Wissenschaft & Forschung

Manche boranbasierten frustrierten Lewis-Paare spalten Wasserstoff – wie, war bislang unklar. Um Struktur und Reaktivität in Beziehung zu setzen, werden quantenchemische Untersuchungen und NMR-Experimente kombiniert. Sind pK-Werte der Lewis-Base bekannt, lässt sich damit Reaktivität vorhersagen.
Bereits seit den 1940er Jahren setzen Chemiker Lewis-Säuren und -Basen mit Alkinen um und isolierten die Produkte. Obwohl offensichtlich schon seit diesem Zeitpunkt Additionen von Lewis-Säure-Lewis-Base-Paaren an kleine Moleküle bekannt waren, berichtete erst im Jahr 2006 Douglas W. Stephan über eine reversible Aktivierung von molekularem Wasserstoff mit dem Lewis-Paar (5) (Abbildung 1) und wenig später über die Hydrierung von Iminen, unter anderem auch (5).2)<figure><img src="https://media.graphcms.com/nUAj91xQ6G3Qqvd16WZb"><figcaption><label>Abb. 1: </label>a) Metallfreie Wasserstoffaktiverung; b) metallfreie katalytische Hydrierung.</figcaption></figure>
<h2>Spaltung von H2</h2>Bei der Spaltung von Wasserstoff durch frustrierte Lewis-Paare (FLP, Kasten) beeinflussen Heteroatome und periphere Gruppen die Orbitalenergien und damit die Reaktivität der FLP. Für die Spaltung selbst müssen die Orbitale des FLPs mit denen des Wasserstoffmoleküls wechselwirken. Daher ist ein schwach gebundener Lewis-Säure-Lewis-Base-Komplex erforderlich, um kleine Moleküle zu aktivieren. Allerdings bilden sich diese Encounter-Komplexe6) aufgrund der Entropieabnahme meist nur sehr schwach exergon oder sogar endergon.Wie kann man die Reaktivität eines derart sensiblen Systems verstehen, das von schwachen nichtkovalenten Wechselwirkungen geprägt ist? Festkörperstrukturen sind nur von wenigen intramolekularen FLP bekannt, da diese ionischen Charakter haben. In Lösung ließ sich bisher nur die Komplexbildungskonstante eines einzigen Systems durch Dosy-NMR-Spektroskopie bestimmen, was die empfindliche Wechselwirkung zwischen Lewis-Säure und -Base widerspiegelt.7) Wegen dieser geringen Datenmenge eignet sich die Strukturcharakterisierung nicht, um Struktur-Reaktivtätsbeziehungen in FLP zu bestimmen.Da es in absehbarer Zeit keine Strukturdaten von Encounter-Komplexen geben wird, haben sich theoretische Chemiker mit dem Mechanismus der Wasserstoffaktivierung durch boranbasierte FLP befasst.8) Diese Studien liefern Informationen über Struktur und Thermochemie einzelner Schritte. Jedoch lässt sich aus diesen Daten nur eingeschränkt eine Reaktivitätsskala ableiten, etwa bei der metallfreien Hydrierung von Olefinen mit wenig elektronenreichen Phosphanen als Lewis-Base (Abbildung 2).9)<figure><img src="https://media.graphcms.com/R8hdtO0GTOKCSF4eyStw"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Hydrierung von Olefinen, katalysiert durch frustrierte Lewis-Paare.</figcaption></figure>
<h2>Quantenchemie</h2>Die Wasserstoffaktivierung mit dem elektronenarmen Phosphan (6) und Tris(pentafluorphenyl)boran (7) verläuft endergon, zeigen quantenchemische Untersuchungen. Daher entsteht, wenn überhaupt, nur wenig Phosphoniumhydridoborat (8). Dies ist im Einklang mit spektroskopischen Daten von Experimenten bei Raumtemperatur, erstaunlicherweise wird dennoch das Olefin (9) hydriert.9)Offensichtlich erzeugt die transiente heterolytische H2-Spaltung durch ein FLP starke Brønsted-Säuren, die ein Olefin protonieren können. Also ist nicht zwangsläufig die Wasserstoffaktivierung der problematische Schritt, sondern die starke Brønsted-Acidität des entstandenen Phosphoniumions. Diese starke Säure protoniert nämlich das Hydrid im Hydridoborat und setzt somit Wasserstoff frei. Abkühlen der FLPs bis auf – 90 °C in Gegenwart von Wasserstoff verlangsamt dieses schnelle Gleichgewicht, sodass sich das Phosphoniumhydridoborat NMR-spektroskopisch detektieren lässt. Diese experimentelle Studie zeigte erstmals den qualitativen Zusammenhang zwischen Brønsted- und Lewis-Säure.Die H2-Aktivierungstemperatur korreliert linear mit dem pKa-Wert der Phosphoniumspezies, einem thermodynamischen Parameter (Abbildung 3). Damit existiert ein Kriterium, um FLPs zu charakterisieren, insbesondere für die heterolytische Spaltung von Wasserstoff.<figure><img src="https://media.graphcms.com/RwgFpVEiThelR0xdxyHm"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Korrelation der H2-Spaltungstemperatur (Bildung von 5 Prozent Hydridoborat nach 19F-NMR-Integration) mit der Brønsted-Azidität der entstehenden Phosphoniumionen in Dichlormethan.</figcaption></figure>
