geschützten ω-Bromalkoholen übertragen lässt. Diese Synthesen sollten jedoch weiterführenden Arbeiten vorbehalten bleiben. 2.5.3 EINFÜHRUNG VON POLYMERISIERBAREN DIACETYLENGRUPPEN Im letzten Kapitel der synthetisch-präparativen Arbeiten sollte ein Zugang zu polymerisierbaren Bolaamphiphilen etabliert werden. Hintergrund dieser Arbeiten war die Darstellung neuartiger Bolaamphiphile, welche in Analogie zum bekannten PC-C32-PC 6 Nanofasern ausbilden,46,48 die ihrerseits durch UV-Bestrahlung polymerisiert werden könnten. Damit bestände die Möglichkeit Faseraggregate zu erhalten, welche bei Temperaturerhöhung nicht Variationen in der Kettenstruktur 51 unter Verlust der Geleigenschaften in kleinere Aggregate (Mizellen) zerfallen, sondern aufgrund der kovalent verbundenen Nanofasern thermostabile Hydrogele ausbilden könnten. Der Einbau polymerisierbarer Gruppen konnte auf zwei Wegen erfolgen: Zum einen bestand die Möglichkeit, kleine, polymerisierbare Moleküle, wie Acryl- oder Sorbinsäure, in die Kopfgruppenstruktur bereits synthetisierter Bolaamphiphile einzuführen (siehe Kap. 2.4.5.2). Diese Variante wurde jedoch bisher nicht weiter verfolgt, da die Kopfgruppen der Bolalipide für weitere Modifizierungen vorerst unverändert bleiben sollten. Ein anderer Weg zur Darstellung polymerisierbarer Bolaamphiphile eröffnete sich durch den Einbau von Diacetylengruppen in die lange Alkylkette der Bolalipide. Diese Strukturklasse der selbstaggregierenden Polydiacetylene (PDA), welche einer UV-induzierten Photopolymerisation unterliegen, ist in der Literatur schon seit längerer Zeit bekannt. Als Überblick sei hierzu auf die Arbeiten von SONG136,137 verwiesen. Aus diesen Überlegungen leitete sich als Zielmolekül ein Bolaamphiphil mit zwei konjugierten, mittelständigen Dreifachbindungen ab (siehe Abb. 31), welches bei einer Alkylkettenlänge von 32 Kohlenstoffatomen (n = 14) als Analoges des PC-C32-PC 6 angesehen werden konnte. Bei der retrosynthetischen Analyse gelangt man zum Alkadiin-1,ω-diol als Schlüsselmolekül für die Darstellung polymerisierbarer Bolaamphiphile. Dieses symmetrisch aufgebaute Diindiol wäre über eine kupferkatalysierte, oxidative Kupplung von zwei endständigen Alkinolen (Alk-ω-in-1-olen) darstellbar. Für die Synthese dieser Alk-ω-in-1-ole gäbe es wiederum verschiedene Ansatzpunkte: Zum einen käme die Monoalkylierung von Acetylen mit THPgeschützen ω-Bromalkoholen in Betracht. Dieser Ansatz wurde jedoch aus sicherheitstechnischen Aspekten im Umgang mit Acetylen nicht weiter verfolgt. Zum anderen bestände die Möglichkeit, die Alk-ω-in-1-ole über eine baseninduzierte Zipperreaktion aus den analogen Alk-2-in-1-olen darzustellen. Da für die Synthese der hierfür notwendigen Alk-2-in- 1-ole mehrere Wege zur Verfügung standen, wurde dieser Variante Vorrang gegeben. Zusammenfassend ergab sich für die Darstellung polymerisierbarer Bolaamphiphile somit ein Synthesekonzept, wie es in Abbildung 32 gezeigt ist. Die einzelnen Schritte dieser Synthese sollen im Folgenden näher erläutert werden. O P O N O O O P O N O O n n Abb. 31: Zielstruktur der polymerisierbaren Bolaamphiphile. 52 Synthetisch-präparative Arbeiten 2.5.3.1 Darstellung der Alk-2-in-1-ole Für die Synthese der Alk-2-in-1-ole standen zwei Varianten zur Verfügung, welche als Formaldehyd-Variante und als Propargyralkohol-Variante bezeichnet wurden. Die erste Variante ging von langkettigen, endständigen Alkinen aus, welche nach einer Vorschrift von COREY138,139 bzw. TAKANO140 mittels Ethylmagnesiumchlorid in die analogen Alkinmagnesiumchloride überführt und mit Paraformaldehyd zur Reaktion gebracht wurden. Die kommerziell erhältlichen Alkine Tetradec-1-in 143 und Pentadec-1-in 144 konnten auf diesem Weg in das entsprechende Pentadec-2-in-1-ol 149 bzw. Hexadec-2-in-1-ol 150 überführt werden. Im Gegensatz zu der von TAKANO beschriebenen Vorschrift mussten die Ansätze für mindestens drei Stunden auf 45 °C erhitzt werden, damit zufriedenstellende Ausbeuten erreicht wurden. Die zweite Variante ging von Propargyralkohol 145 aus. In Analogie zu Arbeiten von SCHWARZ141 und OPPOLZER142 wurde dieser Alkohol nach Schützen der Hydroxygruppe HO OH y 155,156 y y y 143/149: 144/146/150: 147/151: 148/152: x = 11 x = 12 x = 17 x = 21 O P O N R O O O P O N R O O H3C CH x 143,144 H3C x 149-152 OH HC 145 OH 153,154 OH y HC 157-159 1. 3,4-Dihydro-2H-pyran / PyrTos / CH2Cl2 2. n-BuLi / DMPU / 146-148 3. PyrTos / MeOH EtMgCl THF / HCHO NaH / DAP oder Li / DAP / K-tert-butylat Cu(OAc)2 / Pyridin MeOH / Et2O 1. Cl2P(O)O(CH2)2Br / CHCl3 / TEA 3. CHCl3 / CH3CN / EtOH / N(CH3)2R 2. THF / H2O 153/155: 154/156: y = 13 y = 14 157: 158: 159: y = 13, R = CH3 y = 14, R = CH3 y = 14, R = H H Br 3C x 146-148 FormaldehydVariante PropargyralkoholVariante Abb. 32: Überblick über die Darstellung von Bolaamphiphilen mit polymerisierbaren Diacetylengruppen. Variationen in der Kettenstruktur 53 mittels 3,4-Dihydro-2H-pyran an der Dreifachbindung durch Reaktion mit n-Butyllithium deprotoniert und sodann mit Alkylbromiden 146-148 unterschiedlicher Kettenlänge alkyliert. Die Reaktionen wurden in einer Mischung aus THF und 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro- 2(1H)-pyrimidinon (DMPU) durchgeführt, wobei das als Cosolvens eingesetzte DMPU durch dessen sehr hohes Dipolmoment die Alkylierungsreaktion begünstigen sollte. Erwähnt sei an dieser Stelle, dass in den zitierten Arbeiten nach SCHWARZ und OPPOLZER das von NORMANT143 vorgeschlagene Hexamethylphosphorsäuretriamid (HMPT) anstelle des DMPU als Cosolvens eingesetzt wurde. Aufgrund des hohen krebserregenden Potentials des HMPT wurde dieses jedoch nicht für die hier dargelegten Reaktionen verwendet. Bei der Betrachtung der Reaktionsverläufe und der Ausbeuten der Alkylierungsreaktionen war festzustellen, dass kürzerkettige Alkylbromide, wie das Tridecylbromid 146, besser mit dem THP-geschützten Propargyralkohol reagierten als die längerkettigen Analoga, wie Octadecylbromid 147 bzw. Docosylbromid 148. Eine Verlängerung der Reaktionsdauer erbrachte hier ebenso wie die Erhöhung der Reaktionstemperatur keine verbesserten Umsatzraten. Vielmehr wurde, bedingt durch die gesteigerte Temperatur, eine erhöhte Anzahl an Nebenprodukten beobachtet. Im Anschluss an die Alkylierungen wurden die Ansätze mit kalt-gesättigter Ammoniumchloridlösung versetzt und mehrfach mit Heptan extrahiert. Nach Trocknen und Einengen der organischen Phasen wurden die Rohprodukte zur Abspaltung der THPSchutzgruppe in abs. Methanol suspendiert und mit katalytischen Mengen an PyrTos bei Raumtemperatur bzw. gelindem Erwärmen gerührt. Auf diesem Weg konnten die Alk-2-in-1- ole Hexadec-2-in-1-ol 150, Henicos-2-in-1-ol 151 und Pentacos-2-in-1-ol 152 synthetisiert werden. Die dargestellten Alk-2-in-1-ole 149-152 wurden abschließend einer Aufreinigung mittels Flash-Chromatographie unter Verwendung eines Heptan/Diethylether-Gradienten unterzogen. Bei einem Vergleich der beiden vorgestellten Wege zur Darstellung der Alk-2-in-1-ole war der Formaldehyd-Variante aufgrund der höheren Ausbeuten und dem deutlich geringer ausfallenden Spektrum an Nebenprodukten eindeutig Vorrang zu geben. Einziger Nachteil dieser Methode waren die kommerziell nur in begrenzter Kettenlängenvariabilität erhältlichen, endständigen Alkine, was die Synthese auf zwei Vertreter beschränkte. 2.5.3.2 Baseninduzierte Alkinisomerisierung – Zipperreaktion Die erhaltenen Alk-2-in-1-ole 149-152 wurden im nächsten Syntheseschritt mittels einer baseninduzierten Alkinisomerisierung in die analogen Alk-ω-in-1-ole überführt. Diese Isomerisierung, welche in der Literatur144,145 unter dem Namen „Acetylen-Zipper-Reaktion“ oder kurz „Zipperreaktion“ geläufig ist, stellte eine sehr elegante und effektive Methode dar, intern gelegene Dreifachbindungen an das Ende der Alkylkette zu „verschieben“. Der Mechanismus144,146 der Zipperreaktion beruht dabei auf einer wiederholten, durch starke 54 Synthetisch-präparative Arbeiten Basen induzierten Abfolge von Allen-Alkin-Umwandlungen entlang der Alkylkette, bis das terminale Acetylensalz als stabile Form gebildet worden ist. Als starke Basen kamen anfangs metallisches Natrium147,148 sowie in aromatischen Kohlenwasserstoffen gelöstes Natriumamid149 zum Einsatz. Diese Isomerisierungsreaktionen wurden jedoch von einer Vielzahl von Nebenreaktionen, wie Polymerisierungen, begleitet. Fortschritte diesbezüglich konnten durch das von BROWN144 eingeführte Kaliumsalz des 1,3-Diaminopropans (DAP), das Kalium-3- aminopropylamid (KAPA), erreicht werden. Nachteilig hierbei waren ein sehr starkes Aufschäumen während der Reaktion, welches die Umsetzung in größeren Maßstäben erheblich erschwerte, sowie die Gefahren im Umgang mit Kaliumhydrid. MACAULAY150 führte daraufhin das Natriumsalz des DAP als Base für die Zipperreaktion ein, wodurch die genannten Nachteile umgangen werden konnten. In den Arbeiten von OPPOLZER142 wurde auf das Lithium/Kalium-Salz des DAP, welches aus metallischem Lithium, DAP und Kalium-tertbutylat dargestellt wurde, zurückgegriffen. Die beiden zuletzt genannten Methoden wurden auf die in dieser Arbeit synthetisierten Alk-2-in-1-ole übertragen. Als Lösungsmittel für die Alkinisomerisierungen diente das DAP, welches gleichzeitig in Form des analogen Natriummonoamids als Base fungierte. Für die Formierung der Base wurde über Bariumoxid destilliertes DAP im Beisein von Natriumhydrid auf 70 °C erhitzt. Die entsprechenden Alk-2-in-1-ole 149-152 wurden sodann in DAP gelöst, dem erkalteten Ansatz der Base hinzugefügt und sogleich auf 55 °C erhitzt. Durch DC-Untersuchungen in Chloroform/Diethylether (1/1, V/V) konnte der Verlauf der Isomerisierung verfolgt werden, welche nach fünf Stunden der Reaktion keine weiteren Änderungen im Produktspektrum erkennen ließen. Die Umsetzung wurde daraufhin durch Zugabe von Eiswasser unterbrochen. Nach der etherischen Extraktion der Produkte wurden diese zur Entfernung der Base mit verdünnter Salzsäure sowie mit Wasser gewaschen. Die abschließende Aufreinigung erfolgte mittels MPLC unter Verwendung von Chloroform als Eluent. Bei Betrachtung der Reaktionsverläufe und der erhaltenen Ausbeuten war festzustellen, dass die Alkinisomerisierungen der kurzkettigen Pentadec-2-in-1-ol 149 und Hexadec-2-in-1-ol 150 zu den analogen Pentadec- 14-in-1-ol 153 resp. Hexadec-15-in-1-ol 154 erfolgreich waren. Bei den Umsetzungen der langkettigen Henicos-2-in-1-ol 151 und Pentacos-2-in-1-ol 152 konnten die entsprechenden Alk-ω-in-1-ole auch nach längerer Reaktionsdauer nicht erhalten werden. Die ebenfalls durchgeführten Alkinisomerisierungen nach OPPOLZER142, welcher das Lithium/Kalium-Salz des DAP als Base verwendete, ergaben keine Vorteile bezüglich der Reaktionsführung und der Ausbeuten an Alk-ω-in-1-ol. Als zusätzliche Kontrolle des Reaktionsverlaufs und als Nachweis für die Entstehung der teminalen Alkine wurde die 1 H-NMR-Spektroskopie herangezogen. Hier konnte das entstandene Acetylenproton sehr gut als Triplett bei eine chemischen Verschiebung von δ = 1.9 ppm identifiziert werden. Ein Vergleich der Integralfläche dieses Tripletts zu den Integralflächen anderer Protonensignale lies zudem eine Aussage über die Umsatzraten des Edukts zu. Variationen in der Kettenstruktur 55 2.5.3.3 Oxidative Kupplung der Alk-ω-in-1-ole zu Alkadiin-1,ω-diolen Nach der erfolgreichen Synthese der Alk-ω-in-1-ole 153 und 154 wurden diese in einer nächsten Reaktion zu den Dimeren, den Alkadiin-1,ω-diolen, gekuppelt. Hierbei handelte es sich um eine kupfervermittelte, oxidative Dimerisierung von terminalen Alkinen zu den entsprechenden Bisacetylenen, welche in der Literatur unter der Bezeichung GLASER-Kupplung Eingang gefunden hat. Grundlage dieser Alkinkupplung war die Beobachtung von GLASER, dass Kupfer(I)phenylacetylid oxidativ zu Diphenyldiacetylen dimerisierte. Eine Weiterentwicklung dieser Reaktion wurde von EGLINTON151 unternommen. Dieser umging die Isolierung der hochexplosiven Kupferverbindungen durch im Überschuss zugesetztes Kupfer(II)acetat in Pyridin (EGLINTON-Reaktion). In neueren Arbeiten von MENGER35 wurde auf die Verwendung katalytischer Mengen an Kupfer(I)salzen in Verbindung mit geeigneten Basen wie TMEDA und zeitgleicher Sauerstoffbegasung zurückgegriffen. Der Vorteil dieser Methode lag in der besseren Löslichkeit der TMEDA-komplexierten Zwischenprodukte. Alle hier aufgezeigten Kupplungsreaktionen laufen dabei nach einem ähnlichen Mechanismus ab: Nach der Deprotonierung des terminalen Alkins durch die vorhandene Base wird das Acetylidanion durch Reaktion mit dem Kupfersalz in das Kupferacetylid überführt. Dieses Kupferacetylid reagiert im Anschluss mit Kupfer(II)acetat (EGLINTON) oder Sauerstoff (GLASER) zum Acetylenradikal, welches abschließend zum Bisacetylen dimerisiert.151 Bei der Übertragung der oxidativen Acetylenkupplung auf die Alk-ω-in-1-ole 153 und 154 wurde zunächst auf die von MENGER35 beschriebene Vorschrift zurückgegriffen. Hierzu wurde die entsprechende Menge an Kupfer(I)chlorid und TMEDA in Xylol gelöst und auf 140 °C erhitzt. Neben dem langsamen Zutropfen des in Xylol gelösten Alk-ω-in-1-ols wurde zeitgleich Sauerstoff über ein Gaseinleitungsrohr durch die Reaktionsmischung geblasen. Die DC-Untersuchungen in Chloroform/Diethylether (1/1, V/V) zeigten bereits nach kurzer Zeit eine Vielzahl von Produkten, was den Schluss der Zersetzung oder der Polymerisation der Edukte zuließ und zum Abbruch der Reaktion führte. In einem weiteren Versuch fand die EGLINTON-Kupplung151 Anwendung. Hierzu wurde ein Überschuss an Kupfer(II)acetat in abs. Pyridin vorgelegt und mit dem in Methanol/Diethylether (3/2, V/V) gelösten Alk-ω-in-1-ol 153 bzw. 154 versetzt. Das türkisblaue Reaktionsgemisch wurde sodann auf 70 °C erhitzt und der Verlauf der Reaktion mittels DC (Chloroform/Diethylether, 1/1, V/V) überwacht. Dabei wurde im Vergleich zur Kupplung nach MENGER ein deutlich geringeres Spektrum an Nebenprodukten gefunden, was den Vorteil dieser EGLINTON-Kupplung unterstich. Nach einer Reaktionszeit von 24 Stunden waren keine weiteren Veränderungen in der DC erkennbar, so dass die Umsetzungen durch Gießen des Ansatzes auf Eiswasser abgebrochen wurde. Nach erfolgreicher Extraktion mit Chloroform/Diethylether (1/1, V/V) und Aufreinigung der gewonnenen Rohprodukte mittels MPLC, konnten die Alkadiin-1,ω-diole Triaconta-14,16-diin- 1,30-diol 155 und Dotriaconta-15,17-diin-1,32-diol 156 isoliert werden. 56 Synthetisch-präparative Arbeiten 2.5.3.4 Phosphorylierung und Quarternierung der Alkadiin-1,ω-diole Für die abschließende Überführung der Alkadiin-1,ω-diole 155 und 156 in die entsprechenden Bolaamphiphile wurde auf die bekannte Prozedur der Phosphorylierung und Quarternierung (siehe Kap. 2.3) zurückgegriffen. Es musste jedoch, in Ergänzung zu diesen Vorschriften, darauf geachtet werden, dass während der gesamten Reaktionsdauer unter Ausschluss von Licht gearbeitet wurde, um eine unbeabsichtigte Polymerisation der Diacetylene zu vermeiden. Über den hier beschriebenen Syntheseweg konnten die diacetylenmodifizierten Bis(phosphocholine) Triaconta-14,16-diin-1,30-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] 157 (PCC30diAc-PC) und Dotriaconta-15,17-diin-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] 158 (PC-C32diAc-PC) sowie das Dotriaconta-15,17-diin-1,32-diyl-bis[2-(dimethylammonio)- ethylphosphat] 159 (Me2PE-C32diAc-Me2PE) synthetisiert werden (siehe Abb. 32). 57 3 PHYSIKO-CHEMISCHE CHARAKTERISIERUNGEN 3.1 AGGREGATIONSVERHALTEN AMPHIPHILER MOLEKÜLE Amphiphile Moleküle besitzen aufgrund ihres Molekülaufbaus die Tendenz, in wässriger Suspension Überstrukturen auszubilden. Als treibende Kraft dieser Selbstaggregation wird der von den langen Alkylketten ausgehende, hydrophobe Effekt152 verantwortlich gemacht: Da die Kohlenwasserstoffketten keine Wechselwirkung mit dem sie umgebenden Wasser eingehen können, sind die angrenzenden Wassermoleküle in ihrer Bewegung eingeschränkt und somit höher geordnet. Durch Zusammenlagerung der unpolaren Molekülteile der Amphiphile wird die Oberfläche der zum Wasser zugewandten Molekülteile verkleinert und die Anzahl der geordneten Wassermoleküle verringert, wodurch schließlich die Entropie des Systems steigt. Die Art der ausgebildeten Aggregate ist in erster Linie vom Aufbau der Amphiphile abhängig. So besteht für monopolare, amphiphile Moleküle die Möglichkeit, über einen kritischen Packungsparameter (P) oder Formfaktor, der sich aus dem Flächenbedarfswert der Kopfgruppen (A), der Länge der Alkylkette (lC) sowie deren Volumenbedarf (V) berechnen lässt, die zu erwartende Art der Aggregatstruktur abzuschätzen: Die gebildeten Strukturen reichen in Abhängigkeit von P von einfachen Kugel- und Stäbchenmizellen, über Vesikel und planaren Lipiddoppelschichten bis hin zu invertierten Mizellen (siehe Abb. 33).153,154 Weiterhin wird die Form der auftretenden Aggregate neben dem Aufbau der Moleküle von der Konzentration des Amphiphils, der Temperatur sowie der Ionenstärke und des pH-Werts der Lösung bestimmt. Das von ZIETHE47 erstmals in größerem Maßstab synthetisierte PC-C32-PC 6 zeigt als bipolares Amphiphil ein neuartiges, bis dahin noch nicht beobachtetes Aggregationsverhalten. Dieses, aus einer langen Alkylkette und zwei polaren Kopfgruppen bestehende Amphiphil Kritischer Packungsparameter Zylindrische Micellen Kritische Packungsform Gebildete Struktur Kegel A l V c Sphärische Micellen < 1/3 Kegelstumpf 1/3 – 1/2 1/2 - 1 Kegelstumpf Flexible Doppelschichten, Vesikel ~ 1 Zylinder Planare Doppelschichten > 1 Invertierter Kegelstumpf oder Keil Invertierte Micellen Abb. 33: Typische Aggregatstrukturen monopolarer, amphiphiler Moleküle nach ISRAELACHVILI. 153 (1) C A l V P ⋅ = 58 Physiko-chemische Charakterisierungen lagert sich, wie KÖHLER belegen konnte, in wässriger Suspension aufgrund der VAN-DERWAALS-Wechselwirkung der langen Alkylketten und dem daraus resultierenden hydrophoben Effekt zu Fasern zusammen,46 deren Durchmesser mit 5 nm in etwa der Moleküllänge der Bolaamphiphile entspricht. Diese Nanofasern ermöglichen selbst in hoher Verdünnung (c < 5 mg/ml) die Ausbildung eines sehr viskosen, transparenten Hydrogels (siehe Abb. 34). Bedingt durch den hohen Platzbedarf der beiden Phosphocholin-Kopfgruppen im Vergleich zu dem Querschnitt der Alkylkette wurde eine leicht verdrillte Anordnung der Lipidmoleküle innerhalb der Faser postuliert.48 Die daraus resultierende helikale Überstruktur der Nanofasern konnte jedoch in elektronenmikroskopischen Aufnahmen bisher nur andeutungsweise gezeigt werden. Ferner wurde festgestellt, dass sich das ausgebildete Hydrogel oberhalb einer bestimmten Temperatur verflüssigt. Dieser Gel-Sol-Übergang konnte durch Differential Scanning Calorimetry (DSC) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IRSpektroskopie) verfolgt und mit einer endothermen Umwandlung sowie einer Zunahme der Beweglichkeit innerhalb der Alkylkette in Verbindung gebracht werden. Weiterhin konnte mit dem Verlust der Geleigenschaften ein Zerfall der Nanofasern in kleinere Aggregate beobachtet werden. Aufbauend auf diesen Untersuchungen sollten die in der vorliegenden Dissertationsschrift synthetisierten bipolaren Amphiphile einer ausführlichen physiko-chemischen Charakterisierung unterzogen werden. Hierfür kam insbesonders die Methode der DSC, die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sowie die Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) zum Einsatz. Im Mittelpunkt standen Untersuchungen im wässrigen Volumensystem, wodurch neue Erkenntnisse zum kettenlängenabhängigen Aggregationsverhalten der Bolaamphiphile in Reinsubstanz (siehe Kap. 3.2) sowie in Mischungen mit anderen Bolaamphiphilen und konventionellen Lipiden (siehe Kap. 3.3) erhalten werden sollten. Ferner sollte der Einfluss der Kopfgruppe (siehe Kap. 3.2.4) sowie der Alkylkettenmodifizierungen (siehe Kap. 3.2.5) auf die Ausbildung der Nanofasern und deren Stabilität näher untersucht werden. Abschließend sollten Versuche zur Polymerisation der Diacetylen-modifizierten Bolaamphiphile (siehe Kap. 3.4) sowie zur Fixierung von Gold-Nanopartikeln (siehe Kap. 3.5) unternommen werden. Für die darüber hinaus durchgeführten Untersuchungen zum Verhalten der Bolaamphiphile an der Luft-Wasser-Grenzfläche, auf die in der vorliegenden Dissertation nicht eingegangen werden soll, sei auf die Arbeiten von KÖHLER155 und MEISTER156 verwiesen. Abb. 34: Hydrogel einer wässrigen Lö- sung von PC-C32- PC 6 (1 mg/ml).46 Charakterisierung der Bis(phosphocholine) 59 3.2 UNTERSUCHUNGEN ZUM AGGREGATIONSVERHALTEN VON BOLAAMPHIPHILEN IN WÄSSRIGER VOLUMENPHASE Für die nachfolgenden Untersuchungen der Bolaamphiphile in Reinsubstanz wurden diese in der entsprechenden Konzentration in deionisiertem Wasser bzw. in Pufferlösungen mit einem pH-Wert von 5 resp. 10 durch Erhitzen auf 80 °C sowie durch Vortexen suspendiert. Für die SANS-Experimente wurde hierfür deuteriertes Wasser verwendet. 3.2.1 CHARAKTERISIERUNG DER BIS(PHOSPHOCHOLINE) DSC-Messungen Die DSC-Untersuchungen der Bolaamphiphile PC-C32-PC 6 bis PC-C22-PC 69 erfolgten in wässrigen Suspensionen einer Konzentration von 1 mg/ml. Die erhaltenen Thermogramme zeigen zwei endotherme Umwandlungen zwischen 2 und 95 °C (siehe Abb. 35a), wobei die erste Umwandlung (Tm1) ein scharfes Signal ergibt und die größte Umwandlungsenthalpie aufweist. Die zweite Umwandlung (Tm2) bei höheren Temperaturen ist dagegen deutlich weniger kooperativ. Sie erstreckt sich über einen sehr breiten Temperaturbereich von 10 bis 20 K.157 In den in Abbildung 35a gezeigten DSC-Kurven ist zu erkennen, dass die Umwandlungstemperaturen im Mittel um 5 K pro zusätzlicher CH2-Gruppe ansteigen und dass die Basisbreite der Tm1-Peaks mit zunehmender Länge der Alkylkette abnimmt. Dieses Verhalten ist ebenfalls, wenn auch in untergeordnetem Maße, bei dem zweiten Übergang (Tm2) zu beobachten und lässt auf eine zunehmende Kooperativität der Umwandlung schließen. Durch Untersuchung der längerkettigen Bis(phosphocholine) PC-C34-PC 79 und PC-C36-PC 80 kann dieser Trend bestätigt werden: Wie in Abbildung 35b zu sehen ist, nimmt insbesonders die 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 PC-C32-PC PC-C30-PC PC-C28-PC PC-C26-PC PC-C24-PC PC-C22-PC Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] a) 0 10 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 PC-C32-PC PC-C34-PC PC-C36-PC Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] b) Abb. 35: DSC-Kurven der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml) bei einer Heizrate von 20 K/h: a) PC-C32-PC 6 bis PC-C22-PC 69. b) PC-C34-PC 79 und PC-C36-PC 80 im Vergleich zu PC-C32-PC 6. 60 Physiko-chemische Charakterisierungen Basisbreite des Tm2-Peaks mit zunehmender Kettenlänge ab. Für das PC-C36-PC 80 sind somit drei, deutlich voneinander getrennte Umwandlungen zu erkennen. Ferner zeigt sich, dass der Peak der ersten Umwandlung (Tm1) in zwei Peaks (Tm1 und Tm1’) aufgespalten wird. Die Teilung dieses DSC-Peaks ist andeutungsweise schon im PC-C32-PC 6 durch die Ausbildung einer Schulter zu erkennen. Als ein weiterer Aspekt sollte ein möglicher even-odd-Effekt der Alkylkettenlänge auf das Aggregationsverhalten der Bolaamphiphile untersucht werden. Hierzu wurden neben den geradzahligen Bis(phosphocholinen) auch die ungeradzahligen Analoga PC-C31-PC 70, PCC29-PC 71 und PC-C27-PC 72 analysiert. In der Literatur ist die Beschreibung eines even-odd-Effekts auf Bolaamphiphile mit einer Alkylkettenlänge von 6 bis 18 Kohlenstoffatomen in Verbindung mit Glucosamid- bzw. Peptidkopfgruppen, welche zu Wasserstoffbrückenbindungen befähigt sind, beschränkt.42,158-160 So schildert SHIMIZU die Ausbildung von dünnen, helikalen Fasern für geradzahlige bzw. Plättchen oder amorphen Feststoffen für ungeradzahlige Bolalipide.158 Die Ursache der verschiedenen Aggregatformen wird dabei auf eine unterschiedliche Anordnung der beiden Glucosamid-Kopfgruppen in Bezug zur Zickzack-Ebene der in all-trans Konformation vorliegenden Alkylkette zurückgeführt. Eine Übertragung dieses Effekts auf die ungeradzahligen Bis(phosphocholine) würde somit, unter der Annahme, dass die CholinKopfgruppen in ihrer Bewegung eingeschränkt sind, zu verschiedenen Aggregatformen führen. Diese Diversität zwischen geradzahligen und ungeradzahligen Bis(phosphocholinen) sollte sich in den DSC-Kurven widerspiegeln. Wie jedoch in Abbildung 36 ersichtlich, steigen die Umwandlungstemperaturen Tm1 und Tm2 mit zunehmender Kettenlänge kontinuierlich an, so dass entweder die Orientierung der Cholin-Kopfgruppen keinen Einfluss auf die Packung der Bolaamphiphile besitzt und/oder sich die Orientierung der Kopfgruppen von geradzahligen und ungeradzahligen Bis(phosphocholinen) gleicht. Wie in 31P-NMR-Untersuchungen gezeigt werden konnte, besitzen die Kopfgruppen innerhalb der Faser eine sehr große Beweglichkeit, welche auf eine Rotation um Einfachbindungen zurückzuführen ist.161 Aufgrund dieser hohen Beweglichkeit der Kopfgruppen ist der Einfluss von möglichen unterschiedlichen Orientierungen dieser Kopfgruppen in geradzahligen und ungeradzahligen Bis(phosphocholinen) unterdrückt. Ein even-oddEffekt wird somit nicht beobachtet. 0 10 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 PC-C30-PC PC-C28-PC PC-C31-PC PC-C29-PC PC-C27-PC Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] Abb. 36: DSC-Kurven der ungeradzahligen Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml, 20 K/h). Charakterisierung der Bis(phosphocholine) 61 Elektronenmikroskopische Untersuchungen Um einen genaueren Einblick in das temperaturabhängige Aggregationsverhalten der Bis(phosphocholine) zu erhalten, wurden elektronenmikroskopische Aufnahmen erstellt. Dabei kam das Verfahren der cryo-TransmissionElektronenmikroskopie (cryo-TEM) zum Einsatz, welches durch Abschrecken (Quenching) der unter kontrollierten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen hergestellten Proben die Untersuchung bei verschiedenen Temperaturen zulässt. Die Wahl der Quenching-Temperaturen richtet sich dabei nach den aus DSC-Messungen erhaltenen Umwandlungstemperaturen der einzelnen Bolalipide (siehe Abb. 35). Für die Bis(phosphocholine) PC-C34-PC 79 bis PC-C26- PC 67 wird bei einer Temperatur unterhalb von Tm1 die Ausbildung von langen und flexiblen Nanofasern beobachtet. Der Durchmesser entspricht dabei annähernd der Länge der Bolalipidmoleküle. