Wissenschaft + Forschung

Fluoreszenzfarbstoffe machen sichtbar, wo zwei DNA-Stränge nicht vollständig zusammenpassen und somit keine perfekte Helix bilden. Dabei gilt: Je stabiler die Helix, desto stärker die Fluoreszenz. Wird dies auf Farbstoffe angewendet, die im roten, grünen und blauen Teil des sichtbaren Lichtspektrums emittieren, lässt sich eine Skala erstellen, die DNA-Sequenzen bestimmten Farben zuordnet.Was Chemiker:innen mit der <link href="#nadc20244140565-fig-0001">DNA machen können, geht weit über deren ursprünglichen Zweck hinaus, genetische Informationen zu speichern und in ihren Sequenzen die Baupläne für einen lebenden Organismus festzuhalten. Im Mittelpunkt dieses Konzepts steht die Art und Weise, wie die zelluläre Maschinerie eine DNA-Sequenz liest:<figure xml:id="nadc20244140565-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/mJZcylc0ThuED3qcmKib"><figcaption><label>Abb.1: </label>So bunt ist DNA nicht – zum Malen eignet sie sich trotzdem. Bild: generiert mit KI von Alan / Adobe Stock</figcaption></figure></figure>Die Buchstaben des genetischen Alphabets (A, C, G und T, auch Basen oder Nukleotide genannt) sind komplementär zueinander – A erkennt T (und umgekehrt), und C erkennt G (und umgekehrt). Das Lesen erfolgt, indem die komplementäre Base an die gerade gelesene Base gesetzt wird. Dieser Vorgang ist Teil der DNA-Vervielfältigung, und aufgrund der ausschließlichen Komplementarität von A/T und G/C kann die genetische Information repliziert und an jede neue Zellgeneration weitergegeben werden. Dies bedeutet auch, dass zwei komplementäre DNA-Stränge einander erkennen und sich zu einer doppelsträngigen Struktur – der Doppelhelix oder Duplex – zusammenfügen (hybridisieren).Komplementarität und doppelsträngige DNA sind die Grundlage dafür, dass Chemiker DNA zur Entwicklung von Therapien, Sequenzierung von Genomen, Schaffung von Nanostrukturen und sogar für mathematische Operationen nutzen können.<h2 type="main">Wenn‘s nicht passt</h2>Was passiert, wenn zwei Stränge nicht perfekt komplementär zueinander sind? Wenn eine Base hier oder da in der DNA-Sequenz nicht zu ihrem Partner auf der anderen Sequenz passt? Unvollkommenheiten beeinträchtigen die Stabilität der DNA-Duplex. Wie stark eine Fehlpaarung oder eine fehlende Base den Duplex destabilisiert, ist schwer vorherzusagen, und die Komplexität steigt, wenn mehrere Komplementaritätsfehler auftreten.Es gibt viele Ansätze, die Hybridisierung zu messen, darunter die Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen, die an die DNA binden. Bei der Fluoreszenz hängt die Intensität direkt mit der Stabilität der Duplexe zusammen, wobei sehr stabile Duplexe starke und sehr fehlerhafte doppelsträngige DNA schwache Fluoreszenzsignale aussenden.Wir haben versucht, die Duplexstabilität so genau einzustellen, dass sich eine Skala von Fluoreszenzsignalen konstruieren lässt, von sehr dunkel bis sehr hell. Wir wollten diese Skala auf Farbstoffe anwenden, die im roten, grünen und blauen Teil des sichtbaren Lichtspektrums emittieren. Und diese drei Fluoreszenz-Farbskalen sollten gleichzeitig auf derselben DNA verfügbar sein.<h2 type="main">Großer Maßstab, großer Durchsatz</h2>Um dies zu erreichen und jeder bestimmten DNA-Sequenz eine Farbintensität zuzuordnen, mussten wir eine riesige Menge an Sequenzkombinationen erfassen. Dazu eignet sich die Microarray-Fotolithografie, mit der sich DNA mit hohem Durchsatz herstellen lässt (<link href="#nadc20244140565-fig-0002">Abbildung 1): Die Oberfläche eines einzelnen Objektträgers kann mehrere Hunderttausend einzigartige Sequenzen beherbergen, die alle zur gleichen Zeit hergestellt werden. Die Fotolithografie steuert, wo jede Sequenz auf dieser Oberfläche synthetisiert wird. Ein einziges Experiment auf einem Microarray kann alle Informationen liefern, die zum Erstellen einer Skala nötig sind.