<h2>Acidität als Maß</h2>Die Brønsted-Acidität (pKa) und die Lewis-Acidität oder Hydridionenaffinität (HIA) der entstehenden Oniumhydridoborate ([LB–H]+[H–BR3]–) ist ein Maß für die Reaktivität der FLPs. Werden diese Parameter in Zusammenhang mit Reaktionsraten gesetzt, sollte sowohl eine quantitative Aussage über die FLP-Reaktivität – auch über transiente Spezies – möglich sein als auch ein Rückschluss auf den Reaktionsmechanismus. Die FLP-katalysierte Hydrierung des Allylsilans (9) mit den untersuchten Phosphanen als Lewis-Base ergibt eine lineare Zeit-Konzentrationskorrelation und daher eine Reaktion nullter Ordnung bezüglich des Substrats (Abbildung 4).<figure><img src="https://media.graphcms.com/gzqJam8RoWLuaDo8RFUx"><figcaption><label>Abb. 4: </label>a) Durch frustrierte Lewis-Paare katalysierte Hydrierung des Allylsilans (9) und Zeit-Ausbeutekorrelation; b) Einzelschritte der FLP-katalysierten Hydrierung von Olefinen; c) Korrelation der Reaktionsgeschwindigkeit gegen die pKa-Werte der Phosphiniumionen.</figcaption></figure>
Das Substrat ist nicht in den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt involviert, womit nach den Gleichungen 1 bis 3 (Abbildung 4b) die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der H2-Aktivierung abhängt. Die Konzentration des FLP-H2-Aktivierungsprodukts bezieht sich direkt auf den pKa-Wert des gebildeten Phosphoniumions. Werden die pKa-Werte gegen die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante aufgetragen, ergibt sich ein linearer Zusammenhang (Abbildung 4c). Da pKa-Werte etlicher Lewis-Basen tabelliert, messbar oder durch Dichtefunktionaltheorie-Methoden bestimmbar sind, lassen sich die jeweiligen Reaktionsgeschwindigkeiten für beliebige Basen berechnen. Das ist unproblematisch, solange das Substrat nicht selbst als Lewis-Base fungiert.<h2>Substrat gleich Lewis-Base</h2>Bei der FLP-katalysierten Reduktion von Iminen ist das Imin Reagenz und Lewis-Base zugleich. Daher muss nur die Lewis-Säure als Katalysator zugegeben werden.10) Bei dieser Reaktion ist aber auch das Produkt – ein Amin – eine Lewis-Base, sodass auch mit dem Amin H2 aktiviert werden sollte (Abbildung 5, linker Kreislauf).10) Zwar bleibt die Basenkonzentration im Reaktionsverlauf konstant, entscheidend ist jedoch die Konzentrationsänderung von Imin (nimmt ab) und Amin (nimmt zu) im Lauf der Reaktion.<figure><img src="https://media.graphcms.com/C5GVF3pNTxGNqd5Gkvb7"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Durch frustrierte Lewis-Paare katalysierte Hydrierung von Iminen.</figcaption></figure>
Da Lewis-Basizität und Säurestärke über die FLP-Reaktivität entscheiden, ist die katalytische Iminhydrierung komplex: Der einfache Katalysekreislauf muss um einen selbstinduzierten Kreislauf erweitert werden (Abbildung 5, rechter Kreislauf).11) In diesem steigt die Leistungsfähigkeit des aktiven FLPs durch die im Vergleich zum Imin stärkere Lewis-Base. Dadurch verläuft die Reaktion schneller, je länger sie dauert (sigmoidale Zeit-Konzentrationskorrelation, autoinduzierte Reaktion), im Gegensatz zur Reaktionsverlangsamung in Reaktionen erster Ordnung.Die Geschwindigkeitskonstanten für einfache und autoinduzierte Reaktion lassen sich beide bestimmen, sodass sich wieder ein Zusammenhang zwischen der Lewis-Basen-Struktur – und damit dem pKa-Wert – und der Reaktionsgeschwindigkeit ergibt.11a)<h2>Struktur-Reaktivitätsbeziehung</h2>Wie lässt sich eine Struktur-Reaktivitätsbeziehung für die Iminreduktion entwickeln? Dazu wurden N-tButyl-benzylidenamine hergestellt, die sich etwa durch einen Substituenten am Phenylring unterscheiden. Dadurch lässt sich die elektronische Situation des Stickstoffatoms beeinflussen, was sich wiederum auf die Fähigkeit zur H2-Aktivierung auswirkt. Ebenso wird die elektronische Struktur der Produkte beeinflusst, allerdings in einem für Benzylsubstituenten bekannten geringerem Maß (Abbildung 6a und b). Aus dieser Schere der elektronischen Kopplung von Stickstoffatom und Produktstruktur erschließt sich eine Differenz (ΔpKa) der jeweiligen Iminium- und Ammonium-pKa-Werte, die mit tabellierten σ-Hammett-Strukturparametern in linearem Zusammenhang stehen (Abbildung 6b und c).