Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

Das Ziel dieser Arbeit war die Anwendung intakter Mikroorganismen auf organische Sulfide zur asymmetrischen Synthese von optisch aktiven Sulfoxiden. Die im Vergleich zu den aufwendigen und teueren Reaktionen mit isolierten Enzymen besonders effizienten Rahmenbedingungen bei sogenannten `whole-cell´-Umsetzungen stellten den Grund für die Bemühungen in dem stetig an Bedeutung gewinnenden Arbeitsfeld der Bioorganischen Chemie dar. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Studien sind im Folgenden zusammengefasst: 1. Die Mikroorganismen wurden isoliert, singularisiert und kultiviert. Eine Bodenprobe diente als Quelle für eine Vielzahl an Bakterien, Hefen und Pilzen, die mit dem Standardsubstrat Thioanisol auf ihre Fähigkeit zur enantioselektiven Sulfoxidation überprüft wurden. 2. Insgesamt sind sechs Keime nach standardisierten Methoden genotypisch charakterisiert und den entsprechenden Spezies zugeordnet worden. Die beiden Bakterienstämme mit den bei der Sulfoxidation höchsten Enantiomeren-überschüssen (ee-Werten), nämlich Arthrobacter aurescens (bildete das S-Enantiomer) und Pseudomonas frederiksbergensis (lieferte das R-Enantiomer), wurden für nachfolgende Biosynthesen verwendet. Pseudomonas frederiksbergensis war der einzige Stamm, der das R-Enantiomer im Überschuss produzierte. 3. Durch direkte Vergleiche der Biosyntheseleistung der isolierten Bakterien mit kommerziell erhältlichen Referenzstämmen wurde im Fall von Pseudomonas frederiksbergensis gezeigt, dass sich Bodenisolat und zugeordneter Referenz-stamm gegensätzlich enantioselektiv verhalten. Weitere Charakterisierungs-sonden (Farb- und Assimilationsreaktionen, Oberflächenfettsäureverteilung, „Siderophore-Typing“ und direkter rRNA Vergleich) sicherten die Zugehörigkeit beider Bakterienstämme als Pseudomonas frederiksbergensis-Spezies; keinerlei Unterschiede wurden zwischen den beiden Stämmen festgestellt. Zum ersten Mal werden somit zwei natürliche, nicht genetisch manipulierte Stämme von Pseudomonas frederiksbergensis beschrieben, deren Enzymaktivität eine entgegengesetzte Enantioselektivität in der mikrobiellen `whole-cell´ asym-metrischen Sulfoxidation aufweist. 4. In einem umfangreichen Substratscreening sind strukturvariierte organische Sulfide als Substrate zur bakteriellen Sulfoxidation eingesetzt worden. Anhand der ee-Werte wurde der Einfluss der Sulfidstruktur auf den Reaktionsverlauf bestimmt. Generell erwiesen sich Arylalkylsulfide als optimale Substrate für die bakterielle Sulfoxidation mit den isolierten und kommerziell erworbenen Stämmen von Arthrobacter aurescens und Pseuodomonas frederiksbergensis; aliphatische Sulfide wurden zur biokatalytischen Umsetzung nicht akzeptiert. 4a. Elektronenreiche para-Substituenten am Arylsystem ergaben teilweise enantio-merenreine Sulfoxide. 4b. Eine zunehmende Anzahl an Stickstoffatomen im Arylring (N-heterozyklische Grundstruktur) führte zu einer dramatischen Verringerung des ee-Wertes. 4c. Schwefelhaltige Furfuryle und Thiophene wurden nicht als Substrate für die enantioselektive Sulfoxidation akzeptiert. 4d. Der Einsatz schwefelhaltiger Pestizide in der Biokatalyse verlief erfolglos, allerdings wurden die Organophosphorpestizide Fenamiphos® und Fenthion® mit dem aus Sulfoxidationsreaktionen lange bekannten Enzym Chlorperoxidase (CPO) enantiomerenangereichert umgesetzt. 4e. Die biotechnologisch wichtige Anwendung der asymmetrischen Sulfoxidation in der Arzneistoffsynthese -hier versucht mit den Wirkstoffen Omeprazol® und Modafinil®- schlug fehl. 5. Der Einsatz eines Bioreaktors (Fermenter) schuf die Grundlage für künftige asymmetrrische Sulfoxidationen in präparativem Maßstab. Eine Zellzahlstudie mit Pseudomonas frederiksbergensis wurde durchgeführt; ferner erfolgten Bestimmungen der optimalen Fermentationsparameter am Beispiel einfach strukturierter, organischer Sulfide inklusive Blindwerts- und Hemmversuchen. Die toxischen Einflüsse auf die bakteriellen `whole-cell´-Systeme, die vom eingesetzten Sulfid sowohl als auch vom produzierten Sulfoxid verursacht werden, bedürfen besonderer Beachtung bei einer weiteren Bearbeitung dieses Themas. Das vorgestellte, neue Phänomen der asymmetrischen Sulfoxidation mit entgegenge-setzter Enantioselektivität durch zwei geno- und phänotypisch identische Spezies von