Open Access

Molybdopterin spielt in der Natur eine wesentliche Rolle, da es gebunden an Molybdän den Molybdän-Cofaktor bildet, der einer Reihe verschiedener Enzyme als katalytisches Zentrum dient. Der Molybdän-Cofaktor kann zwar aus dem Protein freigesetzt werden, erweist sich dann aber als instabil. Trotz langjähriger Bemühungen konnten der Molybdän-Cofaktor und seine biologischen Vorstufen bisher nicht auf chemischem Wege synthetisiert werden. Daher konnten die bisher gewonnenen Kenntnisse über diese Verbindung nicht anhand von Untersuchungen an dem freien Cofaktor gewonnen werden. Um den Cofaktor in seiner Chemie zu verstehen, beschäftigt sich diese Arbeit mit der chemischen Synthese von Modellverbindungen, die die Aufgaben des natürlichen Cofaktors nachbilden können. Um den Einfluss der verschiedenen Struktureinheiten auf die Stabilität oder die katalytische Aktivität zu verstehen und so ein tieferes Verständnis über Molybdopterin und mögliche Struktur-/Funktionsbeziehungen des natürlichen Cofaktors zu entwickeln, werden einzelne Strukturabschnitte untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit war der Fokus das Verständnis der Chemie des Pyrazin-Pyran-Dithiolen-Strukturabschnittes und nach Möglichkeit die Entwicklung alternativer Modellverbindungen, die in der Lage sind Sauerstoff-Transport-Reaktionen zu katalysieren und/oder mit dem Apoenzym verbunden werden können. Im besten Falle kann so eine Modellverbindung als Behandlungsmöglichkeit der Molybdän-Cofaktor-Defizienz eingesetzt werden, bei Bindung mit dem Apoenzym für iSOD (isolierte Sulfitoxidase-Defizienz) oder bei Nichtbindung für MoCo-Defizienz Typ B. Für die Synthese der Pyrazin-Pyran-Dithiolen-Liganden sollten bereits literaturbekannte Syntheserouten insbesondere von Garner modifiziert und optimiert werden. Vergleichsweise sollten auch Ligandensysteme mit einer CH2-Gruppe anstelle der Sauerstofffunktion des Pyrans synthetisiert werden. Des Weiteren sollten neue Synthesewege zu strukturell und elektronisch ähnlichen Verbindungen entwickelt werden. Die so gewonnenen Ligandensysteme sollten anschließend mit vorzugsweise Molybdän, aber auch Wolfram komplexiert werden.

Molybdenum dependent enzymes are involved in essential metabolic transformations in bacteria, plants, and human beings. The extreme instability of the molybdenum cofactor (Moco) prevents its use as an effective treatment for patients with a Moco deficiency. Therefore, the design, develop and execute the artificial molybdenum cofactor models are essential. In the present thesis, the asymmetric molybdopterin (mpt) model precursors with oxygen functionality and various electronic structures and their Moco model complexes mimicking the natural cofactor have been synthesized and comprehensively investigated through multi-nuclear NMR, MS, IR, resonance Raman, X-ray crystallography, UV-Vis, and electrochemical methods. Notably, the asymmetrically substituted dithiolenes in this thesis are confirmed through a significant push-pull effect, which is tuning its electronic structure. The redox behavior of Moco model complexes was investigated by temperature-dependent cyclic voltammetry. Electronic and vibrational spectral studies were investigated in detail to understand substituents effect on the electronic structure of model complexes and to elucidate roles of mpt in catalysis. Since the model complexes can be considered as structural models for the Moco dependent oxidoreductases, catalytic oxygen atom transfer (OAT) reactions in DMSO/PPh3 were investigated. The main focus of the present thesis was achieved through the development of various synthetic routes that address phosphonate bearing dithiolene ligands, inspiring the natural mpt. Simultaneously the Minisci protocol was applied for the synthesis of new pterin ketophosphonates, taking into consideration the essential aspects of the natural molybdopterin, including the phosphate anchor group. Even though some aspects of this protocol require further optimizations, but the mentioned synthetic route has exceptional potential and flexibility.