<figure><img src="https://media.graphcms.com/h70rR6xLSWq936htXZss"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Struktur-Reaktivitätsbeziehung für die FLP-katalysierte Iminhydrierung: a) Untersuchte Reaktion; b) Korrelation von σ-Hammett-Strukturparametern mit DFT/Cosmo-berechneten pKa-Werten der konjugierten Imin- beziehungsweise Amin-Säuren; c) Korrelation von σ-Hammett-Strukturparametern mit den Aciditätsdifferenzen zwischen Iminium und Ammonium (ΔpKa); d) Korrelation der σ-Hammett-Strukturparametern mit den Reaktionsgeschwindigkeiten (k1: einfacher katalytischer Kreislauf; k2: autoinduzierter katalytischer Kreislauf).</figcaption></figure>
Mit fünfzehn Iminen lassen sich sechs pKa-Einheiten überstreichen. Aus der Analyse der FLP-katalysierten Hydrierung dieser Imine erhält man zwei Geschwindigkeitskonstanten: k1 für den einfachen und k2 für den autoinduzierten Kreislauf. Beide hängen mit Strukturparametern wie ΔpKa oder dem σ-Hammett-Parameter zusammen (Abbildung 6d). Durch Kenntnis des σ-Hammett-Strukturparameters sowie einer der Geradengleichungen, entweder für den einfachen oder für den autoinduzierten Mechanismus, lässt sich nun die Geschwindigkeitskonstante und folglich auch die Reaktivität des FLPs nicht nur berechnen, sondern sogar vorhersagen. Außerdem lässt sich daran der Mechanismus ablesen, über den die Hydrierung bevorzugt verläuft: Bei einem großen Unterschied der Imin- und Amin-pKa-Werte greift eher der autoinduzierte Mechanismus, bei einem kleinen ΔpKa beide Mechanismen.<h2>Gedankenexperiment</h2>Was geschieht, wenn der Unterschied zwischen Imin und Amin verschwindend gering ist? Der Theorie zufolge sollten beide Reaktionskreisläufe mit gleicher Geschwindigkeit ablaufen (eine Reaktion nullter Ordnung im Substrat), da Basizität und Konzentration der Lewis-Base über den gesamten Zeitraum konstant sind. Um diese Hypothese zu prüfen, wurden ein Imin und ein Amin untersucht, deren pKa-Werte sehr ähnlich sind. In der Tat ist diese Reaktion nullter Ordnung bezüglich der Iminkonzentration. Durch Kenntnis von Strukturparametern oder pKa-Werten der Lewis-Base ist die Reaktivität also prognostizierbar. Damit lassen sich jetzt sowohl der FLP-Katalysator als auch das Substrat spezifisch durch ihre thermodynamischen Eigenschaften wählen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/8TP9HSQbTGUmNwxucH0g"><figcaption><label>Abb. 7: </label>Reaktion von Trimethylboran (1) mit Pyridinbasen.</figcaption></figure>
<h2>Frustrierte Lewis-Paare</h2>Georg Wittig hatte 1942 festgestellt, dass die Reaktion zwischen Lewis-Säure und Lewis-Base ausbleibt, wenn eine der Komponenten sterisch gehindert ist:1) So führt die Reaktion von Trimethylboran (1) mit Pyridin (2) zum klassischen Lewis-Addukt (3) mit dativer Bindung (in der Abbildung links), während Trimethylboran (1) nicht mit 2,6-Lutidin (4) reagiert, weil die sterische Abschirmung zu groß ist (in der Abbildung rechts zu sehen).Douglas W. Stephan hat dafür den Ausdruck „frustrierte Lewis-Paare“ (FLP) eingeführt.4) Die Wechselwirkung, die ihnen zugrunde liegt, lässt sich anhand eines Kondensators verdeutlichen: Hier ist eine positiv geladene Platte gegenüber einer negativ geladenen angeordnet, im Spalt dazwischen befindet sich ein Dielektrikum, etwa Glas. Aufgrund der Coulomb-Kraft ziehen sich die Platten an, müssen jedoch an Ort und Stelle bleiben, da sie physikalisch fixiert sind oder vom Dielektrikum getrennt. Ein elektrisches Feld entsteht. Bringt man nun einen Dipol in dieses Feld, wird dieser sich zu Kathode und Anode hin ausrichten.Hypothetisch ließe sich eine solche Anordnung nutzen, um kleine Moleküle zu polarisieren, was bei genügend großem Potenzial zu deren Spaltung führen sollte.5) Ähnlich, aber auf molekularer Ebene, können Lewis-Säure und Lewis-Base einen Komplex bilden, der durch elektrostatische und Dispersionswechselwirkungen stabilisiert wird. Vereinfacht gesehen bilden auf molekularer Ebene das Donoratom der Lewis-Base und das Akzeptoratom der Lewis-Säure das Kondensatorsystem. Dabei darf der Abstand beider Atome weder zu groß noch zu klein sein, da die Orbitale mit einem Molekül wie Wasserstoff wechselwirken müssen.