Wissenschaft + Forschung

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>

Artikel

Mixen und Mahlen statt Lösen und Rühren

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 s...

Mit NMR-Spektroskopie untersuchen Forschende die Struktur und Dynamik von Biopolymeren in atomarer Auflösung. Für empfindliche und hochaufgelöste Messungen sind Spektrometer mit starken Magnetfeldern nötig, aus welchen sich Resonanzfrequenzen bis 1,2 GHz ergeben. So wird beispielsweise entschlüsselt, wie Nukleinsäuren und Proteine interagieren und dabei ihre Konformation ändern.Wer im Syntheselabor arbeitet, kommt nicht um NMR-Spektroskopie herum – aber <link href="#nadc20244138940-fig-0001">NMR nutzt auch der biomedizinischen Forschung. Hier klärt NMR Strukturen von Proteinen und Nukleinsäuren sowie von deren Komplexen mit kleinen Molekülen und anderen Bindungspartnern.1) NMR-Spektroskopie ist nicht nur statisch: Sie erfasst auch Bewegungen in Biomolekülen – die Konformationsdynamik – zwischen Pikosekunden und Tagen. Das ist nötig, um biomolekulare Funktion zu charakterisieren.2) Solche Erkenntnisse mit großen Proteinen, RNA und ihren Komplexen zu erhalten, erfordert Höchstfeld-Magnetsysteme.<figure xml:id="nadc20244138940-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/kbXwihViQA2jdvrKnVEz"><figcaption><label>Abb.1: </label>Aufbau eines modernen NMR-Magneten und Vorteile hoher Magnetfelder. a) Ein moderner NMR-Magnet besteht aus einer supraleitenden Spule, die mit flüssigem Helium gekühlt wird. b) Ein hohes Magnetfeld macht die Messung empfindlicher und löst die Spektren auf.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Strukturbestimmung mit NMR</h2>Wässrige Lösungen von Biomolekülen sind oft niedrig konzentriert – manche sind instabil oder groß, andere schlecht löslich, oder bei der rekombinanten Produktion ließ sich schlicht nicht mehr produzieren. Die Geräte müssen also empfindlich sein, beispielsweise, um Membranproteine3–5) zu untersuchen. Außerdem: Je größer das Protein, desto langsamer reorientieren sich große Proteine in Lösung (Rotationsdiffusion), was Signale verbreitert und die Empfindlichkeit der Messung, also das Signal-Rausch-Verhältnis, verringert. Da ein großes Protein mehr Signale ergibt als ein kleines, überlagern sich diese auch häufiger. Ein hohes Feld schafft Abhilfe, da es höher aufgelöste und empfindlichere Messungen erzeugt.Besonders wichtig ist dies für Nuclear-Overhauser-Effect-Spectroscopy(Noesy)-Experimente. Dabei erzeugen zwei Protonen ein Signal, die weniger als 6 Å voneinander entfernt sind. Hier korreliert die Signalstärke mit dem jeweiligen Abstand r, die Intensität nimmt nach der Formel 1/r6 ab, je weiter beide Kerne entfernt sind.Da in großen Biomolekülen viele Protonen einander nah sind, überlagern sich viele Signale im Noesy-Experiment. Diese Problematik zeigt <link href="#nadc20244138940-fig-0002">Abbildung 2 anhand zweier Proteine mit Molekulargewichten von 6 kDa und 25 kDa. Im 2-D-Noe-Spektrum des kleineren Proteins sind die meisten Signale aufgelöst, die Abstände lassen sich gut quantifizieren. Im 25-kDa-Protein dagegen kommen zum einen mehr Signale vor, zum anderen sind sie breiter. 3-D-NMR-Experimente entschärfen das Problem. Die Signale überlagern sich jedoch immer noch.<figure xml:id="nadc20244138940-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/558SD4yRKyz1c8rNalGw"><figcaption><label>Abb.2: </label>Vergleich der Komplexität von NMR-Spektren von Proteinen verschiedener Größe. a) Visualisierung der räumlichen Kontakte (bis 6 Å) zwischen den Amidprotonen und den anderen Protonen in Proteinen eines Molekulargewichts von 6 kDa (blau) und 25 kDa (rot). b) 2-D-Noesy-NMR-Spektren bei 500 MHz Feldstärke der beiden Proteine. Jeder paarweise Protonenabstand (bis 6 Å) ergibt ein Signal außerhalb der Diagonale. Je geringer der Abstand, desto intensiver das Signal. Je höher die Auflösung, desto mehr Abstände können für die NMR-Strukturbestimmung extrahiert werden.