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist das in Abbildung 37a gezeigte dichte Netzwerk, welches aus nahezu rechtwinklig zueinander angeordneten Fasern des PC-C34-PC 79 gebildet wird. Für das PC-C26-PC 67 werden neben langen, flexiblen Fasern (siehe Abb. 37b) zugleich kürzere, steife Stäbchen mit größerem Durchmesser (siehe Abb. 37c) beobachtet. Für die kurzkettigen Analoga PC-C24-PC 68 und PC-C22- PC 69 konnten aufgrund der apparativen Voraussetzungen keine cryo-TEM-Aufnahmen unterhalb von Tm1 (T < 15 °C) angefertigt werden. Die Untersuchung des PC-C34-PC 79 zwischen Tm1 und Tm1’ gestaltete sich aufgrund der geringen Temperaturdifferenz der beiden Umwandlungen ebenfalls schwierig. Für Temperaturen oberhalb von Tm1 konnten für die langkettigen Bolaamphiphile der Zerfall der Nanofasern in kleine, kugelförmige Mizellen beobachtet werden (siehe Abb. 37d). Die Auflösung der Fasern geht mit einer Erhöhung des Anteils an gauche-Konformeren innerhalb der Alkylkette einher, was durch FT-IR-Messungen belegt werden konnte.157 Die Aggregate des PC-C26-PC 67 Abb. 37: Cryo-TEM-Aufnahmen der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml) präpariert bei verschiedenen Quenching-Temperaturen: a) quervernetzte Fasern; b) lange, flexible Fasern; c) steife Stäbchen; d) kugelförmige Mizellen. a) PC-C34-PC 79, 20 °C b) PC-C26-PC 67, 20 °C c) PC-C26-PC 67, 20 °C d) PC-C28-PC 66, 45 °C 62 Physiko-chemische Charakterisierungen (siehe Abb. 37b, c) zerfallen indes in größere, scheibchenförmige Gebilde mit einem Durchmesser von bis zu 150 nm. Für das kurzkettige PC-C24-PC 68 werden für Temperaturen oberhalb von Tm1 steife, kurze Stäbchen größeren Durchmessers und für Temperaturen oberhalb von Tm2 kleine, kugelförmige Aggregate erhalten. SANS-Untersuchungen Um genauere Aussagen bezüglich der Form und Größe der gebildeten Aggregate treffen zu können, wurden Untersuchungen zur Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS, small angle neutron scattering) am SANS-1-Instrument des Forschungsreaktors (FRG-1) im GKSS Forschungszentrum in Geesthacht durchgeführt. SANS stellt eine sehr leistungsfähige Methode zum Nachweis von dreidimensionalen chemischen Heterogenitäten und Dichtefluktuationen mit Abmessungen zwischen 1 nm und 1 µm dar. Das Spektrum reicht dabei von einer Defektanalyse in keramischen und metallischen Werkstoffen, über die Untersuchung der Kinetik diffusionskontrollierter Phasenseparation, das Studium komplexer Flüssigkeiten wie Mikroemulsionen, Kolloiden und flüssigen Kristallen, bis hin zur Untersuchung der Struktur und Morphologie polymerer Systeme und Strukturaufklärung biologischer Makromoleküle. Während der SANS-Untersuchungen trifft ein Neutronenstrahl der Wellenlänge λ und der Intensität I0 auf die Probe und tritt mit den Atomkernen der in der Probe vorhandenen Moleküle, im vorliegenden Fall Bolaamphiphile und Lösungsmittelmoleküle, in Wechselwirkung. Dabei kommt es zur Aussendung von Sekundär- oder Streustrahlung, deren Intensitätsverteilung winkelabhängig (2Θ entspricht dem Streuwinkel) registriert wird. Abbildung 38 zeigt den schematischen Aufbau des SANS-1-Instruments am FRG-1: Über einen gekrümmten Neutronenleiter erhält die Anlage langsame Neutronen der Kalten Quelle (U3Si2) des Reaktors. Der Neutronenstrahl, welcher nach dem Austritt aus dem Neutronenleiter einen Fluss von mehr als 2 × 108 cm-2s -1 aufweist, wird anschließend über einen Geschwindigkeitsselektor (Monochromator) auf eine definierte Wellenlänge (λ = 0.81 nm) eingestellt. Bedingt durch den schraubenförmigen Aufbau und die schnelle Rotation des Neutronenleiter Geschwindigkeitsselektor (Monochromator) Kollimator Probe zweidimensionaler, ortsempfindlicher Flächendetektor Beam-Stopper 0.7 bis 9.7 m 2Θ Neutronenleiter Geschwindigkeitsselektor (Monochromator) Kollimator Probe zweidimensionaler, ortsempfindlicher Flächendetektor Beam-Stopper 0.7 bis 9.7 m 2Θ Abb. 38: Schematischer Aufbau des SANS-1-Instruments. Charakterisierung der Bis(phosphocholine) 63 Selektors wird nur Neutronen mit der passenden Geschwindigkeit (Wellenlänge) der berührungsfreie Durchtritt gestattet. In der nachfolgenden Kollimatoranlage werden Neutronen, deren Flugrichtung zu stark von der gewünschten Richtung abweicht, durch Blenden zurückgehalten, so dass am Probenort die Neutronen eine wohldefinierte Geschwindigkeit, Richtung und im Bedarfsfall eine bestimmte Polarisation aufweisen. Nachdem der Neutronenstrahl durch die Probe gestreut wird, registriert ein zweidimensionaler, ortsempfindlicher 3 HeFlächendetektor das Eintreffen der Neutronen. Dabei kann der Abstand zwischen Probe und Detektor in Grenzen zwischen 0.7 und 9.7 m variiert werden, um die vollständige Spannweite des Streuvektors q (0.005 bis 0.25 Å-1) zu erfassen. Der Streuvektor q ist definiert durch die Differenz zwischen dem Wellenvektor der einfallenden elektromagnetischen Strahlung und dem Wellenvektor der gestreuten Strahlung. Für den Fall einer elastischen (verlustfreien) Streuung – unter der Annahme, dass die Beträge beider Wellenvektoren gleich sind – ergibt sich für den Betrag des Streuvektors: Abbildung 39 zeigt beispielhaft die erhaltenen SANS-Kurven für eine Suspension des PCC32-PC 6: Dargestellt ist die Streuintensität dΣ(q) / dΩ/c in Abhängigkeit des Streuvektors q. Aus dem Anstieg der Streuintensität bei kleinen q-Werten kann die Form der gebildeten Aggregate abgeschätzt werden: So deutet ein Anstieg auf die Ausbildung langer, stäbchenförmiger Aggregate hin, während ein Plateau für kleine, kugelförmige Gebilde bezeichnend ist. Mischungen aus beiden Spezies zeichnen sich durch einen erneuten Anstieg im Bereich sehr kleiner q-Werte (q < 0.01 Å-1) aus. Für die Suspension des PC-C32-PC 6 zeigen sich demnach längliche, faserförmige Aggregate bei 45 °C sowie kleine, kugelförmige Mizellen bei 60 °C.161 Die Ergebnisse der SANS-Untersuchung der Bis(phosphocholine) PC-C34-PC 79, PC-C32- PC 6, PC-C26-PC 67 sowie PC-C24-PC 68 sind in Abbildung 40 dargestellt. Leicht erkennbar ist die Ausbildung von langen, faserförmigen Aggregaten für alle vier Spezies bei Temperaturen unterhalb von Tm1 sowie die Bildung kugelförmiger Mizellen für PC-C32-PC 6 und PCC26-PC 67 bzw. Mischungen von Mizellen und kurzen Faserstücken für PC-C24-PC 68 oberhalb von Tm1. Für das langkettige PC-C34-PC 79 können indes keine eindeutigen Aussagen über die gebildeten Aggregatstrukturen im Phasengebiet zwischen Tm1 und Tm1’ getroffen werden. Oberhalb von Tm1’ deutet die Streukurve auf eine Mischung aus Mizellen und kurzen Faserstücken hin (siehe Abb. 40a). Ferner zeigt sich in den SANS-Kurven der kürzerkettigen 10-2 10-1 100 101 102 103 104 PC-C32-PC 45 °C 60 °C (dΣ(q) / d Ω) / c [cm²/g] q [Å-1] Abb. 39: Darstellung der Streuintensität in Abhängigkeit des Streuvektors q für PC-C32-PC 6 (c = 1 mg/ml). (2) 4 sin λ π Θ q = 64 Physiko-chemische Charakterisierungen Bis(phosphocholine) PC-C26-PC 67 und PC-C24-PC 68 (siehe Abb. 40c, d), dass mit der Umwandlung Tm2 eine Veränderung der vorhandenen Mizellen einhergeht. Um detailliertere Aussagen über die Größe und Form der gebildeten Aggregate zu treffen, erfolgte eine genauere Analyse der SANS-Daten über indirekte FOURIER-Transformation (IFT) nach den Methoden von GLATTER162 und PEDERSEN. 163,164 Über die Abschätzung der Parameter („Fitting“) der dabei zugrunde gelegten Funktionen können, unter der Vorgabe der möglichen Aggregatstruktur (kugel-, stäbchen- oder scheibenförmig) und des maximalen Durchmessers Dmax, die Streuintensitäten dΣ(q) / dΩ/c mit den Streuvektoren q in Korrelation gebracht und der Gyrationsradius Rg und die Masse M der Mizellen bzw. RCS,g sowie die Masse pro Längeneinheit ML der Fasern bestimmt werden. Unter Einbeziehung des Molekülvolumens VM und der Streulänge bt der jeweiligen Bolaamphiphile können daraus weitere Größen, wie der Durchmesser D der Mizellen bzw. der Fasern oder die Aggregationszahl Nagg, welche als die Anzahl der Moleküle pro Mizelle bzw. pro Längenabschnitt (1 Å) der Faser definiert ist, berechnet werden (exemplarischer Rechenweg siehe Anhang). Ferner kann die Geometrie der Mizellen bzw. Fasern bestimmt werden: Angaben über die Halbachsen a, a und εa der Rotationsellipsoide bzw. a und b des Querschnitts der Fasern sowie die KUHN-Länge, welche ein Maß für die Steifigkeit der Fasern darstellt, können auf diesem Weg gewonnen werden. In Tabelle 6 sind die erhaltenen Daten zusammengefasst: 10-2 10-1 100 101 102 103 104 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] a) PC-C34-PC 25 °C 65 °C IFT-Fit (dΣ(q) / d Ω) / c [cm²/g] q [Å-1] 10-2 10-1 100 101 102 103 104 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] b) PC-C32-PC 25 °C 45 °C 60 °C IFT-Fit (dΣ(q) / d Ω) / c [cm²/g] q [Å-1] 10-2 10-1 100 101 102 103 104 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] c) PC-C26-PC 20 °C 35 °C 70 °C IFT-Fit (dΣ(q) / d Ω) / c [cm²/g] q [Å-1] 10-2 10-1 100 101 102 103 104 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] d) PC-C24-PC 10 °C 20 °C 55 °C IFT-Fit (dΣ(q) / d Ω) / c [cm²/g] q [Å-1] Abb. 40: SANS-Kurven und IFT-Fits der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml) bei verschiedenen, in den DSCKurven markierten Temperaturen. Charakterisierung der Bis(phosphocholine) 65 Aus den erhaltenen Daten der SANS-Messungen und den zuvor beschriebenen Untersuchungen kann folgendes, in Abbildung 41 gezeigtes, kettenlängenabhängiges Phasendiagramm der Bis(phosphocholine) PC-Cn-PC erstellt werden: Bei niedrigen Temperaturen (T < Tm1) aggregieren die PC-Cn-PC in Abhängigkeit der Kettenlänge zu Mischungen aus stäbchen- und faserförmigen Aggregaten (für n = 22–26) bzw. langen, faserförmigen (für n = 28–36) Strukturen (Fasern). Ab einer Kettenlänge von 32 und mehr Kohlenstoffatomen sind diese Fasern zu einem dichten Netzwerk verknüpft. Der Durchmesser der Aggregate entspricht dabei in etwa der Länge eines Bolalipidmoleküls, wobei der Querschnitt der Fasern von kreisförmig (a = b) bis elliptisch (a ≠ b) variiert. Bei T = Tm1 zerfallen die Aggregate des PC-Cn-PC, bedingt durch eine Zunahme der Beweglichkeit innerhalb der Alkylketten157, zu kleineren Strukturen (Mizellen I), wie kurze Tab. 6: Ergebnisse der SANS-Untersuchungen der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml). Bolalipid T [°C] Aggregatform a Dmax [Å] Rg bzw. RCS,g [Å] M [g] ML [g/cm] Nagg [1/Å] D [Å] KUHN- b Länge [Å] a [Å]b b [Å]b 25 Fasern 60 19.2 ± 0.10 1.43 × 10-13 1.0 54.3 400 ± 50 22 ± 2 32 ± 2 PC-C34-PC 65 Mizellen (+ Fasern) 75 26.5 ± 0.20 9.08 × 10-20 64.8 68.4 027 ± 1 27 ± 1 51 ± 1 25 Fasern 45 15.1 ± 0.20 1.47 × 10-13 1.1 42.7 900 ± 100 20 ± 1 20 ± 1 45 Fasern 50 16.5 ± 0.10 1.62 × 10-13 PC-C32-PC 1.2 46.7 900 ± 100 21 ± 1 25 ± 1 161 60 Mizellen 75 24.6 ± 0.20 1.04 × 10-19 77.1 63.5 024 ± 1 24 ± 1 44 ± 2 20 steife Fasern 40 13.5 ± 0.06 9.26 × 10-14 0.8 38.2 400 ± 50 17 ± 1 20 ± 1 35 Mizellen 55 19.0 ± 0.20 5.30 × 10-20 PC-C26-PC 44.1 49.1 020 ± 1 20 ± 1 32 ± 2 70 Mizellen 45 16.7 ± 0.20 3.37 × 10-20 28.0 43.1 019 ± 1 19 ± 1 26 ± 1 10 Fasern 50 14.7 ± 0.20 8.49 × 10-14 0.8 41.5 400 ± 50 17 ± 1 23 ± 1 20 Mizellen (+ Fasern) 60 18.9 ± 0.24 3.90 × 10-20 34.1 48.7 020 ± 1 20 ± 1 30 ± 2 PC-C24-PC 55 Mizellen (+ Fasern) 50 16.9 ± 0.10 2.84 × 10-20 24.8 43.6 019 ± 1 19 ± 1 26 ± 2 a Beim Vorliegen von Mischungen (Mizellen + Fasern) wurden nur große q-Werte (q > 0.04 Å) gefittet. b Im Falle von Mizellen erfolgt die Angabe der Halbachsen a, a und εa. Fasern Mizellen II Mizellen I 22 24 26 28 30 32 34 36 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Umwandlungstemperatur [°C] Kohlenstoffkettenlänge Tm1 Tm1' Tm2 Fasern Mizellen II Mizellen I 22 24 26 28 30 32 34 36 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Umwandlungstemperatur [°C] Kohlenstoffkettenlänge Tm1 Tm1' Tm2 Abb. 41: Phasendiagramm der Bis(phosphocholine). 66 Physiko-chemische Charakterisierungen Stäbchen, Mizellen und scheibenförmige Gebilde in Verbindung mit größeren Aggregaten (für n = 22–26) sowie annähernd kugelförmigen Mizellen (für n = 28–32). Die Fasern der langkettigen Bis(phosphocholine) mit einer Kettenlänge von 34 und 36 Kohlenstoffatomen zerfallen indes in Aggregate mit noch ungeklärter Struktur. Erst nach der zweiten Umwandlung (Tm1’) bilden sich auch hier kugelförmige Mizellen (Mizellen I). Die entstandenen Mizellen können sehr gut mit dem Modell der länglichen Rotationsellipsoiden beschrieben werden: Die ermittelten Halbachsen a und εa nehmen dabei mit abnehmender Kettenlänge der Bolaamphiphile ebenfalls ab (siehe Tab. 6). Mit der Umwandlung bei Tm2 geht eine strukturelle Veränderung innerhalb der Mizellen einher. Neben einem abermals erhöhten Anteil an gauche-Konformeren innerhalb der Alkylkette sind die neu gebildeten Mizellen (Mizellen II) kleiner und bestehen zudem im Vergleich zu ihren Vorgängermizellen aus weniger Bolalipidmolekülen (Nagg nimmt ab, siehe Tab. 6). Wie aus früheren Arbeiten48 bekannt, ist die erste Umwandlung (Tm1) neben dem Zerfall der Nanofasern mit dem Verlust der Geleigenschaften verbunden. In Übertragung auf die Bis- (phosphocholine) PC-Cn-PC (n = 22–36) besteht nunmehr die Möglichkeit, durch die Wahl der Kettenlänge des Bolaamphiphils die Gel-Sol-Übergangstemperatur in einem Bereich zwischen 6 °C (für n = 22) und 55 °C (für n = 36) in Schritten von ca. 10 K einzustellen. 3.2.2 CHARAKTERISIERUNG DER BIS(PHOSPHODIMETHYLETHANOLAMINE) Die homologe Reihe der Bis(phosphodimethylethanolamine) Me2PE-C32-Me2PE 82 bis Me2PE-C22-Me2PE 87 wurde in Analogie zu den Bis(phosphocholinen) untersucht. Da diese Verbindungen aufgrund ihrer Molekülstruktur in der Lage sind, je nach pH-Wert der umgebenden Lösung unterschiedlich geladene Kopfgruppen auszubilden, wurden die Me2PE-CnMe2PE zum einen in einem Essigsäure/Acetat-Puffer (pH = 5) und zum anderen in einem Carbonat/Hydrogencarbonat-Puffer (pH = 10) untersucht. Bei pH 5 liegen die Kopfgruppen in zwitterionischer, den Bis(phosphocholinen) vergleichbarer Form vor, während im alkalischen Milieu der Stickstoff deprotoniert und die Kopfgruppen negativ geladen sind. Dieser Unterschied tritt besonders deutlich im Gelbildungsverhalten zu Tage: Während in schwach saurer Umgebung das Me2PE-C32-Me2PE 82 in der Lage ist, über die Ausbildung langer, flexibler Nanofasern ein stabiles Hydrogel zu bilden, kann bei einem pH-Wert von 10 kein Gelieren der wässrigen Phase beobachtet werden.100 Untersuchungen bei pH 5 Abbildung 42a zeigt die DSC-Kurven der Bis(phosphodimethylethanolamine) in wässriger Pufferlösung bei pH 5. Für die kurzkettigen Bolalipide Me2PE-C22-Me2PE 87 bis Me2PEC26-Me2PE 85 werden zwei endotherme Umwandlungen detektiert: Eine Umwandlung bei niedrigen Temperaturen (Tm1) ist mit dem Zerfall der gebildeten Nanofasern verbunden und Charakterisierung der Bis(phosphodimethylethanolamine) 67 eine weitere Umwandlung (Tm2) entsteht infolge einer Zunahme der Beweglichkeit innerhalb der gebildeten Mizellen. Die Änderung der Aggregatstruktur kann mittels SANS-Messungen (siehe Abb. 42b und Tab. 7) bestätigt werden, welche für Me2PE-C24-Me2PE 86 bei 20 °C (T < Tm1) die Bildung stäbchenförmiger Aggregate und bei 35 °C (T > Tm1) die Ausbildung nahezu kugelförmiger Mizellen sowie einiger größerer Strukturen belegt. Cryo-TEM-Aufnahmen, welche lange, relativ steife Fasern unterhalb von Tm1 und kugelförmige Mizellen oberhalb von Tm1 zeigen, untermauern diese Ergebnisse. Für die Bis(phosphodimethylethanolamine) mit einer Alkylkette von mehr als 26 Kohlenstoffatomen zeigt sich ein differenzierteres Bild. Die DSC-Kurven weisen in diesen Fällen drei endotherme Umwandlungen zwischen 2 und 95 °C auf. Cryo-TEM-Aufnahmen des Me2PEC28-Me2PE 84 belegen sowohl unterhalb als auch oberhalb von Tm1 die Bildung von langen Fasern. Die Analyse der analogen SANS-Daten zeigt ebenfalls das Vorhandensein von Nanofasern (siehe Abb. 42b), jedoch können hier für beide Faserzustände leichte Unterschiede festgestellt werden (siehe Tab. 7). Für Me2PE-C32-Me2PE 82 und Me2PE-C28-Me2PE 84 ist zu erkennen, dass mit dem Phasen- übergang bei Tm1 die KUHN-Länge der Fasern von 120 auf 400 Å bzw. von 450 auf 750 Å ansteigt. Diese Zunahme der Steifigkeit ist mit einer geringen Abnahme des Durchmessers D der Fasern verknüpft. Die Ursachen dieser Faser-Faser-Umwandlung bei Tm1 sind noch nicht vollständig geklärt. FT-IR-Untersuchungen des analogen Me2PE-C32-Me2PE 82 ergaben für die CH2-Streckschwingungsbande eine Zunahme der Wellenzahlen, was auf einen erhöhten Anteil an gauche-Konformeren und somit auf eine gesteigerte Beweglichkeit der langen Alkylkette hindeutet.100 Aufgrund der Kopfgruppenstruktur besitzen die Bis(phosphodimethylethanolamine) im Gegensatz zu den analogen Bis(phosphocholinen) die Möglichkeit, die Faserstruktur über intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Lipidmolekülen zu stabilisieren. Infolgedessen zerfallen die Nanofasern bei Tm1 trotz erhöhter Fluidität der Alkylketten nicht zu kleineren Aggregaten. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 Me2 PE-C32-Me2 PE Me2 PE-C30-Me2 PE Me2 PE-C28-Me2 PE Me2 PE-C26-Me2 PE Me2 PE-C24-Me2 PE Me2 PE-C22-Me2 PE Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] a) 10-2 10-1 10-1 100 101 102 103 104 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] b) IFT-Fit Me2 PE-C28 - 20 °C Me2 PE-C28 - 45 °C Me2 PE-C24 - 20 °C Me2 PE-C24 - 35 °C (dΣ(q) / d Ω) / c [cm²/g] q [Å-1] Abb. 42: a) DSC-Kurven der Bis(phosphodimethylethanolamine) Me2PE-C32-Me2PE 82 bis Me2PE-C22- Me2PE 87 (c = 1 mg/ml, 20 K/h) in Pufferlösung (pH = 5). b) SANS-Kurven und IFT-Fits von Me2PE-C28- Me2PE 84 und Me2PE-C24-Me2PE 86 (c = 1 mg/ml) bei verschiedenen Temperaturen. 68 Physiko-chemische Charakterisierungen Die Diskrepanz zwischen erhöhter Beweglichkeit der Alkylketten einerseits und steifer werdenden Fasern andererseits könnte wie folgt erklärt werden: Bei niedrigen Temperaturen liegen die Alkylketten der Bis(phosphodimethylethanolamine) in all-trans-Konformation vor und die sich bildenden Nanofasern werden durch die hydrophoben Wechselwirkungen auf der einen Seite und durch intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen auf der anderen Seite zusammengehalten. Bedingt durch die im Vergleich zum Alkylkettenquerschnitt groß- volumigen Kopfgruppen sind die einzelnen Lipidmoleküle gegeneinander verdrillt, so dass sich innerhalb der Faser hydrophobe Bereiche ausbilden, über die die einzelnen Nanofasern miteinander vernetzt sind. Durch diese Vernetzungen könnten die SANS-Messungen verfälscht und Fasern größeren Durchmessers und geringerer Steifigkeit erhalten werden. Mit steigender Temperatur nimmt nun die Beweglichkeit innerhalb der Alkylketten zu, bis bei Tm1 ein Zerfall der Fasern einsetzt und die kürzerkettigen Me2PE-Cn-Me2PE (n = 22–26) zu Mizellen zerfallen. Für eine Kettenlänge von 28 und mehr Kohlenstoffatomen steigt die Fluidität der Alkylketten zwar ebenso, jedoch sind die hydrophoben Wechselwirkungen in Verbindung mit den Wasserstoffbrückenbindungen stark genug, die Faserstruktur zu stabilisieren. Aufgrund der gesteigerten Beweglichkeit der Fasern zerfällt jedoch die Netzwerkstruktur und es bilden sich, wie in cryo-TEM-Aufnahmen gezeigt werden kann, lange, wenig verbundene Nanofasern. SANS-Messungen können nun, bedingt durch das Fehlen der netzwerkartigen Verbindungspunkte, Fasern mit geringerem Durchmesser und höherer Steifigkeit (größere KUHN-Länge) suggerieren. Der Zusammenbruch der Fasern zu kugelförmigen Mizellen, welcher mit dem Verlust der Geleigenschaften verbunden ist, geht für langkettige Bis(phosphodimethylethanolamine) mit der zweiten Umwandlung (Tm1’) einher. Wie für das Me2PE-C32-Me2PE 82 gezeigt werden konnte,100 nehmen an diesem Punkt die Wellenzahlen der symmetrischen und antisymmetrischen CH2-Streckschwingungsbanden wiederholt zu, so dass die Fasern bedingt durch Tab. 7: Ergebnisse der SANS-Untersuchungen der Bis(phosphodimethylethanolamine) (c = 1 mg/ml; pH = 5). Bolalipid T [°C] Aggregatform a Dmax [Å] Rg bzw. RCS,g [Å] M [g] ML [g/cm] Nagg [1/Å] D [Å] KUHN- b Länge [Å] a [Å]b b [Å]b 20 Fasern 60 18.4 ± 0.20 1.39 × 10-13 1.1 52.0 120 ± 30 18 ± 1 28 ± 2 50 Fasern 50 16.3 ± 0.20 1.32 × 10-13 1.0 46.1 400 ± 50 18 ± 1 28 ± 2 Me2PE-C32- Me2PE 75 Mizellen 75 26.4 ± 0.40 1.03 × 10-19 78.8 68.2 026 ± 1 26 ± 1 50 ± 2 20 Fasern 50 15.1 ± 0.20 8.39 × 10-14 Me 0.7 42.7 450 ± 20 18 ± 2 23 ± 2 2PE-C28- Me2PE 45 Fasern 50 14.8 ± 0.20 1.09 × 10-13 0.9 41.9 750 ± 50 18 ± 2 22 ± 2 20 Fasern 50 14.5 ± 0.20 8.35 × 10-14 0.7 41.0 350 ± 20 14 ± 2 24 ± 2 Me2PE-C24- Me2PE 35 Mizellen (+ Fasern) 60 21.8 ± 0.20 2.37 × 10-20 21.2 56.3 026 ± 2 26 ± 2 30 ± 2 a Beim Vorliegen von Mischungen (Mizellen + Fasern) wurden nur große q-Werte (q > 0.04 Å) gefittet. b Im Falle von Mizellen erfolgt die Angabe der Halbachsen a, a und εa. Charakterisierung der Bis(phosphodimethylethanolamine) 69 deren erhöhte Beweglichkeit nicht mehr über Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert werden können und letztlich zu Mizellen zerfallen. Abbildung 43 fasst die gewonnenen Ergebnisse in einem kettenlängenabhängigen Phasendiagramm für die Bis(phosphodimethylethanolamine) zusammen. Generell ist zu erkennen, dass die Umwandlungstemperaturen im Vergleich zu den analogen Bis(phosphocholinen) im Mittel um 15 °C erhöht sind. Diese Steigerung ist auf den stabilisierenden Effekt der intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen. Ferner steigen die Umwandlungstemperaturen mit zunehmender Kettenlänge an, jedoch verläuft dieser Anstieg nur zu Beginn der homologen Reihe (C22 bis C26) mit ca. 5 °C je zusätzlicher CH2- Gruppe linear. Ab einer Länge von 28 Kohlenstoffatomen flacht die Kurve für Tm1 und Tm2 zunehmend ab. Das mit Fasern I benannte Phasengebiet kennzeichnet die von Me2PE-CnMe2PE gebildeten Nanofasern, deren Durchmesser der Länge eines Bolalipidmoleküls entspricht. Dieses netzwerkartige Fasergeflecht zerfällt bei Tm1 für n = 22–26 unter Verlust der Geleigenschaften in kugelförmige Mizellen (Mizellen I), bzw. für n = 28–32 unter Erhalt der Geleigenschaften in lange, lose verknüpfte Nanofasern (Fasern II). Diese über intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen stabilisierten Fasern zeichnen sich durch einen erhöhten Anteil an gauche-Konformeren innerhalb der Alkylkette aus. Die Fasern zerfallen erst mit Tm1’ zu Mizellen und verlieren dabei die Eigenschaft, ein stabiles Gel auszubilden. Die nach Tm2 entstehenden Aggregate (Mizellen II) sind durch eine nochmalige Zunahme der Beweglichkeit der Alkylketten innerhalb der Mizellen charakterisiert.161 Es ist zu vermuten, dass sich diese Mizellen in Analogie zu den Bis(phosphocholinen) durch einen kleineren Durchmesser D und eine verminderte Anzahl an Bolalipidmolekülen pro Mizelle auszeichnen. Die Aufsplittung des Tm1-Peaks in zwei Peaks (Tm1 und Tm1’) ist im Vergleich zu den Bis(phosphocholinen) schon ab einer Kettenlänge von 28 Kohlenstoffatomen zu beobachten. Der Ursache hierfür könnte in einem geänderten Verhältnis der Durchmesser von Kopfgruppe und Alkylkette begründet liegen. Untersuchungen, die unter Einbeziehung der teil-deuterierten Bolaamphipile zu detaillierteren Aussagen führen, bleiben weiterführenden Arbeiten vorbehalten. Fasern I Mizellen II Mizellen I Fasern II 22 24 26 28 30 32 20 30 40 50 60 70 80 90 Tm1 Tm1' Tm2 Umwandlungstemperatur [°C] Kohlenstoffkettenlänge Fasern I Mizellen II Mizellen I Fasern II 22 24 26 28 30 32 20 30 40 50 60 70 80 90 Tm1 Tm1' Tm2 Umwandlungstemperatur [°C] Kohlenstoffkettenlänge Abb. 43: Phasendiagramm der Bis(phosphodimethylethanolamine) bei pH = 5. 70 Physiko-chemische Charakterisierungen Untersuchungen bei pH 10 Die Bis(phosphodimethylethanolamine) wurden außerdem bei einem pH-Wert von 10 untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Kopfgruppe bedingt durch die Deprotonierung des Stickstoffatoms bei diesem pH-Wert in einem negativ geladenen Zustand vorliegt, welcher größtenteils die Ausbildung stabiler Fasern verhindert. Ein Gelieren der wässrigen Suspension und somit die Ausbildung eines stabilen Hydrogels konnte ebenfalls über den gesamten Temperaturbereich nicht beobachtet werden. Für die detaillierten Ergebnisse dieser Untersuchungen sei auf die Arbeiten von KÖHLER100 und MEISTER161 verwiesen. Mit der homologen Reihe der Bis(phosphodimethylethanolamine) Me2PE-Cn-Me2PE (n = 22–32) steht nunmehr ein System zur Verfügung, welches die Ausbildung temperaturabhängiger und auch pH-sensitiver Hydrogele erlaubt. Die Gel-Sol-Übergangstemperatur kann dabei durch die Wahl der Kettenlänge des Bolaamphiphils in einem Bereich zwischen 20 °C (n = 22) und 68 °C (n = 32) in Schritten von ca. 10 K eingestellt werden. 3.2.3 CHARAKTERISIERUNG DES BIS(PHOSPHOMONOMETHYLETHANOLAMINS) Die schrittweise Verkleinerung der Kopfgruppe der Bolaamphiphile führte in der Folge zum Bis(phosphomonomethylethanolamin) MePE-C32-MePE 88. Dieses Bolalipid, welches bei pH 5 zwitterionische und zu Wasserstoffbrücken befähigte Kopfgruppen besitzt, zeigt in DSC-Messungen nur eine endotherme Umwandlung bei sehr hohen Temperaturen von Tm1 = 80 °C (siehe Abb. 44, links). Unterhalb dieser Umwandlung zeigen cryo-TEM-Aufnahmen die Bildung von lamellaren Schichten (siehe Abb. 44, rechts). Dieses, im Vergleich zu den zuvor untersuchten Bis(phosphocholinen) und Bis(phosphodimethylethanolaminen), anders geartete Aggregationsverhalten ist auf eine kleinere Kopfgruppengröße zurückzuführen: Durch den geringeren Durchmesser der Kopfgruppe im Vergleich zu den Querschnitten der Kopfgruppen der zuvor untersuchten Bolaamphiphile ist es nunmehr möglich, 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 MePE-C32-MePE Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] Abb. 44: Links: DSC-Kurve des MePE-C32-MePE 88 (c = 1 mg/ml, 60 K/h, pH = 5). Rechts: Cryo-TEM-Aufnahme des MePE-C32-MePE 88 (c = 1 mg/ml) bei pH = 5 und 20 °C. Einfluss größerer Kopfgruppen auf das Aggregationsverhalten 71 dass sich das MePE-C32-MePE 88 in Schichtstrukturen mit parallel orientierten Molekülen arrangiert, welche über hydrophobe Wechselwirkungen und zugleich über Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert werden. Da der Kopfgruppendurchmesser des Bolaamphiphils im Vergleich zum Querschnitt der Alkylketten jedoch immernoch größer ist, ist eine stark geneigte Anordnung der Bolalipidmoleküle innerhalb der lamellaren Schichten wahrscheinlich. Untersuchungen zur Klärung dieses Sachverhalts, wie die Schichtdickenbestimmung mittels Röntgenstreuexperimenten, bleiben weiterführenden Arbeiten vorbehalten. Aufgrund der hohen Umwandlungstemperatur konnten keine Proben oberhalb von Tm1 untersucht werden. 3.2.4 EINFLUSS GRÖßERER KOPFGRUPPEN AUF DAS AGGREGATIONSVERHALTEN DER BOLAAMPHIPHILE Im Folgenden sollte der Einfluss größerer Kopfgruppen auf das Aggregationsverhalten der Bolaamphiphile näher untersucht werden. Wie in den vorangegangenen Untersuchungen bereits gezeigt wurde, ist die Ausbildung verschiedener Aggregatformen neben der Länge der Alkylkette in großem Maße von der Kopfgruppenstruktur der Bolaamphiphile abhängig. So führt eine Vergrößerung der Kopfgruppe über die Einführung einer Ethyl-, Allyl-, Propinyl- bzw. 2-(Dimethylamino)ethylgruppe unter Beibehaltung der zwitterionischen CholinStruktur zur Destabilisierung der gebildeten Nanofasern. Infolgedessen nimmt im Vergleich zum PC-C32-PC 6 die Umwandlungstemperatur Tm1 der ausschließlich über hydrophobe Wechselwirkungen stabilisierten Fasern ab (siehe Abb. 45a). Im Gegensatz dazu zeigt die Einführung einer Hydroxyethylgruppe (HEPC-C32-HEPC, 110) einen stabilisierenden Effekt auf die ausgebildeten Fasern. Bedingt durch die zusätzliche Möglichkeit der Ausbildung intermolekularer Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Kopfgruppen einzelner Bolaamphiphile steigt die Umwandlungstemperatur im Vergleich zum PC-C32-PC 6 um ca. 3.5 K.165 0 5 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 0 5 10 15 20 40 45 PC-C32-PC EPC-C32-EPC APC-C32-APC PPC-C32-PPC HEPC-C32-HEPC DMAEPC-C32-DMAEPC Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 b) Me2 PE-C32-Me2 PE Et2 PE-C32-Et2 PE Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] Abb. 45: DSC-Kurven der kopfgruppenmodifizierten Bolaamphiphile (c = 1 mg/ml, 20 K/h): a) EPC-C32-EPC 107, APC-C32-APC 108, PPC-C32-PPC 109, HEPC-C32-HEPC 110 und DMAEPC-C32-DMAEPC 113 im Vergleich zum PC-C32-PC 6. b) Et2PE-C32-Et2PE 115 im Vergleich zum Me2PE-C32-Me2PE 82 bei pH = 5. 