Pseudomonas frederiksbergensis rechtfertigt eine weitere, intensive Suche nach derartigen, natürlichen Mikroorganismen. / The goal of this study was to employ intact microorganisms for the asymmetric synthesis of optically active sulfoxides from organic sulfides. Especially the efficient and convenient conditions of the so-called `whole-cell´ transformations, compared to the elaborate and costly reactions with isolated enzymes, provided the incentives and impetus for the present efforts in the steadily growing and future-oriented field of bioorganic chemistry. The highlights of these studies are enumerated briefly below: 1. The microorganisms were isolated, singularized and cultivated. A soil sample served as source for the manifold bacteria, yeasts and fungi, which were tested for their efficacy of enantioselectively sulfoxidizing phenyl methyl sulfide as the standard model substrate. 2. A total of six microorganisms were genotypically characterized by standard methods and assigned to the corresponding species. The two bacterial strains with the highest enantiomeric excess (ee value) in the sulfoxidation, namely Arthrobacter aurescens (which forms the S enantiomer) and Pseudomonas frederiksbergensis (which forms the R enantiomer), were used for the prospective biosynthetic experiments. Pseudomonas frederiksbergensis was the only strain which produced preferentially the R enantiomer. 3. Direct comparison of the biosynthetic performance of the isolated bacteria with commercially available reference strains revealed that Pseudomonas frederiksbergensis (the isolated soil strain) displayed an opposing sense in the enantioselectivity than the reference strain. Further characterization tests (color and assimilation reactions, surface fatty acid spectra, siderophore typing and direct rRNA comparison) secured that both bacterial strains belong to the Pseudomonas frederiksbergensis species, since no differences whatsoever were found between both strains. Thus, for the first time two natural, genetically not manipulated strains of Pseudomonas frederiksbergensis are reported, which possess an opposing sense in the enantioselectivity for the microbial `whole-cell´ asymmetric sulfoxidation. 4. In an extensive substrate screening, a variety of organic sulfide structures was submitted to the bacterial asymmetric sulfoxidation. On the basis of the ee values, the influence of the sulfide structure on the course of the reaction was assessed. Generally speaking, the aryl alkyl sulfides proved to be optimal substrates for the bacterial sulfoxidation by the isolated and commercially available strains of Arthrobacter aurescens and Pseudomonas frederiksber-gensis; aliphatic sulfides were not accepted in biocatalytic enantioselective conversions. Specifically, the following trends obtain: 4a. Electron-rich para substituents on the aryl system afforded enantiomerically pure sulfoxides. 4b. An increasing number of nitrogen atoms in the aryl ring (N-heterocyclic structure) led to a dramatic decrease of the ee values. 4c. Sulfur-containing furfurals and thiophenes were not accepted in the present enantioselective sulfoxidation. 4d. The use of sulfur-containing pesticides as substrates in the biocatalysis failed, but the phosphor-containing organic pesticides Fenamiphos® and Fenthion® were converted to the respective enantiomerically enriched sulfoxides by chloroperoxidase (CPO), an enzyme known to catalyze asymmetric sulfoxidation. 4e. The application of the biotechnologically important asymmetric sulfoxidation in drug synthesis -in particular the pharmaceutical agents Omeprazol® and Modafinil®- failed. 5. The use of a fermenter established the basis for future asymmetric sulfoxidations on a preparative scale. A cell-count study with Pseudomonas frederiksbergensis was conducted and the fermentation parameters were optimized with simple organic sulfides by employing blanks and inhibition tests. The toxicity of the sulfide substrate and the sulfoxide product on the bacterial `whole-cell´ systems demands particular attention in future work. The new phenomenon of asymmetric sulfoxidation by the two genotypically and phenotypically identical species of Pseudomonas frederiksbergensis displays an opposing sense in the enantioselectivity, which encourages to search intensively for other such natural microorganisms.