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">NMR klärt Protein-Interaktion</h2>Biomoleküle lassen sich im Spektrometer in Lösung untersuchen, ähnlich wie in der Zelle. So werden die funktionalen Konformationen beobachtet, falls die Qualität der Probe ausreicht. Größere Proteine oder RNA-Moleküle und ihre Komplexe zu untersuchen und NMR-Signale zuzuordnen, ist schwierig.6) Möglich machen das nun (i) Fortschritte in der biochemischen Isotopenmarkierung7,8) sowie (ii) optimierte NMR-Spektroskopiemethoden und -pulssequenzen. Schärfere Signale liefert beispielsweise Transverse-Relaxation-Optimized-Spectroscopy (Trosy)9), bei der sich verschiedene Relaxationsmechanismen kompensieren. Dazu kommen Methyl-Trosy-Experimente für Methylgruppen10) und optimierte NMR-Pulse11), kombiniert mit Höchstfeld-NMR-Magneten. Dass sich durch hohe Felder weniger Signale überlagern, zeigt <link href="#nadc20244138940-fig-0003">Abbildung 3 für ein 39 kDa großes RNA-bindendes Protein12). Das Spektrum links wurde bei 600 MHz aufgenommen, das rechts bei 1,2 GHz. Wie <link href="#nadc20244138940-fig-0004">Abbildung 4 zeigt, lässt sich mit NMR-Experimenten beobachten, wie sich zwei Konformationen von Proteinen ändern, wenn sie mit Bindungspartnern interagieren.<figure xml:id="nadc20244138940-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3FyqrmFR4uf1TfSg5ciL"><figcaption><label>Abb.3: </label>Höhere Feldstärken verbessern die spektrale Auflösung in NMR-Spektren biologischer Makromoleküle. 1H,15N-Korrelationsexperiment eines 37 kDa schweren RNA-bindenden Proteins (339 Aminosäuren) bei a) 600 MHz und b) 1200 MHz 1H-Larmorfrequenz bei 25 °C.</figcaption></figure></figure><figure xml:id="nadc20244138940-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/MfdMEpQMK8bltMTIw2wg"><figcaption><label>Abb.4: </label>NMR-Experimente liefern direkte Informationen zu Ligandenbindung und Konformationsdynamik. Das molekulare Chaperon Hsp90 liegt in Lösung als 170-kDa-Dimer vor.13) a) In Gegenwart von Adenosintriphosphat (ATP) ergeben sich für viele Kernspins zwei Signale (graue Konturen, offen und rotiert). b) Der Glukokortikoidrezeptor bindet an die rotierende Konformation von Hsp90. Die ursprüngliche Hauptkonformation bindet nicht, die NMR-Frequenz des Signals (offen, magenta) ändert sich daher nicht, und ihre Population nimmt ab. Die rotierte Konformation bindet an den Liganden, sodass ihre Population zunimmt (rotiert, magenta intensiver als rotiert, grau).</figcaption></figure></figure>Das 170 kDa große Proteindimer Hsp90 ist eines der häufigsten Proteine in menschlichen Zellen. Als Chaperon unterstützt es die funktionelle Proteinfaltung vieler biomedizinisch relevanter Substratproteine, etwa des Glukokortikoidrezeptors. NMR-Spektroskopie detektiert zwei Konformationen, die in Gegenwart von Adenosintriphosphat (ATP) in Lösung vorliegen.13) Wichtige Beobachtung: Nur eine der Konformationen ist an der Bindung des Substrats beteiligt, und dadurch erhöht sich ihre Population verglichen mit der anderen Konformation.<h2 type="main">Kernresonanz im Festkörper</h2>Neben Lösungs-NMR-Spektroskopie lassen sich auch mit Festkörper-NMR-Spektroskopie Strukturen charakterisieren. Untersucht werden typischerweise Membranproteine und Amyloidaggregate.Im Festkörper sind Resonanzen verbreitert, denn anisotrope Wechselwirkungen werden nicht wie in Lösung durch rotatorische Diffusion der Moleküle ausgemittelt. Zu den anisotropen Wechselwirkungen gehört die dipolare Kopplung. Sie beschreibt die Interaktion zwischen zwei Spin-1/2-Kernen und hängt davon ab, wie weit die beiden Kerne über den Raum entfernt sind.Um scharfe Resonanzen im Festkörper zu erhalten, rotiert die Probe im Magnetfeld im 54,7°-Winkel, dem Magischen Winkel (<link href="#nadc20244138940-fig-0005">Abbildung 5a). Die Technik heißt entsprechend