<h2>Vita:</h2>Jan Paradies hat an der Universität Münster und der University of Edinburgh studiert. Nach Abschluss des Studiums und der Promotion an der Universität Münster befasste er sich als Postdoc in der Gruppe von Gregory C. Fu mit planar-chiralen Katalysatoren. Im Jahr 2013 war er Blickpunkt-Synthese-Autor in den Nachrichten. Seine Habilitation schloss er 2014 ab; seit Oktober 2014 ist er Professor für organische Chemie an der Universität Paderborn. Sein Forschungsinteresse gilt übergangsmetallkatalysierter Dominoreaktionen zum Aufbau von Heterozyklen und der Entwicklung frustrierter Lewis-Paar-katalysierter Reaktionen.<div><img src="https://media.graphcms.com/MvCl7oQ0Se2Qk8lEsXW4">

</div><h2>Quergelesen</h2>Spaltet ein frustriertes Lewis-Paar (FLP) heterolytisch Wasserstoff, entstehen Brønsted-Säuren und Hydridnukleophile. Lewis- und Brønsted-Säure hängen direkt zusammen; die Brønsted-Säurestärke ist ein Maß für die Reaktivität des FLPs.Werden diese Parameter mit Reaktionsraten korreliert, lassen sich Aussagen treffen über Zwischenprodukte und Reaktionsmechanismus, und die FLP-Reaktivität lässt sich quantifizieren.Agiert eine Komponente gleichzeitig als Reagenz und Lewis-Base, muss der eigentliche Reaktionsmechanismus um einen selbstinduzierten ergänzt werden.
<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 H. C. Brown, H. I. Schlesinger, S. Z. Cardon, J. Am. Chem. Soc. 1942, 64, 325–333.</li><li>
2 a) G. C. Welch, R. R. S. Juan, J. D. Masuda, D. W. Stephan, Science 2006, 314, 1124–1126; b) G. C. Welch, D. W. Stephan, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 1880–1881; c) P. A. Case, G. C. Welch, T. Jurca, D. W. Stephan, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 8050–8053.</li><li>
3 a) D. W. Stephan, G. Erker, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 46–76; b) D. W. Stephan, G. Erker, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 6400–6441; c) D. W. Stephan, Acc. Chem. Res. 2015, 48, 306–316; d) D. W. Stephan, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10018–10032.</li><li>
4 D. W. Stephan, Org. Biomol. Chem. 2008, 6, 1535–1539.</li><li>
5 B. Schirmer, S. Grimme, Chem. Commun. 2010, 46, 7942–7944.</li><li>
6 T. A. Rokob, A. Hamza, A. Stirling, T. Soos, I. Papai, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 2435–2438.</li><li>
7 L. Rocchigiani, G. Ciancaleoni, C. Zuccaccia, A. Macchioni, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 112–115.</li><li>
8 a) T. A. Rokob, A. Hamza, A. Stirling, T. Soos, I. Papai, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 2435–2438; b) T. A. Rokob, A. Hamza, A. Stirling, I. Papai, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2029–2036; c) T. A. Rokob, A. Hamza, I. Papai, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 10701–107010; d) S. Grimme, H. Kruse, L. Goerigk, G. Erker, Angew, Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1402–1405; e) T. A. Rokob, I. Bako, A. Stirling, A. Hamza, I. Papai, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4425–4437.</li><li>
9 L. Greb, P. Ono-Burgos, B. Schirmer et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 10164–10168; L. Greb, S. Tussing, B. Schirmer et al., Chem. Sci. 2013, 4, 2788–2796.</li><li>
10 P. A. Case, T. Jurca, D. W. Stephan, Chem. Commun. 2008, 44, 1701–1703.</li><li>
11 a) S. Tussing, L. Greb, S. Tamke et al., Chem. Eur. J. 2015, 21, 8056–8059; b) S. Tussing, K. Kaupmees, J. Paradies, Chem. Eur. J. 2016, 22, 7422–7426.</li></ul>

Artikel

Reaktivität verstehen, ohne die Katalysatorstruktur zu kennen

Manche boranbasierten frustrierten Lewis-Paare spalten Wasserstoff – wie, war bislang unklar. Um Struktur und Reaktivität in Beziehung zu setzen, werden quantenchemische Untersuchungen und NMR-Experimente kombiniert. Sind pK-Werte der Lewis-Base bekannt, lässt sich damit Reaktivität vorhersagen....