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

El objeto principal de mi tesis es el desarrollo de nuevos complejos polipiridílicos de rutenio, mas concretamente complejos Ru-aguo. Una de las propediades mas interesantes que presentan este tipo de complejos es su capacidad para llevar a cabo un proceso de ”Proton Coupled Electron Transfer”. Este proceso le permite acceder a estados de oxidación elevados. Este es un requisito para ejecutar catálisis redox. Como interesante aplicaciones podemos nombrar la transformación de sulfitos a sulfoxidos (sulfoxidación) y la oxidación de agua a oxígeno molecular. Al principio del manuscrito se presentan complejos mononucleares de rutenio que contienen el ligando DMSO. Los resultados obtenidos respecto la isomerización de enlace están conectados con los resultados obtenidos durante la sulfoxidación utilizando los correspondientes complejos Ru(H2O). El segundo campo de interés esta basado en la oxidación de agua a oxigeno molecular. Una variedad de complejos Ru(H2O) mono- y dinucleares son presentados. Estos se distinguen entre si en sus propiedades estéricas y electrónicas. Estas propiedades están realizadas con su reactividad respeto la oxidación de agua a oxígeno molecular. Los resultados obtenidos permiten tener un mayor conocimiento sobre el mecanismo, formando una base para el futuro desarrollo de nuevos catalizadores para la oxidación de agua. Un punto culminante de esta tesis es la presentación de un sistema capaz de oxidar agua a oxigeno utilizando la irradiación con luz visible. Este sistema consiste en uno de los complejos Ru(H2O) anteriormente descritos, un “photosensitizer” ([Ru(bpy)3]2+) y un aceptor de electrones ([CoCl(NH3)5]2+). Este tipo de reacción juega un papel importante como reacción en el ánodo / The main topic of my thesis is the development of new Ruthenium based polypyridyl complexes, with the focus on Ru-aquo compounds. These Ru-aquo compounds present the interesting property of undergoing proton coupled electron processes. This allows such compounds to reach high oxidation states, which is a requirement in redox catalysis. Applications of interest involve the transformation of sulfites into sulfoxides (sulfoxidation) and the oxidation of water to molecular oxygen (water oxidation). At first different mononuclear ruthenium compounds containing one or two DMSO ligands are presented. The obtained findings concerning S- to O-linkage isomerization are transferred and connected to results from catalysis using Ru(H2O)-compounds as catalysts. The second field of interest concerns water oxidation. A variety of mono- and dinuclear Ru(H2O)-compounds differing in electronic and steric properties are described. These differences are connected to the catalytic activity towards water oxidation reaction. New insights in the underlying reaction mechanisms are provided, which constitute a strong basis for the development of future water oxidation catalysts. One highlight of this thesis is the introduction of mononuclear Ru(H2O)-compounds combined with a [Ru(bpy)3]2+ and a CoIII sacrificial electron acceptor, which successfully produce molecular oxygen upon light irradiation. Light driven water oxidation as anode reaction and the recombination of the electrons and protons from the oxidation process at the cathode form a device called solar fuel cell, that once fully mature may play an important role in a future renewable energy system.