<figure xml:id="nadc20244140565-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/TmWtsGAQySLbKxahbNRi"><figcaption><label>Abb.2: </label>Links: Überblick über die Fotolithografie von Microarrays. Die Sequenzkontrolle wird erreicht, indem bestimmte Bereiche der Microarray-Oberfläche mit UV-Licht (365 nm) bestrahlt werden. Nur die beleuchteten Bereiche sind im nächsten chemischen Schritt reaktiv. Rechts: Der nächste Schritt ist die Addition der nächsten Base. Die DNA-Synthese erfolgt durch das schrittweise Anlagern von DNA-Nukleotiden an die wachsenden DNA-Ketten auf der Oberfläche, jedoch nur an den UV-beleuchteten Bereichen („ON“-Bereiche). Dort entfernt die Fotochemie eine Schutzgruppe und legt eine endständige Hydroxylfunktion frei, die mit dem nächsten Nukleotid reagiert. Die Muster der ON- und OFF-Bereiche lassen sich bei jedem Schritt ändern, sodass Sequenzen gleichzeitig und mit voller Kontrolle über ihre Oberflächenposition aufgebaut werden.</figcaption></figure></figure>Um diese Intensitätsskala zu erstellen, haben wir jede der 47 000 Varianten eines langen Stücks einzelsträngiger DNA (100 Nukleotide) synthetisiert, das die Rolle einer Matrize spielen wird. Diese Matrize kann mit drei komplementären Sequenzen an einer von drei Stellen hybridisieren, und jede komplementäre Sequenz trägt einen Fluoreszenzfarbstoff, der entweder im roten, grünen oder blauen Spektrum leuchtet (<link href="#nadc20244140565-fig-0003">Abbildung 2).<figure xml:id="nadc20244140565-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Xx8m34boQlqmWXFzIKQ8"><figcaption><label>Abb.3: </label>Jeder Punkt auf der Oberfläche enthält eine DNA-Matrize-Sequenz (grau), die mit drei komplementären Sequenzen hybridisieren kann – diese sind jeweils entweder rot, grün oder blau mit einem entsprechenden Fluoreszenzfarbstoff markiert. Unterschiedliche Farbintensitäten entstehen, indem Unvollkommenheiten in die Matrize-Sequenz eingeführt werden. Diese Unvollkommenheiten verringern die Stabilität des lokalen DNA-Duplexes, was zu geringeren Fluoreszenzsignalen führt. Rote, grüne und blaue Farben können in jeweils 256 Abstufungen variieren; sie ergeben zusammengemischt eine vollständige RGB-Skala.</figcaption></figure></figure>Die Varianten sind unvollkommene Sequenzen, in denen entweder Nukleotide fehlen oder nicht übereinstimmende Paare enthalten sind. Diese unvollkommenen Matrizen hybridisieren mit ihren komplementären Sequenzen mit geringerer Affinität, was zu einem weniger stabilen lokalen Duplex und schwächeren Fluoreszenzsignalen führt. Indem wir diese Zehntausende Matrize-Sequenz-Kombinationen getestet haben, ließen sich Übereinstimmungen zwischen Sequenz und Farbton herstellen. Das wiederum ermöglichte, das System so zu kalibrieren, dass sich DNA-Sequenzen bestimmten Farben zuordnen ließen.<h2 type="main">Wie man eine DNA-Fotokopie macht</h2>Die Oberfläche ist eine rechteckige Plattform mit 1024 × 768 Spots, die einzeln adressierbar sind (Abbildung 1). An jedem dieser Punkte lässt sich eine beliebige DNA-Sequenz synthetisieren und somit konzeptionell jedem „Pixel“ der Oberfläche eine Farbe im „DNA-Format“ zuweisen. Wir haben ein automatisiertes System entwickelt, das jedes digitale Bild mit hoher Auflösung und hoher Farbkomplexität in eine Reihe von Anweisungen für die DNA-Microarray-Synthese umwandelt. Das Skript extrahiert den Farbcode für jedes Pixel des Eingangsbilds und sucht in unserer kalibrierten DNA-Datenbank nach der exakten Sequenz, die mit jeder der roten, grünen und blauen