72 Physiko-chemische Charakterisierungen In Abbildung 45b sind die DSC-Kurven der wässrigen Suspensionen von Me2PE-C32-Me2PE 82 und Et2PE-C32-Et2PE 115 bei einem pH-Wert von 5 dargestellt. Bei diesem pH-Wert liegen die Kopfgruppen beider Bolaamphiphile in zwitterionischer Form vor. Die erste Umwandlung (Tm1), welche für einen Faser-Faser-Übergang in Verbindung mit einer Zunahme der Beweglichkeit der Alkylketten steht, findet dabei bei nahezu identischen Temperaturen statt. Das bedeutet, dass diese Umwandlung und die nachfolgende Bildung der über Wasserstoffbrückenbindung stabilisierten Nanofasern weitestgehend unabhängig von der Kopfgruppenstruktur der Bis(phosphodimethylethanolamine) ist und in erster Linie von der Alkylkettenlänge beeinflusst wird. Weitaus gravierender fällt der Unterschied der zweiten Umwandlungstemperatur (Tm1’) aus: Bedingt durch die größere Kopfgruppe des Et2PE-C32-Et2PE 115 ist die Stabilisierung der Nanofasern über die Wasserstoffbrückenbindungen nicht so stark ausgeprägt und der Zerfall der Fasern in kugelförmige Mizellen findet im Vergleich zum Me2PE-C32-Me2PE 82 bei niedrigeren Temperaturen statt (∆T = 8.9 K). Die letzte Umwandlung (Tm2), welche mit einer strukturellen Änderung innerhalb der Mizellen einhergeht, ist ebenfalls zu niedrigeren Temperaturen verschoben (∆T = 3.6 K). Die Untersuchungen der kopfgruppenmodifizierten Bolaamphiphile und die Ergebnisse aus den vorherigen Kapiteln belegen, dass das temperaturabhängige Aggregationsverhalten der Bolaamphiphile im Wesentlichen von zwei, sich wechselseitig beeinflussenden Faktoren abhängig ist: Zum einen von der Länge der Alkylkette und dem Verhältnis aus Kopfgruppendurchmesser und Alkylkettenquerschnitt. Diese Faktoren bestimmen in erster Linie die Form und die Größe der gebildeten Aggregate. Zum anderen ist die Stabilität der Aggregate in hohem Maße von der Art und der Stärke der intermolekularen Wechselwirkungen abhängig. Bolaamphiphile mit Kopfgruppen, welche zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen befähigt sind, führen in der Folge zu wesentlich stabileren Aggregaten. 3.2.5 EINFLUSS DER KETTENMODIFIKATIONEN AUF DAS AGGREGATIONSVERHALTEN DER BOLAAMPHIPHILE Aufgrund der Tatsache, dass die Selbstaggregation der Bis(phosphocholine) zu langen, flexiblen Nanofasern ausschließlich durch die hydrophoben Wechselwirkungen zwischen benachbarten Alkylketten verursacht wird, stellte sich die Frage, ob durch einen Einbau von Heteroatomen in die Alkylkette diese Aggregation gestört werden würde. Die DSC-Kurven der heteroanalogen PC-C32SS-PC 140 und PC-C32OO-PC 141 (chemische Strukturen siehe Seite 49) zeigen nur eine endotherme Umwandlung mit einer, im Vergleich zum PC-C32-PC 6 weitaus niedrigeren Umwandlungstemperatur Tm1 (siehe Abb. 46a). Bedingt durch den Einbau der Heteroatome besitzen die Alkylketten dieser kettenmodifizierten Bis(phosphocholine) einen mehr oder weniger stark ausgeprägten „Knick“. Durch Einfluss der Kettenmodifikationen auf das Aggregationsverhalten 73 Berechnung der energieoptimierten Strukturen dieser Alkylketten können die Einflüsse der Heteroatome deutlich gemacht werden:165 Die Sauerstoffatome führen zu einer minimalen Störung der all-trans-Konformation (C–O = 1.42 Å, COC = 113.5° im Vergleich zu C–C = 1.53 Å, CCC = 113.3°) während der Einbau von Schwefelatomen (C–S = 1.81 Å, CSC = 96.1°) einen deutlichen „Knick“ ergibt (siehe Abb. 46a). Durch diese Störungen wird die Stabilität der ausgebildeten Aggregate und daher auch Tm1 herabgesetzt. Ferner wird die Polarität innerhalb der Alkylkette besonders durch den Einbau von Sauerstoff erhöht, was das Eindringen von Wassermolekülen in die Aggregate erleichtert und somit ebenfalls eine Destabilisierung einer möglichen Faserstruktur bewirkt. TEM-Aufnahmen,165 in diesem Fall mittels Uranylacetat negativ kontrastierter Proben des PC-C32SS-PC 140, zeigen die Ausbildung von langen, jedoch nicht quervernetzten Fasern mit unregelmäßigem Querschnitt unterhalb von Tm1, was durch SANS-Untersuchungen bestätigt werden kann (siehe Abb. 46b). Die erhaltene Streukurve kann dabei sehr gut mit dem Modell der flexiblen Fasern korreliert werden. Oberhalb von Tm1 zerfallen diese Nanofasern – durch SANS-Messungen belegt – in kleine, annähernd kugelförmige Mizellen. Die erhaltenen Daten zur Größe und Form der gebildeten Aggregate sind in Tabelle 8 zusammengefasst: 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 4 6 8 10 35 40 a) PC-C32-PC PC-C32OO-PC PC-C32SS-PC Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] 10-2 10-1 100 101 102 103 104 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] b) PC-C32SS-PC 10 °C 25 °C IFT-Fit (dΣ(q) / d Ω) / c [cm²/g] q [Å-1] Abb. 46: a) DSC-Kurven und Darstellung der modifizierten Alkylketten (ohne Kopfgruppen) der kettenmodifizierten Bis(phosphocholine) PC-C32SS-PC 140 (gelb: Schwefelatome) und PC-C32OO-PC 141 (rot: Sauerstoffatome) im Vergleich zum PC-C32-PC 6 (c = 1 mg/ml, 20 K/h). b) SANS-Kurven und IFT-Fits des PC-C32SS-PC 140 (c = 1 mg/ml) bei verschiedenen Temperaturen. Tab. 8: Ergebnisse der SANS-Untersuchungen des PC-C32SS-PC 140 (c = 1 mg/ml). Bolalipid T [°C] Aggregatform Dmax [Å] Rg bzw. RCS,g [Å] M [g] ML [g/cm] Nagg [1/Å] D [Å] KUHN- a Länge [Å] a [Å]a b [Å]a 10 Fasern 60 18.0 ± 0.10 1.59 × 10-13 1.1 50.9 500 ± 50 20 ± 2 30 ± 2 PC-C32SS-PC 25 Mizellen 60 20.4 ± 0.10 6.06 × 10-20 42.8 52.7 027 ± 1 27 ± 1 23 ± 1 a Im Falle von Mizellen erfolgt die Angabe der Halbachsen a, a und εa. 74 Physiko-chemische Charakterisierungen Der Vergleich mit PC-C32-PC 6 zeigt, dass die aus PC-C32SS-PC 140 gebildeten Nanofasern weniger steif sind (geringere KUHN-Länge) jedoch einen größeren Durchmesser D und eine erhöhte Anisotropie der Halbachsen aufweisen. Eine durch Schwefelatome induzierte, leicht gegeneinander versetzte Anordnung der Lipidmoleküle innerhalb der Faser könnte die Ursache für den vergrößerten Durchmesser sein. Die nach Tm1 entstandenen Mizellen sind dagegen, verglichen mit den bei 60 °C gebildeten Mizellen des PC-C32-PC 6, erheblich kleiner (53 versus 64 Å) und sie weisen eine um 45% erniedrigte Aggregationszahl Nagg auf. Die Bildung dieser kleinen Mizellen und die Tatsache, dass nach der ersten Umwandlung bei Tm1 keine weitere Veränderung der Mizellen auftritt, könnte ein Indiz dafür sein, dass sich bereits mit der ersten Umwandlung (Tm1) Mizellen mit geringstem Ordnungszustand bilden. Die hier gezeigten Untersuchungen belegen eindrucksvoll den Einfluss heteroatomarer Änderungen innerhalb der Alkylkette auf das Aggregationsverhalten der Bolaamphiphile und zugleich die Relevanz langer Kohlenstoffketten für die Ausbildung stabiler Nanofasern. 3.3 UNTERSUCHUNGEN ZUM AGGREGATIONSVERHALTEN VON BOLAAMPHIPHILEN IN MISCHUNGEN Nach der Charakterisierung des Aggregationsverhaltens der Bolaamphiphile in Reinsubstanz sollte im Folgenden das Mischungsverhalten der Bolaamphiphile sowohl untereinander als auch in Kombination mit konventionellen, monopolaren Lipiden beschrieben werden. 3.3.1 MISCHUNGEN DER BOLAAMPHIPHILE Da in der Literatur nur wenig über das Mischungsverhalten bipolarer Amphiphile bekannt ist,166 wurden im Folgenden äquimolare Mischungen von Bolaamphiphilen näher charakterisiert. Dabei wurden sowohl Bolaamphiphile gleicher Kopfgruppenstruktur und unterschiedlicher Alkylkettenlänge als auch Bolaamphiphile gleicher Kettenlänge und variierender Kopfgruppen miteinander gemischt. Mischungen der Bis(phosphocholine) Um die Stabilitätsgrenzen gemischter Nanofasern sowie das Gelbildungsverhalten auszuloten, wurde das PC-C32-PC 6 in äquimolaren Anteilen mit den kürzerkettigen Bis(phosphocholinen) PC-C28-PC 66, PC-C26-PC 67 bzw. PC-C24-PC 68 gemischt und in wässriger Suspension bei einer Gesamtlipidkonzentration von c = 1 mg/ml untersucht. Die DSC-Kurve der PC-C28/32-PC Mischung zeigt zwei endotherme Umwandlungen (siehe Abb. 47a): eine erste, deutlich ausgeprägte Umwandlung bei Tm1 = 41.5 °C, welche mit dem Zusammenbruch der Nanofasern und des Hydrogels verbunden ist, sowie eine zweite, breite und wenig kooperative Umwandlung bei Tm2 = 63 °C. Aggregationsverhalten von Bolaamphiphilen in Mischungen 75 Ein leicht verändertes Bild zeigt sich in der DSC-Kurve der PC-C24/32-PC Mischung. Hier sind drei, sehr breite und somit wenig kooperative Umwandlungen bei 13.1, 32.5 und ca. 54 °C zu erkennen (siehe Abb. 47b). Da die Umwandlungstemperaturen jeweils zwischen denen der Reinsubstanzen liegen, kann, insbesondere bei PC-C28/32-PC, von einer Mischbarkeit der beiden Bis(phosphocholine) ausgegangen werden. Cryo-TEM-Aufnahmen167 belegen für diese Mischung die Bildung von langen Nanofasern unterhalb von Tm1 sowie die Ausbildung kugelförmiger Mizellen oberhalb von Tm1, wohingegen für PC-C24/32-PC bei 20 °C die Formierung von Mizellen und kurzen Faserstücken beobachtet wird. Dieses Verhalten lässt auf eine maximale Kettenlängendifferenz schließen, welche für die Ausbildung stabiler, langer Nanofasern gerade noch toleriert wird. Um detaillierte Aussagen über die gebildeten Aggregatformen zu treffen, wurden SANSMessungen der PC-C26/32-PC und PC-C24/32-PC Mischungen durchgeführt. Die erhaltenen Streukurven (siehe Abb. 48) zeigen für PC-C26/32-PC die Ausbildung von Nanofasern bei 20 °C (unterhalb von Tm1) sowie die Bildung kugelförmiger Mizellen bei 55 °C (oberhalb von Tm1). Die Streukurve des PC-C24/32-PC deutet hingegen schon bei 20 °C auf die Ausbildung kleiner Aggregate hin, welche am besten durch das Modell der kurzen Zylinder beschrieben werden können. Die Bildung von langen Fasern konnte hier nicht beobachtet werden. Eine Temperaturerhöhung führt zur Auflösung dieser als kurze Faserstücke interpretierten Aggregate in kleine, kugelförmige Mizellen (detaillierte Daten der SANS-Analysen siehe Anhang). 0 10 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 PC-C32-PC PC-C28-PC PC-C28/32-PC Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 PC-C32-PC PC-C24-PC PC-C24/32-PC Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] b) Abb. 47: DSC-Kurven äquimolarer Mischungen von Bis(phosphocholinen) (c = 1 mg/ml, 20 K/h) im Vergleich zu den Reinsubstanzen: a) PC-C28/32-PC; b) PC-C24/32-PC. 10-2 10-1 100 101 102 103 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] PC-C26/32-PC 20 °C 55 °C PC-C24/32-PC 20 °C 42 °C (dΣ(q) / d Ω) / c [cm²/g] q [Å-1] IFT-Fit Abb. 48: SANS-Kurven und IFT-Fits äquimolarer Mischungen der Bis(phosphocholine) (c = 1 mg/ml) bei unterschiedlichen Temperaturen. 76 Physiko-chemische Charakterisierungen Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die Bis(phosphocholine) unterschiedlicher Alkylkettenlänge untereinander mischbar sind, jedoch für die Ausbildung stabiler Nanofasern nur eine Kettenlängendifferenz von bis zu sechs Kohlenstoffatomen toleriert wird. Mischungen der Bis(phosphodimethylethanolamine) In analoger Weise zu den Bis(phosphocholinen) wurden die Bis(phosphodimethylethanolamine) ebenfalls in äquimolarer Mischung unterschiedlicher Alkylkettenlänge untersucht. Dabei wurden bei einem pH-Wert von 5 gearbeitet, um die Ausbildung einer zwitterionischen Kopfgruppenstruktur und somit die Bildung von Nanofasern zu ermöglichen. Die DSC-Kurve der Me2PE-C28/32-Me2PE Mischung zeigt drei endotherme Umwandlungen, welche zwischen den Umwandlungen der entsprechenden Reinsubstanzen zu finden sind (siehe Abb. 49). Dies deutet erneut auf eine Mischbarkeit der beiden Bolaamphiphile hin. Die erste Umwandlung liegt mit Tm1 = 44.3 °C sehr nahe am ersten Phasenübergang des reinen Me2PE-C32-Me2PE 82 (Tm1 = 45.3 °C). Der Einbau des um vier Kohlenstoffatome kürzeren Bolaamphiphils in die Fasern des Me2PE-C32-Me2PE 82 scheint somit nur einen geringen Einfluss auf die Stabilität des ausgebildeten Fasernetzwerkes zu besitzen. Die zweite Umwandlung liegt dagegen mit Tm1’ = 54.4 °C nur zwei Grad über der zweiten Umwandlung des Me2PE-C28- Me2PE 84 und weit unterhalb des zweiten Übergangs des Me2PE-C32-Me2PE 82 (Tm1’ = 68 °C). Diese Umwandlung (Tm1’) ist mit dem Zerfall der weitgehend über Wasserstoffbrückenbindungen stabilisierten Nanofasern in Mizellen verbunden. Folglich ruft der Einbau des längerkettigen Me2PE-C32-Me2PE 82 in die Fasern des Me2PEC28-Me2PE 84 nur einen geringen Stabilitätsgewinn dieser über Wasserstoffbrücken stabilisierten Fasern hervor. Ein ähnliches Verhalten kann für die dritte Umwandlung (Tm2) beobachtet werden. Die Existenz der beschriebenen Aggregate konnte für diese Mischung und ebenfalls für Me2PE-C26/32-Me2PE durch cryo-TEM-Aufnahmen bestätigt werden.167 Die DSC-Kurve der Me2PE-C24/32-Me2PE Mischung zeigt prinzipiell einen ähnlichen Verlauf und weist auf die Mischbarkeit der beiden Bis(phosphodimethylethanolamine) hin. Jedoch zeigen cryo-TEM-Aufnahmen dieser Mischung unterhalb von Tm1 neben der Ausbildung langer Nanofasern auch die Bildung von lamellaren Schichten. Diese Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass Bis(phosphodimethylethanolamine) unterschiedlicher Alkylkettenlänge miteinander mischbar sind. Für die ausschließliche Bildung 0 10 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 Me2 PE-C32-Me2 PE Me2 PE-C28-Me2 PE Me2 PE-C28/32-Me2 PE Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] Abb. 49: DSC-Kurve einer äquimolarer Mischung von Me2PE-C32-Me2PE 82 und Me2PE-C28-Me2PE 84 (c = 1 mg/ml, pH = 5, 20 K/h) im Vergleich zu den Reinsubstanzen. Aggregationsverhalten von Bolaamphiphilen in Mischungen 77 langer Fasern wird jedoch – in Analogie zu den Bis(phosphocholinen) – nur eine Kettenlängendifferenz von sechs oder weniger Kohlenstoffatomen toleriert. Mischung aus PC-C32-PC und Me2PE-C32-Me2PE Mittels einer äquimolaren Mischung der Bolaamphiphile PC-C32-PC 6 und Me2PE-C32- Me2PE 82 sollte der Einfluss unterschiedlicher Kopfgruppen auf das Aggregationsverhalten näher untersucht werden. Hierbei wurde bei einem pH-Wert von 5 gearbeitet, um die zwitterionische Kopfstruktur des Me2PE-C32-Me2PE 82 zu gewährleisten. Das Thermogramm der PC/Me2PE-C32 Mischung weist drei endotherme Umwandlungen zwischen 2 und 95 °C auf (siehe Abb. 50a). Die erste Umwandlung liegt mit Tm1 = 47.2 °C zwischen den Umwandlungen der beiden Reinsubstanzen, was erneut auf eine vollständige Mischbarkeit hindeutet. Die Existenz einer zweiten Umwandlung bei Tm1’ = 60 °C belegt den vorherrschenden Einfluss der Phosphodimethylethanolamin-Kopfgruppe des Me2PE-C32- Me2PE 82, wenngleich diese Umwandlung bei niedrigeren Temperaturen verglichen mit Tm1’ des reinen Me2PE-C32-Me2PE 82 auftritt. Bedingt durch das Mischen mit PC-C32-PC 6 werden die Fasern, welche nach Tm1 weitgehend über Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden, in ihrer Stabilität herabgesetzt, da die Cholinkopfgruppe nicht als Wasserstoffbrückendonor fungieren kann. Die Form und Größe der gebildeten Aggregate konnte sowohl durch cryo-TEM-Aufnahmen als auch durch SANS-Messungen (siehe Abb. 50b) bestimmt werden. So zeigt sich vor und nach Tm1 die Ausbildung von langen und flexiblen Nanofasern, welche nach Tm1’ zu kleinen, kugelförmigen Mizellen zerfallen (detaillierte Daten der SANS-Analysen siehe Anhang). Ein Vergleich zwischen den Mischungen der Bis(phosphocholine) und der Bis(phosphodimethylethanolamine) lässt erkennen, dass das Phasenverhalten der Bis(phosphocholin)- Mischungen durch die hydrophoben Wechselwirkungen geprägt wird. Die Gel-Sol-Umwand- 0 10 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 PC-C32-PC Me2 PE-C32-ME2 PE PC/Me2 PE-C32 Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] a) 10-2 10-1 101 102 103 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 Cp [kJ mol-1 K-1 ] Temperatur [°C] b) PC/Me2 PE-C32 20 °C 50 °C 70 °C IFT-Fit (dΣ(q) / d Ω) / c [cm²/g] q [Å-1] Abb. 50: a) DSC-Kurve einer äquimolarer Mischung von PC-C32-PC 6 und Me2PE-C32-Me2PE 82 (c = 1 mg/ml, pH = 5, 20 K/h) im Vergleich zu den Reinsubstanzen. b) SANS-Kurven und IFT-Fits der Mischung PC/Me2PE-C32 bei unterschiedlichen Temperaturen. 78 Physiko-chemische Charakterisierungen lungstemperatur kann dabei durch Mischen zweier Bis(phosphocholine) unterschiedlicher Alkylkettenlänge auf definierte Werte eingestellt werden. Das Aggregationsverhalten der Bis- (phosphodimethylethanolamine) in Mischungen wird dagegen von den Wasserstoffbrückenbindungen dominiert. 3.3.2 MISCHUNGEN DER BOLAAMPHIPHILE MIT KONVENTIONELLEN LIPIDEN Neben den Untersuchungen zum Mischungsverhalten der symmetrischen Bolaamphiphile untereinander, wurden Versuche unternommen, das PC-C32-PC 6 mit konventionellen Phospholipiden, wie 1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholin, 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3- phosphocholin oder 1-Palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholin, zu mischen. Hintergrund war die Fragestellung, ob sich das PC-C32-PC 6 in die Lipiddoppelschichten dieser monopolaren Lipide einbauen lässt und somit zu einer Stabilisierung führt. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass sich das PC-C32-PC 6 nicht in die von konventionellen Phospholipiden gebildeten Bilayer einbauen lässt. Vielmehr führt die Mischung zu Phasenseparationserscheinungen bzw. zu einem geringen Einbau konventioneller Phospholipide in die Faserstruktur des PC-C32-PC 6. Für die detaillierten Ergebnisse dieser Untersuchungen sei auf die Arbeit von MEISTER168 verwiesen. 3.4 UNTERSUCHUNGEN ZUR POLYMERISATION Die Selbstaggregation der bisher untersuchten Bolaamphiphile führte zur temperatur- und pHWert-abhängigen Ausbildung von Nanofasern, welche in der Lage sind, über eine Immobilisierung des Wassers stabile Hydrogele zu bilden. Oberhalb einer bestimmten Umwandlungstemperatur zerfallen die Fasern in kleinere Aggregate und der Gelcharakter geht verloren. Mit der Einführung von Diacetylengruppen in die Molekülmitte der Bolaamphiphile sollte nunmehr über eine Polymerisierungsreaktion ein thermostabiles Fasernetzwerk erhalten werden. Diacetylene sind dafür bekannt, unter Einwirkung von UV-Strahlung bzw. thermischer Energie zu polymerisieren (siehe Abb. 51).169 Das sich bildende polymere Rückgrat aus alternierend angeordneten Doppel- und Dreifachbin- 1. Selbstaggregation 2. UV-Bestrahlung Abb. 51: Selbstaggregation und Polymerisation von Bolaamphiphilen mit mittelständiger Diacetylengruppierung. Polymerisation von Bolaamphiphilen 79 dungen kann hierbei in zwei, spektroskopisch unterscheidbaren Zuständen auftreten:137 einer „blauen Phase“ (λmax = 630 – 640 nm) sowie einer „roten Phase“ (λmax = 540 – 550 nm). Äußere Einflüsse, wie Hitze170 oder mechanischer Stress,171 führen dabei zu einer reversiblen oder irreversiblen Umwandlung dieser beiden Phasen, was letztlich in verschiedenen Anwendungen im Bereich der Biosensorik mündet.172-174 Erste Polymerisationsversuche wurden mit einer wässrigen Suspension, c = 5 mg/ml, des PCC32diAc-PC 158 unternommen. Die DSC-Messung dieser Verbindung zeigte eine Umwandlung bei ca. 6 °C. Die Polymerisation wurde daraufhin sowohl bei Raumtemperatur als auch bei etwa 0 °C (unter Eiskühlung), jeweils ober- und unterhalb der Umwandlungstemperatur durchgeführt. Da jedoch keine Unterschiede im farblichen Aspekt und den sich anschließenden UV-VIS-spektrometrischen Untersuchungen zu erkennen waren, wurde aufgrund der besseren Reproduzierbarkeit in den nachfolgenden Versuchen auf die Eiskühlung verzichtet. Die Polymerisation erfolgt durch Bestrahlung der in eine Quarzglasküvette überführten, wässrigen Suspension des PC-C32diAc-PC 158 mit einer Quecksilber-Niederdruck-UVLampe (254 nm, 15 W). Dies führt über einen Zeitraum von einer Stunde zu einer zunehmenden Blauviolettfärbung der Suspension. Die im zeitlichen Abstand von fünf Minuten durchgeführten UV-VISMessungen belegen den Anstieg der Hauptabsorptionsbande bei 630 nm (siehe Abb. 52), welche auf einem π – π* - Übergang des konjugierten π-Elektronensystems des Polymerrückgrats beruht. Nach etwa 90 Minuten ist kein weiterer Zuwachs der Absorption zu verzeichnen. Die erhaltene Farbe der Suspension ist bei 4 °C für mindestens zwölf Monate stabil. Ein Abkühlen der polymerisierten Probe auf 0 °C führt zu einer leichten Rotverschiebung der Absorptionsbanden von 585 auf 592 bzw. von 630 auf 640 nm (siehe Abb. 53) und zu einer Blaufärbung der Lösung. Dieser Farbwechsel ist durch Erwärmen auf Raumtemperatur reversibel und beliebig oft wiederholbar. Durch Erhitzen der Probe wird ein Farbumschlag von blau (0 °C) über blauviolett (30 °C), rotviolett (40 °C) und rot (50 °C) nach rotorange (80 °C) induziert (siehe Fotos der Küvetten in Abb. 53). Die Änderung der Farbigkeit kann im UVVIS-Spektrum verfolgt werden: Die beiden Absorptionsbanden der „blauen Phase“ bei 640 und 592 nm nehmen bis zu einer Temperatur von ca. 40 °C kontinuierlich ab, währenddessen die Banden der „roten Phase“ bei 530 und 490 nm ab dieser Temperatur stetig zunehmen 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 50 min 584 - 586 nm Absorption [a.u.] Wellenlänge [nm] 628 - 632 nm 0 min Abb. 52: zeitabhängiges UV-VIS Spektrum der Polymerisation einer wässrigen Suspension des PCC32diAc-PC 158 (c = 5 mg/ml, Raumtemperatur). 80 Physiko-chemische Charakterisierungen (siehe Abb. 53). Ab ca. 50 °C ist der Anteil der „blauen Phase“ vollkommen aus dem Spektrum verschwunden. Diese Blauverschiebung ist jedoch nur zum Teil reversibel: Bis zu einer Temperaturerhöhung von etwa 30 °C ist der Vorgang vollständig umkehrbar. Wird die Probe auf über 50 °C erhitzt, bleibt die Rotfärbung, auch nach erneutem Abkühlen auf 0 °C, dauerhaft bestehen. Als Ursache für diesen Farbwechsel wird eine strukturelle Änderung des Polymerrückgrats verantwortlich gemacht. CARPICK171 vermutet eine durch äußeren Stress (Hitze, mechanische Beanspruchung) verursachte Rotation um die C–C-Einfachbindungen des Polymerrückgrats, wodurch sich die Ebene des Rückgrats und somit die Überlappungen der π-Orbitale der Doppel- und Dreifachbindungen verändern. Dies führt schließlich zur Blauverschiebung im Absorptionsspektrum, was durch theoretische Berechnungen von ORCHARD bestätigt werden kann.175 Die hier durchgeführten Untersuchungen zeigen die prinzipielle Möglichkeit der Polymerisation von Diacetylen-modifizierten Bolaamphiphilen. Für weiterführende Arbeiten, insbesondere die Untersuchungen zur Polymerisation des PC-C30diAc-PC 157 und des Me2PEC32diAc-Me2PE 159 sowie die detaillierte Charakterisierung der erhaltenen Strukturen, sei auf die Arbeiten von M. BASTROP verwiesen.176 3.5 UNTERSUCHUNGEN ZUR FIXIERUNG VON GOLD-NANOPARTIKELN Im letzten Kapitel der physiko-chemischen Charakterisierungen werden die Ergebnisse zur Fixierung von Gold-Nanopartikeln (AuNP) an die aus Bolaamphiphilen gebildeten Fasern beschrieben. Die eindimensionale Anordnung dieser AuNP in wässriger Lösung ist bis heute in der Literatur nur an wenigen Beispielen beschrieben und wird vorzugsweise an organischen Polymeren177,178 oder Polysacchariden179 vorgenommen. Eine erfolgreiche Anbindung der AuNP an die in dieser Arbeit untersuchten Nanofasern könnte somit zu einer neuen Gruppe 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0°C 50°C 30°C 80°C 40°C Absorption [a.u.] Wellenlänge [nm] 640 nm 592 nm 530 nm 486 - 492 nm Abb. 53: UV-VIS-Spektren und Fotos der Küvetten einer polymerisierten Probe des PC-C32diAc-PC 158 (c = 5 mg/ml) bei verschiedenen Temperaturen. 0 °C 30 °C 40 °C 50 °C 80 °C Fixierung von Gold-Nanopartikeln 81 wasserlöslicher Matrizen führen, deren Anwendungsgebiete in den Bereichen der Nanoelektronik bzw. Nano-Optoelektronik zu finden sind. Erste Versuche zur Fixierung von AuNP mit einem Durchmesser von 5 nm wurden an Fasern des PC-C32-PC 6 unternommen. Hierzu wurde eine kommerziell erhältliche, citratstabilisierte AuNP-Lösung mit einer PC-C32-PC Suspension (c = 0.5 mg/ml) in zwei Verhältnissen (PCC32-PC : AuNP = 1000 : 1 und 100 : 1) gemischt und elektronenmikroskopisch untersucht (siehe Abb. 54). Die Fixierung der AuNP an die Nanofasern ist deutlich zu erkennen. Ein höherer Anteil an AuNP in der Ausgangslösung spiegelt sich dabei in einer höheren Beladung der Fasern mit den Nanopartikeln wider (siehe Abb. 54a versus 54b). Die Fixierung der AuNP an die Nanofasern des PC-C32-PC scheint dabei ausschließlich über VAN-DER-WAALSWechselwirkungen zwischen der Goldoberfläche und den hydrophoben Bereichen der Fasern zu erfolgen. Die Anwendung von 2 nm-AuNP führt zur Einlagerung der Goldpartikel in das Innere der Faser und somit zur Zerstörung der gesamten Faserstruktur.180 Die Verwendung von Bolaamphiphilen mit schwefelmodifizierten Kopfgruppen sollte die Beladung der Nanofasern mit AuNP erhöhen. Untersuchungen mit einer Lipidmischung aus PC-C32-PC 6 und LAPC-C32-LAPC 120 im Verhältnis 10:1 zeigen eine erhöhte Beladung der Nanofasern mit AuNP (siehe Abb. 54c).180 Erkennbar ist hier die zum Teil sehr regelmäßige Anordnung der Au-NP entlang der Nanofasern (siehe Pfeil). Die Modifizierung der Bolaamphiphile hinsichtlich schwefelhaltiger Kopfgruppen stellt somit einen vielversprechenden Ansatz für weiterführende Arbeiten bezüglich einer eindimensionalen Anordnung von AuNP in wässriger Lösung dar. Abb. 54: TEM-Aufnahmen negativ-kontrastierter, wässriger Suspensionen von: a) PC-C32-PC : AuNP = 1000 : 1; b) PC-C32-PC : AuNP = 100 : 1; c) LAPC-C32-LAPC/PC-C32-PC : AuNP = 100 : 1. 