In der vorliegenden Arbeit werden Studien zur selektiven bakteriellen Hydroxylierung von Fettsäuren vorgestellt. Unter Verwendung von Linolsäure als Substrat wurden aus Bodenproben verschiedene Mikroorganismen isoliert, die polare Metabolite bildeten. Die phänotypische und genotypische Charakterisierung eines Stammes führte zu dessen Identifizierung als Stenotrophomonas maltophilia. Die Strukturaufklärung der drei Hauptreaktionsprodukte erfolgte mittels Hochleistungsflüssigchromatographie-Massenspektrometrie (HPLC-MS), Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) sowie ein- und zweidimensionalen NMR-Experimenten (1H-NMR, 13C-NMR, 13C-DEPT, H/H-COSY, HMQC, HMBC). Linolsäure wurde von Stenotrophomonas maltophilia zu 3-Hydroxy-Z6-dodecensäure, 3-Hydroxy-Z5,Z8-tetradecadiensäure und 3-Hydroxy-Z7,Z10-hexadecadiensäure umgesetzt. In einem anschließenden Substratscreening wurden 32 Verbindungen als Edukte für die Biotransformation eingesetzt und so die strukturellen Voraussetzungen ermittelt, die für eine effiziente Umsetzung von Fettsäuren durch Stenotrophomonas maltophilia notwendig sind. Zum Einsatz kamen Substrate mit unterschiedlicher Anzahl an C-Atomen sowie mit Variationen bezüglich Anzahl, Position und Konformation von Doppelbindungen. Weiterhin wurden Substanzen verwendet, die bereits funktionelle Gruppen im Molekül aufwiesen (z. B. Ricinolsäure). Die Bestimmung der Enantiomerenverteilung der bakteriell gebildeten 3-Hydroxysäuren mittels multidimensionaler Gaschromatographie (MDGC) ergab einen deutlichen Enantiomerenüberschuss (ee 84 – 98 Prozent). Die Aufklärung der Absolutkonfiguration erfolgte über die Synthese von Dodecan-1,3-diolen und deren anschließende Analytik mittels MDGC. Zusätzlich wurde die Konfiguration mit Hilfe der CD Exciton Chirality-Methode bestimmt. Weiterhin wurde untersucht, ob die bakteriell gebildeten 3-Hydroxysäuren als Substrate oder Inhibitoren des Enzyms Lipoxygenase L-1 aus Sojabohnen fungieren. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Studien zur Darstellung von optisch aktiven 3-Hydroxysäuren belegen das Potential des Bodenbakteriums Stenotrophomonas maltophilia, exogen zugeführte Fettsäuren im Rahmen der b-Oxidation zu kettenverkürzten, an Position 3 hydroxylierten Metaboliten abzubauen. Dabei liegen jedoch deutliche Abweichungen zur b-Oxidation in anderen Organismen vor, die auf Unterschieden in der Enzymausstattung bzw. deren Aktivität beruhen. Durch die gewonnenen Erkenntnisse zum b-Oxidationsmechanismus in Stenotrophomonas maltophilia kann diese Aktivität durch geeignete Substratauswahl gezielt zur Synthese von optisch aktiven 3-Hydroxysäuren eingesetzt werden, deren chemische Synthese gegenüber dieser Biotransformation deutlich schwieriger zu realisieren ist. Für solche Verbindungen besteht in der organischen Synthese von Naturstoffen wie Pheromonen, Vitaminen und Antibiotika Bedarf. / The available work presents studies on the selective bacterial hydroxylation of fatty acids. In a screening procedure using linoleic acid as substrate different microorganisms were isolated from soil samples and tested for their ability to form polar products. The phenotypic and genotypic characterisation of one of these strains led to its identification as Stenotrophomonas maltophilia. Structure elucidation of the three major reaction products was carried out by high performance liquid chromatography-mass spectrometry, gas chromatography-mass spectrometry as well as one and two-dimensional NMR experiments (1H-NMR, 13C-NMR, 13C-DEPT, H/H COSY, HMQC, HMBC). Linoleic acid was converted by Stenotrophomonas maltophilia 3-hydroxy-Z6-dodecenoic acid, 3-hydroxy-Z5,Z8-tetradecadienoic acid and 3-hydroxy-Z7,Z10-hexadecadienoic acid. In a following screening 32 compounds were used as substrates for the biotransformation to determine the structural prerequisites, which are necessary for an efficient conversion of fatty acids by Stenotrophomonas maltophilia. On the basis of the results obtained with linoleic acid further fatty acids with 18 carbon atoms differing in number, position and configuration of available double bonds were used. Further compounds with differing chain length as well as substrates already containing functional groups were employed. Determination of the enantiomeric composition