Komponenten der Pixel-Farbintensität übereinstimmt. Dies setzt das Skript zu einer Vorlage zusammen. Diese farbkodierte DNA-Matrize erhält die gleichen kartesischen Koordinaten auf der Oberfläche des Microarrays wie das ursprüngliche Pixel im Bild, und der Vorgang wird für jedes Pixel wiederholt, sodass das ursprüngliche Bild im DNA-Format reproduziert wird.Nach der Synthese des entsprechenden DNA-Microarrays wird die Oberfläche mit allen drei komplementären Sequenzen hybridisiert, getrocknet und auf 488, 532 und 635 nm Fluoreszenz gescannt, also dem blauen, grünen und roten Teil des sichtbaren Spektrums. Die Überlagerung der drei Scans in einem Grafikeditor ergibt eine Bildausgabe wie in <link href="#nadc20244140565-fig-0004">Abbildung 3. Die Ausgabefarbe ist ein Produkt der DNA-Hybridisierung und der Feinabstimmung der Duplex-Stabilität.<figure xml:id="nadc20244140565-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/tKAtMbwYR6BsiU6uC5DA"><figcaption><label>Abb.4: </label>Der DNA-Reproduktionsprozess nimmt eine beliebige digitale Eingabe und wandelt die Farbinformationen in eine DNA-Sequenz um. Diese hybridisiert mit der gewünschten Affinität an die roten, grünen und blauen Komplementärsequenzen. Diese Affinität führt zu einem Fluoreszenzsignal, das dem beabsichtigten Farbton jeder Farbe entspricht. Das Ergebnis ist eine DNA-Ausgabe, die das Originalbild exakt in einen DNA-Microarray kopiert. Maßstabsbalken ≈ 500 μm.</figcaption></figure></figure>Dieser DNA-Fotokopiervorgang ist recht genau, und alle wichtigen Merkmale der Eingabe sind mit hoher Farbtreue sichtbar. Lediglich die Orangetöne fehlen, was vor allem darauf zurückzuführen ist, dass die rote Hybridisierung leicht von den kalibrierten Daten abweicht. Dies ist auch der Grund für den etwas körnigen Aspekt der Ausgabe, bei der die rote Farbe heller ist als erwartet.<h2 type="main">Was noch geht</h2>Biopolymere wie die DNA eignen sich also zum Malen, indem man die einfachen Regeln der Hybridisierung befolgt, und diese Studie hat künstlerischen Wert. Aber abgesehen davon: Was können wir mit diesem Prozess noch tun? Einige Anwendungen sind denkbar:Die Farbcodierung einer DNA-Sequenz und die Zuweisung einer 2-D-Position zu diesem Code könnten zur Datenspeicherung nützlich sein, wobei Bilder Informationen in Form von Intensitätswerten und kartesischen Koordinaten speichern.Der Zugriff auf so viele Farben bedeutet auch, dass sich die Zahl der Experimente, die gleichzeitig auf der Microarray-Oberfläche ablaufen können, erheblich steigern lässt.DNA-Microarrays wurden ursprünglich entwickelt, um die Expression von Genen zu untersuchen. Projekte dieser Art zeigen, dass diese hochkomplexen Objekte ihrem ursprünglichen Zweck entwachsen sind und noch einige Anwendungen erwarten lassen.<h2 type="main">Der Autor</h2>Jory Lietard, Jahrgang 1984, ist Tenure-Track-Professor für Nukleinsäurechemie an der Universität Wien. Er arbeitet an der chemischen Synthese von Nukleinsäuren (DNA, RNA und chemisch modifizierte Nukleinsäuren) zur Entwicklung von Therapeutika, für die Datenspeicherung auf DNA und für die Untersuchung biochemischer Mechanismen. Derzeit leitet er vier vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF geförderte Forschungsprojekte.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/HJOd6b80QNyDwcdwLP2g">

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Mit DNA malen

Fluoreszenzfarbstoffe machen sichtbar, wo zwei DNA-Stränge nicht vollständig zusammenpassen und somit keine perfekte Helix bilden. Dabei gilt: Je stabiler die Helix, desto stärker die Fluoreszenz. Wird dies auf Farbstoffe angewendet, die im roten, grünen und blauen Teil des sichtbaren Lichtspektr...