50 nm 50 nm 82 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Seit nunmehr fast dreißig Jahren stehen bipolare, amphiphile Verbindungen hinsichtlich ihrer Synthese und physiko-chemischen Charakterisierung im Fokus wissenschaftlichen Interesses. Die so genannten Bolaamphiphile haben ihren Ursprung in den Membranlipiden der Archaebakterien. Die Membranen dieser Archaebakterien, welche neben den Bakterien und Eukaryoten die dritte Domäne der belebten Welt bilden, zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche Stabilität gegenüber äußeren Einflüssen, wie Hitze oder strikt anaerobe Lebensbedingungen aus. Die für diese Beständigkeit verantwortlichen, inhärent zweikettigen Membranlipide bilden die fundamentale Strukturgrundlage für eine Vielzahl synthetischer Abwandlungen, welche schließlich auch in der Darstellung einkettiger, symmetrischer Bolaamphiphile resultiert. Die Klasse dieser Verbindungen, die sich zudem durch die Ausbildung stabiler Hydrogele auszeichnet, bildet den Ausgangspunkt für die im Rahmen der vorliegenden Arbeit synthetisierten und physiko-chemisch charakterisierten Bolaamphiphile. Grundstein für die Darstellung einkettiger, symmetrischer Bolaamphiphile bildet die effiziente Synthese von 1,ω-funktionalisierten Alkanen. Die von ZIETHE etablierte, kupferkatalysierte GRIGNARD-Bis-Kupplung zur Darstellung des Dotriacontan-1,32-diols konnte dabei auf weitere Vertreter mit einer Kettenlänge von 22 bis 36 Kohlenstoffatomen erfolgreich angewendet und weitreichend optimiert werden. Bedingt durch die Bildung höhermolekularer Nebenprodukte während dieser Bis-Kupplung wurde im Rahmen der Arbeit eine neue Methode zur Darstellung von 1,ω-Diolen über eine kupferkatalysierte GRIGNARD-MonoKupplung ausgehend von terminal geschützten ω-Bromalkoholen etabliert. Ausbeuten im Multigramm-Maßstab und Synthese in kettenreiner Form sind die wesentlichen Kennzeichen dieses innovativen Zugangs zu 1,ω-Diolen. In Fortsetzung wurde für die konsekutive Darstellung der homologen Reihe der Polymethylen-1,ω-diyl-bis(phosphocholine) mit einer Alkylkettenlänge von 22 bis 36 Kohlenstoffatomen auf die bewährte Phosphorylierung mittels β-Bromethylphosphorsäuredichlorid verbunden mit anschließender Quarternierung zurückgegriffen und dabei einzelne Schritte im Aufarbeitungsprozess optimiert. Eine schnelle und effektive Reinigung der Bis(phosphocholine) in vergleichbaren Gesamtausbeuten konnte durch den erstmaligen Einsatz einer Mitteldruck-Flüssigchromatographie erreicht werden. Die physiko-chemischen Untersuchungen der Bis(phosphocholine) in wässriger Volumenphase zeigten ein kettenlängen- und temperaturabhängiges Aggregationsverhalten. Bedingt durch den hydrophoben Effekt lagerten sich die einzelnen Bolalipidmoleküle bei niedrigen Temperaturen zu langen Nanofasern zusammen und bildeten selbst in hoher Verdünnung ein viskoses und transparentes Hydrogel. Durch eine Temperaturerhöhung konnte eine Verflüs- 83 sigung des Gels induziert werden. Dieser so genannte Gel-Sol-Übergang konnte durch Differential Scanning Calorimetry verfolgt und im Ergebnis der Untersuchung mit einer endothermen Umwandlung in Verbindung gebracht werden, wobei die Umwandlungstemperaturen im Mittel um 5 K pro zusätzlicher Methylengruppe des Bolaamphiphils stiegen. Die hierbei in Abhängigkeit von Kettenlänge und Temperatur auftretenden vielfältigen Aggregatstrukturen wurden vor allem durch Kleinwinkel-Neutronenstreuung in ihrer Größe und Form charakterisiert und mittels Elektronenmikroskopie visualisiert. Es konnte eingehend gezeigt werden, dass die formierten Aggregate eine mit dem Zerfall der Nanofasern und dem Verlust der Geleigenschaften in Verbindung gebrachte Faser-Mizell-Umwandlung und eine weitere Mizell-Mizell-Umwandlung, welche mit einer erneuten Zunahme der Mobilität der Bolalipidmoleküle verbunden war, durchliefen. Systematische Modifikationen im Bereich der Kopfgruppenstruktur der Bolaamphiphile führten im nächsten Schritt zur Darstellung der homologen Reihe der Polymethylen-1,ω-bis- (phosphodimethylethanolamine) mit einer Alkylkettenlänge von 22 bis 34 Kohlenstoffatomen. Dabei wurde durch die Einführung der Phosphodimethylethanolamin-Kopfgruppe der Zugang zu neuartigen pH-sensitiven Bolaamphiphilen ermöglicht, welche in neutralem und schwach saurem Medium eine den Bis(phosphocholinen) analoge zwitterionische Kopfgruppenstruktur aufwiesen und ebenfalls ein Hydrogel ausbildeten. Die physiko-chemischen Charakterisierungen in wässriger Suspension bei pH 5 zeigten, den Bis(phosphocholinen) analog, ein temperatur- und kettenlängenabhängiges Aggregationsverhalten. Die im Vergleich zu den Bis(phosphocholinen) ausnahmslos höheren Umwandlungstemperaturen können auf den stabilisierenden Effekt der Wasserstoffbrückenbindungen zurückgeführt werden. Für die Bis(phosphodimethylethanolamine) mit einer Alkylkettenlänge von 28 und mehr Kohlenstoffatomen konnte außerdem eine zusätzliche Faser-Faser-Umwandlung identifiziert werden. Die nach dieser Umwandlung gebildeten, über Wasserstoffbrücken stabilisierten Fasern waren durch einen erhöhten Anteil an gauche-Konformeren innerhalb der Alkylkette gekennzeichnet. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine durch Erhöhung des pH-Wertes induzierte Deprotonierung der Stickstoffatome der Bis(phosphodimethylethanolamine) nicht nur die Ausbildung stabiler Fasern sondern auch die Formierung eines Hydrogels verhinderte. Sowohl mit der homologen Reihe der Bis(phosphocholine) als auch der Bis(phosphodimethylethanolamine) steht nunmehr ein umfangreiches Substanzrepertoire zur Verfügung, welches die Bildung innovativer, temperaturabhängiger und pH-sensitiver Hydrogele erlaubt. Die Gel-Sol-Übergangstemperatur kann dabei durch die Wahl der Kettenlänge der Bolaamphiphile in Schritten von ca. 10 K eingestellt werden, wobei durch Mischen von Bis(phosphocholinen) unterschiedlicher Kettenlänge diese Umwandlungstemperatur zielgerichtet 84 feinreguliert werden kann. Dieses Phänomen könnte in Zukunft vielseitige Anwendungen in Bereichen der Pharmazie und Medizin, wie der kontrollierten Wirkstofffreisetzung eröffnen. Im Ergebnis der weiteren Verkleinerung der Kopfgruppe der Bolaamphiphile stand die Synthese des Bis(phosphomonomethylethanolamins). Bedingt durch den geringeren Durchmesser der Kopfgruppe im Vergleich zum Kopfgruppenquerschnitt der zuvor synthetisierten und untersuchten Bolaamphiphile war nunmehr eine über hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen stabilisierte Anordnung von Molekülen des Bis(phosphomonomethylethanolamins) in lamellaren Schichten möglich. Eine vielversprechende Methode für die Synthese dieses Bis(phosphomonomethylethanolamins) bzw. des analogen Bis(phosphoethanolamins) war die Kupplung von substituierten Cholin- oder Ethanolaminderivaten an adäquate Bis(phosphorsäureester). Die hierfür notwendigen Bis(phosphorsäureester) wurden durch katalytische Hydrogenolyse aus den entsprechenden Bis(phosphorsäuredibenzylestern) erhalten. Diese Hydrierung konnte zudem erfolgreich durch die Wahl eines basischen Zusatzes unterschiedlicher Stärke selektiv hinsichtlich der Abspaltung der Benzylreste gestaltet werden. Die finalen Kupplungsreaktionen wurden jedoch im Rahmen dieser Dissertation nicht vollständig abgeschlossen und bleiben weiterführenden Arbeiten vorbehalten. Die erfolgreiche Quarternierung mit größeren Aminen ergab weitere, kopfgruppenmodifizierte Bolaamphiphile, wobei die Ausbeute mit zunehmender sterischer Beanspruchung der verwendeten Amine in Verbindung mit einem erschwerten nucleophilen Austausch der Bromatome sank. Die kalorimetrischen Untersuchungen in wässriger Volumenphase zeigten, dass die zunehmende Größe der Kopfgruppen zu einer Destabilisierung der gebildeten Nanofasern führte, wohingegen die zusätzliche Einführung einer Hydroxygruppe einen stabilisierenden Effekt auf die sich ausbildenden Faserstrukturen ausübte. Einhergehend mit der Einführung von funktionellen Gruppen in die Kopfstruktur der Bolaamphiphile bot sich die Möglichkeit für Folgereaktionen. Innerhalb dieser stellte sich die Click-Reaktion an Propinyl-modifizierten Bolaamphiphilen als sehr wirkungsvolle Methodik heraus, um weitere, größere Moleküle, wie Fluoreszenzmarker, an die Kopfstruktur anzuknüpfen. Des Weiteren konnte eine freie Hydroxygruppe in der Kopfgruppe der Bis(phosphocholine) mittels aktivierter Säurederivate verestert werden. Dies führte im Ergebnis zu Liponsäure-modifizierten Bolaamphiphilen mit schwefelhaltigen Kopfgruppenstrukturen, die in Untersuchungen zur Fixierung von Gold-Nanopartikeln eine höhere Beladungsdichte im Vergleich zu nicht-modifizierten Bolaamphiphilen aufwiesen. Die in der Arbeit vorgestellten neuen wasserlöslichen Matrizen für die eindimensionale Orientierung von Gold-Nanopartikel könnten somit für Anwendungen in Bereichen der Nano-Optoelektronik zur Weiterentwicklung zur Verfügung stehen. 85 Den Modifikationen in den Kopfgruppen folgten Variationen in der Kettenstruktur der Bolaamphiphile – im Speziellen zu schwefel- und sauerstoffmodifizierten Bolalipiden führend. Die physiko-chemischen Untersuchungen belegten dabei eindrucksvoll den Einfluss dieser heteroatomaren Änderungen innerhalb der Alkylkette auf das Aggregationsverhalten der Bolaamphiphile und die Relevanz langer Kohlenstoffketten für die Ausbildung stabiler Nanofasern. Mit der Einführung von Diacetylengruppen innerhalb der langen Alkylkette wurde ein Zugang zu neuartigen Bolaamphiphilen geschaffen, welche unter Einwirkung von ultravioletter Strahlung polymerisierten. Fortführende Versuche sollten die Möglichkeiten dieser diacetylenmodifizierten Bolaamphiphile zur Ausbildung thermostabiler Hydrogele aufzeigen. Zusammenfassend liefern die der Promotionsschrift zugrunde liegenden Erkenntnisse einen essentiellen Beitrag für die effektive Synthese von einkettigen, symmetrischen Bolaamphiphilen mit vielfältigen Kopf- und Kettenstrukturen. Die physiko-chemischen Untersuchungen unter Einbezug moderner Methoden, wie der Neutronen-Kleinwinkelstreuung, tragen dabei maßgeblich zum Verständnis des komplexen Zusammenhangs zwischen Veränderungen in der chemischen Struktur der Bolaamphiphile und den entsprechend dazu ausgebildeten Aggregatstrukturen bei. Die Ergebnisse der vorliegenden Schrift bieten mannigfaltige Ansätze für zukünftige Arbeiten. Dabei sollten an erster Stelle die Entwicklung eines Syntheseansatzes für polymerisierbare, schwefelhaltige Bolaamphiphile und der Ausbau der Kupplungsreaktionen stehen. Einen erheblichen Gewinn könnte auch die Einführung einer freien Aminogruppe in die Kopfgruppenstruktur der Bolaamphiphile bringen, gleichsam dadurch einen großen Spielraum für Folgereaktionen eröffnend. Weiterführende physiko-chemische Charakterisierungen aller bisher und zukünftig auftretenden Aggregatstrukturen unter zusätzlicher Einbeziehung der teildeuterierten Bolaamphiphile könnten weitere Zusammenhänge zwischen chemischer Gestalt und zugehöriger Aggregatstruktur eluzidieren. 86 5 EXPERIMENTELLES 5.1 ANALYSEMETHODEN Chromatographie • Dünnschichtchromatographie (DC) Die Dünnschichtchromatographie diente zur Kontrolle des Reaktionsverlaufs sowie der Reinheit von isolierten Zwischen- und Endprodukten. Als Trägermaterial kamen Fertigplatten der Firma Merck (Darmstadt, Deutschland) zum Einsatz, deren stationäre Phase aus Kieselgel 60 F254 bestand. Die Substanzen wurden in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, mittels einer Kapillare dünn aufgetragen und in einer Chromatographiekammer unter Kammersättigung entwickelt. Als mobile Phase wurden Standardlaufmittel folgender Zusammensetzung (V/V) verwendet: (A) Heptan, (E) Chloroform/Diethylether 1/1, (B) Heptan/Diethylether 8/2, (F) Chloroform/Methanol/Ammoniak 50/50/5, (C) Chloroform/Heptan 6/4, (G) Chloroform/Methanol/Ammoniak 50/50/10, (D) Chloroform/Diethylether 8/2, (H) Chloroform/Methanol/Ammoniak 50/50/15. Die Detektion der Chromatogramme erfolgte nach Trocknung mit: - UV-Licht der Wellenlänge 254 nm bzw. 366 nm. - Brom/Methanol-Lösung zur Detektion ungesättigter Verbindungen. - Bromthymolblau-Lösung im Falle der nicht-phosphorhaltigen Verbindungen. Mit Bromthymolblau ließen sich bereits Spuren von Verbindungen mit lipophilem Charakter nachweisen. Die Empfindlichkeit konnte hier durch Bedampfen mit Ammoniak erhöht werden. - Molybdato-Phosphat-Spray im Falle der phosphorhaltigen Verbindungen.111 In Abhängigkeit von der Konzentration erschienen dunkelblaue bis grünblaue Flecke. Die angegebenen Rf-Werte wurden nicht korrigiert. • Säulenchromatographie Die Säulenchromatographie diente zur Trennung und Reinigung der Zwischen- und Endprodukte. Als Trennmittel kam Kieselgel 60 der Firma Merck mit einer Korngröße von 0.063 – 0.200 mm für die drucklose Chromatographie bzw. Kieselgel 60 mit einer Korngröße von 0.040 – 0.063 mm für die Flash-Chromatographie zum Einsatz. Als Elutionsmittel dienten Heptan, Chloroform sowie Heptan/Diethylether-, Chloroform/Diethylether-, Chloroform/Methanol- und Chloroform/Methanol/Wasser-Mischungen unterschiedlicher Zusammensetzung, wobei die Polarität diskontinuierlich erhöht wurde. Die Detektion erfolgte durch Dünnschichtchromatographie. Analysemethoden 87 • MPLC Die MPLC diente vorwiegend zur Trennung und Reinigung der Endprodukte. Als Trennmittel kam Kieselgel 60 der Firma Merck mit einer Korngröße von 0.040 – 0.063 mm zum Einsatz. Die Säulen wurden mittels eines Cartriger C-670 der Firma Büchi befüllt. Die Probensammlung erfolgte über einen Fraction Collector C-660 (Büchi); als Pumpe diente das Pump Module C-601 und der Pump Manager C-615 (Büchi). Als Elutionsmittel kamen Chloroform, Heptan sowie Chloroform/Heptan- und Chloroform/ Methanol/Wasser-Mischungen unterschiedlicher Zusammensetzung zum Einsatz, wobei die Polarität diskontinuierlich erhöht wurde. Die Bedingungen hinsichtlich der Flussrate und die Zusammensetzung der Elutionsmittel wurden dem jeweiligen Trennproblem angepasst. Das Injektionsvolumen betrug je nach Löslichkeit des Produkts 5 – 15 ml. Die Detektion der Endprodukte erfolgte durch DC-Untersuchungen der einzelnen Fraktionen. Schmelzpunktbestimmung Die Bestimmung der Schmelzbereiche erfolgte einerseits an einem Boetius-Heiztischmikroskop (a) und zum anderen an einem Schmelzpunktbestimmungsgerät SG 2000 (b) der Firma HWS Laboratoriumstechnik (Mainz, Deutschland). Die ermittelten Werte wurden nicht korrigiert. Elementaranalyse (EA) Die Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- und Schwefelanalysen wurden an einem CHNS– 932 Gerät der Firma Leco–Corporation (St. Joseph, Michigan, USA) im automatischen Mikroverfahren durchgeführt. Der Halogengehalt wurde im Halbmikroverfahren durch Verbrennen der Substanz am Platinkontakt in reinem Sauerstoff und anschließender Titration mit Quecksilbernitrat gegen Diphenylcarbazid ermittelt. Massenspektrometrie (MS) • Elektronenstoß-Ionisation Die Aufnahme der Massespektren erfolgte an einem AMD 402 (70 eV) der Firma AMD Intecta GmbH (Harpstedt, Deutschland). • ESI-MS Die Probe wurde in einem geeignetem Lösungsmittel gelöst, mittels einer Spritzenpumpe (Havard Apparatus 22) über das ESI-Interface in das Ionenfallen-Massenspektrometer Finnigan MAT SSQ 710 C eingesprüht (Thermo Seperation Products, San José, USA bzw. Thermoquest, Egelsbach, Deutschland) und vermessen. Die Ionisation wurde dabei im Elektronenspray bei 4.5 kV positiv und negativ durchgeführt. Das Gerät verfügt über eine auf 200 °C beheizbare Kapillare und weist eine Flussrate von 20 µl/min auf. Zum Lösen der Proben wurde ein Lösungsmittelgemisch aus Chloroform, Methanol und Wasser unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet. 88 Experimentelles • GC-MS Die Aufnahme der GC-MS-Spektren wurde durch Kombination der Geräte der Firma Hewlett-Packard HP 5890 II und MS 5971 A durchgeführt. Das GC-Gerät besitzt eine Säule mit DB5 30 m × 0,25 mm (Innendurchmesser) × 0,25 µm (Innenbeschichtung). Die Temperatur betrugen am Injektor 250 °C und am Detektor 280 °C. • HR-ESI-MS Die hochauflösende Massenspektrometrie diente zur Bestimmung des Deuteriumgehaltes der teil-deuterierten Endprodukte. Zum Einsatz kam ein Hybridmassenspektrometer vom Typ Q-TOF-2 (Waters/Micromass, Manchester, UK). NMR-Spektroskopie Die 1 H-NMR, 2 H-NMR und 13C-NMR Spektren wurden an einem Varian Gemini 2000 bzw. an einem Varian Inova 500 aufgenommen. Als Lösungsmittel wurden deuteriertes Chloroform bzw. deuterierte Chloroform/Methanol-Mischungen verwendet, die zugleich als innerer Standard dienten. Für die 2 H-NMR-Messung wurden nicht deuterierte Lösungsmittel verwendet. Die Messfrequenzen der einzelnen Kerne sowie eine von 27 °C abweichende Messtemperatur sind in den jeweiligen Übersichten der experimentellen Daten angegeben. Die Auflistung der chemischen Verschiebungen δ, angegeben in ppm, beziehen sich für Signale mit definierten Multiplizitäten (d – Dublett, t – Triplett, quar – Quartett, quin – Quintett) auf deren Symmetrieachse unter Angabe der Kopplungskonstant J in Hz. Im Falle eines Multipletts (m) wird der Bereich der Signale angegeben. Ggf. werden Kombinationen von Multiplizitäten wie dd (Dublett vom Dublett) verwendet. Unscharfe Signale mit einer scheinbar geringeren Multiplizität sind mit Anführungszeichen gekennzeichnet. pKS-Wert-Bestimmung Die potentiometrische Bestimmung der pKS-Werte erfolgt an einem PCA 101 Gerät der Firma Sirius (London, England). 5.2 PHYSIKO-CHEMISCHE METHODEN Die physiko-chemischen Untersuchungen wurden in Kooperation mit Dr. Annette Meister, Arbeitsgruppe Prof. Dr. habil. Alfred Blume, Institut für Chemie der Martin-LutherUniversität, Halle-Wittenberg durchgeführt. Probenpräparation Die entsprechende Menge an reinem Bolaphospholipid wurde in Wasser bzw. D2O suspendiert und bis zum vollständigen Lösen auf 80 °C erhitzt und gevortext. Für Untersuchungen Physiko-chemische Methoden 89 an Mischungen von Bolaamphiphilen wurden diese gemeinsam in einem geeigneten organischen Lösungsmittel gelöst, eingeengt, im Vakuum getrocknet und in Wasser bzw. D2O aufgenommen. Differential Scanning Calorimetry (DSC) Die DSC-Messungen wurden an einem MicroCal VP-DSC der Firma MicroCal (Northampton, USA) durchgeführt. Die Probenlösungen (c = 1 mg/ml) wurden, ebenso wie das Wasser für die Referenzzelle, vor jeder Messung unter Vakuum entgast. Die Heizrate betrug 20 bzw. 60 K/h und die Messungen wurden in einem Temperaturintervall von 2 bis 95 °C durchgeführt. Um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, wurden drei aufeinander folgende Messungen von jeder Probe aufgenommen. Das Referenz-Thermogramm (Wasser/ Wasser–Basislinie) wurde vom jeweiligen Mess-Thermogramm subtrahiert. Die Auswertung der DSC-Messungen erfolgte mittels der MicroCal ORIGIN 7.0 Software. Transmission Electron Microscopy (TEM) Die cryo-TEM-Aufnahmen wurden in Kooperation mit G. Karlsson und Prof. Dr. M. Almgren, Institut für Physikalische und Analytische Chemie der Uppsala Universität, Schweden an einem Zeiss 902 A Instrument (80 kV) durchgeführt. Die Präparation der Proben erfolgte unter kontrollierten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen. Hierzu wurde ein Tropfen der Probenlösung (c = 1 mg/ml) auf einem EM-Netz, welches mit einem perforierten Polymerfilm beschichtet ist, platziert und die überschüssige Flüssigkeit mit einem Filterpapier entfernt. Der erhaltene dünne Film der Probenlösung, welcher die Löcher des Polymerfilmes überspannte, wurde durch plötzliches Abschrecken in flüssigem Ethan verglast. Die präparierten Proben wurden während der gesamten Dauer der mikroskopischen Untersuchung unter 108 K gehalten. Die negativ-kontrastierten, elektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden in Zusammenarbeit mit Dr. G. Hause, Biozentrum der Martin-Luther-Universität, Halle-Wittenberg erhalten. Die Präparation der Proben erfolgte unter kontrollierten Temperaturbedingungen. Hierzu wurden 5 µl der Probenlösung auf ein Kupfernetz, welches mit einem Formvar-Film beschichtet ist, gegeben. Nach einer Minute Inkubationszeit wurde die überschüssige Flüssigkeit mit einem Filterpapier entfernt und 5 µl einer wässrigen Uranylacetat-Lösung hinzugefügt, welche wiederum nach einer Minute entfernt wurde. Die Aufnahme der getrockneten Proben erfolgte an einem Zeiss EM 900. Small Angle Neutron Scattering (SANS) Die Kleinwinkel-Neutronenstreu-Experimente wurden am SANS-1 Instrument des FRG1 Forschungsreaktors im GKSS Forschungszentrum, Geesthacht unter der Leitung von Dr. V. M. Garamus durchgeführt. Hierbei wurden 4 Probe-Detektor-Abstände (im Bereich 0.7 bis 9.7 m) untersucht, um die vollständige Spannweite des Streuvektors q (0.005 bis 0.25 Å-1) zu 90 Experimentelles erfassen. Der Neutronenfluss betrug 2·108 cm-2s -1; die Wellenlänge der Neutronen betrug 8.1 Å. Die Messungen erfolgten unter isothermen Bedingungen (∆T = 0.5 K) in einem Temperaturbereich zwischen 10 und 70 °C. Die in D2O präparierten Proben der Bolaamphiphile wurden in Quarzzellen (Hellma, Müllheim, Deutschland) mit einer Schichtdicke von 5 mm gefüllt und vermessen. Die Rohdaten wurden unter Benutzung konventioneller Prozeduren181 vom Hintergrund des Lösungsmittels und der Probenzelle korrigiert. Die erhaltenen zweidimensionalen, isotropen Streuspektren wurden gemittelt, in eine Absolutwertskala überführt181 und auf die Konzentration c des Bolaamphiphils normiert. Polymerisierung / UV/VIS-Spektroskopie Die wässrigen Proben der polymerisierbaren Bolaamphiphile wurden in einer Quarzküvette (Schichtdicke 1 cm) mit einer Quecksilber-Niederdruck-UV-Lampe (254 nm, 15 W) unter kontrollierten Temperaturbedingungen bestrahlt. Durch vorsichtiges Rühren während der Bestrahlung wurde eine gleichmäßige Durchmischung gewährleistet. Die sich anschließenden UV-VIS-spektroskopischen Untersuchungen wurden an einem HP 84524 bzw. an einem HP 8453 Spektrometer mit temperierbarer Probenhalterung in einem Temperaturbereich zwischen 2 und 90 °C durchgeführt. Von den erhaltenen Spektren wurde das Lösungsmittelspektrum subtrahiert und die Daten mittels der MicroCal ORIGIN 7.0 Software ausgewertet. 5.3 VERWENDETE CHEMIKALIEN Alle eingesetzten Lösungsmittel wurden gereinigt und getrocknet182 sowie unmittelbar vor Gebrauch frisch destilliert. Kommerziell erworbene Substanzen Falls nichts anderes angegeben, wurden die Chemikalien von Sigma-Aldrich bezogen und unverändert eingesetzt. Allylbromid N-Allyl-N,N-dimethylamin (Fluka) 2-Aminoethanol, 99.5+ % Azidomethylphenylsulfid, 95 % Bis(2,2,2-trichlorethyl)phosphorsäurechlorid, 98 % 1-Bromdocosan 2-Bromethanol (Fluka) 8-Bromoct-1-en 1-Bromoctadecan 1-Bromtridecan 11-Bromundec-1-en 11-Bromundecan-1-ol, 98 % Bromwasserstoff, 48 % n-Butyllithium in Hexan, 1.6M 2-Chlor-2-oxo-1,3,2-dioxaphospholan 2-Chlorethylmethylsulfid, 97 % m-Chlorperbenzoesäure (Fluka) 3-Chlorpropanthiol, 98 % Cholinchlorid, 99+ % 1,3-Diaminopropan, 99 % Chemikalien 91 Dibenzyl-N,N-diisopropylphosphoramidit 1,10-Dibromdecan 1,12-Dibromdodecan, 98 % 1,12-Dibromdodecan-d24 (CDN-Isotopes) 1,7-Dibromheptan 1,6-Dibromhexan 1,9-Dibromnonan 1,8-Dibromoctan 1,5-Dibrompentan N,N’-Dicyclohexylcarbodiimid, 99 % Diethylamin (Fluka) 3,4-Dihydro-2H-pyran, 97 % 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2(1H)- pyrimidinon, 97.5 % Dimethylamin-Lösung, ethanolisch 5.6M (Fluka) 2-(Dimethylamino)ethanthiol – Hydrochlorid, 95 % 2-Dimethylaminoethanol, 99.5 % 4-Dimethylaminopyridin (Merck-Schuchardt) N,N-Dimethylethylendiamin, 98 % (Fluka) N,N-Dimethyl-N-ethylamin N,N-Dimethyl-N-propinylamin, 97 % Diphenylphosphosäurechlorid Disiamylboran Dodecandisäure, 99 % Ethylmagnesiumchlorid in THF, 2M Hexa-1,5-dien, 95 % (Fluka) 16-Hexadecanolid, 97 % Kalium-tert-butylat, 95 % Kupfer(II)acetat - Monohydrat, 99 % (Fluka) Kupfer(II)chlorid, 99.999 % (±)-α-Liponsäure, 99 % Lithiumbromid, 99+ % Lithiumchlorid, 99.99+ % Lithiumdraht, 99.9 % in Mineralöl 2-Mercaptoethanol Methansulfonsäurechlorid Methylamin-Lösung, ethanolisch 8M (Fluka) Methyldichlorphosphat, 85 % Natriumascorbat, 99 % (Fluka) Natriumazid (Merck-Schuchardt) Natriumhydrid 60 % in Mineralöl Natriumiodid (Carl Roth GmbH) Natriumtetraphenylborat Octa-1,7-dien, 98 % Octan-1,8-diol Octan-1,8-dithiol, 97+ % Oxalsäuredichlorid Palladium auf Aktivkohle 10 % Palladium auf Aktivkohle 5 % Palladiumhydroxid auf Aktivkohle 20 % (Acros Organics) Paraformaldehyd Pentadec-1-in, 97 % (Fluka) 15-Pentadecanolid, 98 % Phosphoroxychlorid Platin(IV)oxid Prop-2-in-1-ol, Propargyralkohol, 99 % (Fluka) Pyridiniumtosylat, 98 % Tetradec-1-in Tetradecandisäure, 99 % N,N,N’,N’-Tetramethylethylendiamin, 99 % N,N,N’,N’-Tetramethylpropylendiamin, 99+ % Tetra-n-butylammoniumiodid 1H-Tetrazol (Fluka) p-Toluolsulfonsäure (Fluka) p-Toluolsulfonsäurechlorid, 98 % Tridecandisäure, 94 % 2,4,6-Triisopropylbenzolsulfonsäurechlorid, 97 % Trimethylamin-Lösung, ethanolisch 4.2M (Fluka) Triphenylphosphin (Fluka) 92 Experimentelles 5.4 SYNTHESEVORSCHRIFTEN Verbindungen, welche nachfolgend mit (†) gekennzeichnet sind, wurden im Rahmen einer Diplomarbeit im Arbeitskreis von Prof. Dr. habil. Bodo Dobner synthetisiert. 5.4.1 SYNTHESE DER AUSGANGSVERBINDUNGEN 5.4.1.1 Darstellung der ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane 16-Hydroxyhexadecansäuremethylester – 34 34 wird aus 16-Hexadecanolid 32 nach einer Vorschrift von CUNDY91 dargestellt und ohne weitere Reinigung verwendet; ESI-MS: 288.2 [M+ + H], 309.5 [M+ + Na]. 15-Hydroxypentadecansäuremethylester – 35 35 wird aus 15-Pentadecanolid 33 nach einer Vorschrift von CUNDY91 dargestellt und ohne weitere Reinigung verwendet; ESI-MS: 273.4 [M+ + H], 295.4 [M+ + Na]. 16-Bromhexadecansäuremethylester – 36 36 wird aus 16-Hydroxyhexadecansäuremethylester 34 nach einer Vorschrift von MORI92 hergestellt und durch Säulenchromatographie mittels eines Heptan/Chloroform-Gradienten steigender Polarität gereinigt. 15-Brompentadecansäuremethylester – 37 37 wird aus 15-Hydroxypentadecansäuremethylester 35 nach einer Vorschrift von MORI92 hergestellt und durch Säulenchromatographie mittels eines Heptan/Chloroform-Gradienten steigender Polarität gereinigt. Die Überführung der ω-Bromester 36 und 37 in die entsprechenden ω-Bromalkohole (16- Bromhexadecan-1-ol 47, 15-Brompentadecan-1-ol 48) erfolgt nach einer Vorschrift von SALMON-LEGAGNEUR93 durch Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid in abs. Diethylether bei 0 °C, um die Reduktion des Bromatoms zu vermeiden. Die erhaltenen Bromalkohole werden ohne weitere Reinigung weiter verwendet. Tetradecan-1,14-diol – 44 44 wird aus Tetradecandisäure 38 durch Veresterung mit Methanol/Schwefelsäure und anschließender Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid in abs. Diethylether erhalten und ohne weitere Reinigung verwendet; ESI-MS: 231.5 [M+ + H], 253.5 [M+ + Na]. Synthese der Ausgangsverbindungen 93 Tridecan-1,13-diol – 45 45 wird aus Tridecandisäure 39 durch Veresterung mit Methanol/Schwefelsäure und anschließender Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid in abs. Diethylether erhalten und ohne weitere Reinigung verwendet; ESI-MS: 217.3 [M+ + H], 239.4 [M+ + Na]. Dodecan-1,12-diol – 46 46 wird aus Dodecandisäure 40 durch Veresterung mit Methanol/Schwefelsäure und anschließender Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid in abs. Diethylether erhalten und ohne weitere Reinigung verwendet; ESI-MS: 203.5 [M+ + H], 225.6 [M+ + Na]. 14-Bromtetradecan-1-ol – 49 49 wird aus Tetradecan-1,14-diol 44 nach einer Vorschrift von KANG94 dargestellt und ohne weitere Reinigung verwendet. Die experimentellen Daten stimmen mit der Literatur überein. 13-Bromtridecan-1-ol – 50 50 wird aus Tridecan-1,13-diol 45 nach einer Vorschrift von KANG94 dargestellt und ohne weitere Reinigung verwendet. Die experimentellen Daten stimmen mit der Literatur überein. 