of the bacterially formed 3-hydroxy-acids by multidimensional gas chromatography (MDGC) resulted in a clear dominance of one of the enantiomers (ee 84 - 98 Prozent). Assigning the absolute configuration was carried out by syntheses of dodecane-1,3-diols and their analysis by MDGC. In addition, the CD exciton chirality method was applied to determine the absolute configuration of eight biotransformation products with different structural properties such as number and position of available double bonds. Kinetic studies using lipoxygenase L-1 from soy beans showed that the bacterial products neither act as substrates nor as inhibitors of this enzyme. The studies regarding the synthesis of optically active 3-hydroxy acids, executed in the context of this work, demonstrated the potential of the soil bacterium Stenotrophomonas maltophilia, to degrade exogenously supplied fatty acids to chain-shortened hydroxylated metabolites by b-oxidation. Clear deviations to the b-oxidation in other organisms are present, which are based on differences in the enzyme equipment or their activity. Based on the achieved results concerning the mechanism of b-oxidation in Stenotrophomonas maltophilia this activity can be used for the synthesis of optically active 3-hydroxy acids whose chemical synthesis is more difficult in relation to this biotransformation. For such compounds requirement exists in the organic synthesis of natural substances such as pheromones, vitamins and antibiotics.

Einleitung: Die α-Hydroxycarbonsäuren 2 sind nicht nur wichtige chirale Bausteine für die organische Synthese,[20–25] sondern ebenfalls für den Menschen von großer Bedeutung aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungen in der Lebensmittelbranche, Kosmetikindustrie und Medizin.[13–15] Aus diesen Gründen ist ein effizienter Zugang auch zu enantiomenreinen Säuren 2 notwendig. Viele natürlich vorkommende Vertreter sind aus dem chiral pool isolierbar, doch gerade für wissenschaftliche Zwecke sind häufig spezielle Strukturen von Interesse, die nur synthetisch darstellbar sind. Deshalb wurden, basierend auf unterschiedlichen Ansätzen, zahlreiche stereoselektive Routen zu α-Hydroxycarbonsäuren 2 entwickelt.[26–79] Eine schnelle und zugleich breit anwendbare Methode, 2 durch Hydroxylierung unfunktionalisierter Carbonsäuren 20 zu synthetisieren, sucht man jedoch vergebens. Das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit bestand in der Entwicklung einer stereoselektiven Eintopfsynthese zur α-Hydroxylierung α-unfunktionalisierter Carbonsäurederivate 20 ... Fazit: Mit der MHACU von chiralen O-acylierten Oxazolin-N-oxiden (S)-37 wurde eine schnelle und einfache Eintopf-Synthese für α-Acyloxyoxazoline (S,S)-39, α-Hydroxymethylester (S)-30 und -säuren (S)-2 ausgehend von unfunktionalisierten Orthoestern 29 erarbeitet, die exzellente Diastereomeren- und Enantiomerenüberschüsse erlaubt (94–98% de/ee). Einleitung zum zweiten Teil der Arbeit: L-Prolin [(S)-222] gilt als einer der bedeutendsten Organokatalysatoren überhaupt und besticht durch seine strukturelle Einfachheit und seine erstklassigen katalytischen Eigenschaften.[230–232] Zudem stehen bei keinem zweiten Katalysator die materielle Verfügbarkeit und die chemische Anwendbarkeit in einem so idealen Verhältnis. Für einen Grundlagenforscher ist es daher eine besonders interessante Aufgabe, strukturelle Merkmale von L-Prolin [(S)-222] mit Erkenntnissen aus mechanistischen Untersuchungen zu verschmelzen, um so neue, noch leistungsstärkere Katalysatoren zu entwickeln. Fazit: Die vorgelegten Konzepte zur Verbesserung der Reaktivität von Pyrrolidin-basierten Katalysatoren erschienen zwar aussichtsreich, jedoch lieferten die bisherigen Umsetzungen noch keine brauchbaren Ergebnisse. Die in diesem Rahmen synthetisierten Aminosäuren und Isoxazolidine besaßen nur sehr geringe katalytische Aktivitäten. Weitere Arbeiten, zum Beispiel Veränderungen an den Katalysatorstrukturen, sind nötig, um eine erfolgreiche Umsetzung dieser Konzepte noch zu realisieren. / Introduction: α-Hydroxy carboxylic acids 2 are not only important building blocks in organic chemistry,[20–25] they are also of high interest for humanity because of their manifold applications in food, cosmetic, and medical industry.