Magic Angle Spinning (MAS). Das Pulverspektrum transformiert sich dadurch in ein Rotationsseitenbandenspektrum. Rotationsseitenbanden sind Signale, die symmetrisch im Abstand der MAS-Rotationsfrequenz ωr um das Signal der isotropen chemischen Verschiebung, gekennzeichnet durch einen Stern, auftreten. Der Abstand der Rotationsseitenbanden ist proportional zur Rotationsfrequenz (Abbildung 5b). Bei hohen Rotationsfrequenzen reduzieren sich die Rotationsseitenbanden auf das Zentralsignal. Dieses Signal erscheint bei der isotropen chemischen Verschiebung, die der Signalfrequenz im Lösungs-NMR-Spektrum entspricht. Wie bei der Spektroskopie in Lösung ist die Auflösung feldabhängig (Abbildung 5c). Eine Magnetfeldstärke von 21,1 T löst die Signale von Isoleucin auf, das sich in der Seitenkette einer Amyloidprobe des Aβ-Peptids befindet, welches die Alzheimer-Krankheit verursacht – bei 9,4 T gelingt das nicht. Von den hohen Magnetfeldern profitieren insbesondere Protonen-detektierte Experimente, beispielsweise 2-D-Spektren mit 1H-1-D-Spektrum, bei hohen MAS-Rotationsfrequenzen. Dabei dreht sich die Probe über 100 000 Mal pro Sekunde (ωr&gt;100 kHz).14)<figure xml:id="nadc20244138940-fig-0005"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/qfjpLrUT96lDQ2yGpbQX"><figcaption><label>Abb.5: </label>Magic-Angle-Spinning(MAS)-Festkörper-NMR-Spektroskopie an biologischen Proben. a) Die Probe rotiert im Winkel von 54,7° relativ zum Magnetfeld B0. b) Dadurch spaltet das Pulverspektrum in Rotationsseitenbanden auf. Der Abstand der Rotationsseitenbanden entspricht der Rotationsfrequenz. Hohe Rotationsfrequenzen ergeben nur ein Signal: die isotrope chemische Verschiebung, die der Frequenz aus einem Lösungs-NMR-Spektrum entspricht. c) Magnetfeldstärken: 9,4 T (oben) und 21,1 T (unten). 2-D-13C,13C-Korrelationsspektren einer Amyloidfibrille15) aus einem Aβ-Peptid, das die Alzheimer‘sche Krankehit verursacht. Dargestellt ist der Bereich mit Resonanzen der Isoleucin-Methylgruppen.</figcaption></figure></figure>Wenn der Abstand der Resonanzen höher ist als die dipolare Kopplung, transformieren starke in schwache Kopplungen, was die Signale schmaler macht und damit die Auflösung verbessert. Unter diesen Bedingungen lassen sich Biomakromoleküle empfindlich untersuchen, obwohl das Probenvolumen weniger als 1 μL beträgt.<h2 type="main">INFO: Wie ein NMR-Spektrum entsteht</h2>Ein moderner NMR-Magnet besteht aus einer Spule aus supraleitendem Material. Das bedeutet, diese hat fast keinen elektrischen Widerstand und lässt sich nach dem Laden ohne Stromquelle betreiben. Dazu muss die Spule allerdings mit flüssigem Helium auf etwa 4 K gekühlt werden (Abbildung 1a). Mit dieser Technik werden immer größere Magnete gebaut, deren Feldstärke in der NMR-Spektroskopie durch die resultierende Resonanzfrequenz der Protonenkerne (1H) ausgedrückt wird.So entsprechen 14 Tesla (T) einer Protonenfrequenz von etwa 600 MHz, und die neueste Generation der 1,2-GHz-Magnete hat eine Feldstärke von 28 T, was etwa dem 600 000-fachen des Erdmagnetfelds entspricht. Eine hohe Magnetfeldstärke hat zwei Vorteile: höhere Empfindlichkeit und bessere Auflösung (Abbildung 1b).Die beiden Zustände des Kernspins spalten sich im äußeren Magnetfeld energetisch auf. Zwischen den Energieniveaus der parallelen und antiparallelen Zustände liegt eine Energiedifferenz DE, die linear mit dem Magnetfeld steigt. Die erhaltene Signalintensität der NMR-Spektroskopie stammt daher, wie viel häufiger ein Energieniveau besetzt ist – wie bei anderen spektroskopischen Methoden auch. Bei höherem Magnetfeld steigt also die Signalintensität.Die Frequenzen in der NMR-Spektroskopie werden in der Einheit ppm (parts per million) ausgedrückt, also einem Millionstel der Frequenz des Spektrometers: Bei 600 MHz entspricht eine ppm-Einheit 600 Hz. Die Linienbreite der NMR-Signale bei unterschiedlichem Magnetfeld ist annähernd konstant. Bei höherem Magnetfeld entspricht ein 1-ppm-Sprung im Spektrum jedoch einer höheren Frequenzdifferenz, die Frequenzachse wird also breiter. Das führt zu schärferen Linien im NMR-Spektrum und damit zu einer höheren Auflösung. Die Breite der NMR-Signale (in Hz) ergibt sich durch die Eigenschaften der Probe. Sie hängt von der Größe des Moleküls und der Temperatur ab, da beides die Geschwindigkeit der Rotationsdiffusion (durch Brownsche Molekularbewegung) in Lösung beeinflusst.