Blickpunkt Anorganik

Manche Synthesen erfordern ungewöhnliche Reaktionstechniken oder Versuchsaufbauten – da läuft auch mal ein Küchenmixer im Labor. Und was klassisch in homogener Lösung in einem organischen Lösemittel unter Rückfluss reagiert, kann auch mechanochemisch in einer Kugelmühle funktionieren. So lassen sich sogar Moleküle realisieren, die als in Lösung unmöglich herstellbar gelten.Für Reduktionen wird in der anorganischen Molekülchemie oft Natrium oder Kalium genutzt. Beide Alkalimetalle lagern meist unter Mineralöl und lassen sich mit dem Messer schneiden. Waschen mit aliphatischen Lösemitteln wie n-Hexan entfernt das Öl und liefert sauberes Metall, <link href="#nadc20244142653-fig-0001">das in der Glovebox unter Schutzgasatmosphäre weiter zerkleinert und dann in Reaktionsgefäße überführt werden kann.<figure xml:id="nadc20244142653-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ss0JHLhQR7S2dq3Xpbvm"><figcaption><label>Abb.1: </label>Etwa so sieht ein Mahlset für die Kugelmühle aus. Bild: Valerioa / Adobe Stock</figcaption></figure></figure>Für Reduktionen ist das reine Metall nicht immer die erste Wahl, denn es hat eine verhältnismäßig geringe aktive Oberfläche. Gängige Alternativen mit größerer Oberfläche sind Dispersionen etwa von Natrium auf Silicagel oder Graphit, Legierungen wie Na/Hg sowie Natrium- oder Kaliumspiegel.Bei festen Dispersionen muss das Trägermaterial inert gegenüber dem Metall sein. Zum Beispiel dispergierten Chen, Huang und Mitarbeitende Natrium auf Natriumchlorid; sie erhielten so zirka zehn Gewichtsprozent Natrium auf NaCl als einfach zu handhabendes Reduktionsmittel.1) Das gelang mit einer Kugelmühle – das Stichwort lautet Mechanochemie.<h2 type="main">Mechanochemie</h2>Mechanochemie umfasst chemische Umwandlungen, die durch Anwendung anisotroper mechanischer Kräfte auf Feststoffe ausgelöst werden. Die Press-, Scher- und Faltvorgänge, die seit Jahrhunderten mit Mörser und Stößel ausgeführt werden, sind wegen ihrer Einfachheit auch heute noch beliebt in den Materialwissenschaften, der anorganischen und organischen Synthese. Inzwischen wurden Mörser und Stößel oftmals gegen Kugelmühlen getauscht.Am häufigsten sind Planeten-Kugelmühlen. Darin stellt jeder Mahlbecher einen „Planeten“ dar. Diese Mahlbecher werden mit Mahlkugeln und den Reaktanden befüllt und auf einer kreisförmigen Plattform fixiert, dem Sonnenrad. Dreht sich das Sonnenrad, beginnt der Mahlbecher, um seine eigene Achse zu rotieren, jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Die so aktivierten Zentrifugal- und Corioliskräfte führen zu einer starken Beschleunigung der Mahlkugeln (<link href="#nadc20244142653-fig-0002">Abbildung 1, oben). Dieser Energieeintrag ist für chemische Synthesen nutzbar, und so eignen sich Kugelmühlen nicht nur zur Herstellung feinster Pulver. Eine weitere vielgenutzte Form sind Mixer-Mills, bei denen der Mahlbecher mit einer bestimmten Frequenz mechanisch geschüttelt wird. Die Iupac bezeichnete Mechanochemie kürzlich als eine von zehn transformativen – im Sinne nachhaltiger – Techniken, neben beispielsweise Feststoffbatterien, Flow-Chemie oder dem 3-D-Bioprinting.2)<figure xml:id="nadc20244142653-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/H9CaU47QJmCnWuIF2r5K"><figcaption><label>Abb.2: </label>Oben: Grundprinzip einer mechanochemischen Reaktion mit einer Kugelmühle. Mitte: Mechanochemische Grignard-Reaktion und Abbildung des intermediär gebildeten Grignard-Reagenzes. Unten: Mechanochemische Darstellung eines RhIII-Katalysators und Einsatz in einer CH-Funktionalisierungsreaktion.