12-Bromdodecan-1-ol – 51 51 wird aus Dodecan-1,12-diol 46 nach einer Vorschrift von KANG94 dargestellt und ohne weitere Reinigung verwendet. Die experimentellen Daten stimmen mit der Literatur überein. Einführung der THP-Schutzgruppe Die Darstellung der ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane 53-58 erfolgt aus den entsprechenden ω-Bromalkoholen 47-52 in Anlehnung an die von MIYASHITA95 beschriebene Vorschrift. Hierzu wird eine Lösung des ω-Bromalkohols 47-52 (50 mmol) in abs. Methylenchlorid (150 ml) mit frisch destilliertem 3,4-Dihydro-2H-pyran (7.6 g, 90 mmol) sowie katalytischen Mengen an Pyridiniumtosylat versetzt und für 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Im Anschluss wird Wasser (150 ml) hinzugefügt, die organische Phase abgetrennt und die wässrige Phase mit Methylenchlorid (2× 25 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Die Reinigung erfolgt durch Säulenchromatographie mittels eines Heptan/DiethyletherGradienten steigender Polarität. 16-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]hexadecan – 53 53 wurde aus 16-Bromhexadecan-1-ol 47 (16.1 g) dargestellt. Die experimentellen Daten stimmen mit der Literatur überein. 94 Experimentelles 15-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]pentadecan – 54 54 wurde aus 15-Brompentadecan-1-ol 48 (15.4 g) dargestellt. Die experimentellen Daten stimmen mit der Literatur überein. 14-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]tetradecan – 55 55 wurde aus 14-Bromtetradecan-1-ol 49 (14.7 g) dargestellt. Die experimentellen Daten stimmen mit der Literatur überein.183 13-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]tridecan – 56 56 wurde aus 13-Bromtridecan-1-ol 50 (14.0 g) dargestellt. Die experimentellen Daten stimmen mit der Literatur überein.184 12-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]dodecan – 57 57 wurde aus 12-Bromdodecan-1-ol 51 (13.3 g) dargestellt. Die experimentellen Daten stimmen mit der Literatur überein.184 11-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]undecan – 58 58 wurde aus kommerziell erhältlichem 11-Bromundecan-1-ol 52 (12.6 g) dargestellt. Die experimentellen Daten stimmen mit der Literatur überein.184 5.4.1.2 Darstellung schwefelhaltiger 1,ω-Dichloralkane durch Photoaddition In einem ausgeheizten Quarzglaskolben werden unter Argonatmosphäre 3-Chlorpropanthiol 128 (2.5 g, 22,6 mmol) und das entsprechende, endständige Dien 126 bzw. 127 (10 mmol) in abs. Tetrachlorkohlenstoff (10 ml) gelöst und für 3 h mit einer Quecksilber-Niederdruck-UVLampe der Wellenlänge 254 nm bestrahlt. Zur Aufarbeitung wird der Ansatz mit Chloroform (100 ml) verdünnt, mit KOH-Lösung (2× 50 ml, 5 %) sowie mit Wasser (50 ml) gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Die Reinigung erfolgt über Säulenchromatographie unter Argonatmosphäre mittels eines Heptan/Diethylether-Gradienten steigender Polarität. Bei den Produkten handelt es sich um klare, farblose Flüssigkeiten. 1,14-Dichlor-4,11-dithiatetradecan – 129 (C12H24S2Cl2 – 303.36 g/mol) Ausbeute: 94 % (2.85 g) Rf: LM B: 0.50 MS: m/z: 304 [19 %, M+ Isotopenpeak], 302 [27 %, M+ ], 225 [16 %, M+ – C3H6Cl], 193 [67 %, M+ – SC3H6Cl] EA: ber. C 47.51, H 7.98, S 21.14, Cl 23.37 gef. C 47.32, H 8.14, S 20.88, Cl 22.69 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.35–1.42 (m, 4 H, −S(CH2)2(CH2)2(CH2)2S−), 1.54–1.61 (m, 4 H, −SCH2CH2(CH2)2CH2CH2S−), 2.01 (quin, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× Cl S S Cl Synthese der Ausgangsverbindungen 95 ClCH2CH2CH2S−), 2.49 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 H, −SCH2(CH2)4CH2S−), 2.64 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 H, ClCH2CH2CH2S−), 3.63 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, ClCH2CH2CH2S−) 1,16-Dichlor-4,13-dithiahexadecan – 130 (C14H28S2Cl2 – 331.41 g/mol) Ausbeute: 79 % (2.61 g) Rf: LM B: 0.51 MS: m/z: 332 [13 %, M+ Isotopenpeak], 330 [19 %, M+ ], 253 [14 %, M+ – C3H6Cl], 221 [79 %, M+ – SC3H6Cl] EA: ber. C 50.74, H 8.52, S 19.35, Cl 21.40 gef. C 50.62, H 8.59, S 18.97, Cl 21.02 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.25–1.41 (m, 8 H, −S(CH2)2(CH2)4(CH2)2S−), 1.52–1.60 (m, 4 H, −SCH2CH2(CH2)4CH2CH2S−), 2.01 (quin, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× ClCH2CH2CH2S−), 2.49 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 H, −SCH2(CH2)6CH2S−), 2.64 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 H, ClCH2CH2CH2S−), 3.63 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, ClCH2CH2CH2S−) 5.4.2 SYNTHESE LANGKETTIGER KOHLENSTOFF-GRUNDGERÜSTE 5.4.2.1 Darstellung der 1,ω-Diene Methode A: Synthese langkettiger 1,ω-Diene mittels GRIGNARD-Bis-Kupplung von ω- Bromalkenen mit 1,ω-Dibromalkanen Eine Lösung des ω-Bromalkens 1 resp. 7 (60 mmol) in abs. Diethylether (50 ml) wird langsam unter kräftigem Rühren und unter Argonatmosphäre zu Magnesiumspänen (2.1 g, 85 mmol) hinzugetropft. Nachdem die exotherme Reaktion abgeklungen ist, wird die Mischung für 2 h unter Rückfluss erhitzt. Im Anschluss wird das überschüssige Magnesium mittels inerter Filtration entfernt und die erhaltene GRIGNARD-Lösung bei 10 °C und vermindertem Druck eingeengt. Nach Zugabe von abs. THF (180 ml) wird die Lösung auf 0 °C bis –5 °C abgekühlt und eine frisch dargestellte Dilithiumtetrachlorocuprat(II)-Lösung (3.5 ml, 0.1 M Lösung in THF) eingespritzt. Zu dieser Mischung wird eine Lösung des 1,ω- Dibromalkans 3, 8-12 resp. 73 (20 mmol) in abs. THF (20 ml) bei 0 °C hinzugegeben. Nach 3 h bei 0 °C wird der Ansatz mit Diethylether (100 ml) und kalt-gesättigter NH4Cl-Lösung (150 ml) verdünnt, die organische Phase abgetrennt und die wässrige Phase zweimal mit Diethylether (50 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Zur Abtrennung der polaren Bestandteile wird der Rückstand in trockenem Heptan aufgenommen und über Kieselgel (100 g, 0.063 – 0.200 mm) filtriert. Zur Abtrennung der kurzkettigen Nebenprodukte wird der Rückstand in abs. THF/Diethylether (100 ml, 1/1, V/V) gelöst und mit abs. Aceton (ca. 70 ml) versetzt. Der S S Cl Cl 96 Experimentelles entstandene Niederschlag wird abfiltriert und über P2O5 getrocknet. Im Falle der kurzkettigen Diene 15, 16 sowie ungeradzahligen Diene 18-20 wird abs. Methanol anstelle des Acetons verwendet. 1,ω-Diene mit geradzahliger Kohlenstoffkette: Dotriaconta-1,31-dien – 4 (C32H62 – 446.83 g/mol) 4 wurde nach Methode A aus 1 (14.0 g) und 3 (6.0 g) synthetisiert. Ausbeute: 87 % (7.8 g) Rf: LM A: 0.60 MS: ESI: 446 [M+ ] EA: ber. C 86.01, H 13.99 gef. C 86.01, H 13.96 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.28 (m, 48 H, =CHCH2CH2(CH2)24CH2CH2CH=), 1.32–1.39 (m, 4 H, =CHCH2CH2(CH2)24CH2CH2CH=), 1.99–2.05 (m, 4 H, 2× H2C=CHCH2−), 4.88–5.00 (m, 4 H, 2× H2C=), 5.82 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.4 Hz, 3JCH/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, 2× =CH−) Triaconta-1,29-dien – 13 (C30H58 – 418.78 g/mol) 13 wurde nach Methode A aus 1 (14.0 g) und 8 (5.4 g) synthetisiert. Ausbeute: 80 % (6.7 g) Rf: LM A: 0.59 MS: ESI: 418 [M+ ] EA: ber. C 86.04, H 13.96 gef. C 86.06, H 13.76 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.28 (m, 44 H, =CHCH2CH2(CH2)22CH2CH2CH=), 1.33–1.39 (m, 4 H, =CHCH2CH2(CH2)22CH2CH2CH=), 1.99–2.04 (m, 4 H, 2× H2C=CHCH2−), 4.89–4.99 (m, 4 H, 2× H2C=), 5.81 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.4 Hz, 3JCH/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, 2× =CH−) Octacosa-1,27-dien – 14 (C28H54 – 390.73 g/mol) 14 wurde nach Methode A aus 1 (14.0 g) und 9 (4.9 g) synthetisiert. Ausbeute: 75 % (5.9 g) Rf: LM A: 0.57 MS: ESI: 390 [M+ ] EA: ber. C 86.07, H 13.93 gef. C 85.90, H 13.98 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.29 (m, 40 H, =CHCH2CH2(CH2)20CH2CH2CH=), 1.33–1.40 (m, 4 H, =CHCH2CH2(CH2)20CH2CH2CH=), 1.99–2.05 (m, 4 H, 2× H2C 28 CH2 H2C 26 CH2 H2C 24 CH2 Synthese der 1,ω-Diene 97 H2C=CHCH2−), 4.89–5.00 (m, 4 H, 2× H2C=), 5.80 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.4 Hz, 3JCH/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, 2× =CH−) Hexacosa-1,25-dien – 15 (C26H50 – 362.67 g/mol) 15 wurde nach Methode A aus 7 (11.5 g) und 3 (6.0 g) synthetisiert. Ausbeute: 82 % (5.9 g) Rf: LM A: 0.55 MS: ESI: 362 [M+ ] EA: ber. C 86.10, H 13.90 gef. C 85.95, H 13.88 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.28 (m, 36 H, =CHCH2CH2(CH2)18CH2CH2CH=), 1.33–1.38 (m, 4 H, =CHCH2CH2(CH2)18CH2CH2CH=), 2.00–2.04 (m, 4 H, 2× H2C=CHCH2−), 4.89–4.99 (m, 4 H, 2× H2C=), 5.80 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.4 Hz, 3JCH/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, 2× =CH−) Tetracosa-1,23-dien – 16 (C24H46 – 334.62 g/mol) 16 wurde nach Methode A aus 7 (11.5 g) und 8 (5.4 g) synthetisiert. Ausbeute: 78 % (5.2 g) Rf: LM A: 0.55 MS: ESI: 334 [M+ ] EA: ber. C 86.14, H 13.86 gef. C 86.08, H 13.91 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.23–1.27 (m, 32 H, =CHCH2CH2(CH2)16CH2CH2CH=), 1.32–1.39 (m, 4 H, =CHCH2CH2(CH2)16CH2CH2CH=), 1.97–2.04 (m, 4 H, 2× H2C=CHCH2−), 4.87–4.99 (m, 4 H, 2× H2C=), 5.80 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.4 Hz, 3JCH/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, 2× =CH−) Tetratriaconta-1,33-dien – 74 (C34H66 – 474.89 g/mol) 74 wurde nach Methode A aus 1 (14.0 g) und 73 (6.6 g) synthetisiert. Ausbeute: 77 % (7.3 g) Rf: LM A: 0.60 MS: ESI: 474 [M+ ] EA: ber. C 85.99, H 14.01 gef. C 85.91, H 14.07 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.29 (m, 52 H, =CHCH2CH2(CH2)26CH2CH2CH=), 1.34–1.37 (m, 4 H, =CHCH2CH2(CH2)26CH2CH2CH=), 2.00–2.05 (m, 4 H, 2× H2C=CHCH2−), 4.89–5.00 (m, 4 H, 2× H2C=), 5.81 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.4 Hz, 3JCH/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, 2× =CH−) H2C 22 CH2 H2C 20 CH2 H2C 30 CH2 98 Experimentelles 1,ω-Diene mit ungeradzahliger Kohlenstoffkette: Hentriaconta-1,30-dien – 18 (C31H60 – 432.81 g/mol) 18 wurde nach Methode A aus 1 (14.0 g) und 10 (5.7 g) synthetisiert. Ausbeute: 75 % (6.5 g) Rf: LM A: 0.59 MS: ESI: 432 [M+ ] EA: ber. C 86.03, H 13.97 gef. C 85.92, H 13.91 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.28 (m, 46 H, =CHCH2CH2(CH2)23CH2CH2CH=), 1.32–1.39 (m, 4 H, =CHCH2CH2(CH2)23CH2CH2CH=), 1.99–2.05 (m, 4 H, 2× H2C=CHCH2−), 4.89–5.00 (m, 4 H, 2× H2C=), 5.81 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.4 Hz, 3JCH/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, 2× =CH−) Nonacosa-1,28-dien – 19 (C29H56 – 404.75 g/mol) 19 wurde nach Methode A aus 1 (14.0 g) und 11 (5.2 g) synthetisiert. Ausbeute: 72 % (5.8 g) Rf: LM A: 0.56 MS: ESI: 404 [M+ ] EA: ber. C 86.05, H 13.95 gef. C 85.82, H 14.07 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.29 (m, 42 H, =CHCH2CH2(CH2)21CH2CH2CH=), 1.33–1.39 (m, 4 H, =CHCH2CH2(CH2)21CH2CH2CH=), 1.99–2.05 (m, 4 H, 2× H2C=CHCH2−), 4.89–5.00 (m, 4 H, 2× H2C=), 5.80 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.4 Hz, 3JCH/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, 2× =CH−) Heptacosa-1,26-dien – 20 (C27H52 – 376.70 g/mol) 20 wurde nach Methode A aus 1 (14.0 g) und 12 (4.6 g) synthetisiert. Ausbeute: 70 % (5.3 g) Rf: LM A: 0.57 MS: ESI: 376 [M+ ] EA: ber. C 86.08, H 13.92 gef. C 85.93, H 14.10 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.29 (m, 38 H, =CHCH2CH2(CH2)19CH2CH2CH=), 1.33–1.39 (m, 4 H, =CHCH2CH2(CH2)19CH2CH2CH=), 1.99–2.05 (m, 4 H, 2× H2C=CHCH2−), 4.89–5.00 (m, 4 H, 2× H2C=), 5.80 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.4 Hz, 3JCH/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, 2× =CH−) H2C 27 CH2 H2C 25 CH2 H2C 23 CH2 Synthese der 1,ω-Diole 99 5.4.2.2 Darstellung der 1,ω-Diole Methode B: Synthese langkettiger 1,ω-Diole durch Hydroborierung und Oxidation der entsprechenden Diene In einem 250ml-Dreihalskolben werden 40 ml einer Boran-THF-Lösung (1 M) unter Argonatmosphäre auf –10 °C herabgekühlt. Eine Lösung von 2-Methylbut-2-en in abs. THF (40 ml, 2 M) wird langsam bei dieser Temperatur hinzugetropft und für weitere 2 h bei 0 °C gerührt. Im Anschluss wird eine Lösung des Diens 4, 13-20 resp. 74 (10 mmol) in abs. THF (40 ml) bei 0 °C zugetropft und die Mischung für mind. 18 h bei Raumtemperatur gerührt. Nachdem die DC-Kontrolle (LM A) die komplette Umsetzung des Diens zeigt, werden für die Aufarbeitung Ethanol (30 ml), NaOH (10 ml, 6 N) und H2O2 (20 ml, 30 %) langsam hinzugetropft und der Ansatz für 3 h auf 50 °C erwärmt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird festes K2CO3 zum Ansatz hinzugegeben, die organische Phase abgetrennt und der wässrige Rückstand mehrfach mit Diethylether (50 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Das weiße, kristalline Rohprodukt wird zur Reinigung mehrfach aus Heptan/Methanol umkristallisiert. Methode C: Synthese langkettiger 1,ω-Diole über GRIGNARD-Bis-Kupplung von ω-Brom- 1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkanen mit 1,ω-Dibromalkanen Eine Lösung des ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkans 53-58 (60 mmol) in abs. THF (50 ml) wird langsam unter kräftigem Rühren und unter Argonatmosphäre zu Magnesiumspänen (2.1 g, 85 mmol) hinzugetropft. Nachdem die exotherme Reaktion abgeklungen ist, wird die Mischung für 2 h auf 50 °C erhitzt. Im Anschluss wird das überschüssige Magnesium mittels inerter Filtration entfernt, die erhaltene GRIGNARD-Lösung auf 0 °C bis –5 °C abgekühlt und eine frisch dargestellte Dilithiumtetrachlorocuprat(II)-Lösung (3.5 ml, 0.1 M Lösung in THF) eingespritzt. Zu dieser Mischung wird eine Lösung des 1,ω- Dibromalkans 3, 8, 9 resp. 75 (20 mmol) in abs. THF (20 ml) bei 0 °C hinzugegeben. Nach 3 h bei 0 °C wird der Ansatz mit Diethylether (100 ml) und kalt-gesättigter NH4Cl-Lösung (150 ml) verdünnt, die organische Phase abgetrennt und die wässrige Phase zweimal mit Diethylether (50 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Zur Abspaltung der THP-Schutzgruppen wird das Rohprodukt des Bis(tetrahydropyranylethers) 59-64, 76 in trockenem Methanol (100 ml) suspendiert, mit katalytischen Mengen an PyrTos versetzt und für 3 h unter Rückfluss erhitzt. Der entstehende weiße Niederschlag wird heiß abfiltriert und mehrfach aus Heptan/Methanol umkristallisiert. 100 Experimentelles Methode D: Synthese langkettiger 1,ω-Diole über GRIGNARD-Mono-Kupplung der ω- Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkane Eine Lösung des ω-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkans 53-58 (22 mmol) in abs. THF (50 ml) wird langsam unter kräftigem Rühren und unter Argonatmosphäre zu Magnesiumspänen (0.8 g, 33 mmol) hinzugetropft. Nachdem die exotherme Reaktion abgeklungen ist, wird der Ansatz für 3 h auf 55 °C erwärmt. Im Anschluss wird das überschüssige Magnesium mittels inerter Filtration entfernt, die GRIGNARD-Lösung auf –5 °C heruntergekühlt und eine frisch dargestellte Dilithiumtetrachlorocuprat(II)-Lösung (3.5 ml, 0.1 M Lösung in THF) eingespritzt. Zu dieser Mischung wird eine Lösung des gleichen ω-Brom-1- [(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]alkans 53-58 (19 mmol) in abs. THF (50 ml) gegeben und der Ansatz wird für weitere 3 h bei 0 °C gerührt. Zur Aufarbeitung wird mit Diethylether (150 ml) und kalt-gesättigter NH4Cl-Lösung (150 ml) verdünnt, die organische Phase abgetrennt und der wässrige Rückstand mehrfach mit Diethylether (50 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Zur Abspaltung der THP-Schutzgruppen wird das Rohprodukt des Bis(tetrahydropyranylethers) 59-64 in trockenem Methanol (100 ml) suspendiert, mit katalytischen Mengen an PyrTos versetzt und für 3 h unter Rückfluss erhitzt. Der entstehende weiße Niederschlag wird heiß abfiltriert und mehrfach aus Heptan/Methanol umkristallisiert. 1,ω-Diole mit geradzahliger Kohlenstoffkette: Dotriacontan-1,32-diol – 5 (C32H66O2 – 482.86 g/mol) 5 wurde nach Methode B aus 4 (4.47 g) und nach Methode D aus 53 (16.62 g) synthetisiert. Ausbeute: Methode B: 95 % (4.59 g); Methode D: 63 % (5.80 g) Rf: LM D: 0.18 Fp: a: 115 – 116 °C; b: 114.9 – 115.1 °C MS: m/z 482 [5 %, M+ ], 446 [19 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 79.59, H 13.78 gef. C 79.40, H 13.71 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.34 (m, 56 H, HOCH2CH2(CH2)28CH2CH2OH), 1.51–1.56 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)28CH2CH2OH), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Triacontan-1,30-diol – 21 (C30H62O2 – 454.81 g/mol) 21 wurde nach Methode B aus 13 (4.19 g) und nach Methode D aus 54 (16.05 g) synthetisiert. Ausbeute: Methode B: 91 % (4.14 g); Methode D: 55 % (4.80 g) Rf: LM D: 0.18 Fp: a: 112 – 114 °C MS: m/z 454 [7 %, M+ ], 418 [16 %, M+ – 2 H20] HO OH 32 HO OH 30 Synthese der 1,ω-Diole 101 EA: ber. C 79.22, H 13.74 gef. C 79.16, H 13.69 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.23–1.34 (m, 52 H, HOCH2CH2(CH2)26CH2CH2OH), 1.52–1.58 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)26CH2CH2OH), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Octacosan-1,28-diol – 22 (C28H58O2 – 426.76 g/mol) 22 wurde nach Methode B aus 14 (3.91 g) synthetisiert. Ausbeute: 87 % (3.71 g) Rf: LM D: 0.20 Fp: a: 109 – 111 °C MS: m/z 426 [15 %, M+ ], 390 [33 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 78.80, H 13.70 gef. C 78.78, H 13.68 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.35 (m, 48 H, HOCH2CH2(CH2)24CH2CH2OH), 1.53–1.57 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)24CH2CH2OH), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Hexacosan-1,26-diol – 23 (C26H54O2 – 398.70 g/mol) 23 wurde nach Methode B aus 15 (3.63 g) und nach Methode D aus 56 (14.90 g) synthetisiert. Ausbeute: Methode B: 90 % (3.59 g); Methode D: 60 % (4.50 g) Rf: LM D: 0.19 Fp: a: 106 – 108 °C MS: m/z 398 [1 %, M+ ], 362 [17 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 78.32, H 13.65 gef. C 78.19, H 13.59 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.35 (m, 44 H, HOCH2CH2(CH2)22CH2CH2OH), 1.53–1.58 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)22CH2CH2OH), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Tetracosan-1,24-diol – 24 (C24H50O2 – 370.65 g/mol) 24 wurde nach Methode B aus 16 (3.35 g) synthetisiert. Ausbeute: 85 % (3.15 g) Rf: LM D: 0.22 Fp: a: 102 – 103 °C MS: m/z 370 [1 %, M+ ], 334 [12 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 77.77, H 13.60 gef. C 77.68, H 13.56 HO OH 28 HO OH 24 HO OH 26 102 Experimentelles 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.23–1.34 (m, 40 H, HOCH2CH2(CH2)20CH2CH2OH), 1.52–1.57 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)20CH2CH2OH), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Docosan-1,22-diol – 25 (C22H46O2 – 342.60 g/mol) 25 wurde nach Methode D aus 58 (13.75 g) synthetisiert. Ausbeute: 65 % (4.20 g) Rf: LM D: 0.23 Fp: a: 96 – 98 °C MS: m/z 342 [2 %, M+ ], 306 [20 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 77.13, H 13.54 gef. C 76.97, H 13.50 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.22–1.33 (m, 36 H, HOCH2CH2(CH2)18CH2CH2OH), 1.52–1.56 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)18CH2CH2OH), 3.63 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Tetratriacontan-1,34-diol – 77 (C34H70O2 – 510.92 g/mol) 77 wurde nach Methode B aus 74 (4.75 g) synthetisiert. Ausbeute: 88 % (4.50 g) Rf: LM D: 0.18 Fp: b: 117.0 – 118.0 °C MS: m/z 510 [5 %, M+ ], 474 [70 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 79.93, H 13.81 gef. C 79.81, H 13.74 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.25–1.35 (m, 64 H, HOCH2CH2(CH2)30CH2CH2OH), 1.51–1.57 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)30CH2CH2OH), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Hexatriacontan-1,36-diol – 78 (C36H74O2 – 538.97 g/mol) 78 wurde nach Methode C aus 58 (20.10 g) und 75 (7.12 g) synthetisiert. Ausbeute: 67 % (7.22 g) Rf: LM D: 0.14 Fp: b: 116.0 °C MS: m/z 538 [4 %, M+ ], 502 [36 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 80.22, H 13.84 gef. C 80.04, H 14.09 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.21–1.31 (m, 64 H, HOCH2CH2(CH2)32CH2CH2OH), 1.51–1.55 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)32CH2CH2OH), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) HO OH 34 HO OH 36 HO OH 22 Synthese der 1,ω-Diole 103 1,ω-Diole mit ungeradzahliger Kohlenstoffkette: Hentriacontan-1,31-diol – 26 (C31H64O2 – 468.84 g/mol) 26 wurde nach Methode B aus 18 (4.33 g) synthetisiert. Ausbeute: 85 % (3.99 g) Rf: LM D: 0.21 Fp: b: 112.0 – 113.4 °C MS: m/z 468 [1 %, M+ ], 432 [32 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 79.41, H 13.76 gef. C 79.33, H 13.83 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.16–1.23 (m, 54 H, HOCH2CH2(CH2)27CH2CH2OH), 1.41–1.48 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)27CH2CH2OH), 3.49 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Nonacosan-1,29-diol – 27 (C29H60O2 – 440.78 g/mol) 27 wurde nach Methode B aus 19 (4.05 g) synthetisiert. Ausbeute: 88 % (3.88 g) Rf: LM D: 0.20 Fp: b: 110.5 – 111.8 °C MS: m/z 440 [1 %, M+ ], 404 [18 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 79.02, H 13.72 gef. C 78.89, H 13.78 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.14–1.22 (m, 50 H, HOCH2CH2(CH2)25CH2CH2OH), 1.39–1.46 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)25CH2CH2OH), 3.46 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Heptacosan-1,27-diol – 28 (C27H56O2 – 412.73 g/mol) 28 wurde nach Methode B aus 20 (3.77 g) synthetisiert. Ausbeute: 82 % (3.38 g) Rf: LM D: 0.23 Fp: b: 105.5 – 106.0 °C MS: m/z 412 [1 %, M+ ], 376 [18 %, M+ – 2 H20] EA: ber. C 78.57, H 13.68 gef. C 78.30, H 13.27 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.16–1.23 (m, 46 H, HOCH2CH2(CH2)23CH2CH2OH), 1.42–1.49 (m, 4 H, HOCH2CH2(CH2)23CH2CH2OH), 3.49 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) HO OH 31 HO OH 29 HO OH 27 104 Experimentelles 5.4.3 SYNTHESE DER N-METHYL-SUBSTITUIERTEN BIS(PHOSPHOETHANOLAMINE) Methode E: Darstellung der Bis(phosphocholine), Bis(phosphodimethylethanolamine) und Bis(phosphomonomethylethanolamine) über Phosphorylierung und Quarternierung der 1,ω-Diole In einem ausgeheizten Kolben wird frisch destilliertes β-Bromethylphosphorsäuredichlorid (1.93 g, 8 mmol) in abs. Chloroform (20 ml) gelöst, auf 0 °C gekühlt und unter Rühren langsam mit einer Lösung von trockenem TEA (1.42 g, 14 mmol) in abs. Chloroform (20 ml) versetzt. Der Ansatz wird für 30 min bei 0 °C gerührt. Im Anschluss wird das 1,ω-Diol 5, 21- 28, 77 resp. 78 (1 mmol) in fester Form hinzugegeben und die Suspension langsam auf maximal 60 °C erwärmt, bis der Feststoff vollständig in Lösung gegangen ist. Die nun schwach rot gefärbte Lösung wird rasch auf Raumtemperatur abgekühlt und für weitere 24 – 48 h bei dieser Temperatur gerührt, bis die DC-Kontrolle (LM D) die vollständige Umsetzung des Diols zeigt. Zur Aufarbeitung wird das gleiche Volumen an Eis (ca. 40 ml) hinzugegeben und die Mischung für 2 h kräftig gerührt. Die organische Phase wird abgetrennt, der wässrige Rückstand mit kalt-gesättigter NaCl-Lösung (50 ml) versetzt und mehrfach mit Chloroform (50 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Zur vollständigen Hydrolyse wird der ölige Rückstand in einer THF/Wasser-Mischung (9/1, V/V, 30 ml) aufgenommen und für 1.5 h bei Raumtemperatur gerührt. Für die Quarternierung wird der Ansatz vorsichtig bei 40 °C eingeengt, in einer Mischung aus abs. Chloroform (30 ml) und abs. Acetonitril (30 ml) aufgenommen und mit einer ethanolischen Lösung des Amins (10 ml) versetzt. Diese Mischung wird in einem geschlossenen Kolben für 48 – 72 h auf 40 – 45 °C erwärmt. Nachdem die DC-Kontrolle (LM F, G bzw. H) die Bildung der Bis(phosphocholine) 6, 65-72, 79 resp. 80, der Bis(phosphodimethylethanolamine) 81-87 sowie des Bis(phosphomonomethylethanolamins) 88 anzeigt, wird der komplette Ansatz vorsichtig bei 45 °C eingeengt und in wenig abs. Chloroform/ Methanol (1/1, V/V) aufgenommen. Die Reinigung erfolgt mittels MPLC unter Verwendung von Chloroform/Methanol/Wasser-Gemischen steigender Polarität als Elutionsmittel. Die Produkte werden im Anschluss für mind. zwei Tage über P2O5 getrocknet. Für physikochemische Charakterisierungen werden die Produkte in sehr wenig abs. Chloroform/Methanol (1/1, V/V) aufgenommen, auf 4 °C abgekühlt und mit ca. dem 10-fachen Volumen an abs. Aceton versetzt. Der sich bildende weiße Niederschlag wird bei 4 °C abzentrifugiert und im Vakuum über P2O5 getrocknet. 