Hydrogenasen in Grünalgen katalysieren die Abgabe von Wasserstoff. Wie läuft das auf molekularer Ebene ab? Isotopenmarkierung und Infrarotspektroskopie helfen, diese Frage zu beantworten.
Die Industrie stellt H2 aus Erdöl und Erdgas her. Eine Alternative ist die biologische Wasserstoffproduktion, etwa durch Bakterien1) oder photosynthetische Mikroalgen.2)Dass Grünalgen Wasserstoff produzieren, beschrieb erstmals Hans Gaffron in den frühen 1940er Jahren.3) Zusammen mit Tim Stuart wies Gaffron 30 Jahre später nach, dass Photosynthese und Wasserstoffmetabolismus direkt gekoppelt sind.3) Ihre Arbeit prägte den Begriff photobiologische Wasserstoffproduktion. In den 1990er Jahren erschloss das Team von Tasios Melis das volle Potenzial der Grünalgen wie Chlamydomonas reinhardtii für die Wasserstoffproduktion, indem sie die Anzuchtbedingungen veränderten.3)Auf molekularer Ebene sind die für den Wasserstoffmetabolismus verantwortlichen Enzyme, die Hydrogenasen, seit den 1930er Jahren bekannt,3) die ersten Kristallstrukturen veröffentlichten Inokuchi und Kollegen jedoch erst Ende der 1980er Jahre.4) Abhängig von der Metallzusammensetzung des aktiven Zentrums werden [NiFe]- und [FeFe]-Hydrogenasen unterschieden. In Grünalgen fanden Wissenschaftler bisher ausschließlich [FeFe]-Hydrogenasen.3)<h2>[FeFe]-Hydrogenasen</h2>Typischerweise bildet nur eine einzige Aminosäurekette die wasserlöslichen [FeFe]-Hydrogenasen. Das Enzym kann in zwei funktionale Domänen gegliedert werden: einen akzessorischen Teil, der bis zu vier Eisen-Schwefel-Zentren bindet, und die Kopfdomäne mit dem katalytischen Kofaktor (Abbildung 1).5) Über die akzessorische Domäne tauschen Kofaktor und Redoxpartner Elektronen aus; in vivo ist der Redoxpartner meistens das photosynthetische Ferredoxin.6)<figure><img src="https://media.graphcms.com/zi8RW9enRuuOo45mINDs"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Kristallstruktur der [FeFe]-Hydrogenase aus C. pasteurianum.5) Das Enzym hat vier Eisen-Schwefel-Zentren in der akzessorischen Domäne. Der namensgebende Eisen-Eisen-Kofaktor der katalytischen Domäne bindet drei CO- und zwei CN-Liganden, deren Schwingungsfrequenzen sich per Infrarotspektroskopie untersuchen lassen.</figcaption></figure>
Die [FeFe]-Hydrogenase aus C. reinhardtii gilt als Minimaleinheit zur Wasserstoffproduktion, da dem Enzym die akzessorische Domäne fehlt und Elektronen direkt in den katalytischen Kofaktor injiziert werden.3) Über eine Serie konservierter Aminosäurereste reagieren zwei Protonen aus dem umgebenden Wasser über Hydrolyse mit zwei Elektronen zu molekularem Wasserstoff:2 H+ + 2 e- S [H+ + H-] S H2 (Gleichung 1)Für [FeFe]-Hydrogenasen hängt die Richtung der Reaktion vom Verhältnis aus Produkt- und Edukt-Konzentration ab, während [NiFe]- und [Fe]-Hydrogenase unter ähnlichen Bedingungen eher die Oxidation von H2 katalysieren.7) Ob sich ein hydridischer Übergangszustand bildet, untersuchen wir momentan in Zusammenarbeit mit der Universität Bochum und dem Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion in Mülheim.4)Das katalytische Zentrum der [FeFe]-Hydrogenasen, der H-Cluster, besteht aus einem [4Fe4S]-Zentrum, koordiniert von vier Cystein-Seitengruppen. Das Schwefelatom eines der Cysteine bindet zusätzlich an das eigentliche [FeFe]-Zentrum (Abbildung 1). Beide Eisenionen tragen einen Kohlenmonoxid- und einen Cyanid-Liganden (CO/CN–), und ein dritter CO-Ligand verbrückt die beiden Eisenionen (μCO). Eine Aminodithiolat-Gruppe (ADT) verbindet die oktaedrisch koordinierten Eisenionen auf der Oberseite, sodass das näher am [4Fe4S]-Zentrum gelegene (proximale) Eisenion abgesättigt ist, das weiter entfernte (distale) Eisenion aber eine freie Bindestelle behält.