</figcaption></figure></figure>Mechanochemische Reaktionen wurden von Chemiker:innen des 20. Jahrhunderts weitestgehend ignoriert.3) Heute jedoch gilt die Mechanochemie als hervorragende Methode der „Grünen Chemie“, da sie eine Möglichkeit bietet, die Menge an Lösungsmittel zu reduzieren oder Flüssigkeit ganz zu vermeiden. Meistens funktioniert sie bei Raumtemperatur – die Zentrifugal- und Corioliskräfte liefern die Energie, für die sonst Hitze nötig ist.<h2 type="main">Grignard in der Mühle</h2>Grignard-Reagenzien werden traditionell hergestellt, indem ein Alkyl- oder Arylhalogenid mit Magnesiummetall zur Reaktion gebracht wird. Das Metall liegt in der Regel in Form von „Drehspänen“ vor; das Lösungsmittel ist meist Diethylether oder Tetrahydrofuran (THF).Aufgrund der hohen Reaktivität der Grignard-Reagenzien erfordern deren Herstellung und die anschließenden Reaktionen normalerweise Schutzgastechniken und wasserfreie Lösungsmittel. Und Grignard-Reaktionen sind zum Teil unberechenbar: Entweder sind sie schwer zu initiieren, oder sie beginnen spontan unter starker Wärmeentwicklung – oder beides, denn meist bedingt eines das andere.All diese Nachteile umgeht die mechanochemische Synthese von Grignard-Verbindungen. Magnesiumspäne, das entsprechende Arylbromid und minimale Mengen THF (zwei Äquivalente bezogen auf Magnesium) werden in einen Mahlbecher gegeben, Kugeln hinzugefügt, und nach einer Stunde Mahlen ist eine orangefarbene Paste entstanden (Abbildung 1, Mitte). Dieser wird an Luft der gewünschte Aldehyd beigemengt.4) So lassen sich etliche sekundäre Alkohole einfach darstellen. Auch schwer lösliche Arylbromide sind auf diese Weise umsetzbar; in diesem Fall wird ein Vielfaches der Ausbeute in Lösung erhalten (etwa 40 Prozent statt weniger als einem Prozent).Auch in die Katalyse hat die Mechanochemie Eingang gefunden. Zum Beispiel entwickelten Hernández und Bolm ein zweistufiges Verfahren, das im ersten Schritt die Mechanosynthese eines Rhodium(III)-Katalysators umfasst. Dieser dient dann im zweiten Schritt als Katalysator für die C-H-Aktivierung durch Kugelmahlen (Abbildung 1, unten).5)<h2 type="main">Was tun ohne Kugelmühle?</h2>Apparaturen für anaerobes Arbeiten, etwa eine Schlenkline, sind in den meisten anorganischen Laboratorien vorhanden. Aber nicht alle Arbeitsgruppen verfügen über eine Kugelmühle. Für diesen Fall haben sich Jones und Mitarbeitende überlegt, das NaCl zunächst mit einem regulären Küchenmixer hochfein zu zermahlen. Ein solcher Standardmixer ist für etwa 50 Euro erhältlich und steht auch in unseren Laboratorien. Eine Kugelmühle dagegen kostet oft etwa 10 000 Euro.Nach dem Mahlen muss der NaCl-Staub in einem Schlenkkolben bei 300 °C und dynamischem Vakuum für mehrere Stunden trocknen. Diesem trockenen NaCl werden fünf Gewichtsprozent (Schreibweise: 5 % w/w, Na/NaCl) metallisches Natrium und ein großer Magnetrührfisch zugefügt. Rührt diese Mischung kurz oberhalb der Schmelztemperatur von Natrium – also bei etwa 100 bis 110 °C – für zirka 30 Minuten, entsteht ein blaugraues Pulver. Es lässt sich unter Argonatmosphäre unbegrenzt aufbewahren; an der Luft zersetzt es sich schnell und sollte unter Schutzgas gehandhabt werden.Wie Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen (SEM) zeigen, sind die ungleichmäßig mit Natrium überzogenen NaCl-Kristalle zwischen 10 und 100 μm groß (<link href="#nadc20244142653-fig-0003">Abbildung 2). So ist die aktive Oberfläche des Natriums signifikant größer als die eines Natriumspiegels.<figure xml:id="nadc20244142653-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/NPpcFos2TM2MvE29mnbJ"><figcaption><label>Abb.3: </label>Links: Rasterelektronenmikroskopbilder von a) mit Küchenmixer gemahlenem NaCl-Pulver und b) teilweise mit Natrium (dunkelgraue Flächen) überzogenen NaCl-Kristallen.19) Rechts: Mit einer Dispersion von Na auf NaCl lassen sich MgI-Dimere effizient herstellen.