5.4.3.1 Darstellung der Bis(phosphocholine) Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 6 PC-C32-PC (C42H90N2O8P2 – 813.12 g/mol) Ausbeute: 60 % (0.49 g) O O 32 P P O O O N O O O N Synthese N-Methyl-substituierter Bis(phosphoethanolamine) 105 Rf: LM H: 0.19 MS: ESI: positiv: 813.8 [M+ + H], 835.7 [M+ + Na] EA: ber. C 60.69, H 11.16, N 3.37 (+ 1 H2O) gef. C 60.72, H 11.23, N 3.53 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.15–1.22 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.47–1.54 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 3.11 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.47–3.51 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.74 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)28CH2CH2O−), 4.10–4.12 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.65 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)13−), 29.26 (2× −O(CH2)15CH2−), 29.45−29.52 (2× −O(CH2)3(CH2)12CH2−), 30.62 und 30.70 (d, 3 JC,P = 7.4 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)14−), 54.12−54.19 (6× −CH3), 58.63 und 58.68 (d, 2 JC,P = 5.9 Hz, 2× NCH2CH2O−), 65.72 und 65.78 (d, 2 JC,P = 5.9 Hz, 2× −OCH2(CH2)15−), 66.44 ppm (b, 2× NCH2CH2O−) Triacontan-1,30-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 65 PC-C30-PC (C40H86N2O8P2 – 785.06 g/mol) Ausbeute: 58 % (0.46 g) Rf: LM H: 0.20 MS: ESI: positiv: 785.8 [M+ + H], 807.7 [M+ + Na] EA: ber. C 58.51, H 11.05, N 3.41 (+ 2 H2O) gef. C 58.52, H 10.98, N 3.41 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.09–1.19 (m, 52 H, −O(CH2)2(CH2)26(CH2)2O−), 1.42–1.46 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)26CH2CH2O−), 3.04 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.40–3.42 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.68 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)26CH2CH2O−), 4.04–4.05 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.56 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)12−), 29.18−29.40 (2× −O(CH2)3(CH2)12−), 30.41 und 30.52 (d, 3 JC,P = 7.4 Hz, 2× −OCH2CH2 (CH2)13−), 53.97−54.05 (6× −CH3), 58.51 und 58.56 (d, 2 JC,P = 4.4 Hz, 2× NCH2CH2O−), 65.66 und 65.72 (d, 2 JC,P = 5.9 Hz, 2× −OCH2(CH2)14−), 66.38 ppm (b, 2× NCH2CH2O−) Octacosan-1,28-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 66 PC-C28-PC (C38H82N2O8P2 – 757.01 g/mol) Ausbeute: 62 % (0.47 g) Rf: LM H: 0.18 MS: ESI: positiv: 757.8 [M+ + H], 779.4 [M+ + Na] EA: ber. C 57.55, H 10.93, N 3.53 (+ 2 H2O) gef. C 57.59, H 11.04, N 3.41 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.01–1.15 (m, 48 H, −O(CH2)2(CH2)24(CH2)2O−), 1.36–1.43 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)24CH2CH2O−), 2.98 (s, 18 H, 6× −CH3), O O 30 P P O O O N O O O N O O 28 P P O O O N O O O N 106 Experimentelles 3.34–3.36 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.63 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)24CH2CH2O−), 3.96–4.02 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Hexacosan-1,26-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 67 PC-C26-PC (C36H78N2O8P2 – 728.96 g/mol) Ausbeute: 65 % (0.47 g) Rf: LM H: 0.23 MS: ESI: positiv: 730.0 [M+ + H], 751.9 [M+ + Na] EA: ber. C 56.52, H 10.81, N 3.66 (+ 2 H2O) gef. C 56.54, H 10.89, N 3.59 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 0.93–1.05 (m, 44 H, −O(CH2)2(CH2)22(CH2)2O−), 1.26–1.33 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)22CH2CH2O−), 2.88 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.25–3.27 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.53 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)22CH2CH2O−), 3.89–3.90 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Tetracosan-1,24-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 68 PC-C24-PC (C34H74N2O8P2 – 700.91 g/mol) Ausbeute: 60 % (0.42 g) Rf: LM H: 0.17 MS: ESI: positiv: 701.8 [M+ + H], 723.7 [M+ + Na], 1423.8 [2 M+ + Na] EA: ber. C 55.41, H 10.67, N 3.80 (+ 2 H2O) gef. C 55.53, H 10.71, N 3.72 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 0.89–0.99 (m, 40 H, −O(CH2)2(CH2)20(CH2)2O−), 1.22–1.29 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)20CH2CH2O−), 2.84 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.21–3.23 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.49 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)20CH2CH2O−), 3.83–3.88 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.23 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)9−), 28.81 (2× −O(CH2)11CH2−), 29.07 (b, 2× −O(CH2)3(CH2)8CH2−), 30.17 und 30.25 (d, 3 JC,P = 6.9 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)10−), 53.30–53.38 (6× −CH3), 58.31 und 58.35 (d, 2 JC,P = 4.6 Hz, 2× NCH2CH2O−), 65.30 und 65.36 (d, 2 JC,P = 5.4 Hz, 2× −OCH2(CH2)11−), 65.89 ppm (b, 2× NCH2CH2O−) Docosan-1,22-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 69 PC-C22-PC (C32H70N2O8P2 – 672.85 g/mol) Ausbeute: 54 % (0.36 g) Rf: LM H: 0.22 MS: ESI: positiv: 673.6 [M+ + H], 695.6 [M+ + Na] EA: ber. C 54.22, H 10.53, N 3.95 (+ 2 H2O) gef. C 54.29, H 10.56, N 3.83 O O 26 P P O O O N O O O N O O 24 P P O O O N O O O N O O 22 P P O O O N O O O N Synthese N-Methyl-substituierter Bis(phosphoethanolamine) 107 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 0.86–0.94 (m, 36 H, −O(CH2)2(CH2)18(CH2)2O−), 1.17–1.26 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)18CH2CH2O−), 2.81 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.17–3.20 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.44 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)18CH2CH2O−), 3.80–3.84 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Tetratriacontan-1,34-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 79 PC-C34-PC (C44H94N2O8P2 – 841.17 g/mol) Ausbeute: 60 % (0.50 g) Rf: LM H: 0.23 MS: ESI: positiv: 841.7 [M+ + H], 863.6 [M+ + Na], 1705.1 [2 M+ + Na] EA: ber. C 60.24, H 11.26, N 3.19 (+ 2 H2O) gef. C 60.07, H 11.18, N 3.05 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.15–1.27 (m, 60 H, −O(CH2)2(CH2)30(CH2)2O−), 1.47–1.54 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)30CH2CH2O−), 3.11 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.48–3.50 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.75 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)30CH2CH2O−), 4.11–4.12 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Hexatriacontan-1,36-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 80 PC-C36-PC (C46H98N2O8P2 – 869.22 g/mol) Ausbeute: 62 % (0.54 g) Rf: LM H: 0.21 MS: ESI: positiv: 869.7 [M+ + H], 891.6 [M+ + Na], 1761.1 [2 M+ + Na] EA: ber. C 61.03, H 11.36, N 3.09 (+ 2 H2O) gef. C 60.89, H 11.35, N 3.01 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 0.98–1.09 (m, 64 H, −O(CH2)2(CH2)32(CH2)2O−), 1.31–1.38 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)32CH2CH2O−), 2.93 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.29–3.32 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.58 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)32CH2CH2O−), 3.91–3.97 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Bis(phosphocholine) mit ungeradzahliger Kohlenstoffkette: Hentriacontan-1,31-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 70 PC-C31-PC (C41H88N2O8P2 – 799.09 g/mol) Ausbeute: 58 % (0.46 g) Rf: LM H: 0.19 MS: ESI: positiv: 799.6 [M+ + H], 821.5 [M+ + Na], 1620.1 [2 M+ + Na] EA: ber. C 58.96, H 11.12, N 3.35 (+ 2 H2O) gef. C 59.06, H 11.13, N 3.29 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.04–1.13 (m, 54 H, −O(CH2)2(CH2)27(CH2)2O−), 1.37–1.44 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)27CH2CH2O−), 2.99 (s, 18 H, 6× −CH3), O O 34 P P O O O N O O O N O O 31 P P O O O N O O O N O O 36 P P O O O N O O O N 108 Experimentelles 3.34–3.37 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.63 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)27CH2CH2O−), 3.97–4.02 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.76 (−O(CH2)2CH2(CH2)25CH2(CH2)2O−), 29.36 (−O(CH2)15CH2(CH2)15O−), 29.51–29.61 (b, −O(CH2)3(CH2)12CH2(CH2)12 (CH2)3O−), 30.74 und 30.82 (d, 3 JC,P = 7.7 Hz, −OCH2CH2(CH2)27CH2CH2O−), 54.23–54.30 (6× −CH3), 58.73 und 58.78 (d, 2 JC,P = 3.8 Hz, 2× NCH2CH2O−), 65.74 und 65.80 (d, 2 JC,P = 5.4 Hz, −OCH2(CH2)29CH2O−), 66.50 ppm (b, 2× NCH2CH2O−) Nonacosan-1,29-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 71 PC-C29-PC (C39H84N2O8P2 – 771.04 g/mol) Ausbeute: 55 % (0.42 g) Rf: LM H: 0.23 MS: ESI: positiv: 771.5 [M+ + H], 793.4 [M+ + Na], 1564.0 [2 M+ + Na] EA: ber. C 58.04, H 11.00, N 3.47 (+ 2 H2O) gef. C 58.03, H 11.23, N 3.35 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.06–1.17 (m, 50 H, −O(CH2)2(CH2)25(CH2)2O−), 1.39–1.46 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)25CH2CH2O−), 3.01 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.37–3.39 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.66 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)25CH2CH2O−), 3.99–4.06 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Heptacosan-1,27-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 72 PC-C27-PC (C37H80N2O8P2 – 742.98 g/mol) Ausbeute: 60 % (0.45 g) Rf: LM H: 0.22 MS: ESI: positiv: 743.6 [M+ + H], 765.5 [M+ + Na], 1507.9 [2 M+ + Na] EA: ber. C 57.04, H 10.87, N 3.60 (+ 2 H2O) gef. C 57.11 H 10.97, N 3.56 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.04–1.15 (m, 46 H, −O(CH2)2(CH2)23(CH2)2O−), 1.37–1.44 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)23CH2CH2O−), 2.99 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.34–3.37 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.63 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)23CH2CH2O−), 3.97–4.02 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 5.4.3.2 Darstellung der Bis(phosphodimethylethanolamine) Tetratriacontan-1,34-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 81 (C42H90N2O8P2 – 813.12 g/mol) Me2PE-C34-Me2PE Ausbeute: 69 % (0.56 g) Rf: LM F: 0.52 O O 29 P P O O O N O O O N O O 27 P P O O O N O O O N O O 17 P P O N OH O O N OH O Synthese N-Methyl-substituierter Bis(phosphoethanolamine) 109 MS: ESI: negativ: 811.8 [M+ – H] positiv: 813.7 [M+ + H], 835.6 [M+ + Na] EA: ber. C 60.69, H 11.16, N 3.37 (+ 1 H2O) gef. C 60.59, H 10.84, N 3.42 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.20–1.30 (m, 60 H, −O(CH2)2(CH2)30(CH2)2O−), 1.53–1.60 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)30CH2CH2O−), 2.81 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.16–3.18 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.82 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)30CH2CH2O−), 4.10–4.14 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.65 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)14−), 29.24 (2× −O(CH2)16CH2−), 29.51–29.56 (2× −O(CH2)3(CH2)13CH2−), 30.55 und 30.62 (d, 3 JC,P = 7.7 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)15−), 43.26 (4× −CH3), 58.81–59.02 (2× NCH2CH2O−), 66.09 und 66.14 ppm (d, 2 JC,P = 6.1 Hz, 2× −OCH2(CH2)16−) Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 82 (C40H86N2O8P2 – 785.06 g/mol) Me2PE-C32-Me2PE Ausbeute: 70 % (0.55 g) Rf: LM F: 0.45 MS: ESI: negativ: 783.7 [M+ – H] positiv: 785.5 [M+ + H], 807.5 [M+ + Na] EA: ber. C 59.82, H 11.05, N 3.49 (+ 1 H2O) gef. C 59.86, H 10.98, N 3.35 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.04–1.15 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.38–1.43 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 2.66 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.04–3.06 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.66 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)28CH2CH2O−), 3.87–3.92 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Triacontan-1,30-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 83 Me2PE-C30-Me2PE (C38H82N2O8P2 – 757.01 g/mol) Ausbeute: 72 % (0.55 g) Rf: LM F: 0.43 MS: ESI: negativ: 755.8 [M+ – H] positiv: 757.6 [M+ + H], 779.5 [M+ + Na] EA: ber. C 58.89, H 10.93, N 3.61 (+ 1 H2O) gef. C 58.81, H 10.63, N 3.51 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 0.97–1.07 (m, 52 H, −O(CH2)2(CH2)26(CH2)2O−), 1.31–1.38 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)26CH2CH2O−), 2.58 (s, 12 H, 4× −CH3), 2.97–2.99 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.59 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)26CH2CH2O−), 3.79–3.84 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.37 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)12−), 28.96 (2× −O(CH2)14CH2−), 29.22–29.26 (2× −O(CH2)3(CH2)11CH2−), 30.29 und 30.35 (d, O O 16 P P O N OH O O N OH O O O 15 P P O N OH O O N OH O 110 Experimentelles 3 JC,P = 7.4 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)13−), 42.78 (4× −CH3), 58.66–58.76 (2× NCH2CH2O−), 65.81 und 65.87 ppm (d, 2 JC,P = 5.9 Hz, 2× −OCH2(CH2)14−) Octacosan-1,28-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 84 Me2PE-C28-Me2PE (C36H78N2O8P2 – 728.96 g/mol) Ausbeute: 65 % (0.47 g) Rf: LM F: 0.51 MS: ESI: negativ: 727.7 [M+ – H] positiv: 729.5 [M+ + H], 752.1 [M+ + Na] EA: ber. C 57.88, H 10.80, N 3.75 (+ 1 H2O) gef. C 58.06, H 10.52, N 3.78 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.14–1.22 (m, 48 H, −O(CH2)2(CH2)24(CH2)2O−), 1.47–1.54 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)24CH2CH2O−), 2.72 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.08–3.11 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.75 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)24CH2CH2O−), 3.99–4.04 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Hexacosan-1,26-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 85 Me2PE-C26-Me2PE (C34H74N2O8P2 – 700.91 g/mol) Ausbeute: 68 % (0.48 g) Rf: LM F: 0.48 MS: ESI: negativ: 699.7 [M+ – H] positiv: 701.5 [M+ + H], 723.4 [M+ + Na] EA: ber. C 56.80, H 10.66, N 3.90 (+ 1 H2O) gef. C 56.86, H 10.65, N 3.81 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.06–1.16 (m, 44 H, −O(CH2)2(CH2)22(CH2)2O−), 1.40–1.47 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)22CH2CH2O−), 2.69 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.07–3.09 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.68 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)22CH2CH2O−), 3.91–3.96 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.50 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)10−), 29.09 (2× −O(CH2)12CH2−), 29.37 (b, 2× −O(CH2)3(CH2)9CH2−), 30.40 und 30.48 (d, 3 JC,P = 7.7 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)11−), 42.93 (4× −CH3), 58.66–58.92 (2× NCH2CH2O−), 65.94 und 66.00 ppm (d, 2 JC,P = 6.1 Hz, 2× −OCH2(CH2)12−) Tetracosan-1,24-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 86 Me2PE-C24-Me2PE (C32H70N2O8P2 – 672.85 g/mol) Ausbeute: 60 % (0.40 g) Rf: LM F: 0.42 MS: ESI: negativ: 671.6 [M+ – H] positiv: 673.4 [M+ + H], 695.4 [M+ + Na] O O 14 P P O N OH O O N OH O O O 13 P P O N OH O O N OH O O O 12 P P O N OH O O N OH O Synthese N-Methyl-substituierter Bis(phosphoethanolamine) 111 EA: ber. C 55.63, H 10.51, N 4.06 (+ 1 H2O) gef. C 55.62, H 10.70, N 3.98 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.19–1.28 (m, 40 H, −O(CH2)2(CH2)20(CH2)2O−), 1.52–1.59 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)20CH2CH2O−), 2.81 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.16–3.18 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.82 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)20CH2CH2O−), 4.09–4.13 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Docosan-1,22-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 87 Me2PE-C22-Me2PE (C30H66N2O8P2 – 644.80 g/mol) Ausbeute: 56 % (0.36 g) Rf: LM F: 0.45 MS: ESI: negativ: 643.6 [M+ – H] positiv: 645.4 [M+ + H], 667.3 [M+ + Na] EA: ber. C 54.36, H 10.34, N 4.23 (+ 1 H2O) gef. C 54.32, H 10.53, N 4.52 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 0.96–1.1 (m, 36 H, −O(CH2)2(CH2)18(CH2)2O−), 1.35–1.42 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)18CH2CH2O−), 2.65 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.04–3.10 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.63 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)18CH2CH2O−), 3.87–3.92 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 26.11 (−O(CH2)2CH2(CH2)8−), 29.69–29.96 (−O(CH2)3(CH2)8−), 31.01 und 31.08 (2× −OCH2CH2(CH2)9−), 43.46 (4× −CH3), 59.03 und 59.46 (2× NCH2CH2O−), 66.47 und 66.53 ppm (2× −OCH2(CH2)10−) 5.4.3.3 Darstellung der Bis(phosphomonomethylethanolamine) Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(methylammonio)ethylphosphat] – 88 MePE-C32-MePE (C38H82N2O8P2 – 757.01 g/mol) Ausbeute: 20 % (0.15 g) MS: ESI: negativ: 756.0 [M+ – H] positiv: 758.0 [M+ + H], 779.9 [M+ + Na] EA: ber. C 57.55, H 10.93, N 3.53 (+ 2 H2O) gef. C 57.44, H 10.52, N 3.03 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.11–1.21 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.45–1.50 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 2.66 (s, 6 H, 2× −CH3), 3.03–3.05 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.70–3.75 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28 CH2CH2O−), 3.93–3.97 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) O O 16 P P O N OH H O O H N OH O O O 11 P P O N OH O O N OH O 112 Experimentelles 5.4.4 ABWANDLUNGEN IN DER KOPFSTRUKTUR DER BOLAAMPHIPHILE 5.4.4.1 Synthese der Bis(phosphorsäurediester) als Vorstufen der Polymethylen-1,ω-diyl-bis- (phosphorsäureester) Synthese der Bis(phosphorsäurediphenylester) In einem ausgeheizten Kolben wird das 1,ω-Diol 5, 21-24 (1 mmol) in abs. Chloroform (10 ml) suspendiert, mit trockenem Pyridin (5 ml) versetzt und für 10 min bei Raumtemperatur gerührt. Zu dieser Mischung wird eine Lösung von DPPC (0.81 g, 3 mmol) in abs. Chloroform (10 ml) hinzugetropft. Die erhaltene Suspension wird im geschlossenen Kolben langsam auf maximal 60 °C erhitzt bis das Edukt 5, 21-24 vollständig in Lösung gegangen ist. Anschließend wird der Ansatz für 3 Tage bei Raumtemperatur stehengelassen. Zur Aufarbeitung wird das gleiche Volumen an Eis hinzugegeben und 3 h kräftig gerührt. Die zwei klaren Phasen werden getrennt und die wässrige Phase wird mit Chloroform (20 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit H2SO4 (20 ml, 1 %), K2CO3-Lösung (30 ml, 5 %) und Wasser (30 ml) gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Nach dem Umkristallisieren aus Petrolether (50–70) liegen die Bis(phosphorsäurediphenylester) 96-100 als weiße, kristalline Substanzen dc-rein vor. Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäurediphenylester) – 96 (C56H84O8P2 – 947.2 g/mol) Ausbeute: 80 % (0.76 g) Rf: LM D: 0.63 Fp: b: 77.5 – 78.0 °C MS: ESI: positiv: 970.6 [M+ + Na] EA: ber. C 71.01, H 8.94 gef. C 70.90, H 8.88 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.33 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.64– 1.69 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 4.23 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 7.14–7.34 ppm (m, 20 H, 4× −C6H5) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ =25.50 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)13−), 29.30–30.20 (−OCH2CH2CH2(CH2)13−), 69.43 (2× −OCH2(CH2)15−), 119.95, 125.15, 129.63, 150.47 und 150.54 ppm (4× −C6H5) Triacontan-1,30-diyl-bis(phosphorsäurediphenylester) – 97 (C54H80O8P2 – 919.15 g/mol) Ausbeute: 75 % (0.69 g) Rf: LM D: 0.60 Fp: b: 73.7 – 74.0 °C MS: ESI: positiv: 941.6 [M+ + Na] O O P P O O O O O O 16 O O P P O O O O O O 15 Synthese der Bis(phosphorsäurediester) 113 EA: ber. C 70.56, H 8.77 gef. C 70.47, H 8.77 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.33 (m, 52 H, −O(CH2)2(CH2)26(CH2)2O−), 1.64– 1.71 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)26CH2CH2O−), 4.23 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)26CH2CH2O−), 7.14–7.33 ppm (m, 20 H, 4× −C6H5) Octacosan-1,28-diyl-bis(phosphorsäurediphenylester) – 98 (C52H76O8P2 – 891.10 g/mol) Ausbeute: 75 % (0.67 g) Rf: LM D: 0.62 Fp: b: 70.2 – 70.8 °C MS: ESI: positiv: 913.6 [M+ + Na] EA: ber. C 70.09, H 8.60 gef. C 69.92, H 8.49 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.33 (m, 48 H, −O(CH2)2(CH2)24(CH2)2O−), 1.64– 1.71 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)24CH2CH2O−), 4.23 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)24CH2CH2O−), 7.14–7.33 ppm (m, 20 H, 4× −C6H5) Hexacosan-1,26-diyl-bis(phosphorsäurediphenylester) – 99 (C50H72O8P2 – 863.05 g/mol) Ausbeute: 80 % (0.69 g) Rf: LM D: 0.61 Fp: b: 68.0 – 68.5 °C MS: ESI: positiv: 887.8 [M+ + Na] EA: ber. C 69.58, H 8.41 gef. C 69.74, H 8.38 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.32 (m, 44 H, −O(CH2)2(CH2)22(CH2)2O−), 1.66– 1.69 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)22CH2CH2O−), 4.23 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)22CH2CH2O−), 7.14–7.34 ppm (m, 20 H, 4× −C6H5) Tetracosan-1,24-diyl-bis(phosphorsäurediphenylester) – 100 (C48H68O8P2 – 834.99 g/mol) Ausbeute: 75 % (0.63 g) Rf: LM D: 0.64 Fp: b: 62.6 – 64.4 °C MS: ESI: positiv: 857.3 [M+ + Na] EA: ber. C 69.04, H 8.21 gef. C 68.95, H 8.15 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.33 (m, 40 H, −O(CH2)2(CH2)20(CH2)2O−), 1.64– 1.69 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)20CH2CH2O−), 4.23 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)20CH2CH2O−), 7.14–7.34 ppm (m, 20 H, 4× −C6H5) O O P P O O O O O O 14 O O P P O O O O O O 13 O O P P O O O O O O 12 114 Experimentelles Synthese der Bis(phosphorsäuredibenzylester) Eine Lösung von 1H-Tetrazol (0.56 g, 8 mmol) und Dibenzyl-N,N-diisopropylphosphoramidit (1.38 g, 4 mmol) in abs. Chloroform (20 ml) wird für 30 min unter Argonatmosphäre bei Raumtemperatur gerührt. Das 1,ω-Diol 5 bzw. 22 (1 mmol) wird in fester Form hinzugegeben, der Ansatz für 3 h auf 60 °C erhitzt und für weitere 12 h bei Raumtemperatur stehengelassen. Die schwach opaleszierende Lösung wird auf –20 °C heruntergekühlt, mit MCPBA (1.37 g, 8 mmol) versetzt und für 2 h bei –15 °C gerührt. Zur Aufarbeitung wird der Ansatz auf Raumtemperatur erwärmt, mit Methylenchlorid (100 ml) verdünnt, mit Na2SO3 (2× 25 ml, 10 %), NaHCO3 (2× 25 ml, 10 %) sowie Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Nach dem Umkristallisieren aus Petrolether (30–50) liegen die Bis(phosphorsäuredibenzylester) 101 und 102 als weiße, kristalline Substanzen dc-rein vor. Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäuredibenzylester) – 101 (C60H92O8P2 – 1003.31 g/mol) Ausbeute: 90 % (0.91 g) Rf: LM D: 0.52 Fp: b: 59.9 – 60.4 °C MS: ESI: positiv: 1003.8 [M+ ], 1025.6 [M+ + Na] EA: ber. C 71.83, H 9.24 gef. C 71.38, H 9.29 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.22–1.29 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.55– 1.62 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 3.96 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 4.97–5.06 (m, 8 H, 4× −OCH2C6H5), 7.30–7.34 ppm (m, 20 H, 4× −C6H5) Octacosan-1,28-diyl-bis(phosphorsäuredibenzylester) – 102 (C56H84O8P2 – 947.21 g/mol) Ausbeute: 85 % (0.81 g) Rf: LM D: 0.50 MS: ESI: positiv: 947.7 [M+ ], 969.7 [M+ + Na] EA: ber. C 71.01, H 8.94 gef. C 71.40, H 9.31 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.33 (m, 48 H, −O(CH2)2(CH2)24(CH2)2O−), 1.54– 1.59 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)24CH2CH2O−), 3.96 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)24CH2CH2O−), 4.97–5.03 (m, 8 H, 4× −OCH2C6H5), 7.29–7.33 ppm (m, 20 H, 4× −C6H5) O O P P O O O O O O 16 O O P P O O O O O O 14 Synthese der Bis(phosphorsäurediester) 115 Synthese der Bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylester)] In einem ausgeheizten Kolben wird das 1,32-Diol 5 (1 mmol) in abs. Chloroform (10 ml) suspendiert, mit trockenem Pyridin (0.24 g, 3 mmol) versetzt und für 10 min bei Raumtemperatur gerührt. Zu dieser Mischung wird eine Lösung von Bis(2,2,2-trichlorethyl)phosphorsäurechlorid (1.14 g, 3 mmol) in abs. Chloroform (10 ml) langsam hinzugetropft. Die erhaltene Suspension wird im geschlossenen Kolben für 1 h auf 60 °C erhitzt bis das Edukt vollständig in Lösung gegangen ist. Anschließend wird der Ansatz für 3 Tage bei Raumtemperatur stehengelassen. Zur Aufarbeitung wird der Ansatz auf 0 °C herabgekühlt, das gleiche Volumen an Eis hinzugegeben und für 2 h kräftig gerührt. Die organische Phase wird abgetrennt und die wässrige Phase mit Chloroform (2× 50 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit H2SO4 (50 ml, 1 %) und Wasser (50 ml) gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Nach dem Umkristallisieren aus Petrolether (50–70) liegt der Bis- [phosphorsäure-bis(trichlorethylester)] 103 als weiße, kristalline Substanz dc-rein vor. Dotriacontan-1,32-diyl-bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylester)] – 103 (C40H72O8P2Cl12 – 1168.37 g/mol) Ausbeute: 95 % (1.11 g) Rf: LM D: 0.65 Fp: b: 78.0 − 82.0 °C (Zersetzung) MS: ESI: positiv: 1189.1 [M+ + Na] EA: ber. C 41.12, H 6.21, Cl 36.4 gef. C 40.96, H 6.16, Cl 35.0 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.41 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.70– 1.77 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 4.21 (dt, 3 JH,P = 7.5 Hz, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 4.57–4.65 ppm (m, 8 H, 4× −OCH2CCl3) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.41 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)13−), 29.14 (2× −O(CH2)15CH2−), 29.54−29.80 (2× −O(CH2)3(CH2)12CH2−), 30.14 und 30.20 (d, 3 JC,P = 6.9 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)14−), 69.72 und 69.79 (d, 2 JC,P = 6.1 Hz, 2× −OCH2(CH2)15−), 77.15 und 77.19 (4× −OCH2CCl3), 94.65 und 94.77 ppm (4× −OCH2CCl3) 5.4.4.2 Selektive Hydrogenolyse der Benzylschutzgruppen Die Hydrierungen erfolgten in einem Compact Reactor 5500 der Firma Parr Instruments (Illinois, USA) unter kontrollierten Temperatur- und Druckbedingungen. Eine Suspension des Bis(phosphorsäuredibenzylesters) 101 (0.15 mg, 0.15 mmol) in Ethanol (50 ml, HPLC-rein, 99.9 %) wird mit abs. TEA (0.15 g, 1.5 mmol) für die Synthese des Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureesters) 105 bzw. NaOH (30 mg, 0.75 mmol) für die O O P P O O O O O O CCl3 CCl3 Cl3C Cl3C 16 116 Experimentelles Synthese des Dinatrium-dotriacontan-1,32-diyl-bis(benzylphosphats) 106 sowie Palladium/ Kohle-Katalysator (65 mg, 10 %) versetzt und bei Raumtemperatur und 2 bar Wasserstoffdruck hydriert. Nachdem die DC-Kontrolle (LM E) die vollständige Umsetzung des Edukts anzeigt, wird der Katalysator abfiltriert und mit Ethanol gewaschen. Die Lösung wird eingeengt und über P2O5 im Vakuum getrocknet. Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureester) – 105 (C32H68O8P2 – 642.82 g/mol) Ausbeute: 55 % (70 mg) bezogen auf das Bis-TEA-Salz MS: ESI: negativ: 641.6 [M+ – H], 1283.6 [2 M+ – 2 H] positiv: 744.5 [M+ + TEA], 845.4 [M+ + 2 TEA] 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.22–1.27 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.58 (m, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−, unter dem Signal des Wassers); zusätzlich 1.36 (t, 3 JCH3/CH2 = 7.3 Hz, CH3 des TEA), 3.05 ppm (quar, 3 JCH2/CH3 = 7.3 Hz, CH2 des TEA) Dinatrium-dotriacontan-1,32-diyl-bis(benzylphosphat) – 106 (C46H80O8P2 – 823.07 g/mol) Ausbeute: 50 % (65 mg) bezogen auf das Dinatriumsalz MS: ESI: negativ: 822.2 [M+ – H], 844.0 [M+ – 2 H + Na] positiv: 890.0 [M+ – 2 H + 3 Na] 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.17–1.24 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.45– 1.52 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 3.72 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 4.81 (d, J = 6.2 Hz, 4 H, 2× −OCH2C6H5), 7.19–7.31 ppm (m, 10 H, 2× −C6H5) 5.4.4.3 Synthese N-alkylsubstituierter Bis(phosphoethanolamine) über Phosphorylierung und Quarternierung der 1,ω-Diole Der Syntheseweg entspricht weitgehend der Methode E. Für die Quarternierung wird jedoch ein Gemisch aus abs. Chloroform (30 ml), abs. Acetonitril (30 ml) und abs. Ethanol (10 ml) verwendet. Die Amin-Komponente (20 mmol) wird in reiner Form vorsichtig hinzugefügt und der geschlossene Kolben für 5 – 7 Tage auf 45 – 50 °C erwärmt. Bei luftempfindlichen Aminen wird unter Argonatmosphäre gearbeitet. Die weitere Aufarbeitung und Reinigung der Produkte entspricht der in Methode E beschriebenen Vorgehensweise. Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(N,N-dimethyl-N-ethylammonio)ethylphosphat] – 107 EPC-C32-EPC (C44H94N2O8P2 – 841.17 g/mol) Ausbeute: 55 % (0.46 g) Rf: LM G: 0.28 16 O O P P O N O O O N O O O O P P OH OH O HO OH O 16 O O P P OH O O HO O O 16 Synthese N-Alkyl-substituierter Bis(phosphoethanolamine) 117 MS: ESI: positiv: 841.8 [M+ + H], 863.6 [M+ + Na], 1704.0 [2 M+ + Na] EA: ber. C 57.79, H 11.26, N 3.07 (+ 4 H2O) gef. C 57.87, H 11.13, N 2.87 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.24–1.38 (m, 62 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−, 2× −CH2CH3), 1.57–1.63 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 3.19 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.47 (quar, 3 JCH2/CH3 = 7.3 Hz, 4 H, 2× −CH2CH3), 3.52–3.54 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.84 (dt, 3 JH,P = 6.7 Hz, 3 JCH2/CH2 = 6.4 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 4.17–4.21 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(N-allyl-N,N-dimethylammonio)ethylphosphat] – 108 APC-C32-APC (C46H94N2O8P2 – 865.19 g/mol) Ausbeute: 52 % (0.45 g) Rf: LM H: 0.14 MS: ESI: positiv: 866.6 [M+ + H], 887.8 [M+ + Na] EA: ber. C 58.95, H 10.97, N 2.99 (+ 4 H2O) gef. C 59.39, H 10.97, N 2.66 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.17–1.31 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.53–1.60 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 3.14 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.61–3.63 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.81 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)28CH2CH2O−), 4.04 (d, 3 JCH2/CH = 7.5 Hz, 4 H, 2× H2C=CHCH2N), 4.21– 4.27 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 5.69–5.73 (m, 4 H, 2× H2C=CHCH2N), 5.94 ppm (ddt, 3 JCH/CH2[E] = 17.0 Hz, 3 JCH/CH2[Z] = 10.0 Hz, 3JCH/CH2 = 7.5 Hz, 2 H, 2× H2C=CHCH2N) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.59 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)13−), 29.19 (2× −O(CH2)15CH2−), 29.47 (b, 2× −O(CH2)3(CH2)12CH2−), 30.55 und 30.62 (d, 3 JC,P = 6.9 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)14−), 50.67−50.75 (4× −CH3), 58.26−58.31 (2× NCH2CH2O−), 64.03 (b, 2× H2C=CHCH2N), 65.64 und 65.69 (d, 2 JC,P = 6.2 Hz, 2× −OCH2(CH2)15−), 67.75−67.79 (b, 2× NCH2CH2O−), 123.82 (H2C=CH−), 129.46 ppm (H2C=CH−) Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(N,N-dimethyl-N-propinylammonio)ethylphosphat] – 109 PPC-C32-PPC (C46H90N2O8P2 – 861.16 g/mol) Ausbeute: 45 % (0.39 g) Rf: LM G: 0.20 MS: ESI: negativ: 895.4 [M+ + Cl] positiv: 861.5 [M+ ], 883.5 [M+ + Na] EA: ber. C 59.20, H 10.59, N 3.00 (+ 4 H2O) gef. C 59.43, H 10.44, N 2.97 16 O O P P O N O O O N O O 16 O O P P O N O O O N O O 118 Experimentelles 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.11–1.21 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.43–1.50 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 2.92 (t, 4 JCH/CH2 = 2.5 Hz, 2 H, 2× HC≡CCH2N), 3.11 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.51–3.53 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.68–3.73 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2 CH2O−), 4.06–4.10 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 4.22 (d, 4 JCH2/CH = 2.5 Hz, 4 H, 2× HC≡CCH2N) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.80 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)13−), 29.01 (2× −O(CH2)15CH2−), 29.45−29.63 (b, 2× −O(CH2)3(CH2)12CH2−), 30.77 und 30.84 (d, 3 JC,P = 7.7 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)14−), 51.49 (4× −CH3), 55.36 (b, 2× HC≡C CH2N), 58.72−58.76 (2× NCH2CH2O−), 64.35 und 64.42 (d, 2 JC,P = 5.4 Hz, 2× −OCH2(CH2)15−), 65.93 (b, 2× NCH2CH2O−), 71.33 (HC≡C−), 81.20 ppm (HC≡C−) Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N-dimethyl-N-(2-hydroxyethyl)ammonio]ethylphosphat] – 110 HEPC-C32-HEPC (C44H94N2O10P2 – 873.17 g/mol) Ausbeute: 50 % (0.44 g) Rf: LM G: 0.22 MS: ESI: positiv: 873.8 [M+ + H], 895.7 [M+ + Na] EA: ber. C 58.12, H 10.87, N 3.08 (+ 2 H2O) gef. C 58.03, H 10.95, N 3.01 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 0.93–1.05 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.26–1.33 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 2.91 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.21–3.24 (m, 4 H, 2× NCH2CH2OP−), 3.34–3.36 (m, 4 H, 2× HOCH2CH2N), 3.52 (dt, 3 JH,P = 6.8 Hz, 3 JCH2/CH2 = 6.3 Hz, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 3.64–3.67 (m, 4 H, 2× NCH2CH2OP−), 3.86–3.93 ppm (m, 4 H, 2× HOCH2 CH2N) Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N-dimethyl-N-(2-dimethylaminoethyl)ammonio]ethylphosphat] – 113 DMAEPC-C32-DMAEPC (C48H104N4O8P2 – 927.31 g/mol) Ausbeute: 25 % (0.23 g) Rf: LM G: 0.18 MS: ESI: positiv: 927.9 [M+ + H], 949.9 [M+ + Na] EA: ber. C 57.69, H 11.30, N 5.61 (+ 4 H2O) gef. C 57.95, H 11.35, N 5.42 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.06–1.17 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.38–1.46 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 2.10 (s, 12 H, 2× NCH2CH2 N(CH3)2), 2.54–2.57 (m, 4 H, 2× NCH2CH2N(CH3)2), 3.03 (s, 12 H, 2× −CH2 CH2N(CH3)2CH2CH2−), 3.30 (t, 3 JCH2/CH2 = 6.2 Hz, 4 H, 2× NCH2CH2N(CH3)2), 16 O O P P O N O O O N O O HO OH 16 O O P P O N O O O N O O N N Synthese N-Alkyl-substituierter Bis(phosphoethanolamine) 119 3.42–3.45 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.68 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)28CH2CH2O−), 4.00–4.04 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(diethylammonio)ethylphosphat] – 115 Et2PE-C32-Et2PE (C44H94N2O8P2 – 841.17 g/mol) Ausbeute: 57 % (0.48 g) Rf: CHCl3/MeOH/NH3 – 65/35/5: 0.40 MS: ESI: negativ: 839.7 [M+ – H] positiv: 841.8 [M+ + H], 863.6 [M+ + Na], 1703.8 [2 M+ + Na] EA: ber. C 59.03, H 11.26, N 3.13 (+ 3 H2O) gef. C 58.86, H 11.11, N 3.15 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 0.97–1.04 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.08 (t, 3 JCH3/CH2 = 7.3 Hz, 12 H, 4× −CH2CH3), 1.32–1.38 (m, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)28CH2CH2O−), 2.91 (quar, 3 JCH2/CH3 = 7.3 Hz, 8 H, 4× −CH2CH3), 2.99– 3.00 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.60 („quar“, J = 6.7 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)28CH2CH2O−), 3.82–3.86 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 5.4.4.4 Folgereaktionen an funktionalisierten Bis(phosphocholinen) Click-Reaktionen am Propinylcholin-Derivat In einem Rundkolben wird das PPC-C32-PPC 109 (17.2 mg, 20 µmol) in einer Mischung aus Wasser (5 ml) und Ethanol (2.5 ml) suspendiert und mit der Azidkomponente (40 µmol) versetzt. Nach Zugabe von Natriumascorbat (0.4 ml, 20 mM in Wasser) und Kupfer(II)acetat (0.4 ml, 10 mM in Wasser) wird der Ansatz bei Raumtemperatur und unter Lichtausschluss für 8 – 24 h kräftig gerührt. Nachdem die DC-Kontrolle (Laufmittel G) eine vollständige Umsetzung des PPC-C32-PPC 109 anzeigt, wird der gesamte Ansatz vorsichtig bei 40 °C eingeengt und mittels MPLC unter Verwendung von Chloroform/Methanol/Wasser-Gemischen steigender Polarität als Elutionsmittel gereinigt. Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N-dimethyl-N-[[1-(phenylthiomethyl)-1,2,3-triazol-4-yl]- methyl]ammonio]ethylphosphat] – 119 (C60H104N8O8P2S2 – 1191.59 g/mol) PTTPC-C32-PTTPC Ausbeute: 75 % (17.9 mg) Rf: LM G: 0.35 MS: ESI: negativ: 1225.8 [M+ + Cl] positiv: 1192.2 [M+ + H], 1214.8 [M+ + Na] 16 O O P P O N OH O O N OH O 16 O O P P O N O O O N O O N S N N S N N N 120 Experimentelles EA: ber. C 57.03, H 8.93, N 8.87, S 5.07 (+ 4 H2O) gef. C 57.33, H 9.05, N 8.62, S 4.81 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.21–1.31 (m, 56 H, −O(CH2)2(CH2)28(CH2)2O−), 1.51–1.59 (m, 4 H, −OCH2CH2(CH2)28CH2CH2O−), 3.16 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.54–3.56 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.83 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, −OCH2CH2 (CH2)28CH2CH2O−), 4.25–4.29 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 4.76 (s, 4 H, 2× CCH2N), 5.70 (s, 4 H, 2× SCH2N), 7.26–7.35 (m, 10 H, 2× C6H5), 8.51 ppm (s, 2 H, 2× CH) Veresterungen am Hydroxyethylcholin-Derivat In einem Rundkolben werden (±)-α-Liponsäure (0.24 g, 1.2 mmol) und DCC (0.12 g, 0.6 mmol) in Tetrachlormethan (10 ml) gelöst und für 30 min bei Raumtemperatur gerührt. Der sich bildende Niederschlag wird abgetrennt und die Mutterlauge eingeengt. Der Rückstand wird in Chloroform (10 ml) und DMSO (5 ml) aufgenommen, mit DMAP (0.12 g, 0.6 mol) sowie dem HEPC-C32-HEPC 110 (50 mg, 57 µmol) versetzt und für 48 h in einem geschlossenen Kolben auf 50 °C erhitzt. Die nachfolgende Aufarbeitung und Reinigung des Produkts erfolgt wie unter Methode E beschrieben mittels MPLC unter Verwendung von Chloroform/Methanol/Wasser-Gemischen steigender Polarität als Elutionsmittel. Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N-dimethyl-N-[2-[[5-(1,2-dithiolan-3-yl)-1-oxopentyl]- oxy]ethyl]ammonio]ethylphosphat] – 120 (C60H118N2O12P2S4 – 1249.79 g/mol) LAPC-C32-LAPC Ausbeute: 15 % (10.7 mg) Rf: LM H: 0.50 MS: ESI: positiv: 1249.5 [M+ ], 1271.5 [M+ + Na] Aufgrund der marginalen Ausbeute und der sehr schlechten Löslichkeit des Produkts in Chloroform und DMSO konnten keine weiteren analytischen Daten erfasst werden. 5.4.5 ABWANDLUNGEN IN DER KETTENSTRUKTUR DER BOLAAMPHIPHILE 5.4.5.1 Einbau von deuterierten Kettenabschnitten Synthese des THP-geschützten Diols Die Synthese entspricht weitgehend der unter Methode C beschriebenen Vorschrift. Eine Lösung des 11-Brom-1-[(tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy]undecans 58 (3.8 g, 11.3 mmol) in abs. THF (20 ml) wird langsam unter kräftigem Rühren und unter Argonatmosphäre zu 16 O O P P O N O O O N O O O O S S O O S S Einführung von deuterierten Kettenabschnitten 121 Magnesiumspänen (0.44 g, 16 mmol) hinzugetropft. Nachdem die exotherme Reaktion abgeklungen ist, wird die Mischung für 2 h auf 50 °C erhitzt. Im Anschluss wird das überschüssige Magnesium mittels inerter Filtration entfernt, die erhalte ne GRIGNARD-Lösung auf 0 °C abgekühlt und eine frisch dargestellte Dilithiumtetrachlorocuprat(II)-Lösung (1.0 ml, 0.1 M Lösung in THF) eingespritzt. Zu dieser Mischung wird eine Lösung des d24-1,12-Dibromdodecans 121 (1.0 g, 2.8 mmol) in abs. THF (10 ml) bei 0 °C hinzugegeben. Nach 3 h bei 0 °C wird der Ansatz mit Diethylether (50 ml) und kalt-gesättigter NH4Cl-Lösung (30 ml) verdünnt, die organische Phase abgetrennt und die wässrige Phase zweimal mit Diethylether (30 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Das erhaltene Rohprodukt wird mittels Flash-Chromatographie unter Schutzgasatmosphäre und unter Verwendung eines Heptan/DiethyletherGradienten steigender Polarität und einem Zusatz von 1 % TEA gereinigt. 2,2’-[(Tetratriacontan-1,34-diyl-[D24]-12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,20, 20,21,21,22,22,23,23)oxy]bis(tetrahydro-2H-pyran) – 122 (C44H62D24O4 – 702.93 g/mol) Ausbeute: 74 % (1.47 g) Rf: LM C: 0.53 MS: ESI: positiv: 725.9 [M+ + Na] Abspaltung der THP-Schutzgruppe Der Bis(tetrahydropyranylether) 122 (0.7 g, 1 mmol) wird in trockenem Methanol (30 ml) suspendiert, mit katalytischen Mengen an PyrTos versetzt und für 3 h unter Rückfluss erhitzt. Der entstehende weiße Niederschlag wird heiß abfiltriert und mehrfach aus Heptan umkristallisiert. Tetratriacontan-([D24]-12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,20,20,21,21,22,22, 23,23)-1,34-diol – 123 (C34H46D24O2 – 535.09 g/mol) Ausbeute: 60 % (0.32 g) Rf: LM D: 0.20 MS: m/z 535 [3 %, M+ ], 498 [43 %, M+ – 2 H20] 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.22–1.56 (m, 40 H, 2× HOCH2(CH2)10−), 3.58–3.60 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Phosphorylierung und Quarternierung Die Reaktion zu dem entsprechenden Bis(phosphocholin) 124 bzw. Bis(phosphodimethylethanolamin) 125 entspricht weitgehend Methode E, jedoch wurden die Ansatzmengen auf 0.5 mmol Diol bezogen. Für die Phosphorylierung werden 4 mmol β-Bromethylphosphorsäuredichlorid (0.97 g) und 7 mmol abs. TEA (0.71 g), gelöst in abs. Chloroform (je 10 ml) D D D D 6 O O O O 10 10 D D D D 6 OH HO 10 10 122 Experimentelles verwendet. Die Quarternierung erfolgt in einer Mischung aus abs. Chloroform (15 ml), abs. Acetonitril (15 ml) und ethanolischer Amin-Lösung (5 ml). Die Ansätze werden mit geschlossenem Kolben für 2 Tage auf 50 °C erhitzt. Die Reinigung der Endprodukte erfolgt wie unter Methode E beschrieben mittels MPLC unter Verwendung von Chloroform/Methanol/WasserGemischen steigender Polarität als Elutionsmittel. Tetratriacontan-1,34-diyl-([D24]-12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,20,20,21, 21,22,22,23,23)-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 124 PC-C34d24-PC (C44H70D24N2O8P2 – 865.36 g/mol) Ausbeute: 55 % (0.24 g) Rf: LM H: 0.17 MS: ESI: positiv: 865.9 [M+ + H], 887.7 [M+ + Na], 1753.4 [2 M+ + Na] 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.13–1.24 (m, 36 H, 2× −OCH2CH2(CH2)9−), 1.47–1.52 (m, 4 H, 2× −OCH2CH2(CH2)9−), 3.09 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.45–3.47 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.74 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, 2× −OCH2(CH2)10−), 4.08–4.12 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 2 H-NMR: 76.7 MHz, CHCl3/CH3OH: δ = 1.295 ppm (s, −(CD2)12−) Tetratriacontan-1,34-diyl-([D24]-12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,20,20,21, 21,22,22,23,23)-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 125 Me2PE-C34d24-Me2PE (C42H66D24N2O8P2 – 837.31 g/mol) Ausbeute: 75 % (0.31 g) Rf: LM F: 0.43 MS: ESI: negativ: 836.1 [M+ – H], 1672.0 [2 M+ – 2 H] positiv: 838.9 [M+ + H], 860.7 [M+ + Na] 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.13–1.24 (m, 36 H, 2× −OCH2CH2(CH2)9−), 1.48–1.54 (m, 4 H, 2× −OCH2CH2(CH2)9−), 2.76 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.13–3.15 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.76 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, 2× −OCH2(CH2)10−), 4.00–4.05 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 5.4.5.2 Einführung von Heteroatomen Synthese des THP-geschützten Dithiadiols In einem ausgeheizten Kolben wird das Octan-1,8-dithiol 132 (0.5 g, 2.8 mmol) unter Argonatmosphäre in abs. THF (25 ml) gelöst, mit Kalium-tert-butylat (0.63 g, 5.6 mmol) versetzt und für 30 min bei Raumtemperatur gerührt. Im Anschluss wird eine Lösung von 2-[(11- Bromundecyl)oxy]tetrahydro-2H-pyran 58 (1.88 g, 5.6 mmol) in abs. THF (25 ml) bei Raumtemperatur langsam hinzugetropft und der Ansatz für 10 h unter Rückfluss erhitzt. Nach dem Erkalten wird der Ansatz mit Diethylether (100 ml) verdünnt und mit gesättigter NaCl-Lösung (100 ml) gewaschen. Die abgetrennte wässrige Phase wird zweimal mit Diethylether (50 ml) D D D D 6 O O P 10 10 O O O N P O O O N D D D D 6 O O P 10 10 O OH O N P O OH O N Einführung von Heteroatomen 123 extrahiert. Die vereinten organischen Phasen werden über Na2SO4 getrocknet, eingeengt und über P2O5 getrocknet. Die Reinigung erfolgt durch Säulenchromatographie unter Verwendung eines Heptan/Diethylether-Gradienten steigender Polarität als Elutionsmittel und einem Zusatz von 1 % TEA. 2,2’-[(12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diyl)oxy]bis(tetrahydro-2H-pyran) – 136 (C40H78O4S2 – 687.14 g/mol) Ausbeute: 90 % (1.73 g) Rf: LM C: 0.23, LM E: 0.66 MS: ESI: positiv: 709.8 [M+ + Na] EA: ber. C 69.91, H 11.44, S 9.33 gef. C 69.90, H 11.20, S 9.58 1 H-NMR: 500 MHz, CDCl3: δ = 1.25–1.35 (m, 36 H, 2× −O(CH2)2(CH2)7(CH2)2S(CH2)2 (CH2)2−), 1.48–1.59, 1.66–1.73 und 1.77–1.85 (3m, 24 H, 2× −CH(CH2)3CH2− und 2× −OCH2CH2(CH2)7CH2CH2SCH2CH2−), 2.48 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.5 Hz, 8 H, 2× −CH2SCH2−), 3.36 und 3.71 (2dt, 2 J = 9.5 Hz, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz 2×2 H, 2× −OCH2(CH2)10S−), 3.45–3.51 und 3.83–3.88 (2m, 2×2 H, 2× −CH2OCHO (CH2)11S−), 4.55–4.56 ppm (m, 2 H, −CH−) Synthese des THP-geschützten Dioxadiols In einem ausgeheizten Kolben wird NaH (0.84 g, 21 mmol, 60 %) in abs. THF (15 ml) unter Argonatmosphäre vorgelegt und langsam mit Octan-1,8-diol 133 (1.5 g, 10.3 mmol) gelöst in abs. THF (25 ml) versetzt. Der Ansatz wird für 3 h unter Rückfluss erhitzt. Nach dem Erkalten wird eine Lösung von 2-[(11-Bromundecyl)oxy]tetrahydro-2H-pyran 58 (6.7 g, 20 mmol) in abs. THF (10 ml) sowie katalytische Mengen an Tetra-n-butylammoniumiodid hinzugegeben. Der Ansatz wird für mindestens 24 h unter Rückfluss erhitzt, nach dem Erkalten mit Diethylether (100 ml) verdünnt und mit gesättigter NaCl-Lösung (50 ml) gewaschen. Die abgetrennte wässrige Phase wird mehrfach mit Diethylether (je 50 ml) extrahiert. Die vereinten organischen Phasen werden mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Die Reinigung erfolgt mittels Flash-Chromatographie unter Verwendung eines Heptan/Diethylether-Gradienten steigender Polarität als Elutionsmittel und einem Zusatz von 1 % TEA. 2,2’-[(12,21-Dioxadotriacontan-1,32-diyl)oxy]bis(tetrahydro-2H-pyran) – 137 (C40H78O6 – 655.04 g/mol) Ausbeute: 10 % (0.67 g) Rf: LM D: 0.31 MS: ESI: positiv: 672.4 [M+ + NH3] EA: ber. C 73.34, H 12.00 gef. C 73.31, H 11.84 S S 8 O O O O 11 11 O O 8 O O O O 11 11 124 Experimentelles Abspaltung der THP-Schutzgruppe Die Bis(tetrahydropyranylether) 136, 137 (1 mmol) werden in abs. Methanol (30 ml) suspendiert, mit katalytischen Mengen an PyrTos versetzt und für 3 h unter Rückfluss erhitzt. Der entstehende Niederschlag wird heiß abfiltriert und mehrfach aus Heptan umkristallisiert. 12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diol – 138 (C30H62O2S2 – 518.91 g/mol) Ausbeute: 90 % (0.47 g) Rf: LM D: 0.11, LM E: 0.20 Fp: b: 94.1 – 94.5 °C MS: m/z 518 [10 %, M+ ], 347 [16 %, M+ – C11H23O], 315 [100 %, M+ – C11H23OS], 144 [80 %, M+ – C22H46O2S] EA: ber. C 69.43, H 12.04, S 12.36 gef. C 69.29, H 11.91, S 12.42 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.26–1.37 (m, 36 H, 2× HO(CH2)2(CH2)7(CH2)2S(CH2)2 (CH2)2−), 1.52–1.59 (m, 12 H, 2× HOCH2CH2(CH2)7CH2CH2SCH2CH2−), 2.48 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.5 Hz, 8 H, 2× −CH2SCH2−), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3: δ = 25.85 (2× HO(CH2)2CH2(CH2)8S−), 28.97, 29.04, 29.23, 29.34, 29.50, 29.60, 29.82 und 29.86 (2× HO(CH2)3(CH2)7CH2SCH2(CH2)3−), 32.33 und 32.35 (2× −CH2SCH2−), 32.93 (2× HOCH2CH2(CH2)9S−), 63.12 ppm (2× HOCH2−) 12,21-Dioxadotriacontan-1,32-diol – 139 (C30H62O4 – 486.81 g/mol) Ausbeute: 60 % (0.29 g) Rf: LM E: 0.13 MS: m/z 487 [3 %, M+ ], 315 [40 %, M+ – C11H23O], 297 [76 %, M+ – C11H25O2], 187 [42 %, M+ – C19H39O2] ESI: positiv: 488.2 [M+ + H], 509.6 [M+ + Na] EA: ber. C 74.02, H 12.84 gef. C 73.91, H 12.69 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.26–1.35 (m, 36 H, 2× HO(CH2)2(CH2)7(CH2)2O(CH2)2 (CH2)2−), 1.51–1.58 (m, 12 H, 2× HOCH2CH2(CH2)7CH2CH2OCH2CH2−), 3.37 (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 8 H, 2× −CH2OCH2−), 3.61 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.2 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Phosphorylierung und Quarternierung Die Reaktion zu den entsprechenden Bis(phosphocholinen) 140, 141 bzw. Bis(phosphodimethylethanolamin) 142 entspricht weitgehend Methode E, jedoch wurden die Ansatzmengen auf 0.5 mmol Diol bezogen. Für die Phosphorylierung werden 4 mmol β-Bromethylphosphorsäuredichlorid (0.97 g) und 7 mmol trockenem TEA (0.71 g) gelöst in abs. Chloroform (je S S 8 HO OH 11 11 O O 8 HO OH 11 11 Einführung von Heteroatomen 125 10 ml) verwendet. Die Quarternierung erfolgt in einer Mischung aus abs. Chloroform (15 ml), abs. Acetonitril (15 ml) und ethanolischer Amin-Lösung (5 ml). Die Ansätze werden mit geschlossenem Kolben für 2 Tage auf 50 °C erhitzt. Die Reinigung der Endprodukte erfolgt wie unter Methode E beschrieben mittels MPLC unter Verwendung von Chloroform/ Methanol/Wasser-Gemischen steigender Polarität als Elutionsmittel. 12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 140 (C40H86N2O8P2S2 – 849.15 g/mol) PC-C32SS-PC Ausbeute: 70 % (0.30 g) Rf: LM G: 0.14 MS: ESI: positiv: 849.4 [M+ + H], 871.4 [M+ + Na] EA: ber. C 54.27, H 10.25, N 3.16, S 7.24 (+ 2 H2O) gef. C 54.22, H 10.41, N 3.13, S 7.17 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.20–1.32 (m, 36 H, 2× −O(CH2)2(CH2)7(CH2)2S (CH2)2(CH2)2−), 1.48–1.57 (m, 12 H, 2× −OCH2CH2(CH2)7CH2CH2SCH2CH2−), 2.44 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.5 Hz, 8 H, 2× −CH2SCH2−), 3.19 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.59– 3.60 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.79 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, 2× −OCH2(CH2)10 S−), 4.16–4.22 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.84 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)8S−), 28.74, 28.93, 29.00, 29.24, 29.40, 29.51, 29.54, 29.60, 29.66 und 29.76 (2× −O(CH2)3(CH2)7 CH2SCH2(CH2)3−), 30.86 und 30.93 (d, 3 JC,P = 6.9 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)9S−), 32.16 und 32.20 (2× −CH2SCH2−), 54.36−54.42 (6× −CH3), 58.90 und 58.95 (d, 2 JC,P = 4.6 Hz, 2× NCH2CH2O−), 65.72 und 65.78 (d, 2 JC,P = 6.1 Hz, 2× −OCH2 (CH2)10S−), 66.49 ppm (b, 2× NCH2CH2O−) 12,21-Dioxadotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 141 (C40H86N2O10P2 – 817.06 g/mol) PC-C32OO-PC Ausbeute: 45 % (0.18 g) Rf: LM G: 0.12 MS: ESI: positiv: 817.7 [M+ + H], 839.6 [M+ + Na] EA: ber. C 56.31, H 10.64, N 3.28, (+ 2 H2O) gef. C 56.12, H 10.86, N 3.21 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 1.09–1.14 (m, 36 H, 2× −O(CH2)2(CH2)7(CH2)2O (CH2)2(CH2)2−), 1.35–1.47 (m, 12 H, 2× −OCH2CH2(CH2)7CH2CH2OCH2 CH2−), 3.04 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.22 (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 8 H, 2× −CH2OCH2−), 3.42–3.44 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.66 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, 2× −OCH2(CH2)10O−), 3.99–4.09 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.65, 25.88 und 26.01 (6× −O(CH2)2CH2−), 29.18, 29.29, 29.35, 29.45, 29.48 und 29.53 (2× −O(CH2)3(CH2)5CH2CH2CH2O CH2CH2CH2CH2−), 30.64 und 30.70 (2× −OCH2CH2(CH2)9O−), 54.10−54.16 S S 8 O O 11 11 P O O O N P O N O O O O 8 O O 11 11 P O O O N P O N O O 126 Experimentelles (6× −CH3), 58.86 und 58.89 (2× NCH2CH2O−), 65.81 und 65.86 (2× −OCH2 (CH2)10O−), 66.33 (b, 2× NCH2CH2O−), 70.75 und 70.79 ppm (2× −CH2OCH2−) 12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 142 (C38H82N2O8P2S2 – 821.14 g/mol) Me2PE-C32SS-Me2PE Ausbeute: 77 % (0.32 g) Rf: CHCl3/MeOH/NH3 – 65/35/5: 0.47 MS: ESI: negativ: 820.0 [M+ – H] positiv: 822.2 [M+ + H], 844.1 [M+ + Na] EA: ber. C 54.39, H 10.09, N 3.34, S 7.64 (+ 1 H2O) gef. C 54.33, H 9.77, N 3.38, S 7.14 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.25–1.39 (m, 36 H, 2× −O(CH2)2(CH2)7(CH2)2S(CH2)2 (CH2)2−), 1.52–1.63 (m, 12 H, 2× −OCH2CH2(CH2)7CH2CH2SCH2CH2−), 2.48 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.5 Hz, 8 H, 2× −CH2SCH2−), 2.85 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.15–3.18 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.88 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, 2× −OCH2(CH2)10S−), 4.23–4.28 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 25.66 (2× −O(CH2)2CH2(CH2)8S−), 28.68, 28.83, 28.93, 29.13, 29.22, 29.41, 29.46, 29.57 und 29.65 (2× −O(CH2)3(CH2)7CH2S CH2(CH2)3−), 30.58 und 30.66 (d, 3 JC,P = 7.4 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)9S−), 32.08 und 32.11 (2× −CH2SCH2−), 43.44 (4× −CH3), 58.84, 58.88 und 59.16, 59.20 (2× NCH2CH2O−), 66.10 und 66.16 ppm (d, 2 JC,P = 5.9 Hz, 2× −OCH2(CH2)10S−) 5.4.5.3 Einführung polymerisierbarer Diacetylengruppen Synthese der Alk-2-in-1ole Methode F: Darstellung der Alk-2-in-1-ole über Kondensation von Formaldehyd mit endständigen Alkinen In einem Dreihalskolben wird das Alkin 143, 144 (24 mmol) in abs. THF (30 ml) gelöst und auf 0 °C gekühlt. Eine Lösung von Ethylmagnesiumchlorid in THF (12 ml, 2 M) wird langsam hinzugetropft, so dass die Temperatur 0 °C nicht übersteigt. Im Anschluss wird das Reaktionsgemisch für 2 – 3 h auf 45 °C erhitzt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird Paraformaldehyd (1.44 g, 48 mmol) hinzugegeben und die Mischung für 24 h bei der gleichen Temperatur gerührt. Zur Aufarbeitung wird Wasser (ca. 60 ml) langsam zugetropft, die Mischung vorsichtig mit konz. Salzsäure angesäuert und mit Diethylether (4× 100 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit kalt-gesättigter NaCl-Lösung sowie mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Die Reinigung der Alkinole 148 und 149 erfolgt über Flash-Chromatographie mittels eines Heptan/Diethylether-Gradienten steigender Polarität als Elutionsmittel. S S 8 O O 11 11 P O OH O N P O N OH O Einführung von Diacetylengruppen 127 Methode G: Darstellung der Alk-2-in-1-ole über Alkylierung von Propargyralkohol Eine Lösung von Propargyralkohol 145 (5.6 g, 0.1 mol) in abs. Methylenchlorid (50 ml) wird mit frisch destilliertem 3,4-Dihydro-2H-pyran (15.1 g, 0.18 mol) sowie katalytischen Mengen an PyrTos versetzt und für 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Im Anschluss wird Wasser (100 ml) hinzugefügt, die organische Phase abgetrennt und die wässrige Phase mit Methylenchlorid (2× 25 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Im Anschluss wird eine Lösung des erhaltenen 2-(Prop-2-in-1-yloxy)tetrahydro-2H-pyrans (2.94 g, 20 mmol) in abs. THF (20 ml) auf 0 °C gekühlt und mit n-Butyllithium (5.5 ml, 1.6 M, in Hexan) versetzt. Anschließend wird eine Lösung des entsprechenden Alkylbromides 146-148 (23 mmol) in abs. DMPU langsam hinzugetropft und die Mischung für 12 – 24 h bei Raumtemperatur oder gelindem Erwärmen gerührt. Nachdem die DC-Kontrolle (LM C) die vollständige Umsetzung des Alkylbromides zeigt, wird kalt-gesättigte NH4Cl-Lösung (50 ml) hinzugegeben, die organische Phase abgetrennt und die wässrige Phase mit Heptan extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Zur Abspaltung der THP-Schutzgruppe wird das Rohprodukt in abs. Methanol (50 ml) aufgenommen, mit katalytischen Mengen an PyrTos versetzt und bei Raumtemperatur für 12 h gerührt. Je nach verwendetem Alkylbromid kann es notwendig sein, den Ansatz vorsichtig zu erwärmen. Zur Aufarbeitung wird der Ansatz auf Eiswasser gegossen, die organische Phase abgetrennt und die wässrige Phase mit Chloroform extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Die Reinigung der Alkinole 150-152 erfolgt über Flash-Chromatographie mittels eines Heptan/Diethylether-Gradienten steigender Polarität als Elutionsmittel. Pentadec-2-in-1-ol – 149 † (C15H25O – 224.38 g/mol) 149 wurde nach Methode F aus 143 (4.66 g) synthetisiert. Ausbeute: 30 % (1.62 g) Rf: LM C: 0.13, LM E: 0.54 Fp: a: 41 °C MS: m/z 224 [1 %, M+ ], 206 [4 %, M+ – H20] EA: ber. C 80.29, H 12.58 gef. C 80.25, H 12.74 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 0.87 (t, 3 JCH3/CH2 = 6.6 Hz, 3 H, −CH3), 1.20–1.54 (m, 20 H, −(CH2)10CH3), 2.19 (tt, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 5 JCH2/CH2 = 2.1 Hz, 2 H, −C≡C CH2CH2−), 4.31 ppm (t, 5 JCH2/CH2 = 2.1 Hz, 2 H, HOCH2−) H3C OH 11 128 Experimentelles Hexadec-2-in-1-ol – 150 † (C16H30O – 238.41 g/mol) 150 wurde nach Methode F aus 144 (5.0 g) und nach Methode G aus 146 (6.1 g) synthetisiert. Ausbeute: Methode F: 57 % (3.26 g); Methode G: 7 % (0.33 g) Rf: LM C: 0.13, LM E: 0.57 Fp: a: 52 °C MS: m/z 237 [2 %, M+ ], 220 [2 %, M+ – H20] EA: ber. C 80.60, H 12.69 gef. C 80.62, H 12.65 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 0.87 (t, 3 JCH3/CH2 = 6.6 Hz, 3 H, −CH3), 1.24–1.37 (m, 20 H, −(CH2)10CH3), 1.51–1.54 (m, 2 H, −C≡CCH2CH2−), 2.19 (tt, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 5 JCH2/CH2 = 2.1 Hz, 2 H, −C≡CCH2CH2−), 4.23 ppm (t, 5 JCH2/CH2 = 2.1 Hz, 2 H, HOCH2−) Henicos-2-in-1-ol – 151 † (C21H40O – 308.54 g/mol) 151 wurde nach Methode G aus 147 (7.7 g) synthetisiert. Ausbeute: 14 % (0.86 g) Rf: LM C: 0.17, LM E: 0.59 MS: m/z 308 [2 %, M+ ] EA: ber. C 81.75, H 13.07 gef. C 81.61, H 13.21 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 0.87 (t, 3 JCH3/CH2 = 6.6 Hz, 3 H, −CH3), 1.19–1.52 (m, 32 H, −(CH2)16CH3), 2.19 (tt, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 5 JCH2/CH2 = 2.1 Hz, 2 H, −C≡C CH2CH2−), 4.23 ppm (t, 5 JCH2/CH2 = 2.1 Hz, 2 H, HOCH2−) Pentacos-2-in-1-ol – 152 † (C25H48O – 364.65 g/mol) 152 wurde nach Methode G aus 148 (8.9 g) synthetisiert. Ausbeute: 8 % (0.58 g) Rf: LM C: 0.18, LM E: 0.60 Fp: a: 70 °C MS: m/z 364 [1 %, M+ ], 346 [9 %, M+ – H20] EA: ber. C 82.34, H 13.27 gef. C 81.82, H 13.13 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 0.87 (t, 3 JCH3/CH2 = 6.6 Hz, 3 H, −CH3), 1.24–1.52 (m, 40 H, −(CH2)20CH3), 2.19 (tt, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 5 JCH2/CH2 = 2.1 Hz, 2 H, −C≡C CH2CH2−), 4.23 