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Durch Magnete mit hohen Magnetfeldern und Resonanzfrequenzen ist es heute möglich, hochaufgelöste NMR-Spektren von Biomolekülen zu messen.Untersucht werden deren Struktur, Dynamik oder Wechselwirkungen, wodurch Krankheiten besser verstanden werden.Mit Festkörper-NMR-Experimenten lassen sich zum Beispiel Amyloidfibrillen untersuchen, die für die Alzheimer-Krankheit verantwortlich sind.<h2 type="main">Die Autoren</h2>Diesen Artikel haben Franz Hagn, Bernd Reif und Michael Sattler geschrieben. Als Professoren an der TU München und Gruppenleiter am Helmholtz-Zentrum München untersuchen sie Biomoleküle mit NMR-Spektroskopie. Hagn arbeitet an Struktur, Dynamik und Interaktion von Membranproteinen. Sattler untersucht dies zwischen Proteinen, RNA und kleinen Molekülen. Er leitet das Institut für Strukturbiologie am Helmholtz-Zentrum München und das Bayerische NMR-Zentrum. Reif untersucht Membranproteine und Amyloidfibrillen im Festkörper.Seit April 2022 ist ein 1,2-GHz-NMR-Spektrometer am Bayerischen NMR-Zentrum in Betrieb. Eingeweiht wurde es im Oktober 2023 bei einem internationalen Symposium zu Biomolekularer NMR-Spektroskopie.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244138940-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244138940-bib-0001">1 W. Jahnke, H. Widmer, Cell Mol. Life Sci. 2004, 61, 580</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0002">2 T. R. Alderson, L. E. Kay, Cell 2021, 184, 577</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0003">3 U. Günsel, F. Hagn, Chem. Rev. 2022, 122, 9395</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0004">4 U. Günsel, K. Klöpfer, E. Hausler et al., Nat. Struct. Mol. Biol. 2023, 30, 761</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0005">5 M. Mohamadi, D. Goricanec, G. Wagner et al., J. Struct. Biol. 2023, 215, 107970</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0006">6 J. Hennig, L. R. Warner, B. Simon et al., Methods Enzymol. 2015, 558, 333</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0007">7 V. Tugarinov, L. E. Kay, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 34, 10420–10428</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0008">8 F. Hagn, G. Wagner, J. Biomol. NMR 2015, 61, 249</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0009">9 K. Pervushin, R. Riek, G. Wider et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 1997, 94, 12366</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0010">10 J. E. Ollerenshaw, V. Tugarinov, L. E. Kay, Magn. Reson. Chem. 2003, 41, 843</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0011">11 S. Asami, W. Kallies, J. C. Gunther et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14498</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0012">12 C. D. Mackereth, T. Madl, S. Bonnal et al., Nature 2011, 475, 408</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0013">13 A. Lopez, V. Dahiya, F. Delhommel et al., Sci. Adv. 2021, 7, eabl7295</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0014">14 K. Xue, R. Sarkar, Z. Tosner et al., Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2022, 130–131, 47</li><li xml:id="nadc20244138940-bib-0015">15 J. M. Lopez del Amo, D. Schneider, A. Loquet et al., J. Biomol. NMR 2013, 56, 359</li></ul>

Artikel

Mixen und Mahlen statt Lösen und Rühren

Überprüfung Ihres Anmeldestatus ...