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Warum brauchen wir feste Dispersionen?</h2>Hintergrund der Entwicklung dieses Reduktionsmittels war die Herstellung von MgI-Dimeren, welche Cameron Jones‘ Gruppe erstmals im Jahr 2007 präsentiert hatte.6) Diese Dimere wurden bis dahin ausgehend von [LMgI(OEt2)] (L = ArNacnac; Nacnac = HC(MeCNAr)2; Ar = Mes, Dep, Dip) über einem Natriumspiegel synthetisiert.7) Das Verfahren erlaubt Synthesen mit meist weniger als 3 g Ausgangsmaterial oder – bei mehr Edukt – mit variablen Ausbeuten meist unter 60 Prozent. Zudem müssen die Produkte kristallisiert werden. Mit 5 % w/w, Na/NaCl lassen sich die Synthesen in den Multigrammmaßstab skalieren, und die MgI-Dimere werden nach Filtration und Waschen mit n-Hexan so rein erhalten, dass Umkristallisation unnötig ist (Abbildung 2, rechts). Auch Dispersionen des Typs 5 % w/w, K/KI lassen sich herstellen, sie ersetzen Kaliummetall.8)Erst kürzlich wurde über eine Dispersion von 5% w/w, Li/LiCl berichtet.9) Der Vorteil einer solchen Dispersion: Sie ersetzt Lithiumsand, der pyrophor und schwierig herzustellen ist. Mit der Lithiumdispersion synthetisierten Martin und Mitarbeitende tetraphenylsubstituiertes 1,4-Dilithio-1,3-butadien, das sie mit Dimethylzinndichlorid in das korrespondierende Stannol umwandelten. Die Reaktionszeit verkürzte sich gegenüber der Verwendung von Lithiumgranulat von 20 auf 2 Stunden, und die Ausbeute stieg von 63 auf 80 % (<link href="#nadc20244142653-fig-0004">Abbildung 3, Reaktion 1). Stannole sind wichtige Ausgangsverbindungen für Borole oder Phosphole.<figure xml:id="nadc20244142653-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/VLXWMz3ETi63jY9wYK7E"><figcaption><label>Abb.4: </label>Beispiele, wie feste Dispersionen der Alkalimetalle Li, Na und K auf ihren entsprechenden Halogenidsalzen in der anorganischen Synthesechemie genutzt werden.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Potente Dispersionen einsetzen</h2>Power und Mitarbeitende nutzten 5% w/w, Na/NaCl zur Reduktion eines Terphenyldiiodoalans. Dadurch erhielten sie das erste arylsubstituierte Alandiyl mit einem einfach koordinierten Aluminiumatom (Abbildung 3, Reaktion 2).10)Die Gruppe um Werncke nutzte 5 % w/w, Na/NaCl, um quasi-lineare anionische Eisen(I)-Silylamide herzustellen, die anders nur schwierig zugänglich sind (Abbildung 3, Reaktion 3).11)Kürzlich fing die Gruppe um Harder eine radikalische MgI-Spezies ab, indem sie das Metallzentrum mit einem cyclischen Alkylaminocarben-Liganden (CAAC) (Abbildung 3, Reaktion 4) stabilisierte. CAACs sind starke π-Akzeptoren; Dichtefunktionaltheorie(DFT)-Rechnungen zufolge ist Mg positiv geladen (+1,73) und die CAAC-Einheit negativ (−0,82). Trotz der CAAC-Stabilisierung ist der Komplex bei Raumtemperatur in Benzol instabil: Er zersetzt sich mit einer Halbwertszeit von weniger als 30 Minuten zu einer MgII-Spezies, indem die CAAC-Einheit sich zersetzt. Darum lässt sich der Komplex ausschließlich durch die Festkörperreaktion von [tBuC(NDip)2MgI(OEt2)] mit 5 % w/w, K/KI in einer Kugelmühle herstellen. Dabei entsteht ein tiefviolettes Pulver, das die Verbindung [tBu(NDip)2MgI(CAAC)]∙ enthält. Extrahieren mit n-Pentan und Kristallisation liefern schwarze Kristalle dieses formalen MgI-Radikals in 15 % Ausbeute.12) In Toluol entsteht bei der Reduktion mit K/KI nur das Zersetzungsprodukt des Radikals (Abbildung 3, Reaktion 4). Wie die Gruppe in einer kurz darauf erschienenen Studie zeigte, sind MgI-Dimere auch mechanochemisch mit Na/NaCl oder K/KI als Reduktionsmittel in einer Kugelmühle zugänglich.13)<h2 type="main">Unmögliche Moleküle</h2>Ein Großteil der Faszination der Mechanochemie beruht darauf, dass sie Produkte oder Reaktionen zugänglich macht, die in Lösung nicht ohne Weiteres möglich sind. Ein Beispiel ist das adamantoide tert-Butylphosphazan: Es galt wegen seiner Sterik als unzugänglich, wurde aber im Jahr 2016 durch ionen- und flüssigkeitsassistiertes Mahlen (ILAG) hergestellt (<link href="#nadc20244142653-fig-0005">Abbildung 4A, S. 71).14) Solche PN-Käfige wurden im letzten Blickpunkt Anorganik vorgestellt [Nachr. Chem. 2024, 72(2), 75].