<h2>Mit Kohlenmonoxid hemmen</h2>Die freie Position am distalen Eisenion interpretieren viele Autoren als Bindestelle für eine hydridische Spezies bei der Wasserstoffkatalyse.4) Passend dazu bindet in Gegenwart gasförmigen Kohlenmonoxids ein zusätzlicher CO-Ligand am distalen Eisenion (d2CO) und inhibiert so die katalytische Aktivität.8) Diese Kohlenmonoxidvergiftung ist nahezu vollständig reversibel.9)Die Sensibilität der [FeFe]-Hydrogenase gegebenüber Kohlenmonoxid lässt sich nutzen, um isotopenmarkiertes 13CO über das distale Eisenion einzuführen. Gleichzeitig erlauben die Absorptionseigenschaften des H-Clusters im sichtbaren Spektralbereich, durch Einstrahlen von Licht unterschiedlicher Wellenlängen selektiv alle Eisencarbonylbindungen zu schwächen. Aus der Literatur ist dieser Prozess als Kannibalismus bekannt: Unter dem Einfluss weißen Lichts setzt der H-Cluster Kohlenmonoxid frei und zerfällt dabei. Dieses Kohlenmonoxid reagiert mit einer Teilfraktion der Probe und bildet den CO-inhibierten Zustand.10)Findet die Reaktion in einer 13CO-Atmosphäre statt, ersetzt 13CO schrittweise die natürlichen Carbonylliganden.11) So ergeben sich alle theoretisch möglichen 12CO-13CO-Kombinationen (24 = 16) (Tabelle 1). Werden die isotopenmarkierten Proben unter N2 reaktiviert, reichert sich der aktive Zustand an, der in acht 12CO-13CO-Kombinationen (23 = 8) vorliegen kann (Tabelle 2). Abbildung 2 zeigt in zwei zyklischen Diagrammen, wie die unterschiedlichen Isotopomere ineinander überführt werden können. Dabei spielt neben der Beleuchtung mit rotem (640 nm) oder blauem Licht (460 nm) auch die Hydratisierung der Probe eine Rolle.11)<table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Alle Isotopomere, die im CO-inhibierten Zustand, Hox-CO, vorliegen können.</h2><img src="https://media.graphcms.com/IdI18gMNREqRycaXBb8Q">

</table-wrap><table-wrap>

<label>Table 2</label><h2>Alle Isotopomere, die den aktiven Zustand, Hox, einnehmen können.</h2><img src="https://media.graphcms.com/13AhnD7LR6qdVYEj5Mpp">

</table-wrap><figure><img src="https://media.graphcms.com/iaG47TEiSeaO8yR4LOZY"><figcaption><label>Abb. 2: </label>In Gegenwart von 12CO- oder 13CO-Gas lassen sich mit rotem oder blauem Licht die CO-Liganden des katalytischen Kofaktors selektiv austauschen. Wird die Atmosphäre über dem Proteinfilm mit N2 gespült (gestrichelte Pfeile), so kommt es zu einer Reaktivierung der Enzyme, und der oxidierte Zustand Hox reichert sich an.</figcaption></figure>
<h2>Proben analysieren mit ATR/FT-IR-Spektroskopie</h2>Fourier-transformierte Infrarot-Spektroskopie (FT-IR) ist eine Schlüsseltechnik, um Hydrogenasen zu analysieren. Die natürlichen CO- und CN-Liganden absorbieren in einem Bereich des mittleren Infrarot, den weder Protein- noch Wasserbanden überlagern. Die Streckschwingungsfrequenz der CO- und CN-Liganden reagiert sensibel auf Änderungen in der Elektronendichteverteilung des H-Clusters, und im Gegensatz zur Elektronenspinresonanz-Spektroskopie sind alle Redoxzustände infrarotaktiv.Die FT-IR-Spektroskopie liefert direkte Informationen über die Energie und Charakteristik einer Molekülschwingung, wobei sich die Kopplungsmuster komplexer Schwingungssysteme mit Dichtefunktionaltheorie (DFT) berechnen lassen.11) Alle Berechnungen führen wir in Kooperation mit Stefan Mebs und Michael Hauman (FU Berlin) durch. Ändert sich die Masse eines Atoms im Molekülverband, beeinflusst das stark Frequenz und Kopplung. Die Erhöhung der Kohlenstoffmasse von 12C auf 13C in den CO-Liganden verringert sich die Frequenz rein rechnerisch um 44 cm–1.Um diese Änderungen im Experiment zu beobachten, sollte die Hydrogenaseprobe nur wenig Wasser enthalten, also hoch konzentriert