[13–15] For these reasons, an efficient access to enantiomerically enriched acids 2 is necessary. Many naturally occurring α-hydroxy acids are accessible from the chiral pool, but more special structures have to be prepared by chemical synthesis. Hence, quite a number of stereoselective procedures has been developed for the preparation of α-hydroxy carboxylic acids 2,[26–79] but a quick and highly substrate tolerant method for the direct hydroxylation of α-unfunctionalized carboxylic acids does not yet exist. The aim of the first part of this work was the development of a stereoselective one-pot procedure for the α-hydroxylation of α-unfunctionalized carboxylic acid derivatives 20. This method had to be optimized in termes of yield and stereoselectivity, and also the substrate tolerance had to be studied. An extension to a variable α-functionalization of 20, giving, for example, α-amino acids 8, was planned. Conclusion: A fast and substrate tolerant one-pot procedure to oxazolines (S,S)-39 and α-hydroxy methyl esters (S)-30 and acids (S)-2 from unfunctionalized ortho esters 29 has been developed, using a highly stereoselective (94–98% de/ee) MHACU of O-acylated oxazoline-N-oxids (S)-37 as the key step. Introduction of the 2. part: L-Proline [(S)-222] is probably the most important organocatalyst known so far because of its structure simpleness and its brilliant catalytic qualities.[230–232] There is not any other catalyst that is so easily available and, at the same time, so broadly applicable. It is therefor a very interesting task for a scientist to combine the structural properties of L-proline [(S)-222] with the up-to-date knowlegde from mechanistic studies and to develop new, more powerful catalysts. Conclusion: The presented concepts, targeting an improvement of the reactivity of pyrrolidine-based catalysts, were promising, but any convincing results were not achieved so far, since the synthesized amino acids and isoxazolidines possessed an insufficient catalytic potential. Further attempts, in particular further modifications in the compounds' structures, are necessary to successfully realize this project.

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Synthese neuartiger homochiraler Molekülstrukturen, welche nach Konzepten des Crystal Engineering über ein starres Grundgerüst sowie koordinationsfähige Haftgruppen verfügen sollten. Unter Verwendung von Wein- und Milchsäure, als Vertreter der natürlich vorkommenden, enantiomerenreinen α-Hydroxycarbonsäuren, konnten die entsprechenden Derivate mit aromatischen und/oder acetylenischen Spacerelementen hergestellt und umfassend charakterisiert werden. Die synthetisierten Wein- und Milchsäureverbindungen sowie die sich von den jeweiligen Weinsäureestern ableitenden TADDOLe wurden außerdem auf ihre optische Aktivität, ihre Affinität gegenüber verschiedenen Lösungsmitteldämpfen, ihr Einschlussverhalten gegenüber achiralen und chiralen Lösungsmitteln sowie ihre Eignung als organische Linker bei der Synthese von metallorganischen Gerüststrukturen untersucht. Mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse konnten die Festkörperstrukturen einiger Derivate aufgeklärt und diese hinsichtlich ihrer Konformation verglichen werden.

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Synthese neuartiger homochiraler Molekülstrukturen, welche nach Konzepten des Crystal Engineering über ein starres Grundgerüst sowie koordinationsfähige Haftgruppen verfügen sollten. Unter Verwendung von Wein- und Milchsäure, als Vertreter der natürlich vorkommenden, enantiomerenreinen α-Hydroxycarbonsäuren, konnten die entsprechenden Derivate mit aromatischen und/oder acetylenischen Spacerelementen hergestellt und umfassend charakterisiert werden. Die synthetisierten Wein- und Milchsäureverbindungen sowie die sich von den jeweiligen Weinsäureestern ableitenden TADDOLe wurden außerdem auf ihre optische Aktivität, ihre Affinität gegenüber verschiedenen Lösungsmitteldämpfen, ihr Einschlussverhalten gegenüber achiralen und chiralen Lösungsmitteln sowie ihre Eignung als organische Linker bei der Synthese von metallorganischen Gerüststrukturen untersucht. Mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse konnten die Festkörperstrukturen einiger Derivate aufgeklärt und diese hinsichtlich ihrer Konformation verglichen werden.