<figure xml:id="nadc20244142653-fig-0005"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/TaPa1tLnTzuwTySrCQjA"><figcaption><label>Abb.5: </label>Kugel-und-Stab-Darstellungen solcher Moleküle, die als in Lösung unmöglich herzustellen gelten, sich aber mechanochemisch synthetisieren lassen. A: tert-Butyltetraphosphaazan; B: Bisalkylaluminylkalium-Dimer; C: Di(indenyl)beryllium; D: Triallylaluminium; E: Tetraallylzinn(IV).</figcaption></figure></figure>Ein anderes Beispiel ist die Reduktion eines Diiodocycloaluminapentans mit einer Na/K-Legierung. Diese Reaktion gelingt nur in einer Kugelmühle mit kleinen Mengen O(SiMe3)2 (500 Mikroliter für 22 Mikromol Edukt). Nach Umkristallisieren aus dem gleichen Lösemittel wird das hochreaktive Aluminyl-Kaliumdimer in 20 % kristalliner Ausbeute erhalten (Abbildung 4B).15)Ein weiteres Molekül, das als in Lösung unmöglich herzustellen gilt, ist Di(indenyl)beryllium. Salzmetathesereaktionen zwischen Indenylkalium [C9H7]K und BeCl2 oder BeBr2 in Et2O oder THF führten nicht zum gewünschten Produkt. Werden BeCl2 und [C9H7]K jedoch in einer Kugelmühle zusammengegeben und bei 600 Umdrehungen pro Minute für eine Stunde miteinander vermahlen, so resultiert nach Extraktion mit Hexanen Be[C9H7]2. Es hat ähnlich wie Beryllocen eine Slipped-Sandwich-Struktur (Abbildung 4C).16)Demselben Labor entstammen weitere Moleküle, die in Lösung nicht darstellbar sind oder nur eine kurze Lebensdauer haben: So liefert AlBr3 kombiniert mit dem sterisch anspruchsvollen Allyl-Anionenäquivalent K[(C3H3(SiMe3)2] im Verhältnis von 1:3 in einer Planetenkugelmühle nach fünf Minuten Mischzeit das unsolvatisierte Al[C3H3(SiMe3)2]3 (Abbildung 4D)17) – unsolvatisierte Aluminiumallyle waren zuvor nicht zugänglich.Durch Kugelmahlen wurde zudem die Tetraallylzinn-Verbindung Sn[(C3H3(SiMe3)2]4 erhalten: ein stabiler Feststoff, der sich in Lösung schnell zersetzt (Abbildung 4E).18)Der AutorChristian Hering-Junghans ist Themenleiter am Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock. Seine Gruppe entwirft Liganden auf Basis niedervalenter Phosphorverbindungen und untersucht Gruppe-13/15-Mehrfachbindungssysteme. Im Oktober 2023 hat er eine Vertretungsprofessur an der Universität Magdeburg angetreten.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/F8MPlnSFSw6zKwsoHq6g"><h2 type="main">Auf dem Prüfstand: Mechanochemie für die Pharmaindustrie</h2>Mechanochemie findet nicht nur in Kugelmühlen statt, sondern bedeutet auch Doppelschneckenextrusion oder Sprühtrocknung. Da keine oder nur wenig Lösemittel nötig sind und das Verfahren bei Raumtemperatur läuft, gilt es als umweltfreundlich.Seit November 2022 läuft das Verbundprojekt Impactive (innovative mechanochemical processes to synthezise green active pharmaceutical ingredients) an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Darin entwickeln Franziska Emmerling und Kolleg:innen ein Verfahren, um Wirkstoffe wie Krebsmedizin, Antidiabetika oder Blutdrucksenker mechanochemisch herzustellen. Zur Substanz Imatinib (Wirkstoff des Novartis-Medikaments Glivec oder Gleevec) gibt es bereits eine Veröffentlichung.Imatinib ist ein Tyrosinkinaseinhibitor und dient zur Behandlung maligner Tumore, etwa der chronisch myeloischen Leukämie oder