vorliegen. Der Dampfraum über der Probe muss austauschbar sein, ohne dass dabei das Protein eintrocknet. Daher müssen die Gase angefeuchtet werden (Abbildung 3). Wird ein bestimmter Feuchtigkeitsgehalt unterschritten, reagiert die Probe nicht mehr auf angebotene Gase (caking), Kohlenmonoxidvergiftung und Reaktivierung durch N2 finden nur noch sehr langsam statt. Letztlich sollte das Experiment so aufgebaut sein, dass sich die Probe mit Kaltlichtlampen, Led oder Laser beleuchten lässt. Die Proteinprobe wird hier mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR, siehe Einschub in Abbildung 3) vermessen. Da das Aerosol im mittleren Infrarot absorbiert, erlaubt es die Messmethode, die Gasphase oberhalb des Probenfilms auszutauschen, ohne dass sie mit dem IR-Messlicht interagiert.<figure><img src="https://media.graphcms.com/xZQCaTDLStWFZrOlDw5Y"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Experimenteller Aufbau. Der Proteinfilm auf der Oberfläche des ATR-Kristalls wird mit angefeuchteten Gasen behandelt und selektiv beleuchtet. Die ATR-Optik befindet sich dabei in einem handelsüblichen FT-IR-Spektrometer. Digitale Strömungswächter erlauben es, die Aerosol-Titrationen quantitativ auszuwerten.</figcaption></figure>
<h2>Dichtefunktionaltheorie erklärt die Frequenzmuster</h2>Abbildung 4 zeigt das Beispiel des aktiven, oxidierten Zustands Hox. Das Spektrum der unbehandelten Probe (a) weist auf drei CO-Liganden hin, die sich direkt der proximalen (magenta), distalen (blau) beziehungsweise der verbrückenden Position (grün) zuordnen lassen (siehe auch Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/i7YoxTG4RWWjlRSRbKaa"><figcaption><label>Abb. 4: </label>FT-IR-Spektren des Carbonylbereichs der [FeFe]-Hydrogenase aus C. reinhardtii (magenta: pCO; grün: µCO; blau: dCO). Isotopenmuster in der Reihenfolge p/µ/d: 12/12/12 in (a), 12/12/13 in (b), 13/12/13 in (c) und 13/12/12 in (d). Gepunktete Spektren zeigen den jeweiligen Austausch von µ12CO nach µ13CO.</figcaption></figure>
Aufgrund der niedrigeren Schwingungsfrequenz des verbrückenden Liganden beeinflusst die Isotopenmarkierung von μCO nicht die terminalen Liganden. Ersetzt 13CO den distalen CO-Liganden (Spektrum b), verringert sich die entsprechende Schwingungsfrequenz um 35 cm–1. Da der distale CO-Ligand geringfügig mit dem proximalen koppelt, verschiebt sich dieser um 9 cm–1. Bei zusätzlicher Isotopenmarkierung des proximalen CO-Liganden (Spektrum c) verschiebt sich die Frequenz stark für den proximalen Liganden und schwach für den distalen. Im Vergleich zu Spektrum (a) sind nun beide terminalen Liganden um 44 cm–1 verschoben.In Spektrum (d) ist ausschließlich der proximale CO-Ligand markiert. Theoretisch sollten nun beide Liganden, proximaler und distaler, mit derselben Frequenz schwingen (etwa 1930 cm–1). Tatsächlich beobachtet man aber eine Aufspaltung in zwei Banden.Obwohl die Frequenzen den Signalen in Spektrum (b) gleichen, zeigen die Banden in Spektrum (d) unterschiedliche Amplitudenverhältnisse. DFT-Simulationen des H-Clusters sagen für diesen Fall eine starke Kopplung der terminalen CO-Liganden voraus,11) sodass sich die Frequenzbänder nicht mehr einer konkreten Position im H-Cluster zuordnen lassen, sondern die symmetrische und asymmetrische CO-Streckschwingung des Gesamtsystems repräsentieren. Wie in allen gezeigten Spektren ist die Frequenz des verbrückenden μCO davon weitgehend unbeeinflusst.