ppm (t, 5 JCH2/CH2 = 2.1 Hz, 2 H, HOCH2−) Baseninduzierte Alkinisomerisierung Für die Isomerisierung der Alk-2-in-1-ole zu den analogen Alk-ω-in-1-olen wird Natriumhydrid (0.41 g, 17 mmol) unter Argonatmosphäre in DAP (15 ml), welches zuvor über H3C OH 17 H3C OH 21 H3C OH 12 Einführung von Diacetylengruppen 129 Bariumoxid destilliert wurde, suspendiert und für 2 h auf 70 °C erhitzt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird eine Lösung des entsprechenden Alkinols 149-152 (2.1 mmol) in DAP (8 ml) hinzugegeben und die Mischung für weitere 3 – 5 h auf 55 °C erhitzt. Zur Aufarbeitung wird der Ansatz auf Eiswasser gegossen und mehrfach mit Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Wasser, verdünnter Salzsäure sowie mit kaltgesättigter NaCl-Lösung gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Die Reinigung der Produkte erfolgt mittels MPLC und Chloroform als Elutionsmittel. Pentadec-14-in-1-ol – 153 † (C15H28O – 224.38 g/mol) Ausbeute: 40 % (0.19 g) Rf: LM E: 0.42 Fp: a: 39 °C MS: m/z 224 [1 %, M+ ] EA: ber. C 80.29, H 12.58 gef. C 80.19, H 12.67 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.17–1.58 (m, 22 H, −(CH2)11CH2C≡CH), 1.92 (t, 4 JCH/CH2 = 2.5 Hz, 1 H, −C≡CH), 2.16 (td, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 JCH2/CH = 2.5 Hz, 2 H, −CH2C≡CH), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, HOCH2−) Hexadec-15-in-1-ol – 154 † (C16H30O – 238.41 g/mol) Ausbeute: 32 % (0.16 g) Rf: LM C: 0.10, LM E: 0.43 Fp: a: 48 °C MS: m/z 238 [1 %, M+ ] EA: ber. C 80.60, H 12.69 gef. C 80.45, H 12.65 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.15–1.58 (m, 24 H, −(CH2)12CH2C≡CH), 1.92 (t, 4 JCH/CH2 = 2.5 Hz, 1 H, −C≡CH), 2.16 (td, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 JCH2/CH = 2.5 Hz, 2 H, −CH2C≡CH), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 2 H, HOCH2−) Kupplung zu Diacetylenen Für die oxidative Kupplung der Alk-ω-in-1-ole zu den Diacetylenen wird Kupfer(II)acetat Monohydrat (15 g, 75 mmol) in Pyridin (50 ml) suspendiert und mit einer Lösung des Alk-ω- in-1-ols 153, 154 (20.5 mmol) in Methanol/Diethylether (50 ml, 3/2, V/V) versetzt. Die türkisblaue Mischung wird für 24 h auf ca. 70 °C erhitzt. Zur Aufarbeitung wird der Ansatz auf Eiswasser gegossen und vorsichtig mit kalter, halbkonzentrierter Salzsäure (150 ml) versetzt. Die organische Phase wird abgetrennt und die wässrige Phase mehrfach mit Chloroform/Diethylether (1/1, V/V) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit OH 13 HC OH 14 HC 130 Experimentelles Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und eingeengt. Die Reinigung der erhaltenen Alkadiin-1,ω-diole 155 und 156 erfolgt mittels MPLC und Chloroform als Elutionsmittel. Triaconta-14,16-diin-1,30-diol – 155 † (C30H54O – 446.75 g/mol) Ausbeute: 15 % (1.38 g) Rf: LM E: 0.19 Fp: a: 93 °C MS: m/z 446 [10 %, M+ ] EA: ber. C 80.65, H 12.19 gef. C 80.24, H 12.01 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.58 (m, 44 H, 2× −(CH2)11CH2C≡C−), 2.22 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 H, 2× −CH2C≡C−), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Dotriaconta-15,17-diin-1,32-diol – 156 † (C32H58O – 474.80 g/mol) Ausbeute: 7 % (0.68 g) Rf: LM E: 0.23 Fp: a: 92 °C MS: m/z 474 [26 %, M+ ] EA: ber. C 80.95, H 12.31 gef. C 80.58, H 12.13 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.57 (m, 48 H, 2× −(CH2)12CH2C≡C−), 2.22 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 H, 2× −CH2C≡C−), 3.62 ppm (t, 3 JCH2/CH2 = 6.6 Hz, 4 H, 2× HOCH2−) Phosphorylierung und Quarternierung Die Reaktion zu den entsprechenden Bis(phosphocholinen) 157 und 158 bzw. Bis(phosphodimethylethanolamin) 159 entspricht weitgehend Methode E, jedoch werden die Ansatzmengen auf 0.5 mmol Diol bezogen sowie unter Lichtausschluss und Schutzgasatmosphäre gearbeitet. Für die Phosphorylierung werden 4 mmol β-Bromethylphosphorsäuredichlorid (0.97 g) und 7 mmol abs. TEA (0.71 g), gelöst in abs. Chloroform (je 10 ml) verwendet. Die Quarternierung erfolgt in einer Mischung aus abs. Chloroform (15 ml), abs. Acetonitril (15 ml) und ethanolischer Amin-Lösung (5 ml). Die Ansätze werden im geschlossenen Kolben für zwei Tage auf 50 °C erhitzt. Die Reinigung der Endprodukte erfolgt wie unter Methode E beschrieben mittels MPLC unter Verwendung von Chloroform/Methanol/Wasser-Gemischen steigender Polarität als Elutionsmittel. OH 13 HO 13 OH 14 HO 14 Einführung von Diacetylengruppen 131 Triaconta-14,16-diin-1,30-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 157 † PC-C30diAc-PC (C40H78N2O8P2 – 777.00 g/mol) Ausbeute: 20 % (78 mg) Rf: LM H: 0.12 Fp: a: 190 °C (Zersetzung) MS: ESI: positiv: 777.6 [M+ + H], 799.5 [M+ + Na] EA: ber. C 56.58, H 10.21, N 3.30 (+ 4 H2O) gef. C 56.77, H 9.84, N 3.57 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.17–1.55 (m, 44 H, 2× −OCH2(CH2)11CH2C≡C−), 2.16 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 H, 2× −CH2C≡C−), 3.13 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.50–3.55 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.77 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, 2× −OCH2(CH2)12C≡C−), 4.11–4.17 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 19.03 (2× −CH2C≡C−), 25.68 (2× −O(CH2)2CH2 (CH2)10C≡C−), 28.22, 28.69, 28.95, 29.27, 29.34, 29.46 und 29.49 (2× −O(CH2)3 (CH2)9CH2C≡C−), 30.64 und 30.71 (d, 3 JC,P = 6.9 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)11 C≡C−), 54.10–54.17 (6× −CH3), 58.63 und 58.69 (2× NCH2CH2O−), 65.12 (2× −CH2C≡C−), 65.75 und 65.80 (2× −OCH2(CH2)12C≡C−), 66.43 (b, 2× NCH2CH2O−), 77.20 ppm (2× −CH2C≡C−) Dotriaconta-15,17-diin-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 158 † PC-C32diAc-PC (C42H82N2O8P2 – 805.05 g/mol) Ausbeute: 17 % (70 mg) Rf: LM H: 0.13 Fp: a: 200 °C (Zersetzung) MS: ESI: positiv: 805.5 [M+ + H], 828.5 [M+ + Na] EA: ber. C 57.51, H 10.34, N 3.19 (+ 4 H2O) gef. C 57.26, H 9.96, N 3.38 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.10–1.14 (m, 48 H, 2× −OCH2(CH2)12CH2C≡C−), 1.95 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 H, 2× −CH2C≡C−), 2.97 (s, 18 H, 6× −CH3), 3.33–3.36 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.62 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, 2× −OCH2(CH2)13C≡C−), 3.97–4.00 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 19.01 (2× −CH2C≡C−), 25.65 (2× −O(CH2)2CH2 (CH2)11C≡C−), 28.21, 28.68, 28.93, 29.26, 29.31, und 29.48 (2× −O(CH2)3 (CH2)10CH2C≡C−), 30.62 und 30.69 (d, 3 JC,P = 6.9 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)12 C≡C−), 54.09–54.16 (6× −CH3), 58.57 und 58.62 (2× NCH2CH2O−), 65.09 (2× O 13 O 13 P O N O O P O N O O O 14 O 14 P O N O O P O N O O 132 Experimentelles −CH2C≡C−), 65.71 und 65.77 (2× −OCH2(CH2)13C≡C−), 66.48 (b, 2× NCH2CH2O−), 77.26 ppm (2× −CH2C≡C−) Dotriaconta-15,17-diin-1,32-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 159 † Me2PE-C32diAc-Me2PE (C40H78N2O8P2 – 777.00 g/mol) Ausbeute: 35 % (136 mg) Rf: LM F: 0.43 MS: ESI: negativ: 775.6 [M+ – H] positiv: 778.4 [M+ + H], 799.6 [M+ + Na] EA: ber. C 56.58, H 10.21, N 3.30 (+ 4 H2O) gef. C 56.41, H 10.13, N 3.45 1 H-NMR: 400 MHz, CDCl3: δ = 1.24–1.39 (m, 40 H, 2× −O(CH2)2(CH2)10(CH2)2C≡C−), 1.46–1.53 (m, 4 H, 2× −CH2CH2C≡C−), 1.57–1.64 (m, 4 H, 2× −OCH2CH2 (CH2)12C≡C−), 2.24 (t, 3 JCH2/CH2 = 7.1 Hz, 4 H, 2× −CH2C≡C−), 2.82 (s, 12 H, 4× −CH3), 3.12–3.14 (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−), 3.89 („quar“, J = 6.6 Hz, 4 H, 2× −OCH2(CH2)13C≡C−), 4.22–4.26 ppm (m, 4 H, 2× NCH2CH2O−) 13C-NMR: 100 MHz, CDCl3/CD3OD: δ = 18.97 (2× −CH2C≡C−), 25.59 (2× −O(CH2)2CH2 (CH2)11C≡C−), 28.18, 28.64, 28.89, 29.19, 29.27, und 29.43 (2× −O(CH2)3 (CH2)10CH2C≡C−), 30.51 und 30.58 (d, 3 JC,P = 6.9 Hz, 2× −OCH2CH2(CH2)12 C≡C−), 43.19 (4× −CH3), 58.59, 58.64 und 59.04, 59.09 (2× NCH2CH2O−), 65.05 (2× −CH2C≡C−), 65.98 und 66.04 (2× −OCH2(CH2)13C≡C−), 77.25 ppm (2× −CH2C≡C−) O 14 O 14 P O N OH O P O N OH O 133 6 LITERATURVERZEICHNIS (1) Fuhrhop, J.-H.; Wang, T. Chem. Rev. 2004, 104, 2901-2937. (2) Benvegnu, T.; Brard, M.; Plusquellec, D. Curr. Opin. 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PC-C34-PC: C44H94N2O8P2 – MG = 841.17 g/mol Berechnung der kohärenten Streulänge bt: b cm b n E t i t i i 12 1.6518 10− = ⋅ =∑ ⋅ Berechnung des Molekülvolumens VM: 3 , 3 , 1262.8Å 1303.6Å = = = ∑ ⋅ β α M L M L j M j j V V V m F Berechnung des molaren Molekülvolumens: Berechnung der Dichte: mol cm m L mol cm m L mol M m V V N V V 3 3 760.46 6.022 10 785.03 10 1303.3Å 10 , 1 23 , 24 24 = = ⋅ ⋅ = = ⋅ β α 3 3 3 1.1061 1.0715 785.03 841.17 cm g L cm g mol cm mol g L m G V M = = = = β α ρ ρ ρ Berechnung der Streulängendichtedifferenz: g cm m L g cm cm g cm m L S M t m cm V b 10 . 10 1 10 3 24 12 , 24 5.604 10 5.789 10 1.0715 6.33 10 1303.6Å 10 1.6518 10 10 3 2 ∆ = − ⋅ = − ⋅ − ⋅ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⋅ ∆ = −⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ∆ = − − − β α ρ ρ ρ ρ ρ Berechnung der Aggregationszahl Nagg als Zahl der Moleküle pro Mizelle bzw. pro Längenabschnitt der Faser: ( ) ( ) ( ) 1.03 5.604 10 841.17 0 / 4.55 6.022 10 2 10 1 23 2 2 = − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ∆ ⋅ ⋅ = mol g g cm g mol cm m G agg M I c N N ρ Volumina [Å3 ] Fragment F Lα (Mizellen) Lβ (Fasern) CH3 52.7 ⁄ CH2 28.1 26.9 PHOS 53.7 CHOL 120.4 Me2PE 103.6 MePE 80.0 PE 55.4 Volumen der Elemente kann aus den Atomradien berechnet werden. Element E Streulänge [× 10-13 cm] H -3.741 D 6.674 C 6.653 N 9.370 O 5.805 P 5.130 S 2.847 ii Anhang Berechnung der Masser M der Mizellen bzw. der Masse pro Längeneinheit ML der Fasern: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) cm g g cm g cm cm m L m I c M I c M 13 2 10 1 8 2 8 2 1.45 10 5.604 10 10 0 / 10 4.55 0 / 2 − = ⋅ − ⋅ ⋅ = ∆ ⋅ = ∆ = ρ ρ Berechnung des Durchmessers der Mizellen bzw. der Fasern aus dem Gyrationsradius: Der Gyrationsradius Rg (oder Trägheitsradius bzw. Streumassenradius) ist für verschiedene Körpergeometrien wie folgt definiert: Geometrie Parameter Gyrationsradius Kugel R: Kugelradius 2 2 5 Rg = 3 R Langer Stab L: Stablänge 2 2 12 Rg = 1 L Zylindrische Scheibe RCS: Scheibendurchmesser 2 2 2 1 Rg = RCS Ellipsoid a,b,c: Halbachsen ( ) 2 2 2 2 5 R 1 a b c g = + + Daraus ergibt sich für den Durchmesser D kugelförmiger Mizellen: D Rg = ⋅ ⋅ 3 5 2 und für den Durchmesser DCS zylindrischer Stäbchen bzw. Scheiben: DCS 2 2 RCS ,g = ⋅ ⋅ Ergebnisse der SANS-Untersuchungen von äquimolaren Mischungen der Bolaamphiphile (c = 1 mg/ml): Bolalipid T [°C] Aggregatform Dmax [Å] Rg bzw. RCS,g [Å] M [g] ML [g/cm] Nagg [1/Å] D [Å] KUHN- a Länge [Å] a [Å]a b [Å]a 20 Fasern 55 16.8 ± 0.20 1.37 × 10-13 PC-C26/ 1.1 47.5 600 ± 50 18 ± 1 28 ± 2 32-PC 55 Mizellen 65 21.3 ± 0.10 6.23 × 10-20 48.6 55.0 022 ± 1 22 ± 1 37 ± 2 20 kurze Fasern 50 34.5 ± 0.81 1.18 × 10-19 94.1 89.1 ⁄ ⁄ ⁄ 42 Mizellen 60 21.4 ± 0.10 6.21 × 10-20 49.5 55.3 023 ± 1 23 ± 1 35 ± 2 PC-C24/ 32-PC 70 Mizellen 55 19.2 ± 0.10 4.58 × 10-20 36.5 49.6 021 ± 1 21 ± 1 30 ± 2 20 Fasern 55 18.2 ± 0.14 1.24 × 10-13 1.0 51.4 600 ± 50 20 ± 1 31 ± 2 50 Fasern 50 16.4 ± 0.10 1.09 × 10-13 0.9 46.4 600 ± 50 19 ± 1 27 ± 2 PC/Me2PEC32 70 Mizellen 75 26.0 ± 0.10 8.66 × 10-20 64.1 67.1 025 ± 1 25 ± 1 48 ± 2 a Im Falle von Mizellen erfolgt die Angabe der Halbachsen a, a und εa. iii 1 H-NMR-, 13C-NMR- UND MASSENSPEKTREN AUSGEWÄHLTER VERBINDUNGEN Hexacosa-1,25-dien – 15 (MG = 362.67 g/mol) GC-MS: 1 H-NMR: iv Anhang Tetratriaconta-1,33-dien – 74 (MG = 474.89 g/mol) MS: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen v Dotriaconta-1,31-dien – 4 (MG = 446.8 g/mol) mit Nebenprodukt Dotetraconta-1,41-dien – 31 (MG = 587.1 g/mol) Tetratriaconta-1,33-dien – 74 (MG = 474.89 g/mol) mit Hexatetraconta-1,45-dien (MG = 643.2 g/mol) vi Anhang Triacontan-1,30-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 65 – PC-C30-PC (MG = 785.06 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen vii Hexacosan-1,26-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 67 – PC-C26-PC (MG = 728.96 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR: viii Anhang Tetratriacontan-1,34-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 79 – PC-C34-PC (MG = 841.17 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen ix Triacontan-1,30-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 83 – Me2PE-C30-Me2PE (MG = 757.01 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: positiv Modus: 1 H-NMR: x Anhang 13C-NMR: Hexacosan-1,26-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 85 – Me2PE-C26-Me2PE (MG = 700.91 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: positiv Modus: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xi 1 H-NMR: 13C-NMR: xii Anhang Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(methylammonio)ethylphosphat] – 88 – MePE-C32-MePE (MG = 757.01 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xiii Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäurediphenylester) – 96 (MG = 947.2 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR: xiv Anhang 13C-NMR: Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäuredibenzylester) – 101 (MG = 1003.31 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xv 1 H-NMR: Dotriacontan-1,32-diyl-bis[phosphorsäure-bis(2,2,2-trichlorethylester)] – 103 (MG = 1168.37 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: xvi Anhang 1 H-NMR: 13C-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xvii Dotriacontan-1,32-diyl-bis(phosphorsäureester) – 105 (MG = 642.82 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: positiv Modus: 1 H-NMR: xviii Anhang Dinatrium-dotriacontan-1,32-diyl-bis(benzylphosphat) – 106 (MG = 823.07 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: positiv Modus: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xix Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(N,N-dimethyl-N-ethylammonio)ethylphosphat] – 107 – EPC-C32-EPC (MG = 841.17 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR: xx Anhang Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(N-allyl-N,N-dimethylammonio)ethylphosphat] – 108 – APC-C32-APC (MG = 865.19 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxi 13C-NMR: Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(N,N-dimethyl-N-propinylammonio)ethylphosphat] – 109 – PPC-C32-PPC (MG = 861.16 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: xxii Anhang 1 H-NMR: (falsche Kalibrierung der ppm-Skala) 13C-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxiii Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N-dimethyl-N-(2-hydroxyethyl)ammonio]ethylphosphat] – 110 HEPC-C32-HEPC (MG = 873.17 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR: (ppm-Skala auf Methanol kalibriert) xxiv Anhang Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N-dimethyl-N-(2-dimethylaminoethyl)ammonio]ethylphosphat] – 113 DMAEPC-C32-DMAEPC (MG = 927.31 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxv Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(diethylammonio)ethylphosphat] – 115 – Et2PE-C32-Et2PE (MG = 841.17 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: positiv Modus: 1 H-NMR: xxvi Anhang ESI-MS (positiv Modus) des Alkylierungsansatzes 116: Edukt Me2PE-C32-Me2PE – 82 (MG = 785.06 g/mol) sowie monoalkyliertes (MG = 859.21 g/mol) und bisalkyliertes Produkt (MG = 933.36 g/mol) 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxvii Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N-dimethyl-N-[[1-(phenylthiomethyl)-1,2,3-triazol-4-yl]methyl]ammonio]- ethylphosphat] – 119 – PTTPC-C32-PTTPC (MG = 1191.59 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: positiv Modus: 1 H-NMR: xxviii Anhang Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-[N,N-dimethyl-N-[2-[[5-(1,2-dithiolan-3-yl)-1-oxopentyl]oxy]ethyl]ammonio]- ethylphosphat] – 120 – LAPC-C32-LAPC (MG = 1249.79 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: Tetratriacontan-1,34-diyl-([D24]-12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,20,20,21,21,22,22,23,23)- bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 124 – PC-C34d24-PC (MG = 865.36 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxix HRMS: 1 H-NMR: xxx Anhang 13C-NMR: Tetratriacontan-1,34-diyl-([D24]-12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,20,20,21,21,22,22,23,23)- bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 125 – Me2PE-C34d24-Me2PE (MG = 837.31 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: positiv Modus: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxxi HRMS: 1 H-NMR: xxxii Anhang 1,14-Dichlor-4,11-dithiatetradecan – 129 (MG = 303.36 g/mol) GC-MS: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxxiii 1,16-Dichlor-4,13-dithiahexadecan – 130 (MG = 331.41 g/mol) GC-MS: 1 H-NMR: xxxiv Anhang 12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diol – 138 (MG = 518.91 g/mol) MS: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxxv 12,21-Dioxadotriacontan-1,32-diol – 139 (MG = 486.81 g/mol) MS: 1 H-NMR: xxxvi Anhang 12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 140 – PC-C32SS-PC (MG = 849.15 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxxvii 13C-NMR: 12,21-Dioxadotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 141 – PC-C32OO-PC (MG = 817.06 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: xxxviii Anhang 1 H-NMR: 13C-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xxxix 12,21-Dithiadotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 142 – Me2PE-C32SS-Me2PE (MG = 821.14 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: positiv Modus: 1 H-NMR: xl Anhang 13C-NMR: Dotriacontan-15,17-diin-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] – 158 – PC-C32diAc-PC (MG = 805.05 g/mol) ESI-MS – positiv Modus: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xli 1 H-NMR: 13C-NMR: xlii Anhang Dotriacontan-15,17-diin-1,32-diyl-bis[2-(dimethylammonio)ethylphosphat] – 159 – Me2PE-C32diAcMe2PE (MG = 777.00 g/mol) ESI-MS – negativ Modus: positiv Modus: 1 H-NMR: 1 H-NMR, 13C-NMR und Massenspektren ausgewählter Verbindungen xliii 13C-NMR: LISTE DER VERÖFFENTLICHUNGEN Publikationen: Bolaamphiphile – Synthese und Aggregationsverhalten Köhler, K.; Meister, A.; Förster, G.; Dobner, B.; Drescher, S.; Ziethe, F.; Richter, W.; Steininger, F.; Drechsler, M.; Hause, G.; Blume, A.: Conformational and Thermal Behavior of a pH-sensitive Bolaform Hydrogelator Soft Matter 2006, 2, 77-86. Köhler, K.; Meister, A.; Dobner, B.; Drescher, S.; Ziethe, F.; Blume, A.: Temperature-Dependent Aggregation Behavior of Symmetric Long-Chain Bolaamphiphiles at the Air-Water Interface Langmuir 2006, 22, 2668-2675. Drescher, S.; Meister, A.; Blume, A.; Karlsson, G.; Almgren, M.; Dobner, B.: General Synthesis and Aggregation Behaviour of a Series of Single-chain 1,ω-Bis(phosphorcholines) Chem. Eur. J. 2007, 13, 5300-5307. Meister, A.; Weygand, M. J.; Brezesinski, G.; Kerth, A.; Drescher, S.; Dobner, B.; Blume, A.: Evidence for a Reverse U-Shaped Conformation of Single-Chain Bolaamphiphiles at the AirWater Interface Langmuir 2007, 23, 6063-6069. Meister, A.; Bastrop, M.; Koschoreck, S.; Garamus, V. M.; Sinemus, T.; Hempel, G.; Drescher, S.; Dobner, B.; Richtering, W.; Huber, K.; Blume, A.: Structure-Property Relationship in Stimulus-Responsive Bolaamphiphile Hydrogels Langmuir 2007, 23, 7715-7723. Meister, A.; Köhler, K.; Drescher, S.; Dobner, B.; Karlsson, G.; Edwards, K.; Hause, G.; Blume, A.: Mixing Behavior of a Symmetrical Single-Chain Bolaamphiphile with Phospholipids Soft Matter 2007, 3, 1025-1031. Meister, A.; Drescher, S.; Mey, I.; Wahab, M.; Graf, G.; Garamus, V. M.; Hause, G.; Mögel, H.-J.; Janshoff, A.; Dobner, B., Blume, A.: Helical Nanofibers of Self-Assembled Bipolar Phospholipids as Template for Gold Nanoparticles J. Phys. Chem. B 2008, 112, 4506-4511. Drescher, S.; Meister, A.; Graf, G.; Hause, G.; Blume, A.; Dobner, B.: General Synthesis and Aggregation Behaviour of Novel Single-chain Bolaphospholipids: Variations in Chain and Headgroup Structures Chem. Eur. J. 2008, in press. Meister, A.; Drescher, S.; Garamus, V. M.; Karlsson, G.; Graf, G.; Dobner, B.;Blume, A.: Temperature-dependent Self-assembly and Mixing Behavior of Symmetrical Single-chain Bolaamphiphiles Langmuir 2008, in press. Poster und Vorträge: Bolaamphiphile – Synthese und Aggregationsverhalten Drescher, S.; Dobner, B.: Synthesis of Bolaamphiphiles – A Promising Approach for Novel Chain and Headgroup Structures DPhG-Tagung – Erlangen 2007. Drescher, S.; Meister, A.; Bastrop, M.; Karlson, G.; Garamus, V. M.; Blume, A.; Dobner, B.: Self-Assembly of Single-chain 1,1'-Bis(phosphodimethylethanolamines): The Formation of Temperature and pH-responsive Hydrogels International Congress on Biohydrogels – Viareggio (Italy) 2007. weitere Veröffentlichungen: Briel, D.; Drescher, S.; Dobner, B.: Selective Nucleophilic Replacement of the Benzylsulfanyl Group in 2,4-Disulfanyl-substituted Thieno[2.3-d]pyrimidin-6-carboxylic Acid Derivatives by Secondary Amines J. Het. Chem. 2005, 42, 841-846. Drescher, S.; Ramsbeck, D.; Briel, D.; Dobner, B.: Selective Nucleophilic Substitution Reactions in 2,4,6-Trisulfanyl-substituted Pyrimidin-5- carbonitriles by Secondary Amines J. Het. Chem. 2007, 44, 757-763. Drescher, S.; Franz, F.; Ramsbeck, D.; Briel, D.; Dobner, B: Synthesis and Reactions of Substituted Pyrimidines and Thieno[2.3-d]pyrimidines GDCh-Tagung - Leipzig 2005 Danksagung Die Untersuchungen wurden in der Zeit von 10/2004 bis 01/2008 im Institutsbereich Pharmazeutische Chemie und Klinische Pharmazie des Instituts für Pharmazie der MartinLuther-Universität Halle Wittenberg durchgeführt. Die vorliegende Dissertationsschrift wäre nicht ohne die Unterstützung, den Rat und die Geduld zahlreicher Personen möglich gewesen, bei denen ich mich abschließend herzlich bedanken möchte. Mein besonderer Dank gilt meinem Lehrer, Herrn Prof. Dr. habil. Bodo Dobner, für die Möglichkeit zur Anfertigung dieser Dissertation und die Überlassung des spannenden Themas sowie dessen sehr freie Gestaltung. Seine fortwährende, freundliche Betreuung, die zahlreichen anregenden Diskussionen sowie die vielen Tipps und Ratschläge praktischer Natur bleiben unvergessen und haben in großem Maße zum Gelingen dieser Dissertation beigetragen. Der gesamten Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dobner und Herrn Prof. Langner gilt mein Dank für die freundliche Arbeitsatmosphäre und die kooperative Zusammenarbeit. Frau Dipl. Pharm. Katrin Piksa danke ich für Ihre synthetischen Arbeiten, die Eingang in diese Dissertationsschrift fanden. Mein spezieller Dank gilt Frau Munk für ihre Herzlichkeit und Unterstützung in organisatorischen Fragen. Ein großer Dank geht ebenfalls an Herrn Prof. Dr. habil. Alfred Blume und dessen Mitarbeiter für die zahlreichen physiko-chemischen Untersuchungen. Zu außerordentlichem Dank bin ich dabei Frau Dr. Annette Meister verpflichtet – für die vielen fachlichen Hinweise und Anmerkungen und natürlich auch für die netten Gespräche abseits wissenschaftlicher Fragestellungen. Frau Dipl. Chem. Gesche Graf und Herrn Dipl. Pharm. Martin Bastrop danke ich an dieser Stelle ebenfalls für die sehr gute Zusammenarbeit. Weiterhin danke ich Frau Woigk und Frau Leissring für die schnelle und sorgfältige Anfertigung der Massenspektren, Frau Brandt für die Durchführung der Elementaranalysen sowie Herrn Dr. Ströhl und Mitarbeitern für die Erstellung der unzähligen NMR-Spektren. Dr. Vasil Garamus vom GKSS Forschungszentrum gilt mein Dank für die Realisierung der SANSUntersuchungen sowie für seine stetige Diskussionsbereitschaft. Спасибо! Allen Angehörigen des Institutsbereichs für Pharmazeutische Chemie und Klinische Pharmazie, die mich während der Anfertigung der Dissertation unterstützt haben, hier aber unerwähnt geblieben sind, bin ich ebenfalls zu besonderem Dank verpflichtet. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft und Herrn Prof. Dr. habil. Karsten Mäder danke ich für die finanzielle Unterstützung während der Promotionszeit. Schließlich danke ich meiner Familie und Frau Dipl. Pharm. Franziska Simmel für ihre moralische Unterstützung in allen Lebenslagen ganz herzlich. Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Dissertationsschrift selbstständig und nur unter Verwendung der angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt habe. Die den Werken wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen habe ich als solche kenntlich gemacht. Ich versichere, dass ich diese Arbeit bisher an keiner anderen Universität oder Hochschule im In- und Ausland vorgelegt habe. Halle/Saale im April 2008 Simon Drescher Lebenslauf Persönliches Name Simon Drescher (Dipl. Pharm.) Geburtsdatum, Geburtsort 17. August 1978 in Zwickau Staatsangehörigkeit deutsch Familienstand ledig Wohnsitz Karl-Liebknecht-Str. 36, 06114 Halle (Saale) postgraduale Ausbildung seit 02/2008 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Martin-LutherUniversität, Halle-Wittenberg, Institut für Pharmazie, Abteilung Biochemische Pharmazie 10/2007 – 01/2008 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Angewandte Dermatopharmazie an der Martin-Luther-Universität e.V. 10/2004 – 09/2007 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Martin-LutherUniversität, Halle-Wittenberg (Promotionsstudium), Fachbereich Pharmazie, Institut für Pharmazeutische Chemie 01/2004 – 09/2004 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Martin-LutherUniversität, Halle-Wittenberg, Fachbereich Pharmazie, Institut für Pharmazeutische Chemie 05/2003 – 10/2003 Diplomarbeit zur Erlangung des akademischen Grades: Diplompharmazeut (Dipl. Pharm.) Martin-Luther-Universität, Halle-Wittenberg, Fachbereich Pharmazie, Institut für Pharmazeutische Chemie „Selektive nucleophile Substitutionsreaktionen an hochfunktionalisierten Thieno[2.3-d]pyrimidinen“ Lehrtätigkeit 2004 – 2006 Praktikumsbetreuung im Grundstudium der Pharmazie 10/2000 – 03/2001 Tutorentätigkeit an der Martin-Luther-Universität Studium und praktische Ausbildung 03/2004 Approbation als Apotheker 02/2004 Dritter Abschnitt der Pharmazeutischen Prüfung 10/2002 – 03/2003 Praktische Ausbildung im Rahmen des Dritten Abschnitts Apotheke Am Borberg in Kirchberg 09/2002 Zweiter Abschnitt der Pharmazeutischen Prüfung 08/2000 Erster Abschnitt der Pharmazeutischen Prüfung 10/1998 – 10/2002 Studium der Pharmazie an der Martin-Luther-Universität, HalleWittenberg Wehrdienst 11/1997 – 08/1998 Wehrpflicht (Rechnungsführer) in Homberg/Efze Schulbildung 08/1991 – 07/1997 Abitur Käthe-Kollwitz-Gymnasium in Zwickau 09/1985 – 07/1991 Polytechnische Oberschule „Julian Marchlewski“ in Zwickau Stipendien seit 02/2008 Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Synthese langkettiger Bolaphospholipide und physiko-chemische Charakterisierung ihrer Aggregatstrukturen: Untersuchungen an Nanofasern und Hydrogelen. 10/2004 – 09/2007 Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Synthese langkettiger symmetrischer Bolaphospholipide und physiko-chemische Charakterisierung ihrer Aggregatstrukturen. Halle (Saale) im April 2008