Ausgangspunkte der vorliegenden Arbeit waren stereoselektive Synthesen von Reissert-analogen N-Acylaminohydroperoxiden über chirale N-Acylisochinoliniumsalze. Edukte waren Isochinolin(derivaten), Menthylchloroformiat und Wasserstoffperoxid. Es galt die Konfiguration der erhaltenen Produkte zu beweisen und deren Sauerstoffübertragungspotential zu erforschen. Ein zweites Ziel dieser Arbeit war es, von bekannten Diketopiperazinhydroperoxiden ebenfalls das Sauerstoffübertragungspotential zu überprüfen, weil sie die gleiche N-Acylaminohydroperoxidstruktur aufweisen aber bisher wenig untersucht wurden. Es gelang durch NMR-Untersuchungen und Vergleich mit ähnlichen Reaktionen die Annahme eines stereoselektiven Verlaufes zu widerlegen. Weiterhin wurde gezeigt, dass anstelle von Hydroperoxiden Peroxide vorliegen. Es konnte eine in situ Methode entwickelt werden, um mit dem vorgegebenen Substanzen unter Zusatz eines Metallkatalysators wie Vanadium(V)triisopropylat und Titan(IV)tetraisopropylat eine Sauerstoffübertragung auf Methylphenylsulfid zu erzielen. In Abhängigkeit der eingesetzen Isochinolinderivate gelang eine kinetische Racematspaltung, so dass eine stereoselektive Sulfoxidation möglich wurde. Das günstigste Ergebnis betrug 51 % Sulfoxid bei 73 % Enantiomerenüberschuss. Mit einem bekannten Diketopiperazinhydroperoxid konnte Methylphenylsulfid direkt in 62 % Sulfoxid mit 32 % Enantiomerenüberschuss überführt werden. Dies sind die ersten erfolgreichen stereoselektiven Sulfoxidationen mit N-Acylaminohydroperoxiden. / Starting points of the present work were stereoselective syntheses of Reissert analogous N-acylaminohydroperoxides derived from chiral N-acylisochinoliniumsalts. Starting materials were isochinoline (and derivates), menthylchloroformiate and hydrogen peroxide. It was a matter of proving the configuration of the preserved products and of investigating the oxygen transfer potential. The second purpose of this work was to check the oxygen transfer potential of known diketopiperazinehydroperoxides likewise because they show the same N-acylaminohydroperoxide structure, however, up to now they were only examined scarcely. One succeeded by NMR investigations and comparison with similar reactions in disproving the acceptance of a stereoselective course. Furthermore it was shown that there are peroxides instead of hydroperoxides. We developed an in situ method to achieve with the given substances under addition of a metal catalyst like vanadium(V)triisopropylate and titanium(IV)tetraisopropylate an oxygen transfer to methylphenylsulfide. In dependence of the used isochinoline derivates a kinetic resolution was observed, so that a stereoselective sulfoxidation became possible. The most favorable result amounted to 51% sulfoxide with 73% enantiomeric excess. With a known diketopiperazinehydroperoxide methylphenylsulfide could be directly transfered into 62% sulfoxide with 32% enantiomeric excess. These are the first successful stereoselective sulfoxidations with chiral N-acylaminohydroperoxides.

Devant la nécessité de préservation de l’environnement, la chimie devra de plus en plus devenir « verte ». Le développement de catalyseurs bio-hybrides est une voie prometteuse vers une chimie verte. En effet, ces catalyseurs combinent à la fois les avantages de la catalyse homogène (large gamme de réactivité) et ceux de la catalyse enzymatique (réaction en milieux aqueux, optimisation possible par génie biotechnologique). Ces nouveaux types de catalyseurs éco-compatibles semblent être à ce jour une alternative intéressante à la catalyse chimique classique.Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides appelés Hémozymes, basés sur l’insertion non covalente de complexes métalliques hydrosolubles (responsables de l’activité catalytique), au sein d’une protéine hôte : la Xylanase A (pouvant induire une régio/stéréo/chimio-sélectivité).Pour cette étude, nous avons synthétisé différents complexes métalliques de taille variable (porphyrines, salens et salophens) métallés soit par du fer soit par du manganèse. L’étude de leur association avec la Xln A ainsi que les essais de leur activité catalytique nous ont permis d’aboutir à des résultats intéressants, d’une part pour la réaction d’oxydation du thionanisole par le peroxyde d’hydrogène, d’autre part pour l’oxydation d’alcènes aromatiques par l’oxone (KHSO5). Nous avons ainsi obtenu deux métalloenzymes artificielles remarquables, l’une capable de catalyser l’oxydation énantiosélective du thioanisole par le peroxyde d’hydrogène (84% de rendement, 40% d’excès énantiomérique en faveur de l’isomère S), l’autre capable de catalyser l’époxydation asymétrique du paraméthoxy-styrène par KHSO5 (17% de rendement, 80% d’excès énantiomérique en faveur de l’isomère R). Enfin, de nouvelles stratégies pour concevoir des catalyseurs bio-hybrides ont également été envisagée comme le greffage covalent de complexes métalliques au sein d’une