<h2>Ausblick</h2>Wie die Liganden im aktiven, oxidierten Zustand koppeln, ist relativ übersichtlich. Bindet ein weiterer CO-Ligand an den Kofaktor, wird es schwieriger, die Kopplungsmuster zu analysieren. Jedoch lässt sich dadurch auch die Struktur des H-Clusters charakterisieren. CO- und CN-Liganden sind durch Proteinröntgenkristallographie kaum unterscheidbar, die Berechnung der Frequenzen per Dichtefunktionaltheorie erlaubt es aber, unterschiedliche Struktur- und Isotopomere durchzuspielen.11) Der Vergleich experimenteller und simulierter Spektren dient dann als Qualitätskriterium: je geringer die Abweichung, desto realistischer das Modell (Abbildung 5). So zeigten wir, dass die Liganden am distalen Eisenion eine Teilrotation vornehmen, wenn externes CO gebunden wird. Der distale CN-Ligand nimmt dann die apikale Position ein.<figure><img src="https://media.graphcms.com/TL9Py8qTqCe9KWZKrEAH"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Vergleich der gemessenen mit den gerechneten Frequenzen. Die Diagonale zeigt eine hypothetische Übereinstimmung von 100 %. DFT-Modelle, die mit einem apikalen CN-Liganden am distalen Eisenion gerechnet worden sind, stimmen besser mit den experimentellen Frequenzen überein als die mit einem äquatorialen CN-Liganden.</figcaption></figure>
Mit dieser Herangehensweise lassen sich auch die reduzierten Zustände des H-Clusters beschreiben. Für die Wasserstoffproduktion kann der Kofaktor mit bis zu zwei Elektronen beladen werden (Gleichung 1). Dabei driften die Eisenionen des [FeFe]-Zentrums auseinander,12) und der verbrückende CO-Ligand wird nur noch durch das distale Eisenion koordiniert. Ohne μCO könnte ein Hydrid die beiden Eisenionen verbrücken.13) Simulationen sagen für diesen Fall nur geringe katalytische Umsatzraten voraus.14) Die schnelle Wasserstoffkatalyse – mit Geschwindigkeiten bis zu 10 000 H2 pro Sekunde – erfordert also einen Mechanimus, der das verbrückende CO unangetastet lässt und eine hydridische Spezies ausschliesslich in terminaler Position zulässt.Bisher gibt es nur wenig experimentelle Hinweise, die eindeutige Interpretationen der Struktur zulassen. Die Isotopenmarkierung der reduzierten Zustände kann helfen, das aufzuklären, und damit zum Verständnis des molekularen Mechanismus der Wasserstoffproduktion beitragen.<h2>Quergelesen</h2>Wasserstofferzeugende Enzyme werden in [Fe]-, [NiFe]- und [FeFe]-Hydrogenasen eingeteilt. In Grünalgen gibt es ausschließlich [FeFe]-Hydrogenasen.Im [FeFe]-Zentrum haben beide Eisenionen einen CO- und einen CN-Liganden, ein weiteres CO verbrückt die Metallionen. Die Masse der Atome beeinflusst Frequenz und Kopplung, weshalb FT-IR-Spektroskopie sich zur Untersuchung eignet.Damit der Wasserstoff schnell entsteht, braucht es das verbrückende CO, und ein Hydrid darf ausschließlich terminal binden.Moritz Senger hat an der FU Berlin Physik studiert. In seiner Diplomarbeit beschäftigte er sich mit photosynthetischer Wasserstoffproduktion durch Kopplung von Photosystem I mit Hydrogenasen an Proteinmonolagen. Seit 2013 ist er Max-Planck-Fellow und promoviert im Arbeitskreis von Joachim Heberle zu Protonen- und Elektronentransport in [FeFe]-Hydrogenasen.<div><img src="https://media.graphcms.com/IinZlaDRmacV5wbwaOwg">

</div>Sven Stripp hat während seiner Promotion bei Thomas Happe an der biologischen Fakultät der Universität Bochum den Einfluss von Sauerstoff auf Hydrogenasen untersucht. Anschließend wechselte er als wissenschaftlicher Mitarbeiter in den Arbeitskreis von Joachim Heberle (FU Berlin). Seit 2010 entwickelt er spektroskopische und elektrochemische Methoden zur Untersuchung von Metalloenzymen. Dabei steht die Aufklärung katalytischer Prinzipien im Vordergrund.<div><img src="https://media.graphcms.com/reMWNX1KS7uv6seqSmLa">

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14 G. Filippi, F. Arrigoni, L. Bertini, L. De Gioia, G. Zampella, Inorg. Chem. 2015, 54, 9529–9542.</li></ul>

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