gastrointestinalen Stromatumoren.Impactive-Website: <url href="http://www.mechanochemistry.eu"><a href="https://mechanochemistry.eu" target="_blank">mechanochemistry.eu</a></url><h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>In Kugelmühlen lassen sich Synthesen durchführen – oft bei Raumtemperatur, und sie erfordern nur wenig oder gar kein Lösungsmittel.Auch Pulver lassen sich darin herstellen, etwa feste Dispersionen für Reduktionen.Wenn das Geld für eine Kugelmühle fehlt, kann ein Küchenmixer eine gute Alternative sein.Blickpunkt Anorganik berichtet über präparative Techniken, Analysetechniken, Reinigungsverfahren, den richtigen Umgang mit gefährlichen Stoffen und mehr. Die Serie betreuten über die letzten zwölf Hefte Andrea Pannwitz und Christian Hering-Junghans.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244142653-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244142653-bib-0001">1 M. Zhang, Q. Pei, W. Chen, L. Liu, T. He, P. Chen, RSC Advances 2017, 7, 4306</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0002">2 F. Gomollón-Bell, Chem. Int. 2019, 41, 12</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0003">3 L. Takacs, Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 7649</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0004">4 R. Takahashi, A. Hu, P. Gao et al., Nat. Commun. 2021, 12, 6691</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0005">5 J. G. Hernández, C. Bolm, Chem. Commun. 2015, 51, 12582</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0006">6 S. P. Green, C. Jones, A. Stasch, Science 2007, 318, 1754</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0007">7 R. Peloso, I. Resa, A. Rodríguez et al., Inorg. Synth. 2018, 37, 33</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0008">8 J. Hicks, M. Juckel, A. Paparo, D. Dange, C. Jones, Organometallics 2018, 37(24), 4810</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0009">9 X. Su, L. E. Laperrierea, C. D. Martin, New J. Chem. 2021, 45, 14913</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0010">10 J. D. Queen, A. Lehmann, J. C. Fettinger, H. M. Tuononen, P. P. Power, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 20554</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0011">11 R. Weller, I. Müller, C. Duhayon et al., Dalton Trans. 2021, 50, 4890</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0012">12 D. Jędrzkiewicz, J. Mai, J. Langer et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202200511</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0013">13 D. Jędrzkiewicz, J. Langer, S. Harder, Z. Anorg. Allg. Chem. 2022, 648, e202200138</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0014">14 Y. X. Shi, K. Xu, J. K. Clegg et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12736</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0015">15 S. Kurumada, R. Yamanashi, K. Sugita et al., Chem. Eur. J. 2024, 30, e202303073</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0016">16 R. F. Koby, N. D. Schley, T. P. Hanusa, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21174</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0017">17 N. R. Rightmire, T. P. Hanusa, A. L. Rheingold, Organometallics 2014, 33, 5952</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0018">18 R. F. Koby, T. P. Hanusa, N. D. Schley, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 15934</li><li xml:id="nadc20244142653-bib-0019">19 Reproduziert mit Erlaubnis von Organometallics 2018, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1021/acs.organomet.8b00803">10.1021/acs.organomet.8b00803</accessionid>; Copyright 2018 American Chemical Society</li></ul>

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