protéine hôte, ou encore l’utilisation d’une forte affinité ligand-protéine (comme les interactions de type inhibiteur) pour enfouir un cofacteur métallique au sein d’une protéine. / In those days, the preservation of the environment is a huge challenge, so chemistry has to become more "Green". The development of bio-hybrid catalysts is a promising way towards a green chemistry. Indeed, these catalysts both combine the benefits of homogeneous Catalysis (wide range of reactivity) and those of enzyme catalysis (reaction in aqueous media, possible optimization by biotechnological engineering). These new kind of eco-compatible catalyst seem to be an interesting alternative to classical chemical catalysis to this day.For this study, we have synthesized various complexes with various size (porphyrins, salens and salophens) metalled by iron or manganese. The study of their association with Xln A and the catalytic activity assays allowed us to achieve interesting results, on the one hand to the oxidation of the thionanisole by hydrogen peroxide, on the other hand for the oxidation of aromatic alkenes by the oxone (KHSO5).This thesis is about the development of new bio-hybrid catalysts called Hemozymes, based on the non-covalent insertion of water-soluble metal complexes (responsible for the catalytic activity), inside a host protein: Xylanase A (which can induce a regio/stereo/chemo-selectivity).We have thus obtained two remarkable artificial metalloenzymes, one able to catalyze the enantioselective oxidation of thioanisole by hydrogen peroxide (84% yield, 40% of enantiomeric excess for the S isomer), the other able to catalyze the asymmetric epoxidation of paramethoxy-styrene by KHSO5 (17% yield, 80% enantiomeric excess for the R isomerFinally, new strategies to develop bio-hybrid catalysts have also been considered, such as covalent linkage of metal complexes within a host protein or the use of a high ligand-protein affinity (such as the interactions of inhibitor with proteins) to introduce the metal cofactor inside the protein pocket.

High-valent transition metal-oxo intermediates play essential roles as active oxidizing species in enzymatic and biomimetic catalytic systems. Extensive research has been conducted on a variety of transition metal catalysts being studied as models for the ubiquitous cytochrome P450 enzymes. In doing so, the production of enzyme-like oxidation catalysts and probing studies on the sophisticated oxygen atom transfer mechanism are taking place. In this work, visible-light irradiation of highly-photo-labile corrole-manganese(IV) bromates and chlorates was studied in two corrole systems with differing electronic environments, i.e. 5,10,15-trisphenylcorrole (H3TPC) and 5,10,15- tris(pentafluorophenyl)corrole (H3TPFC). In both systems, homolytic cleavage of the O- Br and O-Cl bonds in the ligands was observed to result in one-electron photo-oxidation to afford the corrole-manganese(V)-oxo species as determined by their distinct UV-vis spectra. Kinetics of oxygen atom transfer (OAT) reactions by each photo-generated [MnV(Cor)O] species with various substrates were conducted in two solvents, CH3CN and CH2Cl2. It was found that [MnV(Cor)O] exhibits noteworthy solvent and ligand effects on its reactivity and spectroscopic behavior. In the more electron-withdrawing TPFC species in polar CH3CN solvent, MnV-oxo corrole returned to MnIII corrole following oxidation of substrate. However, the TPFC species in the less polar CH2Cl2 solvent, and in both solvents for the TPC system, MnIV product was formed instead of MnIII. An inverted reactivity pattern, i.e. TPC > TPFC, for the MnV-oxo corroles was observed. These spectral and kinetic results were rationalized by a multiple oxidation pathway model, where either a two-electron oxidation for oxygen atom transfer reactions takes place or a disproportionation reactive takes place forming the elusive manganese(VI)-oxo as the true oxidant. The preferred pathway is highly dependent on the nature of the corrole ligand and the solvent. Furthermore, a variety of [MnIV(Cor)Cl] complexes were investigated as biomimetic catalysts for the selective catalytic oxidation of the organic sulfide with mild sacrificial oxidant PhI(OAc)2. It was found that catalytic activity was affected by the oxidation state and electron environment of the catalyst. It was also found that in the same TPC system, [MnIV(TPC)Cl] was more reactive than [MnIII(TPC)], presumably due to the MnIV-corrole having easier access to the active metal-oxo intermediates than MnIII-corrole. In the same oxidation state, catalytic sulfoxidation of thioanisole resulted in a slower reaction rate for corrole species with more electron withdrawing ligands. In addition to thioanisole, [MnIV(TPC)Cl] was tested for its reactivity under catalytic conditions for eight other substrates. In most cases, quantitative conversions and excellent selectivity for sulfoxide were achieved.